EUV-Lithographie – Neues Licht für das digitale Zeitalter

EUV-Entwickler von TRUMPF, ZEISS und Fraunhofer für den Deutschen Zukunftspreis 2020 nominiert

Das Bundespräsidialamt gab am 9. September 2020 im Ehrensaal des Deutschen Museums in München die Nominierten für den Deutschen Zukunftspreis 2020 bekannt. Im Kreis der Besten – den drei Projekten für die Endrunde des Preises des Bundespräsidenten für Technik und Innovation – ist ein Experten-Team von TRUMPF, ZEISS und Fraunhofer IOF: Mit ihrem Projekt »EUV-Lithographie – Neues Licht für das digitale Zeitalter« sind Dr. Peter Kürz, ZEISS Sparte Semiconductor Manufacturing Technology (SMT), Dr. Michael Kösters, TRUMPF Lasersystems for Semiconductor Manufacturing, und Dr. Sergiy Yulin, Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF in Jena, nominiert.

Das Experten-Team vor dem weltweit stärksten gepulsten Industrielaser, der für die Licht-Erzeugung eingesetzt wird, um die EUV-Lithographie zu ermöglichen (v.l.): Dr. Peter Kürz, ZEISS Sparte SMT, Dr. Michael Kösters, TRUMPF Lasersystems for Semiconductor Manufacturing und Dr. Sergiy Yulin, Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF
© Deutscher Zukunftspreis / Ansgar Pudenz
Das Experten-Team vor dem weltweit stärksten gepulsten Industrielaser, der für die Licht-Erzeugung eingesetzt wird, um die EUV-Lithographie zu ermöglichen (v.l.): Dr. Peter Kürz, ZEISS Sparte SMT, Dr. Michael Kösters, TRUMPF Lasersystems for Semiconductor Manufacturing und Dr. Sergiy Yulin, Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF.

EUV-Lithographie – Neues Licht für das digitale Zeitalter

10 Milliarden Transistoren befinden sich auf einem Mikrochip so groß wie ein Fingernagel heute in einem Smartphone. Damit hat es die millionenfache Rechenleistung des Computers, der 1969 die erste Mondlandung begleitete. Anfang der 1970er Jahre fanden gerade einmal 2000 Transistoren auf einen Chip vergleichbarer Größe Platz. Intel-Mitbegründer Gordon Moore sagte 1965 voraus, dass sich die Anzahl der Transistoren auf einem Mikrochip alle zwei Jahre verdoppeln wird: Er behielt Recht, doch wie bei jedem exponentiellen Gesetz wird die Fortschreibung mit jedem Schritt schwieriger.

Seit über 40 Jahren ist die optische Lithographie die Schlüsseltechnologie für die Fertigung von Mikrochips. Dabei werden die Strukturen der elektronischen Bauelemente ähnlich der Projektion eines Dias von einer Maske auf einen mit Fotolack bedeckten Siliziumwafer übertragen. Dieser Ablauf wiederholt sich mit verschiedenen Masken rund 100 Mal. So entsteht ein komplexes dreidimensionales Gebilde aus Transistoren und Leiterbahnen. Dabei gilt: Je kleiner die Wellenlänge des Lichts und je größer der Öffnungswinkel der Optik, desto kleiner sind die Strukturen, die noch scharf abgebildet werden können.

Mit extrem ultraviolettem Licht Grenzen verschieben

Nun stößt das klassische Verfahren zunehmend an das technische und ökonomische Limit. Mit EUV-Lithografie können die Grenzen der Optik verschoben werden. Das Verfahren nutzt extrem ultraviolettes, also sehr kurzwelliges, Licht und ausgefeilte Optik- und Spiegelsysteme, um noch winzigere Strukturen zu ermöglichen. Während das bisherige Verfahren Lichtquellen mit einer Wellenlänge von 193 Nanometer nutzt, arbeitet das neue Fertigungsverfahren mit nur noch 13,5 Nanometern. 1 Nanometer ist der Millionste Teil eines Millimeters.

Mit diesem »neuen Licht« lassen sich weitaus leistungsfähigere, energieeffizientere und kostengünstigere Mikrochips herstellen als jemals zuvor. Doch dafür sind enorme technologische Anstrengungen nötig. Es braucht nicht nur extrem starke Lichtquellen, sondern auch die präzisesten Spiegel der Welt. Denn selbst kleinste Unregelmäßigkeiten würden zu Fehlern auf den Mikrochips führen.

Fraunhofer-Forscherinnen und Forscher entwickeln – in enger Kooperation mit Unternehmen wie ZEISS und Trumpf – seit fast drei Jahrzehnten neue Verfahren für die anspruchsvolle Beschichtung der Spiegel und für leistungsstarke Lichtquellen. 2019 gelang der EUV-Technologie der Durchbruch – erste Smartphones, deren Chips mit EUV-Licht hergestellt wurden, sind am Markt erhältlich. Der Anstieg in der Produktivität der EUV-Belichtungsanlagen hat die Serieneinführung der EUV-Lithographie ermöglicht und der lange Atem der Forschung hat sich ausgezahlt. Die EUV-Lithographie ist eine deutsch-europäische Erfolgsgeschichte in der von asiatischen und amerikanischen Firmen dominierten Halbleiterindustrie.

 

Fraunhofer IOF

Das Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF entwickelt Verfahren zur EUV-Multilagenbeschichtung vor allem von thermisch stabilen Kollektorspiegeln. Dabei wird ein Schichtsystem aus über 100, jeweils wenige Nanometer dicken Einzelschichten mit atomarer Präzision aufgebracht.

 

Fraunhofer IWS

Am Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS in Dresden erforscht man seit zwei Jahrzehnten Nanometer-Multischichtsysteme für die EUV-Lithographie mit dem Ziel, maximale Reflexionsgrade auf komplexen Oberflächengeometrien zu erreichen. Die Forschenden entwickelten eine industrielle Beschichtungsanlage für großflächige Projektionsspiegel.

 

Fraunhofer ILT

Das Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT entwickelt Strahlungsquellen, die heute im Umfeld der EUV-Lithographie für die Produktion von Chips eingesetzt werden, dort mit dem Schwerpunkt der Charakterisierung von optischen Systemen und Diagnostik für Lebensdaueruntersuchungen von Vielschichtspiegeln oder der Defektinspektion.

Fraunhofer Verbund Light and Surfaces

Der Fraunhofer-Verbund Light & Surfaces bündelt die Kompetenzen von sechs Fraunhofer-Instituten auf den Gebieten Laser-, Optik-, Mess- und Beschichtungstechnik. Die Institute vereinen aufeinander abgestimmte Kompetenzen in den Bereichen Laserfertigungsverfahren, Laser-Strahlquellen, Messtechnik, Medizin und Life Sciences, Optische Systeme und Optikfertigung, EUV-Technologie, Prozess- und Systemsimulation, Werkstofftechnik, Mikro- und Nanotechnologie, Dünnschicht- sowie Plasma- und Elektronenstrahltechnik.

 

EUV-Lithographie: Wissenswertes über eine Technologie der Superlative

Was ist EUV-Lithographie?

Das Leben eines Mikrochips beginnt in einer Fotolithographieanlage. Ein Großteil dieser Anlagen verwendet 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.

Wie funktioniert EUV-Lithographie?

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 von allem absorbiert wird, sogar von Luft. Deshalb verfügt ein EUV-System über eine große Hochvakuumkammer, in der das Licht von einer Reihe von Präzisionsspiegeln geleitet wird und weit genug läuft, bis es den Wafer erreicht.

EUV-Licht ist sehr schwierig zu erzeugen. Um es herzustellen, schießt ein sehr starker Laser 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 Lithographiesystem.

Warum ist EUV-Lithographie notwendig?

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, müsste er irgendwann zu einem anderen Stift wechseln. In diesem Vergleich bleibend: Die EUV-Lithographie bietet der Industrie den Fineliner dafür. Mit dieser feineren Auflösung sind Chiphersteller in der Lage, kleinere, schnellere und leistungsfähigere Chips herzustellen, während die Komplexität der Fertigung und die Kosten im Rahmen bleiben.

Wie EUV-Lithographie unseren Alltag verändern wird

Intelligent vernetzte Fabriken, Städte und Wohnungen, automatisiert fahrende Autos und smarte Alltagsbegleiter in der Hosentasche – die immer anspruchsvolleren Szenarien von morgen verlangen vor allem eines: mehr Rechenleistung. Dafür muss das Herzstück der digitalen Welt – der Computerchip – bei stetig steigender Funktionalität in immer höherem Tempo immer größere Datenmengen bewältigen. Noch dazu darf er dabei wenig Energie verbrauchen. EUV-Lithographie macht solche Szenarien greifbar. Bereits heute begegnet uns die Technologie im Alltag, etwa bei modernen Smartphones. Andere Anwendungen wie vollständig autonom fahrende Autos sind zwar noch Zukunftsmusik, aber sie wird von Jahr zu Jahr lauter.

Drei Anwendungen, die sich mit EUV-Lithographie verbessern lassen:

Smartphones

Moderne Smartphones mit Spezialfunktionen wären ohne EUV-Laser kaum herstellbar. So verfügen viele Geräte am Markt über eine automatische Gesichtserkennung. Dabei ermittelt das Smartphone über seine Front-Kamera verschiedene Merkmale im Gesicht seines Eigentümers, etwa den Abstand zwischen den Augen. Nimmt eine Person das Smartphone in die Hand, gleicht das Programm die Informationen mit den hinterlegten Daten ab und entsperrt sich selbstständig, wenn es den Eigentümer erkannt hat. Dank der immer leistungsstärken Mikrochips konnten Forscher die automatische Gesichtserkennung in den vergangenen Jahren enorm verbessern. Heute lassen sich solche Programme nicht nur bei Smartphones zuverlässig nutzen, sondern zum Beispiel auch an Flughäfen.

Sprachassistenten mit künstlicher Intelligenz

Sprachassistenten und Chatbots machen vielen Mitarbeitern im Dienstleistungsbereich das Leben leichter, beispielsweise im Kundenservice. In Websites integriert, sind sie meistens in der Lage, unsere Fragen zu beantworten. Erst, wenn sie uns nicht mehr weiterhelfen können, muss der Mitarbeiter eingreifen. Dank EUV werden die Chatbots in Zukunft immer besser. Denn sie arbeiten zunehmend mit künstlicher Intelligenz, um beispielsweise doppeldeutige Wörter richtig zu interpretieren oder Begriffe trotz Rechtschreibfehlern zu verstehen. Je länger die Chatbots im Einsatz sind, desto besser werden sie, da sie aus ihren Fehlern und unserem Feedback lernen. Um diese ständig wachsenden Datenmengen innerhalb von Sekunden zu verarbeiten, benötigen wir maximale Rechenleistung. EUV-Lithographie hilft uns, die entsprechenden Datenspeicher dafür herzustellen und die Chatbots auf ein neues Level zu heben.

Automatisiert fahrende Autos

Der Straßenverkehr ist nicht immer vorhersehbar. Daher reicht es nicht aus, wenn ein automatisiert fahrendes Auto bremsen und lenken kann. Stattdessen muss das Fahrzeug Situationen selbstständig richtig einschätzen und vorausschauend fahren. Diese Stufe des automatisierten Fahrens ist zwar noch nicht im Alltag angekommen, dank EUV rückt sie aber in greifbare Nähe: Eine der wichtigsten Komponenten beim automatisierten Fahren sind zahlreiche Sensoren und Kameras, die die Umgebungsdaten des Fahrzeugs detailliert aufzeichnen. Die Informationen vergleicht das System mit dem in der Datenbank hinterlegten Wissen und sorgt dafür, dass das Fahrzeug richtig reagiert. Mit jeder neuen Situation lernt es dazu. Hochleistungsfähige Mikrochips, die mit EUV hergestellt werden, sind in der Lage, dem System die benötigten Daten im geforderten Tempo bereitzustellen.