Warum die wichtige EUV-Maschine aus den Niederlanden kommt

Gordon Moore ist ein Mitgründer der Firma Intel. Er macht eine berühmte Vorhersage. Er sagt: Die Zahl der Transistoren auf einem Chip verdoppelt sich etwa alle zwei Jahre. Ein Transistor ist ein sehr kleiner Schalter auf dem Chip. Durch diese Entwicklung wird die Leistung von Computern viel besser. Und die Kosten für das Rechnen werden viel niedriger. Diese Vorhersage nennt man das Mooresche Gesetz.

Diese Vorhersage ist richtig. Die Halbleiter-Industrie macht eine unglaubliche Entwicklung. Am Anfang, Anfang der 1970er Jahre, ist ein Transistor etwa 10.000 Nanometer groß. Nanometer ist sehr, sehr klein. Ein Nanometer ist ein Milliardstel Meter. Heute sind Transistoren auf den modernsten Chips nur noch wenige Nanometer groß. Das ist ein riesiger Fortschritt.

Der Schlüssel für diesen Fortschritt ist die EUV-Lithografie. EUV ist die Abkürzung für extreme ultraviolet lithography. Auf Deutsch: Lithografie mit extrem ultraviolettem Licht. Diese Technologie benutzt Licht mit einer sehr kurzen Wellenlänge. Die Wellenlänge ist nur 13,5 Nanometer. Mit diesem Licht kann man sehr feine Strukturen auf den Chip zeichnen. Die Strukturen sind unglaublich klein und kompliziert.

Ein Ingenieur von ASML bedient ein EUV-System. Das ist die wichtigste Technologie für die modernsten Mikrochips heute. Foto: ASML

Heute ist die Firma ASML aus den Niederlanden der einzige kommerzielle Anbieter von EUV-Systemen. Kein anderes Unternehmen auf der Welt verkauft diese Maschinen. Diese Technologie ist sehr wichtig, um die modernsten Chips zu produzieren.

Das ist interessant und ein bisschen ironisch. Die Firma hat einen niederländischen Namen. Aber die wichtigste Idee und die ersten Experimente kommen aus den USA und aus Japan. Dort beginnt die Forschung.

In den USA investieren viele große Akteure sehr viel Geld und Zeit. Das sind zum Beispiel die wichtigen nationalen Labore, die DARPA, IBM und Intel. DARPA ist eine Behörde für neue Forschungsprojekte beim Verteidigungsministerium der USA. Sie alle investieren über viele Jahrzehnte hunderte Millionen US-Dollar. Sie wollen EUV-Technologie zur Realität machen.

Dass am Ende eine europäische Firma den Schlüssel für diesen ganzen Erfolg hat, ist eine der interessantesten und überraschendsten Geschichten in der Geschichte der Halbleiter-Industrie.

Jede EUV-Maschine ist etwa so groß wie ein Bus. Für den Transport der Teile braucht man 40 Container, drei Frachtflugzeuge und 20 Lastwagen. Foto: ASML

Jede EUV-Maschine ist sehr groß. Sie ist ungefähr so groß wie ein Bus. Der Transport ist sehr kompliziert. Für die Teile einer Maschine braucht man 40 Container, drei große Frachtflugzeuge und 20 Lastwagen.

Warum brauchen wir eine neue Technologie?

Wie funktioniert das Drucken von sehr kleinen Schaltkreisen auf Silizium? Silizium ist das Material für Chips. Man nennt die Silizium-Scheibe Wafer. Man kann sich den Prozess so vorstellen: Man scheint Licht durch eine spezielle Schablone. In der Halbleiter-Industrie nennt man diese Schablone Maske. Die Maske hat Bereiche, wo das Licht durchgeht. Und sie hat Bereiche, wo das Licht nicht durchgeht. So entsteht die Form des Schaltkreises.

Das Licht geht durch die Maske. Dann zeigt es das Bild des Mikrochips auf dem Wafer. Auf dem Wafer ist vorher eine spezielle chemische Schicht. Diese Schicht nennt man Fotolack. Wenn das Licht auf den Fotolack trifft, verändert sich der Fotolack. Ein Teil wird zum Beispiel weicher, ein anderer Teil nicht. Das hängt vom Material ab. Danach wäscht man den Wafer. Man entfernt den veränderten Teil des Fotolacks. Nur der Rest bleibt. Dieser Rest hat die Form des Schaltkreises, den man drucken will.

Danach kommt ein chemischer Prozess. Man nennt ihn Ätzen. Mit diesem Prozess überträgt man die Linien auf das Silizium darunter. Danach entfernt man den restlichen Fotolack. Jetzt sieht man perfekte kleine Gräben für den Schaltkreis. Diesen ganzen Prozess wiederholt man viele Male, dutzende Male. Man legt viele Schichten übereinander. So entsteht am Ende ein kompletter Chip.

Am Anfang benutzt die optische Lithografie Lampen mit Quecksilber. Das Licht dieser Lampen hat eine Wellenlänge von 436 Nanometern. Aber die Transistoren werden immer kleiner. Dann ist diese Wellenlänge zu groß für die kleinen Details. Das Licht hat ein Problem: die Beugung des Lichts. Die Linien des Schaltkreises werden dann nicht mehr scharf. Sie werden unscharf und verschwommen. Deshalb muss man eine neue Technologie entwickeln. Man braucht Licht mit einer kürzeren Wellenlänge. Nur so kann man die Transistoren noch kleiner machen und mehr Transistoren auf einen Chip bringen.

Röntgen-Lithografie - keine perfekte Lösung

Schon in den 1960er Jahren suchen Wissenschaftler nach Alternativen für die normale optische Lithografie.

John Bardeen, Walter Brattain und William Shockley - drei Wissenschaftler bei Bell Labs. Sie erfinden den Transistor im Jahr 1948. Später arbeitet Bell Labs weiter an der Suche nach einer Alternative für die normale Lithografie. Foto: Wikimedia

John Bardeen, Walter Brattain und William Shockley sind drei Wissenschaftler bei Bell Labs. Sie erfinden im Jahr 1948 den Transistor. Später arbeitet Bell Labs weiter an der Forschung. Sie suchen nach einer Alternative für die normale Lithografie.

Eine der besten Ideen in dieser Zeit ist die Elektronenstrahl-Lithografie. Auf Englisch heißt sie e-beam lithography. Diese Technologie benutzt keine Photonen, also kein Licht. Sie benutzt einen Strahl aus Elektronen. Mit diesem Elektronenstrahl zeichnet sie den Schaltplan direkt auf den Wafer.

Drei Jahrzehnte lang, von 1960 bis 1990, investiert IBM sehr viel Geld und Ressourcen in diese Technologie. Der Vorteil von E-Beam ist die sehr hohe Genauigkeit. Elektronen haben eine sehr kurze Wellenlänge. Deshalb kann diese Technologie viel feinere und schärfere Linien zeichnen als jede optische Lithografie in dieser Zeit.

Aber diese Technologie hat einen großen Nachteil: Sie ist sehr langsam. Man braucht viele Stunden, manchmal dutzende Stunden, um nur einen Wafer fertig zu machen. Wegen dieser niedrigen Produktivität benutzt man E-Beam nur für spezielle Aufgaben. Man benutzt es nur, um Masken herzustellen und um Prototyp-Chips zu bauen. Man kann es nicht für die Massenproduktion von Chips benutzen. Deshalb ist E-Beam keine perfekte Lösung für die Zukunft. Die Industrie braucht eine andere Lösung, und das ist später EUV.*