Die Zukunft von Halbleiter-Chips: Ist Nanoimprint-Lithografie das nächste grosse Ding?

Seit Jahrzehnten werden sie immer kleiner und leistungsfähiger, aber werden Computerchips bald an ihre Grenzen stossen? Oder ist Nanoimprint-Lithografie die Lösung für ihre Zukunft?

Unsere Welt wird von Tag zu Tag immer stärker von Computern gesteuert. Smartphones, Laptops, Heimelektronik, Autos: Es ist schwer, einen Teil des Alltags zu nennen, der ohne Halbleiterchips auskommt.

Sie sind in vielen Bereichen unseres Lebens zu finden und kommen regelmässig in noch fortschrittlicheren Versionen auf den Markt. Doch aus Produktionssicht ist es keine einfache Aufgabe, die Kosten gering zu halten und dabei die Grösse zu reduzieren und die Leistung zu steigern.

Laut der Theorie, die ihre Entwicklung verfolgt und vorhersagt, dem sogenannten Mooreschen Gesetz, sollten etwa alle zwei Jahre Fortschritte bei Geschwindigkeit und Leistung gemacht werden, die den Preis nur minimal beeinflussen.

Doch wie kann dieses empfindliche Gleichgewicht jetzt, wo es zunehmend zur Herausforderung wird, in den kommenden Jahren garantiert werden?

Wir denken, dass Nanoimprint-Lithografie (NIL) dabei eine Schlüsselrolle spielen wird. Und zwar folgende:

Was genau bedeutet Nanoimprint-Lithografie?

„Nanoimprint-Litografie ist das, was gemeinhin als eine ‚moderne Lithografie-Technik‘ bezeichnet wird“, erklärt Chris Howells, European Operations Director der Semiconductor Equipment Division von Canon. „Unsere eigene Version basiert auf unserer Erfahrung mit der Tintenstrahl-Technologie.“

Tatsächlich unterstützt Canon seit fast 50 Jahren Halbleiter-Hersteller auf der ganzen Welt und beliefert sie mit modernster Ausrüstung für Halbleiter-Lithografie. Das ist der Prozess, der zum Drucken dieser kleinen, hoch definierten Muster verwendet wird, die auf Computerchips zu sehen sind. Dabei kommt Licht oder Strahlung zum Einsatz, um ein Muster auf einen mit einer viskosen Flüssigkeit (Fotolack) beschichteten Wafer zu übertragen.

In diesem Kontext erscheint NIL als der logische nächste Schritt, da Canon sein über viele Jahrzehnte gesammeltes umfassendes und extrem spezialisiertes Wissen im Bereich Druck mit Fotonik (der Wissenschaft des Lichts) kombinieren kann.

Doch was passiert da? Und was sind die Unterschiede zu allen anderen Lithografie-Methoden?

Die Zukunft schrumpfen

Das Herstellungsverfahren von Nanoimprint-Lithografie ist ganz anders als herkömmliche Halbleiter-Lithografie, teilweise aufgrund des komplexen Designs.

Anstatt ein Muster auf einen Wafer zu drucken, der komplett mit Fotolack beschichtet ist, werden bei NIL Tröpfchen der Flüssigkeit nur dort aufgetragen, wo sie nötig sind. Es kommt dieselbe Technologie wie bei Canon Tintenstrahldruckern zum Einsatz: Jeder Tropfen kann gemessen, kontrolliert und präzise dosiert werden.

Dann drückt ein speziell hergestellter Stempel, auch „Maske“ genannt, das gewünschte Muster in die Flüssigkeit. Das mag einfach klingen, doch man muss bedenken, dass wir hier über ein winziges Format sprechen, das absolute Präzision erfordert. Simple Dinge wie die eingeschlossene Luft zwischen der Maske und dem Silikon-Wafer würden den Prozess stören. Die Entwickler und Designer der Maschinen mussten sich also der immensen Herausforderung stellen, jegliche externe Elemente zu vermeiden.

Zwangsläufig wird im Laufe der Lebensdauer eines NIL-Systems mehr als eine Maske nötig sein. Auch diese werden mit einer Maschine hergestellt, die ebenfalls von Canon produziert wird. „Im Wesentlichen kreieren diese zwei Maschinen zusammen einen intern entwickelten Prozess für Nanoimprint-Technologie“, erläutert Chris.

Der letzte Teil des Verfahrens besteht darin, dass die Maske entfernt wird und ganz kleine Strukturen übrig bleiben, die dann mit UV-Licht ausgehärtet werden. Diese filigranen und ziemlich schönen geometrischen Muster sind für das blosse Auge unsichtbar, denn sie sind, wie der Name schon sagt, nur wenige Nanometer gross.

Um das in einen Kontext zu setzen: Ein Nanometer ist ein Milliardstel eines Meters. Der Durchschnitt eines menschlichen Haares misst etwa 100.000 Nanometer. „Je kleiner die „Strukturgrösse“ [die winzigen physikalischen Strukturen] auf dem Silikon-Chip, desto schneller arbeitet das Gerät am Ende“, erklärt Chris.

„Smartphones und PCs werden also schneller. Je besser die Lithografie-Ausrüstung beim Drucken kleiner Strukturgrössen auf die Chips ist, desto besser ist die Leistung dieses Chips.“

Präziser, kostengünstiger und besser für die Umwelt

Zweifelsohne wird ein so grosser und komplexer Prozess erhebliche Investitionen der Chip-Hersteller erfordern, doch unserer Ansicht nach ist das auf lange Sicht eine weise Entscheidung. Als Beweis unseres Engagements planen wir aktuell den Bau einer neuen Fabrik für Halbleiter-Ausrüstung in Japan. Das wird unsere derzeitige Kapazität verdoppeln und die Produktion von mehr Lithografie-Ausrüstung als je zuvor ermöglichen.

„Die Gesamtbetriebskosten zeigen, dass sich die Investition in diese Technologie lohnt“, erläutert Chris. „Und zwar in Hinblick auf die laufenden Kosten, den Durchsatz sowie die Langlebigkeit.“

Kosten zeigen sich natürlich in vielen Formen. Aus Maschinenperspektive wird davon ausgegangen, dass NIL als Verfahren den Herstellern ein hervorragendes Preis-Leistungs-Verhältnis bietet – nicht nur bei der Anfangsinvestition, sondern auch aufgrund der Funktionsweise der Technologie.

Vergleicht man die Technologie zum Beispiel mit der naheliegendsten Alternative („Extreme Ultraviolet Lithography“ oder EUV) oder selbst mit der herkömmlichen Halbleiter-Lithografie, fallen sowohl der Energieverbrauch als auch der Abfall wesentlich geringer aus. Die Präzision des Verfahrens bedeutet, dass nur wenig überschüssiges Material entsorgt werden muss und sich ausserdem der Einsatz von Chemikalien deutlich reduziert. Beides kann immense Auswirkungen auf die Umwelt und auch die Kosten haben.

Zusammengenommen handelt es sich hier um ein Verfahren, das nicht nur das Fortbestehen des Mooreschen Gesetzes in Hinblick auf Geschwindigkeit und Leistung von Prozessoren sichert, sondern auch einen neuen, entscheidenden nachhaltigen Aspekt in die Herstellung von Halbleiterchips einbringt.

Lernen Sie das Team hinter der Entwicklung der Canon Nanoimprint Lithographie-Systeme kennen.