In der Halbleiterindustrie ist derzeit eine neue Technologie in aller Munde – die EUV-Lithografie. Diese nutzt kurzwelliges ultraviolettes Licht, um Mikrochips im Kleinstformat herzustellen, die eingesetzt in Computer und Smartphones, enorm grosse Datenmengen verarbeiten können. Ein Team aus Kunden von Bühler hat ein System für die EUV-Lithografie entwickelt, und gewinnt dafür den Deutschen Zukunftspreis.
Der renommierte Deutsche Zukunftspreis, der Preis des deutschen Bundespräsidenten für Technik und Innovation, erhält dieses Jahr ein Team, das massgeblich zur Entwicklung einer marktfähigen Lösung für die EUV-Lithografie beigetragen hat. Das Expertenteam besteht aus Dr. Peter Kürz von Carl Zeiss SMT, Dr. Michael Kösters von Trumpf Lasersystems, sowie Dr. Sergiy Yulin vom Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik (IOF). Am 25. November 2020 überreichte der deutsche Bundespräsident Frank-Walter Steinmeier den renommierten Forschungspreis an die drei Wissenschaftler. Zusammen entwickelten sie ein System für die EUV-Lithografie, bei dem sie auch Beschichtungsanlagen von Bühler Leybold Optics einsetzten. Im Interview gibt Dr. Sergiy Yulin vom Fraunhofer IOF Auskunft über die Zusammenarbeit mit Bühler.
Dr. Yulins Beitrag zur Realisierung der EUV-Lithografie bestand in der Entwicklung und Optimierung des Schichtstapels für die in dem System integrierten Spiegel. Die Beschichtung dieser Spiegel besteht aus hunderten einzelner Molybdän- und Silizium-Dünnschichten, um eine möglichst hohe Lichtreflektion im EUV-Bereich zu erzielen und damit die Produktivität des Gesamtsystems zu maximieren.
Herr Dr. Yulin, wir gratulieren Ihnen und Ihren Kollegen herzlich zu dieser Auszeichnung. Zur Beginn Ihrer Arbeiten 2002 gab es keine passende Beschichtungsanlage für Ihr Vorhaben im Markt, warum konnte man mit keiner der damals vorhandenen Technologien arbeiten?
Unser Ziel war die Entwicklung von Beschichtungstechnologien für Anwendungen in der EUV-Lithografie. Die Anforderungen an solche Optiken konnten nicht mehr mit den bereits vorhandenen Forschungsanlagen erfüllt werden. Dies betrifft insbesondere Forderungen an Substratgrössen und die Möglichkeit, Beschichtungen mit sehr präzisen lateralen Gradienten herzustellen. Wir waren davon überzeugt, dass wir den Schritt von der bis dahin für EUV-Schichten favorisierten Bedampfung zur Sputtertechnologie wagen mussten und mindestens vier Targetmaterialien notwendig sein würden, um die Grenzflächen atomgenau zu kontrollieren.
Was war an der Anlagentechnologie der Schlüssel für den Durchbruch?
Das ist nicht ganz einfach zu beantworten. Es war vor allem die Kombination verschiedener technischer Teilaspekte, der Möglichkeit, Beschichtungsparameter über einen sehr weiten Bereich zu variieren und auch Dinge wie hohe Prozessstabilität und Reproduzierbarkeit. Sechs Kathoden gaben uns die Möglichkeit, Beschichtungen mit komplexeren Designs herzustellen. So wurden gezielt Barriereschichten, Oxidationsschutzschichten und Glättungsschichten entwickelt und implementiert, um die Performance und die Lebensdauer der Spiegel zu erhöhen. Dies war eine wichtige Grundlage etwa zur Realisierung von Systemen mit höchsten Reflexionsgraden bei 13,5 Nanometern von bis zu 70 Prozent und extremer Stabilität beispielsweise gegenüber hohen Temperaturen bis 600° C. Diese Ansätze nutzen wir inzwischen für praktisch alle Beschichtungen für sehr kurze Wellenlängen auch jenseits EUV.
Was waren die grössten Hürden, die Sie nehmen mussten?
Eine besondere Herausforderung war vor allem auch die Grösse der zu beschichteten Substrate. Ziel war eben nicht nur im Labormassstab neue Beschichtungen zu entwickeln, sondern diese direkt in anwendungsrelevante Dimensionen zu skalieren. Die Realisierung von Gradienten über grosse Substratoberflächen erfordert eine genaue Kenntnis und hohe Stabilität der Verteilung in der Anlage und ist daher ein durchaus aufwendiger Prozess, der viele Testprozesse und umfangreiche Messungen erfordert. Und, wie gesagt, die Anzahl der Kathoden spielt eine extrem wichtige Rolle für die Möglichkeiten des Schichtdesigns und Interface-Engineerings. Und natürlich war viel Arbeit dahingehend zu leisten, High-End Kunden mit höchsten Ansprüchen von unserer Technologie zu überzeugen.
In der Zusammenarbeit mit Bühler Leybold Optics wurde die Beschichtungstechnologie analog zu den immer neu gewonnenen Erkenntnissen weiterentwickelt. Wie wichtig war Ihnen die Kollaboration mit dem Anlagenlieferanten?
Natürlich war die Möglichkeit von Remote-Service eine grosse Hilfe, um während der ersten Kampagnen mit der neuen Technologie möglichst sofort Probleme zu diskutieren und zu lösen. Die extremen Anforderungen an die Beschichtungshomogenität und die Realisierung präziser Schichtdickengradienten war, wie gesagt, eine grosse Herausforderung und Neuland sowohl in der Forschung bei uns als auch im Anlagenbau bei Leybold Optics. Ohne eine direkte und offene Diskussion in beide Richtungen wären wir sicher nicht so weit gekommen. Ich denke wir haben Bühler Leybold Optics teilweise schon sehr herausgefordert, aber am Ende war dies der Schlüssel zum Durchbruch und alle Seiten haben viel gelernt.
Neben der Grundlagenentwicklung ist ja auch die wirtschaftliche Umsetzung von grosser Bedeutung bei der EUV-Technologie. Welche Rolle hat hier das Fraunhofer IOF bei der anwendungsnahen Umsetzung gespielt?
Wir als Fraunhofer Institut sind naturgemäss sehr nah an der industriellen Umsetzung unserer Forschungsarbeiten. Das Zusammenspiel von Forschung und anwendungsnaher Entwicklung sowie eine solide Wertschöpfungskette bestehend aus Design, Optikfertigung, Reinigung, Charakterisierung, Beschichtung und Logistik sind eine besondere Stärke des Fraunhofer IOF und macht uns auch auf anderen Gebieten, beispielsweise in der Weltraumoptik, international erfolgreich. Die Grenzen zwischen anwendungsnaher Forschung und Produktion sind dabei teilweise fliessend. Fraunhofer Institute sind oftmals ein «Enabler» für Innovationen in Unternehmen, da aufgrund der breiten Kompetenz und umfassender Technologieplattformen Demonstratoren bereits realisiert werden können, wenn aufgrund geringer Stückzahlen und hoher Risiken in der Entwicklungsphase noch keine Lieferketten etabliert sind. Die Bedeutung von Fraunhofer gerade in dieser Phase im Bereich der EUV-Lithografie wird zum Beispiel deutlich anhand von Projekten mit Intel, Cymer und ASML, die uns sogar mit Auszeichnungen gewürdigt haben, wie etwa dem «Cymer Supplier Award» – das war schon toll. Wir haben unsere Erkenntnisse dann auf verschiedenen Wegen in die Industrie transferiert, einerseits durch Know-how-Transfer basierend auf mehr als 15 Patenten, aber auch durch Köpfe – mehr als 10 Experten von uns arbeiten inzwischen in einschlägigen Unternehmen. 2015 wurde schliesslich das SpinOff optiXFab durch meinen langjährigen Mitstreiter Torsten Feigl gegründet und ist seitdem erfolgreich am Markt. Gleichzeitig treiben wir unsere Forschungsaktivitäten weiter, zum Beispiel hin zu noch kürzeren Wellenlängen und anderen Anwendungen, wie etwa der Mikroskopie im sogenannten Wasserfenster. Es gibt noch viel zu tun.
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