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Mikrochips:Immer kleiner, immer schneller

Ein Waferscanner ist das Herzstück der Chip-Fertigung. Das Gerät scannt den Bauplan des Chips und brennt ihn auf Siliziumscheiben, die Wafer.

(Foto: ASML)
  • Mit der "EUV-Lithografie" sollen Mikrochips künftig kleiner und schneller werden. Darunter versteht man die Chip-Produktion mit "extrem ultravioletter Strahlung".
  • Anwendungen das autonome Fahren oder virtuelle Realitäten erfordern deutlich leistungsstärkere Rechner als heute.
  • Während die Chips selbst hauptsächlich in Asien und den USA gefertigt werden, sind europäische Firmen führend bei der Herstellung der dafür nötigen Maschinen.

Wer eine 120 Millionen Euro teure Maschine sehen will, muss Zeit mitbringen, um sich zuvor angemessen zu kleiden. Das heißt Schuhe ausziehen, in einen weißen Ganzkörper-Anzug steigen, Kapuze über den Kopf streifen. Laborschuhe und Latex-Handschuhe anziehen, Mundschutz fixieren. Am Schluss der Prozedur, die bei Ungeübten eine Viertelstunde dauern kann, schauen nur noch die Augen hervor. In einer Schleuse, die einem Flughafenscanner ähnelt, fegt ein Luftstrom die letzten Schmutzpartikel weg.

So gelangt man in den Reinraum des ASML-Konzerns im niederländischen Veldhoven - oder eher in ein Labyrinth aus Reinräumen, verbunden von weißen Gängen, durch die ein ganzer Bus durchpassen würde. Hinter Glasscheiben schrauben Angestellte in Schutzanzügen an glänzenden Apparaturen. Stecknadelgroße Löcher im Boden saugen permanent Luft ab und erzeugen leichten Unterdruck.

EUV-Technologie

So funktioniert die Herstellung von Mikrochips

Nach ein paar riesigen Zwischentüren gelangt man zur Erklärung für den ganzen Aufwand: "NXE:3400B" ist groß wie ein Wohnmobil, 180 Tonnen schwer und besteht aus hunderttausenden Einzelteilen, die alle miteinander harmonieren müssen. Dieser sogenannte "Waferscanner" ist die derzeit modernste Maschine weltweit, um Mikrochips zu produzieren; und eins der empfindlichsten Geräte, das die Industrie je entwickelt hat. Im Inneren der Maschine ätzen Lichtstrahlen in einer Vakuumkammer nanometerkleine Strukturen auf Siliziumscheiben - die Basis für Transistoren, die am Ende einen Mikrochip bilden. Jedes Staubkorn, das hineingelangt, könnte diesen Prozess stören und die Chips unbrauchbar machen.

Autopiloten stoßen manchmal schon bei einer Geschwindigkeit von 60 km/h an ihre Grenzen

Etwa 30 Jahre lang haben Physiker und Ingenieure an dieser Technologie getüftelt, die nur zwei Zwecke hat: Computerchips noch kleiner und noch schneller zu machen, als sie bereits sind. In iPhones der neuesten Generation surren beispielsweise acht Rechenkerne mit insgesamt etwa sieben Milliarden Transistoren, die bis zu acht Billionen Berechnungen pro Sekunde schaffen.

Braucht es noch mehr? Anders lassen sich wohl keine virtuellen Realitäten erschaffen, künstliche Intelligenzen erwecken oder vernetzte Fabriken bauen. Und auch das Potenzial von Big Data oder des Funkstandards 5G bliebe ungenutzt. Bei all diesen Technologien wachsen die Datenmengen exorbitant, was neue Computer erfordert. So leidet die Entwicklung autonomer Autos bereits an zu geringer Rechenleistung. Heutige Autopiloten stoßen in dynamischen Situationen teilweise schon bei 60 km/h an ihre Grenzen. Obwohl Bordcomputer mehrere Billionen Rechenschritte pro Sekunde schaffen. Die Mikrochip-Industrie ist überzeugt, dass nur eine einzige Technologie in der Lage ist, den nächsten Sprung zu bewältigen: Die EUV-Lithografie, Halbleiter-Herstellung mit "extrem ultraviolettem Licht".

Man kann sich die Produktion eines Chips wie die Belichtung eines Films vorstellen. Ein Lichtmuster wird auf eine empfindliche Siliziumplatte, den Wafer, gebrannt. Das zeichnet die winzigen Leiterbahnen des Chips vor. Dieser Schritt kann etliche Male wiederholt werden, so entstehen integrierte Schaltkreise mit teilweise mehr als hundert übereinander liegenden Schichten. Die Wellenlänge des Lichtstrahls entscheidet, wie filigran diese Strukturen werden - etwa so wie es von der Dicke eines Stifts abhängt, wie fein man damit zeichnen kann. Bislang kommt Licht mit einer Wellenlänge von 193 Nanometern zum Einsatz. Schon das liegt unter jenem Bereich, den das menschliche Auge noch wahrnehmen kann.

In der EUV-Maschine, die im holländischen Reinraum installiert wird, sind es nur noch 13,5 Nanometer. Bei dieser Größenordnung stellt die Physik völlig neue Ansprüche. Licht dieser Wellenlänge ist heikel, es wird von Molekülen in der Luft absorbiert. Daher muss der ganze Produktionsschritt im Vakuum ablaufen. Man kann keine gewöhnlichen Linsen einsetzen, um das Licht zu fokussieren, weil diese das Licht einfach schlucken würden. Stattdessen braucht es extrem glatte Spiegel, die den Lichtstrahl nanometergenau reflektieren und fokussieren. Und um die EUV-Strahlung überhaupt zu erzeugen, ist ein neuartiger Laser nötig, der eigens jahrelang entwickelt werden musste.