Winzige Computerchips sorgen dafür, dass Computer immer kleiner und zugleich leistungsfähiger werden. Die Leiterbahnen der derzeit modernsten Chips sind nur zwölf Nanometer voneinander entfernt. Diese unterste Grenze haben Forschende nun mit einem neuen Verfahren unterschritten. Dazu modifizierten sie die Technik der Fotolithografie, bei der Leiterbahnen mit Hilfe von ultraviolettem Licht aufgebracht werden. Indem die Forschenden das Licht spiegelten, erzeugten sie Leiterbahnen mit einem Abstand von nur fünf Nanometern. Praxistaugliche Chipmuster sind mit dem Verfahren allerdings bisher noch nicht möglich.
Ein einzelnes Smartphone ist heute leistungsfähiger als Großrechner, die noch vor wenigen Jahrzehnten ganze Räume füllten. Möglich ist das, weil die Mikrochips für Computer immer kleiner und zugleich leistungsfähiger werden. Auf der Fläche einer Fingerkuppe finden heute etwa 60 Milliarden Bauelemente Platz. Die Leiterbahnen, aus denen die Schaltkreise bestehen, liegen dabei dicht an dicht – bei den modernsten Chips sind sie nur zwölf Nanometer voneinander entfernt. In einem einzigen menschlichen Haar fänden so tausende Leiterbahnen nebeneinander Platz.
Engere Leiterbahnen
Um diese feinen Strukturen herzustellen, kommt in der Industrie ein Verfahren namens Fotolithografie zum Einsatz. Die Grundlage bildet dabei der sogenannte Wafer, eine dünne Scheibe aus Silizium, das als Halbleiter fungiert. Darauf aufgetragen wird eine Schicht aus Fotolack. Wird dieser mit Licht bestrahlt, verändert er seine Eigenschaften und wird in bestimmten Lösungsmitteln löslich oder unlöslich. Auf diese Weise können je nach Bedarf die belichteten oder die unbelichteten Bereiche entfernt werden. So lassen sich die Chipmuster mit Licht „aufdrucken“. Je kürzer die Wellenlänge des verwendeten Lichts, desto feinere Strukturen sind möglich. Aktuell nutzt die Chipindustrie extreme Ultaviolett-Strahlung (EUV) mit einer Wellenlänge von 13,5 Nanometern.
Ein Team um Iason Giannopoulos vom Paul Scherrer Institut in Villigen in der Schweiz hat nun eine Technik entwickelt, mit der sich die Leiterbahnen noch dichter anordnen lassen als bisher: in einem Abstand von nur fünf Nanometern. Dabei nutzte das Team ebenfalls EUV-Licht mit einer Wellenlänge von 13,5 Nanometern. Statt allerdings den Wafer direkt zu bestrahlen, setzten die Forschenden Spiegel ein. Damit lenkten sie zwei parallele Lichtstrahlen so auf den Wafer, dass sie sich überschnitten und ein spezifisches Interferenzmuster erzeugten. Abhängig davon, wie die Spiegel ausgerichtet waren und mit welchem Winkel das Licht einfiel, ergaben sich dadurch unterschiedliche Muster aus belichteten und unbelichteten Stellen – und zwar doppelt so fein, wie es ohne die Spiegel-Technik möglich gewesen wäre.
Keine grundlegende Grenze in Sicht
Elektronenmikroskopische Aufnahmen belegten, dass die Leiterbahnen noch bei einem Abstand von nur fünf Nanometern gut voneinander abgegrenzt waren. „Unsere Ergebnisse zeigen, dass die EUV-Photonenlithografie extrem hohe Auflösungen erzeugen kann, was darauf hindeutet, dass es noch keine grundlegenden Grenzen gibt“, sagt Giannopoulos Kollege Dimitrios Kazazis. „Das erweitert den Horizont dessen, was wir für möglich halten, und kann auch neue Wege für die Forschung auf dem Gebiet der EUV-Lithografie und der Fotolackmaterialien eröffnen.“
Theoretisch ließe sich die bisher gängige Chipgröße mit dem neuen Verfahren noch einmal halbieren. Praktisch sind allerdings mit dieser Methode noch keine komplexen Muster machbar, wie sie für Computerchips erforderlich wären. Da die Interferenz der Lichtstrahlen nur einfache, periodische Strukturen erzeugt, sind die verwinkelten, dreidimensional angeordneten Leiterbahnen der Mikrochips damit noch nicht herstellbar. Für die Industrie ist die Technik daher bislang nicht unmittelbar relevant. „Für die wissenschaftliche und industrielle Forschung ist dieser Fortschritt jedoch von entscheidender Bedeutung, da er den immer anspruchsvolleren Anforderungen der Nanowissenschaften sowie künftigen Technologieknotenpunkten Rechnung trägt“, so das Team.
Quelle: Iason Giannopoulos (Paul Scherrer Institut, Villigen, Schweiz) et al., Nanoscale, doi: 10.1039/D4NR01332H
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