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EUV-Halbleiterfertigung: Wie Chips aus Plasma-Fladen entstehen

Weder ist das Nanometer-Rennen vorbei noch Moore's Law tot: Mit extrem ultravioletter Belichtung entsteht die nächste Generation von CPUs, GPUs und weiteren Chips. Von 5G-Smartphones bis zu Cloud-Servern wäre das ohne deutsche Laser und Spiegel und niederländische Systeme nicht möglich.

Ein Bericht von veröffentlicht am
Blick in einen EUV-Scanner mit EUV-Licht und Spiegeln
Blick in einen EUV-Scanner mit EUV-Licht und Spiegeln (Bild: ASML)

Samsung hat mit dem Exynos 9825 schon einen, Huawei mit dem Kirin 990 5G und Qualcomm mit dem Snapdragon 765 werden im Herbst nachziehen: Die Rede ist von einem Smartphone-Chip, der mit extrem kurzwelliger weil ultravioletter Strahlung im Vakuum hergestellt wird. Das Verfahren, kurz EUV (Extrem Ultra Violet), wird weltweit schon lange von allen großen Halbleiterfertigern vorangetrieben und stellt den mit Abstand größten technischen Wechsel seit über einem Jahrzehnt dar.

Inhalt:
  1. EUV-Halbleiterfertigung: Wie Chips aus Plasma-Fladen entstehen
  2. Teures EUV ist günstiger
  3. Mit Zinn zum Ziel

Mit EUV sind kleinere, schnellere und effizientere Prozessoren möglich - ohne diese wäre heutzutage unser Alltag kaum vorstellbar. Vom Smartphone in der Hand und dem Laptop auf dem Tisch über das Auto vor der Tür bis hin zur 5G-Basistation und daran angeschlossen die Cloud-Server-Farm: Überall werden in den nächsten ein bis zwei Jahren bereits Chips verwendet, die zuvor aufwendig mit extrem ultravioletter Belichtung produziert wurden.

Die Maschinen dazu kommen aus den Niederlanden, die wichtigsten Bauteile stammen von deutschen Unternehmen. Ohne diese EUV-Systeme könnten Intel, Samsung Foundry und TSMC keine Prozessoren herstellen, denn der weltweit einzige Ausrüster ist ASML. Das Unternehmen mit Sitz in Veldhoven bei Eindhoven liefert sogenannte Scanner wie den NXE:3400C, mit denen überhaupt erst genügend Durchsatz und Verfügbarkeit erreicht wird, um wirtschaftlich lohnend per extrem ultravioletter Belichtung zu produzieren.

  • 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)
Ein Testwafer mit 7-nm-EUV-Chips von Samsung Foundry (Bild: Marc Sauter/Golem.de)

Seit vielen Jahren scheuen die Hersteller den Umstieg auf EUV, weil er sehr teuer ist - mittlerweile sind aber alle an einem Punkt angelangt, an dem ein Wechsel außer Frage steht. Vor allem Intel hat sich mit bisheriger Technik am eigenen 10-nm-Verfahren übernommen und den fast schon obligatorischen Vorsprung zu AMD eingebüßt.

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Die meisten heutigen Chips entstehen mit Immersionslithographie, welche auf die zuvor übliche trockene Belichtung folgte. AMD etwa, damals noch mit eigenen Halbleiterproduktionsstätten (Fabs), fertigte die Deneb-Chips wie den Phenom II X4 940 schon 2008 mit Immersionslithographie im 45-nm-Verfahren, wohingegen Intel erst 2009 für den 32-nm-Prozess alias P1266 für die Westmere-CPUs wie den Core i7-980X auf die Technik setzte.

Bei der Immersionslithographie befinden sich lichtempfindliche Fotolack-Schichten auf für einen höheren Brechungsindex in Flüssigkeit getauchten Siliziumscheiben (Wafer). Der Lack wird schrittweise durch Belichtung abgetragen, um so die Strukturen für Transistoren und damit die Schaltungen der Chips zu erschaffen. Dabei wird das Licht eines Argon-Fluorid-Excimerlasers mit einer Wellenlänge von 193 nm (daher DUV, Deep Ultra Violet) durch eine transparente Maske (Reticle), welche ein Abbild des eigentlichen Designs trägt, über mehrere Linsen zum Wafer geleitet. Ein heutiger Prozessor besteht dabei aus teils einem Dutzend Schichten, die meist mehrfach mit einem ganzen Satz von sehr vielen Masken belichtet werden müssen - Intel spricht von weit über 50 für 14 nm.

Hintergrund ist, dass das Auflösungsvermögen von 193 nm für die gewünschten Schaltungen in einem Schritt nicht ausreicht, weil das Abbe-Limit greift. Daher wird für feine Strukturen eine Mehrfachbelichtung verwendet, die den Aufwand und vor allem die Fehleranfälligkeit drastisch steigert: Intel nutzt beispielsweise Quad-Patterning mit vier Durchgängen für einige Schichten seiner Ice-Lake-Chips in 10+ nm, was einer der Gründe ist, warum die Ausbeute (yield) so niedrig ausfällt. Bisher produziert Intel nur in der Fab 18 im israelischen Kiryat Gat, anderswo laufen bereits die Vorbereitungen auf den Wechsel zu 7 nm mit EUV.

  • 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)
EUV- statt Immersionslithographie vereinfacht die Fertigung deutlich. (Bild: ASML)

Mit extrem ultravioletter Belichtung soll trotz teurer Ausrüstung die Produktion günstiger werden, da die Anzahl der benötigten Schritte reduziert und die Erfolgsquote erhöht wird: Statt Multi-Patterning reicht (anfangs) Single-Expose aus, also eine einfache Belichtung. Zudem stellen sich weitere Vorteile wie eine geringere Leistungsaufnahme und eine höhere Taktbarkeit ein, welche die Hersteller primär umsetzen wollen.

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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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