EUV-Lithografie zum selbst ausprobieren

Besuchende des Deutschen Museums in München können Funktionsweise von EUV-Spiegeloptiken an neuem Demonstrator erkunden
 

Mit der EUV-Lithografie lassen sich kleinere und leistungsfähigere Mikrochips als jemals zuvor herstellen. Für ihre Entwicklung wurde ein Team aus Forschenden des Fraunhofer-Instituts für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF sowie der Industriepartner ZEISS und TRUMPF 2020 mit dem Deutschen Zukunftspreis ausgezeichnet. Eine Ausstellung im Deutschen Museum in München erinnert an die bisherigen Preistragenden und ihre technologischen Durchbrüche. Am 15. Juli wurde nun dort die Ausstellung zur EUV-Lithografie eingeweiht.

EUV steht für »extrem ultraviolett«, also Licht mit extrem kurzer Wellenlänge. Der Einsatz von EUV-Licht in der Chipproduktion ist dabei jedoch anspruchsvoll und aufwendig: Es lässt sich nur im Vakuum damit arbeiten. Außerdem können nur spezielle Spiegeloptiken statt Linsen für die Lichtführung verwendet werden.
 

Hochreflektierende Spiegel statt Linsen

Herkömmliche Spiegel reflektieren jedoch so gut wie kein EUV-Licht. Erst wenn sie mit speziellen mehrlagigen Beschichtungen versehen sind, können sie EUV-Licht reflektieren. Dr. Sergiy Yulin vom Fraunhofer IOF in Jena hat diese Beschichtungstechnologie für die EUV-Lithografie mit seinem Team über viele Jahre entwickelt.

Der vom Institut bereitgestellte und nun im Deutschen Museum in München eingeweihte Demonstrator widmet sich daher speziell der Beschichtung von EUV-Optiken. Er zeigt, beispielhaft, wie mithilfe der von Dr. Yulin entwickelten Beschichtungstechnik für großflächige Spiegel deutlich mehr Licht reflektiert werden kann als mit herkömmlichen Beschichtungsmethoden. Konkret verdeutlicht der Demonstrator dabei zwei Dinge, die für die EUV-Lithographie besonders wichtig sind: Zum einen stellt er dar, wie sich einzelne Strukturen eines Mikrochips mit einer Maske unter Zuhilfenahme reflektierenden Spiegeln auf einem Wafer abbilden lassen. Auf diesem Wafer entsteht in der Chipfertigung nach vielen Belichtungen mit unterschiedlichen Masken später der eigentliche Mikrochip.

Zum anderen verdeutlicht der Demonstrator, dass die Spiegel im Belichtungssystem eine extrem glatte Beschichtung brauchen, um überhaupt ein scharfes Bild auf dem Wafer erzeugen zu können. Doch wie genau stellt der Demonstrator diesen Prozess dar? In der Demonstration wird zunächst eine Maske – hier das EUV-Logo – in zwei Qualitätsstufen auf einem Schirm abgebildet. Das Licht gelangt dabei zuerst von der Lichtquelle auf die Maske und trifft anschließend auf den großen Spiegel. Dort wird es reflektiert und auf einen von zwei kleineren Spiegeln weitergeleitet – einer von diesen kleinen Spiegeln ist mit einer Schicht versehen, die mit der von Dr. Yulin entwickelten Technologie vergleichbaren ist. Der andere nicht.

Diese Schicht wurde zum Zweck der Demonstration im Museum für das sichtbare LED-Licht des Demonstrators optimiert. Echtes EUV-Licht wäre für die Augen der Gäste nicht sichtbar. Von diesem kleinen Spiegel wird das Logo erneut reflektiert, wodurch es durch das Loch im großen Spiegel auf den Schirm gelangt. Dort wird das Logo – abhängig von der Beschaffenheit des kleinen Spiegels – entweder scharf oder verschwommen abgebildet. Eine scharfe Abbildung gelingt dann, wenn sich der beschichtete Spiegel im Strahlengang befindet. Wenn Besucherinnen und Besucher auf einen Knopf am Demonstrator drücken, tauschen sie den beschichteten Spiegel mit dem unbeschichteten aus, wodurch die Wirkung der verschiedenen Beschichtungen deutlich sichtbar wird.

EUV-Lithografie ermöglicht Mikrochips der nächsten Generation  

Künstliche Intelligenz, autonomes Fahren, Big Data oder auch Virtual Reality – schon heute sind all diese Dinge Realität. In Zukunft werden sie uns aber noch viel häufiger begegnen – vorausgesetzt, dass wir über noch leistungsfähigere Mikrochips als bisher verfügen. Derartige Chips können mithilfe der sogenannten EUV-Lithografie hergestellt werden. Leistungsfähiger werden die Chips deshalb, weil sich auf ihnen bei gleicher Größe durch die Verwendung von EUV-Licht deutlich mehr integrierte Schaltkreise unterbringen lassen.

Die Fertigung derart feiner Strukturen ist mithilfe von sehr kurzwelligem Licht – konkret: extrem ultraviolettem Licht, kurz auch EUV genannt – in einem Fotolithographie-Prozess möglich. Mithilfe der Lithographie werden die Strukturen für elektronische Bauelemente dabei in einem mehrstufigen Projektionsverfahren auf einen Silizium-Wafer übertragen, aus dem später der eigentliche Mikrochip entsteht. Hierbei gilt: Je kleiner die im Lithographie-Prozess verwendete Wellenlänge ist, desto kleinere Strukturen können auf den Chips hergestellt werden. Für die Chipproduktion mit EUV-Licht ist dabei ein komplexes Verfahren notwendig: Neben einer leistungsstarken Plasma-Lichtquelle sowie extrem präzisen Spiegeloptiken werden hochreflexive Beschichtungen für das Herstellungsverfahren benötigt.

Nach mehr als 25 Jahren Forschungs- und Entwicklungsarbeit ist es einem Team von Forschenden von ZEISS, TRUMPF und Fraunhofer IOF gelungen, mit der Spiegeloptik, der Spiegelbeschichtung sowie dem Laser für die Lichtquelle die wichtigsten Schlüsselkomponenten für die erste EUV-Lithographie-Anlage zu entwickeln. Dafür wurden Dr. Peter Kürz (ZEISS), Dr. Michael Kösters (TRUMPF) und Dr. Sergiy Yulin (Fraunhofer IOF) 2020 mit dem Deutschen Zukunftspreis, verliehen durch Bundespräsidenten Frank-Walter Steinmeier, ausgezeichnet.

Ehrung für innovative ingenieur- und naturwissenschaftliche Leistungen 

Der Zukunftspreis wird seit 1997 jährlich vergeben, gehört zu den wichtigsten Wissenschaftsauszeichnungen in Deutschland und ist mit 250.000 Euro dotiert. Er ehrt herausragende technische, ingenieur- und naturwissenschaftliche Leistungen, die zu anwendungsreifen Produkten führen. Die hochkarätige Jury wählt in einem mehrstufigen Prozess aus einer Vielzahl an Projekten jedes Jahr drei Forschungsteams und ihre Innovation in die Endrunde des Preises, den »Kreis der Besten«. Neben der Innovationsleistung bewertet die Jury dabei auch das wirtschaftliche und gesellschaftliche Potenzial der Entwicklung. Für Fraunhofer ist es die neunte Auszeichnung mit dem Deutschen Zukunftspreis. Davon ging der Preis zum dritten Mal an das Fraunhofer IOF.