In der Welt der Halbleiterproduktion ist es unumstritten: Ohne Licht im extrem ultravioletten Spektrum (EUV) können moderne Chips nicht hergestellt werden. Die EUV-Strahlung mit einer Wellenlänge von 13,5 Nanometern birgt jedoch erhebliche Herausforderungen, insbesondere in der Erzeugung. Um dies zu erreichen, werden winzige Zinntröpfchen verdampft, die anschließend ein Plasma bilden, welches die EUV-Strahlung abgibt. Dies passiert nur durch extrem leistungsstarke Laser, die in der Lage sind, Tausende von Tröpfchen pro Sekunde auf beeindruckende 500.000 °C zu bringen.

Ein Team von Forschern am Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) in den USA hat nun eine bahnbrechende Entwicklung angekündigt. Sie haben die Förderzusage für den Bau eines neuen Festkörperlasers erhalten, der nicht nur in der Halbleiterfertigung, sondern auch in Fusionsreaktoren und industriellen Anwendungen revolutionäre Einsatzmöglichkeiten bieten könnte. Der sogenannte Big Aperture Thulium Laser (BAT) nutzt als Lasermedium mit Thulium dotiertes Ytterbium-Lithium-Flourid (Tm:YLF).

Im Vergleich zu herkömmlichen CO2-Lasern, die zurzeit verwendet werden, verspricht der BAT eine enorme Effizienzsteigerung bei der Erzeugung von EUV-Strahlung. Die Wissenschaftler rechnen mit einer Verzehnfachung der Effizienz, was sowohl die Dosisleistung erhöhen als auch die Leistungsaufnahme senken könnte. Eine höhere Dosisleistung würde die Belichtungszeit pro Wafer deutlich verkürzen und damit den Durchsatz der Maschinen erhöhen – ein entscheidender Vorteil in einer Branche, die ständig auf der Suche nach Optimierungen ist.

Aktuelle Lichtquellen sind laut einem älteren Bericht über die ASML Belichter äußerst ineffizient. Um gerade einmal 200 Watt EUV-Leistung für den Wafer zu erzeugen, benötigt man schon 40 Kilowatt Laserleistung. Die Gesamtleistung der Maschinen liegt mittlerweile bei über einem Megawatt. Mit der Steigerung der numerischen Apertur steigt auch die Leistungsaufnahme weiter an, was die Entwicklung effizienterer Lösungen noch dringlicher macht.

Wettkampf der Technologien: Tm:YLF setzt sich durch

Die Erforschung effizienterer und kompakterer Lasertechnologien ist in vollem Gange. Bisher gab es keine praktikable Alternative zur Erzeugung von EUV-Strahlung aus dem Zinnplasma. Der Tm:YLF-Laser hat sich in den letzten Jahren als der vielversprechendste Kandidat herauskristallisiert.

Forscher führten umfassende Vergleiche verschiedener Lasermaterialien durch und begannen, die physikalischen Prozesse hinter der EUV-Emission eingehender zu untersuchen. Herausforderungen gibt es viele: Die Effizienz der Umwandlung wirkt sich nicht nur von der Wellenlänge des Lasers aus, auch muss der Laser mit einer sehr hohen Pulsfrequenz, derzeit 50 kHz, betrieben werden.

Der Tm:YLF-Laser bietet im Vergleich zu CO2-Lasern einige entscheidende Vorteile: Zum einen kann das Medium einfach mit Diodenlasern gepumpt werden, was zu einer einfacheren Kühlung, längeren Lebensdauer und besserer Skalierbarkeit führt. CO2-Laser nutzen hingegen Gasentladung und emittieren Licht mit einer Wellenlänge von rund 10 Mikrometern, während der Tm:YLF-Laser bei fast 2 Mikrometern arbeitet. Dies bedeutet, dass das sogenannte 'Shaping' der Zinntröpfchen nicht notwendig ist, was die Effizienz weiter steigert. Die Wissenschaftler setzen große Hoffnungen auf diesen neuen Laser als mögliche Nachfolgetechnologie für die bestehenden EUV-Belichter.

Der BAT wird in Zusammenarbeit mit einem bestehenden Plasmamodul entwickelt, wobei ASML am Projekt beteiligt ist. Bereits 2022 wurde der Aufbau des Lasers publiziert und die Pläne sehen vor, ein kommerziell einsetzbares Modul zu konstruieren. Details zu Zeitplänen und Produktionsstart bleiben allerdings vage. Ob dieser neue Laser endlich den Durchbruch in der Halbleiterfertigung schaffen wird, bleibt abzuwarten.