Optiken für extreme Fälle

Neue Tisch-Strahlungsquellen machen Anwendungen zwischen 10–100 nm leichter zugänglich.

EUV kommt in der Messtechnik, Nano-Bildverarbeitung und Elektronenspektroskopie zum Einsatz.

In EUV-Systemen werden häufig Reflexionsoptiken eingesetzt, da Lichtbrechung aufgrund der hohen Absorption nicht praktikabel ist.

Die Oberflächenrauheit ist von entscheidender Bedeutung, da die Streuung bei kürzeren Wellenlängen wesentlich höher ist.

Extreme Ultraviolettstrahlung (EUV) umfasst den Wellenlängenbereich von etwa 10 bis 100 nm zwischen dem Röntgen- und dem tiefen UV-(DUV-)Spektrum. Da bei Anwendungen wie der Lithographie, Nano-Bildverarbeitung und Spektroskopie starkes Interesse am EUV-Bereich besteht, wurde in jüngster Zeit intensiv an der Entwicklung kompakter EUV-Quellen gearbeitet. Mittlerweile sind daher mehrere Arten von EUV-Lichtquellen im Handel erhältlich.

EUV-Strahlung wird von nahezu allen Materialien stark absorbiert, sodass die optischen Komponenten in diesem Fall fast immer reflektierend statt transmittierend sind. Aufgrund der kurzen Wellenlänge sind die Anforderungen an die Oberflächenqualität von EUV-Optiken höher als bei Komponenten für das sichtbare Spektrum. Auch wenn die Herstellung von EUV-Optiken aufgrund der enormen Anforderungen nicht einfach ist, lohnt sich der Aufwand, denn der Einsatz von EUV-Strahlung für hochauflösende Bildverarbeitung, Spektroskopie und Werkstoffbearbeitung bietet einen hohen Nutzen.

EUV-Strahlungsquellen

Die ersten nutzbaren EUV-Strahlungsquellen waren riesige Geräte, die nur großen Forschungseinrichtungen und Lithographie-Unternehmen zur Verfügung standen, doch die jüngsten Fortschritte in der EUV-Technologie haben den Weg für deutlich kleinere und leichter verfügbare EUV-Tischsysteme geebnet. Systeme zur Erzeugung Hoher Harmonischer (HHG) und Kapillarentladungslaser sind zwei der vielversprechenderen neuen EUV-Tischstrahlungsquellen und erzeugen kohärente Strahlen mit geringer Divergenz.

Anwendungen für EUV-Optiken

Die neuen kompakten EUV-Quellen bringen eine Vielzahl von neuen EUV-Anwendungen hervor, unter anderem hochauflösende Bildverarbeitung, Elektronenspektroskopie, Molekül- und Festkörperdynamikforschung und Nanomaterialbearbeitung.

EUV-Bildverarbeitung

EUV-Strahlung ist ideal für die Bildgebung mittels kohärenter Beugung (Coherent Diffraction Imaging, CDI) geeignet, mit der sich Auflösungen bis zu 0,5 nm erreichen lassen. Die CDI dient zur Analyse extrem kleiner Strukturen wie Nanoröhren und Nanokristallen. Bei der CDI wird der EUV-Strahl mithilfe von Spiegeln auf ein Objekt gelenkt. Strukturen auf, oder sogar unter, der Oberfläche beugen die Strahlung, die dann von einem nahegelegenen CCD-Detektor erfasst wird. Das aufgezeichnete Beugungsmuster wird dann durch Software zu einem 2D- oder 3D-Bild verarbeitet. Da anstelle von Transmissionslinsen Spiegel und Beugung zum Einsatz kommen, ist das resultierende Bild nahezu beugungsbegrenzt und praktisch frei von Abbildungsfehlern. Die beugungsbegrenzte Auflösung ist direkt proportional zur Wellenlänge, sodass die kurzen Wellenlängen der EUV-Strahlung die Auflösung noch weiter verbessern. Die CDI ist ein kontaktfreies Bildverarbeitungsverfahren, das schneller als ähnliche Techniken wie die Rasterkraftmikroskopie arbeitet und Bilder in rund einer Minute erfasst. Die durch EUV-CDI ermöglichte hohe Auflösung verschiebt die bisherigen Grenzen der Bildgebungstechnologie.

$Typischer Aufbau eines EUV Systems zur Bildegbung mittels kohärenter Beugung (Coherent Diffraction Imaging Systems)$

Figure 1: Typical EUV coherent diffractive imaging setup

Optische und Photoelektronen-EUV-Spektroskopie

Mit der EUV-Spektroskopie lassen sich Energieniveaus untersuchen, die für andere spektroskopische Verfahren nicht zugänglich sind. Sie ist daher für viele Forschungsanwendungen wertvoll. EUV-Strahlung kommt in der Photoemissionsspektroskopie zum Einsatz, bei der die Energien von Elektronen in Feststoffen, Flüssigkeiten oder Gasen durch Messung der aufgrund des Photoelektrikeffekts emittierten Elektronen bestimmt werden. Auch in der Kernfusionsforschung kommt die EUV-Spektroskopie zur Anwendung, da die Strahlung der meisten in Fusionsexperimenten vorkommenden Plasmaverunreinigungen im Bereich von 1–50 nm liegt. Die kurzen Wellenlängen der EUV-Strahlung ermöglichen es zudem, mithilfe von EUV-Spektroskopiesystemen die genaue Lage bestimmter Elemente in einem strukturierten Objekt zu bestimmen. Die durch EUV-Spektroskopie ermöglichte Forschung hat das Potenzial, einen erheblichen Einfluss auf die Materialwissenschaft und Energiequellen auf Kernfusionsbasis zu haben.

Abbildung 2: Die EUV-Strahlung liegt zwischen dem Röntgen- und dem Ultraviolettspektrum

EUV-Nanomaterialbearbeitung

Die Möglichkeit, immer kleinere Mikro- und sogar Nanostrukturen zu bearbeiten, ist entscheidend für die Entwicklung der Nanotechnologie. Die EUV-Nanomaterialbearbeitung befindet sich noch in den sehr frühen Phasen ihrer Entwicklung, stellt jedoch ein vielversprechendes Verfahren für die Erzeugung und Veränderung von Strukturen im Nanometermaßstab dar. Die fokussierte Spotgröße ist direkt proportional zur Wellenlänge, weshalb EUV-Nanomaterialbearbeitungssysteme eine höhere räumliche Auflösung bieten als Systeme, die mit längeren Wellenlängen arbeiten. Die geringe Absorptionstiefe der EUV-Strahlung in den meisten Materialien resultiert außerdem in einer lokalen Konzentration der Energie, was die Gravur extrem feiner Strukturen ermöglicht. Die Nanotechnologie birgt einen hohen potenziellen Nutzen für die Gesellschaft, da sie Verbesserungen bei medizinischen Geräten und Verfahren, Fertigungsmethoden, Energiesystemen, Elektronik und vielem mehr ermöglicht.

Abbildung 3: Die Nanomaterialbearbeitung ist ein entscheidender Bestandteil verschiedener neuer Anwendungen wie Nanoelektronik, Nanomedizin und Biomaterialien.

Optische Komponenten für EUV-Anwendungen

EUV-Systeme müssen in einem Vakuum gehalten werden, da Wellenlängen unter in 100 nm Luft nicht transmittiert werden. Entsprechend wird die EUV-Strahlung von den meisten Materialien extrem stark absorbiert, sodass die optischen Komponenten in EUV-Anwendungen nahezu immer reflektierend sind. Die Streuung ist bei kurzen Wellenlängen höher, weshalb Oberflächenrauheit, Ebenheit und weitere Oberflächentoleranzen bei EUV-Optiken eine maßgebliche Rolle spielen. Ein üblicher Spiegeltyp in EUV-Anwendungen ist der mehrschichtige Bragg-Spiegel, bei dem periodische Schichten von zwei einander abwechselnden Materialien bewirkt, dass Wellenlängen eines bestimmten Bands konstruktive Interferenz aufweisen und reflektiert werden. An jeder Kontaktfläche innerhalb der Schichten wird ein Teil des einfallenden Strahls reflektiert. EUV-Mehrschichtspiegel besitzen eine sehr geringe Bandbreite in der Größenordnung von 1 nm, sodass EUV-Optiken dieser Art genau auf die Wellenlänge der Quelle abgestimmt werden müssen.

Beispiel eines λ/4-Bragg-Reflektors, der als EUV-Spiegel eingesetzt werden kann

Abbildung 4: Struktur eines λ/4-Mehrschichtspiegels. EUV-Spiegel setzen sich typischerweise aus rund 50 Schichtpaaren zusammen.

Optiken für extrem ultraviolettes Licht bei Edmund Optics^®

Planspiegel für extrem ultraviolettes (EUV) Licht

Planspiegel für extrem ultraviolettes (EUV) Licht sind mehrschichtige Bragg-Reflektoren mit reflektierenden Beschichtungen auf einem hochglanzpolierten einkristallinen Silizium-Substrat, sodass sich eine Oberflächenrauheit von weniger als 3 Å ergibt. Sie sind darauf ausgelegt, die bei der Wellenlänge und dem Einfallswinkel, für die sie jeweils konstruiert sind, die maximal erreichbare Reflexion zu erzielen. Die Spiegel sind mit einem Einfallswinkel von 5° oder 45° erhältlich.

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Sphärische Spiegel für extremes ultraviolettes Licht (EUV)

Sphärische Spiegel für extremes ultraviolettes Licht (EUV) sind mit mehrlagigen Mo/Si-Beschichtungen ausgestattet, genau wie die Planspiegel für extrem ultraviolettes Licht (EUV). Sie sind auf einem gewölbten Substrat aufgebracht, was es erlaubt, das Licht aus unpolarisierten EUV-Quellen unter einem Einfallswinkel von 5° zu fokussieren. Sie bieten eine Reflexion von > 60% bei 13,5 nm und 0,5 nm Bandbreite sowie eine Oberflächenrauheit von < 3 Å RMS.

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FAQ's

Warum sind die Planspiegel für extremes ultraviolettes (EUV) Licht auf 13,5 nm ausgelegt?

Die Planspiegel für extreme ultraviolettes (EUV) Licht sind auf den Einsatz bei 13,5 nm ausgelegt, weil dies eine der am häufigsten verwendeten EUV-Wellenlängen ist. In der Lithographie eingesetzte Zinn-Plasmaquellen emittieren bei 13,5 nm, und auch für andere EUV-Anwendungen wird diese Wellenlänge zunehmend zum Standard.

Warum besitzen die Flachspiegel für extremes Ultraviolett (EUV) einkristallines Silizium anstelle von Quarzglas als Substrat?

In einigen EUV-Optiken werden zwar Quarzglassubstrate verwendet, EO bietet jedoch Flachspiegel für extrem ultraviolettes (EUV) Licht aus einkristallinem Silizium-Substraten an, da sie eine deutlich höhere thermische Stabilität als Quarzglas besitzen.

Warum können lichtdurchlässige Optiken nicht mit EUV-Strahlung verwendet werden?

Die Energie von Photonen im EUV-Bereich liegt bei ~ 90 eV; the typische Ionisierungsenergie von organischen Materialien und Metallen beträgt 7-9 eV bzw. 4-5 eV. Daher werden Photonen im EUV-Bereich leicht von diesen Materialien absorbiert, was zur Bildung von Photoelektronen und Sekundärelektronen führt. So wird die Transmission von EUV-Strahlung durch praktisch alle Materialien verhindert.

Wie werden bei der Bildgebung mittels kohärenter Beugung (Coherent Diffraction Imaging (CDI)) Bilder erzeugt, wenn das von der Probe gestreute Licht nicht auf dem CCD-Detektor wieder zu einem Bild fokussiert wird?

Die von einem Objekt gestreute Strahlung erzeugt ein reziprokes Raumbeugungsmuster am Detektor. Auf das aufgenommene Muster wird ein inverser Fourier-Transformationsalgorithmus angewendet, um ein Bild zu rekonstruieren. Anstelle eines Linsensystems, das ein Bild auf einem Detektor erzeugt, wird Software eingesetzt, um das gestreute Beugungsmuster in eine Höhenkarte des Objekts umzuwandeln.

Tipps & Downloads

Anwendungshinweise

Technische Informationen und Anwendungsbeispiele einschließlich theoretischer Erklärungen, Gleichungen, grafischer Darstellungen und vielem mehr.

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