Deutscher Zukunftspreis: EUV-Technik für modernste Chips ausgezeichnet

Deutsche Technik von Zeiss und Trumpf trägt unter anderem zu Apples Mobilprozessor M1 bei, den TSMC mit 5-Nanometer-Strukturen herstellt.

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Von links nach rechts: Dr. Peter Kürz (Zeiss), Dr. Michael Kösters (Trumpf) und Dr. Sergiy Yulin (Fraunhofer-Institut Jena).

(Bild: Deutscher Zukunftspreis / Ansgar Pudenz)

Von
  • Mark Mantel

Bundespräsident Frank-Walter Steinmeier hat am Abend des 25. Novembers das Projekt „EUV-Lithographie – neues Licht für das digitale Zeitalter“ mit dem Deutschen Zukunftspreis für Technik und Innovation ausgezeichnet. Dazu gehören drei Forscher, die bei der Entwicklung extrem-ultravioletter (EUV-)Belichtungstechnik für Siliziumchips mit Strukturen von 7 Nanometern und feiner beigetragen haben:

  • Dr. Peter Kürz, Zeiss-Sparte Semiconductor Manufacturing Technology (SMT)
  • Dr. Michael Kösters, Trumpf Lasersystems for Semiconductor Manufacturing
  • Dr. Sergiy Yulin, Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF in Jena

Trumpfs Hochleistungslaser und Zeiss' Spiegelsysteme kommen in den EUV-Belichtungsmaschinen des niederländischen Herstellers ASML zum Einsatz. ASML ist die bisher einzige Firma, die EUV-Lithografiesysteme an Chiphersteller wie Intel, Samsung und TSMC liefern kann. Zur Entwicklung der EUV-Technik hatten sich die genannten Chiphersteller mit Milliardensummen an ASML beteiligt.

EUV-Maschinen belichten den Fotolack auf Siliziumscheiben mit Strahlung mit einer Wellenlänge von 13,5 Nanometern, also im extrem ultravioletten Bereich. Diese EUV-Lithografie dient dazu, 3D-Strukturen auf den Silizium-Wafern abzubilden.

Eine große Schwierigkeit war es dabei jahrelang, eine EUV-Strahlungsquelle mit ausreichend hoher Leistung zu entwickeln, um die Wafer schnell genug für die Serienfertigung verarbeiten zu können. Die süddeutsche Firma Trumpf entwickelte schließlich eine komplizierte und rund zehn Tonnen schwere EUV-Quelle, die mit Zinn-Plasma arbeitet. Ein CO2-Laser gibt dabei 50.000 Doppel-Impulse pro Sekunde auf einen hauchfeinen Strahl aus flüssigem Zinn ab: Der erste Schuss verformt das Zinn-Tröpfchen, damit es groß genug ist, um die volle Energie des zweiten Impulses aufzunehmen, der es in Plasma umwandelt. Dabei wird dann die EUV-Strahlung frei.

Die Spiegel, die die EUV-Strahlung von der Plasmaquelle zum Wafer lenken, müssen besonders eben und rein sein. Zeiss entwickelte die eingesetzten Spiegelbeschichtungen zusammen mit dem Fraunhofer-Institut. Derzeit arbeiten die Spezialisten an EUV-Lithografie mit großer numerischer Apertur (High-NA EUV) für die nächsten Chip-Generationen.

Innenansicht von ASMLs EUV-Belichtungsmaschine Twinscan NXE:3400B.

(Bild: ASML)

EUV folgt auf die Immersionslithographie mit 193 Nanometern Wellenlänge, die mit den 10- und 7-Nanometer-Fertigungsgenerationen an ihre Grenzen gelang: Die feinsten Strukturen in Siliziumchips mussten bis zu viermal belichtet werden (Quadruple Patterning). Das dauert nicht nur relativ lange, sondern ist auch fehleranfällig.

EUV-Technik setzen Samsung und TSMC ab den 7-nm-Prozessen 7LPP beziehungsweise N7+ ein. Bei den nachfolgenden Generationen werden immer mehr Schichten mit extrem-ultravioletten Wellenlängen belichtet – Apple beispielsweise setzt auf TSMCs 5-nm-Prozess bei den eigenen Mobilprozessoren A14 und M1 ("Apple Silicon"). Intel will EUV-Belichter ab 2021 bei der eigenen 7-nm-Fertigung einsetzen.

Der Deutsche Zukunftspreis 2020 ist mit 250.000 Euro dotiert. Das Preisgeld wollen Trumpf und Zeiss laut eigenen Pressemitteilungen für gemeinnützige Zwecke spenden.

(mma)