Tintenstrahlbasierte Wafer-Planarisierung: Die mikroskopische Lösung für ein riesiges Chip-Problem

Grundsätzlich tendieren wir eher dazu, das große Ganze zu sehen. Jeder technologische Quantensprung (und davon gab es in letzter Zeit viele) findet Eingang in unsere Fachgespräche im Kollegenkreis. Aber solche Entwicklungen kommen nicht aus heiterem Himmel - das wissen wir. Denn unser Wissenschaftsteam arbeitet im Hintergrund daran, Probleme zu lösen, von deren Existenz die meisten Menschen keine Ahnung haben, die aber den Kurs der Technologie radikal verändern könnten.

Können Sie sich vorstellen, dass wir bereits seit mehr als einem halben Jahrhundert Maschinen herstellen und vertreiben, die als „Gehirn“ in unserer Elektronik eingesetzt werden? Wir kennen uns also ein bisschen mit Halbleiterchips aus. Vor kurzem haben wir die Welt einen Schritt näher an die Lösung eines großen – aber eigentlich winzigen – Problems gebracht: Wie können wir die Herstellung leistungsstarker Computerchips vereinfachen, die wir für das Zeitalter der künstlichen Intelligenz benötigen?

Und sie müssen leistungsfähiger werden, um den stetig wachsenden Verarbeitungsanforderungen gerecht zu werden. Wenn Sie über Grundkenntnisse im Bereich Computerchips verfügen, wissen Sie sicher, dass dies eine Anspielung auf das berühmt-berüchtigte „Mooresche Gesetz“ ist. Es besagt, dass „sich die Anzahl der Transistoren auf einem Mikrochip etwa alle zwei Jahre verdoppelt, während die Herstellungskosten sinken.“ Und auch wenn umstritten ist, ob dies noch immer zutrifft, bleibt doch die Tatsache bestehen, dass sich etwas ändern musste, um die Leistung eines Chips zu steigern, ohne dass es sich auf Größe, Kosten oder Herstellungsgeschwindigkeit auswirkt. Um dieses Problem anzugehen, hat unser Wissenschaftsteam eine Weltneuheit entwickelt. Eine Technologie, die – offen gesagt – so bahnbrechend und so komplex ist, dass sie einer kurzen Erläuterung bedarf.

Eine kleine Stadt mit holprigen Straßen

Wenn heute Halbleiterchips hergestellt werden, kommt dabei eines von zwei verschiedenen Verfahren zum Einsatz – entweder die Photolithografie, also das traditionelle Verfahren, bei dem mithilfe von Licht unglaublich komplexe elektrische Schaltkreise gewissermaßen in einen Siliziumwafer eingraviert werden. Oder Nanoimprint-Lithografie, eine neue Technologie von Canon, bei der die Schaltkreise präzise „aufgestempelt“ werden (man kann sich das ein bisschen wie ein winziges Waffeleisen vorstellen). Und hier fangen die Probleme erst richtig an.

Chips sind dadurch, dass buchstäblich Milliarden winziger Transistoren auf ihnen untergebracht wurden, leistungsfähiger geworden. Dies führt jedoch – wie man sich vorstellen kann – zu einer gewissen Verdichtung, wodurch ihre Oberfläche uneben wird. Das ist ein großes Problem, denn auf einem unvorstellbar winzigen Chip kann selbst die kleinste Unebenheit dieselben Auswirkungen haben wie ein riesiges Schlagloch auf einer Straße. Wenn also die nächste Schicht von Schaltkreisen darüber gedruckt werden muss, kann das Ganze leider ziemlich wackelig werden.

Da auf modernen Chips Dutzende dieser Schichten übereinander gestapelt sein können, wurde dies bisher mithilfe von Verfahren wie dem Spin-Coating (Auftragen einer Flüssigkeit, die einen Film auf der Oberfläche bildet, und anschließendes Drehen, um diese dünn und gleichmäßig zu verteilen) und dem chemisch-mechanischen Polieren (wiederholtes Glätten des Wafers vor dem Aufbringen der nächsten Schicht) gelöst. Da jedoch alle Elemente, aus denen ein Chip besteht – Transistoren, Schalter und Kupferleiterbahnen – immer kleiner werden, sind diese Verfahren nicht mehr präzise genug.

Lösung des Problems dank Tintenstrahltechnologie

Ja, Sie haben richtig gelesen – Tintenstrahl. Es überrascht sicher niemanden, dass wir über ein enormes Maß an Expertise in diesem Bereich verfügen und – vereinfacht ausgedrückt – dass wir genau die Technologie, mit der Tinte präzise auf Papier gebracht wird, technisch so weiterentwickelt haben, dass sie die Oberfläche eines Chips perfekt ausfüllt. Und so funktioniert das:

Scannen: Zuerst wird eine Art Karte der Oberfläche des Siliziumwafers erstellt, wobei deren Höhen und Tiefen mit absoluter Präzision erfasst werden.

Tintenstrahlauftrag und Füllung: Dann berechnet das Gerät mithilfe der von Canon entwickelten Tintenstrahldüsen exakt, wie viel von einer speziellen Flüssigkeit benötigt wird, um die mikroskopisch kleinen „Schlaglöcher“ aufzufüllen.

Pressen: Zum Schluss wird eine flache Platte auf die Flüssigkeit gedrückt, sodass die Zwischenräume vollständig ausgefüllt werden. Anschließend wird sie mithilfe von UV-Licht in ein festes Harz umgewandelt.

Wenn die Platte angehoben wird, ist die Oberfläche vollkommen eben. Eigentlich wird diese Beschreibung dem Grad an Ebenheit, der mit dieser Technologie – der tintenstrahlbasierten adaptiven Planarisierung – erreicht wird, nicht gerecht. Die maximale Höhenabweichung der Oberfläche beträgt weniger als 5 Nanometer. Wenn man bedenkt, dass ein menschliches Haar etwa 80.000 bis 100.000 Nanometer breit ist, ist das unglaublich glatt.

Aber ja, Nanometer sind vielleicht nicht gerade die Einheit, die man sich am leichtesten vorstellen kann, also lassen Sie es uns anders formulieren. Nehmen Sie die glatteste Oberfläche, die Sie kennen – vielleicht Ihr Handybildschirm – und stellen Sie dann vor, sie wäre 16 km breit, sodass Sie darauf spazieren gehen könnten. Dabei würde sich herausstellen, dass sie tatsächlich voller Hügel und Täler ist, so hoch wie Häuser und so tief wie Flüsse (um das in der Realität zu erkennen, bräuchte man ein extrem leistungsstarkes Mikroskop). Wenn wir nun diese neue Technologie einsetzen würden, um die Vertiefungen aufzufüllen und anschließend alles mit einer riesigen Platte zu glätten, wäre die größte Unebenheit, auf die Sie stoßen würden, so dünn wie eine Kreditkarte.

Flach, gestapelt und zukunftsweisend

Durch die Beseitigung dieser unglaublich großen Unebenheiten hat unser Wissenschaftsteam einen Durchbruch erzielt. Dieser ermöglicht es Chipherstellern, Schaltkreisschichten immer höher übereinander zu stapeln und so Architekturen zu schaffen, die stärker dreidimensional sind als je zuvor. Aber die Chips werden dadurch nicht breiter und passen weiterhin in die Geräte, die wir kennen und lieben. Und zugleich eröffnet sich dadurch ein Weg, dies schneller und zudem kostengünstiger zu erreichen.

Das große Ganze, das für Schlagzeilen sorgt, ist also: Extrem leistungsstarke Prozessoren für KI-Systeme, Smartphones und Supercomputer von morgen – all das wäre undenkbar ohne eine Welt, in der wir nicht mit mikroskopischer Genauigkeit auf die Details schauen würden. Wir sind davon überzeugt, dass wir unser Fachwissen fortlaufend prüfen und Wege finden müssen, es zur Lösung der verborgenen Probleme einzusetzen, die hinter den komplexesten Infrastrukturen der Welt stehen. Und deshalb sind wir oft die stille Kraft hinter einigen der fortschrittlichsten Technologien, die Sie jeden Tag nutzen.

Man könnte sogar sagen, dass wir den Weg in die Zukunft ebnen.