EUV-Lithographie-Optiken von ZEISS

1970 haben auf einem Mikrochip etwa 1.000 Transistoren Platz gefunden, heute sind es 57 Milliarden (Halbleiter-)Bauelemente auf einer Fläche, nur etwas größer als eine Fingerkuppe – mit Strukturen, 5.000-mal feiner als ein menschliches Haar und hergestellt mit Licht mit der extrem kurzen Wellenlänge von 13,5 Nanometern. Dafür kommen in der Fertigung EUV-Lithographie-Optiken von ZEISS SMT zum Einsatz (kein Vertrieb in Deutschland). Die EUV-Technologie verschiebt die Grenzen des technologisch Machbaren. Für den nächsten Technologiesprung. Für Zukunftstrends wie Autonomes Fahren, Künstliche Intelligenz und 5G. Für ein digitalisiertes Leben und Arbeiten. 

EUV steht für „extreme ultraviolet“, also extrem ultraviolettes Licht. Das für Menschen sichtbare Licht hat Wellenlängen zwischen 400 und 800 Nanometern. Der Bereich von ultraviolettem Licht beginnt unterhalb von 400 Nanometern. Das bisher führende Lithographie-Verfahren mittels „deep ultraviolet light“ (DUV) arbeitet mit 193 Nanometern Wellenlänge. Damit sind Strukturen mit Abmessungen von 40 Nanometern möglich. Bei der EUV-Lithographie kommt Licht mit einer extrem kurzen Wellenlänge von 13,5 Nanometern zum Einsatz – und ermöglicht so Strukturen mit Abmessungen von weniger als 20 Nanometern.

Um EUV-Licht zu erzeugen, haben ASML und TRUMPF eine einzigartige Lichtquelle konstruiert: In einer von ASML entwickelten Plasmaquelle werden 50.000 Zinntropfen pro Sekunde in ein Hochvakuum geschossen und dabei jeweils von zwei aufeinanderfolgenden Pulsen eines Hochleistungs-CO2-Lasers von TRUMPF getroffen. Der sogenannte Vorpuls trifft die Zinntropfen, sodass diese quasi aufquellen. Der hinterhereilende Hauptpuls trifft nun den Tropfen mit voller Leistung. Dadurch wird das Zinnplasma gezündet, welches die EUV-Strahlung abgibt. Damit EUV-Licht erzeugt werden kann, muss das Plasma eine Temperatur von fast 220.000 Grad Celsius erreichen. Das ist fast 40-mal heißer als die durchschnittliche Oberflächentemperatur der Sonne.

Auf die Glasoberfläche werden extrem dünne Silizium- und Molybdän-Schichten aufgedampft – nur wenige Atomlagen stark. Dafür liegen hier bis zu 100 Schichten übereinander. Eine einzelne Schicht würde nur gut ein Prozent des Lichts reflektieren – der Verlust wäre viel zu groß. Um die Effizienz der Spiegel zu steigern hat ZEISS SMT gemeinsam mit dem Fraunhofer Institut IOF ein einzigartiges Schichtsystem entwickelt, das Präzision auf Atombasis erfordert. Die Schichtdicken sind nur wenige Nanometer dünn. Das Ergebnis ist eine Reflektivität, die bis zu 70 Prozent des Lichts nutzbar macht. Dies passiert durch konstruktive Interferenz: Das EUV-Licht wird jeweils von einzelnen Schichten reflektiert. Wenn diese präzise übereinander aufgetragen sind, verstärkt sich das Licht, weil sich die einzelnen Strahlungswellen perfekt überlagern.

Wie bei einem Diaprojektor passiert das Licht die Photomaske, auf der sich der Bauplan – das Template – befindet; anstelle von einer Vergrößerung kommt es hier eben zu einer Verkleinerung. Die Strukturen werden so auf dem mit einem lichtempfindlichen Photolack beschichteten Wafer abgebildet. Im nächsten Schritt werden die belichteten Teile weggeätzt, die freien Bereiche mit Kupfer aufgefüllt und der Wafer poliert. Dann wird eine neue Siliziumschicht und wiederum Photolack aufgetragen – und der Lithographie-Prozess beginnt von vorne. Das wiederholt sich bis zu 100 Mal. Am Ende wird der prozessierte Wafer dann in viele kleine Stücke geschnitten. Fertig sind die Mikrochips.