Milliarden Transistoren auf einer fingernagelgroße Siliziumfläche Was ist High-NA-EUV-Lithographie?

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Bei der EUV-Lithographie kommt extrem ultraviolettes Licht mit einer Wellenlänge von 13,5 Nanometern zum Einsatz, um die feinen Strukturen auf den Wafer abzubilden. Peter Kürz von Zeiss SMT erläutert die Technologie, ihre Bedeutung für Wirtschaft und Gesellschaft und ordnet sie in die Geschichte der Halbleiter-Entwicklung ein.

Für die Produktion der aktuellen wie auch der kommenden Mikrochip-Generationen braucht es Technologien und Innovationen für die Halbleiter-Industrie: Die optischen Systeme der EUV-Lithographie von Zeiss Semiconductor Technolgy Manufacturing sind präzise genug, um Milliarden Transistoren auf eine fingernagelgroße Siliziumfläche zu belichten – und mit der neuen High-NA-EUV-Technologie kommen noch mehr dazu! Der Vorsprung vor dem Wettbewerb beträgt derzeit mehrere Jahre.

Die neue Chipgeneration befähigt zum Beispiel medizinische Systeme, die Ärzte bei lebensrettenden Operationen unterstützen, bei der Krebserkennung oder auch bei der Augenvermessung. Im Energiesektor sollen Halbleiter die Stromerzeugung und -verteilung nachhaltiger gestalten und in der Produktion Menschen bei belastenden Arbeiten unterstützen. Autonomes Fahren oder KI-Anwendungen sind ohne leistungsfähige Mikrochips nicht realisierbar.

Der Aufwand allerdings, um extrem ultravialettes Licht für die Lithographie zu nutzen ist allerdings auch extrem. Um kleinere Strukturen abzubilden, wird Licht aus einem größeren Winkelbereich verwendet. Deshalb werden die optischen EUV-Systeme immer größer. Dieses Prinzip ist beispielsweise von Foto-Objektiven oder Teleskopen in der Astronomie bekannt – und findet sich so ähnlich auch in der Halbleiterfertigung wieder.

Die entscheidende Messgröße des Winkelbereichs ist die numerische Apertur (NA). Je größer die Winkel sind, aus denen das optische System Licht aufnimmt, desto feinere Details werden dargestellt. Die etablierte EUV-Lithographie arbeitet mit einer numerischen Apertur von 0,33.

Bei High-NA-EUV-Lithographie liegt die NA gar bei 0,55. Weil die NA größer geworden ist, müssen auch das Beleuchtungssystem und die Projektionsoptik deutlich größer sein. Gemeinsam mit dem strategischen Partner ASML und weiteren rund 1.200 Netzwerkpartnern stellt sich Zeiss SMT dieser Herausforderung; denn Spiegel des Herstellers fangen dieses Licht ein und sorgen für die Projektion der Photomaske auf den Wafer.

Das bedeutet auch eine neue Superlative für das Beleuchtungssystem und die Projektionsoptik: Die Lichtquelle inklusive des stärksten gepulsten Industrielasers der Welt bleibt dieselbe; das Beleuchtungssystem für die High-NA-EUV-Lithographie wiegt mit rund sechs Tonnen vier Mal mehr als bisher. Deutlich mehr als 40.000 Teile der Projektionsoptik für die High-NA-EUV-Lithographie mit einem Gewicht von etwa zwölf Tonnen sorgen für hochpräzise Fokussierung – in Volumen und Gewicht das Siebenfache zur etablierten EUV-Lithographie.

Würde man die Spiegel für die High-NA-EUV-Lithographie auf die Größe von Deutschland vergrößern, dann muss die Messtechnik in der Lage sein, auf 100 Mikrometer genau zu messen. Eine solche, im subatomaren Bereich präzise Messtechnikhat bislang nicht exisitiert. Deswegen hat Zeiss SMT diese Messtechnik mit dem strategischen Partner ASML parallel zur High-NA-EUV-Lithographie entwickelt, um die Qualität der gefertigten Spiegel auch nachweisen zu können.

Mit der High-NA-EUV-Lithographie ist eine optische Auflösung von unter zehn Nanometern auf dem Mikrochip möglich – im Vergleich zur bisherigen EUV-Generation bedeutet dies rund dreimal mehr Strukturen auf der gleichen Fläche. Zeiss SMT arbeitet bereits an der Technologie für noch feinere Strukturen – damit Chiphersteller weltweit befähigt werden, noch kleinere, leistungsfähigere und Energie-effizientere Mikrochips zu fertigen.

Ab 2026 werden nach aktueller Planung die ersten Anlagen für die High-NA-EUV-Lithographie des Partners ASML die Serienfertigung aufnehmen. Doch die ersten mit der High-NA-EUV-Technologie gefertigten Mikrochips könnten ab 2025 vom Band laufen.

Alleine auf der Zeiss-SMT-Seite arbeiten twa 1.500 der aktuell mehr als 7.500 Mitarbeitenden an der Entwicklung und Realisierung von High-NA-EUV-Lithographie. Mehr als 25 Jahre Entwicklung und Forschung, Investitionen in Milliardenhöhe von Zeiss und ASML sowie Fördermittel der Bundesregierung Deutschland und der Europäischen Union stecken in dieser Technologie.

Zum Netzwerk zählen aber rund 1.200 nationale und internationale Unternehmen. Sie sehen in der High-NA-EUV-Lithographie einen Wegbereiter, um Moore's Law über das Jahr 2030 hinaus fortzuschreiben.

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