Neue EUV-Strahlquelle macht Chip-Herstellung effizienter und Mikroskope genauer

Der Fraunhofer-Forscher Robert Klas – gerade ausgezeichnet mit dem Hugo-Geiger-Preis – entwickelt die bislang leistungsstärkste Quelle für laserähnliches extrem ultraviolettes Licht (EUV). Sie ist klein und liefert hundertmal mehr Leistung als bislang verfügbar. Profitieren werden davon die Halbleiterfertigung und die Lichtmikroskopie.

Die Zukunft hat in den Augen vieler Physiker eine Farbe: extrem-ultraviolett. Denn mithilfe von Licht in diesem besonders kurzwelligem Spektralbereich, sogenanntem EUV-Licht, lassen sich z. B. kleinere und leistungsfähigere Mikrochips als je zuvor herstellen. Doch die weitere Forschung steht vor einem Problem: Experimente mit laserähnlichem EUV-Licht können bisher meist nur an teuren Großforschungsanlagen (Synchrotrone) durchgeführt werden. Das will der Jenaer Forscher Robert Klas ändern. Er hat ein kompaktes EUV-Lasermodul entwickelt, mit dessen Hilfe sich dieses besondere Licht deutlich leichter und kostengünstiger erzeugen lässt. Besondere Anwendungspotenziale sind in der Halbleiterfertigung sowie der Mikroskopie denkbar. Dafür ist Robert Klas nun mit dem Hugo-Geiger-Preis ausgezeichnet worden.

Mit seiner Doktorarbeit, die in Kooperation zwischen der Friedrich-Schiller-Universität Jena, dem Helmholtz-Institut Jena und dem Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF entstanden ist, liefert Klas die bislang leistungsstärkste laserähnliche EUV-Quelle im Labormaßstab mit einer Durchschnittsleistung von 10 Milliwatt – das ist hundertmal mehr Leistung als noch zu Beginn seiner Promotion in vergleichbaren Systemen üblich. Damit kann die EUV-Forschung in Zukunft unabhängig von wenigen, aufwendig zu unterhaltenden Großanlagen werden. Noch dazu kostet der kompakte Aufbau nur einen Bruchteil.

Mit seiner Arbeit stellt sich Klas dabei einer wesentlichen Herausforderung der Laseroptik: Laserstrahlung ist umso schwerer zu erzeugen, je kürzer seine Wellenlängen sind. Mit seiner Arbeit bewegt sich der Physiker im Wellenlängenbereich von 10 nm bis 50 nm. Ein Nanometer (nm) entspricht dabei einem Millionstel Millimeter. Kurzum: Extrem-ultraviolettes Licht lässt sich nur extrem schwer als Laserlicht erzeugen.

Ultrakurzpulslaser initiiert die Strahlung

Um das Problem zu lösen, nutzt Klas moderne Hochleistungs-Ultrakurzpulslaser. Diese werden mittels des Prozesses der Erzeugung hoher harmonischer Strahlung in EUV-Licht konvertiert. Dabei fokussiert Klas den Hochleistungslaser zunächst in einem Edelgas. Hierbei werden Elektronen innerhalb von wenigen 100 Attosekunden beschleunigt. Eine Attosekunde ist der Trillionste Teil einer Sekunde. Klas veranschaulicht diese Größenordnung mit einem Vergleich: „Eine Attosekunde verhält sich zu einer Sekunde wie eine Sekunde zu unserem Weltzeitalter“, erklärt er. Aus den in dieser unvorstellbar kurzen Zeit beschleunigten Elektronen ergibt sich durch die Rekombination mit ihrem Mutter-Ion anschließend die kostbare EUV-Strahlung.

Herausforderung: konstruktive Interferenz

Die große Herausforderung dabei ist, die freigesetzte Strahlung kohärent zu überlagern, also so zu kontrollieren, dass sich ihre sogenannten Wellenberge im extremen Ultraviolett-Spektrum addieren und am Ende zu einem Laserstrahl bündeln lassen. Durch die korrekte Wahl der Laserparameter sowie der Gasdichte ist es ihm gelungen, eine EUV-Strahlung mit laserähnlichen Parametern höchsteffizient zu erzeugen. Was in Kombination mit Hochleistungstreiberlasern zu einer signifikanten Leistungssteigerung im EUV führte.

Intelligente Laser sparen Energie und erlauben Null-Fehler-Produktion

Dass seine Arbeit die weitere Erforschung sowie Anwendung des EUV-Lichts wesentlich vereinfachen wird, davon ist der Wissenschaftler überzeugt: „In Zukunft ist zu erwarten, dass die Ergebnisse meiner Doktorarbeit die Entwicklung in vielen wichtigen Bereichen wie der Energie- und Speichereffizienz von Chips, Biologie sowie Medizin vorantreiben werden.“

Auflösung von Lichtmikroskopen um mehr als Faktor 27 erhöht

Bereits während seiner Forschung hat Klas dabei erste Anwendungspotenziale für seine neuartige EUV-Quelle im Labormaßstab erprobt. Im Besonderen hat er sich dabei im Austausch mit anderen Forschenden der Mikroskopie zugewandt – speziell der Bildgebung im Bereich weniger Nanometer. „Mit einer Belichtungswellenlänge von 13,5 Nanometern haben wir eine Auflösung von 18 Nanometern realisiert“, berichtet er. Zum Vergleich: Konventionelle Lichtmikroskope schaffen nur eine Auflösung von knapp 500 nm. Wie unfassbar detailgenau die durch EUV-Licht ermöglichte Mikroskopie wird, erläutert Klas mit einem weiteren Beispiel: „In einem Experiment haben wir ein sogenanntes Field of view in der Größe von 100 x 100 Mikrometern erreicht. Das heißt, wir können innerhalb eines Bildes vergleichsweise die Größe eines Fußballfeldes abdecken und darin eine Ein-Euro-Münze finden.“

Eine weitere Neuerung: Bei einer EUV-basierten Mikroskopie lassen sich farbige Bilder von einer zu untersuchenden Probe erstellen. Auf diese Weise können die Forschenden „in eine Zelle hineinschauen“ und unterschiedliche Elemente bzw. Anteile verschiedener Stoffe wie Kohlenstoff, Lipide etc. unterscheiden – „ein Novum bei einer solch hohen Auflösung“, unterstreicht Klas. „Mit unserer Technologie können wir damit in Zukunft biologische und medizinische Studien vorantreiben und hoffentlich unterschiedliche Arten von Viren untersuchen. Irgendwann wollen wir mit diesem Verfahren auch DNA mit etwa zwei Nanometern Durchmesser abbilden können“, so der Forscher.

Qualitätssicherung in der Halbleiterfertigung

Ein weiteres besonderes Anwendungspotenzial bietet die von Klas entwickelte Technologie in der EUV-Lithographie. Hier werden winzig kleine Mikrochips mithilfe von extrem-ultraviolettem Licht hergestellt. Schon heute nutzt die Halbleiterindustrie dieses Verfahren, um mehr als 10 Mrd. Transistoren auf einen fingernagelgroßen Chip aufzubringen. Für die Entwicklung der EUV-Lithographie wurde ein Forschungsteam von Trumpf, Zeiss und Fraunhofer 2020 mit dem Deutschen Zukunftspreis ausgezeichnet.

Zukunftspreis: Neues Licht für das digitale Zeitalter

Klas’ Forschung eröffnet in diesem Zusammenhang eine neue Möglichkeit der Qualitätssicherung. Denn die herausragenden mikroskopischen Eigenschaften seines Systems können auch auf eine Belichtungsmaske angewandt werden. Diese wird in der Halbleiterfertigung genutzt, um die winzig kleinen EUV-Chips herzustellen. Verbergen sich Fehler in dieser Maske, werden diese an die damit gefertigten Chips weitergegeben. Durch die EUV-Mikroskopie kann die Maske auf derlei Fehler hin untersucht werden. Schwachstellen in der EUV-Maske frühzeitig zu erkennen und somit weitere Fehler in der Fertigung zu vermeiden, spart Zeit und Geld. „Dieses Verfahren kann den Ausschuss verringern und damit zu einer nachhaltigeren Produktion führen“, erläutert Klas die Vorzüge dieser Methode.

Auszeichnung mit dem Hugo-Geiger-Preis

Für seine wegweisende Forschungsarbeit wurde Klas nun mit dem „Hugo-Geiger-Preis für wissenschaftlichen Nachwuchs“ ausgezeichnet. Der Award wird vom Freistaat Bayern und der Fraunhofer-Gesellschaft an herausragende Nachwuchsforschende vergeben. Die Preisverleihung erfolgte am 21. März in München. Insgesamt wurden drei Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus München, Freiburg und Jena geehrt. Weitere Informationen zum Award sowie den weiteren Preistragenden finden Sie auf einer Internetseite der Fraunhofer-Gesellschaft.