EUV-Licht für noch kompaktere Prozessoren

Die Minia­turisierung von Computer-Chips ist ein wesentlicher Faktor für die digitale Revolution. Sie macht Rechner immer kleiner und gleichzeitig leistungs­fähiger. Nun hat eine Arbeitsgruppe um Iason Giannopoulos, Yasin Ekinci und Dimitrios Kazazis am Labor für Röntgen­-Nano­wissenschaften und Technologien am Paul Scherrer Institut PSI eine neuartigen Technik entwickelt, mit der sich noch dichtere Schaltkreis­muster erstellen lassen. Die derzeit modernsten Mikrochips haben Leiterbahnen, die nur zwölf Nanometer voneinander entfernt sind. Die Forschenden erzeugten jedoch Leiterbahnen, die nur noch fünf Nanometer auseinander liegen. Damit lassen sich Schaltkreise weitaus kompakter anordnen als bislang. „Unsere Arbeit veran­schaulicht das Potenzial von Licht, um Muster herzu­stellen. Das bedeutet einen wichtigen Schritt sowohl für die Industrie als auch für die Forschung“, erklärt Giannopoulos.

Noch im Jahr 1970 fanden auf einem Mikrochip nur etwa eintausend Transis­toren Platz, heute sind es etwa sechzig Milliarden Bauelemente. Die Produktion der Bauteile erfolgt über die Photolithografie: Auf Wafer aus Silizium wird eine lichtempfindliche Schicht aus Fotolack aufgetragen. Es folgt eine Belichtung, die dem Bauplan-Muster des Chips entspricht und dabei die chemischen Eigen­schaften des Fotolacks verändert. Dieser wird dadurch löslich oder unlöslich in bestimmten Lösungs­mitteln. Anschließende Prozesse entfernen entweder die belichteten oder die unbelichteten Stellen. Am Ende bleibt das erwünschte Verschaltungs­muster mit den Leiter­bahnen auf dem Wafer übrig. 

Entscheidend für die Verkleinerung und immer kompaktere Chips ist das verwendete Licht. In der Industrie war lange „deep ultraviolet light“ (DUV) üblich. Dabei handelt es sich um Laserlicht mit einer Wellen­länge von um 193 Nanometern. Seit dem Jahr 2019 nutzen die Hersteller zur Massen­produktion „extreme ultraviolet light“ (EUV) mit einer um mehr als den Faktor zehn verkürzten Wellenlänge von 13,5 Nanometern. Dies erlaubt das Drucken noch feinerer Strukturen bis zehn Nanometern und darunter. Am PSI setzen die Forschenden für ihre Untersuchungen Strahlung aus der Synchrotron Lichtquelle Schweiz SLS ein, die auf den Industrie­standard von 13,5 Nanometer abgestimmt ist.

Die Forschenden haben jedoch die konven­tionelle EUV-Litho­grafie erweitert, indem sie die Probe nicht direkt bestrahlten, sondern indirekt. Bei der EUV-Spiegel­interferenz­lithografie (MIL) werden zwei zueinander kohärente Strahlen von zwei identischen Spiegeln auf den Wafer reflektiert. Die Strahlen erzeugen daraufhin ein Interferenz­muster mit einem Muster, das sowohl von dem Winkel des einfallenden Lichts als auch dessen Wellenlänge abhängt. Die Gruppe erreichte damit Auflösungen, also Abstände zwischen den Leiterbahnen, von fünf Nanometern – und zwar mit einer einzigen Belichtung. Die Leiterbahnen offenbarten im Elektronen­mikroskop jeweils gute Kontraste mit scharfen Kanten. 

„Unsere Ergebnisse zeigen, dass die EUV-Photonen­lithografie extrem hohe Auflösungen erzeugen kann, was darauf hindeutet, dass es noch keine grundlegenden Grenzen gibt“, stellt Kazazis fest. „Das ist wirklich aufregend, denn es erweitert den Horizont dessen, was wir für möglich halten, und kann auch neue Wege für die Forschung auf dem Gebiet der EUV-Lithografie und der Fotolack­materialien eröffnen“, sagt Kazazis.

Derzeit ist dieser Ansatz für die industrielle Chip­produktion uninteressant, da er im Vergleich zu indus­triellen Standards sehr langsam ist und nur einfache und periodische Strukturen statt eines Chipdesigns erzeugen kann. Er bietet jedoch eine Methode für die frühzeitige Entwicklung von Fotolacken, die für die künftige Chip-Produktion benötigt werden, mit einer Auflösung, die in der Industrie nicht möglich ist. Das Team plant, seine Forschungen mit einem neuen EUV-Werkzeug an der SLS fortzusetzen, das für Ende 2025 erwartet wird. Das neue Gerät wird in Verbindung mit der SLS 2.0, die derzeit aufgerüstet wird, deutlich mehr Leistung und Möglich­keiten bieten.

PSI / JOL