Prozessoren

Intel gibt Einblick in die geheime Fertigung von Lithografie-Masken

In einem Video gibt Intel einen meist bisher nicht möglichen Einblick in die Mask Operation, also die Fertigung von Fotomasken für die Lithografie von Halbleiterchips. Diese Masken werden verwendet, um mittels einer Belichtung die Strukturen auf einen lichtempfindlichen Fotolack zu übertragen. Über chemische und physikalische Prozesse werden daraus die Transistoren und Schaltkreise entwickelt. Eigentlich geben Unternehmen ungerne einen Einblick in die Mask Operation, da dies ein essentieller Schritt in der Halbleitertechnik ist.

Intel zeigt nun aber in einem Video seine Mask Operation in Santa Clara, Kalifornien. Eine solche Fotomaske misst 152,4 x 152,4 mm und ist 6,35 mm dick. Es handelt sich um einen perfekten Quarz. Ein Teil des Designs einer Chip-Architektur wird in diesen Quarz übertragen. Dies geschieht mittels Elektronenstrahllithografie. Solch ein Design-Blueprint hat eine Datengröße von 5 Petabits oder 625 Terabyte.

Warum die Masken so groß sein müssen, erklärt sich ganz einfach aus der Strukturbreite, in der Prozessoren inzwischen gefertigt werden. Eine weitere Verbesserung des Auflösungsvermögens über eine immer kürzere Wellenlänge des eingesetzten Lichts oder den immer komplexeren Aufbau der Fotolithografieanlage über mehrere Dutzend Schichten ist nur noch schwer möglich. Daher der aktuelle Übergang zu EUV-Lithografie, bei der eine Strahlung mit einer Wellenlänge von 13,5 nm anstatt der aktuell üblichen Wellenlänge von 193 nm verwendet wird. Über eine Linse wird das recht große Abbild der Maske auf das Halbleitermaterial in verkleinerter Form übertragen.

Ebenso wie die Struktur des Quarzes perfekt sein muss, gilt dies natürlich auch für die Strukturen, die darin abgebildet werden. Fehler in der Maske werden ansonsten 1:1 in der Lithografie auf den eigentlichen Chip übernommen. Fehler in der Maske sorgen also dafür, dass auch die daraus entwickelten Chips fehlerhaft sind. Die Herstellung einer Maske ist daher ein hochpräziser Arbeitsschritt.

Eine solch komplexe Maske zu fertigen (immerhin sprechen wir inzwischen von Milliarden Transistoren pro Chip) dauert in etwa fünf Tage. Für einen aktuellen Prozessor aus der 14-nm-Fertigung benötigt Intel aber mehr als eine Maske, da die Chips aus verschiedenen Layern bestehen. Mehr als 50 Masken sind inzwischen für Intel notwendig, um in 14 nm derart komplex fertigen zu können. Dies erklärt auch sehr gut die Bedeutung, die der Mask Operation zukommt.

Da Intel sowohl das Design seiner CPU-Architekturen, als auch die Fertigung selbst betreibt, ist man eines der wenigen Unternehmen, welches auch die Fertigung der Masken selbst übernimmt. Im Falle von AMD beispielsweise werden die Masken vom Auftragsfertiger, in diesem Fall TSMC oder GlobalFoundries, gefertigt. Neben Santa Clara betreibt Intel eine zweite Mask Operation in Hillsboro bei Portland im US-Bundesstaat Oregon. Von dort gehen die Masken in die verschiedenen Fertigungsstätten.