Extrem ultraviolettes Licht in winzigen Geräten nutzbar machen
Das EU-finanzierte Projekt X-PIC(öffnet in neuem Fenster) untersuchte die Erweiterung der integrierten Photonik auf einen bisher unerschlossenen Spektralbereich zwischen extremem ultravioletten Licht (EUV) – einer Lichtart jenseits des ultravioletten Lichts – und weicher Röntgenstrahlung, die direkt an das EUV angrenzt. Das EUV-Licht hat Wellenlängen, die zehn- bis hundertmal kürzer sind als das sichtbare Licht. „Bestehende Technologien funktionieren in diesem Bereich nicht, da Materie Licht oberhalb von hundert Nanometern, also etwa einem Tausendstel des Durchmessers eines menschlichen Haares, sofort absorbiert“, erklärt Salvatore Stagira(öffnet in neuem Fenster), Professor für Experimentalphysik am Politecnico di Milano in Italien, der das Projekt koordinierte. „Dieser Spektralbereich ist jedoch überaus attraktiv, weil er bildgebende Anwendungen mit extrem hoher räumlicher Auflösung ermöglicht, wie sie heute in modernen mikroelektronischen Fertigungsverfahren erforderlich sind.“ In diesem Bereich kann das kürzeste künstliche Ereignis erzeugt werden – also Attosekunden-Lichtpulse – das Gebiet, das dem Physik-Nobelpreis von 2023 zugrunde liegt und extrem schnelle Prozesse in Materie erforscht. Diese Impulse sind nur wenige Millionstel einer Milliardstel Sekunde kurz. Die EUV-integrierte Photonik vereint alle oben genannten Fähigkeiten in einem kompakten, miniaturisierten Gerät.
Durchbruch in der Photonentechnologie
Das Team von X-PIC hat gezeigt, dass es möglich ist, kohärente Lichtpulse im EUV-Spektralbereich in einer miniaturisierten Plattform zu erzeugen und zu manipulieren. Dies wurde in einer kleinen Platte aus Quarzglas mit Hilfe einer Technik namens Femtosekundenlaser-Bestrahlung gefolgt von chemischem Ätzen (FLICE) erreicht. Da EUV-Licht die meisten festen Materialien nicht durchdringen kann, bestand die zentrale Idee darin, dass es stattdessen mittels FLICE durch einen leeren Kanal mit einem Durchmesser vergleichbar zu einem menschlichen Haar geleitet werden kann. In diesem Kanal wird durch die Wechselwirkung eines intensiven und ultrakurzen IR-Laserpulses mit durchströmendem Gas ein EUV-Lichtpuls erzeugt. Das Gerät umfasst ein Netz von Mikrofluidkanälen, die den Hauptkanal mit Gas versorgen. Die extreme Flexibilität von FLICE ermöglicht es, komplexe dreidimensionale leere Strukturen im Gerät zu realisieren. Der EUV-Puls kann dann durch zusätzliche leere Kanäle vom IR-Laserpuls getrennt werden. Letztlich kann das Licht je nach Anwendung entweder innerhalb oder außerhalb des Geräts genutzt werden.
Auf dem Weg zur Entwicklung komplexerer Geräte
Laut Stagira liegt der Hauptnutzen dieses Ergebnisses in der Demonstration einer Technologie, die die Miniaturisierung einer gesamten EUV-Strahllinie in einem kleinen Gerät von wenigen Millimetern Länge ermöglicht, während sich die üblichen sperrigen EUV-Strahllinien über mehrere Meter erstrecken. Die Strahllinie ist das System, welches das EUV-Licht erzeugt, transportiert, formt und zuführt. Die kurzfristigen Auswirkungen werden vor allem Anwendungen im Bereich der zeitaufgelösten Spektroskopie(öffnet in neuem Fenster) betreffen. Langfristig wird mit Anwendungen in der EUV-Messtechnik, der Halbleitertechnik(öffnet in neuem Fenster) (Photolithographie), der Bildgebung und der EUV-Quantenoptik gerechnet. „Das X-PIC-Projekt hat zwei unterschiedliche Technologien miteinander verbunden: den Lab-on-Chip-Ansatz, bei dem komplexe Funktionen in einem kleinen Gerät ausgeführt werden, und die Erzeugung kohärenter EUV-Lichtpulse im Attosekundenbereich“, lautet das Fazit von Stagira. „Infolgedessen betritt die integrierte Photonik Neuland.“
