Die entscheidende Rolle optischer Systeme in der Halbleiterfertigung

Die Abhängigkeit der Halbleiterfertigung von optischen Systemen konzentriert sich auf zwei wesentliche Bereiche: die Lithografie und die Inspektion. Im Lithografieprozess muss der von der Lichtquelle ausgestrahlte Lichtstrahl ein komplexes System zur Lichtformung und -gleichmäßigkeit durchlaufen, bevor er über ein Projektionsobjektiv das Maskenmuster präzise verkleinert und auf die Waferoberfläche belichtet. Die numerische Apertur, der Grad der Aberrationskorrektur und die Durchlässigkeit des optischen Systems bestimmen direkt die Auflösung und die Überlappungsgenauigkeit der Lithografieanlage. Im Inspektionsprozess hingegen – von der Messung kritischer Abmessungen bis hin zur Erkennung von Oberflächenfehlern auf dem Wafer – entscheidet die Leistungsfähigkeit des Mikroskopobjektivs darüber, wie kleine Fehler und wie feine Strukturen das Gerät „sehen“ kann.

Nehmen wir als Beispiel die Messung der kritischen Abmessungen von Masken im tief-ultravioletten (DUV) Wellenlängenbereich: ein 248-nm-Mikroobjektiv mit Wasserimmersion und einer numerischen Apertur von bis zu 1,25. Dieses Objektiv besteht aus 19 einteiligen Linsen aus Quarzglas und Calciumfluorid. Bei einer Gesamtlänge von nur etwa 72 Millimetern muss es innerhalb einer Bandbreite von 248 ± 8 nm eine nahezu diffraktionsgrenznahe Abbildungsqualität erzielen und gleichzeitig mit den Objektiven für sichtbares Licht sowie dem 903-nm-Laser-Autofokusmodul auf demselben Revolver kompatibel sein. Ein solches optisches Design unter zahlreichen Einschränkungen stellt die gesamte Wertschöpfungskette auf die Probe – von der Materialauswahl bis hin zum Montageprozess.

Technologische Tiefe von den Materialien bis zur Beschichtung

Die Leistungsgrenzen von optischen Halbleiterkomponenten werden in erster Linie durch die Materialien bestimmt. Quarzglas und Calciumfluorid sind aufgrund ihrer hohen Durchlässigkeit und geringen Absorption im tiefen Ultraviolettbereich die Materialien der Wahl für DUV-Optiksysteme. Bei Messanwendungen mit einem breiteren Spektralbereich hingegen erfordert die Konstruktion von Mikroskopobjektiven für den breiten Spektralbereich vom nahen Ultraviolett bis zum nahen Infrarot eine Abstimmung der Glasmaterialien anhand einer Dispersionsvektoranalyse, um eine flache, apochromatische Korrektur zu erreichen.

Die Beschichtungstechnik stellt eine weitere entscheidende Hürde für die Leistungsfähigkeit optischer Komponenten dar. Antireflexbeschichtungen, hochreflektierende Beschichtungen, Bandpassfilter und Notch-Filter – diese funktionalen Dünnschichten bestimmen unmittelbar das Signal-Rausch-Verhältnis und die Messgenauigkeit des optischen Systems. Am Beispiel eines Bandstop-Filters: Dieser muss bestimmte Wellenlängenbereiche (z. B. Laseranregungslinien) reflektieren und gleichzeitig alle übrigen Wellenlängen hocheffizient durchlassen, wobei die optische Dichte OD 4 oder höher erreichen kann. Dies stellt extrem hohe Anforderungen an die Kontrolle der Schichtanzahl und die Dickengenauigkeit der Beschichtung. Bandpassfilter hingegen fungieren in der Fluoreszenzmikroskopie, in Spektrometern und bei der maschinellen Bildverarbeitung als Wellenlängenselektoren; bei schmalbandigen Produkten lässt sich die Bandbreite auf 2–5 nm reduzieren.

Bearbeitungsgenauigkeit: Eine technische Herausforderung im Nanobereich

Die Bearbeitungsgenauigkeit optischer Komponenten stößt in Halbleiteranwendungen nahezu an die physikalischen Grenzen. Die Oberflächenebenheit wird in λ (633 nm) gemessen; bei Produkten der Spitzenklasse muss die Ebenheit λ/10 betragen, und die Oberflächenqualität muss dem Kratzer- und Dellenstandard 20/10 entsprechen. Für Linsenelemente bedeutet dies, dass jeder Arbeitsschritt – vom Grobschleifen über das Feinschleifen bis hin zum Polieren – präzise kontrollierbar sein muss.

Noch größere Herausforderungen birgt der Montageprozess. Bei der Herstellung von DUV-Mikroskopobjektiven muss aufgrund der zersetzenden Wirkung von tiefem Ultraviolettlicht auf herkömmliche optische Klebstoffe die „Luftspalt“-Technologie zum Einsatz kommen, d. h., es werden keinerlei geklebte Linsen verwendet. Dies erfordert eine Toleranzkontrolle der Luftzwischenräume von etwa ±2 μm. Zu diesem Zweck verzichteten die Forscher auf die herkömmliche Befestigung mittels gerollter Linsenränder und setzten stattdessen auf eine Kombination aus elastischen Unterlegscheiben und Druckringen zur Fixierung der Linsen, um Wellenfrontverzerrungen durch asymmetrische mechanische Spannungen zu vermeiden. Ein solches Maß an Montagepräzision übersteigt bereits die üblichen Fähigkeiten der meisten Präzisionsbearbeitungsverfahren.

Ein Unternehmen mit langjähriger Erfahrung in der optischen Fertigung

Als Hersteller von optischen Halbleiterkomponenten wurde die Changchun Yutai Optical Components Co., Ltd. im Jahr 2015 gegründet und konzentriert sich seitdem auf die Forschung, Entwicklung und Fertigung von hochleistungsfähigen optischen Komponenten, deren Produkte in den Bereichen Bildgebung, Verteidigung, Medizin und Lasertechnik weit verbreitet sind.

Die Kernkompetenz von Yutai Optics liegt in der Herstellung optischer Komponenten, wobei das Unternehmen insbesondere auf die Bearbeitung von übergroßen, mikroskopisch kleinen und hochpräzisen Produkten spezialisiert ist. Die Produktpalette umfasst sechs Hauptkategorien optischer Komponenten: Linsen, Spiegel, Beugungsgitter, Filter, Prismen und Fenster. Die Materialauswahl reicht von BK7 über geschmolzenes Quarzglas, synthetisches Quarzglas und hitzebeständiges B270-Glas bis hin zu optischem Glas namhafter Hersteller.

Für Anwender von Halbleiteranlagen ist die „Anpassbarkeit“ optischer Komponenten oft entscheidender als die Leistungsparameter von Standardprodukten. Da sich die optischen Strukturen, Arbeitsabstände, Sichtfeldanforderungen und Wellenlängenbereiche verschiedener Prüfgeräte unterscheiden, ist es schwierig, dass standardisierte optische Komponenten den Systemanforderungen in jeder Hinsicht gerecht werden. Der Fortschritt in der Halbleiterfertigung besteht im Wesentlichen darin, die Präzision jedes Lichtstrahls, jeder Komponente und jedes Arbeitsschritts weiter zu steigern. Wenn Sie Interesse an optischen Komponenten haben, können Sie sich jederzeit gerne an uns wenden.