Forschende des PSI entwickeln neue Technik zur Miniaturisierung von Computerchips

Die Miniaturisierung von Computer-Chips ist ein wesentlicher Faktor für die digitale Revolution. Sie macht Rechner immer kleiner und gleichzeitig leistungsfähiger, was Entwicklungen wie autonomes Fahren, künstliche Intelligenz und den 5G-Standard für den Mobilfunk ermöglicht. Forschende des Paul Scherrer Instituts PSI haben nun eine Technik entwickelt, mit der sich noch dichtere Schaltkreismuster erstellen lassen, wie das PSI in einem Blogartikel schreibt. 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. "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 Iason Giannopoulos, einer der drei Projektleiter.

Von 1000 zu 60'000'000'000 Transistoren 

Noch im Jahr 1970 fanden auf einem Mikrochip nur etwa 1000 Transistoren Platz. Heute sind es etwa 60 Milliarden Bauelemente auf einer Fläche, die kaum grösser ist als eine Fingerkuppe. Die Produktion der Bauteile erfolgt mit einer Art der Belichtung, der sogenannten Fotolithografie. Auf einer dünnen Scheibe aus Silizium, dem Wafer, wird eine lichtempfindliche Schicht aufgetragen, der Fotolack. 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. Physikalische Gesetze besagen, dass die abgebildeten Strukturen umso dichter gepackt werden können, je kleiner die Wellenlänge des verwendeten Lichts ist. In der Industrie war lange "deep ultraviolet light" (DUV) üblich, Laserlicht mit einer Wellenlänge von etwa 193 Nanometern. Seit 2019 nutzen die Hersteller zur Massenproduktion "extreme ultraviolet light" (EUV) mit einer 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 Nanometern abgestimmt ist.

Neues Lithografie-Verfahren

Die PSI-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, das sowohl von dem Winkel des einfallenden Lichts als auch dessen Wellenlänge abhängt. Die Gruppe erreichte damit Auflösungen 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", sagt Co-Projektleiter Dimitrios Kazazis, "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".

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 Chipproduktion 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.