Erzeugung von EUV-Strahlung mittels CO2-Hochleistungslasersystem und Zinn
Ob mobile Endgeräte, autonomes Fahren oder künstliche Intelligenz – durch die Miniaturisierung und Automatisierung in unserer digitalen Welt steigen die Anforderungen an die Computerleistung unaufhörlich. Die Folge: Immer mehr Transistoren müssen auf den Halbleitern im Innern der Chipsätze Platz finden. Kein neues Phänomen, denn bereits einer der Gründer von Intel wusste: die Zahl der Transistoren in einem integrierten Schaltkreis verdoppelt sich etwa alle 18 Monate. Dieses als „Moore's Law“ bekannte Gesetz gilt noch heute. So konnten bereits Integrationsdichten von bis zu 100 Millionen Transistoren auf einem Quadratmillimeter erreicht werden. Die Größe von Halbleiterstrukturen nähert sich nach und nach Atomdimensionen an. Bei der Herstellung dieser Chips spielen Hochleistungslaserverstärker von TRUMPF eine zentrale Rolle: Denn mit ihrer Hilfe wird ein leuchtendes Plasma erzeugt, das die extrem ultraviolette Strahlung (EUV) zur Belichtung der Wafer liefert. In enger Kooperation mit dem weltweit größten Hersteller von Lithografiesystemen ASML sowie dem Optikhersteller Zeiss entwickelte TRUMPF ein einzigartiges CO2-Lasersystem mit dem mittlerweile über 100 Wafer pro Stunde bearbeitet werden können.
Vom Zinntropfen zur Wafer-Belichtung: Das Verfahren der EUV-Lithografie
Moderne Computerchips sind in der Regel in der Größenordnung von Nanometern strukturiert und können nur noch über komplexe Belichtungsprozesse mithilfe von Lasern produziert werden. Hierbei stößt der konventionelle Ansatz mit UV-Laserstrahlung aus Excimer-Lasern zunehmend an seine Grenzen. Kleinere Strukturgrößen im Bereich von weniger als zehn Nanometern lassen sich mit diesem, bisher eingesetzten Verfahren nicht mehr generieren. Diese filigranen Strukturen benötigen eine Belichtung mit noch kürzeren Wellenlängen - Strahlung aus dem Bereich des extremen Ultraviolett (EUV).
Die große Herausforderung der EUV-Lithografie ist es, Strahlung mit der optimalen Wellenlänge von 13,5 Nanometern zu erzeugen. Die Lösung: Ein durch Laserstrahlung erzeugtes, leuchtendes Plasma, das diese extrem kurzwellige Strahlung liefert. Doch wie entsteht zunächst das Plasma? Ein Generator lässt Zinntropfen in eine Vakuumkammer fallen (3), daraufhin trifft ein gepulster Hochleistungslaser (1) von TRUMPF die vorbeirauschenden Zinntropfen (2) – 50.000 mal pro Sekunde. Die Zinnatome werden ionisiert, ein intensives Plasma ensteht. Ein Kollektorspiegel fängt die vom Plasma in alle Richtungen emittierte EUV-Strahlung ein, bündelt sie und übergibt sie schließlich an das Lithografiesystem (4) zur Belichtung des Wafers (5).
Den Laserpuls für die Plasmaabstrahlung liefert ein von TRUMPF entwickeltes, pulsfähiges CO2-Lasersystem – der TRUMPF Laser Amplifier. Das Hochleistungslasersystem basiert auf der Technologie der CO2-Dauerstrichlaser im Leistungsbereich von über zehn Kilowatt. Er verstärkt einen CO2-Laserpuls mit wenigen Watt mittlerer Leistung in fünf Verstärkerstufen um mehr als das 10.000-fache auf mehrere 10 Kilowatt mittlere Pulsleistung. Die Pulsspitzenleistung beträgt dabei mehrere Megawatt. Mit der Laserlichterzeugung, -verstärkung sowie der Strahlführung bis zum Zinntropfen initiieren die TRUMPF Komponenten den Lithografieprozess. Sehr schnelle Serieneinführungszyklen und die Umsetzung von spezifischen Kundenwünschen bilden neben der technischen Komplexität, die immer wieder einzigartige und neue Lösungen hervorbringt, ein spannendes Feld für Entwickler, Servicetechniker und Produktionsmitarbeiter.
In enger Kooperation mit renommierten Partnern hat TRUMPF ein international einzigartiges CO2-Lasersystem entwickelt: Der weltweit größte Hersteller von Lithografiesystemen ASML fungiert als Integrator und liefert die Komponenten für die Tröpfchenerzeugung und den Scanner, die EUV-Optiken stammen aus dem Hause Zeiss. Mit den Anlagen können mittlerweile über 100 Wafer pro Stunde bearbeitet werden – ausreichend für die Serienproduktion. So lohnt sich die EUV- Lithografie nicht nur technisch, sondern ist auch wirtschaftlich ein voller Erfolg für Chiphersteller auf der ganzen Welt.
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