Der Natur abgeschaut: Immersionslithographie treibt die Halbleitertechnik

Moderne Chipfabriken kosten fast drei Milliarden Dollar. Deshalb muss eine neue Halbleitertechnologie nicht nur kleinere strukturelle Abmessungen ermöglichen, sondern sie muss auch finanziell tragbar sein. Ein neuer Ansatz muss produktionstauglich sein. Das bedeutet, dass nach einer Einführungsphase neue Produktionsprozesse rund um die Uhr problemlos laufen müssen.

Im Laufe des vergangenen Jahrzehnts, als sich Halbleiterfirmen ernsthaft fragten, wie sie die von der Industrie geforderten, immer kleineren Strukturen zukünftig gestalten könnten, gab es mehrere Optionen. Diese wurden dann anhand einer Liste von technischen und finanziellen Kriterien verglichen. Und zu fast jedermanns Überraschung ging die Immersionslithographie als Gewinner hervor.

Eine lithographische Maschine in der Halbleiterproduktion ist vereinfacht gesagt ein übergroßer Diaprojektor, bei dem die Optik so umgedreht wurde, dass ein Bild nun nicht mehr vergrößert, sondern verkleinert wird. Da die Farbe des Projektionslichtes die kleinsten noch aufzulösenden Strukturen bestimmt, hat sich die Halbleiterbranche in den letzten Jahren damit befasst, diese Lichtwellenlänge zu verkleinern.

Vor 15 Jahren hatten wir blaues Licht eingesetzt, mittlerweile werden schon Farbtöne jenseits des tiefsten Violetts (Deep Ultra Violet) verwendet. Dies erforderte die Entwicklung neuer lichtempfindlicher Materialen und hat uns bereits an den Punkt gebracht, an dem die Transistoren in modernen Schaltkreisen den Stromfluss in einem Kanal regelt, der nur einige dutzend Nanometer lang ist – also über 1000 Mal dünner als ein menschliches Haar.

In Vorbereitung auf der sogenannten 45-Nanometer-Generation, die derzeit Stand der Technik in der Halbleitertechnologie ist, kämpften die Hersteller mit einem schwierigen Problem. Das Problem resultierte aus der Tatsache, dass bei einer Wellenlänge des Lichtes, die zu weit über den violetten Bereich des sichtbaren Spektrums hinausgeht, Glas und viele Kunststoffarten das Licht nicht mehr weiterleiten, sondern absorbieren. In einem Produktionsumfeld würde diese Absorption zu einer Erhitzung der Linsen, zu Verzerrungen und somit zu einem Prozess führen, der überhaupt nicht produktionstauglich wäre. Es wurden enorme, letztlich jedoch erfolglose Anstrengungen unternommen, diese und viele damit verbundenen Schwierigkeiten zu lösen.

Eine Zeitlang schien dieses Problem der Lichtabsorption ein für die gesamte Branche unüberwindbares Hindernis zu sein, das ungelöst einen gewaltigen Bruch in dem vom Mooreschen Gesetz beschriebenen Verdichtungsprozess bedeutet hätte. Aber dann kam es zu einer überraschenden Wende: Nach dem Vorbild des menschlichen Auges gaben wir einen Wassertropfen zwischen die Linse und den Siliziumwafer. Das war die gesuchte technische Lösung, Immersionslithographie genannt, und das drohende K.O.-Kriterium wurde erfolgreich umgangen.