So sollen Computerchips noch kleiner werden
Forschende des Paul Scherrer Instituts haben die EUV-Lithografie weiterentwickelt. Sie soll dabei helfen, noch kleinere Computerchips herzustellen.
Foto: Mahir Dzambegovic / Paul Scherrer Institut PSI
Die fortschreitende Miniaturisierung von Computerchips ist einer der Schlüssel für die rasante Entwicklung moderner Technologien. Sie sorgt dafür, dass Geräte immer kleiner und gleichzeitig leistungsfähiger werden. Diese Entwicklung ermöglicht Innovationen in Bereichen wie dem autonomen Fahren, der künstlichen Intelligenz oder dem 5G-Mobilfunkstandard. Derzeit arbeiten Forschende auf der ganzen Welt daran, die Chips weiter zu verkleinern. Ein Team des Paul Scherrer Instituts (PSI) in der Schweiz hat nun eine Technologie entwickelt, mit der Schaltkreise noch dichter gepackt werden können als bisher.
Der neue Ansatz für extrem kleine Schaltkreise
Modernste Mikrochips haben bereits Leiterbahnen, die nur 12 nm voneinander entfernt sind. Zum Vergleich: Ein menschliches Haar ist rund 6000-mal dicker. Forschende des PSI haben nun einen Weg gefunden, Leiterbahnen mit einem Abstand von nur noch 5 nm herzustellen. Dies ermöglicht noch kompaktere Schaltkreise und könnte die Chipproduktion in eine neue Ära führen.
„Unsere Arbeit veranschaulicht das Potenzial von Licht, um Muster herzustellen. Das bedeutet einen wichtigen Schritt sowohl für die Industrie als auch für die Forschung“, betont Iason Giannopoulos, ein führender Forscher des Projekts.
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Big news for SLS users! We can measure with X-rays at an image resolution down to 4 nm – a world’s best ✨ Imagine the possibilities for users like @matthewvenn to investigate microchips. Enhanced precision = better insights! https://t.co/v6IXvdwbCp
— PSI Paul Scherrer Institut (@psich_en) August 14, 2024
Parallelen zur Filmproduktion
Die Produktion von Computerchips erinnert stark an die Herstellung eines Films: Auf eine dünne Siliziumscheibe, den sogenannten Wafer, wird eine lichtempfindliche Schicht, der Fotolack, aufgetragen. Anschließend wird der Fotolack entsprechend dem Schaltungslayout belichtet, wodurch sich seine chemischen Eigenschaften verändern. Je nach Verfahren werden die belichteten oder unbelichteten Bereiche entfernt, sodass das gewünschte Muster auf dem Wafer zurückbleibt.
Entscheidend für immer kleinere Chips ist die Wellenlänge des verwendeten Lichts. Aus physikalischen Gründen können die Strukturen auf dem Chip umso dichter gepackt werden, je kürzer die Wellenlänge des Lichts ist. Während früher ultraviolettes Licht mit einer Wellenlänge von 193 nm verwendet wurde, setzen moderne Hersteller heute „extremes ultraviolettes Licht“ (EUV) mit einer Wellenlänge von nur noch 13,5 nm ein. Damit lassen sich Strukturen von bis zu 10 nm erzeugen.
Weiterentwicklung der EUV-Lithografie
Für seinen Minichip hat das PSI-Team die EUV-Lithografie weiterentwickelt. Statt den Wafer direkt zu bestrahlen, verwenden die Forschenden die sogenannte EUV-Spiegel-Interferenz-Lithografie (MIL). Dabei werden zwei kohärente Lichtstrahlen von zwei Spiegeln auf den Wafer reflektiert und erzeugen ein Interferenzmuster. Dieses Muster, das durch den Winkel und die Wellenlänge des Lichts bestimmt wird, ermöglicht eine Auflösung von nur 5 nm – und das mit nur einer einzigen Belichtung. Elektronenmikroskopische Untersuchungen ergaben exzellente Kontraste und scharfe Kanten der Leiterbahnen.
„Unsere Ergebnisse zeigen, dass die EUV-Photonenlithografie extrem hohe Auflösungen erzeugen kann, was darauf hindeutet, dass es noch keine grundlegenden Grenzen gibt“, erklärt Dimitrios Kazazis, ein weiterer führender Wissenschaftler des Teams. „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.“
Blick in die Zukunft
Diese Methode ist zwar noch nicht für die industrielle Massenproduktion geeignet, da sie relativ langsam ist und nur einfache, periodische Strukturen erzeugen kann, aber sie bildet laut Forschungsteam eine wichtige Grundlage für die zukünftige Chipherstellung.
Die Forschenden planen, ihre Arbeit mit einem neuen EUV-Tool fortzusetzen, das ab Ende 2025 an der Schweizer Synchrotron Lichtquelle (SLS) zur Verfügung stehen soll. In Kombination mit dem Upgrade der SLS 2.0 erwarten sie eine deutliche Verbesserung der Leistung und der Möglichkeiten.
