Team 3

Revolutionäre Optik für die Herstellung des Computerchips der Zukunft

Beschreibung der Institute und Unternehmen zu ihren nominierten Projekten

Entscheidender Durchbruch für den weiteren Fortschritt in der Chipherstellung
Der Fortschritt in der Elektronikindustrie beruhte in den letzten 50 Jahren auf einer dramatisch fortschreitenden Miniaturisierung von elektronischen Bauelementen und einer damit verbundenen Reduktion der Funktionskosten. Wie von Intel-Mitbegründer Gordon Moore 1965 vorausgesagt („Moore’s Law“), hat sich seither die Anzahl der Transistoren auf einem Computerchip alle zwei Jahre verdoppelt - auf heute über eine Milliarde Transistoren auf einem einzigen Chip! Damit wurde die technologische Basis für PCs in (fast) jedem Haushalt, Handys, MP3-Spieler und die Infrastruktur des Internets geschaffen.

Die technischen Herausforderungen bei der Fortschreibung dieser Entwicklung werden mit jeder neuen Generation von Computerchips immer gewaltiger. Neue Wege müssen gefunden werden, um immer noch kleinere Strukturen zu realisieren. Ein Durchbruch bei der Entwicklung der Chipfertigungstechnologie für das nächste Jahrzehnt gelang Carl Zeiss SMT, einer 100-prozentigen Tochter der Carl Zeiss AG, im Dezember 2005. Nach rund zehnjähriger Forschungs- und Entwicklungsarbeit wurde das optische System für ein sogenanntes EUV Alpha Demo Tool fertiggestellt und an ASML B.V. (NL) geliefert. ASML ist Partner von Carl Zeiss SMT und Hersteller der Waferstepper genannten Belichtungsmaschinen für die Chipherstellung. Die Extreme- UltraViolet (abgekürzt EUV)-Technologie eröffnet das Potenzial, die Packungsdichte von elektronischen Bauelementen im Vergleich zu heute um mehr als das Zehnfache zu erhöhen.

Mit Licht Chipstrukturen schreiben
Der Schlüssel zur Chipherstellung ist die Fotolithographie, die der Diaprojektion ähnelt. Die Strukturen des Chips sind auf einer Maske vorgezeichnet. Diese wird im Waferstepper mittels einer Lichtquelle durch ein Beleuchtungssystem ausgeleuchtet und durch ein Objektiv auf eine mit Fotolack beschichtete Siliziumscheibe (den sogenannten Wafer) projiziert. Durch Entwicklung des belichteten Fotolacks und weitere chemisch-physikalische Prozesse werden Strukturen im Wafer erzeugt. Dieser Ablauf wird mit verschiedenen Masken rund 40 Mal wiederholt, wodurch ein dreidimensionales, elektronisches Gebilde aus Transistoren und Leiterbahnen entsteht: ein Mikroprozessor oder Speicherchip.

Ultraviolettes Licht der Wellenlänge 193 Nanometer (1 Nanometer = 1 Milliardstel Meter) ermöglicht heute Leiterbahnen von nur 45 Nanometern Breite. Spätestens bei 35 Nanometer stößt die herkömmliche optische Lithographie jedoch an ihre Grenzen, und grundlegend neue Technologien müssen entwickelt werden.

Die EUV-Lithographie – Schlüssel für die Chipherstellung im nächsten Jahrzehnt
Die Erwartungen der Halbleiterindustrie für die kommenden zehn Jahre konzentrieren sich auf die EUV-Lithographie. Hier wird mit Licht mit einer extrem kurzen Wellenlänge von nur 13,5 Nanometern gearbeitet mit dem Potenzial, Strukturbreiten deutlich unter 20 Nanometern zu erzeugen. Die Einführung dieser Technologie ist jedoch mit großen Herausforderungen verbunden: Kein Material oder Gas ist transparent für EUV-Licht. Eine EUV-Optik besteht daher im Gegensatz zu herkömmlichen, aus Linsen aufgebauten Lithographieoptiken nur aus Spiegeln, die im Vakuum betrieben werden müssen. Zahlreiche Spitzenleistungen und Weltrekorde in Optikfertigung, Beschichtung, Mechatronik und Vakuumtechnik ebneten der neuen Technologie den Weg. Hervorzuheben sind dabei die Anforderungen an die Spiegel. Deren Oberfläche wird mit „atomarer Präzision“ bearbeitet. Formgenauigkeit und Oberflächenrauheit liegen unter 0,15 Nanometern. (Zum Vergleich: Skaliert man die Dimensionen eines EUV-Spiegels auf die Fläche Deutschlands, so würden die höchsten Erhebungen auf dieser Fläche gerade einmal 1,5 Millimeter betragen.)

Mit dem Bau des EUV Alpha Demo Tools haben ASML und Zeiss einen prinzipiellen Nachweis für die Realisierbarkeit der EUV-Lithographie erbracht. Anfang 2006 wurden in ersten Tests bei ASML bereits Strukturen von 35 Nanometern erzeugt und damit die hervorragenden Abbildungseigenschaften der Zeiss-Optik demonstriert. Mittlerweile konnten Linien mit einer Breite kleiner 30 Nanometer gezeigt werden.

Die Dimensionen, um die es hier geht, lassen sich an einem Vergleich verdeutlichen: Mit der Druckereinstellung 300 dpi (dots per inch) kann eine DIN-A4-Seite in normaler Qualität gedruckt werden. Jeder dieser Dots (Punkte) hat eine Größe von rund 85.000 Nanometern. Das Alpha Demo Tool kann 30 Nanometer kleine Punkte abbilden. Damit wäre es (theoretisch) möglich, die gesamte Ausgabe eines Nachrichtenmagazins, das ca. 150 Seiten hat, über 53.000 Mal auf ein einziges DIN-A4-Blatt zu drucken.

Serieneinsatz wird entwickelt
Im August 2006 hat ASML die ersten beiden EUV Alpha Demo Tools ausgeliefert. Die Auslieferung dieser beiden Maschinen (Toolpreis ca. 65 Millionen US-Dollar, deren wertvollste Komponente ist die EUV-Optik mit einem Preis im zweistelligen Millionen-Euro-Bereich) stellt einen bedeutenden Meilenstein dar. Zwei Konsortien nutzen die Alpha Demo Tools: eines am belgischen Institut IMEC (Partner sind Intel, Samsung, Matsushita/Panasonic, Philips, Micron, STMicroelectronics, Texas Instruments, TSMC und Qimonda) und eines am amerikanischen Forschungszentrum Albany NanoTech (Partner sind IBM, Qimonda, Micron, AMD, Sony und Toshiba). Die Chiphersteller verwenden diese Tools für ihre Prozessentwicklung auf Basis der EUVLithographie, die sich so den Weg zum industriellen Einsatz bahnt. Man rechnet mit ihrer zügigen Etablierung, da sie im Gegensatz zu allen Alternativen eine Chipfertigung mit hoher Produktivität erlauben wird und wegen ihrer Ähnlichkeit mit heute verwendeten Produktionstechniken leicht in den Chipfabriken einzuführen ist. Dafür liegen bei ASML bereits erste feste Bestellungen von Chipherstellern für das Nachfolgegerät der Alpha Demo Tools vor.

Das Verfahren bildet die Grundlage zur Erschließung eines riesigen Marktes im nächsten Jahrzehnt: Weltweit werden mehr als 100 EUV-Maschinen pro Jahr prognostiziert, was ein Marktvolumen von über eine Milliarde Euro für die EUV-Optiken bedeutet. Noch bedeutender ist der Einfluss auf die gesamte Halbleiterindustrie (Jahresumsatz derzeit mehr als 200 Milliarden Euro), deren technologischer Fortschritt und Wachstum durch die EUV-Technologie auf viele Jahre gesichert wird.

Hochtechnologie schafft Arbeitsplätze
Gemeinsam mit dem niederländischen Partner ASML ist Carl Zeiss SMT im vergangenen Jahrzehnt zum Weltmarktführer auf dem Gebiet der optischen Lithographie aufgestiegen. So hat Carl Zeiss SMT seit Mitte der 90er-Jahre den Umsatz von 80 Millionen Euro auf 860 Millionen Euro mehr als verzehnfacht. Gleichzeitig stieg die Zahl der Mitarbeiter in ähnlicher Weise auf mittlerweile rund 2.400. Zudem wurde auf der Schwäbischen Alb die weltweit modernste Fabrik für Lithographieoptiken gebaut. Die EUV-Technologie sichert die vorhandenen Hochtechnologiearbeitsplätze und ermöglicht weiteres Wachstum im nächsten Jahrzehnt.

Die zehn Jahre dauernde Entwicklung der neuen EUV-Optik war mit erheblichen Investitionen verbunden: Über 100 Millionen Euro flossen in die Arbeiten bei Carl Zeiss SMT. Wesentliche technologische Fortschritte wurden im Rahmen von Förderprojekten der EU und insbesondere des Bundesministeriums für Bildung und Forschung erzielt.

Mit dem Bau des derzeit weltweit konkurrenzlosen EUV Alpha Demo Tools haben ASML und Carl Zeiss SMT ihre Stellung als Technologieführer bestätigt und einen erheblichen Entwicklungsvorsprung vor den japanischen Konkurrenten erarbeitet, die vergleichbare Systeme frühestens Ende 2007 fertigstellen werden. Diese führende Position wird durch mehr als 50 Patentanmeldungen (mehr als 20 Patente sind bereits erteilt) abgesichert.

Die EUV-Technologie bei Carl Zeiss SMT wurde in den vergangenen Jahren von einem Team von mehr als 100 Wissenschaftlern und Ingenieuren entwickelt. Wesentliche Beiträge wurden außerdem von einem Netzwerk von Kooperationspartnern geleistet. Hervorzuheben sind dabei das Radiometrielabor der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt am BESSY-2-Synchrotron in Berlin, das Fraunhofer-Institut IWS Dresden, die Fa. Johannes Heidenhain in Traunreut, die niederländischen Institute FOM Rijnhuizen und TNO Delft sowie die Firmen ASML und Philips.

Stellvertretend für diese Teams stehen die drei für den Deutschen Zukunftspreis Vorgeschlagenen. Winfried Kaiser initiierte Mitte der 90er-Jahre die EUV-Entwicklung und deren Förderung in Deutschland wie auch europaweit und schuf den Grundstein für ihre weltweite Akzeptanz. Seit 1999 leitet Dr. Peter Kürz das EUV-Programm bei Carl Zeiss SMT; er ist verantwortlich für die Entwicklung und Fertigstellung der EUV-Optiken. Dr. Martin Lowisch ist als Systemingenieur für die technische Auslegung des optischen Systems und die Abstimmung der Systemspezifikationen mit ASML und den Endkunden verantwortlich.

Das Vorschlagsrecht zum Deutschen Zukunftspreis obliegt den führenden deutschen Einrichtungen aus Wissenschaft und Wirtschaft sowie Stiftungen.

Das Projekt „Revolutionäre Optik für die Herstellung des Computerchips der Zukunft“ wurde vom Bundesverband der Deutschen Industrie e.V. vorgeschlagen.