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26.10.1979

Mit Elektronen-, Röntgen- und Synchrotronstrahlen: Wie produziert man Computerschaltkreise morgen?

So eindrucksvoll die Miniaturisierung - und die Leistungsfähigkeit - heutiger Halbleiter-Schaltkreise auch ist, die von Fachleuten erwarteten künftigen Computer-Generationen werden noch mit viel komplexeren, noch viel feiner ziselierten

Halbleiter-Chips ausgestattet sein. Schon heute arbeiten Wissenschaftler in aller Welt an Produktionsverfahren, die sicher erst morgen oder übermorgen kommerziell zum Tragen kommen werden.

Betrachten wir kurz die Gegenwart. Heutige Standard-Schaltkreise besitzen auf einem Siliziumplättchen von etwa fünf Millimetern Seitenlänge, dem Chip, an die 50 000 Komponenten, wobei diese etwa fünf Mikrometer, also 5/1000 Millimeter, Abstand voneinander halten. Strukturen dieser Feinheit lassen sich heute ohne große Probleme durch optische Lithographie erzeugen: ultraviolettes Licht bildet die auf einer "Maske", einer Art "Dia", dargestellten Schaltkreis-Strukturen auf dem mit lichtempfindlichem Lack beschichteten Chip ab und nach "Entwickeln" dieser Lackschicht kann man die dann freiliegenden Siliziumstrukturen gezielt weiterbehandeln. So entsteht, Schicht für Schicht, der fertige Schaltkreis.

Mit diesem Verfahren kann man aber nun keine Strukturen von weniger als einem Mikrometer erzeugen - elementare optische Gesetze stehen dem entgegen. Und der naheliegende Ausweg, statt UV-Licht eben Elektronenstrahlen, die ein weit besseres Auflösungsvermögen bieten, zu verwenden, stößt auf ein gravierendes Problem: es gibt praktisch kein Material, das für Elektronen niedriger Energie durchlässig, also für eine Maske geeignet wäre. So ist man gezwungen mit dem fein gebündelten Elektronenstrahl die Schaltkreis-Strukturen Element für Element direkt auf die Photoschicht jedes einzelnen Chips zu ,,schreiben" - eine ebenso aufwendige wie zeitraubende Prozedur, etwa 60mal langsamer als schnelle optische Maschinen.

Im Gegensatz zu Elektronenstrahlen können Röntgenstrahlen sehr wohl eine Maske auf den beschichteten "Wafern" - so nennt man die Siliziumscheiben im Produktionsprozeß, ehe sie in die einzelnen Chips zerlegt werden - abbilden. Allerdings muß diese Maske extrem dünn sein, beispielsweise eine drei Mikrometer dünne Siliziumschicht, die nach Art eines Trommelfells aufgespannt wird. Das Linienmuster auf dieser Schicht, also die "schwarzen Striche" werden in diesem Fall dann durch Gold oder Hafnium gebildet, Elemente, die Röntgenstrahlen gut absorbieren. In anderen Versuchsgeräten dieser Art - Entwicklungen laufen neben den USA und Japan auch in Frankreich, Großbritannien und der Bundesrepublik (Siemens) - bestehen die Masken aus Kapton.

Natürlich sind die Siliziumwafer bei solchen Geräten dann nicht mehr mit Photolack beschichtet, sondern mit einer röntgenstrahlempfindlichen Schutzschicht, die ihre chemischen Eigenschaften an den Stellen ändert, an denen Elektronen von den auftreffenden Röntgenstrahlen freigesetzt werden.

Allerdings ist auch die Röntgenstrahlung noch nicht der letzte Pfeil im Köcher der Chip-Entwickler: schon untersucht beispielsweise das Fraunhofer-Institut für Festkörpertechnologie in München nicht nur spezielle neue Röntgenröhren auf Tauglichkeit, in einer Außenstelle am Deutschen Elektronen-Synchrotron (DESY) in Hamburg macht es auch Versuch Chips, mit Synchrotronstrahlung zu "belichten".

Synchrotronstrahlung ist der Name für eine erstmals in Teilchenbeschleunigern beobachtete, elektromagnetische Strahlung, die von energiereichen geladenen Teilchen dann emittiert wird wenn diese durch ein Magnetfeld auf eine gekrümmte Bahn gezwungen werden. Die Chip-Leute finden sie deshalb so interessant, weil sie sich stärker als Röntgenstrahlung bündeln läßt und wesentlich intensiver ist. Zwar kosten Bau und Betrieb einer Speicherringanlage zur Erzeugung dieser Strahlung sehr viel Geld, dennoch könnte diese Art Strahlen vielleicht eines Tages ein wirtschaftliches Produzieren von 0,3-Mikrometer-Strukturen gestatten, erwarten die beteiligten Wissenschaftler. In zwei Jahren schon werden sie am entstehenden Berliner Speicherring "BESSY" ausführlichere Detailstudien betreiben können.

Doch das ist nun noch Zukunftsmusik - zurück zur Gegenwart, in der immer wieder schrittweise Weiterentwicklungen des Chip-Produktionsprozesses gelingen. So finden jetzt immer mehr "Direct-step-on-wafer"-Maschinen (DSW) beim Chipfabrizieren Verwendung: hierbei erreicht man Strukturen im Ein- bis Zwei-Mikrometer-Bereich durch ein Verfahren, die Wafer, also die die Chips tragenden Siliziumscheiben, Schritt für Schritt zu belichten. Allerdings kosten solche Geräte etwa das Doppelte herkömmlicher Automaten und überdies sind sie etwa dreimal langsamer - pro Stunde bearbeiten sie nur 20 Wafer.

Bei den Elektronenstrahlgeräten geht die Weiterentwicklung auf fünffache Weise vor sich: erstens wird das Tempo beschleunigt, mit dem der Elektronenstrahl die Schaltkreis-Muster in die Chips einschreibt, zweitens wird die Computersteuerung dieses Zeichenvorgangs verbessert, drittens will man störende Verunreinigungen besser als bis her vorn Elektronenstrahl fernhalten - sie bewirken Ungenauigkeiten im Produkt - und viertens soll auch die Einund Ausgabe der Chips in den Strahlengang beschleunigt werden. Der fünfte Punkt schließlich betrifft, wie bei den Röntgen-Maschinen, die Entwicklung schneller reagierender Photolacke.

Tempo oder Dichte?

Kleinere und immer kleinere Schaltkreisstrukturen - stößt diese Entwicklung denn überhaupt nie an eine letzte Grenze? Natürlich schon, und sie laßt sich etwa so beschreiben: Da die Raumladungszonen an den Grenzen verschiedener Halbleiterbereiche immer eine gewisse Mindestausdehnung haben, kann man einen Transistor kaum kleiner als zwei Quadratmikrometer bauen. Das bedeutet, es lassen sich theoretisch höchstens 25 Millionen Gatter auf einem Quadratzentimeter unterbringen oder etwa 70 Millionen dynamische Speicherzellen.

So eng gepackte Schaltkreise waren allerdings nur schwer zu kühlen, vor allem, wenn man rasche Funktion fordert: Tempo kostet Leistung, erzeugt also zusätzliche Wärme. In der Praxis wird man in Zukunft also sinnvolle Kompromisse zwischen Integrationsgrad und Schaltzeit anstreben müssen - Kompromisse, die natürlich stark vom Verwendungszweck des Chips bestimmt werden. Und, nicht zu vergessen, auch von der Zeit, die der elektrische Strom für seinen Weg nun einmal braucht.

Egon Schmidt ist freier Wissenschaftsjournalist