Wie Chip-Lithografie funktioniert – und warum ein Unternehmen sie beherrscht

Drucken mit Licht im Nanobereich

Jedes Smartphone, jeder Laptop und jedes Rechenzentrum der Welt läuft mit Chips, die durch einen Prozess namens Lithografie hergestellt werden – der Kunst, unvorstellbar kleine Schaltungsmuster mit Licht auf Siliziumwafer zu drucken. Es ist der wichtigste Einzelschritt in der Halbleiterfertigung, der dutzende Male pro Chip wiederholt wird und bestimmt, wie klein, schnell und energieeffizient Transistoren sein können.

Das Grundprinzip hat sich seit den 1960er Jahren nicht geändert. Ein Lichtstrahl scheint durch eine Photomaske – eine Schablone des gewünschten Schaltungsmusters – und projiziert ein verkleinertes Bild auf einen Wafer, der mit einem lichtempfindlichen Material namens Photoresist beschichtet ist. Dort, wo das Licht auftrifft, verändert es den Resist chemisch. Die unbelichteten Bereiche werden weggewaschen, wodurch das Muster zurückbleibt, das zu Transistoren, Drähten und anderen Komponenten wird.

Was sich dramatisch verändert hat, ist die Wellenlänge dieses Lichts. Kürzere Wellenlängen können kleinere Strukturen drucken. Im Laufe von sechs Jahrzehnten wechselte die Industrie von sichtbarem Licht (436 nm) über tiefes Ultraviolett (193 nm) zum heutigen Stand der Technik: extreme Ultraviolett (EUV)-Lithografie mit nur 13,5 nm.

Wie EUV-Lithografie funktioniert

EUV-Maschinen gehören zu den komplexesten Geräten, die je gebaut wurden. In einer Vakuumkammer feuert ein Hochleistungslaser 100.000 Impulse pro Sekunde auf winzige Tröpfchen geschmolzenen Zinns. Jeder Tropfen wird zweimal getroffen: Der erste Impuls flacht ihn ab, der zweite überhitzt ihn auf etwa 220.000 °C – etwa 40-mal heißer als die Oberfläche der Sonne. Dadurch entsteht ein Plasma, das extremes ultraviolettes Licht aussendet.

Da EUV-Licht von fast allem absorbiert wird, einschließlich Luft und Glas, muss der gesamte optische Pfad im Vakuum betrieben werden. Traditionelle Glaslinsen können nicht verwendet werden. Stattdessen wird das Licht von einer Reihe von sechs ultrapräzisen Spiegeln reflektiert, die mit abwechselnden Schichten aus Molybdän und Silizium beschichtet sind und von der deutschen Firma Zeiss bis zur subatomaren Glätte poliert wurden. Diese Spiegel lenken und fokussieren das Licht durch die Photomaske und auf den Wafer darunter.

Das Ergebnis: Schaltungsstrukturen von nur 3 Nanometern – etwa die Breite von 15 Atomen. Die EUV-Massenproduktion begann im Jahr 2019 und bildet heute die Grundlage für jeden hochmodernen Chip von Apple, Nvidia und Qualcomm.

ASMLs außergewöhnliches Monopol

Nur ein Unternehmen auf der Welt baut EUV-Lithografiemaschinen: ASML mit Sitz in Veldhoven, Niederlande. Es hält einen Marktanteil von 100 %. Jedes EUV-System kostet etwa 150–200 Millionen Euro, wiegt über 150 Tonnen und benötigt Komponenten von mehr als 800 Zulieferern weltweit. Die Entwicklung dauerte über 20 Jahre und kostete Milliarden von Dollar an gemeinsamer Forschung mit Intel, Samsung und TSMC.

Heute verkauft ASML seine fortschrittlichsten Maschinen nur an eine Handvoll Chiphersteller. TSMC, Samsung und Intel machen den Großteil der Bestellungen aus. Diese Konzentration macht ASML zu einem der strategisch wichtigsten Unternehmen der Weltwirtschaft – und zu einem Brennpunkt geopolitischer Spannungen darüber, wer Zugang zu modernster Chiptechnologie erhält.

Was nach EUV kommt

Selbst EUV hat Grenzen. ASML liefert bereits High-NA (numerische Apertur) EUV-Systeme aus, die die Auflösung weiter verbessern und auf den 2-nm-Knoten und darüber hinaus abzielen. Das Unternehmen hat Pläne für Hyper-NA-Werkzeuge mit noch größerer Präzision angekündigt, die voraussichtlich rund 700 Millionen Dollar pro Stück kosten und um das Jahr 2030 erwartet werden.

In der Zwischenzeit erforschen Startups radikal andere Ansätze. Das norwegische Unternehmen Lace Lithography entwickelt die Helium-Atomstrahl-Lithografie, die Licht vollständig durch neutrale Atome ersetzt. Da Atome keine Beugungsgrenze haben, misst der Strahl nur 0,1 nm – 135-mal schmaler als EUV-Licht. Weitere Kandidaten sind Nanoimprint-Lithografie, Elektronenstrahl-Lithografie und Röntgenansätze.

Ob der nächste Durchbruch durch die Verfeinerung von Licht oder die vollständige Aufgabe von Licht erzielt wird, eines ist klar: Die Lithografie bleibt der Engpass und der Wegbereiter des Mooreschen Gesetzes. Wer die nächste Generation meistert, wird die Zukunft des Rechnens gestalten.