EUV-Strahlung Deshalb ist extremes UV-Licht (EUV) eine zukunftssicherndes Werkzeug

Autor / Redakteur: Andreas Thoß und Klaus Bergmann / Peter Königsreuther

Extreme ultraviolettes Licht (EUV) ist eine neue, attraktive Schlüsseltechnologie. Denn damit lassen sich etwa Nano-Strukturen fertigen und messen. Hier kommen zwei Experten zu Wort.

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Es werde „neues“ Licht! Fotografie eines Plasmas, das extremes UV-Licht emittiert (EUV). Das Plasma wurde durch eine gepulste Gasentladung in einer Niederdruck-Xenon-Atmosphäre erzeugt. EUV-Strahlung ist nicht nur ein Schlüssel für die heutige Chipfertigung.
Es werde „neues“ Licht! Fotografie eines Plasmas, das extremes UV-Licht emittiert (EUV). Das Plasma wurde durch eine gepulste Gasentladung in einer Niederdruck-Xenon-Atmosphäre erzeugt. EUV-Strahlung ist nicht nur ein Schlüssel für die heutige Chipfertigung.
(Bild: Fraunhofer ILT)

Als im Oktober 2020 Apples neueste Smartphones vorgestellt wurden, durfte die interessierte Öffentlichkeit eine neue Abkürzung lernen: EUV. Denn mit extrem ultravioletten Licht wurden die neuen Prozessoren hergestellt. So ein kleines Detail der Herstellung wird zum Verkaufsargument?

Ja, wenn man sich die Technologie genauer anschaut, dann gibt es schon eine Reihe von Superlativen: Denn für die Erzeugung von EUV-Strahlung wird der stärkste in Serie hergestellte Laser der Welt benutzt. Die eigentliche Lithografieanlage, in der die Wafer mit den zukünftigen Prozessoren belichtet werden, wiegt 180 Tonnen und ist das derzeit begehrteste System am Halbleitermarkt. Der niederländische ASML Konzern hat bei EUV 100 Prozent Marktanteil und ist auf Jahre ausgebucht. China konnte die Technologie trotz eines milliardenschweren Programms übrigens nicht entwickeln – nicht einmal nachbauen.

Diese EUV-Licht-Fragen bringen Forscher noch heute ins Grübeln

Was hat es mit diesem EUV auf sich? Wie lässt es sich effizient erzeugen? Und was kann man damit alles machen? An diesen Fragen wird seit den 90er-Jahren am Aachener Fraunhofer-Institut für Lasertechnik (ILT) geforscht. Die Notwendigkeit, EUV-Strahlung zu erzeugen, war von Anfang an absehbar. Und die Herstellung immer kleinerer Strukturen erfordert Licht mit immer kürzeren Wellenlängen. Dass nach UV etwas noch viel Kürzeres kommen musste, war also klar. EUV war die Lösung! Doch das erforderte auch mehrere völlig andere Technologien. Entsprechend viel Vorlaufforschung wurde betrieben.

Was ist also EUV-Licht? Nun, als extrem ultraviolette Strahlung wird Licht mit Wellenlängen zwischen 10 und 121 Nanometern (ISO 21348) bezeichnet. Bei so kurzen Wellenlängen kann man den Bereich auch über die Photonenenergie definieren, denn dabei liegt der Bereich zwischen 10,25 und 124 Elektronenvolt. Bei noch kürzeren Wellenlängen (das bedeutet auch höhere Energien) ist das schon Röntgenstrahlung. EUV gehört zum Vakuum-UV (10 bis 200 Nanometer) weil diese Strahlung von Luft absorbiert wird. Das heißt, wer auch immer EUV benutzen möchte, braucht eine Vakuumkammer. Industriell genutzt wird meist die Wellenlänge von 13,5 Nanometer, weil es dazu passende Spiegel mit komplexen Schichtsystemen gibt. Ihre Reflektivität liegt bei maximal etwa 70 Prozent.

Wie kann man EUV erzeugen? Auch die Sonne emittiert EUV-Strahlung. In den oberen Schichten unserer Atmosphäre führt das zur Ionisierung der dort befindlichen Atome. So entsteht die Ionosphäre, die einen großen Einfluss auf die Ausbreitung von Funksignalen auf der Erde hat.

Welche EUV-Strahlungsquellen stehen uns aber zur Verfügung? Mit einer Glühlampe wird es schwer, denn die müsste über 100.000 Grad Celsius erreichen, um die „Farbtemperatur“ von EUV zu emittieren. Auch Leuchtdioden und gängige Laser kommen nicht in Frage, denn dafür ist die Energie der einzelnen Photonen zu groß. Es braucht schon mehrfach ionisierte Atome, um an sehr energiereiche Elektronen zu kommen. Die findet man aber in heißen dichten Plasmen. Für die industrielle Nutzung ist dieser Ansatz der derzeit übliche. Später mehr dazu.

Diese EUV-Strahlungsquellen werden auch genutzt

Daneben gibt es noch mehrere, eher wissenschaftliche Wege, um EUV-Licht zu erzeugen. Dazu gehören Synchrotrone, in denen Elektronen auf hohe Geschwindigkeiten respektive Energien beschleunigt werden. Werden sie abgebremst, geben sie Strahlung ab. Man muss also nur diesen Bremsprozess genau einstellen und erhält brillante EUV-Strahlung – monochromatisch, gut gebündelt und sogar abstimmbar. Größe und Budget solcher Anlagen machen eine industrielle Nutzung aber weitgehend obsolet.

Ähnlich sieht es mit sogenannten „Hohen Harmonischen“ aus. Dabei wird ein intensiver Laserpulse durch eine Gaskapillare geschickt. Nichtlineare Effekte bewirken die Anregung der einzelnen Elektronen in diesem Gas mit vielen Photonen gleichzeitig. Beim „Zurückfallen“ emittiert das Elektron ein einzelnes Photon mit der kumulierten Energie der Laserphotonen. Diese Strahlung ist sogar kohärent, der Prozess allerdings viel zu ineffizient, um Licht für eine flächige Materialbearbeitung zu erzeugen. Wie auch die Synchrotronstrahlung ist dieses Licht aber für bestimmte Messaufgaben gut geeignet.

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