EUV-Lithographie in der Halbleiterherstellung

1. Können Sie das Unternehmen ASML kurz vorstellen?

Sander Hofman: ASML ist ein führender Zulieferer für die Halbleiterindustrie. Wir bieten Chipherstellern Lithographiemaschinen, Software und Dienstleistungen, um die Muster von integrierten Schaltkreisen (Mikrochips) in Massenfertigung zu produzieren. Wir wurden 1984 als Joint Venture gegründet und habe die ersten zehn Jahre unserer Firmengeschichte damit verbracht, eine wettbewerbsfähige Lithographiemaschine zu entwickeln – und uns einen Namen zu machen. Zu Anfang war ASML von Fördermitteln und Unterstützungsprogrammen der Niederländischen Regierung und der Europäischen Union abhängig.

In den frühen 1990er Jahren hatten wir ein System, dass wir an die weltweit größten Chiphersteller verkauften. Sie waren von der Auflösung, dem geringen Fußabdruck und der Modularität des Systems beeindruckt. Diese Modularität hat in der Art, wie wir unser Geschäft betreiben, ihren Ursprung. Wir sind Architekten und Integratoren. Wir entwickeln unsere Technologie in enger Zusammenarbeit mit unseren Kunden und Technologiepartnern, und vertrauen auf unsere Supply Chain um die meisten Systemkomponenten und Module herzustellen. Viele unserer strategischen Partner sind in Europa ansässig. Dazu gehören unter anderem Carl Zeiss im Bereich Optiken und Trumpf in der Lasertechnologie.

2. Wie geschützt ist das Wissen von ASML?

Hofman: Wir halten inzwischen über 15.000 Patente für unterschiedlichste Technologien. Die Patente betreffen nicht nur das Hauptgeschäft, die Lithographie, sondern auch verwandte Märkte. Dazu gehört beispielsweise die Metrologie, Messinstrumente zur Auswertung der Lithographie, sowie die computergestützte Lithographie. Hierzu zählen die Aspekte Machine Learning und KI.

Auch wenn ASML ursprünglich ein reines Hardwareunternehmen war, hat sich der Softwaresektor im vergangenen Jahrzehnt zu einem essentiellen Bestandteil unserer Innovation entwickelt. Das Wissen ist urheberrechtlich geschützt und für die Funktionen der Maschinen auf Nanometerebene unerlässlich.

3. Welche Funktionen erfüllen die Maschinen von ASML in der Halbleiterherstellung?

Hofman: Nehmen wir an, dass wir ein Telefon in seine Einzelteile zerlegen. Darin befinden sich zahlreiche Chips, die unterschiedliche Funktionen erfüllen. Im Fall des Iphones ist das zum Beispiel der berühmte A15, oder der M1 im Mac. Diese Chips sind das Herzstück des Geräts.

Würde man diesen Chip näher betrachten, könnte man darauf Hunderte Schichten von vernetzen geometrischen Mustern erkennen. Zusammen bilden diese einen integrierten Schaltkreis oder Chip. All diese Schichten mit Mustern sind das, was unsere Maschinen auf Silikon drucken können. Die Produktion muss in Reinraumumgebungen ablaufen.

4. Wie lange dauert die Herstellung der Maschinen?

Hofman: Halbleiterhersteller betreiben ihre Fabriken 24 Stunden am Tag, 365 Tage im Jahr. Und dasselbe gilt für ASML. Die Reinraumumgebungen, in denen die Systeme hergestellt werden, sind 24 Stunden am Tag in Betrieb, sodass unsere Mitarbeiter im Schichtdienst arbeiten. Der Herstellungsprozess ist recht zeitintensiv. Für ältere Maschinengenerationen kann die Herstellung Wochen dauern.

Aber für ein EUV-System dauert es Monate. Die Supply Chain muss außerdem alle Komponenten und Module rechtzeitig liefern, was an und für sich eine logistische Herausforderung ist. Die Fertigung und Tests der Maschinen nehmen auch einige Zeit in Anspruch. In der gegenwärtig anhaltenden Chipknappheit bauen wir unsere Produktionskapazitäten aus.

5. Was genau ist Lithographie?

Sander Hofman: Ein integrierter Schaltkreis oder Chip besteht aus hunderten von Schichten vernetzter Muster. Unsere Maschinen drucken diese Muster auf Silikon. Vereinfacht gesagt sind die Maschinen von ASML hochentwickelte Kopierer für diese Muster. Dieser Prozess wird Lithographie genannt. In den Maschinen haben wir eine Lichtquelle, mit Licht einer bestimmten Wellenlänge. Im Fall der EUV-Systeme, den neuesten und innovativsten Systemen, steckt das schon im Namen – EUV, Extreme Ultra Violet Light (extrem ultraviolette Strahlung), mit einer Wellenlänge von 13,5 Nanometern.

6. Welche Bedeutung hat Licht für die Produktion?

Hofman: Das Licht mit einer Wellenlänge von 13,5 Nanometern wird von uns generiert und via Optiken durch unsere Maschinen geleitet. Die Spiegel werden von ZEISS in Deutschland hergestellt. Das Licht wird von einem Grundmuster reflektiert, das wir “Maske” nennen. Diese kodiert das Muster in den Lichtstrahl. Schließlich wird der Lichtstrahl und das Muster mittels weiterer Optiken geschrumpft bevor es auf dem lichtempfindlichen Silikonwafer landet, es wird quasi immer wieder auf der Oberfläche aufgedruckt, wie bei einem Kopierer.

7. Was sind die finalen Herstellungsschritte für den Wafer?

Hofman: Nach der Lithographie wird der Wafer in der Halbleiterfabrik unserer Kunden weiterverarbeitet. Diese Schritte werden mit Maschinen von anderen Herstellern von Halbleiterausrüstung durchgeführt. Der Wafer wird unter anderem mit chemischen Bädern behandelt, geätzt und ionisiert um fertiggestellt zu werden. Insgesamt kann es bis zu drei Monate dauern, bis ein Wafer seine Runden durch die FAB eines Kunden gemacht hat.

Es müssen mehrere Schichten gedruckt werden, eine über der anderen, der Wafer erneut geätzt werden und mit Lithographie weiterverarbeitet werden. Es entsteht ein Silikonwafer auf dem Hunderte, manchmal sogar Tausende von Chips nebeneinander gedruckt sind. Das Endprodukt kann dann in einzelne Chips zerteilt und verpackt werden, bevor diese in elektronischen Geräten eingebaut werden. Das ist der grundlegende Kontext dafür, was unsere Maschinen sind und wie sie funktionieren.

8. Was sind die herausragenden Features der EUV-Maschinen von ASML?

Sander Hofman: Die EUV-Systeme sind einzigartig in ihrer Komplexität, in der Art wie sie entwickelt werden und wie ASML mit der Supply Chain zusammenarbeitet, um sie herzustellen. Letztendlich ist ausschlaggebend, dass die Chipindustrie eine erschwingliche Maschine verlangt, die die höchste Leistung für die Schichten der Chips in der Halbleiterherstellung erzielt, die über die kleinsten Features verfügen. Die EUV-Technologie ermöglicht die fortschrittlichste Halbleiterfertigung.

9. Wie wird das Licht in der EUV-Maschine generiert?

Hofman: Die Lichterzeugung bei der EUV-Lithographie ist ein unglaublich komplexer Prozess. Ein Generator schleudert 25-Mikrometer-Zinntröpfchen mit einer Geschwindigkeit von 70 Metern pro Sekunde in ein Vakuumgefäß. Trumpf stellt für das System einen sehr leistungsstarken industriellen CO2-Laser her, der auf diese Zinntröpfchen geschossen wird. Jedes einzelne Tröpfchen muss zweimal getroffen werden. Der erste Treffer erfolgt mit einem Laserpuls geringer Intensität, der das Zinntröpfchen abflacht, ähnlich der Form eines Pfannkuchens. Der zweite Treffer mit einem stärkeren Laserpuls verdampft das Tröpfchen und erzeugt EUV-Licht.

In der EUV-Maschine ist ein Vakuum erforderlich, da extrem ultraviolettes Licht von allen Materialien absorbiert wird. Aus diesem Grund werden Spiegel anstelle von Linsen verwendet, da Spiegel das Licht reflektieren und übertragen können. Dies ist die einzige Möglichkeit, das Licht durch die Maschine und auf den Wafer zu leiten, da Linsen es einfach absorbieren würden.

10. Was waren die größten Herausforderungen in der Entwicklung der EUV-Maschine?

Hofman: Die Entwicklung der Lichtquelle, der Vakuumtechnologie und der Optiken in EUV waren eine enorme Herausforderung. Aus diesem Grund hat die Entwicklung 20 Jahre gedauert. ASML und seine Zulieferer mussten diese Phänomene auf einer fundamentalen Ebene der Physik meistern, bevor sie technisch umgesetzt werden konnten. Dabei ergaben sich immer wieder neue Probleme und Aufgaben, die gelöst werden mussten. Doch schlussendlich hat ASML die Physik der Technologie gemeistert und konnte sie technisch umsetzen. Das Ergebnis ist eine funktionstüchtige EUV-Maschine, die ihre Aufgaben in einer FAB zuverlässig und präzise ausführt.

11. Welche Upgrades bietet ASML für bestehende Systeme an?

Sander Hofman: ASML bietet Hardware- und Software-Upgrades an. Wie in der Roadmap festgelegt werden große Erstauslieferungen von Systemen ausgeführt und ungefähr alle Paar Quartale Upgrades angeboten. Dies ist ein immenser Vorteil der Modularität der Maschinen, der sich über die Jahre als Erfolgsfaktor für ASML herausgestellt hat. ASML bietet Chipherstellern eine Plattform, auf der sie das System mit genau den Konfigurationen erwerben können, die für ihre spezifischen Chips benötigt werden. ASML entwickelt und bietet regelmäßig Upgrades an. Diese können zum Beispiel die Produktivität des Systems steigern oder bieten eine höhere Präzision in der Massenfertigung.

12. Ziehen die Upgrades Ausfallzeiten in der Produktion nach sich?

Hofman: Der Rollout von Software erfolgt in der Regel sehr einfach und schnell, während Hardware-Upgrades Tage oder Wochen dauern können. Dies ist abhängig von der Art des Upgrades. Die Systeme von ASML erhalten regelmäßig Upgrades. Es erfordert eine Produktionsunterbrechung, die mit den Halbleiterherstellern abgestimmt wird. Das macht einen gewaltigen Unterschied. Da die Hersteller eine hochautomatisierte FAB betreiben, gibt es zahlreiche unterschiedlichen Prozessen mit mehreren Maschinen. Geplante Ausfallzeiten stellen sicher, dass die Beeinträchtigung der Produktion minimiert wird.

13. Erhalten auch ältere Generationen von ASMLs Lithographiesystemen Upgrades?

Hofman: Über 95% aller von ASML hergestellten Systeme sind auch heute noch im Einsatz. Die älteren Systeme werden in der Herstellung von Chips mit größeren Features und Transistorengrößen genutzt, die für Anwendungen im Automotive-Bereich oder der Sensorik geeignet sind. Der Markt für Halbleiter boomt in diesen Anwendungsbereichen. Wir haben Systeme in unserem Produktportfolio, die speziell für diese Anwendungen hergestellt werden, und bieten dazugehörigen Service und Upgrades an. Einige unserer ältesten Systeme werden generalüberholt.

Die Anzahl der Transistoren auf Mikrochips verdoppelt sich etwa alle paar Jahre. Systeme wie die von ASML werden ständig weiterentwickelt und optimiert, um eine noch höhere Leistung in der Chipfertigung zu erreichen. EUV-Systeme sind wichtige Treiber für die Produktion der nächsten Halbleitergenerationen.

14. Wie viele EUV-Maschinen stellt ASML jedes Jahr her?

Hofman: 2021 hat ASML insgesamt 286 Lithographiesysteme ausgeliefert, darunter circa 40 EUV-Systeme. Zurzeit herrscht Halbleitermangel – eine gewaltige Nachfrage wird von den großen Trends wie 5G, KI und Big Data, Internet of Things und dem autonomen Fahren vorangetrieben. Die Produktion des gesamten ASML-Portfolios soll gesteigert werden. Für EUV im besonderen bedeutet das, dass für 2022 eine Kapazität von 55 Systemen angestrebt wird. Für das Folgejahr soll die Zahl der hergestellten EUV-Systeme auf 60 gesteigert werden.

15. Wie entwickeln sich die Halbleiterbranche und ASML weiter?

Hofman: Was die Entwicklung der Halbleiterbranche und Transistorengrößen der Chips betrifft, sind die Antworten in den Roadmaps von Unternehmen wie Intel, TSMC und Samsung zu finden. Diese Unternehmen planen, die Transistorengrößen für das nächste Jahrzehnt und darüber hinaus zu schrumpfen. Zum Teil ist diese Entwicklung möglich, weil ASML mit dem EUV-System die Innovation weiter befeuert.

ASML arbeitet bereits an der nächsten Generation der EUV-Plattform, die eine noch feinere Auflösung bieten wird. Der Start der Massenproduktion wird für 2025 erwartet. Die Supply Chain arbeitet aktiv daran, alle Komponenten und Module bereitzustellen, die im ASML Cleanroom in Veldhoven zusammenkommen werden um die erste Maschine zu bauen. Die Verkleinerung der Transistorengrößen geht rasant voran, und die Industrie hungert danach. Es gibt heutzutage mehr denn je einen Chip für jede Anwendung. Auch die Verbreitung aller Arten von Automobillösungen und Sensortechnik hat zugenommen. Die Chipbranche boomt, und wir bieten ihr die Werkzeuge, um die Innovation voranzubringen.

16. Wie bereitet sich ASML konkret auf die Veränderungen in der Chipindustrie vor?

Hofman: Ein Blick auf den Halbleitermarkt zeigt, dass dieser derzeit einen enormen Aufschwung erlebt. Der Gesamtumsatz der Branche beläuft sich derzeit auf rund 550 Milliarden Dollar, und Prognosen zufolge könnte er bis zum Ende des Jahrzehnts auf 1 Billion Dollar anwachsen. ASML baut derzeit seine Produktionskapazitäten aus. Es wird mehr Platz benötigt und es werden mehr Mitarbeiter eingestellt, um mehr Maschinen schneller produzieren zu können. Es werden neue Reinräume gebaut. Dies ist ein anhaltender Trend, der auch bei den strategischen Partnern und Lieferanten von ASML zu beobachten ist.

Gemeinsam arbeiten wir an der nächsten Generation von Lithographiesystemen, während wir gleichzeitig die aktuellen Generationen erneuern. Meiner Meinung nach sind dies aufregende Zeiten. Wir treten in eine Ära ein, in der die Halbleiterindustrie im Zentrum einer enormen Menge von Innovationen steht, die die Welt voranbringen werden. Und hoffentlich wird sie dazu beitragen, einige der Probleme zu lösen, mit denen wir als Menschheit konfrontiert sind, wie Klimawandel, Zugang zur Gesundheitsversorgung und Bildungsgerechtigkeit. Die Technologie kann dazu beitragen, diese Herausforderungen auf eine Art und Weise anzugehen, wie es bisher nicht möglich war.