Lithografie entlarvt

Da die Verbraucher erwarten, dass alles, vom Handy bis zum Stofftier, eine beträchtliche Rechenleistung bietet, stehen die Hersteller unter dem Druck, immer schnellere und billigere Mikrochips herzustellen. Aber die Herstellung von Computerchips unter Verwendung von Photolithographie – der Standardherstellungstechnik – ist sehr teuer. Ein wesentlicher Teil dieser Kosten sind die schablonenartigen Masken, die den Lichtstrahl filtern, mit dem Millionen von Transistoren auf einen Chip gemustert werden. Tatsächlich kann die Herstellung eines einzelnen Siliziumchips bis zu 30 Masken erfordern, die mehr als eine Million Dollar kosten – und da die Transistoren auf einem Chip weiter schrumpfen, steigen die Kosten der Masken nur an.

Kein Wunder also, dass Forscher rasen, um Möglichkeiten zu entwickeln, um Masken vollständig abzuschaffen. Eine der vielversprechendsten Bemühungen unter der Leitung von Henry Smith, Direktor des NanoStructures Laboratory des MIT, verwendet eine Reihe winziger Spiegel mit einem Durchmesser von jeweils nur 16 Mikrometern, um Licht durch mikroskopische Linsen zu lenken; Jede Linse fokussiert einen Lichtstrahl auf einen Punkt auf dem Siliziumwafer, und je stärker die Linse, desto kleiner der Punkt. Durch Kippen einzelner Spiegel vor und zurück kann ein Computer einzelne Strahlen ein- und ausschalten, während das gesamte Setup über den Wafer scannt. Mit bis zu einer Million Spiegeln könnte das System dasselbe komplexe Muster auf dem Siliziumchip erzeugen, das normalerweise eine Reihe von Masken erfordern würde.

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Diese Geschichte war Teil unserer September-Ausgabe 2001



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Bisher hat Smiths Gruppe das System verwendet, um Chipmerkmale mit einer Breite von 350 Nanometern zu strukturieren, die 40 Prozent breiter sind als die der besten heutigen Chips. Computersimulationen sagen jedoch voraus, dass die MIT-Technologie durch Umschalten auf kürzere Wellenlängen des Lichts Merkmale erzeugen kann, die so klein oder sogar kleiner sind als die, die mit konventioneller Lithographie abgeleitet werden.

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An der University of California, Berkeley, verfolgt eine Gruppe um den Elektroingenieur William Oldham einen ähnlichen Ansatz; Aber wo sich die MIT-Gruppe darauf konzentriert hat, die Linsenstärke zu erhöhen, um kleinere Merkmale zu erzeugen, reduzieren die Berkeley-Forscher die Größe der Spiegel. Ohne die Brechkraft der Linsen zu erhöhen, braucht man kleinere Spiegel, um kleinere Muster zu erhalten, sagt Yashesh Shroff, ein Doktorand in Oldhams Labor.

Derzeit fertigt Oldhams Team Spiegel mit einem Durchmesser von nur einem Mikrometer. Niemand habe jemals zuvor so winzige Spiegel hergestellt, sagt Shroff. Die Forscher hoffen, innerhalb von fünf Jahren ein komplettes System zu haben, das 50 Nanometer breite oder weniger breite Strukturen in Siliziumchips ätzen kann.

Maskenlose Technologien könnten Chipdesignern ungeahnte Flexibilität bieten. Wenn Sie ein Design pro Tag testen möchten, können Sie es sich nicht leisten, täglich ein Millionen-Dollar-Maskenset zu bauen, sagt Dan Herr, Direktor für Material- und Prozesswissenschaftsforschung bei der von der Industrie unterstützten Semiconductor Research Corporation im Research Triangle Park. NC. Bei Mikrospiegeln hingegen könnte ein Designer das Array einfach umprogrammieren. Und die Technik könnte die Herstellung kundenspezifischer Chips für Dinge wie das Synthetisieren von Sprache in Spielzeug oder das Abspielen von MP3-Dateien in Handheld-Computern – Chips, die in viel kleineren Mengen hergestellt werden als beispielsweise Pentium-Prozessoren – viel kostengünstiger machen. Angenommen, ich möchte einen Chip für einen sprechenden Teddybären herstellen, aber ich rechne damit, nur 2.000 davon zu verkaufen, sagt der Ingenieur David Carter, ein Mitglied der MIT-Gruppe. Jetzt, bei Maskenkosten von einer Million Dollar, wer zahlt 500 Dollar für einen Teddybären?

Größere Flexibilität und niedrigere Kosten könnten auch für andere Branchen von Vorteil sein, die nach neuen Anwendungen der Lithographie suchen. Smith zum Beispiel glaubt, dass seine Technologie gut geeignet ist, um die Kammern und Kanäle zu strukturieren, die bei der Verarbeitung biologischer Proben in Mikrofluidikchips helfen, die für die Wirkstoffforschung oder in tragbaren Diagnosegeräten verwendet werden könnten.

Beobachter vermuten, dass das MIT-Team einem Produkt am nächsten kommt, das Masken ersetzen würde; Die Forscher hoffen, in ein oder zwei Jahren ein kommerzielles Spiegel-Linsen-Gerät für das Chip-Prototyping auf dem Markt zu haben. Chiphersteller nehmen jedoch auch die Lithografie-Bemühungen in Berkeley, der Stanford University und der University of Texas in Austin wahr. Bis vor etwa zwei Jahren galt diese ganze maskenlose Technik als sehr blauer Himmel, sagt Herr. Aber Fortschritte in der Computersoftware sowie bei Technologien zur Herstellung von Dingen wie Mikrospiegeln – gepaart mit den steigenden Kosten bestehender Produktionsmethoden – könnten innerhalb von vier bis fünf Jahren die maskenlose Lithographie aus dem Labor in die Fabriken bringen, sagt Herr.

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Wenn dies geschieht, wird eine weitere Barriere für Computerinnovationen beseitigt.

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