DUV-Lithografie
DUV-Lithografie ist ein Verfahren, mit dem Fabriken die winzigen Strukturen auf Computerchips erzeugen. Dabei wird ultraviolettes Licht mit sehr kurzer Wellenlänge durch eine Schablone auf eine lichtempfindlich beschichtete Siliziumscheibe projiziert.
Ein Computerchip besteht aus Milliarden winziger Schalter, die auf einer dünnen Scheibe aus Silizium sitzen. Diese Schalter werden nicht einzeln gebaut, sondern wie ein Foto auf die Scheibe belichtet. Man legt dafür eine Schablone mit dem gewünschten Muster in eine Maschine und strahlt Licht hindurch. Das Licht trifft auf eine lichtempfindliche Schicht, und wo es auftrifft, verändert sich diese Schicht chemisch. Bei der DUV-Lithografie benutzt man dafür ultraviolettes Licht, also Licht mit einer kürzeren Wellenlänge, als das menschliche Auge sehen kann. DUV steht für „Deep Ultraviolet“, auf Deutsch etwa „tiefes Ultraviolett“, und bezeichnet Wellenlängen von 248 und 193 Nanometern.
Das Arbeitspferd der Chipfertigung
Fast jeder Chip, der heute hergestellt wird, entsteht mit DUV-Maschinen. Das gilt für Autoelektronik, Waschmaschinensteuerungen, Speicherbausteine und Grafikkarten gleichermaßen. Auch die modernsten Prozessoren durchlaufen dutzende DUV-Schritte, weil nur die allerfeinsten Lagen eine teurere Technik brauchen. DUV ist damit die Grundlage der gesamten Elektronikindustrie, nicht bloß eine Vorstufe.
Wirtschaftlich wichtig ist DUV auch deshalb, weil der Markt für diese Maschinen extrem eng ist. Der niederländische Konzern ASML ist der wichtigste Hersteller, daneben liefern die japanischen Firmen Nikon und Canon. Eine einzelne moderne DUV-Anlage kostet je nach Ausführung zwischen 20 und 80 Millionen Euro. Eine Chipfabrik braucht davon nicht eine, sondern oft mehrere Dutzend.
Politisch tauchen DUV-Maschinen seit einigen Jahren regelmäßig in den Nachrichten auf. Die USA und die Niederlande haben den Export der leistungsfähigsten Modelle nach China eingeschränkt. Ältere DUV-Anlagen darf China dagegen weiterhin kaufen, weshalb es hier ständig Streit über Grenzziehungen gibt.
Von der Schablone zum Transistor
Als Lichtquelle dient ein Laser, der mit einem Gasgemisch arbeitet. Bei 248 Nanometern ist das Krypton und Fluor, bei 193 Nanometern Argon und Fluor. Dieses Licht durchläuft die Maske, also die Schablone mit dem Schaltungsmuster. Ein sehr aufwendiges Linsensystem verkleinert das Bild anschließend, meist auf ein Viertel der Maskengröße. So entstehen Strukturen, die deutlich kleiner sind als alles, was man mit bloßem Auge erkennen könnte.
Physikalisch gilt eine einfache Faustregel: Je kürzer die Wellenlänge, desto feiner die Details. Bei 193 Nanometern war deshalb irgendwann Schluss. Die Industrie half sich mit zwei Tricks. Beim ersten füllt man den Spalt zwischen Linse und Scheibe mit reinem Wasser, was das Licht stärker bündelt. Dieses Verfahren heißt Immersionslithografie.
Der zweite Trick heißt Multi-Patterning: Man belichtet dieselbe Stelle mehrfach mit versetzten Mustern. Zwei grobe Belichtungen ergeben zusammen ein feineres Ergebnis als eine einzelne. Das kostet allerdings Zeit und erhöht die Fehlerquote. Für die feinsten Lagen moderner Chips setzt man deshalb auf EUV-Lithografie, die mit nur 13,5 Nanometern Wellenlänge arbeitet. EUV-Maschinen sind aber deutlich teurer und komplizierter, weshalb DUV nicht verschwindet.
Wo DUV in Schlagzeilen und Geräten auftaucht
Direkt sieht man eine DUV-Maschine praktisch nie, denn sie steht in Reinräumen von Chipfabriken in Taiwan, Südkorea, Japan, den USA oder Deutschland. Indirekt steckt ihr Ergebnis in jedem Smartphone, jedem Laptop und jedem Auto der letzten Jahrzehnte. Wenn Chips knapp werden, wie in der Lieferkrise ab 2020, liegt das oft an fehlender Kapazität genau dieser Maschinen.
In Wirtschaftsnachrichten begegnet dir DUV meist über den Namen ASML. Meldungen über Auftragseingänge, Exportgenehmigungen oder Lieferzeiten dieses Unternehmens gelten als Frühindikator für die gesamte Halbleiterbranche. Ein häufiger Irrtum ist dabei, DUV für veraltet zu halten. Tatsächlich macht DUV weiterhin den größten Teil aller Belichtungsschritte weltweit aus, und neue Fabriken bestellen beide Techniken nebeneinander.