Mit der Weiterentwicklung digitaler Geräte wie Smartphones und Tablets sowie der Verbreitung von 5G-Mobilfunknetzen und dem Internet der Dinge (IoT) werden Halbleiterprodukte immer komplexer. Um dies zu erreichen, sind immer feinere Schaltkreise und enorme Energiemengen in der Fertigung erforderlich. Daher besteht in den letzten Jahren ein Bedarf an neuen Halbleiterfertigungstechnologien, die Miniaturisierung mit geringem Stromverbrauch kombinieren. Um diesen Herausforderungen zu begegnen, hat DNP die Nanoimprint-Lithographie (NIL) entwickelt – eine Technologie, die auf Mikrofabrikationstechnik basiert und voraussichtlich eine Schlüsselkomponente der Halbleiterfertigung der nächsten Generation darstellen wird. Wir werden die Geheimnisse dieser neuen Innovation, der Nanoimprint-Lithographie, lüften.
Zur Lösung der technologischen Herausforderungen von Halbleitern der nächsten Generation
DNP entwickelte 1969, zu Beginn der Halbleiterindustrie in Japan und im Ausland, erfolgreich einen Prototyp einer Fotomaske, der ursprünglichen Platte für Halbleiterschaltungsmuster, unter Verwendung seiner firmeneigenen Lithographietechnologie. Da die Miniaturisierung und Integration von Schaltungen für die Verbesserung der Verarbeitungsgeschwindigkeit von Halbleitern unerlässlich sind, forscht und kommerzialisiert DNP seit über 50 Jahren kontinuierlich Mikrofabrikationstechnik zur Herstellung „feinerer“ und „präziserer“ Produkte.
Eine Technologie, bei der Licht auf die Oberfläche eines mit einem lichtempfindlichen Material beschichteten Substrats gerichtet wird. Je nachdem, ob das Substrat belichtet wird oder nicht, entstehen Muster. DNP hat die Lithographietechnologie, die zuvor zur Herstellung von Druckplatten verwendet wurde, weiterentwickelt und wendet sie nun für die Fertigung von Fotomasken an, die eine Präzision im Nanometerbereich (nm) erfordern, sowie von Farbfiltern für Flüssigkristallanzeigen, die eine Präzision im Mikrometerbereich (μm) benötigen.
In der zweiten Hälfte der 2010er-Jahre stieg die Nachfrage nach feineren Schaltungsdesigns so stark an, dass die herkömmliche UV-Belichtung nicht mehr ausreichte. Dies trieb die Entwicklung von Halbleiterfertigungstechnologien der nächsten Generation voran. Daraus entstand die EUV-Lithografie, die mit extrem ultraviolettem Licht (EUV) mit einer Wellenlänge von 13,5 nm – kürzer als herkömmliches UV-Licht – ultrafeine Schaltungsstrukturen erzeugt. Da sie auf der herkömmlichen Lithografietechnologie basiert, können viele der bis dahin in der Halbleiterfertigung erzielten Fortschritte genutzt werden. Sie hat sich als eine der Technologien der nächsten Generation in der Praxis etabliert. Allerdings führte die zunehmende Miniaturisierung der Halbleiter zu einem erhöhten Energieverbrauch während der Fertigung.
Je miniaturisierter die Halbleiterfertigung wird, desto höher ist tendenziell der Stromverbrauch. Daten zeigen, dass die Herstellung eines Wafers mit einer Strukturbreite von 5 nm, wie sie bei den modernsten heutigen Bauelementen üblich ist, so viel Strom verbraucht wie ein durchschnittlicher Haushalt in etwa vier Monaten. Quelle: IEDM2020
Darüber hinaus positioniert die Regierung ihre Strategie für grünes Wachstum, eine Industriepolitik, die einen „positiven Kreislauf zwischen Wirtschaft und Umwelt“ schaffen soll, als gestützt auf eine robuste digitale Infrastruktur – wobei „grün“ und „digital“ die beiden Räder eines Autos bilden. Die Reduzierung des Energieverbrauchs in der Fertigung ist zudem eine wesentliche technische Voraussetzung für die Unterstützung des Halbleitermarktes, der voraussichtlich im Zuge des Ausbaus der digitalen Infrastruktur wachsen wird. Um die Herausforderung einer energie- und kostengünstigen Fertigung zu bewältigen, wurde daher die Nanoimprint-Lithografie entwickelt, ein Verfahren, das sich von der EUV-Lithografie unterscheidet.
Die Nanoimprint-Lithographie reduziert den Stromverbrauch auf 1/10
Die Nanoimprint-Lithographie ist eine Technologie, die ultrafeine Erhebungen und Vertiefungen im Nanometerbereich auf ein Substrat oder ein anderes Material, wie zum Beispiel Harz, überträgt, indem eine Schablone (Platte) mit einem Schaltungsmuster wie ein Stempel darauf gepresst wird.
Die Schablone wird gegen das auf das Substrat aufgetragene, noch nicht ausgehärtete, UV-härtbare Harz gepresst, und die Unebenheiten des Schaltungsmusters werden durch Aushärtung mittels einer chemischen Reaktion unter Verwendung von ultraviolettem Licht übertragen. Neben der Möglichkeit, feinere Schaltungen als bisher herzustellen, vereinfacht diese Technologie den Prozess, indem sie den in der bestehenden Lithographietechnologie erforderlichen Entwicklungsschritt eliminiert und somit eine kostengünstige und energieeffiziente Fertigung ermöglicht.
DNP entwickelt seit 2003 Schaltungsmustervorlagen für die Nanoimprint-Lithographie und brachte im April 2015, basierend auf dem über viele Jahre gesammelten Know-how, die DNP Nanoimprint Solution auf den Markt – die (damals) branchenweit erste Komplettlösung für alles vom Vorlagendesign über die Prototypenherstellung bis hin zur Massenproduktion.
- 2015年4月15日ニュースリリース
ナノインプリント技術を活用した市場創出型超微細加工の新ビジネスを開始
https://www.dnp.co.jp/news/detail/1187550_1587.html
Im Jahr 2021 entwickelten Canon Inc., Kioxia Corporation und DNP gemeinsam die Nanoimprint-Lithografie *, mit der der Energieverbrauch in der Halbleiterfertigung auf etwa ein Zehntel des Verbrauchs herkömmlicher Verfahren reduziert werden konnte. Dies ermöglicht uns, die Fertigungskosten zu senken, und wir sind überzeugt, dass es einen wesentlichen Beitrag für alle Hersteller leisten wird, die Klimaneutralität anstreben.
- Canon ist für die Technologie der Prägeanlagen verantwortlich, die das Plattenmuster präzise auf das Substrat überträgt, während Kioxia für die Halbleiterfertigungstechnologie zuständig ist, die das Muster präzise auf dem Substrat verarbeitet. DNP nutzt die im Bereich der Fotomasken entwickelte Technologie, um die Vorlagen (Platten) herzustellen, die eine zentrale Rolle in der Nanoimprint-Lithographie spielen.
Diese Eigenschaften werden erzielt, da im Gegensatz zur herkömmlichen Belichtungslithografie kein Beugungseffekt des Lichts auftritt. Bei lichtbasierten Verfahren ist es schwierig, Schaltungsmuster zu erzeugen, die kleiner als die Wellenlänge des Lichts sind. Für die Herstellung von Halbleitern mit Linienbreiten von 40 nm oder weniger sind spezielle Verfahren erforderlich, was den Aufwand und die Kosten erhöht. DNP konzentrierte sich daher auf Mikrofabrikationstechnik die das Unternehmen über viele Jahre im Bereich der Druckverfahren entwickelt hatte. Durch Ausprobieren und die Kombination verschiedener Technologien und des vorhandenen Know-hows entstand die Nanoimprint-Lithografie.
Die Nanoimprint-Lithographie zielt auf eine Weiterentwicklung ab, um den Anforderungen der nächsten Generation gerecht zu werden.
DNP ist derzeit weltweit das einzige Unternehmen, das über die Technologie zur Massenproduktion von Nanoimprint-Lithographie-Schablonen verfügt und bereits an der Identifizierung von Problemen im praktischen Einsatz arbeitet. Wir werden auch in Zukunft täglich forschen, um die Technologie weiterzuentwickeln und dem wachsenden Bedarf an Miniaturisierung von Halbleitern gerecht zu werden.
Laut IRDS (International Roadmap for Devices and Systems), einem internationalen Branchenverband, der einen Fahrplan für die Halbleiterindustrie erstellt, wird die für Halbleiter benötigte Linienbreite ab 2030 voraussichtlich 10 nm oder weniger betragen, und die Miniaturisierung von Halbleitern wird sich voraussichtlich weiter fortsetzen. Quelle: IRDS-SPIE-Treffen 2020
DNP entwickelt außerdem dreidimensionale Schablonen mithilfe der Nanoimprint-Lithographie. Dieses Verfahren überträgt die Unebenheiten des Schaltungsmusters durch Pressung auf ein Substrat. Dadurch lassen sich dreidimensionale Formen frei gestalten, was die Realisierung völlig neuer Elemente und Funktionen ermöglichen dürfte. Es wurden bereits Muster in verschiedenen Formen hergestellt, und zukünftige Anwendungen für dreidimensionale Schablonen werden erwartet.
Verdrahtungsverarbeitungsvorlage (doppelte Damaszenerverdrahtung)
Mikrosäulen mit hohem Aspektverhältnis
Freiform-3D-Vorlage
Kegelförmige Vorlage
Die Bedeutung der Halbleiterindustrie nimmt stetig zu. Das japanische Ministerium für Wirtschaft, Handel und Industrie (METI) verkündete im Juni 2021 seine Strategie für die Halbleiter- und Digitalindustrie, die die Digitalisierung auf Halbleiterbasis als „Grundlage aller Branchen“ positioniert. DNP, Marktführer im Bereich Fotomasken für die Halbleiterfertigung, betreibt Forschung und Entwicklung in vielfältigen Bereichen – von der Miniaturisierung von Halbleitern und der Reduzierung des Energieverbrauchs in der Halbleiterfertigung bis hin zu Zukunftstechnologien wie der Erstellung dreidimensionaler Schablonen. Auch in Zukunft wird DNP den wachsenden Bedarf an Halbleiteranwendungen in verschiedenen gesellschaftlichen Bereichen decken und dabei auf modernste Nanotechnologie setzen.
Die „Halbleiter- und Digitalindustriestrategie“ des Ministeriums für Wirtschaft, Handel und Industrie weist darauf hin, dass es zur Lösung gesellschaftlicher Probleme wie Klimaneutralität, regionaler Revitalisierung und der sinkenden Geburtenrate sowie der alternden Bevölkerung unerlässlich ist, die Digitalisierung von Halbleitern auf die digitale Infrastruktur, digitale Industrien und alle Branchen auszuweiten.
Kurzkolumne: DNPs Mikrofabrikationstechnik– ein kontinuierlicher Marktführer
Auf der Expo 1970 in Osaka präsentierte DNP einen „100-Jahres-Kalender“, der mit für damalige Verhältnisse hochmoderner Mikrofabrikationstechnik hergestellt wurde. Die Menschen standen Schlange in der Ausstellungshalle und staunten über die unglaubliche Technologie, mit der der winzige Kalender gefertigt worden war.
Dies war damals ein bahnbrechendes, hochpräzises Exponat, bei dem ein 100-Jahres-Kalender in einen 1,5 cm großen Siliziumwafer eingraviert wurde. Während die Standard-Linienbreite für Halbleiter Anfang der 1970er-Jahre 10 μm betrug, realisierte der „100-Jahres-Kalender“ ein Muster mit einer Breite von 5 μm und demonstrierte damit die fortschrittlichen technologischen Möglichkeiten von DNP.
Heute ist diese Technologie so weit fortgeschritten, dass es möglich ist, einen „1 Million Jahre umfassenden Kalender“ auf derselben Fläche von 1,5 cm² darzustellen, die 10.000 Mal größer ist als vor 50 Jahren.
- Bitte beachten Sie, dass die bereitgestellten Informationen zum Zeitpunkt der Veröffentlichung aktuell sind.
6. Dezember 2021, Redaktion Discover DNP
