Die Maschinen, die die fortschrittlichsten Chips strukturieren, werden bald deutlich größere „Schablonen“ benötigen.
Um einen Chip herzustellen, projizieren die Hersteller Schicht für Schicht äußerst feine Muster auf eine Platte. Diese Muster stammen von einer Fotomaske, einem hochpräzisen Modell, das von der Lithografiemaschine verwendet wird. Heute sind die Masken für die fortschrittlichsten Verfahren etwa 15 cm breit und hoch.
Detailansicht der auf einer Chrom-Fotomaske eingetragenen Strukturen.
Quelle: Sei / Wikimedia Commons — CC BY-SA 4.0
ASML und TSMC bereiten nun den Übergang zu einem Format von etwa 30 cm, also 12 Zoll, vor. Die Änderung wird die nächste Generation von Maschinen begleiten, die extrem ultraviolettes Licht, kurz EUV, verwenden. Dieses Licht ermöglicht das Zeichnen winziger Details, die für moderne Prozessoren erforderlich sind. Die ersten sogenannten High-NA-Maschinen werden jedoch noch mit den bisherigen Masken arbeiten.
Warum soll ihre Größe verdoppelt werden? Die künftigen Chips, insbesondere für künstliche Intelligenz, werden sehr groß sein. Mit dem derzeitigen System muss die Maschine möglicherweise mehrere Bereiche getrennt belichten, um das gesamte Muster abzubilden. Diese Teile müssen anschließend mit sehr hoher Präzision zusammengefügt werden. Dieser als Zusammensetzen oder „Stitching“ bezeichnete Vorgang verlangsamt die Fertigung und bringt zusätzliche Anforderungen mit sich.
Eine größere Maske würde es ermöglichen, mehr Muster in einem einzigen nutzbaren Bereich zu platzieren. Die Hersteller könnten daher große Chips mit weniger getrennten Belichtungen produzieren. Für eine Fabrik, die Tausende Siliziumwafer verarbeitet, können einige eingesparte Schritte den Durchsatz der Maschinen und die Kosten jedes Chips erheblich beeinflussen.
Doch die Änderung des Formats ist eine große Investition: Die gesamte Produktionskette muss angepasst werden: die Herstellung der Masken, die Kontrolle auf Fehler, ihre Handhabung und ihr Transport. Auch die Lithografiemaschinen müssen angepasst werden. Deshalb starten ASML und TSMC diesen Übergang mehrere Jahre vor der geplanten industriellen Nutzung.
Der Zeitplan vermittelt einen Eindruck vom Umfang des Vorhabens. TSMC plant, die High-NA-Technologie von ASML ab 2030 für die Massenproduktion einzusetzen, zunächst mit den bisherigen Masken. Die Partner wollen 2031 eine Pilotlinie für 12-Zoll-Masken einrichten. Mit diesem Format kompatible Systeme sollen ab etwa 2033 für die fortschrittliche Produktion verfügbar sein.
Diese Entwicklung betrifft direkt die Prozessorgenerationen, die auf die derzeit in Vorbereitung befindlichen folgen werden.
Der Übergang zu großen Fotomasken hängt nun von zahlreichen Zulieferern ab, nicht nur von ASML und TSMC. Halbleiterhersteller und Maskenspezialisten haben bereits ihr Interesse an der Initiative bekundet. In den kommenden Jahren sollen insbesondere Anlagen gebaut werden, die diese neuen Masken herstellen und prüfen können, bevor sie in den Fabriken zum Einsatz kommen.