Wie Mikrochips immer leistungsfähiger werden und Künstliche Intelligenz besser machen

Schlüsseltechnologie für die Herstellung von Mikrochips ist seit mehr als 40 Jahren die optische Lithographie. Mit dem Einsatz der DUV-Technologie, tief ultraviolettes Licht, stieß dieses Verfahren an technische und ökonomische Grenzen. „Um die durch die Digitalisierung oder Künstliche Intelligenz notwendige Rechenleistung zu erreichen und gleichzeitig Energieverbrauch und Fertigungskosten pro Chip bei der Chip-Herstellung zu senken, musste völlig neu gedacht werden”, berichtet Peter Kürz.

Die Lösung fanden die Forscher auch weiterhin in der Wellenlänge des Lichts. Schon ZEISS Pionier Ernst Abbe hatte im 19. Jahrhundert beobachtet: Je kürzer die Wellenlänge des Lichtes bei einer Abbildung, desto besser ist die Auflösung. Für die Herstellung von Mikrochips bedeutet das: Je kürzer die Wellenlänge, desto feiner sind die Strukturen auf dem Wafer. Bei der DUV-Technologie war eine Verkürzung der Wellen kaum mehr möglich. Also musste eine neue Lösung her. Mit Hilfe der EUV-Technologie ist es schließlich gelungen, die Wellenlänge um den Faktor 14 zu reduzieren – von 193 auf 13,5 Nanometer. Mit dieser Technik lassen sich auf einem Wafer Strukturen abbilden, die 5.000-mal dünner sind als ein menschliches Haar.

Was in der Theorie nun so einfach klingt, ist in der Praxis Hochtechnologie. „Wir reden hier über die weltweit präzisesten Spiegel und mechatronische Systeme, die diese Spiegel extrem präzise halten. Wissenschaftlich, aber auch technisch gibt es enorme Herausforderungen“, erklärt Kürz. So entsteht durch das EUV-Licht ein Plasma, das 40-mal heißer ist als die Oberfläche der Sonne.

Zusammengeführt werden alle diese Technologien in einer komplexen Maschine – gut 180 Tonnen schwer, so groß wie ein Schulbus und bestehend aus mehr als 100.000 Einzelteilen. „Das ist mit die anspruchsvollste Maschine, die je gebaut wurde“, sagt Kürz. Für eine Innovation dieser Größenordnung braucht es folglich ein gutes Team – und starke Partner. Der Laser in der EUV-Quelle kommt beispielsweise von der Firma Trumpf. Die Maschine und die EUV-Lichtquelle selber wurden von ASML entwickelt, dem weltweit einzigen Hersteller von EUV-Lithographie-Maschinen, der gemeinsam mit ZEISS für die Produktion von 80 Prozent aller Mikrochips weltweit verantwortlich ist.

Künstliche Intelligenz hat dabei eine Doppelrolle gespielt: Zum einen wird KI genutzt, zum anderen wird KI ermöglicht. “Künstliche Intelligenz hilft uns beispielsweise zu erkennen, wann wir Bauteile in unseren Fertigungsmaschinen tauschen müssen“, erklärt Kürz. Die größere Verbindung sieht er aber in der Rolle von ASML und ZEISS als Möglichmacher von Digitalisierung, insbesondere dieser neuen Technologie, der Künstlichen Intelligenz. „Für KI braucht es Unmengen an Daten und eine enorme Rechenleistung. Also braucht man immer leistungsfähigere Mikrochips. Und die ermöglichen wir“, sagt er. Die Digitalisierung sieht er als Basis technologischen Fortschritts. „Diese Entwicklung macht Änderungen möglich, die man für unmöglich gehalten hat“, sagt der Experte. Die Grenzen des Machbaren immer weiter verschieben treibe ihn an. KI macht es möglich.

Statt sich mit dem Ergebnis zufrieden zu geben, arbeitet der 57-Jährige mit seinem Team bereits an der nächsten Entwicklungsstufe der Chip-Produktion, einer neuen Chip-Generation. Mithilfe der High-NA-EUV-Optik, die einen größeren Öffnungswinkel bietet, soll die Auflösung der Optik noch weiter verbessert werden. „Wenn wir den Öffnungswinkel der Optik – die sogenannte numerische Apertur (NA) vergrößern, können wir die Transistorendichte auf den Mikrochips noch weiter erhöhen – und der Chip wird noch leistungsfähiger“, erklärt Kürz. Es sieht also gut aus für die Zukunft der Künstlichen Intelligenz und der Halbleiter. Und auch Gordon Moore dürfte das freuen: Es sieht danach aus, als hätte sein Gesetz auch bis ins nächste Jahrzehnt Bestand.