Licht für die Speicherchips der Zukunft

Immer kleiner, immer schneller: Computerchips für Handys, Digitalkameras und Rechner sind winzige „Powereinheiten“, die eine ständig wachsende Flut an Daten auf minimalem Raum verarbeiten.

Um die Speicherdichte und Schaltgeschwindigkeit zu erhöhen, gilt es, immer feinere Strukturen in die Chips zu ätzen. Dies geschieht derzeit mit Präzisionsmaschinen: Sie verwenden kurzwellige Laserstrahlen mit 193 Nanometern Wellenlänge und belichten damit 50 Nanometer kleine Strukturen auf Siliziumrohlinge.

Doch diese Technologie stößt an ihre physikalischen Grenzen. Um die von der Chipindustrie gewünschte Leistungskapazität der Rechner- und Speicherchips zu erhöhen, ist ein radikaler Technologiewechsel bei der Produktion erforderlich, bei der extrem kurzwelliges Licht mit nur noch 13.5 Nanometern Wellenlänge aus neuartigen Lichtquellen eingesetzt werden soll.

Wissenschaftler der RWTH Aachen, des Fraunhofer-Instituts für Lasertechnik (ILT) Aachen und der Firma Philips betreiben in diesem Bereich gemeinsam Spitzenforschung. Sie setzen hierbei die so genannte EUV-Strahlenquelle ein. EUV ist Abkürzung für die englische Bezeichnung Extreme Ultra Violet – diese Lichtquelle hat beste Chancen, als Strahlungsquelle die Nachfolge der derzeitigen Lasertechnik anzutreten.

Die Terminvorgaben sind eng gesteckt. Bereits 2013 sollen in der Halbleiterindustrie die chipproduzierenden Maschinen neuen Typs stehen und 30 Nanometer kleine Strukturen erzeugen. „Weltweit entwickeln diverse Arbeitsgruppen mit Hochdruck die verschiedenen Komponenten weiter“, berichtet Univ.-Prof. Dr. rer. nat. Peter Loosen vom Lehrstuhl für Technologie optischer Systeme der RWTH Aachen.

Mit ihrem Industriepartner Philips feilen die Aachener Wissenschaftler an der EUV-Lichtquelle, mehrere Prototypen sind bereits im Einsatz. Sie werden im belgischen Leuven und in Albany nahe New York in den beiden ersten Forschungsmaschinen getestet. „Die praktischen Versuche helfen uns, das Produkt permanent zu verbessern. Bis zum Produktionsstart müssen wir die Strahlungsleistung beispielsweise noch deutlich erhöhen“, so Dr. Willi Neff, Leiter der Plasmatechnologie am Aachener Lehrstuhl.

Neff und seine Kollegen erzeugen EUV-Licht, indem sie Zinn in einem Plasma derart stark aufheizen, dass dieses entsprechende Strahlung abgibt. Sie müssen dabei das 200.000 Grad heiße Plasma so beherrschen, dass die EUV-Quelle eine hohe Zuverlässigkeit und lange Lebensdauer hat. „Die Strahlungsquelle wird in der Chipherstellung ununterbrochen im Einsatz sein“, erläutert Neff. „Ungeplante Produktionsstopps wegen defekter Komponenten sind teuer. Daher dürfen bis zum nächsten Wartungsintervall keine Verschleißerscheinungen auftreten.“

Um die Strukturen in der Halbleiterindustrie zu verkleinern, muss allerdings nicht nur die Strahlungsquelle ausgetauscht werden. Das gesamte Herstellungssystem wird verändert, denn EUV-Licht mit einer Wellenlänge von 13.5 Nanometern ist nicht mehr sichtbar. Der erforderliche Belichtungsprozess findet im Vakuum statt. Die kurzwellige Strahlung lässt sich nicht wie bisher durch Linsen auf den Rohling lenken, um diesen wie bei einer Fotografie zu belichten und dabei mit Leiterstrukturen zu versehen. Bei der Chip-Produktion der nächsten Generation ersetzen hochreflektierende Spiegel die Linsen, die den EUV-Strahl auf den Rohling lenken.

Auch das Zusammenspiel der Spiegel und der EUV-Lichtquelle wird derzeit getestet und optimiert: „Um die EUV-Strahlen zielgerichtet auf einen Träger zu bringen, kommen Mehrschichtspiegel aus Molybdän/Silizium-Schichten zum Einsatz“, beschreibt Loosen. Diese reflektieren allerdings nur etwa 70 Prozent des kostbaren Lichts, was zu den hohen Anforderungen an die Leistungsfähigkeit der Lichtquellen führt.

Auch Wissenschaftler aus dem mit der RWTH kooperierenden Forschungszentrum Jülich interessieren sich für Anwendungen der innovativen EUV-Lichtquelle. „Dank der Jülich-Aachen Research Alliance JARA können wir zusätzliche Erkenntnisse gewinnen, die in die Entwicklungen einfließen“, betont Professor Loosen. Die JARA wurde im August 2007 gegründet. Sie institutionalisiert und intensiviert die Zusammenarbeit zwischen der RWTH Aachen und dem außeruniversitären Forschungszentrum Jülich auf vielen wissenschaftlichen Gebieten unter einer partnerschaftlichen Führung. JARA ist ein wesentlicher Bestandteil des Zukunftskonzepts der RWTH im Rahmen der Exzellenzinitiative.

Infos: Univ.-Prof. Dr. Peter Loosen, Lehrstuhl für Technologie optischer Systeme, Tel. 0241/8906162, E-Mail: peter.loosen@ilt.fraunhofer.de