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Das imec verkündet die Fertigung eines Qubit-Bausteins, der mittels High-NA-EUV-Lithografie hergestellt wurde. Es handelt sich laut Aussage des Forschungsinstituts um das erste Element im Bereich der Quantencomputer, welches mithilfe der High-NA-EUV-Lithografie gefertigt wurde.
Unter den derzeit erforschten Quantenplattformen gelten Silizium-Quantenpunkt-Spin-Qubits als besonders aussichtsreicher Ansatz für eine industrielle Skalierung. Ein wesentlicher Vorteil liegt in ihrem Fertigungsprozess, der in weiten Teilen mit der etablierten CMOS-Produktion konventioneller siliziumbasierter Computerchips kompatibel ist.
Weltweit forschen und arbeiten Dutzende Unternehmen an der Entwicklung von Quantenplattformen. Deutschland und darunter viele Unternehmen aus München sind dabei weltweit führend. Aktuell und seit Jahren geht es darum, die Systeme zu skalieren – bestenfalls von aktuell mehreren tausend Qubits auf mehrere Millionen. In der Fertigung geht es um eine hohe Zuverlässigkeit und präzise Steuerung der Qubits.
Bei Silizium-Quantenpunkt-Spin-Qubits wird ein einzelnes Elektron in einer nanoskaligen Siliziumstruktur innerhalb der Gate-Schicht eingeschlossen. Der Spin-Zustand dieses Elektrons dient dabei als Träger der Quanteninformation. Um störende Einflüsse aus der Umgebung möglichst gering zu halten, müssen die Abstände zwischen den einzelnen Gates auf ein Minimum reduziert werden. Dies ist nun in einem funktionsfähigen Qubit-Netzwerk mit Gate-Abständen von knapp 6 nm gelungen. Aufgrund der sehr geringen Strukturgrößen gilt es grundsätzlich als möglich, perspektivisch Millionen von Quantenbits auf einem einzelnen Chip zu integrieren.
Während bereits absehbar ist, dass die High-NA-EUV-Lithografie eine wesentliche Grundlage für Logik- und Speichertechnologien mit Strukturbreiten unter 2 nm bildet und damit die Weiterentwicklung leistungsfähiger Chips unterstützt, zeichnet sich zunehmend ab, dass die Technologie auch für die Entwicklung künftiger Quantencomputer-Hardware von zentraler Bedeutung sein könnte.
Bei den Chipherstellern plant Intel den Einsatz von High-NA-EUV mit der Fertigung in Intel 14A – lässt sich aber auch eine Hintertür. Zu den Chancen und Risiken der Technik haben wir vor einiger Zeit einen ausführlichen Artikel verfasst.
Hintergrund zur High-NA-EUV-Lithografie
High-NA-EUV befindet sich bei Intel seit mehr als einem Jahrzehnt in Entwicklung. Bereits vor 26 Jahren wurde erstmals die technische Machbarkeit einer solchen Belichtungstechnologie thematisiert.
Ein zentraler Aspekt beim Einsatz von High-NA-EUV sind die hohen Kosten. Die benötigten Scanner bewegen sich preislich im Bereich von mehreren hundert Millionen Euro. Um die Investitionen zumindest teilweise zu begrenzen, lassen sich einige Komponenten aus der vorherigen Generation weiterverwenden. Dazu zählt unter anderem die Lichtquelle, die weiterhin mit ultraviolettem Licht einer Wellenlänge von 13,5 nm arbeitet.
Schon die Erzeugung dieses Lichts gilt als technologische Meisterleistung. Die EUV-Strahlung entsteht nicht direkt in einer klassischen Lichtquelle, sondern durch einen komplexen Prozess: Ein Hochleistungslaser trifft zweimal auf winzige Tropfen aus flüssigem Zinn. Der erste Impuls formt den Tropfen zu einer flachen Scheibe, der zweite ionisiert das Material und erzeugt ein Plasma, das die Strahlung mit 13,5 nm emittiert. Dieser Vorgang wiederholt sich rund 50.000-mal pro Sekunde. Ein Kollektorspiegel sammelt die in alle Richtungen abgestrahlte EUV-Strahlung, bündelt sie und leitet sie an das Lithografiesystem – etwa den ASML Twinscan – zur Belichtung des Wafers weiter. Die dafür eingesetzten Laser stammen vom deutschen Unternehmen TRUMPF.
Eine weitere entscheidende Neuentwicklung betrifft die Spiegel der High-NA-Scanner, die höchste Präzision erfordern. Der von ZEISS entwickelte Spiegel besitzt einen Durchmesser von einem Meter. Seine Oberflächenrauheit darf maximal 20 pm betragen. Um diese Dimension greifbarer zu machen: Übertragen auf die Größe der Erde entspräche die höchste Erhebung auf einer solchen Oberfläche weniger als einem Meter.
