Schaltkreise stempeln

News: Schaltkreise stempeln

Noch fertigt die Halbleiterindustrie ihre Chips in vielen aufwändigen Prozessschritten. Mit einem raffinierten Stempelverfahren scheint es nicht nur deutlich schneller zu funktionieren, es werden auch viel kleinere Strukturgrößen möglich.

Thorsten Krome

Mit dem Moore'schen Gesetz hat sich die Halbleiterindustrie selbst die Messlatte hoch gesetzt: Denn als Gordon Moore – ein Mitbegründer des Chipherstellers Intel – im Jahr 1965 feststellte, dass sich die Dichte an Transistoren in einem Prozessor alle 18 Monate verdoppelt, kamen Unternehmensplaner und Strategen schnell auf den Plan, dies auch als Ziel für die Zukunft anzuvisieren.

Das ging nun auch mehr als dreißig Jahre lang gut, doch so langsam ist ein Ende abzusehen. Denn herkömmliche Techniken zur Chipherstellung stoßen bereits an ihre physikalischen Grenzen. So sind photolithographische Methoden, bei denen eine Lackschicht auf dem Halbleitermaterial durch eine Maske belichtet wird, durch die Wellenlänge des verwendeten Lichts begrenzt. Viel kleiner lassen sich die Strukturen selbst mit allerlei Tricks nicht fabrizieren – zumindest dann nicht, wenn es um Massenproduktion geht. Müssen sich die Entwicklungsabteilungen der Chiphersteller also langsam von dem ungebremsten Miniaturisierungsdrang der letzten Jahrzehnte verabschieden?

Nicht unbedingt, denn drei Wissenschaftler der Princeton University haben eine Methode entwickelt, mit der sich die Transistordichte und damit die Leistungsfähigkeit eines Prozessors vermutlich um das Hundertfache vergrößern ließe. Obendrein ist das Verfahren sogar vergleichsweise einfach und erlaubt es so, die winzigen Strukturen innerhalb von 250 Nanosekunden ins Material zu bringen. Zum Vergleich: Typische Ätzprozesse, die auf den Belichtungs- und Entwicklungsvorgang bei herkömmlichen Fertigungsprozessen folgen, benötigen zwischen zehn und 20 Minuten pro Chip.

Dabei greift im Prinzip die Methode von Stephen Chou, Chris Keimel und Jian Gu eine Jahrtausende alte Idee auf: Ein strukturierter Stempel drückt in butterweiches Material. Dort lässt man ihn kurz verweilen, bis das Material ausgehärtet ist und der Stempel entfernt werden kann – wie bei einem Siegel also.

Im Detail ist das Verfahren sicherlich etwas komplizierter, aber lange nicht so umständlich wie bisherige Methoden: Der Stempel von Chou und seinen Kollegen besteht aus durchsichtigem Quarz, der allerdings zuvor tatsächlich mit herkömmlicher Ätztechnik bearbeitet werden muss. Dafür lässt er sich aber auch mehrfach verwenden. Dieser Quarzstempel wird nun gegen ein Silicium-Substrat gepresst, das zu formen ist, wobei gleichzeitig ein 20 Nanosekunden kurzer Laserblitz eines so genannten Excimer-Lasers den Halbleiter an der Oberfläche anschmilzt.

Praktischerweise gibt das Reflexionsvermögen der Siliciumschicht Aufschluss darüber, wie weich das Material noch ist. So fanden die Wissenschaftler mit entsprechenden Messungen durch den transparenten Quarzkristall hindurch heraus, dass die Schicht nach etwa 200 Nanosekunden ausgehärtet war. Jetzt konnten sie den Stempel einfach wieder abziehen, und da Silicium nicht an Quarz haftet, blieb die strukturierte Oberfläche des Halbleiters zurück.

Und deren Merkmale sind vielversprechend: Etwa 140 Nanometer breite Miniaturbarren aus Silicium mit zehn Nanometer breiten Graten an der Spitze ließen sich so pressen. Chou schätzt, dass in drei Jahren der Prototyp einer Maschine zu entwickeln wäre, die solche Strukturen in Serie hervorbringt. So könnte die Stempel-Technik die Halbleiterindustrie wieder auf den Moore'schen Kurs bringen. Dabei ließe sich der Prozess seiner Meinung nach sogar noch beschleunigen. Für die Umwelt wäre die neue Herstellungsmethode ohnehin schon ein Gewinn, denn schließlich ließen sich Unmengen an Chemikalien einsparen, die bislang für die chemischen Prozessschritte benötigt werden.