Lichtgriffel für die Chip-Industrie

Gießener Atomphysiker am Lichtschalter – Deutsche Forschungsgemeinschaft fördert Projekte am Institut für Atom- und Molekülphysik (IAMP) mit rund 200.000 Euro

Das stetig vertiefte wissenschaftliche Verständnis von Ionisierungsvorgängen durch die Forschungen Gießener Atom- und Molekülphysiker lässt neue wesentliche Erkenntnisse für die Computerindustrie und vielfältige weitere Anwendungen erwarten. Zur Erforschung der atomaren Quellen für die zur Nano-Strukturierung zukünftiger Computerprozessoren benötigte Strahlung erhält die Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Alfred Müller, Institut für Atom- und Molekülphysik (IAMP) im Fachbereich 07 – Mathematik und Informatik, Physik und Geographie der Justus-Liebig-Universität, daher jetzt von der deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) Sach- und Personalmittel in Höhe von rund 200.000 Euro.

Wir sind Zeugen einer kaum vorstellbaren industriellen Entwicklung, die aufs engste mit der Entdeckung des Transistoreffekts durch die Physiker Bardeen, Brattain und Shockley verknüpft ist. Die drei Forscher wurden 1956 mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet. Auf der Basis der von ihnen erforschten physikalischen Grundlagen des Transistors erwirtschaftet die Halbleiterindustrie heute weltweit mehr als 100 Billionen US$ pro Jahr. Die Miniaturisierung elektronischer Bauelemente hat in den vergangenen 30 Jahren insbesondere die dramatische Entwicklung von Computerleistung bei fallenden Preisen ermöglicht. Alle drei Jahre hat sich in dieser Zeit die Rechenleistung von PCs vervierfacht. Das macht nach Adam Riese mehr als 1 Million Mal mehr Rechenschritte pro Sekunde in einem modernen Prozessor gegenüber dem guten alten 8080 Rechenwerk vor 30 Jahren. Schon damals lag die Größe der Strukturen auf einem Prozessor bei etwa 10 Mikrometern und damit bei einem Zehntel des Durchmessers eines menschlichen Haars. Bei den heutigen Chips liegt der typische Abstand zwischen den Leiterbahnen im Bereich von 100 Nanometern (nm), ist also um einen Faktor 100 kleiner als vor 30 Jahren.

Derzeit werden Halbleiter unter Verwendung von Licht mit einer Wellenlänge von 193 nm strukturiert. Vergleichbar mit einem Griffel auf einer Schiefertafel ritzt dieses ultraviolette Licht die Leiterbahnen und Transistoren auf das Ausgangsmaterial für die künftigen Mikroprozessoren. Die für die industrielle Fertigung notwendige Lichtleistung stellen Strahlen so genannter Excimer-Laser zur Verfügung. In den nächsten Jahren wird die Halbleiterindustrie durch Griffe in die physikalische Trickkiste mit diesem 193 nm Licht immer feinere Strukturen schreiben und den Größenbereich von 50 nm zwischen Leiterbahnen erschließen. Für den nächsten Schritt in der Miniaturisierung muss dann aber, daran geht kein Weg vorbei, eine neue Technologie her.

Wer Physik studiert, lernt bereits in den ersten Semestern, dass man für die Auflösung immer feinerer Strukturen, beispielsweise unter einem Mikroskop, Licht immer kürzerer Wellenlänge benötigt. Dementsprechend soll die Fertigung zukünftiger Chip-Generationen auf 13.5 nm Strahlen ausgelegt werden, das heißt man wird intensive Quellen für Extrem-Ultraviolett (EUV) Strahlung benötigen, deren Wellenlänge um einen Faktor 15 kleiner ist als bei den gegenwärtig verwendeten Excimer-Lasern.

Die Entwicklung solcher Lichtquellen hat bereits begonnen, Deutschland nimmt auf diesem Gebiet eine führende Stellung ein. Mit geeigneten physikalischen Methoden heizt man ein Gas so weit auf, dass es intensiv leuchtet. Es wird zu einem Plasma, in dem neben den unversehrten Atomen auch solche vorkommen, denen Elektronen aus der Atomhülle entrissen wurden. Die durch das Entfernen der elektrisch negativ geladenen Elektronen nun ihrerseits elektrisch positiv geladenen Atome nennt man Ionen.

Nicht jedes Gas ist für die benötigte Strahlungs-Wellenlänge geeignet. Der Grund hierfür liegt in den elektronischen Eigenschaften der Gasatome bzw. deren Ionen in ihren verschiedenen Ladungszuständen. Elektrisch geladene Atome sind letztlich die Quelle für das benötigte kurzwellige Licht. Als besonders geeignet wurden zehnfach positiv geladene Ionen des Edelgases Xenon erkannt. Diese Ionen senden intensiv EUV Strahlung im Bereich der gewünschten 13.5 nm aus. Bei Zinn-Atomen findet man sogar, dass es gar nicht so sehr auf die Anzahl der abgelösten Elektronen ankommt. Egal ob sieben, acht, neun oder bis zu zwölf Elektronen fehlen, die so präparierten Zinn-Atome senden alle 13.5 nm Strahlung aus.

Die Erzeugung mehrfach geladener Ionen und die Erforschung ihres mikroskopischen Verhaltens fallen in das Spezialgebiet der Wissenschaftler und Techniker am Institut für Atom- und Molekülphysik. Dort wurden in weltweit einzigartigem Umfang Technologien zur Erforschung mehrfach geladener Ionen entwickelt und das damit verbundene Spezialwissen zusammengetragen. An den umfangreichen Apparaturen im Haus, aber auch an externen Großforschungsanlagen wie zum Beispiel den Beschleunigern der Gesellschaft für Schwerionenforschung in Darmstadt oder an der „Advanced Light Source“ in Berkeley, USA, wird das Verhalten von Ionen unter den extremen Bedingungen eines Plasmas untersucht.

Eine Spezialität des Instituts ist die experimentelle Technik der kollidierenden Strahlen (zum Beispiel einander überkreuzende Strahlen von Elektronen und Ionen). Darauf basieren die am IAMP durchgeführten Untersuchungen atomarer Prozesse, die bei einzelnen Stößen zwischen Ionen und freien Elektronen, EUV-Photonen, Atomen oder anderen Ionen, eben den mikroskopischen Bestandteilen eines Plasmas, auftreten. Auf dieser Basis bestehen beste Voraussetzungen für eine Investition der Deutschen Forschungsgemeinschaft in eine Sub-Nanotechnologie, wie sie am IAMP verfolgt wird, in diesem Fall die Erforschung von Lichtquellen auf der atomaren Skala. Speziell soll der Frage nachgegangen werden, mit welcher Effizienz Elektronen aus Ionen der Elemente Zinn und Xenon durch Beschuss mit Elektronen entfernt werden können. Aus dem wissenschaftlichen Verständnis dieser Ionisierungsvorgänge werden neue Erkenntnisse nicht nur für die Computerindustrie erwartet, sondern darüber hinaus auch für andere Anwendungen und Bereiche der Grundlagenforschung, etwa für die Physik von Höchstleistungslasern oder das Leuchten ferner Galaxien im Universum.

Kontakt:

Prof. Dr. Alfred Müller
Institut für Atom- und Molekülphysik
Leihgesterner Weg 217
35392 Gießen
Telefon: 0641/99-15200
Fax: 0641/99-15109
E-Mail: Alfred.Mueller@strz.uni-giessen.de