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

Autor / Redakteur: Andreas Thoß und Klaus Bergmann / Peter Königsreuther

Extreme ultraviolettes Licht (EUV) ist eine neue, attraktive Schlüsseltechnologie. Denn damit lassen sich etwa Nano-Strukturen fertigen und messen. Hier kommen zwei Experten zu Wort.

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Es werde „neues“ Licht! Fotografie eines Plasmas, das extremes UV-Licht emittiert (EUV). Das Plasma wurde durch eine gepulste Gasentladung in einer Niederdruck-Xenon-Atmosphäre erzeugt. EUV-Strahlung ist nicht nur ein Schlüssel für die heutige Chipfertigung.
Es werde „neues“ Licht! Fotografie eines Plasmas, das extremes UV-Licht emittiert (EUV). Das Plasma wurde durch eine gepulste Gasentladung in einer Niederdruck-Xenon-Atmosphäre erzeugt. EUV-Strahlung ist nicht nur ein Schlüssel für die heutige Chipfertigung.
(Bild: Fraunhofer ILT)

Als im Oktober 2020 Apples neueste Smartphones vorgestellt wurden, durfte die interessierte Öffentlichkeit eine neue Abkürzung lernen: EUV. Denn mit extrem ultravioletten Licht wurden die neuen Prozessoren hergestellt. So ein kleines Detail der Herstellung wird zum Verkaufsargument?

Ja, wenn man sich die Technologie genauer anschaut, dann gibt es schon eine Reihe von Superlativen: Denn für die Erzeugung von EUV-Strahlung wird der stärkste in Serie hergestellte Laser der Welt benutzt. Die eigentliche Lithografieanlage, in der die Wafer mit den zukünftigen Prozessoren belichtet werden, wiegt 180 Tonnen und ist das derzeit begehrteste System am Halbleitermarkt. Der niederländische ASML Konzern hat bei EUV 100 Prozent Marktanteil und ist auf Jahre ausgebucht. China konnte die Technologie trotz eines milliardenschweren Programms übrigens nicht entwickeln – nicht einmal nachbauen.

Diese EUV-Licht-Fragen bringen Forscher noch heute ins Grübeln

Was hat es mit diesem EUV auf sich? Wie lässt es sich effizient erzeugen? Und was kann man damit alles machen? An diesen Fragen wird seit den 90er-Jahren am Aachener Fraunhofer-Institut für Lasertechnik (ILT) geforscht. Die Notwendigkeit, EUV-Strahlung zu erzeugen, war von Anfang an absehbar. Und die Herstellung immer kleinerer Strukturen erfordert Licht mit immer kürzeren Wellenlängen. Dass nach UV etwas noch viel Kürzeres kommen musste, war also klar. EUV war die Lösung! Doch das erforderte auch mehrere völlig andere Technologien. Entsprechend viel Vorlaufforschung wurde betrieben.

Was ist also EUV-Licht? Nun, als extrem ultraviolette Strahlung wird Licht mit Wellenlängen zwischen 10 und 121 Nanometern (ISO 21348) bezeichnet. Bei so kurzen Wellenlängen kann man den Bereich auch über die Photonenenergie definieren, denn dabei liegt der Bereich zwischen 10,25 und 124 Elektronenvolt. Bei noch kürzeren Wellenlängen (das bedeutet auch höhere Energien) ist das schon Röntgenstrahlung. EUV gehört zum Vakuum-UV (10 bis 200 Nanometer) weil diese Strahlung von Luft absorbiert wird. Das heißt, wer auch immer EUV benutzen möchte, braucht eine Vakuumkammer. Industriell genutzt wird meist die Wellenlänge von 13,5 Nanometer, weil es dazu passende Spiegel mit komplexen Schichtsystemen gibt. Ihre Reflektivität liegt bei maximal etwa 70 Prozent.

Wie kann man EUV erzeugen? Auch die Sonne emittiert EUV-Strahlung. In den oberen Schichten unserer Atmosphäre führt das zur Ionisierung der dort befindlichen Atome. So entsteht die Ionosphäre, die einen großen Einfluss auf die Ausbreitung von Funksignalen auf der Erde hat.

Welche EUV-Strahlungsquellen stehen uns aber zur Verfügung? Mit einer Glühlampe wird es schwer, denn die müsste über 100.000 Grad Celsius erreichen, um die „Farbtemperatur“ von EUV zu emittieren. Auch Leuchtdioden und gängige Laser kommen nicht in Frage, denn dafür ist die Energie der einzelnen Photonen zu groß. Es braucht schon mehrfach ionisierte Atome, um an sehr energiereiche Elektronen zu kommen. Die findet man aber in heißen dichten Plasmen. Für die industrielle Nutzung ist dieser Ansatz der derzeit übliche. Später mehr dazu.

Diese EUV-Strahlungsquellen werden auch genutzt

Daneben gibt es noch mehrere, eher wissenschaftliche Wege, um EUV-Licht zu erzeugen. Dazu gehören Synchrotrone, in denen Elektronen auf hohe Geschwindigkeiten respektive Energien beschleunigt werden. Werden sie abgebremst, geben sie Strahlung ab. Man muss also nur diesen Bremsprozess genau einstellen und erhält brillante EUV-Strahlung – monochromatisch, gut gebündelt und sogar abstimmbar. Größe und Budget solcher Anlagen machen eine industrielle Nutzung aber weitgehend obsolet.

Ähnlich sieht es mit sogenannten „Hohen Harmonischen“ aus. Dabei wird ein intensiver Laserpulse durch eine Gaskapillare geschickt. Nichtlineare Effekte bewirken die Anregung der einzelnen Elektronen in diesem Gas mit vielen Photonen gleichzeitig. Beim „Zurückfallen“ emittiert das Elektron ein einzelnes Photon mit der kumulierten Energie der Laserphotonen. Diese Strahlung ist sogar kohärent, der Prozess allerdings viel zu ineffizient, um Licht für eine flächige Materialbearbeitung zu erzeugen. Wie auch die Synchrotronstrahlung ist dieses Licht aber für bestimmte Messaufgaben gut geeignet.

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.

EUV-Strahlung kann Nanostrukturen optimieren – sogar rekordmäßig

Man kann sich als Faustregel merken, dass die Wellenlänge in etwa auch die Größe der Strukturen ist, die man damit erzeugen kann. Bei EUV-Licht sind das folglich einige 10 Nanometer. Die komplette Technologie für EUV-Lithografie wurde in den vergangenen Jahren beziehungsweise Jahrzehnten entwickelt. Derzeit wird sie für die nächste Generation der EUV-Lithografie weiter optimiert. Einzelne Verfahrensschritte wie die Resistentwicklung oder auch die Optimierung von reflektiver Optik können mit der oben genannten EUV-Quelle im Labormaßstab untersucht werden.

Für die optimierte Nutzung des breitbandigen Lichtes bei der Nanostrukturierung haben sich die Experten am ILT aber noch etwas anderes einfallen lassen: Durch Interferenzen im Nahfeld (Talbot-Effekt) können sie die Intensität der EUV-Strahlung lokal erhöhen, wobei im Gegensatz zu Verfahren mit kohärenten Licht eine viel größere Bandbreite der Strahlungsquelle von etwa einem Nanometer genutzt werden kann (Bild 5). Reproduzierbare Belichtungsbedingungen werden durch einen Dosismonitor und ein sehr präzises Abstandssystem gewährleistet.

Maske-Wafer-Positionierungssystem (links) und damit hergestellte Nanostrukturen mit 35 Nanometern Lochdurchmesser. Deren Erzeugung mittels EUV-Strahlung klappt exakt und fehlerfrei.
Maske-Wafer-Positionierungssystem (links) und damit hergestellte Nanostrukturen mit 35 Nanometern Lochdurchmesser. Deren Erzeugung mittels EUV-Strahlung klappt exakt und fehlerfrei.
(Bild: Fraunhofer ILT)

Die Bearbeitung von 1 Quadratmillimeter dauert etwa 30 Sekunden. Ein Stitching der Bearbeitungsbereiche ist möglich. In der Anlage des ILT werden Wafer mit einem Durchmesser bis 100 Millimeter prozessiert. Im Test konnten Strukturen mit einer Größe von 28 Nanometern (halber Pitch) erzeugt werden, was einen Weltrekord für ein so kleines System darstellt. Die physikalische Grenze des Prozesses liegt bei einer Strukturgröße von 7,5 Nanometern (halber Pitch). Die Fehlerquote ist gering, weil die Interferenzstrukturen von Natur aus gleichmäßig sind.

Periodische Nanostrukturen auf quadratzentimetergroßen Flächen können in der optischen Industrie als breitbandige Antireflexionsbeschichtungen oder Polarisatoren ihr Einsatzfeld finden. In der Medizin und Biotechnologie wirken sie als nanoskalige Partikelfilter und in der Elektronik und Messtechnik als neuartige sensorische Elemente.

Fassen wir die EUV-Erkenntnisse hier kurz zusammen

EUV-Strahlung ermöglicht die Erzeugung und die Vermessung von Strukturen im Bereich weniger 10 Nanometer. Mit einer Laboranlage mit 40 Watt Leistung, bei 13,5 Nanometern Wellenlänge können viele Prüf- und Entwicklungsaufgaben umgesetzt werden. Die nötige Prozesstechnik steht bereits zur Verfügung und noch kleinere Wellenlängen wurden durch andere Gasgemische in der Plasmaquelle auch schon realisiert.

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