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Computerchips: Mit dem Nanostempel zu neuen Dimensionen der Winzigkeit

Hochintegrierte Chips der Zukunft könnten im wahrsten Sinne des Wortes gestempelt werden - und damit gewährleisten, dass die Computerindustrie noch für viele Jahre so rasant weiter wächst wie bisher.


Man kann den Managern von Intel ihre hohen Gehaltsschecks nicht verdenken, haben sie doch eine schier unlösbare Aufgabe vor sich: Innerhalb von drei Jahren müssen sie die Größe der Halbleitertransistoren auf ihren Computerchips halbieren, wollen sie nicht gegen ein von Intel-Gründervater Gordon Moore aufgestelltes Gesetz verstoßen. Der hatte im Jahre 1965 vorhergesagt, dass sich die Zahl der Transistoren eines Siliziumchips alle 18 Monate verdoppeln würde. Dies hat sich die letzten drei Jahrzehnte hindurch bewahrheitet und so allen Unkenrufen zum Trotz das rasante Wachstum der Computerindustrie gesichert.

Dennoch rasen die Chiphersteller mit großer Geschwindigkeit auf eine fast un­überwindbare Wand zu: das so genannte Beugungslimit der Optik. Danach kann ein Lichtfleck nicht viel schmaler sein als die halbe Wellenlänge der verwendeten Strahlung. Da die extrem feinen Strukturen eines Siliziumchips mit einem fotografischen Verfahren erzeugt werden, hängt die minimale Größe der Transistoren also von der Wellenlänge des verwendeten Lichts ab – je winziger das Schaltelement werden soll, desto kurzwelliger muss die benutzte Strahlung sein.

Chips nach Art von Wachssiegeln

Mittels ultraviolettem Licht kann man heute immerhin schon Strukturen mit Abmessungen von nur einem Zehntausendstel eines Millimeters erzeugen. Um Moores Gesetz aufrecht zu erhalten, müsste die Chipproduktion in den nächsten Jahren aber auf noch kurzwelligere Strahlung umgestellt werden, was eine komplette Neuausstattung der Fabrikationslabors mit kostspieligen neuen Maschinen mit sich bringen würde – und auf längere Sicht dennoch zum Scheitern verurteilt wäre, weil die auftretenden Probleme nicht mehr beherrschbar sind.

Eine Gruppe um Stephen Chou von der Universität Princeton (New Jersey) wirft der Computerindustrie nun einen Rettungsring zu (Nature, Bd. 417, S. 835): ein neues Herstellungsverfahren für Computerchips, das sowohl schnell und billig ist als auch Strukturen mit einer Größe von nur zehn Nanometern (dem hunderttausendsten Teil eines Millimeters) erzeugen kann. Umweltfreundlich ist es obendrein.

Und selbst Laien können es verstehen: Man schmilzt die obersten Schichten einer Siliziumplatte mit einem Laserstrahl auf und drückt einen Glasstempel mit einem Negativbild des zu erzeugenden Reliefs in den erweichten Halbleiter. Dieser erstarrt innerhalb von Sekundenbruchteilen, und der Stempel kann entfernt werden, während die Grundstrukturen eines Computerchips auf der Siliziumoberfläche zurückbleiben. Der ganze Prozess ähnelt somit der Herstellung von Wachssiegeln vergangener Zeiten.

Das als Ladi (laser assisted direct imprint, laserunterstützter direkter Druckprozess) bezeichnete Verfahren ist in der Tat bestechend einfach. Den größten Aufwand erfordert die Herstellung des Stempelreliefs. Zur Demonstration des Ladi Prinzips stellten Chou und seine Kollegen daher einen relativ schlicht aufgebauten Stempel aus für Laserlicht durchlässigem Quarz her. Die Stempelfläche war einige Quadratmillimeter groß und wurde durch einen chemischen Ätzvorgang mit feinen, nur 140 Nanometer breiten und 110 Nanometer tiefen Linien sowie ungefähr zehn Nanometer langen Kerben an deren Rand versehen. Hinzu kamen um ein Zehnfaches größere Rechtecke.

Der Druckvorgang selbst gestaltete sich vergleichsweise einfach. Nachdem der Stempel fest auf die Oberfläche einer Siliziumscheibe gepresst worden war, ließ ein extrem kurzer hindurchgeschickter Laserblitz die obersten 300 Nanometer der Scheibe schmelzen. Das Relief drückte sich in die verflüssigte Schicht, die nur 220 Nanosekunden später entlang der Konturen schon wieder erstarrt war, sodass der Stempel entfernt und für einen neuen Druckvorgang eingesetzt werden konnte.

Mit Elektronen- und Rasterkraftmikroskopen nahmen die Forscher den Abdruck schließlich unter die Lupe. Und siehe da, er war fast perfekt: Selbst die nur zehn Nanometer große Feinstruktur am Rand der Relieflinien fand sich in der Siliziumoberfläche wieder. Obwohl dies allein schon einen grandiosen Erfolg darstellte, konnten die Forscher weitere günstige Eigenschaften ihrer Stempeltechnik im Hinblick auf eine zukünftige industrielle Anwendung demonstrieren.

So wurde die gesamte Stempelfläche gleichmäßig auf das Silizium übertragen; das berechtigt zu der Hoffnung, wie bisher auf Scheiben mit Durchmessern von einigen Zentimetern (so genannten Wafern) gleichzeitig viele Mikroprozessoren herstellen zu können. Zudem wurden auch die relativ großen Rechteckmuster detailgetreu abgebildet. Dies ist insofern bemerkenswert, als viele Fabrikationsmethoden der Halbleiterindustrie entweder nur sehr kleine oder sehr große Strukturen erzeugen können, nicht aber beide gleichzeitig.

Kein Ätzen mit Chemikalien

Neben Ladi sieht die herkömmliche Fotolithografie tatsächlich wie ein Dinosaurier aus. Zunächst muss man die Siliziumoberfläche mit einer lichtempfindlichen Fotoschicht versehen. Diese wird dann durch eine Maske mit ultraviolettem Licht beleuchtet und anschließend entwickelt, sodass ein dreidimensionales Relief der Fotoschicht auf der Siliziumoberfläche zurückbleibt. Durch einen Ätzvorgang mit für die Umwelt schädlichen Chemikalien kann das Muster dann in das Silizium übertragen und anschließend die Fotoschicht entfernt werden.

Doch damit ist es nicht getan: Die Fertigung eines Computerchips erfordert an die dreißig derartige Belichtungen und Ätzschritte. Die einzelnen Belichtungsmasken müssen dabei extrem genau übereinander angeordnet werden, weshalb moderne Fotolithografiemaschinen mehr als zehn Millionen Dollar kosten. Mit ihnen lassen sich bei sechzig Belichtungen innerhalb einer Minute etwa zehn Milliarden Strukturelemente auf eine wenige Quadratzentimeter messende Fotoschicht übertragen. Die kleinsten auf diese Weise mit ultraviolettem Licht erzeugten Transistoren haben eine Größe von 130 und eine Positionsgenauigkeit von 65 Nanometern – knapp unterhalb des Beugungslimits.

Dies erfordert jedoch eine Menge komplizierter und damit teurer Tricks. Ladi ist dagegen nicht nur schnell, genau und billig, sondern kommt auch ohne den umweltschädlichen Ätzvorgang aus. Es arbeitet damit praktisch chemikalienfrei.

Bevor die Intel-Manager allerdings aufatmen können, muss Ladi noch einige Hürden überwinden. Interessanterweise ist die Herstellung der komplexen Stempelreliefs hochintegrierter Computerchips mit Transistorenabmessungen unterhalb von hundert Nanometern das kleinste Problem: Diese Strukturen können mit einem Elektronenstrahl relativ einfach in den Quarzblock geschrieben werden. Das als Elektronenstrahl-Lithografie bezeichnete Verfahren ist zwar sehr zeitaufwendig und erfordert zudem mindestens einen Ätzschritt, weshalb es sich nicht für die Massenproduktion von Siliziumchips eignet. Doch in diesem Fall dient es ja nur dazu, den Stempel zu erstellen. Mit ihm lassen sich dann die benötigten Myriaden von Computerchips produzieren.

Extrem kleine Fehlertoleranzen

Größere Probleme sind bei der Ausdehnung der Stempelfläche auf mehrere Quadratzentimeter zu erwarten. Die Chiphersteller würden ihre Halbleiterwafer aus hochreinem Silizium nämlich gerne mit nur einem Stempelvorgang verarbeiten. Dazu müsste der Durchmesser des Laserstrahls mehr als verzehnfacht werden, was beträchtliche Schwierigkeiten bereiten dürfte. Auch muss sich erst noch zeigen, wie genau aufeinander folgende Stempelabdrücke sind – die Fehlertoleranzen in der Halbleiterindustrie sind extrem klein.

Chou und seine Kollegen können jedoch bereits mit einem weiteren Vorzug von Ladi auftrumpfen: Es eignet sich nicht nur zur Herstellung von Chips aus teuren Silizium-Einkristallen, sondern auch zur Bearbeitung von Polysilizium, das aus vielen gegeneinander verschobenen Kriställchen besteht. Ebenso lassen sich mit etwas Glück schon bald andere Halbleitermaterialien, die in der industriellen Produktion von Mikrochips eingesetzt werden, mit Ladi strukturieren.

Noch ist nicht absehbar, ob und wann das Verfahren die Massenproduktion von Chips übernimmt. Während die Princeton-Forscher fest daran glauben, dass ihre Technik die Gültigkeit von Moores Gesetz für mehr als ein Jahrzehnt sichern könnte, sind die Chiphersteller vorsichtiger. Schon vor mehreren Monaten hat Intel offiziell Fotolithografiemaschinen einer niederländischen Firma bestellt, die mit extrem ultraviolettem Licht arbeiten – und mehr als 20 Millionen Dollar kosten. Die Manager wollen wohl auf Nummer sicher gehen. So können sie erst einmal ruhig schlafen, während sie von Chipstempeln und den weiteren fetten Jahren mit satten Gewinnquoten, die sie ermöglichen würden, einstweilen nur zu träumen wagen.

Aus: Spektrum der Wissenschaft 1 / 2003, Seite 12
© Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft mbH
1 / 2003

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum der Wissenschaft 1 / 2003

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