Teure Lithographie für atomkleine Transistoren

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Die Strukturen zukünftiger Prozessor-Generationen sind kaum größer als einzelne Atome. Um sie auf die Wafer zu bannen, arbeiten neuartige Belichtungsmaschinen mit weicher Röntgenstrahlung und „intoleranten“ Spiegeln.

Der erste Mikroprozessor von Intel begnügte sich 1971 noch mit 2300 Transistoren. Etwa 20 Jahre später brachte es der Pentium auf 3,1 Millionen. Auf Intels Xeon Broadwell-E5 drängeln sich nun 7,2 Milliarden Transistoren auf 456 mm².

Reichte anfangs für die lithographische Übertragung des Prozessor-Layouts auf einen Wafer noch das UV-Licht einer Quecksilberdampflampe mit 434 nm Lichtwellenlänge, so musste es ab den neunziger Jahren ein Excimer-Laser mit 193 nm sein. Mit dieser Wellenlänge werden bis heute Strukturgrößen von bis zu 14 nm industriell gefertigt.

Die sogenannte Abbe’sche Auflösungsgrenze besagt zwar, dass eine Lichtquelle keine Strukturen abbilden kann, die kleiner sind als ihre Wellenlänge. Eine ganze Reihe von Tricks und „Verrenkungen“ überlisten dieses Gesetz aber bis heute.

So füllt etwa das aktuell wichtigste Belichtungsverfahren – die sogenannte Immersions-Lithographie – den Raum zwischen der letzten Projektionslinse und dem Wafer mit einer Flüssigkeit. Deren höherer Brechungsindex führt automatisch zu einer besseren Auflösung, da beide zueinander direkt proportional sind.

Auch wenn sich Intel erst kürzlich noch optimistisch gab, selbst 7-nm-Strukturen mit dieser „nassen“ Lithographie bewältigen zu können, ist jedoch eine technische und wirtschaftliche Grenze erreicht.

Lithographie mit Zinntröpfchen

In der EUV-Lithographie-Anlage wird Röntgenlicht auf den Wafer gelenkt. (Bild: Fraunhofer IWS).
Hochpräzise Spiegel lenken bei der EUV-Lithographie das Röntgenlicht auf den Wafer. (Bild: Fraunhofer IWS).

Als Kandidat für kleinste Strukturen ab 10 nm steht deshalb die EUV-Lithographie (Extrem Ultra Violet) schon in den Startlöchern. Ihre extrem kurzen Wellenlängen von etwa 13,5 nm entstehen beim Beschuss von Zinntröpfchen durch einen Hochleistungslaser in einer Vakuumkammer. Eingefangen und gebündelt werden sie im Unterschied zur klassischen, optischen Lithographie von einem hochpräzisen Spiegelsystem. Denn refraktive Optiken wie etwa Linsen würden diese kurzen Wellenlängen genauso absorbieren wie Luft.

Die Toleranzen für die Dicke der Spiegelschichten bewegen sich dabei im Bereich von 10 Pikometern. Das ist weniger als ein Atomdurchmesser. Damit aber nicht genug. Da die Erzeugung der EUV-Strahlung aufwändig und teuer ist, zählt bei den Spiegeln auch jedes Prozent an Reflektivität. Nanometerdünne Schichten verschiedener Materialen – jede zuständig für die Reflexion eines winzigen Frequenzbandes – sorgen dafür, dass bis zu 70 Prozent der eintreffenden Röntgenstrahlung zurückgeworfen werden.

EUV – Next Generation

Während IBM Ende letzten Jahres einen ersten Test-Chip mit EUV-Lithographie bei 13,5 nm gezeigt hat, arbeiten Wissenschaftler am Fraunhofer IOF und ILT mit Industriepartnern im Projekt „Beyond EUV“ bereits an der Entwicklung wesentlicher Komponenten für neue Wellenlängen von etwa 6,7 nm. Das Zinn als Target-Material muss dann Legierungen von Gadolinium oder Terbium weichen. Und die Strukturen sind kaum noch dicker als einzelne Atome. Klein ist eben nie klein genug.

EUV-Strahlung Fraunhofer ILT

EUV-Strahlung entsteht durch den Laserbeschuss von flüssigen Metalltröpfchen im Vakuum. (Bild: Fraunhofer ILT).