Einfach erklärt
Ein extrem kurzer Lichtblitz kann winzige Vertiefungen in Silizium schlagen, dem Material, aus dem viele Computerchips bestehen. Je stärker der Blitz ist, desto tiefer und anders geformt fällt die Vertiefung aus. Das könnte neue Wege eröffnen, Muster direkt in Oberflächen zu schreiben. Noch ist die Methode aber ein Versuch im Labor und kein fertiges Verfahren für die Chipproduktion.
Ein Forschungsteam richtete extrem ultraviolettes Licht auf eine Siliziumscheibe. Jeder Lichtblitz hinterließ eine Vertiefung, deren Tiefe und Form sich anschließend genau vermessen ließen. Der Ansatz ist interessant, weil Licht die Oberfläche direkt bearbeiten könnte, ohne dass dafür zwingend eine komplizierte Vorlage nötig ist. Die Ergebnisse belegen jedoch zunächst nur, dass das Prinzip funktioniert – nicht, dass die Methode schon für die industrielle Chipfertigung geeignet ist.
Warum suchen Forschende nach neuen Verfahren?
Feine Muster auf Siliziumchips entstehen normalerweise in mehreren Arbeitsschritten. Dabei kommen oft Fotomasken zum Einsatz, die Licht entsprechend einem bestimmten Entwurf lenken. Solche Masken herzustellen ist aufwendig und teuer: Dazu werden empfindliche Schichten aufgetragen, belichtet und chemisch behandelt, bevor Teile des Materials entfernt werden. Je kleiner die Bauteile werden, desto wichtiger ist es, die Maske selbst mit höchster Präzision zu fertigen.
Beim direkten Schreiben mit einem Laser wird Licht gezielt auf einzelne Stellen gebündelt, um dort Material abzutragen – ganz ohne dazwischenliegende Maske. Laser mit sichtbarem Licht oder nahinfraroter Strahlung stoßen allerdings an Grenzen, wenn es darum geht, den Lichtfleck immer weiter zu verkleinern. Zudem kann die übertragene Energie unerwünschte Wärmeeffekte auslösen, etwa Spannungen im Material oder winzige Risse.
Extrem ultraviolettes Licht bietet die Möglichkeit, kleinere Bereiche zu treffen und Material gezielter abzutragen. Eine besonders kurze Lichtpulse allein beweist aber nicht, dass Wärmeschäden ausbleiben. Die Forschenden erwarteten, dass extrem kurze Pulse solche Schäden begrenzen könnten; direkt gemessen hat die Studie diesen Effekt jedoch nicht.
Großforschungsanlage, Lichtblitz von nur 30 Femtosekunden
Das Experiment fand an der japanischen Forschungsanlage SACLA statt. Zum Einsatz kam ein Freie-Elektronen-Laser, der Pulse von etwa 30 Femtosekunden erzeugte. Eine Femtosekunde ist ein winziger Bruchteil einer Sekunde – die Energie traf also nur für eine äußerst kurze Zeit auf die Probe. Die Lichtteilchen hatten eine Energie von rund 92 Elektronenvolt und trafen senkrecht auf eine 525 Mikrometer dicke Siliziumscheibe.
Unter den Versuchsbedingungen reflektierte das Silizium das verwendete Licht nahezu gar nicht. Die Eindringtiefe lag bei etwa 0,59 Mikrometern. Ein zweistufiges optisches System bündelte den Strahl auf eine Fläche von ungefähr 350 mal 700 Nanometern. Dazu gehörten ein vorgeschalteter Kirkpatrick-Baez-Spiegel und ein elliptischer Spiegel. Die Proben waren auf präzisen Positioniertischen befestigt, mit denen sich die Pulse auf unterschiedliche Stellen richten ließen.
Diese Angaben beschreiben einen hochentwickelten Versuchsaufbau, kein kleines Gerät, wie man es ohne Weiteres in einer gewöhnlichen Fabrik aufstellen könnte. Die Ergebnisse wurden mit einer Lichtquelle in einer Großforschungsanlage erzielt. Um das Verfahren breiter einzusetzen, wären praktikablere Quellen für extrem ultraviolettes Licht nötig – und es müsste sich zeigen, wie sie zuverlässig und effizient betrieben werden können.
Die Stärke des Pulses bestimmt die Form der Vertiefung
Nach der Belichtung untersuchten die Forschenden die Oberflächen mit einem Rasterkraftmikroskop. Dieses Gerät kann selbst kleinste Höhenunterschiede sichtbar machen. Bei einer absorbierten Dosis von 8 Elektronenvolt pro Atom – entsprechend 6,0 Joule pro Quadratzentimeter – waren die Vertiefungen im Durchschnitt etwa 1,5 Mikrometer tief. Die tiefste Stelle einzelner Vertiefungen erreichte 1,8 Mikrometer.
Die Vertiefungen sahen nicht alle gleich aus. Meist ähnelten sie einer breiten Schale, die sich zu einer zentralen Senke hin verengte. Bei einer Probe war außerdem ein deutlicher Rand zu sehen, an dem Material abgelagert zu sein schien, das zuvor abgetragen worden war. Bei wiederholten Pulsen schwankten die Abmessungen der Vertiefungen um etwa 13 bis 20 Prozent. Das zeigt, dass sich das Ergebnis grundsätzlich wiederholen ließ, aber nicht völlig gleich ausfiel.
Bei einer geringeren Dosis von 5 Elektronenvolt pro Atom beziehungsweise 3,7 Joule pro Quadratzentimeter betrug die durchschnittliche Tiefe ungefähr einen Mikrometer, die Breite rund 1,1 Mikrometer. Die Breite variierte um etwa 10 Prozent, die Tiefe um 18 bis 36 Prozent. Eine veränderte Energie beeinflusst also nicht nur, wie viel Material abgetragen wird, sondern auch, wie gleichmäßig die Vertiefungen ausfallen.
Bei einer Dosis von 2 Elektronenvolt pro Atom – oder 1,5 Joule pro Quadratzentimeter – blieb der Materialabtrag näher an der Stelle, an der das Licht ursprünglich absorbiert wurde. Die Vertiefungen waren etwa 0,6 Mikrometer tief. Einige ihrer Abmessungen entsprachen dem Lichtfleck, der in einer Richtung weniger als einen Mikrometer breit war. Der Boden war allerdings nicht glatt: Dort blieben raue Stellen und Siliziumreste zurück. Die geringere Dosis ermöglichte somit eine Struktur, die in einer Richtung kleiner als ein Mikrometer war, hinterließ aber keine perfekte Oberfläche.
Die Simulation hilft – trifft aber nicht alle Maße
Das Team beschränkte sich nicht darauf, die Ergebnisse zu vermessen, sondern nutzte auch das Multiskalen-Simulationssystem SURFwiX. Das Programm XTANT bildete die Reaktion der Elektronen und die ersten Veränderungen im Material während der anfänglichen Femtosekunden und Pikosekunden ab. Anschließend untersuchten die Forschenden mit dem Molekulardynamikprogramm LAMMPS, wie sich das Silizium verformt, Druckwellen ausbreiten und Material austritt. Die Simulation reichte dabei bis in den Nanosekundenbereich.
Um den Rechenaufwand zu begrenzen, verkleinerten die Forschenden das Modell und hielten dabei nach dem Prinzip der Ähnlichkeit die absorbierte Dosis konstant. Die Berechnungen gaben den allgemeinen Trend wieder: Eine höhere Dosis führte zu größeren Vertiefungen. Bei der höchsten Dosis waren die berechneten Vertiefungen jedoch kleiner als die gemessenen. Das Modell unterschätzte die Tiefe etwa um den Faktor drei und die Breite ungefähr um die Hälfte.
Den Berechnungen zufolge könnte Silizium am Rand der Vertiefung zunächst nach außen gedrückt werden, dann zurückfallen und erstarren. Das wäre eine mögliche Erklärung für den sichtbaren Rand aus erneut abgelagertem Material. Die Abweichung zwischen Simulation und Messung zeigt jedoch, dass die Modelle auf atomarer Ebene noch nicht alle Einzelheiten des Vorgangs erfassen. Bevor sich mit ihnen die Form der Vertiefungen zuverlässig vorhersagen lässt, müssen sie verbessert werden.
Von der winzigen Vertiefung zu möglichen Anwendungen
Das direkte Schreiben mit extrem ultraviolettem Licht könnte künftig eine Möglichkeit sein, Muster oder Masken für Bauteile mit vergleichsweise größeren Abmessungen herzustellen. Denkbar wären etwa Anwendungen in der Mikrosystemtechnik, darunter Sensoren, die elektrische und mechanische Vorgänge verbinden, die Steuerung von Motoren, das Batteriemanagement oder medizinische Geräte. Das sind mögliche Einsatzfelder – die Studie hat nicht gezeigt, dass sich solche Bauteile bereits mit dem Verfahren herstellen lassen.
Der Ansatz könnte dazu beitragen, einige Schritte bei der Herstellung von Masken zu umgehen, etwa chemische Behandlungen, Plasmaätzen oder das Entfernen empfindlicher Schichten. Die Studie untersuchte jedoch weder den Ressourcenverbrauch noch die Umweltbilanz. Auch Kosten und Geschwindigkeit wurden nicht mit bestehenden Fertigungsschritten verglichen. Die Vorstellung, ein trockenes Verfahren könne weniger Ressourcen verbrauchen, ist daher eine Möglichkeit, die noch geprüft werden muss, und kein gesichertes Ergebnis.
Eine praktische Hürde ist, dass im Experiment ein Freie-Elektronen-Laser zum Einsatz kam, der nur an einer spezialisierten Anlage verfügbar ist. Als möglichen Weg zu kleineren Lichtquellen nennt die Studie die Erzeugung extrem ultravioletten Lichts mithilfe hoher Harmonischer. Für den industriellen Einsatz wären jedoch weitere Entwicklung und umfangreiche Tests nötig. Auch noch kürzere Pulse im Attosekundenbereich könnten womöglich Wärmespannungen verringern – doch das ist bislang eine Idee und kein Effekt, den das aktuelle Experiment gemessen hat.
Fazit
Das Experiment zeigt, dass ein einzelner, extrem kurzer Puls aus extrem ultraviolettem Licht Silizium abtragen und eine Vertiefung erzeugen kann. Wie tief und geformt sie ausfällt, hängt von der Dosis ab: Bei geringerer Energie waren die Vertiefungen etwa 0,6 Mikrometer tief, bei höherer Energie erreichten sie bis zu 1,8 Mikrometer. Die Messwerte wichen allerdings merklich voneinander ab. Die Bedeutung der Arbeit liegt darin, dass sie das direkte Bearbeiten von Silizium im Mikrometermaßstab demonstriert – nicht darin, ein fertiges industrielles Verfahren vorzustellen. Dafür müssen die Simulationen verbessert, Geschwindigkeit und Wiederholbarkeit in größerem Maßstab getestet sowie Wärme- und Umweltwirkungen untersucht werden. Außerdem braucht es geeignete Lichtquellen. Bis dahin bleibt der Lichtblitz ein vielversprechendes Werkzeug fürs Labor, aber kein bewährter Ersatz für die etablierten Verfahren der Chipfertigung.