EUV: eine Maschine für 350 Millionen, die niemand nachbauen kann

Ohne ein einziges Gerät entsteht kein moderner Prozessor für KI. heise online beschreibt in einem Beitrag über TSMC, t3n.de in einem Text über EUV-Lithografie, warum diese Maschine der Engpass der gesamten Branche ist.

Zuerst die Größenordnung. Die Namen der Fertigungsprozesse, also „3 Nanometer“ und „2 Nanometer“, haben nichts mit den tatsächlichen Abmessungen der Strukturen zu tun. Es sind eher Bezeichnungen für Generationen. Die realen Elemente messen etwa 20 Nanometer. Ein Coronavirus misst etwa 100 Nanometer, ein menschliches Haar ist 80 000 Nanometer dick. In einem der aktuellen Apple-Chips sitzen auf einer Fläche kleiner als ein Fingernagel rund 20 Milliarden Transistoren.

Wie geht das? Lithografie ist eine umgekehrte Fotografie. Auf einen Siliziumwafer mit 30 Zentimetern Durchmesser kommt ein lichtempfindlicher Lack. Dann wird ein Muster mit Licht darauf geworfen, entwickelt und geätzt. Danach folgt die nächste Schicht, und das 80 oder 100 Mal übereinander. Das Problem: Strukturen, die deutlich kleiner sind als die Wellenlänge des Lichts, lassen sich nicht belichten. Jahrzehnte lang nutzte man ultraviolettes Licht mit 193 Nanometern Wellenlänge und presste es mit Tricks aus, durch mehrfache Belichtung und eine Wasserschicht. Als das nicht mehr reichte, griff man zu EUV, extrem ultraviolettem Licht mit 13,5 Nanometern Wellenlänge.

Wie das Licht entsteht

Maschinen, die solches Licht erzeugen, baut genau eine Firma auf der Welt: ASML aus den Niederlanden. Ein Exemplar kostet ab 200 Millionen Euro, die neueste Generation eher um die 350 Millionen. Das Gerät wiegt 200 Tonnen. Zum Aufbau kommen drei Transportflugzeuge vom Typ Boeing 747 und mehrere Lastwagen.

Die Lichterzeugung klingt wie das Experiment, das sie ist. Durch ein Vakuum fliegt ein Tröpfchen flüssigen Zinns, das zweimal von einem Laser getroffen wird. Der erste Schuss flacht das Tröpfchen ab, der zweite verdampft es zu einem Plasma, und das leuchtet kurz im EUV-Bereich. Die Maschine macht das 50 000 Mal pro Sekunde. Das Licht ist so energiereich, dass gewöhnliche Linsen es einfach schlucken würden. Statt Linsen gibt es deshalb Spiegel. Zeiss fertigt sie, und die Zahl stammt direkt aus dem Unternehmen: Vergrößerte man einen dieser Spiegel auf die Größe Deutschlands, wäre die größte Unebenheit einen Zehntelmillimeter hoch.

Warum das niemand wiederholt

Die Größe der Investition erklärt, warum ein einzelnes Land die ganze Kette nicht nachbauen kann. heise merkt an, dass TSMC für Taiwan wie ein „Siliziumschild“ wirkt. Die in dem Beitrag zitierten Schätzungen besagen, dass eine Unterbrechung der Produktion an dieser Stelle das weltweite Bruttoinlandsprodukt um etwa 10 Prozent senken würde. Im Hintergrund laufen auch politische Fragen. t3n erwähnt Vorwürfe der US-Regierung, wonach eine fortgeschrittene EUV-Maschine nach China gelangt sei. Das zeigt für sich genommen, wie strategisch dieses Gerät ist.

Für Leser in Europa ist das nicht nur eine technische Randnotiz. Das niederländische Monopol auf die Lithografie und die deutschen Spiegel sind die einzigen Glieder der weltweiten Halbleiterkette, in denen Europa noch eine Position hat, an der niemand vorbeikommt. Der Rest, also Entwurf, Fertigung und Verpackung, verteilt sich auf Taiwan, Korea, die USA und China. Das ist zugleich das beste Argument in der europäischen Debatte über technologische Souveränität und der schwächste Punkt: Ein einziger Konflikt um die Taiwanstraße genügt, und die ganze Kette steht still.