Cymer speiste einen Laser mit 50.000 Zinntröpfchen pro Sekunde, um das Licht zu erzeugen, mit dem 3-nm-Chips gedruckt werden

In den 2000er-Jahren waren der Industrie die Wellenlängen ausgegangen: Um das Mooresche Gesetz im Zeitplan zu halten, brauchten die Chiphersteller Lithografie bei 13,5 nm – ein Licht, für dessen Erzeugung kein Laser existiert und das keine Linse durchlässt. Das Licht musste aus einem Plasma kommen, das heiß genug war, um Zinnatome zu den Ladungszuständen Sn IX bis Sn XIV zu strippen, deren Emissionslinien sich bei 13,5 nm häufen – 50.000-mal pro Sekunde erzeugt, über Jahre, in einem Vakuumgefäß, ohne die Optik zu zerstören, die das Leuchten sammelt.

Die naheliegenden Versuche scheiterten. Das Verbrennen fester Zinntargets überzog den Kollektorspiegel mit Ablagerungen, und Entladungsdesigns setzten erodierende Elektroden bei geringer Leistung in die Explosionszone. Cymer, das Unternehmen aus San Diego, das bereits die Tief-Ultraviolett-Lichtquellen für die meisten Chip-Scanner herstellte, investierte Jahre und Kapital in die tröpfchengespeiste Antwort: einen Generator, der etwa 25 Mikrometer große geschmolzene Zinntropfen mit 70 m/s abschießt, einen Vorpuls, der jeden Tropfen zu einem Fladen geringer Dichte aufweitet, und einen Hauptpuls eines 10,6-Mikrometer-CO2-Lasers, der ihn zu einem Plasma ionisiert, das bei 13,5 nm mit 5–6 % Konversionseffizienz emittiert – etwa 250 Watt nutzbares Licht.

ASML, der einzige noch verbliebene Lithografiesystem-Hersteller in der EUV, befand, die Lichtquelle sei zu kritisch, um sie in fremden Händen zu lassen. Am 17. Oktober 2012 vereinbarte das Unternehmen, Cymer für 1,95 Milliarden Euro in bar und Aktien zu kaufen – 20,00 US-Dollar plus 1,1502 ASML-Aktien je Aktie, eine Prämie von 61 % – ausdrücklich, „um die Entwicklung von EUV zu beschleunigen“. Damals hatten die Vorserien-Scanner NXE:3100 von ASML bereits mehr als 23.000 Wafer bei Kunden belichtet.

Der Deal wurde am 30. Mai 2013 zu etwa 3,7 Milliarden US-Dollar abgeschlossen – teurer als angekündigt, weil sich der Aktienkurs von ASML nahezu verdoppelt hatte. Cymer lief als US-basierte Quellendivision von ASML weiter und bediente weiterhin zu Marktbedingungen auch konkurrierende Scanner-Hersteller.

Die Tröpfchen dem Plasma zuführen; das Target sich selbst erneuern lassen

Zinn ist der einzige praktikable Emitter bei 13,5 nm, sodass das eigentliche Konstruktionsproblem nicht das Plasma war, sondern es zu überstehen – Tröpfchen lösen das, indem sie das Target wegwerfbar machen.

Das Zweipuls-Schema formt das Target, bevor es verbrannt wird: Der Vorpuls-Fladen ermöglicht eine effiziente Kopplung des CO2-Pulses und treibt die Konversionseffizienz auf die 5–6 %, die die Fertigung benötigt.

Wasserstoffgas wandelt abgeschiedenes Zinn in Stannan-Gas um, das abgepumpt wird, sodass sich der Kollektorspiegel an Ort und Stelle selbst reinigt, statt das Werkzeug abzuschalten.

ASML kaufte den Quellenhersteller, statt sein EUV-Programm auf Lieferantenverhandlungen zu setzen – vertikale Integration nahm die riskanteste Einzelkomponente aus der Lieferkette.

Wenn eine Komponente durch ihre eigene Arbeit immer wieder zerstört wird, höre auf, sie zu härten – mache sie wegwerfbar und führe sie kontinuierlich zu. Ein sich selbst erneuernder Verbrauchsartikel schlägt Panzerung.

Jede Leading-Edge-Chipfabrik läuft heute auf dieser Architektur: ASML ist das einzige Unternehmen, das EUV-Lithografiesysteme verkauft, und seine Quellen der aktuellen Generation liefern etwa 250 W In-Band-Leistung am Zwischenfokus, wobei High-NA-Systeme 500 W anstreben. Kollektorspiegel erodieren weiterhin – etwa 0,1–0,3 % Reflexionsverlust pro Milliarde Pulse –, sodass sie ungefähr jährlich ausgetauscht werden, und der Zinntröpfchen-Generator bleibt das Herz der Maschine. Chips, die mit 13,5-nm-Licht strukturiert werden, stecken im Wesentlichen in jedem modernen Smartphone und Rechenzentrumsprozessor.