Die Vereinigten Staaten setzen Kraft in die EUV-Lithografie ein.

Bei der Herstellung fortschrittlicher Chips ist die EUV-Lithografieanlage ein wichtiger Bestandteil, der nicht unerwähnt bleiben darf. Wenn man über EUV-Lithografie spricht, denkt man zuerst an ASML. Zwar ist ASML als führender Anbieter von Lithografieanlagen auf dem Markt nicht zu unterschätzen. Insbesondere bei der derzeit stark beachteten EUV-Lithografieanlage ist ASML bereits der einzige globale Anbieter geworden.

Tatsächlich darf die Stärke der USA bei der EUV-Lithografie auch nicht unterschätzt werden, da sie als Geburtsort der globalen Halbleiterindustrie gelten. Obwohl die USA keine EUV-Lithografieanlagen haben, wurde die Schlüsselkomponente, die Lichtquelle, von der von ASML übernommenen amerikanischen Firma Cymer entwickelt.

In den letzten Jahren haben die USA, da sie größere Erfolge bei der Chipherstellung erzielen möchten, auch mehr in die EUV-Lithografie investiert. Beispielsweise hat der amerikanische Chipriese Intel bereits viel in diesen Bereich investiert. Darüber hinaus hat die USA auch in die EUV-Forschung und andere Lithografiebereiche mehr investiert.

Investiert Milliarden in EUV-Lithografie

Die USA haben kürzlich angekündigt, dass ihr CHIPS for America Extreme Ultraviolet (EUV) Accelerator feierlich eröffnet wurde.

Im Dezember 2023 hat der US-Bundesstaat New York angekündigt, eine neue Partnerschaft im Wert von 1 Milliarde US-Dollar mit führenden Unternehmen der Halbleiterindustrie wie IBM, Micron, Applied Materials und Tokyo Electron einzugehen, um ein neues Forschungszentrum für die nächste Generation von Halbleitern am Albany Nanotech Complex von NY CREATES aufzubauen.

Dem Bericht zufolge wird diese öffentlich-private Partnerschaft die Errichtung eines Spitzen-High NA Extreme Ultraviolet Lithografie-Zentrums finanzieren – das erste und einzige öffentliche High NA EUV-Zentrum in Nordamerika –, das die Forschung und Entwicklung der weltweit komplexesten und leistungsfähigsten Halbleiter unterstützen wird. Neben der transformativen Investition in die Hauptstadtregion von New York wird diese Partnerschaft auch New York zum Standort der fortschrittlichsten öffentlichen Halbleiter-Forschungsinfrastruktur in den USA machen und das langfristige Wachstum der Technologiewirtschaft in New York unterstützen.

Um dieses Projekt zu unterstützen, hat der Bundesstaat New York 1 Milliarde US-Dollar in die Erweiterung des Albany Nanotech Centers investiert, indem er ein EXE:5200 High NA EUV-Scanner von ASML erworben hat, um ein High NA EUV-Zentrum aufzubauen, und eine NanoFab Reflection errichtet hat. Diese Fabrik ist ein neues, hochmodernes Gebäude mit über 50.000 Quadratfuß Reinraumfläche, das die Entwicklung zukünftiger Partner fördern und neue Projekte wie das National Semiconductor Technology Center, das National Advanced Packaging Manufacturing Program und das Department of Defense Microelectronics Commons unterstützen wird.

Die USA haben angegeben, dass der EUV-Accelerator sich auf die Entwicklung der fortschrittlichsten High NA EUV-Technologie und die dazugehörige Forschung und Entwicklung konzentrieren wird. Sie haben darauf hingewiesen, dass die EUV-Lithografie-Technologie bereits die Schlüsseltechnologie für die Massenproduktion von Transistoren über 7 Nanometern geworden ist, obwohl bei den 1,6-Nanometer- und 1,4-Nanometer-Prozessen immer noch High NA EUV für Prozesse unter 2 Nanometern verwendet wird. ASML hat angegeben, dass das Zentrum die Entwicklung von Prozessschritten für die Verwendung von EUV und High NA EUV für eine breitere Palette von Unternehmen unterstützen wird.

Insgesamt umfasst die Hauptfunktion dieses EUV-Accelerators Folgendes:

1. Verwendung von Spitzen-EUV-Lithografiewerkzeugen und Fähigkeiten für die nächste Generation der Forschung und Entwicklung, einschließlich High Numerical Aperture (NA) EUV-Systemen. Derzeit wird Standard NA EUV angeboten, und es wird erwartet, dass ab 2026 High NA EUV zur Verfügung steht.
2. Bereitstellung von Kooperationsräumen und Ressourcen für Partner aus der Industrie, der Wissenschaft und der Regierung, um die technologische Innovation voranzutreiben.
3. Ein spezielles Natcast-Büro vor Ort und Mitarbeiter, die die Forscher von Natcast und NSTC unterstützen. Unterstützung von Programmen zur Bereitstellung, Förderung und Entwicklung von Fachkräften.
4. Förderung der breiten Beteiligung von NSTC-Mitgliedern durch die Schaffung einer offenen und kooperativen Forschungs- und Entwicklungsumgebung im EUV-Accelerator und in allen NSTC-Einrichtungen.

Die US-Regierung hat angegeben, dass die Forschung und Entwicklung der EUV-Lithografie-Technologie für die Ausweitung der technologischen Führungsrolle der USA, die Reduzierung der Zeit und Kosten für die Prototypentwicklung sowie die Etablierung und Aufrechterhaltung eines Ökosystems für die Halbleiterarbeiterschaft von entscheidender Bedeutung ist.

Deirdre Hanford, CEO von Natcast, hat gesagt: „Die feierliche Eröffnung des EUV-Accelerators ist für Natcast, NSTC und das gesamte amerikanische Halbleiterökosystem ein Meilenstein. Diese fortschrittliche Einrichtung zeigt unsere Verpflichtung zur Entwicklung und Förderung der nächsten Generation von Halbleitertechnologien in den USA.“ Die EUV-Lithografie-Technologie ist bereits die Grundlagentechnologie für die Massenproduktion kleinerer, schnellerer und effizienterer Chips geworden. Mit dem EUV-Accelerator werden wir den Forschern von Natcast und NSTC die wichtigen Werkzeuge zur Verfügung stellen, um eine breitere Forschung zu fördern und Wege zur Kommerzialisierung zu eröffnen, um die Führungsrolle der USA in zukünftigen Technologiebereichen zu stärken.“

Suche nach Alternativen zur EUV-Lithografie

Abgesehen von den Bemühungen der USA in der aktuellen EUV-Lithografie können wir aus Berichten der letzten Jahre sehen, dass amerikanische Unternehmen auch an alternativen Technologien zur EUV-Lithografie arbeiten.

Im April dieses Jahres hat das amerikanische Startup xLight angekündigt, dass es versuchen möchte, mit einem Teilchenbeschleuniger Licht für Lithografieanlagen zu erzeugen und behauptet, dass es diese Lichtquelle bis 2028 herstellen kann, während es die Kompatibilität mit bestehenden Werkzeugen erhält. xLight hat auf seiner Website angegeben, dass es das Unternehmen ist, das die kommerzielle Nutzung von Teilchenbeschleuniger-gesteuerten Freie-Elektronen-Lasern (FEL: Free Electron Lasers) anstrebt, um den wichtigen wirtschaftlichen und sicherheitspolitischen Anwendungen der USA gerecht zu werden. xLight hat auch darauf hingewiesen, dass es den weltweit leistungsfähigsten Laser baut, um die Halbleiterlithografie, die Messtechnik und andere wichtige wirtschaftliche und sicherheitspolitische Anwendungen zu revolutionieren.

Dem Bericht zufolge ist die Laserplasma-Technik derzeit die einzige Methode zur Erzeugung von EUV-Licht für die Herstellung fortschrittlicher Halbleiter. Sie verbraucht jedoch extrem viel Strom (etwa 1,5 MW Strom können nur 500 W Licht erzeugen) und kann die bestehenden und zukünftigen Versionen der Scanner von ASML nicht vollständig unterstützen, da diese Scanner eine Lichtquellenleistung von bis zu 2 kW benötigen.

„Wir haben für den Halbleitermarkt eine völlig neue Extreme Ultraviolet (EUV) Freie-Elektronen-Laser (FEL)-Lichtquelle entwickelt, um die derzeit nahe am physikalischen Limit liegende Laserplasma (LPP)-Lichtquelle zu ersetzen. Unser FEL-System wird die technologische Roadmap von ASML erheblich verbessern, die Kapital- und Betriebskosten senken und gleichzeitig die Produktionskapazität von Halbleiterfabriken erhöhen und den USA helfen, ihre Führungsrolle in der fortschrittlichen Halbleiterindustrie wiederherzustellen.“ betont xLight.

Im Mai ist eine weitere amerikanische Firma namens Inversion Semiconductor ans Licht gekommen. Dem Bericht zufolge hat Inversion Semiconductor das Ziel, einen „Tisch“-Teilchenbeschleuniger zu nutzen, um die benötigte Hochleistungslicht zu erzeugen. Dieser Beschleuniger kann Elektronen auf eine extrem hohe Energie in Zentimetergröße beschleunigen, anstatt wie die großen Beschleuniger des Europäischen Organisation für Kernforschung (CERN) und des Stanford Linear Accelerator Center (SLAC) Kilometergröße zu benötigen. Sie hoffen, mit einem Plasma-Wakefield, der von einem Hochleistungs-Laser angetrieben wird, dieses Ziel zu erreichen. Genauer gesagt, handelt es sich um eine Technologie namens Laser Wakefield Acceleration (LWFA).

Theoretisch nutzt die LWFA die Wechselwirkung eines starken Laserimpulses mit einem Plasma, um Elektronen in einer sehr kurzen Entfernung auf eine extrem hohe Energie zu beschleunigen. Dieser Prozess ähnelt dem, wie ein Surfer auf der Wellenfront eines Bootes surft: Die Elektronen „surfen“ auf der Plasma-Welle und gewinnen Energie auf ihrem Weg.

Mit diesem Phänomen kann eine kompakte, hochleistungsfähige Lichtquelle erzeugt werden. Inversion erwartet, dass die LWFA den herkömmlichen Teilchenbeschleuniger zur Erzeugung von Hochleistungslicht um das 1.000-fache auf Tischgröße verkleinern kann, d. h. seine Größe wird von einigen Kilometern auf etwa einen Meter verringert. Bei der gleichen numerischen Apertur (NA) kann die Transistordichte um 100 % erhöht werden. Auf der Grundlage dieser Technologie kann die Homogenität der kritischen Abmessungen um 25 % verbessert werden, was die Herstellung von Hochaspektverhältnis-Features für neue Transistorarchitekturen und Rechenparadigmen (einschließlich Quanten- und reversiblen) erheblich verbessert.

Die Firma hat angegeben, dass ihr Ziel ist, 1 Kilowatt weiches Röntgenlicht (20 Nanometer bis 6 Nanometer) zu erzeugen. Wenn dies erfolgreich ist, wird dieser Meilenstein die Grundlage für den Bau von Benutzeranlagen legen. Damals wird die Reservierung von Strahlzeit so einfach sein wie die Reservierung eines SpaceX-Aufstiegs – man braucht nur eine Kreditkarte.

Zur gleichen Zeit wird die Firma ein neues Spiegelsystem entwickeln, um das erzeugte Röntgenlicht zu reflektieren und zu fokussieren. Dies wird es uns ermöglichen, die Siliziummusterung mit dem ersten LITH-0-System, das von STARLIGHT angetrieben wird, zu demonstrieren.

Nach dem Plan von Inversion wird die Firma mit ihrer fortschrittlichen Lichtquelle Muster projizieren, ähnlich wie bei der herkömmlichen EUVL, aber diese Lichtquelle kann auf eine Wellenlänge von 13,5 Nanometern oder darunter eingestellt werden, und das nächste Ziel ist eine Wellenlänge von 6,7 Nanometern. Darüber hinaus behauptet die Firma, dass es bei der gleichen numerischen Apertur die Transistordichte verdoppeln kann und gleichzeitig die Durchsatzleistung der bestehenden Maschinen verdreifachen kann. Die Helligkeit dieser Lichtquelle könnte auch ausreichen, um mehrere Waferstufen zu beleuchten. Daher würde die Kombination einer Lichtquelle mit vier oder acht Lithografieanlagen die Herstellungseffizienz weiter erhöhen.

Japan und Europa suchen auch nach neuen Chancen

Tatsächlich suchen nicht nur die USA, sondern auch Japan und Europa nach neuen Chancen in der EUV-Lithografie.

Beispielsweise hat das norwegische Startup Lace Lithography AS angegeben, dass es eine Lithografie-Technik entwickelt, die Atome verwendet, die auf eine Oberfläche geschossen werden, um Merkmale zu definieren. Die Auflösung dieser Technik geht über die Grenzen der Extreme Ultraviolet Lithografie-Technik hinaus. Dem Bericht zufolge kann die von Lace Litho genannte BEUV-Theorie theoretisch feinere Merkmale realisieren, die die kontinuierliche Verkleinerung von Transistoren unterstützen und das Moore'sche Gesetz erweitern können.

Es ist bekannt, dass herkömmliche EUV-Systeme Licht mit einer Wellenlänge von 13,5 nm verwenden und Muster auf einem Wafer über eine Reihe von Spiegeln und Masken bilden. Die Atomlithografie-Technik kann eine direkte maskenlose Musterung realisieren, und ihre Auflösung ist sogar kleiner als die Auflösung, die von EUV-Systemen mit Wellenlängenbeschränkung erreicht werden kann.

Die Firma hat auf ihrer Website behauptet: „Indem wir Atome anstelle von Licht verwenden, bieten wir Chipherstellern Funktionen, die 15 Jahre vor der aktuellen Technologie liegen, und das zu geringeren Kosten und geringerem Energieverbrauch.“

Dem Bericht zufolge stammt dieses Projekt aus einem von der Europäischen Union geförderten Projekt namens FabouLACE. Genauer gesagt wird die Technik der metastabilen Atome und der Masken auf der Grundlage der Dispersionskräfte verwendet, um einen 2-Nanometer-Prozess zu realisieren. Die Europäische Kommission hat angegeben, dass die Lace-Lithografie-Technik bis 2031 zur Markteinführung autorisiert wurde. Gleichzeitig wird die Leistung dieser Technik von der Forschungsanstalt IMEC überwacht und verifiziert. NanoLACE war ein früheres europäisches Forschungsprojekt, das am 31. Dezember 2024 beendet wurde. Das Projekt wurde 2019 gestartet und hat eine Förderung in Höhe von 3,36 Millionen Euro erhalten, und sein Budget beträgt 3,65 Millionen Euro.

Eine Gruppe von Forschern der Japanischen Hochenergie-Beschleuniger-Forschungseinrichtung (KEK) ist der Meinung, dass die EUV-Lithografie-Technik möglicherweise kostengünstiger, schneller und effizienter sein könnte, wenn man die Energie von Teilchenbeschleunigern nutzt.

Stephen Benson, ein emeritierter Senior-Forscher des Thomas Jefferson National Accelerator Facility in Virginia, hat geschätzt, dass der elektro-optische Wandlungswirkungsgrad des gesamten EUV-LPP-Systems möglicherweise weniger als 0,1 % beträgt. Er hat gesagt, dass ein Freie-Elektronen-Laser wie der von KEK entwickelt, möglicherweise 10 bis 100 Mal effizienter sein könnte.

Dem Bericht zufolge erzeugt das von KEK entwickelte System Licht, indem es Elektronen auf relativistische Geschwindigkeiten beschleunigt und dann ihre Bewegung in einer bestimmten Weise ablenkt. Wie sie sagen, beginnt dieser Prozess damit, dass eine Elektronenkanone einen Elektronenstrahl in ein mehrere Meter langes, kryogen gekühltes Rohr injiziert. In diesem Rohr sendet ein Supraleiter ein Radiofrequenz (RF)-Signal, das die Elektronen immer schneller bewegt. Dann drehen sich die Elektronen um 180 Grad und gelangen in eine Struktur namens Undulator, eine Reihe von Magneten mit entgegengesetzter Richtung. (Das KEK-System hat derzeit zwei.) Der Undulator zwingt die hochbeschleunigten Elektronen, sich auf einer sinusförmigen Bahn zu bewegen. Diese Bewegung führt dazu, dass die Elektronen Licht emittieren.

Abschließende Bemerkungen

Tatsächlich hat die Entwicklung moderner Lithografieanlagen bis heute viele technologische Vers