High-NA-EUV-Lithografie Die nächste Revolution in der Chipfertigung

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Die Halbleiterindustrie kennt keinen Stillstand. High-NA-EUV, die neueste Generation fortschrittlicher Lithografie mit kritischen Komponenten aus Deutschland, steht gerade im Zentrum einer geopolitischen Kontroverse.

Lithografie – das Drucken winziger Muster auf Silizium mit Licht – ist ein grundlegender Schritt in der Massenproduktion von Mikrochips und ein zentraler Punkt im globalen Wettlauf um die leistungsstärksten Prozessoren für KI.

Lithografie-Anlagen projizieren Schaltkreismuster für Chips auf Siliziumscheiben. Je höher ihre Präzision – je schärfer die Kanten und geringer die Abweichungen, – desto feinere und komplexere Chip-Architekturen lassen sich auf den Wafern abbilden und desto dichter gepackt dürfen die Schaltkreise werden.

Die EUV-Lithografie (Extreme Ultraviolet Lithography), das vorherrschende Verfahren der modernen Halbleiterindustrie, nutzt ultraviolettes Licht mit einer extrem kurzen Wellenlänge. High-NA EUV-Lithografie (High Numerical Aperture Extreme UltraViolet) legt noch einmal einen drauf: Sie reduziert die kritische Dimension (kurz: CD für Critical Dimension in der Rayleigh-Kriterium-Gleichung), also die kleinste druckbare Strukturgröße, von 13,5 nm auf 8 nm. Diese Metrik ist eine Funktion der Wellenlänge des Lichtes (λ), der numerischen Apertur (NA) der Optik und des k1-Faktors, der seinerseits von einer Reihe prozesstechnischer Parameter abhängt.

Die numerische Apertur ist ein Maß für die Fähigkeit eines optischen Systems, Licht zu sammeln und zu fokussieren. Sie bestimmt im Endeffekt die Auflösung.

High-NA-EUV-Lithografie arbeitet mit einer numerischen Apertur (NA) von 0,55 statt 0,33 wie im Falle herkömmlicher EUV-Systeme. Daraus ergibt sich eine fast 70-prozentige Steigerung der Abbildungsleistung, da die Auflösung in der Lithografie grob proportional zur NA ist. Diese Verkleinerung beruht im Wesentlichen auf einem komplexeren Spiegelsystem, das einen größeren Einfallswinkel des EUV-Lichts zulässt und so eine höhere Abbildungsgenauigkeit erzielen kann.

In der Praxis eröffnen sich damit neue Möglichkeiten, pro Chip mehr Transistoren und damit mehr Rechenleistung unterzubringen. Gleichzeitig steigen allerdings auch die Anforderungen an die Reinraumumgebung, die Präzision der mechanischen Komponenten sowie die Genauigkeit der Masken, weil sich bereits kleinste Verzerrungen oder Verunreinigungen unmittelbar auf die Abbildungsqualität auswirken können.

Mit High-NA EUV-Lithografie können Chipproduzenten Transistoren drucken, die knapp 1,7-mal kleiner sind und um den Faktor 2,9-mal höhere Packungsdichte aufweisen, als dies mit reiner EUV-Lithografie möglich ist. In der Praxis hängt das tatsächliche Skalierungspotenzial allerdings auch von weiteren Faktoren ab, darunter von Prozessoptimierungen, der Verfügbarkeit passender Maskentechnologien oder den Eigenschaften der verwendeten Fotolacke.

Die verbesserte Präzision ermöglicht eine höhere Ausbeute in der Fertigung und einen niedrigeren Energieverbrauch der resultierenden Halbleiter – ein doppelter Gewinn für die Foundry. Kein Wunder, dass der Markt für Lithografie so stark umkämpft ist. Hauen und Stechen sind momentan das Gebot der Stunde.

Erst mit der High-NA-EUV-Lithografie werden Prozessknoten der Ångström-Ära möglich – und erhebliche Leistungssteigerungen, in erster Reihe für Anwendungen der Künstlichen Intelligenz und Hochleistungsrechnen.

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Ångst(röm) und Bange

Um die Versorgung mit KI-Chips herrscht in der Wirtschaft „Ångst“ und Bange. Unternehmen fürchten um ihre Innovationsfähigkeit, die Entwicklung der Energiekosten für den Betrieb von großen KI-Modellen und langfristige Versorgungssicherheit, nicht zuletzt im Lichte der geplanten Novelle des Lieferkettengesetzes. Regierungen sorgen sich um die nationale Sicherheit, Verbraucher um eine drohende Preisspirale, Lieferverzögerungen und -Engpässe.

Chip-Architekturen für die KI gibt es wie Sand am Meer, aber relevante Fertigungsdienstleister kann man an einer Hand abzählen. Für die Versorgung mit High-NA EUV-Anlagen steht allen Chip-Fabrikanten genau eine einzige Bezugsquelle zur Verfügung: ASML, ein global führender Hersteller von Lithografiesystemen aus dem niederländischen Veldhoven (Region Brainport Eindhoven).

Die allererste Lieferung eines High-NA EUV-Systems, des TWINSCAN EXE:5000 von ASML, hat Intels Sparte Foundry Services für ihr D1X-Testwerk im U.S.-Bundesstaat Oregon gesichert; die Anlage durchläuft gerade ihre abschließende Kalibrierung. Als langjähriger strategischer Partner von ASML konnte Intel Vorzugsrechte ausüben.

Der Transport vom ASML-Hauptsitz in den Niederlanden zum Gordon Wharf Park von Intel in Oregon bedurfte mehr als 250 Transportkisten, die in mehreren Frachtflugzeugen sowie auf 20 Sattelzügen verladen wurden, verteilt auf 43 Frachtcontainer. So massiv ist die Anlage.

Die marktführende Foundry TSMC (globaler Marktanteil: 61,7 Prozent) dürfte frühestens einige Monate später zum Zuge gekommen sein, hat dies jedoch bisher weder dementiert noch bestätigt. Ob es sich genau wie bei Intel auch um ASMLs TWINSCAN EXE:5000 oder eine spätere Ausführung wie die EXE:5200 handelt, ist ebenfalls unklar. Aufgrund der höheren Stückzahlen bräuchte TSMC eigentlich eine „aufgebohrte“ Variante des Scanners, um das beabsichtigte Produktionsvolumen erreichen zu können.

Nach bisherigem Kenntnisstand hat TSMC offizielle Pläne für den beabsichtigten Einsatz von High-NA-EUV-Lithografie in einer künftigen Prozessgeneration geschürt, wobei man allgemein davon ausgeht, dass dies frühestens ab dem 2-nm-Knoten („N2“) oder einer darauffolgenden Weiterentwicklung geschehen kann („im Laufe der zweiten Hälfte“ des aktuellen Jahrzehnts wohlgemerkt). Genauere Angaben zum konkreten Zeitplan und Prozessnamen hat TSMC bislang nicht veröffentlicht.

Da High-NA bei EUV auf eine deutlich höhere numerische Apertur setzt, ist die Halbleiterfertigung mit solchen Scannern ausgesprochen komplex und mit erheblichem Investitions- und Entwicklungsaufwand verbunden. Dementsprechend bleibt TSMC bei der Kommunikation vorsichtig und betont, dass solche Umstellungen auf neue Lithografie-Generationen präzise vorbereitet werden müssten, ehe sie in der Massenproduktion zum Einsatz kommen.

Auch Samsung hat an der Technologie unmittelbares Interesse bekundet. Nicht ohne guten Grund: TSMC soll sich geweigert haben, für Samsung zu fertigen — sei es aus Sorge um mögliche Folgen eines Wissenstransfers an den aufkommenden Rivalen oder aus anderen nicht näher genannten Gründen. Samsung, die globale Nummer Zwei der Auftragsfertigung, bringt es im globalen Maßstab auf einen ganz ansehnlichen Marktanteil von immerhin 11 Prozent. Zum Vergleich: Der jüngste Neuzugang zu der kapitalintensiven Halbleiterfertigung, Intel Foundry Services, kann gerade einmal zwei Prozent der weltweiten Umsätze für sich verbuchen.

Intel hat aber zumindest einen technologischen Vorsprung ausgearbeitet. Das Unternehmen tüftelt bereits unter Hochdruck an der Einführung der High-NA-EUV-Lithografie in einem eigenen 14A-Prozess.

Chips der Intel-Serie Clearwater Forest sind auf dem 18A-Knoten bereits in Produktion und sollen schnellstmöglich auf den 14A-Knoten umgestellt werden. Nach aktuellem Kenntnisstand verbergen sich hinter dem geheimnisvollen Codenamen, Clearwater Forest, Intels Rechenzentrumsprozessoren in der „E-Core“-Architektur (Efficiency Cores) für großskalige Datenverarbeitung, Künstliche Intelligenz und maschinelles Lernen, also Server- und Cloud-Workloads. Laut Angaben von Intel soll diese Prozessorarchitektur eine hohe Rechendichte mit reduziertem Energieverbrauch unter einen Hut bringen.

Intel hat außerdem einen Vertrag mit Microsoft über die Fertigung kundenspezifischer Chips (Stichwort: Custom Silicon) auf dem 14A-Knoten abgeschlossen. Die Chips sollen KI-beschleunigte Arbeitslasten auf Microsoft Azure ausführen und kryptografische Sicherheit bereitstellen.

Bis zum Jahre 2030 wollte Intel, mit Zuschüssen aus den Chips Act-Initiativen auf beiden Seiten des Atlantiks, als zweitgrößte Foundry der Welt zu TSMC aufschließen. Nach enttäuschenden Quartalsergebnissen Mitte des vergangenen Jahres hat man sich bei Intel entschieden, die geplanten Investitionen in neue Chipfabriken für den Zwei-Nanometer-Knoten in Deutschland und Polen um etwa zwei Jahre aufzuschieben – offenbar hatte man Ångst vor der eigenen Courage.

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Im Reinraum: rein und raus!

In der Halbleiterfertigung spricht man bei den neuesten Lithografiesystemen von einem „Scanner“, weil das Verfahren nicht einfach nur ein einmaliges Belichten oder „Abbilden“ darstellt. Stattdessen wird das Abbild der Strukturen – die auf einer Maske namens Reticle liegen – durch einen schmalen Lichtschlitz hindurch abgetastet und in synchroner Bewegung auf den Wafer projiziert.

Bei älteren „Stepper“-Systemen wurde die Maske ohne diesen kontinuierlichen Scan-Vorgang schrittweise auf verschiedene Bereiche der Waferoberfläche belichtet. Aktuelle High-NA-EUV-Scanner kombinieren im Gegensatz dazu hochpräzise Bewegungssteuerungen für die Retikel- und Waferbühne mit einem extrem fokussierten EUV-Lichtstrahl, um die Belichtungsfläche Zeile für Zeile abzutasten. Auf diese Weise lässt sich über die gesamte Waferoberfläche hinweg eine bessere Fokussierung und Ausleuchtung erzielen, was für besonders enge Strukturbreiten und eine hohe Reproduzierbarkeit der Chips eine entscheidende Rolle spielt. Das Wort „Scanner“ bezieht sich also auf den kontrollierten, kontinuierlichen Bewegungsablauf, mit dem die Maskeninformationen auf das Silizium übertragen werden.

Ein High-NA-EUV-Scanner nutzt in seinem Inneren hochpräzise Projektionsoptiken und leistungsstarke Laserstrahlen, um Schaltkreismuster in bisher unerreichter Auflösung auf Siliziumscheiben abzubilden. Dieses technische Schwergewicht, so groß wie ein Doppeldeckerbus und mit einem Gesamtgewicht in der Größenordnung eines Blauwals, kann dank der höheren numerischen Apertur feinere Strukturen belichten und mehr Transistoren pro Fläche unterbringen, als dies jemals möglich war. Damit verbunden ist jedoch eine hochkomplexe Mechanik, die im Zusammenspiel mit extrem anspruchsvollen Reinraumbedingungen ein präzises Zusammenspiel von Spiegeln, Linsen und Laserstrahlen auf den Plan ruft.

Die wuchtige Anlage beansprucht in der Fertigungshalle insgesamt drei Stockwerke. Der Laser ist stark genug, um Stahl zu durchtrennen. Ein Strahlführungssystem leitet die hochenergetischen Pulse zur Maschine, wo sie auf winzige, lediglich ein Drittel so breite Zinntropfen treffen wie ein durchschnittliches Menschenhaar. Bei einer Frequenz von 50.000 Laserpulsen pro Sekunde verwandelt sich das Zinn in heißes Plasma, das Licht im extrem ultravioletten Bereich emittiert. Ein Kollektorspiegel sammelt dieses EUV-Licht und leitet es zu einem Scanner, wo es über besonders präzise Spiegel abgelenkt und zu einem schmalen Schlitz geformt wird.

Die entscheidende Komponente für die verbesserte Auflösung ist die Projektionsoptik. Die höhere NA machte den Einsatz größerer Spiegel unabdingbar.

Das Unternehmen Carl Zeiss SMT aus Oberkochen liefert die hochpräzisen Optikmodule. Für die High-NA-Technologie werden in diesen Modulen extrem flache Spiegel eingesetzt, deren Abweichung von der Idealform selbst im atomaren Bereich kaum messbar ist. Ohne diese präzisen Spiegel ließe sich die höhere numerische Apertur (NA) nicht realisieren, die das Herzstück der neuen Scanner darstellt.

Die Dickenschwankung der größten Spiegeloberfläche, wenn man sie über eine Oberfläche in der Größenordnung der gesamten Erde spannen würde, wäre immer noch dünner als eine Spielkarte, hat Steve Carson von Intel vorgerechnet.

Eine weitere Herausforderung bestand darin, dass die größeren Spiegel ja auch den Winkel vergrößern, mit dem das Licht auf die Retikel trifft, die das Muster zum Drucken enthalten. Bei diesem größeren Winkel verliert das Retikel seine Reflexionseigenschaften, wodurch das Muster nicht auf den Wafer übertragen werden kann. Dieses Problem hätte durch eine 8-fache Verkleinerung des Musters anstelle der 4-fachen Verkleinerung in den NXE-Systemen gelöst werden können, aber das hätte die Halbleiterhersteller dazu gezwungen, auf größere Retikel umzuschwenken.

Stattdessen verwendet das EXE-System eine bahnbrechende Lösung: anamorphe Optiken. Anstatt das zu druckende Muster gleichmäßig zu verkleinern, skalieren die Spiegel das Muster in einer Richtung um den Faktor vier und in der anderen Richtung um den Faktor acht. Diese Lösung reduziert den Winkel, mit dem das Licht auf das Retikel trifft, und verhindert das Reflexionsproblem. Wichtiger noch: Sie minimiert auch die Auswirkungen der neuen Technologie auf das Halbleiter-Ökosystem, indem sie es den Halbleiterherstellern ermöglicht, weiterhin traditionell dimensionierte Retikel zu verwenden — ein Sieg auf ganzer Linie also.

Auch bei der Laserquelle liefern deutsche Unternehmen kritische Systemkomponenten. So ist etwa die Elektroniksparte von Trumpf (mit Sitz in Freiburg und in Zielonka nahe Warschau) an der Entwicklung leistungsstarker CO₂-Laser beteiligt, die das Zinnplasma zur Erzeugung des EUV-Lichts anregen. Diese Laser müssen eine enorm hohe Pulsfrequenz und Energieeffizienz aufweisen, um im Dauerbetrieb eines Großserien-Fertigungsprozesses zu bestehen. Die auftreffenden Laserpulse erreichen im Plasma annähernd 220.000 °C, das Vierzigfache der Temperatur, von der man bei der Sonnenoberfläche ausgeht.

Die Innovationskraft deutscher Lieferanten erstreckt sich zudem auf Bereiche wie die hochpräzise Antriebstechnik, die metrologischen Systeme zur genauen Ausrichtung von Wafer und Retikel und verschiedene Spezialmaterialien, die sowohl in den Spiegeln als auch in mechanischen Komponenten zum Einsatz kommen.

Insgesamt sind in den Scannern über tausend mechanische Verbindungen erforderlich. Damit trägt Deutschland wesentliche Elemente bei, die High-NA-EUV erst funktionsfähig und marktreif machen. Dank der verringerten Zahl an Prozessschritten in der Hochvolumenfertigung profitieren die Halbleiterhersteller von einem deutlichen Rückgang potenzieller Defekte, geringeren Produktionskosten und verkürzten Durchlaufzeiten.

Spannungsfeld Lithografie

Die neuesten US-Regulierungen für den Export von KI-Chips, die in den nächsten 120 Tagen in Kraft treten, teilen die Welt in drei Kategorien ein: 18 designierte „Partnerstaaten“, „feindliche Länder“ und den „Rest der Welt“. Partnerstaaten, zu denen neben Deutschland unter anderem auch Frankreich und Italien zählen, können die neuesten KI-Chips ohne Einschränkungen kaufen. Für „Feindliche Länder“ (diese Klassifizierung erhielten Russland, Nordkorea und China) gilt ein Importverbot von KI-Chips. Länder in der Kategorie „Rest der Welt“ haben eingeschränkten Zugang.

Die Regulierung sieht für die Kategorie „Rest der Welt“ im Wesentlichen vor, dass bestimmte Hochleistungsprozessoren und Beschleuniger, die zuvor frei gehandelt werden konnten, nur noch mit einer speziellen Lizenz aus den USA exportiert werden dürfen. Die US-Behörden überprüfen hierfür in jedem Einzelfall, ob die angefragten Chips – etwa aufgrund ihrer Rechenleistung, ihrer Speicherbandbreite, der Anzahl der Tensor- oder GPU-Kerne oder anderer Kenngrößen – in den Bereich der Hochleistungs-KI fallen. Übersteigt ein Chip oder ein komplettes System bestimmte Schwellenwerte, besteht eine grundsätzliche Annahme der Unzulässigkeit (im O-Ton: „Presumption of Denial“), es sei denn, der Ausführer kann triftige Gründe für eine Ausnahmegenehmigung vorlegen.

Typischerweise orientieren sich diese Schwellen an der Fähigkeit der Chips, hochkomplexe KI-Berechnungen auszuführen, etwa beim Training großer Sprach- oder Bildmodelle. Auch das Risiko einer möglichen militärischen oder sicherheitsrelevanten Verwendung spielt in der Einzelfallprüfung eine Rolle. In der Praxis bedeutet dies für die meisten „restlichen“ Länder, dass sie eventuell auf leistungsschwächere Alternativen oder angepasste leistungsbeschränkte Varianten der Prozessoren zurückgreifen müssen.

Der Zugang zu modernster Lithografietechnologie ist in China bereits seit geraumer Zeit streng limitiert. ASML, der weltweit führende Hersteller von EUV-Lithografiescannern, hat beispielsweise seit 2019 keine EUV-Systeme mehr an chinesische Kunden ausgeliefert. Grund dafür sind zum Teil auch Exportkontrollen, von der niederländischen Regierung selbst in Form von Genehmigungsverfahren (für Halbleiter im Bereich 7 Nanometer und darunter) verhängt wurden. Stattdessen dürfen lediglich weniger leistungsfähige DUV-Systeme (Deep Ultraviolet) an Kunden in den betroffenen Ländern verkauft werden. Diese Anlagen hantieren mit einer Wellenlänge von 193 nm (statt 13,5 bei EUV) und erreichen eine Critical Dimension von gerade einmal 30nm.

Auftragsfertiger in der Volksrepublik China müssen mit älteren Lithografiemaschinen arbeiten, was ihre Wettbewerbsfähigkeit gegenüber westlichen und taiwanischen Unternehmen in gewissem Maße beschränkt und die diplomatischen Beziehungen belastet. Die hochkomplexe politische Dimension wirft ihren Schatten über volatile Handelsbeziehungen auf die gesamte globale Wirtschaft.

Fazit

High-NA-EUV-Lithografie wird die gesamte Halbleiterbranche in den kommenden Jahren maßgeblich prägen. Mit einer numerischen Apertur von 0,55 im Vergleich zu den bisherigen 0,33 bei Standard-EUV rücken deutlich feinere Strukturgrößen in greifbare Nähe, was langfristig mehr Transistoren pro Fläche und damit höhere Chipdichten – zur Fortführung von Moores Law – ermöglicht.

Allerdings erfordert die Umsetzung der High-NA-Technologie erhebliche Investitionen und noch anspruchsvollere Produktionsbedingungen, unter anderem durch hochpräzise Spiegel, komplexe Vakuum- und Stage-Systeme sowie spezielle Photoresists. Die Lieferkette wird dadurch enger abgestimmt, und Zulieferer, die Schlüsselkomponenten beisteuern, werden weiter an Bedeutung gewinnen.

Deutsche Unternehmen spielen in der Entwicklung und Herstellung von High-NA-EUV-Lithografiesystemen eine zentrale Rolle. Entscheidende Schlüsselkomponenten stammen aus deutscher Fertigung. (mbf)

* Anna Kobylinska und Filipe Pereia Martins arbeiten für McKinley Denali, Inc., USA.

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