EUV/XUV Beschichtungen

Schichten und Schichtsysteme für den extrem ultravioletten Spektralbereich

Neue Anwendungsbereiche von Optiken für kurze Wellenlängen

Die Optikentwicklung fokussiert sich seit einigen Jahren zunehmend auf Optikkomponenten für immer kürzere Wellenlängen. Begründet ist dieser Trend zum einen in der Forderung nach Erhöhung des Auflösungsvermögens optischer Systeme und zum anderen in der Verfügbarkeit leistungsfähiger Strahlquellen im extrem ultravioletten (EUV) und weichen Röntgenbereich.

Herausragende Anwendungen von EUV- und Röntgenoptiken sind neben der EUV-Lithographie (λ = 13,5 nm) auch Anwendungen in der Astronomie, Beamline-Optiken für Synchrotrons, Optiken für Röntgenlaser und zukünftig XFELs. Darüber hinaus besteht auch großes Potenzial für die Mikroskopie im sogenannten Wasserfenster (λ = 2,4 nm ... 4,4 nm). In diesem Spektralbereich sind viele biologische Proben transparent und somit besonders gut zugänglich für Untersuchungen. Die extrem kurzen Wellenlängen ermöglichen bisher nie dagewesene Auflösungen und damit völlig neuartige Untersuchungsmetoden in Biologie und Medizin. Reflexionswerte von 5.2 % bei 2,48 nm und 20 % bei 3,1 nm wurden durch Vielschichtsysteme auf Basis von Chrom, Vanadium und Scandium erreicht.

EUV-Kollektorspiegel in den Händen eines Wissenschaftlers.
© Fraunhofer IOF
Beschichteter EUV-Kollektorspiegel für Hochleistungslaserplasma-Quellen, die in der Lithographie zum Einsatz kommen.

Hohe Ansprüche bei Beschichtungen für den EUV-Spektralbereich

Für optische Komponenten bei extrem kurzen Wellenlängen sind spezielle Beschichtungen unerlässlich. Die kurzen Wellenlängen stellen extreme Anforderungen an Schichtmaterialien, Dickenpräzision, Zusammensetzung, Reinheit, Rauheit, Morphologie sowie deren Wechselwirkung mit den umgebenden Medien. Folglich müssen EUV/XUV-Beschichtungen mit höchster Präzision hergestellt werden, um die nötige Qualität zu erreichen. Darüber hinaus müssen die gewünschten Eigenschaften auch unter rauen Umgebungsbedingungen wie z. B. hohen Temperaturen stabil sein.

 

Hauseigene EUV-Entwicklungen seit 1997

Bereits im Jahr 1997 begann das Fraunhofer IOF mit dem Design, der Herstellung und der Charakterisierung von Mehrschichtsystemen für den EUV-Spektralbereich unter besonderer Berücksichtigung der EUV-Lithographie (EUVL) bei einer Wellenlänge von 13,5 nm. In den vergangenen zwei Jahrzehnten hat sich das Fraunhofer IOF als zuverlässiger Partner für verschiedene industrielle Anbieter von EUVL-Anlagen etabliert.

Zwei Forscher tragen gemeinsam einen Kollektorspiegel in den Händen.
© Fraunhofer IOF
Am Fraunhofer IOF hergestellter 660 mm Kollektorspiegel für die Extrem-Ultraviolett-Lithographie (EUVL).

Maßgeschneiderte Lösungen

Neben der Verbesserung der Reflexionseigenschaften bei einer Wellenlänge von 13,5 nm wurden am Fraunhofer IOF zahlreiche FuE-Projekte für verschiedene Industriepartner erfolgreich durchgeführt:

  • Thermisch stabile EUV-Beschichtungen (T > 500 °C) mit R > 60 % @ 13,5 nm,
  • Breitband- und Schmalbandspiegel für den Spektralbereich 10...100 nm,
  • Hochreflektierende Schichtsysteme für den Spektralbereich von 2,5 nm bis 100 nm,
  • Entwicklung der Beschichtungstechnologien zur Reduzierung von Schichtspannungen,
  • Konstruktion von Abscheidungswerkzeugen für seitlich abgestufte Mehrschichtbeschichtungen,
  • Deckschichten für EUVL (mit erhöhter Lebensdauer der Optik),
  • Reinigungsstrategien der kontaminierten EUV-Optik,
  • Rauheits- und Defektkartierung von EUV-Komponenten vor und nach der Beschichtung,
  • Modellierung der Rauhigkeitsentwicklung und virtuelle Beschichtung von EUV-Beschichtungen,
  • Instrument für EUV-Streuungs- und Reflexionsmessungen basierend auf der BIP-Quelle des Labors
Forscher sitzt an der Charakterisierungsanlage im Labor und misst die Beschichtungen eines EUV-Spiegels.
© Fraunhofer IOF
Charakterisierung eines EUV-Kollektorspiegels mit dem vielseitigen System ALBATROSS am Fraunhofer IOF.

Infrastruktur und apparative Ausstattung

Für unsere Arbeiten nutzen wir einen breiten Pool an Design-, Beschichtungs-, und Charakterisierungsverfahren (vollständige Übersicht). Im Zentrum steht dabei die Beschichtungsanlage Nessy 3 zur Schichtherstellung mittels Magnetron-Sputtern.

 

Zukunftstechnologien im Auftrag der Wirtschaft und Wissenschaft

Während EUV-Beschichtungen inzwischen den Weg in die kommerzielle Fertigung gefunden haben und ein Schlüsselelement der Lithographiesysteme neuester Generation darstellen, arbeiten wir an weiteren Verbesserungen und dem Verschieben der Grenzen zu immer kürzeren Wellenlängen, besserer Performance und erschließen so neue Anwendungsfelder.

Als anwendungsorientierte Forschungseinrichtung arbeiten wir gemeinsam mit Projektpartnern aus Wissenschaft und Industrie daran, neue Technologien und Anwendungen im extrem ultravioletten Spektralbereich des Lichts möglich zu machen. Wir entwickeln an die Bedürfnisse unserer Kunden angepasste Optiken, deren Schichtsysteme unter den außergewöhnlichen Anforderungen der Wellenlängen im EUV und Soft-Röntgen-Bereich hervorragende Ergebnisse liefern.  

Beschichtungsanlage Nessy im Labor des Fraunhofer IOF.
© Fraunhofer IOF
Beschichtungsanlage Nessy im Fraunhofer IOF für EUV-Schichten hergestellt mittels Magnetron-Sputtern.
  • Im Folgenden finden Sie eine Liste unserer Forschungsergebnisse mit dem Schwerpunkt EUV-Optiken:

     

    • S. Yulin, T. Kuhlmann, T. Feigi, N. Kaiser, Damage resistant and low stress EUV multilayer mirrors, Proc. SPIE 4343, 607-614, (2001)
    • T. Feigl, S.  Yulin, T. Kuhlmann, N. Kaiser, "Damage resistant and low stress EUV multilayer mirrors," Jap. Journal of Applied Physics 41, 6B, (2002)
    • T. Kuhlmann, S. Yulin, T. Feigl, N. Kaiser, H. Bernitzki, H. Lauth, "Design and fabrication of broadband EUV multilayer mirrors, " Proc. SPIE 4688, 509-515, (2002)
    • S. Yulin, T. Kuhlmann, T. Feigi, N. Kaiser, "Spectral reflectance tuning of EUV mirrors for metrology applications, " Proc. SPIE 5037, 286-293, (2003)
    • S. Yulin: Multilayer coatings for EUV/Soft x-ray mirrors, N. Kaiser: Optical interference coatings, Berlin: Springer (Springer series in optical sciences 88), 281-308 (2003)
    • S. Yulin, F. Schäfers, T. Feigl, N. Kaiser, "Enhanced reflectivity and stability of Sc/Si multilayers," Proc. SPIE 5193, 155-163, (2004)
    • S. Yulin, N. Benoit, T. Feigl, N. Kaiser, "High-temperature multilayers," Proc. SPIE 6751, 1155-1161, (2005)
    • T. Feigl, S. Yulin, N. Benoit, N. Kaiser, N. Böwering, A. Ershov, O. Khodykin, J. Viatella, K. Bruzzone, I. Fomenkov, D. Myers, D. Brandt, "High-temperature LPP collector mirror, Proc. SPIE 6151, 1084 -1092, (2006)
    • H. Stollberg, S Yulin, P.A.C. Takman, H.M. Hertz, "High-reflectivity Cr/Sc multilayer condenser for compact soft x-ray microscopy," Review of scientific instruments 77, 12, 123101 (2006)
    • S. Yulin, N. Benoit, T. Feigl, N. Kaiser “Interface-engineered EUV multilayer mirrors,” Microelectronic Engineering 83, 692-694, (2006)
    • T. Feigl, S. Yulin, N. Benoit, N. Kaiser, "EUV multilayer optics," Microelectronic engineering 83, 4 - 9, 703-706, (2006) 
    • S. Schröder, T. Feigl, A. Duparré, and A. Tünnermann, "EUV reflectance and scattering of Mo/Si multilayers on differently polished substrates," Opt. Express 15, 13997-14012 (2007).
    • E. Taracheva, S. Yulin, T. Feigl, N. Kaiser, "High performance multilayer coatings for 106 nm," Proc. SPIE 6705, 67050Y (2007)
    • N. Benoit, S. Schroeder, S. Yulin, T. Feigl, A. Duparre, N. Kaiser, A. Tünnermann, "Extreme-ultraviolet-induced oxidation of Mo/Si multilayers," App. Optics 47/19, 3455-3462 (2008)
    • S. Yulin, N. Benoit, T. Feigl, N. Kaiser, M. Fang, M. Chandhok, "Mo/Si multilayers with enhanced TiO2- and RuO2-capping layers," Proc. SPIE 6921, 692118, (2008)
    • S. Yulin, T. Feigl, N. Benoit, M. Perske, E. Taracheva, S. Schröder, V. Nesterenko, N. Kaiser, "Hochreflektierende EUV/Röntgen-Mehrschichtspiegel," Photonik, 2, 48-50 (2008)
    • N. Benoit, S. Schröder, S. Yulin, T. Feigl, A. Duparré, N. Kaiser, and A. Tünnermann, "Extreme-ultraviolet-induced oxidation of Mo/Si multilayers," Appl. Opt. 47, 3455-3462 (2008).
    • S.B. Hill, N.S. Faradzhev, C. Tarrio, T.B. Lucatorto, T.E. Madey, B.V. Yakshins-kiy, E. Loginova, S. Yulin, "Accelerated lifetime metrology of EUV multilayer mirrors in hydrocarbon environments," Proc. SPIE 6921, 692117, (2008)
    • S. Yulin: Multilayer interference coatings for EUVL, B. Wu: Extreme ultraviolet lithography, New York, N.Y.: McGraw-Hill, 225-270 (2009)
    • S. Schröder, T. Herffurth, M. Trost, and A. Duparré, "Angle-resolved scattering and reflectance of extreme-ultraviolet multilayer coatings: measurement and analysis," Appl. Opt. 49, 1503-1512 (2010).
    • M. Schürmann, S. Yulin, V. Nesterenko, T. Feigl, N. Kaiser, B. Tkachenko, M.C. Schürmann, "Multi-technique study of carbon contamination and cleaning of Mo/Si multilayer optics exposed to pulsed EUV radiation," Proc. SPIE 7636, 76361P, (2010)
    • M. Schürmann, S. Yulin, V. Nesterenko, T. Feigl, N. Kaiser, B. Tkachenko, M.C. Schürmann, "Multi-technique study of carbon contamination and cleaning of Mo/Si multilayer optics exposed to pulsed EUV radiation," Proc. SPIE 7636, 76361P, (2010)
    • M. Trost, S. Schröder, T. Feigl, A. Duparré, and A. Tünnermann, "Influence of the substrate finish and thin film roughness on the optical performance of Mo/Si multilayers," Appl. Opt. 50, C148-C153 (2011).
    • S.B. Hill, N.S. Faradzhev, L.J. Richter, S. Grantham, C. Tarrio, T.B. Lucatorto, S. Yulin, M. Schürmann, V. Nesterenko, T. Feigl, "Optics contamination studies in support of high-throughput EUVL tools: Proc. SPIE 7969, 79690, (2011)
    • N.S. Faradzhev, B.V. Yakshinskiy, E. Starodub, T.E. Madey, S.B. Hill, S. Grantham, T.B. Lucatorto, S.  Yulin, E. Vescovo, J.W. Keister, "Resonance effects in photoemission from TiO2-capped Mo/Si multilayer mirrors for extreme ultraviolet applications," Journal of applied physics 109, 8, 083112, (2011)
    • H. Legall, G. Blobel, H. Stiel, W. Sandner, C. Seim, P. Takman, D.H. Martz, M. Selin, U. Vogt, H.M. Hertz, D. Esser, H. Sipma, J. Luttmann, M. Höfer, H.D. Hoffmann, S. Yulin, T. Feigl, S. Rehbein, P. Guttmann, G. Schneider, U. Wiesemann, M. Wirtz, W.  Diete, "Compact x-ray microscope for the water window based on a high brightness laser plasma source," Optics Express 20, 16, 18362-18369, (2012)
    • H. Legall, H. Stiel, G. Blobel, C. Seim, J. Baumann, S. Yulin, D. Esser, M. Hoefer, U. Wiesemann, M. Wirtz, G. Schneider, S. Rehbein, H.M. Hertz, "A compact laboratory transmission X-ray microscope for the water window," Journal of physics 463, 1, 012013, (2013)
    • M. Trost, S. Schröder, A. Duparré, S. Risse, T. Feigl, U. D. Zeitner, and A. Tünnermann,, “Structured Mo/Si multilayers for IR-suppression in laser-produced EUV light sources.,” Opt. Express, 21(23), 27852–64, (2013).
    • D. Bleiner, S. Yulin, J. Martynczuk, M. Ruiz-Lopez, Y. Arbelo, J.E. Balmer, D. Günther, "Actinic damage of Y/Mo multilayer optics in a table-top plasma-driven x-ray laser," Appl. Optics 53, 22, 4894-4902, (2014)