Die Entwickler von Computern und Prozessoren stehen zur Zeit vor zwei Problemen: Die Computerchips müssen sehr viel leistungsfähiger und schneller werden, und sie dürfen nicht mehr so viel Strom verbrauchen. Eine Möglichkeit schnellere Prozessoren mit geringerem Energieverbrauch zu konstruieren, liegt darin, die Schaltkreise immer kleiner und die Leiterbahnen auf den Chips immer dünner zu machen. Und genau daran arbeiten Dr. Peter Kürz und sein Team bei der Carl Zeiss AG in Oberkochen auf der schwäbischen Ostalb.
" Wir haben ein optisches System entwickelt für die Herstellung von Schaltkreisen mit extrem ultraviolettem Licht. Unsere Optik ermöglicht es, mit diesem speziellen Licht wesentlich kleinere Strukturen und Bauelemente als bisher herzustellen. Das heißt wesentlich mehr Bauelemente passen dann auf einen Chip. Der Chip wird leistungsfähiger und gleichzeitig sinken die Herstellkosten. "
In der Chipfertigung wird zunächst das Silizium-Plättchen hergestellt, das auch Wafer genannt wird. Auf den Wafer werden dann Leiterbahnen und Schaltkreise aufgetragen. Dazu überziehen die Chiphersteller den Wafer zunächst mit lichtempfindlichem Lack. Anschließend wird mit einer Belichtungsmaschine ein Bild, eine Art Negativ des fertigen Chips mit allen Leiterbahnen und Schaltkreisen auf den Wafer projiziert. Diese Technik wird seit über 40 Jahren sehr erfolgreich eingesetzt. Das Bild mit den Strukturen des Computerchips heißt Maske. Peter Kürz.
" Die können Sie mit dem Dia vergleichen. Sie haben auch eine Beleuchtung der Maske, ebenso wie beim Dia. Und dann findet eine Abbildung, eine Projektion statt. Im Gegensatz zum Dia, wo vergrößert wird, wird hier verkleinert, normalerweise um Faktor vier verkleinert. Und dann findet eine Abbildung der Strukturen der Maske in das Grundmaterial des späteren Chips, das Silizium statt. "
Doch sichtbares Licht stößt hier an Grenzen. Mit extrem ultraviolettem Licht - auch EUV-Licht genannt - kann mit ausgesprochen kleinen Strukturen gearbeitet werden, denn dieses Licht hat eine Wellenlänge von nur 13,5 Nanometer. Mit extrem kurzen Belichtungen können deshalb ganz feine und kleine Strukturen erzeugt werden. Allerdings sorgt die Arbeit mit ultraviolettem Licht dieser kurzen Wellenlänge für einige Probleme.
" Eine grundlegende Schwierigkeit beim extrem ultravioletten Licht ist, dass diese Art von Licht von jedem Material, also auch potentiellem Linsenmaterial, und von jedem Gas, wie beispielsweise auch Luft absorbiert wird. Wir müssen also unser System nur aus Spiegeln aufbauen, im Gegensatz zu konventionellen Systemen und wir betreiben es im Vakuum. "
Bisher wurden konventionelle Laserstrahlen für die Projektion der Masken auf die Silizium-Plättchen verwendet. Künftig wird das allein nicht mehr ausreichen. Denn die immer kleineren Strukturen der Schaltkreise auf den Chips und die immer dünneren Leiterbahnen benötigen eine extrem kurzwellige Lichtquelle.
" Für das EUV-Licht werden spezielle Plasmaquellen entwickelt. Da gibt es verschiedene Ansätze, Gasentladungsplasmaquellen oder auch sog. Laserplasmaquellen, wo die Energie durch einen Laser eingebracht wird. "
Davon erhoffen sich die Entwickler bei Carl Zeiss in Oberkochen einen regelrechten Technologieschub. Sie erwarten, dass die Packungsdichte der Schaltkreise und Leiterbahnen auf künftigen Computerprozessoren um den Faktor zehn gesteigert werden kann. Damit aber zehn Mal so viele Schaltkreise auf ein gleich großes Silizium-Plättchen passen, dürfen die einzelnen Prozessor-Strukturen nur noch zehn Nanometer groß sein. Peter Kürz meint, dass dieses ehrgeizige Ziel mit extrem ultraviolettem Licht erreicht werden kann.
" Mit der heutigen Technologie können Strukturen von 45 Nanometer hergestellt werden, ein Nanometer, ein Millionstel Meter, also schon sehr, sehr kleine. Mit der Weiterentwicklung dieser Technologie ist es denkbar, bis auf 30 Nanometer zu kommen . Und mit der von uns entwickelten EUV-Lithografie sehen wir die Möglichkeit, deutlich unter 20 Nanometer zu kommen, in Richtung 10 Nanometer. "
Damit lassen sich dann Computerchips und elektronische Bauelemente herstellen, die extrem schnell Daten verarbeiten und wenig Strom verbrauchen. Das macht sie für Handys und Navigationsgeräte ebenso interessant wie für Satellitensteuerungen und Supercomputer.
" Wir haben ein optisches System entwickelt für die Herstellung von Schaltkreisen mit extrem ultraviolettem Licht. Unsere Optik ermöglicht es, mit diesem speziellen Licht wesentlich kleinere Strukturen und Bauelemente als bisher herzustellen. Das heißt wesentlich mehr Bauelemente passen dann auf einen Chip. Der Chip wird leistungsfähiger und gleichzeitig sinken die Herstellkosten. "
In der Chipfertigung wird zunächst das Silizium-Plättchen hergestellt, das auch Wafer genannt wird. Auf den Wafer werden dann Leiterbahnen und Schaltkreise aufgetragen. Dazu überziehen die Chiphersteller den Wafer zunächst mit lichtempfindlichem Lack. Anschließend wird mit einer Belichtungsmaschine ein Bild, eine Art Negativ des fertigen Chips mit allen Leiterbahnen und Schaltkreisen auf den Wafer projiziert. Diese Technik wird seit über 40 Jahren sehr erfolgreich eingesetzt. Das Bild mit den Strukturen des Computerchips heißt Maske. Peter Kürz.
" Die können Sie mit dem Dia vergleichen. Sie haben auch eine Beleuchtung der Maske, ebenso wie beim Dia. Und dann findet eine Abbildung, eine Projektion statt. Im Gegensatz zum Dia, wo vergrößert wird, wird hier verkleinert, normalerweise um Faktor vier verkleinert. Und dann findet eine Abbildung der Strukturen der Maske in das Grundmaterial des späteren Chips, das Silizium statt. "
Doch sichtbares Licht stößt hier an Grenzen. Mit extrem ultraviolettem Licht - auch EUV-Licht genannt - kann mit ausgesprochen kleinen Strukturen gearbeitet werden, denn dieses Licht hat eine Wellenlänge von nur 13,5 Nanometer. Mit extrem kurzen Belichtungen können deshalb ganz feine und kleine Strukturen erzeugt werden. Allerdings sorgt die Arbeit mit ultraviolettem Licht dieser kurzen Wellenlänge für einige Probleme.
" Eine grundlegende Schwierigkeit beim extrem ultravioletten Licht ist, dass diese Art von Licht von jedem Material, also auch potentiellem Linsenmaterial, und von jedem Gas, wie beispielsweise auch Luft absorbiert wird. Wir müssen also unser System nur aus Spiegeln aufbauen, im Gegensatz zu konventionellen Systemen und wir betreiben es im Vakuum. "
Bisher wurden konventionelle Laserstrahlen für die Projektion der Masken auf die Silizium-Plättchen verwendet. Künftig wird das allein nicht mehr ausreichen. Denn die immer kleineren Strukturen der Schaltkreise auf den Chips und die immer dünneren Leiterbahnen benötigen eine extrem kurzwellige Lichtquelle.
" Für das EUV-Licht werden spezielle Plasmaquellen entwickelt. Da gibt es verschiedene Ansätze, Gasentladungsplasmaquellen oder auch sog. Laserplasmaquellen, wo die Energie durch einen Laser eingebracht wird. "
Davon erhoffen sich die Entwickler bei Carl Zeiss in Oberkochen einen regelrechten Technologieschub. Sie erwarten, dass die Packungsdichte der Schaltkreise und Leiterbahnen auf künftigen Computerprozessoren um den Faktor zehn gesteigert werden kann. Damit aber zehn Mal so viele Schaltkreise auf ein gleich großes Silizium-Plättchen passen, dürfen die einzelnen Prozessor-Strukturen nur noch zehn Nanometer groß sein. Peter Kürz meint, dass dieses ehrgeizige Ziel mit extrem ultraviolettem Licht erreicht werden kann.
" Mit der heutigen Technologie können Strukturen von 45 Nanometer hergestellt werden, ein Nanometer, ein Millionstel Meter, also schon sehr, sehr kleine. Mit der Weiterentwicklung dieser Technologie ist es denkbar, bis auf 30 Nanometer zu kommen . Und mit der von uns entwickelten EUV-Lithografie sehen wir die Möglichkeit, deutlich unter 20 Nanometer zu kommen, in Richtung 10 Nanometer. "
Damit lassen sich dann Computerchips und elektronische Bauelemente herstellen, die extrem schnell Daten verarbeiten und wenig Strom verbrauchen. Das macht sie für Handys und Navigationsgeräte ebenso interessant wie für Satellitensteuerungen und Supercomputer.