Neues Verfahren für noch kompaktere Computer-Chips

Ein bislang ungebrochener Trend in weiten Teilen der Informationstechnologie ist jener zu immer kompakteren Mikrochips. Dieser beruht vor allem darauf, dass Produktionsverfahren immer kleinere Strukturen ermöglichen, sodass dieselbe Anzahl von informationsverarbeitenden Teilen immer weniger Platz beansprucht. Mehr Bauteile auf weniger Platz unterzubringen, erhöht die Leistung und senkt den Preis von Chips in Smart Phones, Smart Watches, Spielkonsolen, Fernsehgeräten, Internet-Servern oder von industriellen Anwendungen.

Einer Arbeitsgruppe um Dimitrios Kazazis und Yasin Ekinci am Labor für Röntgen-­Nanowissenschaften und Technologien am Paul Scherrer Institut PSI ist es nun in Zusammenarbeit mit Forschenden des britischen University College London (UCL) gelungen, einen wichtigen Fortschritt für die weitere Verkleinerung in der IT-Industrie zu erzielen. Die Forschenden belegten, dass Fotolithografie – das gängige Belichtungsverfahren bei der Massenproduktion von Chips – auch dann funktioniert, wenn keine fotosensible Schicht auf das Silizium aufgebracht wurde.

Muster in Silizium schreiben

Die Fotolithografie, was wörtlich «Zeichnen mit Licht auf Stein» bedeutet, ist das wichtigste Verfahren bei der industriellen Fertigung elektronischer Bauteile. Es funktioniert im Grundsatz wie die Belichtung eines Films, nur dass das Trägermaterial kein Zelluloid, sondern Silizium ist. Auf einen sogenannten Wafer aus Silizium wird eine lichtempfindliche Schicht aufgetragen, in der Fachsprache heisst sie Fotolack oder auf Englisch Photoresist. Die Belichtung entspricht dem Bauplan-Muster des Chips und verändert die chemischen Eigenschaften des Fotolacks. Dieser wird dadurch fester oder weniger fest. Anschliessende Prozesse entfernen entweder die belichteten (Positivverfahren) oder die unbelichteten (Negativverfahren) Stellen. Als Resultat bleibt das erwünschte Verschaltungsmuster mit den Leiterbahnen übrig. Derzeit wird dieses Verfahren vor allem mit Laserlicht mit einer Wellenlänge von etwa 240 bis 193 Nanometern durchgeführt.

Die PSI-Forschenden verfolgten jedoch einen alternativen Ansatz. Sie verzichteten auf einen Fotolack, denn dieser verschlechtert die Abbildung und steht so der Verkleinerung entgegen. Ekinci: «Die Fotolacke bestehen aus Polymeren. Auf Makroebene wirken sie glatter als ein Spiegel, aber auf atomarer Ebene sehen sie aus wie Kabelsalat.» Für die Belichtung benutzten sie extremes ultraviolettes Licht, abgekürzt EUV, aus der Synchrotron Lichtquelle Schweiz SLS des PSI. Auf diese Weise gelang es den Forschenden Strukturen, also Leiterbahnen, zu erzeugen, die nur eine Breite von 75 Nanometern aufweisen. Zum Vergleich: Das ist rund 930 Mal dünner als ein menschliches Haar. «Dies sind die kleinsten Strukturen, die jemals mit Photonen ohne Verwendung einer fotosensiblen Schicht geschrieben wurden», erklärte Kazazis. Die Forschenden sprechen von einem «Proof of Principle», also dem Beleg, dass ein Verfahren prinzipiell funktioniert.

Immer kleiner, immer kleiner

Von zentraler Bedeutung dafür ist das EUV-Licht. Die Belichtung mit der weichen Röntgenstrahlung allein vermag bereits die Empfindlichkeit des Siliziums gegenüber einer Ätz- oder Entwicklerlösung zu erhöhen – wenn der Wafer zuvor einer chemischen Prozedur unterworfen wurde. Dazu behandelten die Forschenden das Silizium mit Flusssäure.

Das Verfahren öffne die Tür für weitere extreme Miniaturisierungsschritte. Bis es allerdings reif für die Serienfertigung sei, dürften «noch Jahrzehnte vergehen», bremst Kazazis Erwartungen im Gespräch – und viel Tüftelarbeit erfordern. «Obwohl noch viel zu tun ist, bevor diese Technik für die industrielle Integration geeignet ist, sind wir von ihrem Potenzial für die hochauflösende Strukturierung begeistert, und sie zeigt zahlreiche vielversprechende Wege für die zukünftige Forschung auf», erklärt der PSI-Forscher. «Und zwar nicht nur für die Strukturierung klassischer Geräte, sondern auch jener von Quantengeräten.»

Text: Werner Siefer

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