de.wedoany.com-Bericht: Dieser Ansatz kann den problematischen optischen 3D-Maskeneffekt beseitigen, die Lithografieauflösung verbessern und die Herstellung kleinerer Chips zu geringeren Kosten ermöglichen.
Von Rechenzentren, die die nächste Generation von Künstlicher Intelligenz unterstützen, über wichtige medizinische Geräte, Autos bis hin zu Mobilgeräten oder Computern – Halbleiterchips sind unverzichtbare Kernkomponenten des modernen Lebens.
Mit dem technologischen Fortschritt und dem steigenden Energiebedarf arbeiten Forscher an der Entwicklung kleinerer Chips, was präzise Schaltungsdesigns auf der Nanometerskala erfordert. Technologien wie die extreme ultraviolette (EUV) Lithografie eröffnen neue Wege zur Herstellung von Mikrochips, stehen jedoch vor enormen physikalischen, technischen und kostentechnischen Herausforderungen, die ihre derzeitige Umsetzung und Massenproduktion einschränken.
Professor Tsumoru Shintake von der Okinawa Institute of Science and Technology (OIST) in Japan hat in der Zeitschrift „Journal of Micro/Nanopatterning, Materials, and Metrology“ eine Studie veröffentlicht, die ein disruptives Neudesign des Beleuchtungssystems und des Projektionsobjektivs für die hochaperturige (High-NA) EUV-Lithografie vorschlägt. Simulationsergebnisse zeigen, dass dieser Ansatz den problematischen optischen 3D-Maskeneffekt beseitigen, die Lithografieauflösung verbessern und im Vergleich zu bestehenden EUV-Verfahren kleinere Chips zu geringeren Kosten herstellen kann.
Tsumoru Shintake erklärte: „Derzeit kostet eine einzelne EUV-Lithografieanlage mehrere hundert Millionen Euro. Mein neuer Ansatz ermöglicht die Herstellung feiner Strukturen im Bereich von 2–3 nm zu Kosten, die weit unter denen der derzeit fortschrittlichsten kommerziellen Modelle liegen.“
Er erläuterte den Anwendungswert von Mikrohalbleiterchips in der nachgelagerten Industrie vor dem Hintergrund der wachsenden Nachfrage im Bereich der Künstlichen Intelligenz. „Die Internationale Energieagentur prognostiziert, dass der Stromverbrauch von Rechenzentren bis 2030 aufgrund von energieintensiven Anwendungen wie KI-Agenten verdoppelt wird. Chips, die mit High-NA-Lithografie hergestellt werden, haben eine höhere Integrationsdichte und kürzere Signalwege, was Energieverluste minimiert und den Stromverbrauch pro Rechenoperation senkt.“
Tsumoru Shintake fügte hinzu: „Diese hochdichten Chips erzeugen auch weniger Wärme, wodurch der Energiebedarf für die Kühlung sinkt. Diese technische Verbesserung könnte die Gesamtstromlast von Rechenzentren erheblich reduzieren.“
Was ist EUV-Lithografie? Eine Einführung in die Herstellung von Halbleiterchips
Die EUV-Lithografie erzeugt extrem ultraviolettes Licht mit einer Wellenlänge von nur 13,5 nm. Der Lichtstrahl wird in ein Beleuchtungssystem geleitet und trifft auf eine reflektierende Lithografiemaske, die die vollständige Schaltungsvorlage trägt. Das reflektierte Musterlicht durchläuft ein Projektionsobjektiv, das das Bild durch mehrere Spiegel verkleinert und fokussiert, bevor es auf die Siliziumscheibe projiziert wird. Anschließend wird das Schaltungsmuster durch eine Reihe von Prozessen in die Siliziumscheibe geätzt.
Um Schaltungen mit höherer Integrationsdichte herzustellen, arbeitet die Industrie an der High-NA-EUV-Lithografie. Die numerische Apertur (NA) bestimmt den Winkelbereich, in dem das optische System Licht empfangen und aussenden kann; je höher die NA, desto größer der erfassbare Lichtwinkelbereich und desto feinere Strukturen kann das Objektiv auflösen. Theoretisch ist die Lithografieauflösung (die kleinste erkennbare Strukturgröße) umgekehrt proportional zur NA, sodass eine höhere NA eine feinere Strukturierung der Chips ermöglicht.
Bereits in den frühen 1990er Jahren, zu Beginn der EUV-Lithografieforschung, untersuchten Wissenschaftler koaxiale optische Architekturen mit hoher NA, ähnlich dem Ansatz von Tsumoru Shintake, bei denen Maske, Projektionsobjektiv und Siliziumscheibe koaxial angeordnet sind. Diese koaxialen Strukturen sind einfach, aber die damaligen Forscher konnten die mit steigender NA zunehmenden Bildverzerrungen, Unschärfen und verschiedenen optischen Fehler nicht lösen.
Um diese Probleme zu überwinden, versuchte Tsumoru Shintake zunächst, ein Paar konvexer und konkaver Spiegel als Projektionsobjektiv zu verwenden. Nach iterativer Optimierung entwickelte er schließlich eine zweistufige optische Struktur, bei der jede Stufe mit einem konvex-konkaven Spiegelpaar ausgestattet ist.
Die ersten Simulationsergebnisse waren nicht zufriedenstellend. Er entdeckte jedoch, dass präzise angeordnete Mehrfachspiegel durch mehrfache Lichtreflexionen verschiedene optische Abweichungen ausgleichen können, während die hohe NA-Leistung erhalten bleibt. Nach monatelangen umfangreichen Berechnungen mit der optischen Simulationssoftware OpTaliX bestimmte er die ideale Krümmung und Positionierung der Spiegel, um eine hohe NA bei gleichzeitig guter Bildqualität zu erreichen.
Auf dem Weg zur skalierbaren Halbleiter-Massenproduktion
Wie bei allen Forschungsprojekten gibt es auch bei diesem Ansatz Einschränkungen: Die Simulation ging von Spiegeln mit 100 % Reflexionsvermögen und ohne Defekte aus. Der Übergang vom Simulationsmodell zu einem physischen Gerät erfordert umfangreiche technische Optimierungen. Der Bau eines physischen Prototyps ist der nächste zentrale Schritt des Teams. Die Forschungsgruppe hat bereits mit der Entwicklung von EUV-Hardware begonnen, mit dem Ziel, kostengünstige, leistungsstarke EUV-Lithografieanlagen zu bauen.
Tsumoru Shintake fasste zusammen: „Dieser Ansatz kann die Struktur von High-NA-Geräten erheblich vereinfachen und die Herstellungskosten senken, was neue Entwicklungsmöglichkeiten für die Halbleiterfertigung eröffnet. Wir sind in der Lage, Lithografiesysteme zu entwickeln, die nur ein Viertel der Kosten aktueller kommerzieller Geräte verursachen. Mit einer höheren Lithografiegenauigkeit können wir Speicherchips mit höherer Integrationsdichte und Logikchips mit besserer Energieeffizienz herstellen. Diese Technologie könnte einen disruptiven gesellschaftlichen Wert schaffen, Rechenzentren und die nächste Generation der KI-Industrie unterstützen und dafür sorgen, dass elektronische Produkte schneller rechnen, weniger Energie verbrauchen und die langfristigen Nutzungskosten sinken.“
Dieser Artikel wurde von Wedoany übersetzt und bearbeitet. Bei jeglicher Zitierung oder Nutzung durch künstliche Intelligenz (KI) ist die Quellenangabe „Wedoany“ zwingend vorgeschrieben. Sollten Urheberrechtsverletzungen oder andere Probleme vorliegen, bitten wir Sie, uns unverzüglich zu benachrichtigen. Wir werden den entsprechenden Inhalt umgehend anpassen oder löschen.
E-Mail: news@wedoany.com
