Mit dem Immersionsobjektiv Starlith 1700i von Carl Zeiss SMT hat die Chipherstellung für 45 nm Serienreife erreicht. (Quelle Carl Zeiss SMT)

Die Miniaturisierung integrierter Schaltkreise wird sich in den kommenden 15 Jahren fortsetzen. Strukturen von 45 nm sind bereits heute in Serienproduktion herstellbar. Angestrebt sind Strukturbreiten von 32 nm. Damit lassen sich 100-1000 mal leistungsfähigere Mikroprozessoren herstellen. Jedoch zeichnet sich damit ein grundsätzlicher Technologiewechsel ab.

Seit den frühen 1970er Jahren folgt die Chipherstellung in der Halbleiterindustrie dem sogenannten Mooreschen Gesetz: Verdoppelung der Taktfrequenz der Mikroprozessoren alle zwei Jahre. Nach Einschätzung der International Technology Roadmap for Semiconductors (ITRS) und führenden Halbleiterherstellern wird sich die Miniaturisierung integrierter Schaltkreise auch in den nächsten 15 Jahren fortsetzen. Die optische Lithografie hat auf den Umsatz der weiterverarbeitenden Industrie eine Hebelwirkung von 1:100 - 1000.

Deshalb werden sowohl von Unternehmen als auch von Forschungszentren verstärkte Anstrengungen unternommen, Technologien für die großtechnische Produktion minimalster Maskenstrukturen zu entwickeln. Führende Firmen auf diesem Gebiet, die Carl Zeiss SMT in Oberkochen und ihre Partnerfirma, der Hersteller für Halbleiterbelichtungsmaschinen ASML in Veldhoven, Niederlande haben am 27. Februar 2008 auf dem traditionellen Optikkolloquium an der Universität Stuttgart in hochkarätigen Vorträgen den aktuellen Stand präsentiert.

Derzeit nutzen Halbleiterhersteller ultraviolettes Licht mit einer Wellenlänge von 193 nm (ein Nanometer ist der Millionste Teil eines Millimeters), um Strukturen von 45 nm über Linsen auf eine mit Fotolack beschichtete Siliziumscheibe zu projizieren. Die empfindliche Fotolackschicht wird anschließend entwickelt, nicht belichtete Stellen werden weggeätzt, neue Halbleitermaterialien aufgebracht. Bis zu 40-mal wiederholt sich der Prozess mit unterschiedlichen Masken mit einer Präzision, die eine Größenordnung unter der belichteten Strukturbreite liegen muss. Möglich wurde diese Technologie durch den Einsatz von Immersionsobjektiven vom Typ "Starlight 1700i" für die Serienproduktion, die von Carl Zeiss SMT Ende 2007 erstmalig als technische Herausforderung entwickelt wurden. Ein Wasserfilm zwischen dem Objektiv und der zu strukturierenden Siliziumscheibe macht die Belichtung eines Wafers mit einem Durchmesser von 300 mm möglich. "Starlith 1700i" bietet eine 30% höhere Auflösung und ermöglicht die Serienproduktion von Mikrochips mit 45 nm Strukturen - ein Novum. Die Objektive haben eine Höhe von 1500 mm und bestehen aus einem Linsensystem aus speziellen Gläsern mit  einen Durchmesser von über 300 mm, das für die Wellenlänge 193 nm noch durchlässig ist (Abbildung: Belichtungsobjektiv Starlith 1700i). Die Anforderungen an die Präzision der optischen und mechanischen Komponenten sind gewaltig: müssen sie doch 1-2 Größenordnungen unter der erzeugten Strukturbreite von 45 nm liegen. Diese Forderung macht eine ultrapräzise Messung und eine darauf basierende Simulation der Gesamtsystem-Performance notwendig. Carl Zeiss SMT wurde für diese Entwicklung 2007 mit dem Innovationspreis der Deutschen Wirtschaft in der Kategorie Großunternehmen ausgezeichnet.

Die Halbleiterindustrie fordert aus wirtschaftlichen Gründen noch kleinere Strukturen von 32 nm und darunter. Das erfordert ein komplett neues Belichtungsverfahren: die Extrem Ultra-Violett -Lithographie (EUV). Diese gegenwärtig noch nicht technisch hinreichend umsetzbare EUV-Technik arbeitet mit 13 nm Wellenlänge. Die Reduzierung der Wellenlänge um eine Größenordnung erfordert jedoch auch von der Herstellungstechnik der Objektive und der Maskenbelichtung Genauigkeiten, die noch eine Größenordnung unter den heute verwendeten liegen. Ein grundsätzlicher Technologiewechsel zeichnet sich damit ab, denn Gläser sind bei dieser Wellenlänge undurchsichtig. Hochpräzise Spiegeloptiken müssen die Formung der belichtenden Wellenfront übernehmen. Die Abweichungen der asphärisch geformten Spiegeloberflächen und die Oberflächenrauhigkeit müssen unter 0.1 nm liegen, das ist bereits atomarer Bereich. Das komplette Belichtungssystem, bestehend aus mehreren präzise zueinander angeordneten Spiegeln wird im Hochvakuum betrieben, denn auch geringste Luftmengen würden die EUV Strahlung absorbieren.

Der Übergang zu 13 nm Wellenlänge erfordert aber auch neue Resiste, neue Beschichtungssysteme für die Spiegeloptiken und neue Strahlungsquellen. Hier arbeiten Unternehmen und Forschungsinstitute wie das Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik (IOF) in Jena an der Entwicklung von speziellen Beschichtungsverfahren sowie von Messverfahren zu ihrer Charakterisierung und die Entwicklung hochpräziser Füge- und Montageverfahren. Für die Entwicklung von Resistlacken für die EUV-Lithographie wurde der Prototyp eines Labor-Resistbelichters aufgebaut. Dafür ging der Thüringer Forschungspreis 2007 in der Kategorie "Angewandte Forschung" am 9. Januar 2008 an das Team des IOF. Für die Belichtung kommt eine Hochleistungs-Plasmaquelle in Frage, die eine Strahlungsleistung um 1 k Watt  haben muss und die es noch nicht gibt. Die Lebenszeit von Quelle und Belichtungsoptik stellen gegenwärtig die größten Herausforderungen beim Übergang der EUV-Lithographie vom Entwicklungsstatus in die Produktion dar.

Das Ende der optischen Lithographie wurde oft zum Jahr 2010 prophezeit. Jedoch wurden immer wieder aufwendige technische Möglichkeiten gefunden, diese Grenze zu verschieben, jetzt auf das Jahr 2016.  Experten sind sich einig: der Weg zu kleineren Strukturen muss gegangen werden, lassen sich doch am Ende Mikroprozessoren herstellen, die 100 - 1000 mal leistungsfähiger sind als die heutigen. Insbesondere geht es den Herstellern der Prozessoren um höhere Packungsdichten, höher integrierte Funktionen und Senkung des Stromverbrauchs für Konsumerprodukte. Die Halbleiterindustrie macht Druck: Bereits in Kürze möchte Intel einen in 45 nm gefertigten Prozessor mit einem Stromverbrauch von nur 50 Watt vorstellen und ab 2009 die Produktion von 32 nm Prozessoren starten. Diese neuen Schaltkreise werden den allgemeinen Technologiefortschritt vorantreiben und sich in vielen Anwendungsbereichen des täglichen Lebens vorteilhaft einsetzen lassen.