Hinter den Kulissen der Mikrochip-Produktion

Das Leben eines Mikrochips beginnt in einer Fotolithographieanlage. Ein Großteil dieser Anlagen verwenden heute ultraviolettes Licht (UV) um Milliarden von winzigen Strukturen auf dünnen Siliziumscheiben zu erzeugen. Zusammen bilden diese Strukturen eine integrierte Schaltung oder einen Chip. Der unermüdliche Drang der Halbleiterindustrie nach immer leistungsfähigeren Mikrochips bedeutet, dass die Chiphersteller immer mehr Strukturen auf einen Chip packen müssen, um den Chip schneller und leistungsfähiger zu machen und die Herstellungskosten zu senken. Dafür brauchen sie Lithographieanlagen, die mit EUV-Licht arbeiten. EUV steht für extrem ultraviolettes Licht, das eine Wellenlänge von nur 13,5 Nanometern hat. Zum Vergleich: Ein menschliches Haar ist etwa 30.000 Nanometer breit.

Ein Lithographiesystem ist im Wesentlichen ein Projektionssystem. Das Licht wird durch eine Blaupause des zu übertragenden Musters projiziert. Die Optik überträgt das Muster auf den Siliziumwafer, der zuvor mit einer lichtempfindlichen Chemikalie beschichtet wurde. Wenn die unbelichteten Teile weggeätzt werden, wird das Muster sichtbar. Die knifflige Sache mit EUV-Licht ist, dass es leicht von allem absorbiert wird, sogar von Luft. Deshalb verfügt ein EUV-System über eine große Hochvakuumkammer, in der das Licht von einer Reihe von ultra-reflektierenden Spiegeln geleitet wird und weit genug läuft, bis es den Wafer erreicht.

Die große Herausforderung bei EUV-Licht ist: es ist schwer zu erzeugen. Denn mit 13,5 Nanometer bewegen wir uns nahezu im atomaren Größenbereich. Um EUV-Licht zu erzeugen, schießt ein Highpower-Laser von TRUMPF in einer Vakuumkammer auf vorbeirauschende Zinntröpfchen – und zwar 50.000 Mal in der Sekunde! Dabei entsteht ein Plasmablitz mit der gewünschten Wellenlänge von 13,5 Nanometern. Danach fangen Kollektoren das vom Plasma emittierte EUV-Licht ein, bündeln und übergeben es zur Belichtung des Chips an das Lithografiesystem.

Die bisherigen UV-Lithographieanlagen wurden technologisch weiter vorangetrieben als viele es für möglich gehalten hätten, aber die Industrie musste tief in die Trickkiste greifen, um die Chipstrukturen weiter zu verkleinern. Das kann man sich so vorstellen: Wenn jemand mit einem Textmarker in immer kleinerer Handschrift seinen Namen schreiben würde, würde er irgendwann zu einem anderen Stift wechseln, oder? Die EUV-Lithographie bietet der Industrie den Fineliner dafür. Mit dieser feineren Auflösung werden Chiphersteller in der Lage sein, kleinere, schnellere und leistungsfähigere Chips herzustellen, während die Komplexität der Fertigung und die Kosten im Rahmen bleiben.

Das sind die Protagonisten der EUV-Anlagen: TRUMPF entwickelt und produziert den Laser, der das EUV-Licht erzeugt, ZEISS entwickelt und produziert die hochpräzisen Optiken, die das EUV-Licht einfangen und fokussieren. Und das niederländische Unternehmen ASML aus Veldhoven ist der Maschinenbauer, der alle Komponenten integriert und eine Maschine hinstellt, die 180 Tonnen wiegt und über 100.000 Teile, 3.000 Kabel, 40.000 Schrauben hat und mehr als 2 Kilometer Schläuche verschlingt. Eine Maschine der Superlative.