Mehr Durchblick in der Kristallzucht

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.