Halbleiterchips sind aus der heutigen Welt nicht mehr wegzudenken. Sie sind mittlerweile in allen Arten moderner Geräte von der Waschmaschine über das Mobiltelefon bis hin zum Auto enthalten. Dadurch ist unser Leben stark von ihnen abhängig geworden. Wenn wir einen Blick in das Innere der Architektur von Halbleiterchips werfen, finden wir eine große Anzahl von Schichtstrukturen aus miniaturisierten Transistoren, Kondensatoren und Widerständen und den komplizierten elektrischen Verbindungen zwischen ihnen. Wie bei einem Gebäude hat jede Schicht ihren eigenen Grundriss und muss genau auf die vorhergehenden Schichten gelegt werden.
Hergestellt werden die Chips mit der optischen Lithografie. Dabei wird eine Siliziumscheibe, der Wafer, mit einer lichtempfindlichen Oberfläche (Fotolack) versehen und dann nur an bestimmten Stellen belichtet. Das führt dazu, dass der Fotolack nur an den vorgesehenen Stellen aushärtet und somit die Strukturierung der Maske auf das Bauteil übertragen wird. Der unbelichtete Lack wird durch ein Lösungsmittel entfernt, das Ätzen entfernt dann die Bereiche des Halbleiters, die nicht durch den Lack geschützt sind.
Die Lithografie selbst wird heute mit Scannern durchgeführt. Sie tasten die Belichtungsmaske ab und übertragen dabei immer einen kleinen Teil der Maske in höchster optischer Qualität auf den beschichteten Wafer. Jede Ungenauigkeit bei der Positionierung des Scanprozesses geht zu Lasten der elektronischen Eigenschaften und der Effizienz des Chips. Die Qualität des Lithografiescanners und des eingesetzten Verfahrens hat also direkten Einfluss auf die Leistung des produzierten Mikrochips. In der Praxis bedeutet dies, dass die Grenzen des verfügbaren Lithografiescanners bestimmen, welche Art von Chips man zu einem bestimmten Zeitpunkt herstellen kann.
Das Mooresche Gesetz und die Lithografie
Mehr als 50 Jahre lang wurde der Fortschritt der Halbleiterindustrie bei der Herstellung von Chips und damit auch der Lithografie durch ein Gesetz bestimmt, das nach dem späteren Mitbegründer der Firma Intel, Gordon Moore, benannt ist: In einer Veröffentlichung aus dem Jahr 1965 stellte Moore fest, dass „die Komplexität für minimale Komponentenkosten etwa um den Faktor zwei pro Jahr zugenommen hat“. Er sagte voraus, dass dieser Trend noch ein Jahrzehnt anhalten würde. Dieses Mooresche Gesetz ist auch heute noch gültig, wobei es natürlich kein Naturgesetz ist, sondern eine historische Beobachtung und eine damit verbundene Projektion, dass die Leistungsfähigkeit von Computerchips weiter exponentiell wachsen würde. Diese Aussage beruht auf dem wirtschaftlichen Gewinn jeder neuen Generation von Halbleiterbauelementen und resultiert in einer höheren erreichten Funktionalität. Heutzutage ist neben der Anzahl der Chips auf einer Fläche auch die Energieeffizienz ein wichtiger Faktor, der das exponentielle Wachstum der Funktionalität vorantreibt.
Die Entwicklung der optischen Lithografie ist ein ständiges Streben nach einer verbesserten Auflösung und damit nach der Abbildung immer kleinerer Strukturen. Wie erstmals von Ernst Abbe beschrieben, gibt es zwei grundsätzliche Möglichkeiten, die Auflösung zu verbessern: Entweder verkürzt man die Wellenlänge oder man vergrößert die Winkelöffnung der Projektionsoptik, die numerische Apertur.
In den vergangenen Jahren hat vor allem der erste Ansatz zum Erfolg geführt: Scanner für extremes Ultraviolettlicht (EUV) mit 13,5 Nanometern ebneten den Weg für die Erweiterung des Mooreschen Gesetzes. Ermöglicht wurde dies durch mehrere bahnbrechende Erfindungen der modernen Physik, Materialwissenschaft und Technik.
Komplexe neue Fertigungstechnologie
Ein EUV-Scanner besteht – wie jeder lithografische Apparat – aus einer Maske, die das auf die Wafer zu übertragende Muster enthält, mit Maskenhandhabungseinheit. Für den Belichtungsprozess zuständig sind dann das optische System mit Pikometergenauigkeit sowie die Positionier- und Abtasteinheiten für den Wafer und die Maske mit einer Positionsgenauigkeit im Sub-Nanometerbereich. Außerdem benötigt man eine Lichtquelle, die Hunderte von Watt an EUV-Leistung erzeugt. Dies erreicht man mithilfe eines gepulsten Kilowattlasers, der auf einen sich schnell bewegenden Strom von Zinn-Teilchen mit einer Größe von weniger als 30 Mikrometern geschossen wird, die dadurch zum Plasma werden und dabei das gewünschte EUV-Licht abstrahlen.
Eine Besonderheit besteht darin, dass das EUV-System unter Vakuumbedingungen läuft und nicht bei Normaldruck wie herkömmliche optische Lithografiesysteme. Das ist notwendig, damit die EUV-Strahlung das System durchdringen kann und nicht durch Bestandteile der Luft absorbiert wird.
Auch Linsenoptiken sind wegen der hohen Absorption aller Materialien im EUV-Bereich hier nicht geeignet, sodass man eine reflektierende Optik mit speziellen mehrschichtigen Spiegeln, sogenannten Bragg-Spiegeln, verwenden muss. All diese Innovationen erforderten großen Erfindungsgeist und viele Jahre Arbeit.
Mit hunderttausend Einzelteilen, die zur Sub-Nanometer-Positionsgenauigkeit nötig sind, ist ein aktuelles EUV-System eine der komplexesten Maschinen, die von Menschenhand geschaffen wurden. Für den Transport und die Installation eines solchen Systems werden 40 Überseecontainer benötigt.
Neben dem EUV-Scanner selbst mussten auch die lichtempfindliche Oberflächenschicht des Wafers und die Maske neu erfunden und speziell für EUV optimiert werden, um die Abbildungsfähigkeiten des Scanners bestmöglich zu nutzen.
Die erhöhte Prozesskomplexität wird durch eine vorteilhafte Kostenentwicklung sowie eine höhere Leistungsdichte und Energieeffizienz der Chips mehr als ausgeglichen. Diese wiederum werden immer mehr intelligente Geräte und Anwendungen ermöglichen, etwa in den Bereichen autonomes Fahren, künstliche Intelligenz und Energiewende.
Um die EUV-Lithografie weiter zu verbessern, wird nun auch an der zweiten Stellschraube der Auflösung gedreht: der numerischen Apertur, also der Winkelöffnung der Projektionsoptik. Die niederländische Firma ASML hat Ende 2023 ein neues EUV-System mit hoher numerischer Apertur auf den Markt gebracht. Damit lassen sich nicht nur nanometergroße Strukturen effizient auf den Wafer übertragen, sondern auch mehr als 200 Wafer pro Stunde bearbeiten. Auch ein weiterer Zyklus der Auflösungsverbesserung mit erhöhter numerischer Apertur ist nach neuesten Überlegungen machbar. Das Mooresche Gesetz hat also noch lange nicht ausgedient.