EUV-Strahlung

Deshalb ist extremes UV-Licht (EUV) eine zukunftssicherndes Werkzeug

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Kommen wir zurück zur EUV-Licht-Erzeugung per Plasma

Schon seit den 1990er-Jahren gibt es zwei konkurrierende Verfahren, mit denen EUV-Strahlung für industrielle Anwendungen erzeugt werden kann: Gasentladungs- und Laserplasmen. Ein Gasentladungsplasma kann man sich als Lichtbogen in einem Gasbehälter vorstellen. Druck, Strom und die Art des Gases bestimmen dann das Plasma und die resultierende Strahlung. Mit dem Edelgas Xenon, einem Druck im Bereich von etwa 100 Pascal (circa 1 Millibar oder 0.001 Atmosphären) und etwa 10 Kilo-Ampere lässt sich dann ein Plasmakanal von wenigen Milimetern Durchmesser erzeugen. Der Vorgang ist gepulst und dauert mehrere 100 Nanosekunden. Im Vergleich zu typischen laserinduzierten Plasmen ist die Plasmadichte mindestens 100 mal geringer.

Die Erzeugung von EUV-Licht mit dem Laser ist relativ schwierig. Vereinfacht gesagt, muss ein Laserpuls Materie so erhitzen, dass sie die richtige Strahlung abgibt. Die Anlage von ASML nutzt dafür einen 40-Kilowatt-CO2-Laser von Trumpf, mit dem auf winzige Zinntröpfchen geschossen wird. Über einen kleinen Vorpuls wird das Zinntröfpchen in eine an den Hauptpuls exakt angepasste Wolke verwandelt. Der Hauptpuls des Lasers trifft dann auf eine scheibenförmige Zinnwolke, was eine Konversionsrate im niedrigen Prozentbereich möglich macht.

Die per Laser erzeugte EUV-Strahlung wird von einem Spiegel mit fast einem Meter Durchmesser aufgefangen und in das bereits erwähnte und so begehrte Lithografiesystem fokussiert. Obwohl ein erheblicher Aufwand betrieben wird, um das verdampfte Zinn (sogenanntes Debris) vom Spiegel fernzuhalten, degradiert dessen Oberfläche und der Spiegel muss regelmäßig getauscht werden. Inzwischen lassen sich mehrere 100 Watt EUV-Lichtleistung über laserinduzierte Plasmen erzeugen. ASML wirbt deshalb damit, dass ihr System Twinscan NXE:3600D über 180 Siliziumwafer pro Stunde belichten kann.

Das EUV-Lithografiesystem Twinscan NXE:3600D von ASML gehört zu den kompliziertesten Maschinen, die je gebaut wurden. Es ist hoch begehrt bei Anwendern.
Das EUV-Lithografiesystem Twinscan NXE:3600D von ASML gehört zu den kompliziertesten Maschinen, die je gebaut wurden. Es ist hoch begehrt bei Anwendern.
(Bild: ASML)

EUV-Strahlung für den technischen „Normalverbraucher“

Das System von ASML wiegt aber auch 180 Tonnen! Bei der Herstellung von Mikroprozessoren mag das vertretbar sein. Wer aber nur EUV-Spiegel entwickelt, braucht sicher keine so große Anlage. Daneben gibt es aber auch noch einige andere Anwendungen, für die eine kleinere, weniger komplexe Quelle völlig ausreicht.

Die gepulste EUV-Quelle am Fraunhofer ILT liefert 40 Watt Leistung, bei einer Wellenlänge von 13,5 Nanometern und ± 1 Prozent in der Bandbreite.
Die gepulste EUV-Quelle am Fraunhofer ILT liefert 40 Watt Leistung, bei einer Wellenlänge von 13,5 Nanometern und ± 1 Prozent in der Bandbreite.
(Bild: Fraunhofer ILT)

Denn Wissenschaftler am ILT und der Rheinisch-Westfälischen Technischen Hochschule Aachen (RWTH Aachen) haben eine Möglichkeit entwickelt, mit der eine EUV-Quelle mit einer relativ einfachen Prozesstechnik zur Verfügung steht. Die EUV-Quelle basiert auf der Plasmagasentladung im Edelgas Xenon. Sie liefert eine durchschnittliche EUV-Leistung um die 40 Watt, bei 13,5 Nanometern Wellenlänge und einer spektralen Bandbreite von ± 1 Prozent. Die Quelle nutzt die Entladungstechnologie namens Hollow-Cathode-Trigger (HCT), die sich für die effektive Emission im Bereich der weichen Röntgenstrahlung bis zum EUV-Bereich bewährt hat. Seit dem Jahr 2000 wird diese am Fraunhofer ILT entwickelt und ist weltweit bei verschiedenen Anwendern im Einsatz.

Das verspricht die EUV-Strahlung in Sachen Nanowelt-Anwendungen

Grundsätzlich gibt es zwei Wege zur Nutzung von EUV-Strahlung: Messen und Strukturieren. Für die Messungen spielt die geringe Absorptionslänge von EUV-Licht in Festkörpern eine große Rolle. Diese Strahlung eignet sich dadurch sehr gut für Schichtdickenmessungen. Am Fraunhofer ILT wurden so etwa ultradünne Membranen mit Dicken von circa 20 Nanometern, Vielschichtsysteme mit Einzelschichtdicken von unter 1 Nanometer und periodische Gitterstrukturen bis in den Subnanometerbereich charakterisiert. Darüber hinaus wurde die Stöchiometrie von Membranproben und Vielschichtsystemen erfolgreich bestimmt.

Oft wird EUV-Licht auch für die Entwicklung und Produktion von Komponenten für die Halbleiterindustrie eingesetzt. Der Test von Resisten, also Fotolacken für die Chipproduktion, ist ein Beispiel dafür. Bild 4 zeigt eine Testmaske und die am Fraunhofer ILT entwickelte Laborbelichtungsanlage für EUV-Belichtungen. Mit der Maske lässt sich die Auflösung neuer Resiste nach EUV-Belichtung bestimmen.

Transmissionsmaske für Auflösungstests (links). EUV-Nanostrukturierungsanlage am ILT (rechts).
Transmissionsmaske für Auflösungstests (links). EUV-Nanostrukturierungsanlage am ILT (rechts).
(Bild: Fraunhoer ILT)

Ein anderes Beispiel ist die Defektinspektion von Oberflächen. Dafür wird die EUV-Strahlung in einem Dunkelfeldmikroskop genutzt. Ein entsprechendes System wurde am Lehrstuhl Technologie Optischer Systeme der RWTH Aachen University in Zusammenarbeit mit einem Industriepartner aufgebaut. Der Prototyp eines aktinischen Maskenblank Inspektionsgerätes (ABIT) kann Defekte mit Abmessungen unter 50 Nanometern in einem großen Messfeld nachweisen. Daneben gibt es noch viele andere Anwendungen, so zum Beispiel in der Photoelektronenspektroskopie, in der Mikroskopie mit noch kürzeren Wellenlängen (anderes Gas in der Plasmaquelle) oder auch mit spektroskopischer Reflektometrie.

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