Sieben Nanometer für die Elektronik der Zukunft

Halbleitertechnologie bildete die Grundlage der digitalen Revolution und hat damit wesentlich dazu beigetragen, dass sich unsere Lebensweise über die letzten Jahrzehnte stark verändert hat und sich auch in absehbarer Zukunft weiter verändern wird. Die Halbleiterindustrie hat diese Revolution ermöglicht, indem sie – wie vor 50 Jahren im Mooreschen Gesetz vorausgesagt – kompaktere, effizientere und schnellere Elektronik entwickelt hat, die sich zu immer geringeren Kosten herstellen lässt. Wesentlich dabei waren die Fortschritte bei den Fertigungstechniken sowie die Entwicklung neuartiger Konzepte für den Aufbau elektronischer Bauteile. Dabei werden die einzelnen Komponenten moderner Computerchips – wie etwa elektrische Leitungen oder Transistoren – nicht als getrennte Bauteile aufgelötet, sondern als feine Strukturen innerhalb der Silizium-Scheibe erzeugt, die die Grundlage des Chips bildet. Die langfristige Planung der Halbleiterindustrie sieht vor, Chips herzustellen, deren Strukturen kleiner sind als 20 Nanometer und in denen die Komponenten in drei Dimensionen angeordnet sind. Diese ehrgeizigen Pläne stellen eine immense Herausforderung an die Fertigungsprozesse dar.

Elektronik des Jahres 2028 im Blick

Nun ist es Forschenden des Paul Scherrer Instituts gelungen, in einem Halbleitermaterial ein regelmässiges Muster aus parallelen Linien zu erzeugen, die nur 7 Nanometer breit sind. Strukturen dieser Grösse sind für das Jahr 2028 als Industriestandard für Computerchips vorgesehen. Dabei ist 1 Nanometer ein Millionstel eines Millimeters – 7 Nanometer entsprechen der Grösse einzelner grösserer Moleküle in unseren Zellen, die kleinsten Viren sind 15 Nanometer gross, Bakterien deutlich grösser. Um die dünnen Linien zu erzeugen, nutzten die Forschenden das Verfahren der Fotolithografie an der Synchrotron Lichtquelle Schweiz SLS, mit dem schnell sehr feine Strukturen erzeugt werden können. Dazu wird das Material, das bearbeitet werden soll, mit einer dünnen lichtempfindlichen Schicht bedeckt. Die Struktur wird dann auf diese Schicht mit Licht projiziert, wobei sich die Eigenschaften der Schicht an den beleuchteten Stellen verändern. Wie ein Film bei der traditionellen Fotografie wird die Schicht dann entwickelt und die beleuchteten Teile werden entfernt. Anschliessend kann mit einem speziellen Prozess das projizierte Muster in das Halbleitermaterial geätzt werden. Bei der Herstellung von elektronischen Bauteilen wie Speicher- oder CPU-Chips wird dieser Prozess mehrfach wiederholt, sodass am Ende komplexe Strukturen mit Milliarden von Transistoren entstehen.

Kurze Wellenlänge am PSI für die Halbleiter der Zukunft

Je feiner die Strukturen sind, die man mit der Fotolithografie erzeugen will, umso kleiner muss die Wellenläge des Lichts sein, das man verwendet. So wurde die Wellenlänge des verwendeten Lichts über die Jahrzehnte stufenweise immer kleiner – angefangen bei sichtbarem Licht (Wellenlänge 400 bis 700 Nanometer) bis zu dem heute von der Industrie verwendeten tiefen Ultraviolett mit 193 Nanometer Wellenlänge. Für die Lithografie der nächsten Generation fasst man die Nutzung des Extremen Ultraviolett (EUV) mit 13,5 Nanometer Wellenlänge ins Auge. Die PSI-Forschenden haben für die Herstellung ihrer feinen Strukturen solches Licht an der Synchrotron Lichtquelle Schweiz SLS verwendet. Die Ergebnisse der Studie zeigen, dass sich die Zukunftspläne der Halbleiterindustrie tatsächlich umsetzen lassen und das PSI eine einzigartige Infrastruktur für die Forschung an diesen Vorhaben bietet. Diese Forschungsmöglichkeiten werden daher auch rege von der Halbleiterindustrie und deren Zulieferunternehmen genutzt. Neue Möglichkeiten für enge Kooperationen zwischen dem PSI und der Industrie wird der PARK innovAARE bieten, der zurzeit als Standort des Schweizerischen Innovationsparks in unmittelbarer Nähe des PSI entsteht. Die Ansiedlung von Industrieunternehmen im PARK innovAARE wird einen intensiven Austausch zwischen dem PSI und diesen Unternehmen ermöglichen, der beiden Seiten zugutekommt.

Text: Paul Scherrer Institut/Yasin Ekinci und Paul Piwnicki

Über das PSI

Das Paul Scherrer Institut PSI entwickelt, baut und betreibt grosse und komplexe Forschungsanlagen und stellt sie der nationalen und internationalen Forschungsgemeinde zur Verfügung. Eigene Forschungsschwerpunkte sind Materie und Material, Energie und Umwelt sowie Mensch und Gesundheit. Die Ausbildung von jungen Menschen ist ein zentrales Anliegen des PSI. Deshalb sind etwa ein Viertel unserer Mitarbeitenden Postdoktorierende, Doktorierende oder Lernende. Insgesamt beschäftigt das PSI 1900 Mitarbeitende, das damit das grösste Forschungsinstitut der Schweiz ist. Das Jahresbudget beträgt rund CHF 380 Mio.