EUV-Laserquellen

Computerchips werden ähnlich hergestellt wie ein Foto entwickelt. Man projiziert ein Muster mit Licht auf eine Scheibe aus Silizium, und dort, wo das Licht auftrifft, verändert sich eine lichtempfindliche Schicht. Wie fein dieses Muster sein kann, hängt von der Wellenlänge des Lichts ab, also vom Abstand zwischen zwei Wellenbergen. Je kürzer die Wellenlänge, desto kleinere Strukturen lassen sich abbilden. EUV-Laserquellen sind Maschinen, die besonders kurzwelliges Licht erzeugen: extrem ultraviolette Strahlung mit 13,5 Nanometern Wellenlänge. Ein Nanometer ist ein Millionstel Millimeter, dieses Licht ist also rund vierzigmal kurzwelliger als sichtbares blaues Licht.

Warum ohne 13,5 Nanometer keine modernen Chips entstehen

Jahrzehntelang belichtete die Industrie Chips mit Laserlicht von 193 Nanometern. Mit Tricks kam man damit erstaunlich weit, aber irgendwann war die Grenze erreicht. Die Strukturen auf aktuellen Prozessoren sind nur noch wenige Nanometer breit. Für solche Feinheiten braucht es kürzeres Licht, und genau diese Lücke schließt EUV.

Jeder moderne Smartphone-Prozessor und jeder KI-Beschleuniger für Rechenzentren durchläuft heute EUV-Belichtung. Ohne diese Technik gäbe es keine Chips der aktuellen Generation. Deshalb ist die Lichtquelle kein Nebenbauteil, sondern ein Engpass der gesamten Weltwirtschaft.

Dazu kommt eine ungewöhnliche Machtlage. Die kompletten EUV-Belichtungsmaschinen baut weltweit nur ein Unternehmen, der niederländische Konzern ASML. Die Laserquelle darin stammt vom deutschen Hersteller Trumpf, die Spiegel von Zeiss. Eine Maschine kostet je nach Ausbaustufe zwischen 150 und 350 Millionen Euro. Diese Konzentration macht EUV zu einem Thema der Außenpolitik: Der Export solcher Anlagen nach China ist durch Auflagen stark eingeschränkt.

Zinntropfen, zwei Laserpulse und ein Plasmablitz

EUV-Licht lässt sich nicht einfach mit einem Laser direkt erzeugen. Man nimmt deshalb einen Umweg über extrem heißes Gas. In der Quelle fallen etwa 50.000 winzige Zinntropfen pro Sekunde durch eine Vakuumkammer. Jeder Tropfen ist rund 25 Mikrometer groß, also dünner als ein Haar.

Jeder Tropfen wird zweimal getroffen. Ein erster, schwächerer Laserpuls plättet ihn zu einer flachen Scheibe. Ein zweiter, sehr starker Puls verdampft diese Scheibe zu Plasma, einem Gas aus geladenen Teilchen. Das Plasma erreicht dabei über 200.000 Grad und strahlt für einen Sekundenbruchteil im EUV-Bereich. Der Treiberlaser dafür ist ein Kohlendioxid-Laser mit rund 30 Kilowatt Leistung.

Der Aufwand ist gewaltig, der Wirkungsgrad gering. Nur wenige Prozent der eingesetzten Energie werden zu nutzbarem EUV-Licht. Ein weiteres Problem: EUV wird von Luft und sogar von Glas verschluckt. Die Anlage muss deshalb im Vakuum arbeiten, und statt Linsen kommen Dutzende Spezialspiegel zum Einsatz. Jeder Spiegel besteht aus rund hundert hauchdünnen Schichten und schluckt dennoch einen Teil des Lichts.

EUV in Börsenmeldungen und im eigenen Handy

Direkt sieht man eine EUV-Quelle nie, sie steht in wenigen Chipfabriken weltweit. In Nachrichten taucht sie trotzdem regelmäßig auf. Meldungen über ASML-Quartalszahlen, über neue Fabriken von TSMC, Samsung oder Intel und über Exportverbote drehen sich fast immer um diese Technik.

Im Alltag begegnet sie einem im Produkt. Jedes aktuelle Smartphone, jede moderne Grafikkarte und die Chips hinter KI-Diensten sind mit EUV belichtet. Wenn ein Hersteller mit einem Drei-Nanometer-Prozess wirbt, steckt diese Lichtquelle dahinter.

Ein häufiger Irrtum: EUV-Licht schreibt die Strukturen nicht Punkt für Punkt wie ein Laserdrucker. Es projiziert ein ganzes Muster gleichzeitig durch eine Maske, eine Art Schablone. Der nächste Schritt heißt High-NA-EUV, wobei NA für die numerische Apertur steht, also das Lichtsammelvermögen der Optik. Diese Maschinen nutzen dieselbe 13,5-Nanometer-Quelle, aber größere Spiegel, und kosten noch einmal deutlich mehr.