Der Mikrochip ist der komplizierteste Gegenstand, der je von Menschenhand geschaffen wurde. Aber sein Herzstück ist ein relativ einfacher Mechanismus – der Schalter.

Der Schalter sowie die Möglichkeit, einen Schaltkreis ein- oder auszuschalten, ist der grundlegende Mechanismus für die Erstellung und Auslegung von Binärcode. Frühzeitige Computer nutzten physische mechanische Schalter, die von Bedienern betätigt werden konnten.

Doch mit der zunehmenden Leistungsfähigkeit von Computersystemen wurden Schalter immer kleiner. Schon bald wurden diese mechanischen Schalter durch elektrochemische Transistoren ersetzt. Und auch diese Transistoren wurden immer kleiner.

Moderne Mikroprozessoren enthalten Milliarden von Transistorschaltern auf Silizium von der Größe eines Fingernagels. Damit ist jedoch die Herstellung zu einer echten Herausforderung geworden. Egal, wie scharf Ihre Augen sind: Sie können diese Transistoren einfach nicht in die korrekten Positionen löten. Die Schalter selbst sind für das menschliche Auge unsichtbar.

Die Photolithographie hat sich hier als eine Lösung für dieses Problem erwiesen. Der Begriff setzt sich aus den griechischen Wörtern photo = Licht, lith = Stein und graph = schreiben zusammen. Und wie der Name nahelegt, bedeutet Photolithographie die Verwendung von Licht, um unglaublich präzise Leiterplattenentwürfe auf einzelne Siliziumstücke zu schreiben.

Aber wie funktioniert dieser Ansatz?

Die Methode

Vor dem eigentlichen Photolithographie-Prozess werden zwei Dinge benötigt. Das erste ist eine Fotomaske. Dies ist ein Block aus transparentem Quarzkristall mit einer Größe von ca. 6 x 6 Zoll, auf den mittels Elektronenstrahlen Schaltkreisdesigns geätzt wurden.

Diese Muster sind mit der Zeit äußerst komplex geworden, und eine einzige Maske kann Blueprints für Milliarden von Transistoren aufweisen. Fotomasken werden wie eine Art von Lichtschablone eingesetzt, wobei Chipdesigns auf Silizium übertragen werden.

Dies bringt uns zum zweiten Element: Silizium-Wafer. Dabei handelt es sich um kreisförmiges Silizium-Halbleitermaterial, das aus einem reinen Siliziumstab geschnitten wurde und auf das die Schaltkreise gedruckt werden.

In der ersten Phase des Photolithographie-Prozesses wird dieser Wafer mit einer chemischen Schicht beschichtet, die als Photoresist bezeichnet wird. Danach wird ein Licht durch die Fotomaske geleitet, wodurch ein optisches Abbild der Schaltkreise erzeugt wird. Dieses wiederum wird durch eine Reihe von Linsen geführt, die das Abbild auf die richtige Größe verkleinern. Das verkleinerte Abbild wird daraufhin auf den Wafer projiziert.

Das Licht reagiert hierbei mit dem Photoresist, der anschließend weggewaschen wird, wodurch eine darunterliegende Oxidschicht freigelegt wird. Diese Oxidschicht wird dann einem weiteren Säurebad unterzogen, bei dem das Oxid entfernt wird und die darunterliegende Siliziumschicht zum Vorschein kommt. Auf das freigelegte Silizium wird dann ein als Dotierung bezeichneter Prozess angewendet, der seine elektrischen Eigenschaften verändert.

Dieser Prozess wird mehrmals mit verschiedenen Kombinationen aus Chemikalien und Masken wiederholt, wobei der Prozessor Schicht für Schicht aufgebaut wird.

Bei Intel® schließen aktuelle Photolithographie-Prozesse häufig rund 30 oder mehr separate Masken ein, um Schaltkreismuster übereinander aufzuschichten. Statt eines herkömmlichen 2D-Schaltkreises ist es vielleicht hilfreicher, sich aktuelle Chips als Autobahnsysteme auf mehreren Ebenen vorzustellen, wobei verschiedene Schaltkreismuster übereinander angeordnet sind.

Vom Fab zum Telefon

Der ganze Prozess ist so empfindlich, dass die Fabs, in denen Chips montiert werden, zur Verhinderung von Verunreinigungen Betriebsbedingungen mit weniger als 10 Staubpartikeln pro Kubikfuß aufweisen. Aus denselben Gründen werden die Böden der Fabs durch ein unheimliches gelbes Glühen beleuchtet, da die größeren Wellenlängen von gelbem Licht weniger dazu geeignet sind, den Photolithographie-Prozess zu beeinträchtigen.

Auf jeden Silizium-Wafer werden hunderte identischer Chips gedruckt. Nach Abschluss schneiden Werkzeuge mit Diamantkanten den Wafer in mehrere „Dies“ oder einzelne Mikroprozessoren auf. Die Fabs übergeben diese Chips anschließend zum Testen an spezielle Vorbereitungseinrichtungen, bevor sie montiert werden.

Die Zukunft

Die Photolithographie ist ein Prozess, der sich stetig weiterentwickelt, und Verbesserungen bei Techniken und Methoden ermöglichen, dass das Moore'sche Gesetz weiterhin seine Gültigkeit bewahrt. Chiphersteller stoßen jedoch zunehmend auf physikalische Grenzen.

Eine besondere Herausforderung ist die Wellenlänge des Lichts. Sichtbares Licht weist eine Wellenlänge zwischen 700 und 400 Nanometer auf. Diese Wellenlänge ist jedoch mittlerweile größer als die Schaltkreise von aktuellen Mikrochips. Es stimmt: Licht ist inzwischen kein ausreichend präzises Hilfsmittel mehr, um Mikrochips der aktuellen Generation zu erstellen.

Deshalb wird der nächste Schritt bei der Lithographie wohl die Extrem-Ultraviolett-Lithographie oder EUV sein. Bei dieser Methode wird ultraviolettes Licht mit einer Wellenlänge von etwa 13,5 nm verwendet, um noch präzisere Designs zu erstellen. Dies wird bei der Umsetzung von 7-nm-Chips von entscheidender Bedeutung sein, während Intel bestrebt ist, das Moore'sche Gesetz auch in der Zukunft gelten zu lassen.