Aktuelles › Fraunhofer IOF · Volle EUV-Power im kleinen Labormaßstab
Die Zukunft hat eine Farbe: Sie ist extrem-ultraviolett. Denn mithilfe von Licht in diesem besonders kurzwelligem Spektralbereich, sogenanntem EUV-Licht, lassen sich z. B. kleinere und leistungsfähigere Mikrochips als je zuvor herstellen. Doch die weitere Forschung steht vor einem Problem: Experimente mit laserähnlichem EUV-Licht können bisher meist nur an teuren Großforschungsanlagen betrieben werden. Das will der Jenaer Forscher Robert Klas ändern. Er hat ein kompaktes EUV-Lasermodul entwickelt, mit dessen Hilfe sich dieses besondere Licht deutlich leichter und kostengünstiger erzeugen lässt. Besondere Anwendungspotenziale sind in der Halbleiterfertigung sowie der Mikroskopie denkbar. Dafür ist Robert Klas nun mit dem Hugo-Geiger-Preis ausgezeichnet worden.
Robert Klas ist Preisträger des Hugo-Geiger-Preises 2023.
Der Jenaer Forscher Robert Klas hat im Rahmen seiner Doktorarbeit ein kompaktes Modul zur Erzeugung laserähnlichen EUV-Lichts entwickelt. Wo bisher Forschungsanlagen von der Größe eines ganzen Hauses nötig sind, sogenannte Synchrotrone, präsentiert Klas mit seiner Dissertation nun eine neue und effiziente Methode, um laserähnliches EUV-Licht in einer Anlage von der Größe eines Labortisches zu erzeugen.
Mit seiner Doktorarbeit, die in Kooperation zwischen der Friedrich-Schiller-Universität Jena, dem Helmholtz-Institut Jena und dem Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF entstanden ist, liefert Klas die bislang leistungsstärkste laserähnliche EUV-Quelle im Labormaßstab mit einer Durchschnittsleistung von 10 Milliwatt – das ist hundertmal mehr Leistung als noch zu Beginn seiner Promotion in vergleichbaren Systemen üblich. Damit kann die EUV-Forschung in Zukunft unabhängig von wenigen, aufwändig zu unterhaltenden Großanlagen werden. Noch dazu kostet der kompakte Aufbau nur einen Bruchteil.
EUV-Quelle im Labormaßstab mit hundertmal mehr Leistung
Mit seiner Arbeit stellt sich Klas dabei einer wesentlichen Herausforderung der Laseroptik. Denn hier besagt ein wichtiger Grundsatz: Laserstrahlung ist umso schwerer zu erzeugen, je kürzer seine Wellenlängen sind. Mit seiner Arbeit bewegt sich der Physiker im Wellenlängenbereich von 10 bis 50 Nanometern. Ein Nanometer entspricht dabei einem Millionstel Millimeter. Kurzum: Extrem-ultraviolettes Licht lässt sich nur extrem schwer als Laserlicht erzeugen.
Um das Problem zu lösen, nutzt Klas moderne Hochleistungsultrakurzpulslaser. Diese werden mittels des Prozesses der Erzeugung hoher harmonischer Strahlung in EUV-Licht konvertiert. Dabei fokussiert Klas den Hochleistungslaser zunächst in einem Edelgas. Hierbei werden Elektronen innerhalb von wenigen 100 Attosekunden beschleunigt. Eine Attosekunde ist der Trillionste Teil einer Sekunde. Robert Klas veranschaulicht diese Größenordnung mit einem Vergleich: »Eine Attosekunde verhält sich zu einer Sekunde wie eine Sekunde zu unserem Weltzeitalter«, erklärt er. Aus den in dieser unvorstellbar kurzen Zeit beschleunigten Elektronen ergibt sich durch die Rekombination mit ihrem Mutterion anschließend die kostbare EUV-Strahlung.
Die große Herausforderung dabei ist, die freigesetzte Strahlung kohärent zu überlagern, also so zu kontrollieren, dass sich ihre sogenannten Wellenberge im extremen Ultraviolett-Spektrum addieren und am Ende zu einem Laserstrahl bündeln lassen. Durch die korrekte Wahl der Laserparameter sowie Gasdichte ist es ihm gelungen, eine EUV-Strahlung mit laserähnlichen Parametern höchsteffizient zu erzeugen. Was in Kombination mit Hochleistungstreiberlasern zu einer signifikanten Leistungssteigerung im EUV führte.
Hochleistungs-EUV-Quelle schafft Novum in der hochaufgelösten Mikroskopie
Dass seine Arbeit die weitere Erforschung sowie Anwendung des EUV-Lichts wesentlich vereinfachen wird, davon ist der Wissenschaftler überzeugt: »In Zukunft ist zu erwarten, dass die Ergebnisse meiner Doktorarbeit die Entwicklung in vielen wichtigen Bereichen wie der Energie- und Speichereffizienz von Chips, Biologie sowie Medizin vorantreiben werden.«
Bereits während seiner Forschung hat Klas dabei erste Anwendungspotenziale für seine neuartige EUV-Quelle im Labormaßstab erprobt. Im Besonderen hat er sich dabei im Austausch mit anderen Forschenden der Mikroskopie zugewandt – speziell der Bildgebung im Bereich winziger Nanometer. »Mit einer Belichtungswellenlänge von 13,5 Nanometern haben wir eine Auflösung von 18 Nanometern realisiert«, berichtet er. Zum Vergleich: Konventionelle Lichtmikroskope schaffen nur eine Auflösung von knapp 500 Nanometern. Wie unfassbar detailgenau die durch EUV-Licht ermöglichte Mikroskopie wird, erläutert Klas mit einem weiteren Beispiel: »In einem Experiment haben wir ein sogenanntes Field of view in der Größe von 100 x 100 Mikrometern erreicht. Das heißt, wir können innerhalb eines Bildes vergleichsweise die Größe eines Fußballfeldes abdecken und darin eine Ein-Euro-Münze finden.«
Eine weitere Neuerung: Bei einer EUV-basierten Mikroskopie lassen sich farbige Bilder von einer zu untersuchenden Probe erstellen. Auf diese Weise können die Forschenden »in eine Zelle hineinschauen« und unterschiedliche Elemente bzw. Anteile verschiedener Stoffe wie Kohlenstoff, Lipide etc. unterscheiden – »ein Novum bei einer solch hohen Auflösung«, unterstreicht Klas. »Mit unserer Technologie können wir damit in Zukunft biologische und medizinische Studien vorantreiben und hoffentlich unterschiedliche Arten von Viren untersuchen. Irgendwann wollen wir mit diesem Verfahren auch DNA mit etwa zwei Nanometern Durchmesser abbilden können«, so der Forscher.
Qualitätssicherung in der Halbleiterfertigung mittels EUV-Lithographie
Ein weiteres besonderes Anwendungspotenzial bietet die von Klas entwickelte Technologie in der EUV-Lithographie. Hier werden winzig kleine Mikrochips mithilfe von extrem-ultraviolettem Licht hergestellt. Schon heute nutzt die Halbleiterindustrie dieses Verfahren, um mehr als zehn Milliarden Transistoren auf einen fingernagelgroßen Chip aufzubringen. Für die Entwicklung der EUV-Lithographie wurde ein Forschungsteam von TRUMPF, ZEISS und Fraunhofer 2020 mit dem Deutschen Zukunftspreis ausgezeichnet.
Klas’ Forschung eröffnet in diesem Zusammenhang eine neue Möglichkeit der Qualitätssicherung. Denn die herausragenden mikroskopischen Eigenschaften seines Systems können auch auf eine Belichtungsmaske angewandte werden. Diese wird in der Halbleiterfertigung genutzt, um die winzig kleinen EUV-Chips herzustellen. Verbergen sich Fehler in dieser Maske, werden diese an die damit gefertigten Chips weitergegeben. Durch die EUV-Mikroskopie kann die Maske auf derlei Fehler hin untersucht werden. Schwachstellen in der EUV-Maske frühzeitig zu erkennen und somit weitere Fehler in der Fertigung zu vermeiden, spart Zeit und Geld. »Dieses Verfahren kann den Ausschuss verringern und damit zu einer nachhaltigeren Produktion führen«, erläutert Klas die Vorzüge dieser Methode.
Auszeichnung mit dem Hugo-Geiger-Preis
Für seine wegweisende Forschungsarbeit wurde Robert Klas nun mit dem »Hugo-Geiger-Preis für wissenschaftlichen Nachwuchs« ausgezeichnet. Der Award wird vom Freistaat Bayern und der Fraunhofer-Gesellschaft an herausragende Nachwuchsforschende vergeben. Die Preisverleihung erfolgte am 21. März in München. Insgesamt wurden drei Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus München, Freiburg und Jena geehrt. Weitere Informationen zum Award sowie den weiteren Preistragenden finden Sie in der Pressemeldung der Fraunhofer-Gesellschaft.
EUV-Licht – das Licht für das digitale Zeitalter
Licht im extrem-ultravioletten Bereich, kurz EUV-Licht, ist ein ganz besonderes Licht. Aufgrund seiner besonders kurzen Wellenlänge können damit winzig kleine Strukturen hergestellt werden. Wichtig ist das zum Beispiel in der Halbleiterfertigung: Hier können mithilfe von EUV-Licht feinste Schaltkreise auf Mikrochips hergestellt werden. Auf diese Weise können Halbleiter künftig kleiner und zugleich leistungsstärker als je zuvor gebaut werden. Und genau diese Mini-Chips brauchen wir dringend, denn ohne sie sind z. B. Fortschritte in der Künstlichen Intelligenz oder auch beim Autonomen Fahren kaum denkbar.
Bislang ist Erzeugung von laserähnlichem EUV-Licht nur in teuren und aufwändigen Großanlagen möglich. Forschende müssen zur Nutzung dieser Anlagen spezielle Forschungszentren aufsuchen, sogenannten Synchrotrons. Oft warten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler hier jahrelang auf einen Platz, um am Ende nur wenige Wochen oder gar Tage experimentieren zu können. Forschung und weiterer technologischer Fortschritt, den das EUV-Licht gerade im digitalen Zeitalter verspricht, werden damit massiv erschwert. Hier will Klas mit seiner neuen, kompakten EUV-Quelle künftig Abhilfe schaffen.
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Roberts Klas
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