Kryogenischer Trick aus China reduziert 99 Prozent aller Chip-Defekte

Chinesische Forscher haben eine bahnbrechende Methode entwickelt, die Lithografie-Defekte bei der Chip-Herstellung um ganze 99 Prozent reduziert. Das Team nutzte erstmals Kryo-Elektronentomografie aus der Biologie.

Durchbruch bei der Chip-Lithografie

Ein chinesisches Forschungsteam unter der Leitung von Professor Peng Hailin von der Peking-Universität hat eine revolutionäre Methode zur Reduzierung von Defekten in der Chip-Lithografie entwickelt. Das Verfahren kann Musterdefekte um bis zu 99 Prozent verringern und stellt einen bedeutenden Fortschritt für die globale Halbleiterindustrie dar. Die Ergebnisse wurden vor Kurzem in der renommierten Fachzeitschrift Nature veröffentlicht.

Das Forschungsteam setzte erstmals Kryo-Elektronentomografie (Kryo-ET) in der Halbleiterforschung ein - eine Technik, die normalerweise in der Strukturbiologie verwendet wird. Bei der Lithografie werden lichtempfindliche Photoresist-Materialien auf Silizium-Wafer aufgetragen und durch UV-Licht belichtet, um winzige Schaltkreismuster zu erzeugen. Während des Entwicklungsprozesses entstehen jedoch oft Defekte, wenn sich gelöste Photoresist-Moleküle wieder zusammenlagern und große Partikel bilden.

Innovative Technik aus der Biologie

Die Forscher froren den Entwicklerprozess bei minus 175 Grad Celsius ein und erstellten dreidimensionale Rekonstruktionen der Molekülbewegungen. Dadurch konnten sie erstmals beobachten, wie sich Photoresist-Polymere in der Flüssigkeit verhalten und wo genau die Probleme entstehen. Laut der South China Morning Post entdeckte das Team, dass etwa 70 Prozent der Polymere nicht richtig gelöst werden, sondern an der Luft-Flüssigkeits-Grenzfläche haften bleiben.


Die Kryo-Elektronentomografie wurde ursprünglich für die Untersuchung biologischer Strukturen entwickelt und ermöglicht es, Proteine und andere Biomoleküle in ihrem natürlichen Zustand zu betrachten. Das Verfahren nutzt einen Elektronenstrahl, um hochauflösende dreidimensionale Bilder zu erstellen, ohne die empfindlichen Strukturen zu beschädigen. Die Anwendung dieser Technik auf Halbleiterprozesse war bisher unerforscht und eröffnet völlig neue Möglichkeiten für die Materialwissenschaft.

Praktische Lösungsansätze

Basierend auf diesen Erkenntnissen entwickelten die Wissenschaftler zwei kompatible Verbesserungen für bestehende Produktionslinien: Eine leichte Erhöhung der Backtemperatur nach der Belichtung reduziert die Polymerverknäuelung erheblich. Zusätzlich optimierten sie den Entwicklungsprozess, um die problematischen Polymere vollständig wegzuspülen, bevor sie sich wieder auf der Waferoberfläche absetzen können.

Die Tests bestätigten eine Reduzierung der Defekte um mehr als 99 Prozent auf 30-Zentimeter-Wafern. Das entspricht einer Verringerung von über 6600 Defekten pro Wafer auf nahezu null - ein entscheidender Fortschritt für die Massenproduktion moderner Chips. Bemerkenswert ist, dass die Lösung ohne teure neue Ausrüstung oder grundlegende Änderungen der Produktionsabläufe implementiert werden kann.

Der globale Photoresist-Markt erreichte 2024 einen Wert von 6,3 Milliarden Dollar (etwa 5,5 Milliarden Euro) und wird voraussichtlich bis 2030 auf zehn Milliarden Dollar (etwa 8,7 Milliarden Euro) anwachsen. Bisher dominieren japanische, amerikanische und südkoreanische Unternehmen etwa 90 Prozent des Marktes. Das neue Verfahren könnte China dabei helfen, seine Abhängigkeit von importierten Photoresist-Materialien zu reduzieren und in den High-End-Bereich vorzustoßen.

Die Kryo-ET-Technologie hat auch Potenzial für andere Bereiche der Chip-Fertigung wie Ätzprozesse und Reinigungsverfahren bei fortgeschrittenen Fertigungsknoten. Professor Peng betonte, dass das Verfahren sofort in der Halbleiterproduktion eingesetzt werden könne, da es mit bestehenden Anlagen kompatibel sei. Allerdings bleibt abzuwarten, wie schnell sich die Methode in der Praxis bewährt und ob sie auch bei anderen Photoresist-Materialien und Fertigungsprozessen ähnlich effektiv ist.

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