JSR möchte die Halbleiterfertigung revolutionieren

Diese frühen Supercomputer wurden für wichtige Zwecke hergestellt, wie geheime militärische Arbeit, akademische Forschung oder fortschrittliche Technik. In den 1980er-Jahren mussten diese Computer in Wannen mit Kühlflüssigkeit betrieben werden, damit ihre Prozessoren nicht schmolzen. Heute können wir noch leistungsfähigere Computer bauen, die so klein sind, dass Sie in Ihre Hosentasche passen.

Ingenieure haben Jahrzehnte damit verbracht, immer kleinere, leichtere und leistungsfähigere Computer zu entwickeln. Fast jede wichtige wissenschaftliche und kulturelle Errungenschaft des letzten halben Jahrhunderts der Menschheitsgeschichte geht auf diesen Fortschritt zurück.

1965, nur wenige Jahre nach dem Aufkommen der Halbleiterindustrie, traf der Ingenieur und Geschäftsmann Gordon Moore eine Prognose. Er behauptete, dass sich die Anzahl der Transistoren auf einem Chip in den nächsten zehn Jahren alle zwei Jahre verdoppeln werde.

Es war eine gewagte Behauptung, die genauso visionär war wie die heutiger Quantencomputing-Pioniere. Moore glaubte, dass es Ingenieuren innerhalb von zehn Jahren fünf Mal gelingen würde, das sprichwörtliche Kaninchen aus dem Hut zu zaubern. Doch seine Prognose reichte nur bis 1975 – es schien klar, dass mit der Magie irgendwann Schluss sein und die Entwicklung sich verlangsamen würde.

Doch diese Prognose, die als Mooresches Gesetz bekannt wurde, bewahrheitete sich tatsächlich weit über ein Jahrzehnt lang: Ab Mitte der 1960er-Jahre gelang es Ingenieuren, die Transistordichte von Mikrochips alle zwei bis drei Jahre zu verdoppeln. Transistoren, die in den späten 1960er-Jahren noch so breit waren wie Wollfasern (20 Mikrometer), wurden mikroskopisch klein. Im Jahr 2021 entwickelte IBM einen Chip, dessen kleinste Komponenten nur zwei Nanometer breit sind – das ist schmaler als ein Strang menschlicher DNA.

Um das Mooresche Gesetz auch in den letzten Jahrzehnten erfüllen zu können, haben sich Ingenieure auf einen Trick der Chemie verlassen.

In den 1980er-Jahren entdeckte ein Team von IBM eine neue Methode zum Drucken von Transistoren auf Chips. Sie gaben fadenförmige, verzweigte Moleküle in eine Lösung und strichen diese Lösung – einen sogenannten Fotolack – als dünne Schicht auf die Oberfläche eines leeren Chips.

Sobald die Lösung getrocknet war, klebten die Moleküle an der Oberfläche fest. Dann bestrahlte das Team diese Oberfläche durch einen gemusterten Bildschirm mit ultraviolettem Licht. Das Muster auf dem Bildschirm stellte sicher, dass nur ein Teil der Moleküle dem Licht ausgesetzt wurde.

Die Verzweigungen dieser chemischen Stränge reagierten auf Licht. Dabei veränderte sich das Verhalten des Fotolacks: Er wurde mehr oder weniger klebrig. Die Forscher entfernten den UV-Strahlen ausgesetzten Fotolack anschließend mit Wasser. Die Moleküle, die zurückblieben, bildeten komplexe Muster auf dem Siliziumwafer.

Heute dienen diese Muster als Orientierungshilfen für die Verdrahtung von Mikrochips. Hersteller drucken Transistoren auf diese Muster und verwenden sie als Orientierung für die feinen Rechenstrukturen.

„Wenn man sich diese Muster unter dem Mikroskop ansieht, dann fällt gleich auf, wie sauber diese Linien und wie scharf ihre Ränder sind", so Jeannette Garcia, Senior Research Manager for Quantum Applications Research and Software bei IBM Quantum.

Auf diese Präzision kommt es an – jede Ungenauigkeit könnte zu Fehlern im Herstellungsprozess und somit zu nutzlosen Mikrochips führen.

IBM hat eng mit Partnern wie JSR zusammengearbeitet, um diesen Prozess zu verfeinern und die Fotolacke so zu gestalten, dass die Form der Muster im Nanometerbereich genau kontrolliert werden kann.

„Mit präzisen chemischen Methoden kann man diese unglaublich kleinen Größen erreichen und Komponenten realisieren, die nicht breiter sind als die Photoresistpolymere“, erklärte Garcia. „So konnten wir zwei Nanometer breite Komponenten herstellen. Diese Methoden helfen uns, das Mooresche Gesetz auch weiterhin zu erfüllen.“

Heutzutage ist die gesamte Mikrochip-Fertigungsbranche auf den Fotolackprozess angewiesen.

„Wir bei JSR sind stolz darauf, einer der weltweit führenden Hersteller von Fotolacklösungen zu sein“, so Hiroaki Tokuhisa, Chief Technology Officer bei JSR. „Wir liefern die Chemikalien, die das Mooresche Gesetz im 21. Jahrhundert voranbringen, und arbeiten eng mit Partnern wie IBM zusammen, um unser Angebot an Fotolackchemikalien immer weiter zu verbessern.“

Wie die Mikrochips, zu deren Herstellung das Unternehmen beiträgt, sind auch diese Fotolacke seit den ersten Experimenten in den 1980er Jahren deutlich komplexer geworden. Da sich die chemische Forschung weiterentwickelt hat und immer feinere Muster ermöglicht, wurden den Fotolacken neue Elemente hinzugefügt, um sie präziser zu machen. So haben Forscher beispielsweise chemische Komponenten, so genannte Photosäuregeneratoren (PAGs), in die Lösung eingebracht.

Garcia zufolge wirken PAGs ein bisschen wie chemische Schlepper, da sie die größeren Polymere an ihren Platz schubsen. Wenn bestimmte Bedingungen erfüllt sind, spuckt ein PAG ein Proton aus, das mit den Polymeren im Fotolack interagiert. Dadurch werden die Moleküle löslich, sodass sie weggespült werden können. Wenn Hersteller neue Mikrochips entwickeln, arbeiten sie mit JSR zusammen, um zu ermitteln, welche Fotolacklösung sie brauchen, um die gewünschten Ergebnisse zu erzielen.

Dieser Prozess kann zeit- und kostenintensiv sein.

„Es ist schwierig vorherzusagen, wie sich ein neuer Fotolack verhalten wird. Wir müssen ihn zuerst im Labor herstellen und ihn dann in realen Situationen gründlich testen“, so Hiroaki.

Die chemischen Methoden, die dabei eine Rolle spielen, sind zu komplex, als dass selbst die leistungsfähigsten Supercomputer der Welt sie effektiv simulieren könnten.

„Wir glauben aber, dass sich dies bald ändern wird“, so Hiroaki. „Zusammen mit unseren langjährigen Partnern bei IBM experimentieren wir mit chemischen Simulationen auf Quantencomputern. Wir haben bereits gezeigt, dass Quantencomputer kleine Moleküle simulieren können, die Teile eines Fotolacks imitieren.“

Die reale Welt basiert auf der Quantenmechanik, und Quantencomputer könnten bald unser bestes Tool für ihre Simulation sein. Diese Computer, die derzeit bei IBM Quantum einen Prozess der schnellen Skalierung und Entwicklung durchlaufen, könnten eines Tages komplexe Probleme lösen, die selbst klassische Supercomputer überfordern würden.

Mit Hilfe von Computerchemiesimulationen will JSR neue Fotolacke schneller und kostengünstiger entwickeln – ein potenzieller Vorteil, wenn es darum geht, das Mooresche Gesetz auch in Zukunft zu erfüllen.

IBM und JSR rechnen damit, dass Quantencomputer leistungsfähige Tools für diese Art der chemischen Simulation sein werden, sobald sie die erforderliche Skalierungs- und Leistungsfähigkeit erreicht haben. JSR arbeitet aktuell mit IBM Quantum zusammen, um die Grundlage für diese Zukunft zu schaffen.

„Da Quantencomputer immer leistungsfähiger werden, möchten wir bereit sein, sie zur Unterstützung unserer Arbeit einzusetzen“, so Hiroaki.

Kürzlich simulierte ein Forschungsteam aus JSR- und IBM Quantum-Experten erfolgreich ein kleineres Molekül, das sich ähnlich wie ein PAG verhält. Dabei zeigte sich, dass es in einer Zeit, in der Quantencomputer immer weiter skaliert werden, prinzipiell möglich sein sollte, die PAGs selbst zu simulieren.

All diese Anstrengungen werden dazu führen, dass quantenzentrierte Supercomputer in nicht allzu ferner Zukunft bisher unlösbare Probleme lösen, was sich positiv auf die chemische Forschung auswirken wird. Für JSR bedeutet dies voraussichtlich bessere, schnellere Computerchips, die zu geringeren Kosten hergestellt werden. Und für andere Partner könnte dies Fortschritte in der Arzneimittelforschung oder der Werkstoffkunde bedeuten.

Heute bietet IBM Quantum die weltweit fortschrittlichste Flotte von Quantencomputingsystemen und Software für die Ausführung von Quantenschaltungen in großem Maßstab. Ihre Organisation kann mit IBM Quantum zusammenarbeiten, um die Forschung voranzutreiben und Kompetenzen im Bereich Quantencomputing aufzubauen.

Die JSR Corporation (Link befindet sich außerhalb von ibm.com) entwickelt und vertreibt zahlreiche weltweit führende Produkte, die für die Herstellung von Halbleiterchips unerlässlich sind. Dazu gehören Materialien für Lithografie, CMP-Materialien, Prozessmaterialien und Verpackungsmaterialien. Das Unternehmen verwendet dabei Technologien, die durch Polymermaterialien ermöglicht werden. Die LCD- und Display-Materialien der nächsten Generation von JSR werden bei der Herstellung von LCD- und OLED-Displays verwendet.