Zeiss-Technik für Mikrochip-Produktion
High-NA-EUV-Lithographie für modernste Mikrochips
Ob künstliche Intelligenz, Autonomes Fahren, Smart Cities oder das Internet der Dinge: Für die bahnbrechenden Techniken und Entwicklungen der Zukunft ist eine enorme Rechenleistung nötig und deshalb immer leistungsfähigere Mikrochips.
Die Zeiss-Sparte Semiconductor Manufacturing Technology (SMT) hat gemeinsam mit ihrem strategischen Partner ASML, einem niederländischen Hersteller von Lithographie-Systemen, die Grundvoraussetzung für die Fertigung von integrierten Schaltkreisen auf einem neuen Level geschaffen.
Mit der sogenannten High-NA-EUV-Lithographie lassen sich auf den Trägern der Mikrochips – den Wafern – deutlich kleinere Strukturen und damit noch leistungsfähigere, energieeffizientere und kostengünstigere Chips realisieren. Die erste Serienfertigung mithilfe der neuen Technologie soll 2025 beginnen.
„Die feinsten Strukturen, die präzisesten Optiken, die komplexeste Messtechnik: Wenn wir über High-NA-EUV-Lithographie sprechen, geht das nicht ohne Superlative“, sagte dazu Andreas Pecher, Mitglied im Zeiss-Vorstand und President and Chief Executive Officer der Sparte SMT. EUV steht für „extreme ultraviolett“, also extrem ultraviolettes Licht, NA für „Numerische Apertur“ und damit für einen noch größeren Öffnungswinkel der Zeiss Optiken als beim bisher modernsten Verfahren, der EUV-Lithographie.
Passten 1970 auf einen Mikrochip rund 1.000 Transistoren, sind es heute bereits mehr als 55 Milliarden. „Die High-NA-EUV-Lithographie wird eine drei Mal so hohe Dichte an Transistoren auf Mikrochips ermöglichen wie bisher und so die Rechenleistung vervielfachen“, so Pecher. „Das von Intel-Mitbegründer Gordon Moore formulierte Moore‘sche Gesetz, demzufolge sich etwa alle zwei Jahre die Anzahl der Transistoren auf einem Mikrochip verdoppelt, wird damit fortgeschrieben.“
Zeiss hat nach eigenen Angaben rund zehn Millionen Arbeitsstunden für Forschung und Entwicklung in die High-NA-EUV-Lithographie investiert. An der Entwicklung der Technik sind zudem der strategische Partner ASML und viele weitere europäische Partner beteiligt. „Wir arbeiten immer daran, die Grenzen des technisch Machbaren zu verschieben“, sagte Pecher weiter. „Unser Anspruch ist es, die Digitalisierung weltweit mit unseren Innovationen aktiv zu gestalten, indem wir die Chipindustrie zu neuen Technologiesprüngen befähigen. Dafür setzen wir uns ambitionierte Ziele. Unser langer Atem über mehr als 25 Jahre hat sich nun bezahlt gemacht: Der neue Wafer-Scanner von ASML für die High-NA-EUV-Lithographie ist die modernste, komplexeste und präziseste Maschine zur Mikrochipfertigung der Welt – und wir sind sehr stolz darauf, mit dem optischen System das Herzstück für diese Maschine bereitzustellen.“
Mikrochips werden im sogenannten Lithographie-Verfahren in Wafer-Scannern hergestellt. Mit verschiedenen Photomasken werden die verschiedenen Lagen der Chipstruktur Schicht für Schicht auf den Wafer belichtet – ähnlich wie bei einem Diaprojektor. Essenzieller Bestandteil der Wafer-Scanner ist das optische System von Zeiss. Darin sind Spiegel verbaut, die das Licht reflektieren und nanometergenau an die richtige Stelle lenken. „Durch die größere numerische Apertur und die neuen Spiegel für die High-NA-EUV-Lithographie können wir mehr Licht einfangen und damit noch detailreicher und präziser belichten. Erfahrungsgemäß gilt: Je kleiner die Chipstrukturen werden sollen, desto größer ist das optische System aus Projektionsoptik und Beleuchtungssystem“, erklärte Dr. Peter Kürz, Leiter des Geschäftsfelds High-NA-EUV-Lithographie bei Zeiss SMT.
Das Beleuchtungssystem für die High-NA-EUV-Lithographie besteht aus rund 25.000 Teilen und wiegt mehr als sechs Tonnen. Die Projektionsoptik kommt mit mehr als 40.000 Teilen auf rund zwölf Tonnen Gewicht und sorgt für die hochpräzise Fokussierung des Lichts im Wafer-Scanner. Die Strukturen auf dem fertigen Mikrochip sind dagegen nur einige Nanometer groß. Zum Vergleich: ein Nanometer entspricht 0,0000001 Zentimetern. Um solche Strukturen abzubilden, müssen die Spiegel sehr präzise sein. Dafür werden auf die Spiegeloberfläche mehr als 100 extrem dünne Silizium- und Molybdän-Schichten aufgedampft – jede Schicht nur wenige Atomlagen stark. „Wie präzise die Spiegel sind, lässt sich mit einem Gedankenexperiment erklären: Man stellt sich vor, der Spiegel wird so vergrößert, dass er die Fläche von Deutschland hat. In dieser Größe wäre die größte Unebenheit dann weniger als 100 Mikrometer groß. Das sind 0,01 Zentimeter – fast so fein wie ein menschliches Haar“, so Kürz.
Um die Qualität der Spiegel zu prüfen, braucht es die präziseste Messtechnik der Welt. „Eine solche Messtechnik gab es nicht, also haben wir sie gemeinsam mit ASML parallel zur High-NA-EUV-Lithographie entwickelt und damit Pionierarbeit weltweit geleistet“, so Kürz weiter. „Das ist die komplexeste Maschine, die wir je bei Zeiss gefertigt haben.“ In Vakuumkammern mit rund fünf Metern Durchmesser prüft das insgesamt 150 Tonnen schwere Messgerät die Qualität der Spiegel nanometergenau.
„Die High-NA-EUV-Lithographie ist Hightech ‚Made in Europe‘“, sagte Andreas Pecher. In der hochinnovativen Technologie stecken ein Vierteljahrhundert Forschung und Entwicklung, mehr als 2.000 Zeiss-Patente, die Arbeit von rund 1.200 Netzwerkpartnern, Investitionen in Milliardenhöhe von Zeiss SMT und ASML sowie Fördermittel der Bundesregierung Deutschlands und der Europäischen Union für die technologische Souveränität Europas. „Das Herzstück für die weltweite Mikrochipfertigung kommt aus Europa“, so Pecher weiter. „Diese europäische Erfolgsgeschichte möchten wir noch lange fortschreiben. Dafür investieren wir an allen SMT-Standorten in Menschen, Maschinen und Infrastruktur, um die Megatrends der Zukunft zu ermöglichen.
