EUV-Technologie in steiler Wachstumskurve
Für die Entwicklung der EUV-(Extreme Ultraviolet)-Lithographie zum industriereifen Verfahren erhielten TRUMPF, ZEISS und das Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF 2020 den Deutschen Zukunftspreis. Um die EUV-Technologie ist seither ein schnell wachsender Multi-Milliardenmarkt entstanden.
Den Kern der EUV-Lithografie erklärte der Sprecher des prämierten Teams, ZEISS-Forscher Dr. Peter Kürz, im PHOTONICS Interview in einem Satz: „In der Anlage werden 50.000 Zinn-Tropfen pro Sekunde in ein Hochvakuum geschossen und dort je zweimal von Pulsen eines Hochleistungs-CO2-Lasers von TRUMPF getroffen. So wird Zinn-Plasma gezündet, das die EUV-Strahlung emittiert“. Es war der niederländische Technologiekonzern ASML, der dieses Verfahren zur Serienreife gebracht hat, und es seither mit großem Erfolg vermarktet. Jüngst wurde bekannt, dass der Halbleiterkonzern Intel auf einen Schlag sämtliche EUV-Lithografie-Anlagen gekauft hat, die ASML 2024 produziert. Das Auftragsvolumen dürfte nur knapp unter zwei Milliarden US-Dollar liegen. Chip-Hersteller stehen bei ASML Schlange, um sich mit der Technologie auszurüsten, die Chip-Strukturen im niedrigen einstelligen nm-Maßstab möglich macht. Der Schlüssel dazu ist, dass die Niederländer die Laser-Plasma-Quelle von TRUMPF mit Highend-Optiken von ZEISS kombinieren. „Würden Sie einen unserer EUV-Spiegel auf die Größe Deutschlands skalieren, wären die größten Abweichungen von der Soll-Form nur 0,1 mm hoch“, berichtete Kürz seinerzeit im Interview.
EUV-Strahlung kann nur künstlich erzeugt werden
Für die bisher feinste Nanostrukturierungen von Wafern bedarf es EUV-Strahlung mit 13,5 Nanometern (nm) Wellenlänge. Diese kommt in der Natur nicht vor, sondern muss mithilfe einer so genannte Secondary Source durch ein Laser-gezündetes Plasma erzeugt werden. Herzstück ist der 30 kW-Laser von TRUMPF, der die Zinntropfen mit den Doppeltreffern in den Zustand eines über 220.000°C heißen Plasmas versetzt. Erst dieses Plasma emittiert Licht mit der benötigten Wellenlänge. Ein niederländisch-amerikanisches Forscherteam vom Advanced Research Center for Nanolithography ARCNL in Amsterdam und dem Los Alamos National Laboratory in New Mexico ist der Frage auf den Grund gegangen, wie genau diese Lichtemission aus dem Plasma vonstattengeht. Demnach zerfallen die Zinnatome im Plasma in freie Elektronen und positiv geladene Ionen mit unterschiedlicher Ladung. Viele der Ionen sind in angeregtem Zustand, werden also von Elektronen mit einer Zusatzportion Energie umkreist, die sie als EUV-Strahlung abgeben, wenn sie auf eine Umlaufbahn wechseln, die näher an ihrem Kern liegt. Wie sich diese zusätzlichen Energiepakete auf ein oder mehrere Elektronen verteilen und inwieweit das davon abhängt, ob sie in der ersten, zweiten, dritten oder sogar vierten Schale um den Atomkern kreisen, war lange ungeklärt. Das Team hat das Rätsel mithilfe eines Supercomputers gelöst, der alle – mehr als zehn Milliarden – möglichen Energieübergänge im Zinnplasma berechnet hat. Das Ergebnis: nicht nur Elektronen, die aus dem ersten angeregten Energiezustand zurückkehren, emittieren 13,5 nm, sondern auch die Elektronen in höheren Schalen. Jedes Elektron, das in einen niedrigeren Energiezustand zurückkehre, trage zur EUV-Emission bei. Genau deshalb sei Zinnplasma einzigartig und für EUV-Strahlquellen besonders geeignet.
Globaler EUV-Markt wächst schnell
Die EUV-Technologie ist der erste industrielle Einsatz so genannter Secondary Sources, der die Entwicklung eines Multi-Milliarden-Dollar-Marktes ausgelöst hat. Und dieser Markt wird in den kommenden Jahren laut aktuellen Marktstudien schnell wachsen. So prognostiziert das Marktforschungsunternehmen Research and Markets der EUV-Lithografie in seiner Global Forecast bis 2028 jährliche Wachstumsraten von knapp 22 Prozent. Am Ende des Betrachtungszeitraums sei ein Marktvolumen von 25,3 Milliarden US-Dollar zu erwarten. Fast ebenso optimistisch fällt ein Ausblick von Data Bridge Market Research aus. In dieser Prognose ist von 20,1 Prozent jährlichem Wachstum die Rede, wodurch der Weltmarkt für EUV-Lithografie im Zeitraum von 2023 bis 2031 von 9,38 auf mehr als 40 Milliarden US-Dollar zulegen wird. Die faszinierende Technologie war also nicht nur einen Deutschen Zukunftspreis wert, sondern sie beflügelt die Halbleiterindustrie mit steilen Wachstumsraten – ökonomisch ebenso wie bei den Leistungen moderner Chips. Die Basis dafür liefert die Photonik in Form einer Laser-Plasma-Quelle.