Den Mittelstand im Blick: Nanostrukturen kostengünstig erzeugen

Die EUV Quelle am Fraunhofer ILT liefert 40 W bei 13,5 nm (+/- 1 Prozent Bandbreite).
Quelle: Fraunhofer ILT, Aachen
09.09.2020

Wie lassen sich Strukturen erzeugen, die kleiner als ein Mikrometer sind? Und wie kann man sogar noch kleinere Strukturen unter 100 Nanometer ohne großen Aufwand herstellen? Wissenschaftler am Fraunhofer-Institut ILT haben dazu 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.

 „Wir entwickeln Technologien zur Herstellung von Nanostrukturen, die auch Start-ups oder Mittelständler bezahlen können“ beschreibt Dr. Serhiy Danylyuk, Teamleiter EUV and DUV Technology am Fraunhofer ILT in Aachen die Strategie seiner Arbeitsgruppe.

Sub-Mikrometer-Strukturierung von Oberflächen mit Deep-UV-Lasern

Grundidee ist die Erzeugung periodischer Strukturen über Interferenzeffekte kohärenter Strahlung, wie den achromatischen Talbot-Effekt. Dabei entsteht im Nahfeld, also weniger als 500 μm hinter einer Maske, eine Intensitätsverteilung, mit der mikrolithografisch Strukturen erzeugt werden können. Mit einem KrF-Excimer-Laser bei 248 nm Wellenlänge lassen sich so Strukturen mit einer Periode von mehreren hundert Nanometern erzeugen. Am ILT wurde das mit einem LEAP150K Lasersystem der Firma Coherent erprobt. 180 nm breite Linien lassen sich so mit einer Periode von 600 nm in Fotolack generieren. Mit höheren Energien von 250 mJ/cm² 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 300 nm-Skala.

Entladungsbasierte EUV-Quelle für Strukturen kleiner 100 nm

Das Prinzip funktioniert auch mit den Wellenlängen im extremen Ultraviolett (EUV). Dafür haben die Aachener eine eigene Strahlquelle entwickelt. Auf Basis einer Gasentladung wird die notwendige Strahlung bei 13,5 nm 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. Sie erzeugt bis zu 40 W bei 13,5 nm in +/-1 Prozent Bandbreite. 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 100 mm Durchmesser bearbeitet. Im Test konnten mit Hilfe des achromatischen Talbot-Effektes Strukturen mit einer Strukturgröße von 28 nm (half pitch) hergestellt werden. Für so eine kleine Anlage ist das Weltrekord. In Zukunft soll die Auflösung noch weiter bis zu 10 nm gesteigert werden.

Erschwinglich für Startups und Mittelständler

Periodische Nanostrukturen haben unterschiedliche Anwendungen. Sie sind zum Beispiel optimal, um neue Fotolacke (engl. resists) 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.

Das 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." Startups oder interessierten Mittelständlern wird so der Zugang zu dieser Spitzentechnologie zu vertretbaren Investitionskosten ermöglicht.

Die Nanostrukturen mit 300 nm (links, DUV) und 28 nm (rechts, EUV) half-pitch (HP) – die weltweit kleinsten Strukturen, generiert mit laborbasierter EUV-Quelle. 
Quelle: Fraunhofer ILT, Aachen.

Kontakt: Dr. Serhiy Danylyuk, Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT
serhiy.danylyuk@ilt.fraunhofer.de