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Feature Stories - Weg von der Maske: Mikrochipfertigung zielt auf neue potenzielle Märkte

Miniaturisierte Geräte wie etwa die beliebten Smartphones haben bereits seit einiger Zeit den Sprung auf den Massenmarkt geschafft, aber die bei kleinen Mengen anfallenden hohen Fertigungskosten können innovativen Produkten durchaus den Start vermasseln. EU-finanzierte Forscher können nun neuartige Technologien für die Mikrochipfertigung vorweisen: Drastische Kostensenkung und erhöhte Designflexibilität lauten die Versprechungen. Indem Kosten für die Produktion im kleinen Maßstab reduziert und die weitere Mikrochipminiaturisierung vorangetrieben werden, stehen wahrscheinlich Türen und Tore zu neuen Anwendungen und Märkten offen. Die im Rahmen des Projekts entwickelte Technologie soll außerdem dazu beitragen, kleineren Mikroelektronikunternehmen in der EU zur Seite zu stehen.

Digitale Wirtschaft

Mikrochips werden mittels Halbleiterlithografie mit den winzigen Kanälen und Gates (Steuerelektroden) bedruckt, die das Herz der Transistoren bilden, aus denen eine moderne integrierte Schaltung (integrated circuit, IC) besteht. Mit der sogenannten maskenlosen Lithografie (Maskless lithography, ML2) starten die Forscher des EU-finanzierten MAGIC-Projekts ("Maskless lithography for IC manufacturing") eine neue Ära der Kleinserienfertigung integrierter Schaltungen, wobei es gilt, den gesamten Prozess schneller, einfacher und billiger zu realisieren. In der derzeitigen Chipfertigung verwendet man ein maskenbasiertes optisches Lithografieverfahren, bei dem eine Schablone zum Einsatz kommt, um das gewünschte Schaltungsmuster festzulegen. Dieser Prozess hat der Mikrochipindustrie lange Zeit gute Dienste geleistet, da er sehr effektiv ist. Masken sind allerdings überaus teuer; für die Fertigung von nur einer Maske können Kosten von bis zu mehreren 100.000 Euro zusammenkommen. Und für einen einzigen Chip braucht man durchaus mehrere dieser Masken. Werden die Chips nun immer kleiner und sind immer raffiniertere Funktionalitäten gefragt, so steigen die Gesamtkosten einer Maske drastisch an. Aus diesem Grund untersuchte MAGIC das Potenzial der maskenlosen Technik, um die steigenden Kosten von Halbleitermasken in den Griff zu bekommen. Die maskenbasierte Lithografie wird mit jedem neuen Fortschritt in der Lithografietechnik immer komplexer. Optical Proximity Correction - zu Deutsch etwa optische Nahbereichskorrektur - ist beispielsweise ein Verfahren zur Kompensation von Abbildungsfehlern, die oft an den Kanten der Schaltungskanäle auftreten, während Phasenschiebermasken Interferenzen ausnutzen, die durch Phasendifferenzen im Licht erzeugt werden, um die fotolithografische Auflösung zu verbessern. Beide Verfahren benötigt man, um die Probleme auszugleichen, die entstehen, wenn man die Grenzen der lithografischen Technik immer weiter ausreizt. Eine immer aufwändigere Lithografie lässt auch die Maskenherstellung immer komplexer und teurer werden: Keine supermodernen Masken ohne teure Materialien mit erhöhten Leistungsmerkmalen und aufwendigen, zeitraubenden Fertigungsprozessen. "Es gibt inzwischen einen echten Bedarf an maskenloser Lithografie, da die mit der Maskenherstellung verbundenen gestiegenen Kosten einen großen Teil der Gesamtbetriebskosten dieser Technik ausmachen", erklärt MAGIC-Projektkoordinator Laurent Pain. Bei der ML2-Technologie kommen Mehrfachstrahlprinzipien zum Einsatz. Im Wesentlichen wird ein großer Elektronenstrahl durch eine Blende fokussiert. Die Blende kann den Strahl in Tausende oder sogar Millionen kleinere Strahlen aufteilen. Diese Strahlen passieren ein aktives MEMS-Element (Micro-electrical-mechanical system), einen sogenannten Blanker bzw. Ablenker, der jeden Strahl einzeln steuern kann. Einige Strahlen werden dann abgelenkt oder ausgeblendet, wobei die durchgelassen Strahlen die gewünschte Mikrochipschaltung hinterlassen. Den europäischen Mikroelektroniksektor unterstützen Großindustrielle Hersteller wie Intel und Samsung legen ihren Schwerpunkt auf die Massenfertigung von Mikroprozessoren oder Speicherchips. Sie sind weniger von den Auswirkungen der Lithografie-Kostensteigerung betroffen, da sich die damit verbundenen Kosten über gewaltige Fertigungsläufe verteilen, in denen Millionen von Chips hergestellt werden. Die Unternehmen allerdings, die anwendungsspezifische integrierte Schaltungen (Application specific integrated circuit, ASIC) entwickeln, sowie kleine und mittlere Unternehmen (KMU) haben ernsthaft mit den Kosten zu kämpfen. Für Europa liegt hier ein großes Problem an: Viele der Technologieunternehmen unseres Kontinents sind kleine und mittlere Unternehmen. Es besteht gleichfalls ein generelles Problem für die Technik an sich, da die hohen Kosten der Kleinserien-Mikrochipherstellung das Todesurteil für die Innovation bedeuten kann: Markteinführungen platzen, wenn in kleinen Stückzahlen gefertigte innovative Geräte einfach zu teuer sind. Das Konzept der maskenlosen Technik wird weltweit bereits von einigen tonangebenden CMOS-Herstellern (Complementary metal–oxide–semiconductor, zu Deutsch: komplementäre Metalloxid-Halbleiter) wie TSMC in Taiwan und STMicroelectronics in Frankreich unterstützt. Auch Intel hob auf jüngsten Fachkonferenzen das Potenzial dieser Technologie als ergänzende Lösung zur optischen Lithografie hervor. So scheint diese Technologie eine vielversprechende Zukunft zu haben: So ergeben sich noch weitaus attraktivere FuE-Richtungen. Mehrfachstrahltechnologien testen Im Rahmen von MAGIC, einem EU-finanzierten Forschungsvorhaben, entwickelt man ML2-Technologien für Alpha-Prototypen zum Testen. Zwei Partner, die in den Niederlanden ansässige Firma MAPPER Lithography und das österreichische Unternehmen IMS Nanofabrication, konnten bereits große Fortschritte in Richtung des hochauflösenden integrierten Schaltkreisdesigns mittels maskenloser Elektronenlithografie vorweisen, was die Leistungsfähigkeit dieser Technologie und die führende Rolle dieser beiden europäischen Unternehmen auf dem Gebiet unter Beweis stellt. Die Hälfte der MAGIC-Forschungsarbeit konzentrierte sich auf die Weiterentwicklung der von MAPPER und IMS erstellten Tools. Hier eröffnete sich ein weites Spektrum an Technologien, da das MAPPER-Tool auf Elektronenstrahlen bei niedriger Spannung basiert, während man bei IMS ein Hochspannungs-Strahlsystem entwickelte. Das Projekt konnte Alpha-Prototypen liefern, die den Anforderungen der Halbleiterfertigung gemäß der 32-Nanometer-Halfpitch-Technik entsprechen. Halfpitch bezieht sich auf die Größe von Linien und Lücken, die auf dem Mikrochip das eine Element vom anderen trennen. "Im Verlauf der drei Jahre des Projekts haben beide Plattformen die Reifung der jeweiligen Technologie vom Nachweis der Machbarkeit hin zur Pre-Alpha-Version forciert", erklärt Dr. Pain, und fügt hinzu, "dass heute beide Lösungen signifikante Fortschritte erzielt haben, die die Tauglichkeit der maskenlosen Lithografie außer Zweifel stellen." Die zweite Hälfte von MAGIC widmete sich der Entwicklung der erforderlichen Infrastruktur, um diese Tools in einem industriellen Umfeld nutzen zu können. Die Arbeiten zum Thema Infrastruktur wurden in drei Hauptbereiche unterteilt: Datenverarbeitung, Elektronenstrahl-Proximity-Effekte (Nachbarschaftseffekte) und industrielle Integration. MAGIC entwickelte eine schnelle, robuste und kommerzielle, mit Industrienormen kompatible Datenaufbereitungsplattform, die ein maskenloses Fertigungssystem im vollen Umfang unterstützen kann. Die Plattform gleicht außerdem mit ML2 zusammenhängende Elektronenstrahl-Proximity-Effekte aus. Hierbei handelt es sich um eine Entwicklung von entscheidender Bedeutung. Sämtliche Elektronenstrahlwechselwirkungen auf dem Substrat sowie potenzielle Erwärmungseffekte müssen ausgeglichen werden, um eine genaue Strukturierung der Mikroschaltung abzusichern. Die im Rahmen des Projekts MAGIC entwickelten Lösungen lösen dieses Problem, indem geeignete Korrekturen zur Anwendung kommen. Letztendlich zeigte das Projekt unter realen Bedingungen, das ML2 mit Hilfe der von den Partnern entwickelten Plattformen in die Fertigungsumgebungen integriert werden kann. "2010 war ein bedeutendes Jahr für MAGIC", merkt Pain an. "Dieses letzte Jahr bestätigte das vollständige Leistungsvermögen der massiv parallelen Elektronenstrahllithografie. Für beide entwickelten Technologien wurden betriebsbereite Maschinen gebaut, die sämtliche wichtigen Funktionselemente aufweisen." Die Technik ist vielversprechend, befand sich aber für lange Zeit in der Entwicklung. IMS Nanofabrication stellte das Konzept der maskenlosen Lithografie zuerst in den 1980ern zur Diskussion, allerdings existierten die erforderlichen Basistechnologien zu dieser Zeit noch nicht. 2005 begannen die jüngsten Bemühungen um die Unterstützung der Einführung der maskenlosen Lithografie mit einem anderen EU-finanzierten Projekt unter der Bezeichnung "Radical innovation in maskless nanolithography" (RIMANA) und mit den MEDEA+-Projekten T408 und T409. MAGIC konnte nun Europas Stellung in der modernen ML2-Halbleiterfertigung dramatisch verbessert. Das MAGIC-Projekt erhielt Forschungsmittel innerhalb der IKT-Haushaltslinie des Siebten EU-Rahmenprogramms (RP7). Nützliche Links: - Projekt "Maskless lithography for IC manufacturing" - MAGIC-Projektdatensatz auf CORDIS Weiterführende Artikel: - EU-Projekt entwickelt System für "Sprechzimmer-Gesundheitstests" - EU-finanziertes Projekt entwickelt Mikrochip-Spezifikationssprache - Keine Grenzen für integrierte Silizium-Schaltkreise