Leistungsschub für Mikrochips

Forschung Kompakt Sonderausgabe / 8.5.2012

Die Halbleiterindustrie steht vor der Herausforderung, immer schnellere und leistungsfähigere Chips zu liefern. Mit der Next Generation Lithografie mit EUV-Strahlung soll das gelingen. Wesentliche Komponenten haben Fraunhofer-Forscher entwickelt.

Bild: Preisträger
© Foto Dirk Mahler/Fraunhofer

Gemeinsam entwickelten sie wesentliche Komponenten für die EUV-Lithografie: Dr. Tosten Feigl, Dr. Stefan Braun und Dr. Klaus Bergmann (vlnr) mit einem Kollektorspiegel.

Flache Computer, leistungsstarke Mobiltelefone und Tablets – immer kleiner und komplexer werden die integrierten Schaltkreise, die Leistungszentralen unserer Rechner. Die Mikrochips heutiger Computer enthalten bereits rund zwei Milliarden Transistoren. Um die Dichte auf den Chips überhaupt hinzubekommen, werden die Strukturen mittels Lithografie auf die Chips belichtet. Um zukünftigen Anforderungen gerecht zu werden, plant die Halbleiterindustrie die Belichtung mit 193 nm Wellenlänge auf eine mit nur noch 13,5 nm Wellenlänge umzustellen. Das kann nur mit völlig neuen Strahlungsquellen erreicht werden. Favorit der Next Generation Lithographie ist EUV – Licht mit Wellenlängen im extremen ultravioletten Bereich.

Dr. Klaus Bergmann, Dr. Stefan Braun und Dr. Torsten Feigl von den Fraunhofer-Instituten für Lasertechnik ILT Aachen, für Werkstoff- und Strahltechnik IWS Dresden und für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF Jena entwickelten mit ihren Teams wesentliche Elemente für die EUV-Lithografie: Strahlungsquellen (ILT), Kollektoroptiken (IOF) sowie Beleuchtungs- und Projektionsspiegel (IWS). Für ihre Leistungen in dieser strategischen Zusammenarbeit erhalten sie einen Joseph-von-Fraunhofer-Preis 2012.

EUV-Strahlung erzeugen

Die Leistungsfähigkeit der Strahlquelle ist ein Schlüssel, um EUV wirtschaftlich zu nutzen. Das Team um Klaus Bergmann vom ILT entwickelte bereits 2006 erste Prototypen der EUV-Quelle. Mittlerweile gibt es eine Betaversion, die bereits zum Belichten von Chips im industriellen Umfeld im Einsatz ist. »Das Konzept ist schnelle gepulste Entladung elektrisch gespeicherter Energie. Dabei wird eine kleine Menge Zinn mit dem Laser verdampft und mit einem hohen Strom zur Emission bei 13,5 nm angeregt – viele Tausend Mal pro Sekunde«, so Bergmann.

Weltweit größter Kollektorspiegel für EUV-Lithografie

Damit die Strahlung auch gezielt auf die Belichtungsmaske trifft, ist die Qualität des Kollektorspiegels entscheidend. Die Beschichtung gewährleistet, dass die Verluste gering bleiben und die Qualität der gerichteten EUV-Strahlung hoch ist. »Unsere Herausforderung war es, ein mehrlagiges Schichtsystem auf der stark gekrümmten Kollektorfläche aufzubringen, das extrem hitzebeständig und hoch reflektierend ist – in gleichbleibender Qualität«, resümiert Torsten Feigl vom IOF. Ergebnis ist der mit 66 Zentimetern Durchmesser weltweit größte, multilayer-beschichtete EUV-Spiegel.

Beschichtung für optimale Reflexion bei Spiegeln und Optiken

Ist die Strahlung durch die Maske gelangt, wird sie über weitere Beleuchtungs- und Projektionsspiegel auf die Chips belichtet. Die optimale Reflexionsbeschichtung für diese Komponenten hat Stefan Braun mit seinem Team am IWS erarbeitet. Das Magnetron-Sputtern ermöglicht höchste Genauigkeit bei den Schichten ohne zusätzliche Poliervorgänge oder Kontrollmessungen. Ein Anlagentyp zur großflächigen Präzisionsbeschichtung ist bereits im industriellen Einsatz.

Deutschland ist in der EUV-Technologie Vorreiter. Mit ihrer Forschungsarbeit haben sich die drei Institute als wichtige Partner für die Ausrüsterindustrie im In- und Ausland etabliert. Die Einführung der neuen Lithografiesysteme in der industriellen Fertigung ist ab 2015 zu erwarten.