Deutsche Zukunftspreise für das Fraunhofer IOF

Übersicht der Forschungsprojekte des Fraunhofer IOF, die mit dem Preis des Bundespräsidenten für Technik und Innovation ausgezeichnet wurden

2020
EUV-Lithographie erlaubt die Herstellung kleinerer und leistungsfähigerer Mikrochips

Mikrochips sind die Grundlage unserer digitalen Welt. Die EUV-Lithographie ermöglicht die Herstellung noch kleinerer und leistungsfähigerer Chips – etwa für das automatisiertes Fahren oder modernste Smartphones. Für Ihr Projekt »EUV-Lithographie – Neues Licht für das digitale Zeitalter« wurden Dr. Peter Kürz von ZEISS, Dr. Michael Kösters von TRUMPF und Dr. Sergiy Yulin vom Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF 2020 mit dem Deutschen Zukunftspreis ausgezeichnet.

EUV-Lithographie ermöglicht große Sprünge für die Digitalisierung

Das Gewinner-Team hat einen wesentlichen Beitrag zur Entwicklung und industriellen Serienreife der EUV-Technologie geleistet. Das Resultat ist eine durch über 2.000 Patente abgesicherte Zukunftstechnologie, die Basis für die Digitalisierung unseres Alltags ist. Sie ermöglicht Anwendungen wie Autonomes Fahren, 5G, Künstliche Intelligenz und weitere zukünftige Innovationen.

Weltweit einziger Hersteller für EUV-Lithographie-Maschinen ist die niederländische Firma ASML. Sie hat als Integrator die Architektur des Gesamtsystems und insbesondere die EUV-Quelle entworfen. Schlüsselkomponenten dieser Maschinen sind der Hochleistungslaser von TRUMPF für die EUV-Lichtquelle und das optische System von ZEISS.

EUV steht für »extrem ultraviolett«, also Licht mit extrem kurzer Wellenlänge. Mit dieser Schlüsseltechnologie lassen sich in den nächsten Jahrzehnten weitaus leistungsfähigere, energieeffizientere und kostengünstigere Mikrochips herstellen als jemals zuvor.

Ohne eine erfolgreiche Steigerung der Rechenleistung kann es keine weiteren Schritte in der Digitalisierung geben: Schon heute hat ein Smartphone die millionenfache Rechenpower des Computers, der 1969 die erste Mondlandung begleitete. Ermöglicht wird dies durch einen Mikrochip von kaum der Größe einer Fingerkuppe. Auf ihm befinden sich fünfzehn Milliarden Transistoren.

EUV-Licht überwindet das technisch Machbare 

Das Fertigungsverfahren für die neuesten Chip-Generationen fußt auf der Nutzung von EUV-Licht, die bisherige Grenzen des technisch Machbaren überwindet. Von der Lichtquelle über das optische System im Vakuum bis zur Oberflächenbeschichtung der dabei eingesetzten Spiegel musste praktisch die gesamte Belichtungstechnologie von Grund auf neu entwickelt werden.

Das Fraunhofer IOF fungierte als wichtiger Forschungspartner bei der anspruchsvollen Beschichtungstechnik für die großflächigen Spiegel. Sergiy Yulin hat gemeinsam mit seinem Forschungsteam am Fraunhofer IOF Grundlagen für das bei der EUV-Lithographie verwendete Schichtdesign des Kollektorspiegels entwickelt. Yulin und seinen engsten Wegbegleitern Torsten Feigl und Norbert Kaiser ist es gelungen, hochreflektierende Präzisionsspiegel mit einzigartigen optischen Eigenschaften zu entwickeln. Ihre Ergebnisse haben den Grundstein für den Erfolg der EUV-Lithographie gelegt. Ihr revolutionäres Schichtsystem schaffte es als erstes, bis zu 70 % des EUV-Lichts bei Temperaturen von bis zu 600 Grad effektiv zu reflektieren.

Kollektorspiegel für die Extrem-Ultraviolett-Lithographie.
© Fraunhofer IOF
Kollektorspiegel für die Extrem-Ultraviolett-Lithographie während des Charakterisierungsprozesses.

Die Erkenntnisse, die Sergiy Yulin aus der Entwicklung von hochspezifischen Spiegelschichtsystemen für die EUV-Lithographie gewinnen konnten, lassen sich auch für spannende Anwendungen in den Lebens- und Materialwissenschaften einsetzen. Im Zuge des EUV-Lithographieprojektes sind Schichtdesigns und Herstellungsprozesse entstanden, die die Wellenlänge von 13,5 nm für ein breites Forschungsfeld, zum Beispiel in der Biologie oder Medizin, erst nutzbar gemacht haben. Auch in der Mikroskopie im sogenannten Wasserfenster, der Weltraumbeobachtung oder der Spektroskopie im EUV- Spektralbereich können sie faszinierende Einblicke in die strukturelle Zusammensetzung von Materie und Materialen geben.

Bei rotierenden Bewegungen wird die optische Komponenten beschichtet.
© Fraunhofer IOF
Blick ins Innere der Beschichtungsanlage Nessy am Fraunhofer IOF, in der EUV-Schichten mittels Magnetron-Sputtern hergestellt werden.

TRUMPF liefert mit dem weltweit stärksten gepulsten Industrielaser eine Schlüsselkomponente für die Belichtung modernster Mikrochips, die in jedem modernen Smartphone zum Einsatz kommen. Es gibt keine wirtschaftliche Alternative zu diesem Laser, um das für die EUV-Lithographie benötigte Licht zu erzeugen.

Güte und Form des Beleuchtungssystems sowie das Auflösungsvermögen der Projektionsoptik von ZEISS bestimmen darüber, wie klein Strukturen auf Mikrochips sein können. Wesentliche Innovationen stecken daher in den Spiegeln, die in das Optik-System eingesetzt werden. Da selbst kleinste Unregelmäßigkeiten zu Abbildungsfehlern führen, wurde für die EUV-Lithographie der weltweit »präziseste« Spiegel entwickelt.

2013
Produzieren mit Lichtblitzen: Ultrakurzpulslaser für die industrielle Massenfertigung

Er arbeitet exakt, kosteneffizient und schnell – der Ultrakurzpulslaser. In der Massenfertigung stößt er mit seiner Fähigkeit, selbst bei maximaler Produktivität höchste Präzision zu gewährleisten, neue Türen auf. Entwickelt wurde er von Mitarbeitern des Fraunhofer-Institutes für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF sowie der Unternehmen BOSCH und TRUMPF. Für ihre weltweitführende Technologie sind Prof. Dr. Stefan Nolte, Dr. Jens König und Dr. Dirk Sutter 2013 mit dem Deutschen Zukunftspreis ausgezeichnet worden.

Einsatzbereiche des Lasers in der industriellen Produktion bisher stark begrenzt

Im Rahmen industrieller Fertigungsprozesse kommt Licht als Werkzeug vielseitig zum Einsatz. In Form von Laserstrahlen kann es etwa für mechanische Arbeiten wie Schneiden, Bohren oder Schweißen genutzt werden. Doch lange Zeit war die Anwendung von Lasern in der industriellen Fertigung stark begrenzt. Der Grund: Herkömmliche Laser erhitzen das zu bearbeitende Material zu stark – sei es nun Metall, Keramik oder Kunststoff. Die daraus resultierende Schmelze des Materials machte oft eine kosten- und zeitaufwendige Nachbearbeitung erforderlich.

Der Ultrakurzpulslaser löst das Problem der aufwendigen Nachbearbeitung

Die Lichtpulse des Ultrakurzpulslasers sind so kurz, dafür aber so intensiv, dass die Materialien nicht schmelzen, sondern verdampfen. Der dabei entstehende Dampf kann anschließend zielgenau abgesaugt werden. Außerdem lassen sich mit dem neuen Hochleistungslaser die Pulsdauer und -energie sowie Fokussierung exakt einstellen, sodass ein präziser Schnitt durch das Material möglich ist. Auch Materialien, die bisher nicht mit Lasern verarbeitet werden konnten, können mit diesem Verfahren nun behandelt werden – etwa Diamanten oder Saphire. Dabei arbeitet der Laser vollkommen kontaktlos, sodass es kaum zum Verschleiß kommt. Auch bei einer hohen Stückzahl und kleinsten Objekten von nur wenigen millionstel Millimetern (Nanometern) schafft er es, eine konstante und optimale Qualität zu garantieren. 

Vergleich zweier Mikrobohrung in Edelstahl. Links: Pulsdauer von 3,3 ns (der Rand des Bohrloches ist ausgefranst und ungleichmäßig); rechts: Pulsdauer von 200 fs (der Rand des Bohrloches ist glatt und gleichmäßig).
© Fraunhofer IOF
Vergleich zweier Mikrobohrung in Edelstahl. Links: Pulsdauer von 3,3 ns; rechts: Pulsdauer von 200 fs.

Funktionsweise des Ultrakurzpulslasers basiert auf einem Spiegelsystem

Dieses ermöglicht, dass computergestützte Laserpulse auf die gewünschte Stelle gerichtet werden. Die zeitliche Dimension dieses Vorgangs ist winzig: Hunderttausende Pulse gibt der Laser pro Sekunde ab. Damit liegt die Dauer der Pulse im Pikosekundenbereich. Das sind 10-¹² Sekunden, also eine billionstel Sekunde. Auf diese Weise wird die Bearbeitung von kleinsten Strukturen möglich – etwa das Gravieren eines Streichholzkopfs, ohne dass dieser entflammt.

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Kleinste und ultraschnelle Laserpulse werden zur Mikromaterialbearbeitung genutzt.

Erschließung vieler neuer industrieller Anwendungsbereiche dank Grundlagen- und angewandter Forschung

Die physikalischen Grundlagen dieses Gemeinschaftsprojektes erforschte Prof. Dr. Stefan Nolte vom Fraunhofer IOF und der Friedrich-Schiller-Universität Jena. Diese konnte anschließend von Kollegen der Unternehmen BOSCH und TRUMPF – Dr. Jens König und Dr. Dirk Sutter – anwendungsorientiert genutzt werden. Gemeinsam machten die drei somit den Ultrakurzpulslaser für die Massenproduktion nutzbar. Zuvor war dessen Wirkungsbereich auf den Einsatz im Labor beschränkt. Industriellen Bedarf für die Technologie gibt es jedoch unter anderem in der Herstellung von Bildschirmen für Smartphones, in der Anwendungen in der Augenheilkunde, Automobilindustrie, Halbleiterfertigung, Industrietechnik oder Elektroindustrie.

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Ultrakurze Laserpulse ermöglichen eine kontaktlose, hochpräzise und schädigungsarme Bearbeitung nahezu aller Materialien. Mit Pulsspitzenleistungen im Gigawattbereich eignen sie sich hervorragend zum Strukturieren, Bohren, Trennen und Fügen.

2007
Von lichtschwachen Leuchtdioden zu Hochleistungs-LEDs

LEDs sind langlebiger und energieeffizienter als klassische Glühbirnen. Aufgrund ihrer schwachen Leuchtkraft waren sie jedoch zunächst in ihren Anwendungspotenzialen begrenzt. Einem Team aus Forschenden des Fraunhofer-Institutes für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF sowie der Osram Opto Semiconductors GmbH gelang schließlich die Entwicklung lichtintensiver Hochleistungs-LEDs. Für ihre Arbeit wurden stellvertretend Dr. Andreas Bräuer, Dr. Klaus Streubel und Dr. Stefan Illek 2007 mit dem Deutschen Zukunftspreis ausgezeichnet.

Dünnfilmtechnologie revolutioniert die Lichterzeugung

Als Deko-Element, in Armaturen oder als Hintergrundbeleuchtung – dies waren früher die klassischen Anwendungsgebiete von Leuchtdioden. Der Grund: Die Lämpchen waren zwar langlebig und kosteneffizient, ihre Leuchtkraft aber zu schwach, um irgendwo dort zum Einsatz zu kommen, wo es lichtstarker Quellen bedurfte.

Erst das Entwicklerkollektiv rund um Dr. Andreas Bräuer, Leiter der Abteilung Mikrooptische Systeme am Fraunhofer IOF, sowie Dr. Klaus Streubel und Dr. Stefan Illek von Osram Opto Semiconductors GmbH erschlossen neue Potenziale für die Anwendung der Lichtdioden. Mithilfe der sogenannten »Dünnfilmtechnologie« sowie spezieller Gehäuse und Optiken gelang es ihnen, deutlich lichtstärkere LEDs als je zuvor herzustellen.

Das Team vom Fraunhofer IOF liefert die optimale Optik

Die innovativen Hochleistungs-LEDs profitieren dabei von der nahtlosen Verzahnung von Festkörperphysik und Optik. Im Zentrum einer Leuchtdiode sitzt ein Halbleiterchip. Wird eine elektrische Spannung an diesen Halbleiter angelegt, entsendet er Licht. Die vormals geringe Lichtintensität optimierten die Entwickler durch die Dünnfilmtechnologie: Zu diesem Zweck ist im Chip ein Metallreflektor verbaut, eine Art Spiegel, der zu einer höheren Effizienz führt.  

Dr. Klaus Streubel und Dr. Stefan Illek von Osram brachten eine neue Chip-Technologie in die Entwicklung ein. Sie lässt Licht nur in eine einzige Richtung auskoppeln. Gleichzeitig wird durch eine neuartige Gehäuseplattform für die Dünnschicht-LEDs ein effizientes Temperaturmanagement sowie die Kombination verschiedenfarbiger LEDs gefördert. Die Entwicklung der optimalen Optik für dieses System wurde unterdessen von Dr. Andreas Bräuer und sein Team vom Fraunhofer IOF vorangetrieben. Sie machten das austretende Licht mithilfe einer speziellen Optik maximal nutzbar. Hierzu entwarfen die Forschenden eine Sekundäroptik, die das von der LED abgestrahlte Licht möglichst nah am Chip einfängt und bündelt, sowie eine Tertiäroptik, die den Lichtstrahl homogenisiert.

Diamant-gedrehter Konzentrator, der an die Form von Saturn und seinen Ringen erinnert.
© Fraunhofer IOF
LED-Strahlformer: Durch Ultrapräzisionsdrehen gefertigter Konzentrator als Sekundäroptik, der das aus einer LED austretende Licht in Nutzrichtung bündelt.

Nachhaltigere LEDs finden breites Anwendungsspektrum

Dünnfilm-LEDs sind effizient, langlebig sowie robust und wandeln heute mehr Strom in Licht um als jedes andere Leuchtmittel. Die mittlerweile weithin verbannte Glühbirne schaffte es gerade einmal 5 Prozent der erzeugten Energie in Licht umzuwandeln. Die restlichen 95 Prozent wurden als Wärme abgegeben.

Im Gegenzug dazu eröffneten die neuen Hochleistungs-LEDs eine effizienten Lichterzeugung, die heute unter anderem in Autoscheinwerfern, in Projektoren oder in der Straßenbeleuchtung Verwendung findet.

Grafische Dartellung der Strahlformung innerhalb eines Konzentrators.
Refraktiv/reflektiver Konzentrator: der zentrale Lichtkegel der LED wird refraktiv durch eine Linse gesammelt, während Lichtanteile mit größerem Austrittswinkel durch Totalreflexion zum Rand des Konzentrators geführt und von dort aus über einen Ringspiegel abgebildet werden.
© Fraunhofer IOF
Segmentiertes, automotives LED-Fernlicht realisiert als mikrooptischer, irregulärer Wabenkondensor.
LED-Projektor projiziert Licht auf eine Wand, wobei Segmente auf der linken Seite ausgeschaltet sind, um entgegen kommende Verkehrsteilnehmende nicht zu blenden.
© Fraunhofer IOF
Einzelne LED-Segmente können ausgeschaltet werden, um die Blendung des Gegenverkehrs zu vermeiden.
Kopf einer Straßenleuchte, besetzt mit einzelnen LED-Reflektoren.
© Fraunhofer IOF
Prototyp einer LED-Straßenleuchte mit Freiformreflektoren, die für eine effiziente Energieausnutzung sorgt.