EUV-Lithographie – Neues Licht für das digitale Zeitalter

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.

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.