Kostengünstige Erzeugung von Nanostrukturen
Phasenschiebende Transmissionsmasken können effizient Nanostrukturen bis hinunter zu 28 Nanometern generieren.
Wie lassen sich Strukturen erzeugen, die kleiner als ein Mikrometer sind? Und wie kann man sogar noch kleinere Strukturen unter hundert Nanometern ohne großen Aufwand herstellen? Wissenschaftler am Fraunhofer-Institut für Lasertechnik in Aachen haben für solche Fragen mehrere Technologien entwickelt. Damit können sie periodische Mikrostrukturen simulieren, herstellen und vermessen. Sie nutzen dafür phasenschiebende Transmissionsmasken, die Nanostrukturen bis hinunter zu 28 Nanometern effizient generieren können.
Seit über fünfzig Jahren verdoppelt sich die Dichte der Transistoren auf integrierten Schaltkreisen etwa alle zwei Jahre. Die Einhaltung dieses von Gordon Moore formulierten Gesetzes wird durch immer neue Fortschritte in der Mikrolithografie ermöglicht. Der technische Fortschritt dahinter ist immens. Immens ist inzwischen aber auch der systemtechnische Aufwand zur Herstellung kleinster Strukturen. Ein Mikrolithografiesystem der neuesten Generation kostet deutlich über 80 Millionen Euro und wiegt 180 Tonnen.
„Wir entwickeln Technologien zur Herstellung von Nanostrukturen, die auch Start-ups oder Mittelständler bezahlen können“, beschreibt Serhiy Danylyuk vom Fraunhofer-ILT die Strategie seiner Arbeitsgruppe. Grundidee ist dabei die Erzeugung periodischer Strukturen über Interferenzeffekte kohärenter Strahlung, wie den achromatischen Talbot-Effekt. Dabei entsteht im Nahfeld, also weniger als fünfhundert Mikrometer hinter einer Maske, eine Intensitätsverteilung, mit der mikrolithografisch Strukturen erzeugt werden können.
Mit einem KrF-Excimer-Laser bei 248 Nanometern Wellenlänge lassen sich so Strukturen mit einer Periode von mehreren hundert Nanometern erzeugen. 180 Nanometer breite Linien lassen sich so mit einer Periode von sechshundert Nanometern in Fotolack generieren. Mit höheren Energien kann außerdem Silizium auf Glas in diesen Strukturgrößen abgetragen werden. Darüber hinaus ist diese Technologie gut geeignet für den Abtrag von PET-Kunststoff-Oberflächen auf der Skala von 300 Nanometern.
Das Prinzip funktioniert auch mit den Wellenlängen im extremen Ultraviolett. Dafür haben die Forscher eine eigene Strahlquelle entwickelt. Auf Basis einer Gasentladung wird die notwendige Strahlung bei 13,5 Nanometern erzeugt. Sie ist erheblich kompakter als die laserbasierte EUV-Quelle, wie sie in den großindustriellen Anlagen zum Einsatz kommt. Dennoch ist die Leistungsfähigkeit für viele Anwendungen bei der Herstellung oder Vermessung von Nanostrukturen mehr als ausreichend.
Die EUV-Quelle ist mit einer Überwachung der Leistung und des Spektrums ausgerüstet. Die verfügbare Intensität in der Maskenebene beträgt mehr als 0,1 mW/cm². Damit werden in der Anlage des Fraunhofer-ILT Wafer mit bis zu hundert Millimetern Durchmesser bearbeitet. Im Test konnten mit Hilfe des achromatischen Talbot-Effektes Strukturen mit einer Strukturgröße von 28 Nanometern hergestellt werden. Für so eine kleine Anlage ist das Weltrekord. In Zukunft soll die Auflösung noch weiter bis zu zehn Nanometern gesteigert werden.
Periodische Nanostrukturen haben unterschiedliche Anwendungen. Sie sind zum Beispiel optimal, um neue Fotolacke im EUV-Bereich zu testen. Die am Fraunhofer-ILT entwickelte Technologie ermöglicht es zudem, komplexe Geometrien und Strukturen zu erzeugen. Dafür werden Methoden der computergestützten Lithografie genutzt. So können nanostrukturierte Beschichtungen auf breitbandig reflektierenden Spiegeln für Hochleistungslaser oder Nanoantennen für spezielle plasmonische Strukturen aufgebaut werden.
Ziel der Experten am Fraunhofer-ILT ist dabei eine nachhaltige Technologieentwicklung. „Für uns ist es wichtig, die Prozesskette komplett anbieten zu können“, sagt Projektleiter Danylyuk. „Deshalb haben wir auch von der Simulation über die Maskenfertigung bis hin zur Vermessung von Oberflächen und Schichten die Prozesse im Haus aufgebaut.“ Start-ups oder interessierten Mittelständlern wird so der Zugang zu dieser Spitzentechnologie zu vertretbaren Investitionskosten ermöglicht.
Fh.-ILT
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