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Deutscher Zukunftspreis: Die Mikrochips von morgen

Team1:Leistungsfähig, energieeffizient & kostengünstig

Deutscher Zukunftspreis – Chip-Technologie - das war in der Vergangenheit die Domäne von Nordamerika und Asien. Doch das hat sich zuletzt etwas geändert. Denn deutsche Innovatoren sorgen hier derzeit kräftig für Schwung in diesem hart umkämpften Markt. Kein Wunder, dass sie jetzt als Team 1 für den Deutschen Zukunftspreis, den Preis des Bundespräsidenten für Technik und Innovation, nominiert worden sind.

Smart Home, Smart Factory, lernfähige Roboter und autonome Fahrzeuge: Neue Anwendungen der Informationstechnik und Systeme mit Künstlicher Intelligenz (KI) erzeugen immer mehr Daten, die gleichzeitig immer schneller verarbeitet werden müssen. Um den enormen Datenhunger zu stillen, sind Mikrochips erforderlich, deren Leistungsfähigkeit weit über das bisher Mögliche hinausreicht – und die sich mit herkömmlicher Technik nicht herstellen lassen. Diese Hürde haben die Nominierten zusammen mit ihren Kollegen überwunden: durch die Entwicklung der EUV-Lithographie – einer innovativen Technologie, die auf ultraviolettem Licht basiert.

Dr. rer. nat. Peter Kürz, Dr. rer. nat. Michael Kösters und Dr. rer. nat. Sergiy Yulin haben einen wesentlichen Beitrag zur Entwicklung und Industrialisierung einer Technologie geleistet, mit der sich mikroelektronische Bauteile mit extrem feinen Strukturen fertigen lassen – die Voraussetzung für viele neue Anwendungen und einen kräftigen Schub bei der Leistungsfähigkeit der Informationstechnik (IT). Dazu setzten die drei Forscher zusammen mit über 2000 Entwicklungskollegen in ihren Unternehmen und in Zusammenarbeit mit ASML auf die in der Chipfertigung seit Jahrzehnten etablierte Methode der optischen Lithographie und machten diese fit für die Nutzung von Licht im extremen Ultraviolett (EUV).

Die neue Chip-Generation

Gegenüber der bisher etablierten Lithographie lassen sich mit der EUV-Lithographie wesentlich kleinere Strukturen erzeugen, in der Größenordnung von wenigen Nanometern (millionstel Millimetern) – das entspricht etwa einem Zehntausendstel der Dicke eines menschlichen Haars. Dazu musste das nominierte Team die Grenzen des technisch Machbaren drastisch verschieben – was den Forschern unter anderem durch ein neuartiges optisches System und eine Lasertechnik der Extraklasse gelang.

Peter Kürz ist als Vice President im Geschäftsbereich EUV High-NA bei ZEISS Semiconductor Manufacturing Technology in Oberkochen verantwortlich für Entwicklung und Produkteinführung der nächsten Generation von EUV-Optiken, Michael Kösters ist bei TRUMPF Lasersystems for Semiconductor Manufacturing in Ditzingen als Gruppenleiter mitverantwortlich für die Entwicklung des Hochleistungslasers, der die Erzeugung des EUV-Lichts ermöglicht, Sergiy Yulin ist Senior Principal Scientist am Fraunhofer Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF in Jena, wo er für die Entwicklung der EUV-Optiken verantwortlich ist.

Grenzen des Mooreschen Gesetzes überspringen

Das Potenzial der Mikroelektronik hängt vor allem davon ab, wie viele Transistoren auf einer bestimmten Fläche gepackt sind. Diese Packungsdichte hat sich in den letzten 50 Jahren etwa alle zwei Jahre verdoppelt – eine rasante technologische Entwicklung, die als „Mooresches Gesetz“ bekannt ist, benannt nach dem Mitgründer der Firma Intel, Gordon Moore. Die Voraussetzung war eine stetige Verbesserung der optischen Lithographie – eines Verfahrens, mit dem sich elektronische Strukturen mithilfe von Licht stark verkleinert abbilden und hochpräzise in ein Halbleitermaterial wie Silizium übertragen lassen. Dabei gilt: Je kürzer die Wellenlänge des verwendeten Lichts, desto feinere Details können realisiert werden.

Allerdings: Das Verfahren stößt inzwischen an seine Grenzen. Denn Halbleiterstrukturen im Nanometer-Maßstab zu erzeugen, wie sie für viele innovative Anwendungen der IT notwendig sind, gelingt nur durch einen Sprung hin zu Licht im EUV-Bereich. Die Herausforderung dabei: Dieses Licht wird von Luft absorbiert, weshalb es sich nicht zum Einsatz in einer herkömmlichen Produktionsumgebung eignet. Zudem lässt es sich nicht, wie bislang in der optischen Lithografie üblich, durch Linsen formen und fokussieren.

Um dieses physikalische Problem zu umgehen, haben die Forscher bei ZEISS SMT ein lithographisches System entwickelt, das ausschließlich aus Spiegeln besteht – und an die Nutzung im Hochvakuum, also in einer Umgebung fast ohne Luftmoleküle, angepasst ist. Um es in der Chipfertigung mit kurzwelligem ultraviolettem Licht einsetzen zu können, müssen die einzelnen optischen Elemente enorm hohe Anforderungen erfüllen. Denn selbst winzige Verunreinigungen oder Unebenheiten würden die Funktionsfähigkeit des Systems stark beeinträchtigen. Zum Vergleich: Wäre ein Spiegel, wie er für die EUV-Lithographie gebraucht wird, so groß wie die Fläche Deutschlands, dürfte kein Hügel darauf höher sein als 0,1 Millimeter. Extrem sind auch die Anforderungen an die Spiegelschichten. Sie bestehen aus rund 100 Einzelschichten, die mit atomarer Präzision aufgebracht werden. Ein wichtiger Partner bei der Entwicklung dieser Schichtsysteme war das Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und Feinwerktechnik IOF.

Als Quelle für die EUV-Strahlung mit einer Wellenlänge von 13,5 Nanometern dient ein Plasma, das mithilfe von intensiven Laserpulsen in feinen Tröpfchen aus Zinn gezündet wird. Dafür hat ein Forscherteam bei TRUMPF den stärksten industriellen CO2-Laser der Welt entwickelt. Er liefert bei einer mittleren Leistung von 30 Kilowatt eine flexibel einstellbare Folge von Laserlichtblitzen. Je zwei davon treffen in sehr kurzem Abstand auf ein Tröpfchen. Der erste lässt es „aufquellen“, der zweite erzeugt mit voller Leistung das Plasma. Die große Herausforderung besteht hier in der zeitlichen und räumlichen Präzision, mit der die Pulse das Tröpfchen treffen müssen und in der Vermeidung von Rückkopplungseffekten vom Tröpfchen auf die Laserquelle.

Können mehr als 2000 Patente vor Produkt-Piraten schützen?

Zu einem Gesamtsystem integriert werden die einzelnen Bausteine beim niederländischen Unternehmen ASML, dem führenden Hersteller von Lithographie-Anlagen für die Chipproduktion. Dort werden – auf Basis weiterer ASML-Entwicklungen und des Bündels an Innovationen aus Deutschland – inzwischen die weltweit einzigen Geräte für die EUV-Lithographie hergestellt und ausgeliefert. Nach rund 20 Jahren gemeinsamer Forschung und Entwicklung ist die Technik ausgereift und in der Halbleiterindustrie einsetzbar. Bis Ende 2020 werden voraussichtlich rund 90 Maschinen ausgeliefert sein. Die beiden größten Hersteller von Mikrochips, Samsung aus Südkorea und TSMC aus Taiwan, nutzen sie bereits, um Logikchips der neuesten Generation zu produzieren. Der US-Chiphersteller Intel wird die EUV-Technologie in naher Zukunft einsetzen. Solche Chips sind zum Beispiel in einigen Top-Smartphones enthalten. In den nächsten Jahren soll die neue Fertigungstechnik außerdem zur Herstellung von Speicherchips eingesetzt werden.

Dadurch erschließt sich ein enormes wirtschaftliches Potenzial auf einem Markt mit globalen Umsätzen von jährlich etlichen Dutzend Milliarden Dollar. Davon werden nicht nur ZEISS und TRUMPF profitieren, wo durch die mit mehr als 2000 Patenten abgesicherte Entwicklung der EUV-Lithographie schon jetzt etliche Tausende hochwertige neue Arbeitsplätze entstanden sind – sondern auch ein großes Netz aus Unternehmen und Forschungseinrichtungen in Deutschland und Europa, die etwa als Zulieferer oder wissenschaftliche Partner daran beteiligt sind. Insgesamt ist die Innovation, die im Stadium der Grundlagenforschung 2007 schon einmal für den Deutschen Zukunftspreis nominiert war, ein Beispiel für die Stärke Deutschlands auf dem Gebiet der optischen Technologien. Und sie ist ein Sockel für die weiter fortschreitende Digitalisierung von Wirtschaft, Verkehr und Gesellschaft.

Welches der drei normierten Projekte die Jury am Ende überzeugen kann, entscheidet sich erst in einer letzten Sitzung am 25. November 2020. Bundespräsident Frank-Walter Steinmeier zeichnet dann am Abend in einer festlichen Veranstaltung die Preisträger mit den Deutschen Zukunftspreis 2020 aus.

Ein sicherer Kandidat für den Zukunftspreis - oder?
Vielleicht doch das Team 2 oder das Team 3?

Welches der drei normierten Projekte die Jury am Ende überzeugen kann, entscheidet sich erst in einer letzten Sitzung am 25. November 2020. Bundespräsident Frank-Walter Steinmeier zeichnet dann am Abend in einer festlichen Veranstaltung die Preisträger mit den Deutschen Zukunftspreis 2020 aus.

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Stifterverband für die Deutsche Wissenschaft e.V.
Geschäftsstelle Deutscher Zukunftspreis
Baedekerstraße 1
45128 Essen
T.: 0201 - 84 010



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Zukunftspreis des Bundespräsidenten
Quelle: Zukunftspreis
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Nominiert für den Zukunftspreis des Bundespräsidenten: Team 1EUV- Lithographie – neues Licht für das digitale Zeitalter (v.l.n.r.) 
Dr. rer. nat. Sergiy Yulin (Fraunhofer Institut IOF), Dr. rer. nat. Peter Kürz (Carl Zeiss) und Dr. rer. nat. Michael Kösters (TRUMPF)
Quelle: Zukunftspreis
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