Röntgenlithografie vs. High-NA EUV: Können die USA die Spitze zurückerobern?

Die USA wittern eine echte Chance, ihre Führungsrolle in der Chipfertigung zurückzuerobern. Im Zentrum jeder modernen Fab steht der Lithografiescanner – die Maschine, die die Schaltpläne eines Chips auf die Siliziumwafer schreibt. Heute dominiert hier die EUV-Lithografie (Extreme Ultraviolet) mit einer Wellenlänge von 13,5 nm.

Nur so lassen sich die extrem feinen, dichten Strukturen reproduzierbar drucken, die Prozessoren der 3-nm-Klasse benötigen. Wenn ein Application Processor 20 bis 30 Milliarden Transistoren beherbergt (mit steigender Tendenz), braucht es solch kurzwelliges Licht und hochpräzise Optiken, damit die Muster scharf und korrekt auf dem Wafer landen.

EUV war die logische Fortsetzung der DUV-Ära (Deep Ultraviolet) mit 193 nm, die die Industrie über 28 nm, 14 nm bis hinunter in Richtung 10 nm getragen hat. Die Physik dahinter ist simpel, aber unerbittlich: Je kürzer die Wellenlänge, desto kleiner sind die abbildbaren Strukturen und desto geringer ist die Beugungsunschärfe. Mehr Transistoren pro Quadratmillimeter bedeuten in der Praxis mehr Rechenleistung pro Watt. Das spürt man überall – von energiehungrigen Rechenzentren über KI-Beschleuniger bis hin zu Smartphones, die länger durchhalten und gleichzeitig mehr leisten.

Dieser Fortschritt hat jedoch einen hohen Preis. Ein Low-NA-EUV-Scanner kostet typischerweise zwischen 150 und 200 Millionen US-Dollar. Dahinter steckt Ingenieurskunst, die fast wie Science-Fiction wirkt: eine Plasma-Lichtquelle auf Basis von Zinntröpfchen, extrem reine Multilayer-Spiegel, Schwingungsdämpfung auf Mikrometer-Niveau und Reinräume, die jedes Staubkorn zum Feind erklären. Der nächste Schritt ist High-NA EUV: Die numerische Apertur steigt von etwa 0,33 auf rund 0,55. Das erhöht den Einfallswinkel des Lichts, steigert die Auflösung und verbessert die Kontrolle über Linienkanten und kritische Dimensionen. Der Preis klettert entsprechend: 350 bis 380 Millionen US-Dollar pro Werkzeug – ohne Installation, Service, Masken, Resists und Messtechnik einzurechnen.

Warum ist High-NA so wichtig? Ohne die höhere Auflösung müssen Fabs aggressiv auf Multipatterning setzen: Das Layout wird in mehrere Teilmuster zerlegt, die in getrennten Belichtungen exakt übereinandergelegt werden müssen. Das funktioniert, treibt aber die Komplexität nach oben. Zykluszeiten verlängern sich, Energieverbrauch und Maskenverschleiß steigen, und das Overlay-Risiko nimmt zu. Jede zusätzliche Belichtung öffnet eine weitere Fehlerquelle – bis hin zu stochastischen Defekten, die ausgerechnet kritische Leitungen treffen. Am Ende leiden Ausbeute (Yield) und Kosten pro guter Die. High-NA reduziert genau diese Last, indem es kleinere Strukturen in einem Schritt sauberer abbildet.

Zugleich gibt es ein strategisches Nadelöhr: Nur ein Unternehmen liefert EUV-Scanner in Serie – ASML aus den Niederlanden. Diese technologische Einzigartigkeit ist eng mit Geopolitik und Exportkontrollen verwoben. Wer Zugang zu den neuesten Tools hat, kann den Takt des Fortschritts setzen; wer keinen hat, muss Alternativen suchen oder mit älteren Nodes leben. Das erklärt, warum jede glaubwürdige Option jenseits des EUV-Monopols sofort Aufmerksamkeit von Regierungen, Investoren und Foundries bekommt.

Genau hier positioniert sich Substrate, ein US-Startup, das auf Röntgenlithografie (XRL) mit kompakten Teilchenbeschleunigern setzt. Die Idee: Elektronen (oder Ionen) nahezu auf Lichtgeschwindigkeit beschleunigen und die freigesetzte Energie in einen extrem hellen, gerichteten Strahl umwandeln – am Werkzeug selbst Milliardenfach heller als die Sonne, wie es das Unternehmen formuliert. Ziel ist es, Auflösungen der 2-nm-Klasse zu erreichen oder zu übertreffen, die Betriebskosten gegenüber EUV zu senken und gleichzeitig die optisch-mechanische Kette für das X-Ray-Regime neu zu denken. Substrate verspricht, diese Leistungsdaten noch vor 2030 in die Praxis zu bringen.

Gelingen könnte damit eine Verlängerung von Moores Gesetz – der historischen Beobachtung, dass sich die Transistordichte etwa alle zwei Jahre verdoppelt. Doch die Grenzen verlaufen längst nicht nur in der Physik, sondern in der Ökonomie. Rocks Gesetz hält entgegen: Die Kosten einer führenden Fab verdoppeln sich rund alle vier Jahre. Was zu Beginn der 2010er noch für 5 Milliarden US-Dollar zu bauen war, liegt heute regelmäßig im Bereich von mehreren Dutzend Milliarden. Parallel steigen die laufenden Kosten für Werkzeuge, Energie, Requalifizierung und Personal. Substrate zeichnet für 2030 ein klares Bild: Ohne Kurswechsel könnten die Kosten pro führendem Wafer Richtung 100.000 US-Dollar laufen (gegenüber heutigen Richtwerten um die 30.000 US-Dollar bei 2-nm-Klassen), während neue Fabs 50 Milliarden und mehr verschlingen. Dann wäre der Engpass weniger die Physik, sondern die Bilanz.

Der Gegenentwurf: eine Kostenkurve, die nach unten zeigt. Substrate spricht von einem Pfad, der den Preis pro Wafer bis Ende des Jahrzehnts eher in Richtung 10.000 als 100.000 US-Dollar drückt. Wie könnte XRL das schaffen? Kürzere effektive Wellenlängen und andere Beleuchtungsgeometrien versprechen weniger komplexe Masken und weniger Belichtungen. Weniger Schritte bedeuten weniger Überlagerungsfehler, geringere stochastische Varianz und schnellere Zyklen. Ist die Quelle hell und stabil genug, steigt zudem die Durchsatzrate pro Stunde. Die Kehrseite: Röntgenstrahlung interagiert anders mit Materialien. Resists müssen neu formuliert werden (Empfindlichkeit, Linienkantenrauheit), Masken brauchen neue thermische Konzepte, in-tool-Metrologie und Prozesskontrolle müssen angepasst werden. Aus jedem Versprechen erwächst eine Reihe harter Entwicklungsaufgaben – Patente, Prototypen, Integration in reale Fertigungsrouten.

Das Timing ist politisch wie industriell interessant. Die USA fördern den Aufbau heimischer Kapazitäten und resiliente Lieferketten. Eine Technologie, die die Abhängigkeit von einem einzigen ausländischen Anbieter verringert und zugleich die Kostenexplosion adressiert, fügt sich ideal in diese Agenda. Liefert Substrate Werkzeuge, die 2-nm-Anforderungen erfüllen, hohe Verfügbarkeit erreichen, Overlay stabil halten und sich in bestehende EDA- und Prozess-Workflows einfügen, hätte das enorme Auswirkungen – von der Forschung bis zur Serienfertigung.

Nüchternheit bleibt trotzdem Pflicht. High-NA EUV ist real, wird schrittweise qualifiziert und von einer reifen Ökosphäre aus Resists, Maskentechnik, Messtechnik und Best Practices flankiert. Jeder Herausforderer muss an harten Metriken gemessen werden: Uptime, Overlay, Critical Dimension Uniformity, Linienkantenrauheit, Masken-/Pellicle-Strategie und Total Cost of Ownership. Foundries migrieren Volumenprodukte erst nach langen Piloten. Am Ende gewinnt nicht die spektakulärste Physik, sondern die Technologie, die dauerhaft den niedrigsten Preis pro guter Die bei Ziel-Yield liefert.

Die mögliche Dividende ist allerdings groß. Wenn führende Nodes nicht nur wenigen Mega-Akteuren offenstehen, sondern breiteren Entwicklerkreisen, beschleunigt das Innovation: KI-Beschleuniger, Edge-Compute, 6G-Radios, Elektronik für Quantenkontrolle und effizientere Rechenzentrums-Chips könnten schneller vorankommen. Hinter der Schlagzeile steckt also mehr als eine neue Lichtquelle. Es geht um eine Neujustierung der Kostenstruktur, die darüber entscheidet, wer an der Spitze der Skalierung überhaupt mitspielen kann. Ob die 2020er als Dekade des High-NA-Feinschliffs enden oder von einer X-Ray-Disruption geprägt werden – die Mission ist identisch: weiter skalieren, die Leistung pro Watt steigern und die Kosten pro Rechenoperation senken. Substrates Anspruch, Moores Gesetz zu strecken und Rocks Gesetz zu biegen, ist kühn. Gelingt es, könnten die USA nicht nur rhetorisch, sondern in der täglichen Taktung von „Wafer rein – Chips raus“ erneut den Takt angeben.