Mehr Durchblick in der Kristallzucht.

In der Photolithographie werden kleinere mikroelektronische Strukturen mit
härterer UV-Strahlung belichtet. Optische Bauteile aus Quarzglas sind dafür
nicht transparent genug. In einem Projekt mit Schott werden große und makellose
Einkristalle aus Calciumfluorid gezüchtet.

Auf dem Weg zu immer feineren mikroelektronischen Strukturen
muss die Wellenlänge der eingesetzten UV-Strahlung kürzer werden. Die kommende
Generation der Photolithographie arbeitet bei 157 Nanometern – eine Wellenlänge,
für die Gläser und selbst Quarzglas nicht oder nur wenig durchlässig sind. Das
Material der Wahl ist einkristallines, hochreines und defektarmes Calciumfluorid
(mineralogisch Flussspat). In Linsen- oder Prismenform bündelt und lenkt es
UV bis etwa 130 Nanometer um. Dabei muss das Brechungsverhalten möglichst gleichmäßig
sein, um die Qualität der abgebildeten Chipstrukturen nicht zu verschlechtern.

Wer selbst schon einmal versucht hat, aus wässrigen Salzlösungen
große und perfekte Kristalle zu züchten, erahnt die Schwierigkeiten. Ungleich
anspruchsvoller wird es, wenn ein makelloser Kristall aus einer über 1 400 °C
heißen Schmelze gezüchtet werden soll. Um die Bedingungen dafür und die Produktionsanlagen
zu optimieren, hat das Fraunhofer-Institut für Integrierte Schaltungen IIS im
Bereich Bauelementetechnologie das Computerprogramm CrysVUn entwickelt. Es trug
dazu bei, dass der Industriepartner Schott Lithotec seit 1998 zum weltweit führenden
Hersteller von Calciumfluoridkristallen aufgestiegen ist. “Ganz wesentlich ist
es, die Temperaturverteilung bei der Züchtung zu kennen”, betont Professor Georg
Müller, Leiter des Kristalllabors. “Wie bei Gläsern muss die Schmelze sehr kontrolliert
abkühlen, damit im Kristall keine thermischen Spannungen zurückbleiben. Denn
wie Schlieren vermindern sie die optische Qualität.” Um die Zusammenhänge zwischen
den Herstellungsbedingungen und den Materialeigenschaften besser zu durchblicken,
bauten seine Mitarbeiter eine Züchtungsapparatur. Damit untersuchten sie unter
anderem, wie die Temperaturverteilung die Güte des Einkristalls beeinflusst.
Heraus kam ein verbessertes Rechenmodell, das nur noch ein Prozent von experimentellen
Daten abweicht. Müller kennt den Grund dafür: “Im älteren Standardmodell wurde
der Wärmetransport durch infrarote Strahlung im Calciumfluorid nicht korrekt
beschrieben. Das verbesserte Modell liefert jetzt genauere Aussagen: Selbst
die Form der Phasengrenze zwischen Schmelze und wachsendem Kristall, die wesentlich
die Kristallqualität beeinflusst, kann nun vorhergesagt werden.” Ein vollständig
transparenter, farbloser Kristallzylinder mit 15 Zentimetern Länge und Durchmesser
ist ein anschaulicher Lohn der Mühe.