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Mit Zinn zum Ziel

Während bei der Immersionslithographie ein Excimerlaser für die Belichtung sorgt, entsteht die extrem ultraviolette Strahlung auf völlig andere Art und Weise. Ursprünglich sollte die kurzwellige Lichtquelle für die ASML-Scanner von Cymer kommen, die Entwicklung scheiterte aber schlussendlich und die Niederländer übernahmen 2012 den Laser-Hersteller, um sich zumindest noch die wichtigen Patente zu sichern.

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Statt Cymer aus den USA sprang stattdessen Trumpf ein: Der deutsche Hersteller mit Sitz im baden-württembergischen Ditzingen bei Stuttgart liefert ASML die Technik, um überhaupt erst in der Lage zu sein, das extrem kurzwellige Licht zu generieren. Hierzu wird ein Kohlenstoffdioxid-Laser verwendet, der bei den Produktionssystemen mit 250 Watt erzeugt wird, um durch eine mehrfache Verstärkung eine Ausgangsleistung von über 40 Kilowatt zu erreichen.

Das CO2-Laser pulsiert 50.000-fach pro Sekunde, denn er muss in einer Vakuumkammer doppelt treffen: Der erste schwache Strahl plättet einen Zinntropfen, der zweite stärkere vaporisiert dann den Fladen - er lässt ihn also zerplatzen. Das so ionisierte Zinn gibt die extrem ultraviolette Strahlung als Plasmablitz ab, die mit einer äußert kurzen Wellenlänge von 13,5 nm fast im (weichen) Röntgenbereich liegt. Die Energie des EUV-Lichts beträgt 93 eV und damit ein Vielfaches der 6,4 eV bei der Immersionslithographie per Excimerlaser.

Licht bei einer Wellenlänge von 13,5 nm wird von Luft oder Wasser gestoppt, daher findet der Vorgang im Vakuum statt - dennoch braucht es eine enorme Menge an freigesetzter Energie, da viel Licht absorbiert wird, bevor es auf den Wafer trifft. Die bei der Immersionslithographie verwendete transparente Maske würde das EUV-Licht schlicht nicht durchlassen, daher werden eine reflektierende Maske für ein Beugungsbild und sechs sogenannte Bragg-Spiegel eingesetzt.

Diese sind aus Glaskeramikblöcken in Deutschland von Zeiss gefertigt und extrem rein, weil sie mit Diamanten geschliffen und mit Ionenstrahlen bearbeitet wurden. Die Bragg-Spiegel sind mit Molybdän sowie Silizium beschichtet und reflektieren nur Licht in einem bestimmten Wellenlängenbereich.

Für die Serienproduktion müssen die EUV-Scanner eine bestimmte Anzahl an Wafern pro Stunde verarbeiten (Throughput), was nur mit entsprechender Verfügbarkeit (Uptime) durch möglichst kurze Wartungsperioden gelingt. Frühere Systeme wie das NXE:3350B schafften nur 125 Wafer pro Stunde, das NXE:3400C liegt mit 170 Scheiben pro Stunde deutlich darüber. Die Verfügbarkeit bewegt sich mittlerweile bei über 80 Prozent, vor einigen Monaten waren es noch unter 50 Prozent. Um einige wenige Layer eines Chips zu belichten, reichen Durchsatz und Uptime mittlerweile locker aus.

  • Ein Testwafer mit 7-nm-EUV-Chips von Samsung Foundry (Bild: Marc Sauter/Golem.de)
  • EUV- statt Immersionslithographie vereinfacht die Fertigung deutlich. (Bild: ASML)
  • In den nächsten Jahren wird EUV zum Standard für Logik-, DRAM- und SCM-Chips werden. (Bild: ASML)
  • Die Verfügbarkeit aktueller EUV-Scanner liegt noch höher als bei diesem NXE:3400B. (Bild: ASML)
  • Ein höherer Durchsatz bei mehr Update soll die Serienfertigung beschleunigen. (Bild: ASML)
  • Alle großen Foundries haben eine Vielzahl an EUV-Scannern in ihren Fabs stehen. (Bild: ASML)
  • Durch EUV sinken die Kosten. (Bild: ASML)
  • Überblick, wie EUV-Licht entsteht, bevor es im Scanner genutzt wird. (Bild: ASML)
  • Für EUV-Licht werden reflektierende Masken und multiple Spiegel verwendet. (Bild: Sematech)
  • Seitenansicht eines NXE:3400B-Scanners (Bild: ASML)
  • Die NXE:3400C sind für 7 nm und 5 nm gedacht. (Bild: ASML)
  • Sie liefern einen höheren Durchsatz, der wichtig für die Massenproduktion ist. (Bild: ASML)
  • Die High-NA-Scanner sollen den Weg für 3 nm bereiten. (Bild: ASML)
  • Auf Logik wird DRAM folgen. (Bild: ASML)
Die High-NA-Scanner sollen den Weg für 3 nm bereiten. (Bild: ASML)

Mit kommenden NXE-Maschinen sollen über 185 Wafer pro Stunde möglich sein, womit dann auch die EUV-Serienfertigung für alle Schichten realistisch wird. Mit einer maximalen Maske und somit Belichtungsfläche von 858 mm² (33 x 26 mm) sind auch 7-nm-EUV-Nachfolger für solche Monsterchips wie Nvidias GV100 mit 815 mm² denkbar.

Die nötigen Tools für 3 nm (Obacht: Nanometer-Marketing!) wie 3GAE sind bereits in Entwicklung: ASML spricht von High-NA-Systemen, denn zugunsten eines besseren Auflösungsvermögens steigt die numerische Apertur von 0.33 auf 0.55 und mit acht Spiegeln für noch feinere Chips. Drei große Kunden - wohl Intel, Samsung, TSMC - haben bereits ein Dutzend der noch namenlosen Scanner bestellt, sie sollen ab 2023 einsatzbereit sein.

Trotz Chiplet-Designs ist Moore's Law also lange nicht tot. Vielmehr geht das Nanometer-Rennen mit EUV in eine neue Runde, nun aber eben mit extrem ultraviolettem Licht. Die Smartphone-Chips sind dabei nur der Anfang: AMD hat bereits angekündigt, die nächsten Epyc-CPUs (Milan) sowie künftige Navi-GPUs mit N7+ von TSMC produzieren zu lassen, und Nvidia hat unter anderem Samsungs 7LPP für die eigenen Grafikprozessoren auserkoren. Neben Logik-Chips werden mittelfristig auch DRAM-Bausteine, Flash-Speicher und Storage Class Memory mit EUV entstehen.

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hsb 04. Sep 2019

Den technischen Hintergrund der Dynamik verstehe ich. Aber ich muss dem Thread-Ersteller...

Nimrais 28. Aug 2019

Die Gitterkonstante von reinem Silizium ist ungefähr ein halber Nanometer. Schon seit...

ms (Golem.de) 25. Aug 2019

Ich war 2017 wegen EUV bei ASML ;-)

cpt.dirk 24. Aug 2019

Die Frage sollte doch sein: wieviel ist genug? Ich habe immer noch meinen Bulldozer und...

jjo 23. Aug 2019

Bei 80 Millionen Einwohnern kann man ja wohl auch erwarten, dass es noch die ein oder...


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