04.09.2020 • Nanophysik

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.

Abb.: Laborsystem für die EUV-Bearbeitung von Wafern mit bis zu hundert...
Abb.: Laborsystem für die EUV-Bearbeitung von Wafern mit bis zu hundert Milli­metern Durch­messer. (Bild: Fh.-ILT)

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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