EUV-Strukturierung mit minimiertem Aufwand

Für die EUV-Lithographie nutzen Chiphersteller Highend-Anlagen. Das Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT in Aachen arbeitet an EUV-Lösungen für kleine und mittlere Unternehmen.

Der Einstieg in die EUV-Lithographie ist für Chiphersteller mit beträchtlichen Investitionen verbunden. Rund 140 Millionen Euro kosten die Anlagen des bisher einzigen Herstellers ASML. Dafür bekommen Kunden voluminöse Highend-Technologie: Groß wie Busse sind die Anlagen, 180 Tonnen schwer und aus hunderttausenden hochpräzise gefertigten Einzelteilen montiert. Allein das Lasersystem aus dem Hause Trumpf besteht aus 450.000 Einzelteilen. Vier hintereinandergeschaltete Hochleistungslaser bringen es zusammen auf 30 Kilowatt Ausgangsleistung.

Angesichts der hohen Kosten dürfte der Zugang zur Nanostrukturierung mit extrem ultraviolet-ter (EUV) Strahlung für Mittelständler und Start-ups langfristig versperrt bleiben. Nur eine Handvoll Halbleiterkonzerne ist in der Lage, den Technologiesprung von bislang 193 Nanome-ter (nm) auf 13,5 nm Wellenlänge finanziell zu stemmen und damit Strukturgrößen im einstelligen Nanometerbereich auf Mikrochips und Speichern zu realisieren.

Extreme und Deep UV mit stark reduziertem Aufwand

Forscher des Fraunhofer-Instituts für Lasertechnik ILT in Aachen verfolgen dennoch das Ziel, kleinen und mittleren Unternehmen EUV- und Deep UV-(DUV)-Lösungen zur Nanostrukturierung zugänglich zu machen. „Wir entwickeln Technologien zur Herstellung von Nanostrukturen, die auch Start-ups oder Mittelständler bezahlen können“, berichtet Dr. Serhiy Danylyuk, Teamleiter EUV and DUV Technology am Fraunhofer ILT. Dafür setzt sein Team darauf, periodische Strukturen über Interferenzeffekte kohärenter Strahlung zu erzeugen – etwa nach dem Prinzip des achromatischen Talbot-Effekts. Der Effekt wurde 1836 vom Briten Sir William Henry Fox Talbot entdeckt: Fällt Licht durch ein periodisches Gitter, dann wird dessen exakte Struktur an der Helligkeitsverteilung im Nahfeld dahinter sichtbar. Die ILT-Forscher ersetzen Talbots Gitter durch Masken, durch die sie die Strahlung eines Excimer-Lasers senden. Dabei entsteht im Nahfeld – kaum 500 µm hinter der Maske – eine Intensitätsverteilung des Lichts, die zur Erzeugung nanolithographischer Strukturen geeignet ist.

In seinen Versuchen hat das Team ein LEAP150K Lasersystem von Coherent eingesetzt. Der Excimer-Laser erzeugt mit einer Wiederholrate von 150 Hertz bei 150 Watt Maximalleistung Pulse im DUV-Wellenlängenbereich (248 nm). Damit konnten sie mit ihrem Talbot-Ansatz zunächst 180 nm breite Linien mit je 600 nm Abstand zueinander in Photolack einbringen. Hintergrund: Die Halbleiterbranche nutzt die Nanolithographie, um photoaktive Lackschichten auf Wafern zu belichten. Laut ILT ist das Verfahren bei der Verwendung höherer Pulsenergien auch geeignet, um Silizium auf Glas sowie die Oberflächen von PET-Kunststoffen nm-genau zu strukturieren.

EUV aus einer Gasentladungs-Strahlquelle

Um noch deutlich feinere Nanostrukturen in Oberflächen einbringen zu können, nutzt das ILT-Team ebenfalls die EUV-Wellenlänge von 13,5 nm. Dafür haben sie eigens eine sehr kompakte Strahlquelle („FS5440“) entwickelt, die EUV Strahlung mit bis zu 40 Watt Leistung auf Basis einer Gasentladung erzeugt. Wie im ASML-Verfahren wird über 200.000 °C heißes Plasma erzeugt, allerdings ohne den Laserbeschuss von Zinntropfen. Stattdessen beruht der Discharge-Produced Plasma-(DPP)-Prozess auf der rapiden Entladung großer Kondensatoren. Dafür wird das Gas zwischen zwei oder mehreren Elektroden eingeführt. Die verfügbare Intensität in der Maskenebene liegt laut ILT über 0,1 mW/cm². Mit dieser Strahlquelle fährt das Team mittlerweile Versuche, denen der Ansatz des achromatischen Talbot-Effektes zugrunde liegt. Beim Belichten von Wafern mit bis zu 100 mm Durchmesser konnten sie in diesen Versuchsreihen bereits Strukturgröße von 28 nm erreichen. „Für so eine kleine Anlage ist das Weltrekord“, melden die Aachener Forscher. Nun streben sie eine Erhöhung der Auflösung auf bis zu 10 nm an.

Natürlich ist diese minimalistische EUV-Lithographie nicht als Konkurrenz zu den Highend-Anlagen der Halbleiterbranche gedacht. Vielmehr hat das ILT Anwendungen im Blick, bei denen beispielsweise neue Photolacke für EUV-Verfahren erprobt oder Nanostrukturen in breitbandig reflektierende Spiegel für Hochleistungslaser eingebracht werden sollen. Auch für die Umsetzung von Nanoantennen für plasmonische Strukturen eigne sich ihr Verfahren. Für sol-che computergestützten Nanolithographien hat das Institut eine komplette Prozesskette von der Simulation über die Maskenfertigung bis hin zur Vermessung von Oberflächen und Schichten aufgesetzt. Damit verschafft das Team um Danylyuk auch Start-ups und Mittelständlern bezahlbaren Zugang zur Nanostrukturierung per EUV-Strahlung.

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