Röntgenlampen für die Herstellung von Halbleiterchips

Ein bundesweiter Forschungsverbund unter Leitung der Universität Würzburg arbeitet derzeit an der Entwicklung von speziellen Röntgenlampen für die Produktion von Halbleiterchips, auf denen so viele Schalt- und Speicherelemente Platz finden sollen wie noch nie zuvor.

Bei der Herstellung von Prozessoren kommt es in erster Linie auf die Quantität der auf der Oberfläche aufgebrachten Bauelemente an. Bei der industriellen Fertigung wird zunächst ein großflächiges Muster der gewünschten Struktur hergestellt. Dieses wird dann optisch verkleinert auf einem mit Fotolack überzogenes Halbleiterscheibchen abgebildet. Nach verschiedenen solchen Belichtungs-, Aufdampf- und Ätzschritten entsteht so der vom Konstrukteur entworfene Chip.

Dabei hängt die Feinheit der erreichbaren Strukturierung von der Qualität der optischen Abbildung ab. Aus physikalischen Gründen ist die kleinstmögliche Struktur durch die Wellenlänge des verwendeten Lichts festgelegt. Daher werden für die Belichtung heutzutage Ultraviolettlaser mit den kürzestmöglichen Wellenlängen verwendet.

Zur Zeit rüsten die Chiphersteller ihre Belichtungsapparaturen auf Fluor-Laser um, die bei einer Wellenlänge von 157 Nanometern arbeiten, wobei ein Nanometer einem Milliardstel Meter entspricht. „Diese Wellenlänge erlaubt die Herstellung von etwa 100 Nanometer großen Strukturen“, so der Würzburger Physiker Hansheinrich Langhoff. Anders gesagt: Auf einen Chip passen in diesem Fall ungefähr eine Milliarde Schalt- beziehungsweise Speicherelemente.

Für die nächste Chip-Generation mit noch feineren Strukturen benötigt man Belichtungsapparaturen für noch kleinere Wellenlängen. Dabei treten laut Langhoff zwei Probleme auf: Zum einen gibt es keine Linsen für die Abbildung in diesem Wellenlängenbereich. Jedoch sei es in letzter Zeit gelungen, dielektrische Spiegel herzustellen, die in einem schmalen Wellenlängenbereich um 13 Nanometer, dem so genannten extremen Ultraviolett- oder weichen Röntgenbereich, gut reflektieren und so hochwertige optische Abbildungen ermöglichen.

Das zweite, entscheidende Problem ist die Verfügbarkeit einer intensiven Lichtquelle für die Belichtung. Da es für diese Wellenlänge keine Laser gibt, kommt nur eine Röntgenlampe mit einer extrem heißen und dichten, punktförmigen Plasmaquelle in Frage. Diese muss Eigenschaften aufweisen, wie sie etwa im Inneren der Sonne vorliegen.

Eine solche Röntgenlampe will der bundesweite Forscherverbund entwickeln. Die Aufgabe der Arbeitsgruppe von Langhoff besteht darin, das heiße Plasma in einer speziellen Hochstrom-Gasentladung zu erzeugen. Dazu wird ein Stromimpuls von rund 100.000 Ampere durch eine
enge, gasgefüllte Kapillare geschickt. Die dabei auftretenden magnetischen Kräfte bewirken, dass sich der Strom zu einem dünnen, heißen Faden zusammenzieht. Wird die Kapillare mit Sauerstoff oder Xenon gefüllt, dann entsteht eine intensive Strahlung mit der gewünschten Wellenlänge von 13 Nanometern.

„Dabei ist die Konkurrenz mit anderen Industrienationen, vor allem den USA, gewaltig. Die Industrie rechnet damit, dass diese neuen Belichtungsmaschinen in etwa drei Jahren einsatzbereit sind. Theoretisch könnte die Zahl der Speicherelemente auf einem Chip damit nochmal um den Faktor 100 erhöht werden“, erklärte Langhoff.

Das Würzburger Projekt wird vom Bundesministerium für Bildung und Forschung unterstützt.

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Kontakt:
Prof. Dr. Hansheinrich Langhoff, Tel.: 0931/8885739