Der Natur abgeschaut: Immersionslithographie treibt die Halbleitertechnik

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Moores Gesetz lebt. Derzeit ist es die Optik, die für den Fortschritt in der Halbleitertechnik sorgt. David Greenlaw, Director Process Integration bei AMD Dresden, erläutert die Immersionslithographie.

Wie lang kann das noch weitergehen? Es ist nun 40 Jahre her, dass Gordon Moore vorhergesagt hat, dass alle zwei Jahre die Anzahl der auf einem Quadratzentimeter Silizium gepackten Transistoren eines Computerchips verdoppeln würden. Seitdem fragen sich die Menschen, wie lange dieser Prozess andauern könne und ob es die Gesetze der Physik oder der Wirtschaft sein werden, die den Fortschritt bei diesen integrierten Schaltkreisen letztendlich abbremsen.

Dieses Mal haben die Technologen die Lösung mit Hilfe der Gesetze der Optik gefunden, die den Fortschritt in der Halbleitertechnik im Zeitplan hält. Immersionslithographie, so heißt die Lösung, nutzt einen Trick der Natur, um das Auflösungsvermögen der Maschinen, die zum Übertragen der winzigen Schaltkreise auf die Siliziumwafer eingesetzt werden, zu erhöhen.

Aber für wen ist das wichtig? Grundsätzlich für jeden, denn die Halbleiterindustrie bildet das Fundament unserer heutigen Informationsgesellschaft. Ob man nun die großen Fortschritte verfolgt, die heutzutage mit dem menschlichen Genomprojekt in der Biologie gemacht werden oder ob man in einem Unternehmen arbeitet, das von Serverfarmen abhängig ist, die immer größere Datenmengen verarbeiten müssen, oder ob man einfach nur noch schneller auf noch mehr Inhalte im Internet zugreifen möchte, es kann niemandem egal sein, ob die Halbleiterbranche das Tempo der technischen Innovation und der Investitionen beibehalten kann, das vom Mooreschen Gesetz so unnachgiebig vorgegeben wird.

Hochleistungsserver und künftige mobile Geräte der Unterhaltungselektronik brauchen Siliziumchips, die bei niedrigerem Energieverbrauch und zu geringeren Kosten noch bessere Leistungen erbringen, als die Chips, die bereits heute gebaut werden können. Der direkteste Weg, solche Produkte künftig überhaupt zu ermöglichen, ist es, mehr Schaltkreise auf der gleichen Siliziumfläche unterzubringen. Die einzelnen Transistoren, aus denen diese dicht gepackten Schaltungen bestehen, rücken alle zwei Jahre enger aneinander, steigern damit die Leistung und senken den Stromverbrauch. Dies liegt im Wesentlichen daran, dass die Signale auf dem Chip nun kürzere Strecken zurücklegen. Zudem kann auf jedem Siliziumwafer eine größere Anzahl an Chips untergebracht werden. So können die Kosten für die Herstellung jedes einzelnen Chips gesenkt werden.

Die Schwierigkeit bei dieser alle zwei Jahre erfolgenden Verdoppelung ist, dass hier eine exponentielle Zunahme beschrieben wird, da derselbe Multiplikationsfaktor wieder und wieder angewandt wird. So wird im Laufe der Zeit aus einer Verdoppelung zunächst eine Vervierfachung, dann eine Verachtfachung und so weiter. Nach nunmehr zwanzig Verdoppelungen ergibt sich eine Gesamtsteigerung um den Faktor von mehr als einer Million.

Diese Entwicklung wirft die Frage auf, wie lange sie überhaupt noch anhalten kann. Denn ob man sich nun Bakterien anschaut, die sich in einer Petrischale vermehren oder einen Investmentfond, der ewig hohe Renditen abwerfen soll: im realen Leben bewegen sich Systeme mit exponentiellem Wachstum niemals endlos auf ihrer Idealkurve, vielmehr stoßen sie letztendlich an Grenzen, hinter denen sich die Spielregeln ändern. Aber jedes Mal, wenn bisher ein größeres Hindernis auf dem Weg der Halbleitertechnologie aufgetaucht ist, ließ sich stets eine elegante Lösung finden.