„Elektronenstrahllithografie“ – Versionsunterschied

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Die '''Elektronenstrahllithographie''' (ESL, {{enS|electron beam lithography}} oft als {{lang|en|e-beam lithography}} abgekürzt) ist in der [[Mikrotechnik|Mikro-]] und [[Halbleitertechnik]] ein spezielles Verfahren zur [[Strukturierung]] einer [[Elektronenstrahl]]-empfindlichen Schicht (engl. {{lang|en|resist}}, in Analogie zur [[Fotolithografie (Halbleitertechnik)|Fotolithografie]] auch [[Fotolack]] genannt). Durch die „Belichtung“ mit einem Elektronenstrahl wird der Resist chemisch geändert, so dass er lokal gelöst werden kann (Entwicklung) und eine strukturierte Resistschicht entsteht. Die Struktur kann anschließend auf eine Schicht aus einem anderen Material übertragen werden, z. B. durch Ätzen eine darunterliegenden Schicht oder durch selektive Abscheidung eines Materials auf dem Resist. Der wesentliche Vorteil der des Verfahrens ist, die Möglichkeit wesentlich geringere Strukturen (im Nanometerbereich) als bei der Fotolithografie herzustellen, das vor allem durch die Beugungsgrenze des Lichts eingeschränkt wird.
Die '''Elektronenstrahllithographie''' (ESL, {{enS|electron beam lithography}} oft als {{lang|en|e-beam lithography}} abgekürzt) ist in der [[Mikrotechnik|Mikro-]] und [[Halbleitertechnik]] ein spezielles Verfahren zur [[Strukturierung]] einer [[Elektronenstrahl]]-empfindlichen Schicht (engl. {{lang|en|resist}}, in Analogie zur [[Fotolithografie (Halbleitertechnik)|Fotolithografie]] auch [[Fotolack]] genannt). Durch die „Belichtung“ mit einem Elektronenstrahl wird der Resist chemisch geändert, so dass er lokal gelöst werden kann (Entwicklung) und eine strukturierte Resistschicht entsteht. Die Struktur kann anschließend auf eine Schicht aus einem anderen Material übertragen werden, z. B. durch Ätzen eine darunterliegenden Schicht oder durch selektive Abscheidung eines Materials auf dem Resist. Der wesentliche Vorteil der des Verfahrens ist, die Möglichkeit wesentlich geringere Strukturen (im Nanometerbereich) als bei der Fotolithografie herzustellen, das vor allem durch die Beugungsgrenze des Lichts eingeschränkt wird.


Das Verfahren besitzt große Bedeutung bei der Herstellung von mikroelektronischen Schaltkreisen für moderne elektronische Geräte und kommt vor allem bei der Herstellung der bei der Fotolithografie eingesetzten [[Fotomaske]]n zum Einsatz. Es kann aber auch als maskenloses Lithographieverfahren für die Strukturierung von Schichten bzw. [[Wafer]]n in der Prototypen- oder Kleinserienherstellung eingesetzt werden. Die Elektronenstrahllithografie wird auch in der Großserienproduktion als Nachfolgeverfahren für heutige die derzeit (Stand 2011) Fotolithografie auf Basis von [[Excimerlaser]]n gehandelt. Die langen Prozesszeiten aktueller Techniken, bei denen der Elektronenstrahl beispielsweise über das Substrat gerastert<ref name="mccord">{{cite book |last= McCord |first=M. A. |coauthors=M. J. Rooks |title=[http://www.cnf.cornell.edu/cnf_spietoc.html SPIE Handbook of Microlithography, Micromachining and Microfabrication] |year=2000 |chapter=2 }}</ref> wird, sind jedoch nicht wirtschaftlich und führen auch zu technischen Problemen, z.&nbsp;B. Instabilitäten beim Elektronenstrahl.
Das Verfahren besitzt große Bedeutung bei der Herstellung von mikroelektronischen Schaltkreisen für moderne elektronische Geräte und kommt vor allem bei der Herstellung der bei der Fotolithografie eingesetzten [[Fotomaske]]n zum Einsatz. Es kann aber auch als maskenloses Lithographieverfahren für die Strukturierung von Schichten bzw. [[Wafer]]n in der Prototypen- oder Kleinserienherstellung eingesetzt werden. Die Elektronenstrahllithografie wird auch in der Großserienproduktion als Nachfolgeverfahren für heutige die derzeit (Stand 2011) Fotolithografie auf Basis von [[Excimerlaser]]n gehandelt. Die langen Prozesszeiten aktueller Techniken, bei denen der Elektronenstrahl beispielsweise über das Substrat gerastert<ref name="mccord">{{cite book |last= McCord |first=M. A. |coauthors=M. J. Rooks |title=[http://www.cnf.cornell.edu/cnf_spietoc.html SPIE Handbook of Microlithography, Micromachining and Microfabrication] |year=2000 |chapter=2 }}</ref> wird, sind jedoch nicht wirtschaftlich und führen auch zu technischen Problemen, z.&nbsp;B. Instabilitäten beim Elektronenstrahl.
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== Verfahren ==
== Verfahren ==


ESL-Systeme können sowohl nach der Strahlform als auch der Strategie der Strahlablenkung klassifiziert werden. Ältere Systeme verwenden [[Gaußstrahl]]-förmige Elektronenstrahlenund, die über das Substrat geführt wird (Raster-Modus). Neuere Systeme verwenden geformte Strahlen, das heißt Strahlen denen über eine Maske ein gewünschter geometrischer Querschnitt aufgeprägt wurde, und deren Ablenkung auf verschiedene Positionen im „Schriftfeld“ (Vektor-Scan-Modus).
ESL-Systeme können sowohl nach der Strahlform als auch der Strategie der Strahlablenkung klassifiziert werden. Ältere Systeme verwenden [[Gaußstrahl]]-förmige Elektronenstrahlen, die über das Substrat geführt wird (Raster-Modus). Neuere Systeme verwenden geformte Strahlen, das heißt Strahlen denen über eine Maske ein gewünschter geometrischer Querschnitt aufgeprägt wurde, und deren Ablenkung auf verschiedene Positionen im „Schriftfeld“ (Vektor-Scan-Modus).


=== Direktschreiber-Techniken ===
=== Direktschreib-Techniken ===
Beim direkten Schreiben der Informationen in den Resist wird ein Elektronenstrahl ohne Maske abgebildet. Dazu wird der Strahl gemäß der gewünschten Maskenstruktur über das Substrat geführt. Die notwendige Ablenkung wird über elektrostatische Wechselwirkungen der Elektronen erreicht
Beim direkten Schreiben der Informationen in den Resist wird ein Elektronenstrahl ohne Maske abgebildet. Dazu wird der Strahl gemäß der gewünschten Maskenstruktur über das Substrat geführt. Die notwendige Ablenkung wird über elektrostatische Wechselwirkungen der Elektronen erreicht


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=== Maskenbasierte Techniken ===
=== Maskenbasierte Techniken ===
Direktschreib-Techniken weisen einen wesentlichen Nachteil auf, die langen Schreibzeit pro Wafer. Um die ESL auch für die Großserienproduktion attraktiv zu machen, wurden alternative Techniken entwickelt. Eine der Techniken ({{lang|en|Scattering with Angular Limitation Projection Electron-beam Lithography}}, SCALPEL) nutzt eine Streumaske aus einer für Elektronen transparente Folie. Ähnlich wie bei der konventionellen Fotolithografie werden durch die Maske bestimmte Teile vom Elektronenstrahl abgeschattet. Dazu wird eine Streuschicht eingesetzt, die auftreffende Elektronen stark abgelenkt. Sie werden anschließend über eine Aperturblende ausgeblendet. Der Vorteil einer Streuschicht gegenüber einer Absorption der Elektronen, besteht zum einen in der deutlich geringeren Aufladung zum anderen in einer geringeren Erwärmung der Maske.<ref>{{Literatur|Autor=Ulrich Hilleringmann|Titel=Silizium-Halbleitertechnologie|Verlag=Vieweg +Teubner|ISBN=9783519301493|Jahr=2004|Seiten=54–56}}</ref>

==== Proximity-Belichtung ====
==== Proximity-Belichtung ====


== Energieabgabe von Elektronen in Materie ==
== Energieabgabe von Elektronen in Materie ==


Die Elektronen aus dem einfallenden Strahl (Primärelektronen) verlieren beim Eintritt bzw. Durchqueren eines Materials Energie durch [[inelastische Streuung]] oder Kollisionen mit anderen Elektronen (z.&nbsp;B. den Elektronen der Gitteratome). Bei einem solchen Zusammenstoß erfolgt eine Impulsübertrag vom einfallenden Elektron auf das andere Elektron und kann über den Zusammenhang <ref name="feldman">{{cite journal | title=unknown title | author=L. Feldman, J. Mayer | journal=Fundamentals of Surface and Thin Film Analysis | volume=54 | year=1986 | pages=130–133}}</ref> <math>dp=2e^2/bv</math> beschrieben werden, wobei <math>b</math> der Abstand der größte Annäherung zwischen den Elektronen, und <math>v</math> die Geschwindigkeit des einfallenden Elektrons ist. Die Energie, die durch die Kollision übertragen wird, kann über den Zusammenhang <math>T = (dp)^2/2m = e^4/Eb^2</math> beschrieben werden, wobei <math>m</math> die Masse des Elektrons und <math>E</math> die Elektronenenergie, entspricht <math>E=(1/2) mv^2</math>, ist. Durch die Integration über alle Werte von <math>T</math> zwischen der niedrigsten Bindungsenergie <math>E_o</math> und der einfallenden Energie erhält man als Ergebnis, dass der Gesamtquerschnitt eines Zusammenstoßes ist umgekehrt proportional zur einfallenden Energie <math>E</math> und proportional zu <math>1/E_o - 1/E</math>. Im Allgemeinen gilt <math>E >> E_o</math>, so ist das Ergebnis im Wesentlichen umgekehrt proportional zur Bindungsenergie.
Die Elektronen aus dem einfallenden Strahl (Primärelektronen) verlieren beim Eintritt bzw. Durchqueren eines Materials Energie durch [[inelastische Streuung]] oder Kollisionen mit anderen Elektronen (z.&nbsp;B. den Elektronen der Gitteratome). Bei einem solchen Zusammenstoß erfolgt eine Impulsübertrag vom einfallenden Elektron auf das andere Elektron und kann über den Zusammenhang <ref name="feldman">{{cite journal | title=unknown title | author=L. Feldman, J. Mayer | journal=Fundamentals of Surface and Thin Film Analysis | volume=54 | year=1986 | pages=130–133}}</ref> <math>dp=2e^2/bv</math> beschrieben werden, wobei <math>b</math> der Abstand der größte Annäherung zwischen den Elektronen, und <math>v</math> die Geschwindigkeit des einfallenden Elektrons ist. Die Energie, die durch die Kollision übertragen wird, kann über den Zusammenhang <math>T = (dp)^2/2m = e^4/Eb^2</math> beschrieben werden, wobei <math>m</math> die Masse des Elektrons und <math>E</math> die Elektronenenergie, entspricht <math>E=(1/2) mv^2</math>, ist. Durch die Integration über alle Werte von <math>T</math> zwischen der niedrigsten Bindungsenergie <math>E_o</math> und der einfallenden Energie erhält man als Ergebnis, dass der Gesamtquerschnitt eines Zusammenstoßes ist umgekehrt proportional zur einfallenden Energie <math>E</math> und proportional zu <math>1/E_o - 1/E</math>. Im Allgemeinen gilt <math>E >> E_o</math>, so ist das Ergebnis im Wesentlichen umgekehrt proportional zur Bindungsenergie.


Durch Verwendung des gleichen Integrationsansatz, aber über den Bereich <math>2E_o</math> bis <math>E</math>, so erhält man durch Vergleich der Querschnitte, dass die Hälfte der inelastischen Kollisionen der einfallenden Elektronen Elektronen mit einer kinetischen Energie größer als <math>E_o</math> erzeugen. Diese Sekundärelektronen genannten Elektronen sind in der Lage chemische Bindungen (mit einer Bindungsenergie <math>E_o</math>) aufzubrechen, auch in einiger Entfernung von der ursprünglichen Kollision. Darüber hinaus können sie Elektronen mit geringerer Energie erzeugen, das heißt, es entsteht einer [[Elektronenkaskade]]. Es ist daher wichtig, den Beitrag der Sekundärelektronen bei der ausbreitung des Energieeintrags zu beachten.
Durch Verwendung des gleichen Integrationsansatz, aber über den Bereich <math>2E_o</math> bis <math>E</math>, so erhält man durch Vergleich der Querschnitte, dass die Hälfte der inelastischen Kollisionen der einfallenden Elektronen Elektronen mit einer kinetischen Energie größer als <math>E_o</math> erzeugen. Diese Sekundärelektronen genannten Elektronen sind in der Lage chemische Bindungen (mit einer Bindungsenergie <math>E_o</math>) aufzubrechen, auch in einiger Entfernung von der ursprünglichen Kollision. Darüber hinaus können sie Elektronen mit geringerer Energie erzeugen, das heißt, es entsteht einer [[Elektronenkaskade]]. Es ist daher wichtig, den Beitrag der Sekundärelektronen bei der Ausbreitung des Energieeintrags zu beachten.


=== Schriebzeit ===
=== Schreibzeit ===


Die minimale Belichtungszeit für einen bestimmten Bereich bei einer gegebenen Bestrahlungsdosis wird durch die folgende Formel beschrieben:
Die minimale Belichtungszeit für einen bestimmten Bereich bei einer gegebenen Bestrahlungsdosis wird durch die folgende Formel beschrieben:
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Zum Beispiel beträgt die minimale Belichtungszeit für eine Fläche von 1 cm<sup>2</sup>, einer Dosis von 10<sup>−3</sup> C/cm<sup>2</sup> und einem Strahlstrom von 10<sup>−9</sup> Ampere 10<sup>6</sup> Sekunden (ca. 12 Tage). Diese minimale Schreibzeit beinhaltet nicht die Zeit für Bewegung der Substrathalterung, der Strahl ausgeblendet ist sowie weitere mögliche technische Korrekturen und Anpassungen während des Schreibens. Um die 700 cm<sup>2</sup> große Oberfläche eines 300-mm-Silizium-Wafers abzudecken, würde sich die minimale Schreibzeit auf 7·10<sup>8</sup> Sekunden, etwa 22 Jahre, verlängern.
Zum Beispiel beträgt die minimale Belichtungszeit für eine Fläche von 1 cm<sup>2</sup>, einer Dosis von 10<sup>−3</sup> C/cm<sup>2</sup> und einem Strahlstrom von 10<sup>−9</sup> Ampere 10<sup>6</sup> Sekunden (ca. 12 Tage). Diese minimale Schreibzeit beinhaltet nicht die Zeit für Bewegung der Substrathalterung, der Strahl ausgeblendet ist sowie weitere mögliche technische Korrekturen und Anpassungen während des Schreibens. Um die 700 cm<sup>2</sup> große Oberfläche eines 300-mm-Silizium-Wafers abzudecken, würde sich die minimale Schreibzeit auf 7·10<sup>8</sup> Sekunden, etwa 22 Jahre, verlängern.
Es ist klar, dass hierbei der Durchsatz eine ernsthafte Einschränkung für Elektronenstrahllithographie darstellt, vor allem beim Belichten von dichten Strukturen auf einer großen Fläche. Direktschreibverfahren mit nur einem Strahl sind daher für die Hochvolumenproduktion nicht geeignet. Denn um einem einzigen Wafer ein Muster mit einer Sub-100-nm-Auflösung mit der Elektronenstrahllithographie zu belichten, wären in der Regel mehrere Tage notwendig, im Vergleich dazu benötigen heutiger 193-nm-Fotolithografiesysteme nichtmal 1 Minute für dieselbe Aufgabe.
Es ist klar, dass hierbei der Durchsatz eine ernsthafte Einschränkung für Elektronenstrahllithographie darstellt, vor allem beim Belichten von dichten Strukturen auf einer großen Fläche. Direktschreibverfahren mit nur einem Strahl sind daher für die Hochvolumenproduktion nicht geeignet. Denn um einem einzigen Wafer ein Muster mit einer Sub-100-nm-Auflösung mit der Elektronenstrahllithographie zu belichten, wären in der Regel mehrere Tage notwendig, im Vergleich dazu benötigen heutiger 193-nm-Fotolithografiesysteme weniger als eine Minute für dieselbe Aufgabe.


=== Auflösungsvermögen ===
=== Auflösungsvermögen ===
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Neben der Erzeugung von Sekundärelektronen können auch Primärelektronen mit ausreichend Energie aus dem einfallenden Strahl den Resist durchdringen und über große Entfernungen in darunterliegenden Schichten oder dem Substrat mehrfach gestreut werden. Dies führt zu einer unerwünschten Belichtung von Bereichen, mit einem deutlichen Abstand von dem aktuell belichtetem Bereich.
Neben der Erzeugung von Sekundärelektronen können auch Primärelektronen mit ausreichend Energie aus dem einfallenden Strahl den Resist durchdringen und über große Entfernungen in darunterliegenden Schichten oder dem Substrat mehrfach gestreut werden. Dies führt zu einer unerwünschten Belichtung von Bereichen, mit einem deutlichen Abstand von dem aktuell belichtetem Bereich.


For thicker electrons, as the primary electrons move forward, they have an increasing opportunity to scatter laterally from the beam-defined location. This scattering is called '''forward scattering'''.
For thicker electrons, as the primary electrons move forward, they have an increasing opportunity to scatter laterally from the beam-defined location. This scattering is called '''forward scattering'''.


Manchmal werden die Primärelektronen in einem Winkel von mehr als 90 Grad gestreut, das heißt, sie werden nicht weiter im Resist gestreut. Diese Elektronen werden rückgestreute Elektronen (engl. {{lang|en|''backscattered electrons''}}) genannt und haben die gleiche Wirkung wie langreichweitige Linsensteueffekte (engl. {{lang|en|''lens flare''}}) von optischen Projektionssystemen. Eine ausreichend große Dosis von rückgestreuten Elektronen zu einer vollständigen Belichtung eines Bereichs deutlich größer als als dem Strahlqueschnitts im Fokus führen.
Manchmal werden die Primärelektronen in einem Winkel von mehr als 90 Grad gestreut, das heißt, sie werden nicht weiter im Resist gestreut. Diese Elektronen werden rückgestreute Elektronen (engl. {{lang|en|''backscattered electrons''}}) genannt und haben die gleiche Wirkung wie langreichweitige Linsensteueffekte (engl. {{lang|en|''lens flare''}}) von optischen Projektionssystemen. Eine ausreichend große Dosis von rückgestreuten Elektronen zu einer vollständigen Belichtung eines Bereichs deutlich größer als als dem Strahlqueschnitts im Fokus führen.


=== Proximity-Effekt===
=== Proximity-Effekt===


Die kleinsten durch Elektronenstrahllithographie herstellten Strukturen sind in der Regel isolierte Strukturen, da die Herstellung von dicht zusammenstehenden Strukturen (meist Linien) durch den Proximity-Effekt (eingedeutscht von engl. {{lang|en|''proximity effect''}}: [[Deutsche Sprache|dt.]] ‚Nachbarschaft-Effekt)‘ erschwert wird. Der Proximity-Effekt beschreibt das Übersprechen von Elektronen bei der Belichtung, das heißt, Elektronen, die zur Belichtung einer bestimmten Struktur „vorgesehen“ waren, überstrahlen den vorgesehen Bereich und tragen zur Belichtung angrenzender Bereiche bei. Dies führt zu eine Vergrößerung der geschrieben Strukturen, erweitert effektiv ihr Bild und führt zu einer Verringerung des Kontrasts, d.&nbsp;h. der Differenz zwischen maximaler und minimaler Intensität in einem Bereich. Daher ist die Belichtung bzw. Auflösung von dichten Strukturen schwerer zu kontrollieren. Mit den meisten Resisten ist es daher schwierig Linien und Gräben kleiner 25&nbsp;nm herzustellen; die untere Grenze liegt derzeit bei 20 nm.<ref name="liddle">{{cite journal | title=unknown title | author=J. A. Liddle ''et al.'' | journal=Mat. Res. Soc. Symp. Proc. | volume=739 | issue=19 | year=2003 | pages=19–30 | url=http://www-library.lbl.gov/docs/LBNL/529/07/PDF/LBNL-52907_Abs.pdf }}</ref>.
Die kleinsten durch Elektronenstrahllithographie herstellten Strukturen sind in der Regel isolierte Strukturen, da die Herstellung von dicht zusammenstehenden Strukturen (meist Linien) durch den Proximity-Effekt (eingedeutscht von engl. {{lang|en|''proximity effect''}}: [[Deutsche Sprache|dt.]] ‚Nachbarschaft-Effekt)‘ erschwert wird. Der Proximity-Effekt beschreibt das Übersprechen von Elektronen bei der Belichtung, das heißt, Elektronen, die zur Belichtung einer bestimmten Struktur „vorgesehen“ waren, überstrahlen den vorgesehen Bereich und tragen zur Belichtung angrenzender Bereiche bei. Dies führt zu eine Vergrößerung der geschrieben Strukturen, erweitert effektiv ihr Bild und führt zu einer Verringerung des Kontrasts, d.&nbsp;h. der Differenz zwischen maximaler und minimaler Intensität in einem Bereich. Daher ist die Belichtung bzw. Auflösung von dichten Strukturen schwerer zu kontrollieren. Mit den meisten Resisten ist es daher schwierig Linien und Gräben kleiner 25&nbsp;nm herzustellen; die untere Grenze liegt derzeit bei 20 nm.<ref name="liddle">{{cite journal | title=unknown title | author=J. A. Liddle ''et al.'' | journal=Mat. Res. Soc. Symp. Proc. | volume=739 | issue=19 | year=2003 | pages=19–30 | url=http://www-library.lbl.gov/docs/LBNL/529/07/PDF/LBNL-52907_Abs.pdf }}</ref>.


Die Hauptursache für die Proximity-Effekte ist die Streuung von Elektron aufgrund der elektrischen Wechselwirkung der negativ geladenen Elektronen untereinander. Das Problem kann aber durch eine zuvor berechnete Korrektur die Belichtungssfunktion <math>E(x,y)</math> verringert werden. Sie ermöglicht eine Dosisverteilung so nah wie möglich an der gewünschten Dosis <math>D(x,y)</math>
Die Hauptursache für die Proximity-Effekte ist die Streuung von Elektron aufgrund der elektrischen Wechselwirkung der negativ geladenen Elektronen untereinander. Das Problem kann aber durch eine zuvor berechnete Korrektur die Belichtungsfunktion <math>E(x,y)</math> verringert werden. Sie ermöglicht eine Dosisverteilung so nah wie möglich an der gewünschten Dosis <math>D(x,y)</math>


== Aufladung ==
=== Aufladung ===


Trifft ein hochenergetischer Elektronenstrahl auf ein Substrat, stoppt dieses einen Teil der Elektronen. Da Elektronen geladene Teilchen sind, neigen sie dazu das Substrat negativ aufzuladen, wenn sie nicht schnell in Richtung Masse abgeführt werden. Für gering leitfähige Substrate wie einem Silizium-Wafer stellt dies meist kein Problem dar. Anders liegt der Fall bei bei nicht oder schlecht leitenden Substraten, wie den für Fotomasken eingesetzten Quarz-Substraten. Oft geht eine negative Aufladung innerhalb des Substrats auch eine positive Gegenaufladung an der Oberfläche einher, die vor allem durch Sekundärelektronenemission ins Vakuum bewirkt wird. Der Bereich für die Emmission von niederenergetischen Sekundärelektronen (die größte Komponente von freien Elektronen im Resist-Substrat-System), der zur Aufladung beitragen kann, liegt zwischen 0 und 50&nbsp;nm unterhalb der Oberfläche. Die Aufladung des Ressists bzw. des Substrats ist Allgemein nicht wiederholbar und daher schwer zu kompensieren. Positive Aufladungen sind hierbei weniger schlimm als negative Aufladung, da letztere den Elektronenstrahl bei der Belichtung von der gewünschten Lage ablenken kann.
Trifft ein hochenergetischer Elektronenstrahl auf ein Substrat, stoppt dieses einen Teil der Elektronen. Da Elektronen geladene Teilchen sind, neigen sie dazu das Substrat negativ aufzuladen, wenn sie nicht schnell in Richtung Masse abgeführt werden. Für gering leitfähige Substrate wie einem Silizium-Wafer stellt dies meist kein Problem dar. Anders liegt der Fall bei bei nicht oder schlecht leitenden Substraten, wie den für Fotomasken eingesetzten Quarz-Substraten. Oft geht eine negative Aufladung innerhalb des Substrats auch eine positive Gegenaufladung an der Oberfläche einher, die vor allem durch Sekundärelektronenemission ins Vakuum bewirkt wird. Der Bereich für die Emission von niederenergetischen Sekundärelektronen (die größte Komponente von freien Elektronen im Resist-Substrat-System), der zur Aufladung beitragen kann, liegt zwischen 0 und 50&nbsp;nm unterhalb der Oberfläche. Die Aufladung des Resists bzw. des Substrats ist Allgemein nicht wiederholbar und daher schwer zu kompensieren. Positive Aufladungen sind hierbei weniger schlimm als negative Aufladung, da letztere den Elektronenstrahl bei der Belichtung von der gewünschten Lage ablenken kann.


Ähnliche Effekte treten auch bei der Rasterelektronenmikroskopie auf, wo sie zu einem Kontrastverlust und geringeren Auflösungsvermögen führen. Dort behilft man sich mit dem Auftrag von dünnen leitfähigen Schicht auf die Probe. Bei der ESL sind solche leitfähigen Schicht über oder unter dem Resist in der Regel nur von begrenztem Nutzen, da hochenergetische (50&nbsp;keV oder mehr) Elektronenstrahlen meisten die Schichten relativ ungehindert passieren und sich weiterhin im Substrat ansammeln können. Bei niederenergetischen Strahlen ist der Einsatz hingegen durchaus effektiv und sinnvoll.
Ähnliche Effekte treten auch bei der Rasterelektronenmikroskopie auf, wo sie zu einem Kontrastverlust und geringeren Auflösungsvermögen führen. Dort behilft man sich mit dem Auftrag von dünnen leitfähigen Schicht auf die Probe. Bei der ESL sind solche leitfähigen Schicht über oder unter dem Resist in der Regel nur von begrenztem Nutzen, da hochenergetische (50&nbsp;keV oder mehr) Elektronenstrahlen meisten die Schichten relativ ungehindert passieren und sich weiterhin im Substrat ansammeln können. Bei niederenergetischen Strahlen ist der Einsatz hingegen durchaus effektiv und sinnvoll.


== Defekte ==
== Defekte ==
Trotz der hohen Auflösung der Elektronenstrahllithographie wird oft die Erzeugung von Defekten von Benutzern nicht berücksichtigt. Die auftretenden Defekte können in zwei Kategorien eingeteilt werden: datenbezogenen und physikalische Defekte.
Trotz der hohen Auflösung der Elektronenstrahllithographie wird oft die Erzeugung von Defekten von Benutzern nicht berücksichtigt. Die auftretenden Defekte können in zwei Kategorien eingeteilt werden: datenbezogenen und physikalische Defekte.


Datenbezogene Defekte können wiederum in zwei Untergruppen eingeteilt werden. Ausblendungs oder Ablenkungsfehler treten auf, wenn der Elektronenstrahl nicht richtig abgelenkt wird. Hingegen treten Formfehler (engl. {{lang|en|shaping errors}}) in Systemen mit variabler Strahlform auf, wenn die falsche Form auf die Probe projiziert wird. Diese Fehler können entweder aus der elektronenoptischen Steuerungshardware oder den Eingabedaten herrühren. Wie zu erwarten ist, sind dabei größere Datenmengen anfälliger für datenbezogene Defekte.
Datenbezogene Defekte können wiederum in zwei Untergruppen eingeteilt werden. Ausblendungs oder Ablenkungsfehler treten auf, wenn der Elektronenstrahl nicht richtig abgelenkt wird. Hingegen treten Formfehler (engl. {{lang|en|shaping errors}}) in Systemen mit variabler Strahlform auf, wenn die falsche Form auf die Probe projiziert wird. Diese Fehler können entweder aus der elektronenoptischen Steuerungshardware oder den Eingabedaten herrühren. Wie zu erwarten ist, sind dabei größere Datenmengen anfälliger für datenbezogene Defekte.


Physikalische Defekte sind vielfältiger und umfassen Effekte wie die elektrostatische Aufladung der Probe (negativ oder positiv), Rückstreuung der Elektronen, Dosisfehler, {{lang|en|Fogging}} (langreichweitige Reflexionen von rückgestreuten Elektronen), Ausgasung des Resists, Verschmutzungen und Strahlaufweitung. Da die Zeit für das direkte Schreiben leicht mehrere Stunden (auch über einen Tag) dauern kann, können zufällig auftretenden Fehler eher auftreten. Auch hier sind größere Datenmengen anfälliger für Defekte.
Physikalische Defekte sind vielfältiger und umfassen Effekte wie die elektrostatische Aufladung der Probe (negativ oder positiv), Rückstreuung der Elektronen, Dosisfehler, {{lang|en|Fogging}} (langreichweitige Reflexionen von rückgestreuten Elektronen), Ausgasung des Resists, Verschmutzungen und Strahlaufweitung. Da die Zeit für das direkte Schreiben leicht mehrere Stunden (auch über einen Tag) dauern kann, können zufällig auftretenden Fehler eher auftreten. Auch hier sind größere Datenmengen anfälliger für Defekte.

== Resist-Eigenschaften==
<!-- Rohdatensammlung überhaupt erhaltenswert? -->
Eine Studie an der [[Naval Research Laboratory]]<ref> V. M. Bermudez, J. Vac. Sci. Tech. B 17, 2512 (1999).</ref> ergab, dass niedrige Elektronenenergien (10–50&nbsp;eV) in der Lage sind ca. 30&nbsp;nm dicken [[PMMA]]-Folien zu schädigen (hauptsächlich Materialverlust).

Für den häufig genutzten Elektronenstrahl-Resist ZEP-520 konnte einer einem Pitch-Auflösung von 60&nbsp;nm (30&nbsp;nm breite Linien und Gräben), unabhängig von Schichtdicke und der Strahlenergie gefunden wurde.<ref> H. Yang ''et al.'', Proceedings of the 1st IEEE Intl. Conf. on Nano/Micro Engineered and Molecular Systems, pp. 391-394 (2006).</ref>

Eine Auflösung von 20 nm konnte mit einem 100-keV-Elektronenstrahlsystem (Strahlbreite von 3 nm) und einem PMMA-Resist gezeigt werden.<ref> D. R. S. Cumming ''et al.'', Appl. Phys. Lett. 68, 322 (1996).</ref> Dabei zeigten die unbelichteten Zwischenbereiche (20 nm breit) eine unbeabsichtigte Belichtung durch Sekundärelektronen.


== Zukünftige Entwicklungen ==
== Zukünftige Entwicklungen ==


Um die Probleme im Zusammenhang mit der Sekundärelektronenerzeugung zulösen, wird es unerlässlich werden, niederenergetische Elektronen für die Belichtung des Resists zu verwenden. Die Energie der Elektronen sollte im Idealfall in der Größenordnung von nur wenigen Elektronenvolt haben. Dies wurde bereits in einer Studie mit einem ELS-System auf Basis eines Rastertunnelmikroskops gezeigt.<ref name="marrian">{{cite journal | title=unknown title | author=C. R. K. Marrian ''et al.'' | journal=J. Vac. Sci. Tech. | issue=B | volume=10 | year=1992 | pages=2877–2881 | doi=10.1116/1.585978}}</ref>. Dabei zeigte sich, dass Elektronen mit Energien geringer als 12 eV in einen 50 nm dicken Polymer-Fotolack eindringen können. Der Nachteil bei der Benutzung niederenergetischen Elektronen ist, dass die Ausbreitung des Elektronenstrahls im Photoresist schwer zu verhindern ist.<ref name="mayer">{{cite journal | title=unknown title | author=T. M. Mayer ''et al.'' | journal=J. Vac. Sci. Tech. | issue=B | volume=14 | year=1996 | pages=2438–2444 | doi=10.1116/1.588751}}</ref> Zudem ist der Entwurf der Elektronstrahlsystem für niedrige Strahlenergien und hohen Auflösung schwer, da die Coulomb-Abstoßung zwischen den Elektronen an Bedeutung gewinnt.<ref name="hordon">{{cite journal | title=unknown title | author=L. S. Hordon ''et al.'' | journal=J. Vac. Sci. Tech. | issue=B | volume=11 | year=1993 | pages=2299–2303 | doi=10.1116/1.586894}}</ref>. Coulomb inter-Elektron-Abstoßung wird immer schwerer für niedrigere Elektronenenergie.
Um die Probleme im Zusammenhang mit der Sekundärelektronenerzeugung zulösen, wird es unerlässlich werden, niederenergetische Elektronen für die Belichtung des Resists zu verwenden. Die Energie der Elektronen sollte im Idealfall in der Größenordnung von nur wenigen Elektronenvolt haben. Dies wurde bereits in einer Studie mit einem ELS-System auf Basis eines Rastertunnelmikroskops gezeigt.<ref name="marrian">{{cite journal | title=unknown title | author=C. R. K. Marrian ''et al.'' | journal=J. Vac. Sci. Tech. | issue=B | volume=10 | year=1992 | pages=2877–2881 | doi=10.1116/1.585978}}</ref>. Dabei zeigte sich, dass Elektronen mit Energien geringer als 12 eV in einen 50 nm dicken Polymer-Fotolack eindringen können. Der Nachteil bei der Benutzung niederenergetischen Elektronen ist, dass die Ausbreitung des Elektronenstrahls im Photoresist schwer zu verhindern ist.<ref name="mayer">{{cite journal | title=unknown title | author=T. M. Mayer ''et al.'' | journal=J. Vac. Sci. Tech. | issue=B | volume=14 | year=1996 | pages=2438–2444 | doi=10.1116/1.588751}}</ref> Zudem ist der Entwurf der Elektronstrahlsystem für niedrige Strahlenergien und hohen Auflösung schwer, da die Coulomb-Abstoßung zwischen den Elektronen an Bedeutung gewinnt.<ref name="hordon">{{cite journal | title=unknown title | author=L. S. Hordon ''et al.'' | journal=J. Vac. Sci. Tech. | issue=B | volume=11 | year=1993 | pages=2299–2303 | doi=10.1116/1.586894}}</ref>. Coulomb inter-Elektron-Abstoßung wird immer schwerer für niedrigere Elektronenenergie.


Eine Alternative ist die Verwendung von extrem hohen Energien (mindestens 100&nbsp;keV), um einen Materialabtrag durch Sputtern zu erreichen. Dieses Phänomen wurde häufig in der Transmissionselektronenmikroskopie beobachtet.<ref name="egerton">{{cite journal | title=unknown title | author=R. F. Egerton ''et al.'' | journal=Micron | volume=35 | year=2004 | pages=399–409 | doi=10.1016/j.micron.2004.02.003}}</ref> Allerdings handelt es sich dabei um einen sehr ineffizienten Prozess, aufgrund der ineffizienten Übertragung der Impulse aus dem Elektronenstrahl auf das Material. Dies resultiert in einem langsamen Prozess mit viel längeren Belichtungszeiten als bei der herkömmlichen Elektronenstrahllithographie. Zudem können hohe Strahlenergie das Substrat beschädigen.
Eine Alternative ist die Verwendung von extrem hohen Energien (mindestens 100&nbsp;keV), um einen Materialabtrag durch Sputtern zu erreichen. Dieses Phänomen wurde häufig in der Transmissionselektronenmikroskopie beobachtet.<ref name="egerton">{{cite journal | title=unknown title | author=R. F. Egerton ''et al.'' | journal=Micron | volume=35 | year=2004 | pages=399–409 | doi=10.1016/j.micron.2004.02.003}}</ref> Allerdings handelt es sich dabei um einen sehr ineffizienten Prozess, aufgrund der ineffizienten Übertragung der Impulse aus dem Elektronenstrahl auf das Material. Dies resultiert in einem langsamen Prozess mit viel längeren Belichtungszeiten als bei der herkömmlichen Elektronenstrahllithographie. Zudem können hohe Strahlenergie das Substrat beschädigen.
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* [http://www.first.ethz.ch/infrastructure/equipment/ebl Electron-beam lithography at ETH Zurich]
* [http://www.first.ethz.ch/infrastructure/equipment/ebl Electron-beam lithography at ETH Zurich]
* [http://nanolithography.gatech.edu Nanolithography at Georgia Tech]
* [http://nanolithography.gatech.edu Nanolithography at Georgia Tech]
* [http://www.cnf.cornell.edu/doc/cnfebeam.pdf Electron-beam lithography at Cornell (0.5 MB PDF)]
* [http://www.cnf.cornell.edu/doc/cnfebeam.pdf Electron-beam lithography at Cornell] (0,5 MB;PDF)
* [http://www.jcnabity.com NPGS for SEM or FIB Lithography]
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* [http://www.mri.psu.edu/facilities/nnin/facilities.html Penn State NNIN Facilites]
* [http://www.mri.psu.edu/facilities/nnin/facilities.html Penn State NNIN Facilites]
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== Einzelnachweise ==
== Einzelnachweise ==
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Version vom 24. Mai 2011, 13:40 Uhr

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Die Elektronenstrahllithographie (ESL, englisch electron beam lithography oft als e-beam lithography abgekürzt) ist in der Mikro- und Halbleitertechnik ein spezielles Verfahren zur Strukturierung einer Elektronenstrahl-empfindlichen Schicht (engl. resist, in Analogie zur Fotolithografie auch Fotolack genannt). Durch die „Belichtung“ mit einem Elektronenstrahl wird der Resist chemisch geändert, so dass er lokal gelöst werden kann (Entwicklung) und eine strukturierte Resistschicht entsteht. Die Struktur kann anschließend auf eine Schicht aus einem anderen Material übertragen werden, z. B. durch Ätzen eine darunterliegenden Schicht oder durch selektive Abscheidung eines Materials auf dem Resist. Der wesentliche Vorteil der des Verfahrens ist, die Möglichkeit wesentlich geringere Strukturen (im Nanometerbereich) als bei der Fotolithografie herzustellen, das vor allem durch die Beugungsgrenze des Lichts eingeschränkt wird.

Das Verfahren besitzt große Bedeutung bei der Herstellung von mikroelektronischen Schaltkreisen für moderne elektronische Geräte und kommt vor allem bei der Herstellung der bei der Fotolithografie eingesetzten Fotomasken zum Einsatz. Es kann aber auch als maskenloses Lithographieverfahren für die Strukturierung von Schichten bzw. Wafern in der Prototypen- oder Kleinserienherstellung eingesetzt werden. Die Elektronenstrahllithografie wird auch in der Großserienproduktion als Nachfolgeverfahren für heutige die derzeit (Stand 2011) Fotolithografie auf Basis von Excimerlasern gehandelt. Die langen Prozesszeiten aktueller Techniken, bei denen der Elektronenstrahl beispielsweise über das Substrat gerastert[1] wird, sind jedoch nicht wirtschaftlich und führen auch zu technischen Problemen, z. B. Instabilitäten beim Elektronenstrahl.

Elektronenstrahllithografiesysteme

Die für kommerziellen Anwendungen eingesetzt ESL-Systeme sind zweckgebundenen, beispielsweise für die Fotomaskenherstellung, und sehr teuer (über 4 Mio. USD). Bei Geräten für Forschungsanwendungen handelt es sich hingegen häufig modifizierte Elektronenmikroskope, die vergleichsweise kostengünstig (weniger 100 Tsd. USD) in ein ESL-System umgebaut wurden. Dies schlägt sich auch in den erreichbaren Ergebnissen nieder, so konnten mit den zweckgebundenen Systemen bereits Strukturgrößen von 10 nm und kleiner abgebildet werden. Mit Forschungsgeräten auf Basis von Elektronenmikroskopen sind hingegen nur Größen von ca. 20 nm abbildbar.

Alle ESL-Systeme bestehen aus drei wesentlichen Komponenten, der Elektronenquelle, dem elektronenoptischen System und der Ablenkungs- bzw. Projektionseinheit

Systeme mit niedriger Auflösung können Glühkathoden nutzen, meist auf Basis von LaB6. Systeme mit höherer Auflösung erfordern hingegen Feldemissionsquellen, wie beheizte W/ZrO2, für einen geringeren Energieverbrauch und verbesserte Intensität. Hierbei werden thermische Feldemissionsquellen trotz ihrer etwas größeren Strahlgröße gegenüber kalten Emissionsquellen bevorzugt, denn sie bieten bessere Stabilität beim Schreiben über längere Zeit (mehreren Stunden).

Für die Konzentration und Fokussierung der Elektronenstrahlen sind spezielle Anlagenteile notwendig, die in Analogie zur Optik oft als Linsensystem bezeichnet werden. In ESL-Systemen können sowohl elektrostatische als auch magnetische Linsen verwendet werden. Allerdings zeigen elektrostatische Linsen eine größere Aberrationen und sind damit nicht für Feinfokussierung geeignet. Denn derzeit gibt es keine Techniken für die Herstellung von achromatischen Elektronenstrahllinsen, so dass Elektronenstrahl mit einer extrem schmalen Energiedispersion für feinste Fokussierung benötigt sind.

Für sehr kleine Ablenkung des Elektronenstrahls werden typischerweise elektrostatische Systeme eingesetzt, größere Strahlablenkungen erfordern elektromagnetische Systeme. Wegen der Ungenauigkeit und der endlichen Anzahl von Belichtungsschritten liegt das Belichtungsfeld in der Größenordnung von 100 bis 1000 µm. Größere Muster verlangen eine Bewegung der Substratauflage (engl. stage bzw. chuck), die hinsichtlich der Aneinandersetung der Muster und der Ausrichten eines Musters auf ein Ebenen gegenüber der vorhergehenden (engl. overlay) besonders hohen Anforderungen genügen muss.

Verfahren

ESL-Systeme können sowohl nach der Strahlform als auch der Strategie der Strahlablenkung klassifiziert werden. Ältere Systeme verwenden Gaußstrahl-förmige Elektronenstrahlen, die über das Substrat geführt wird (Raster-Modus). Neuere Systeme verwenden geformte Strahlen, das heißt Strahlen denen über eine Maske ein gewünschter geometrischer Querschnitt aufgeprägt wurde, und deren Ablenkung auf verschiedene Positionen im „Schriftfeld“ (Vektor-Scan-Modus).

Direktschreib-Techniken

Beim direkten Schreiben der Informationen in den Resist wird ein Elektronenstrahl ohne Maske abgebildet. Dazu wird der Strahl gemäß der gewünschten Maskenstruktur über das Substrat geführt. Die notwendige Ablenkung wird über elektrostatische Wechselwirkungen der Elektronen erreicht

Gaußstrahl

Vector-Scan-Prinzip

Raster-Scan-Prinzip

Maskenbasierte Techniken

Direktschreib-Techniken weisen einen wesentlichen Nachteil auf, die langen Schreibzeit pro Wafer. Um die ESL auch für die Großserienproduktion attraktiv zu machen, wurden alternative Techniken entwickelt. Eine der Techniken (Scattering with Angular Limitation Projection Electron-beam Lithography, SCALPEL) nutzt eine Streumaske aus einer für Elektronen transparente Folie. Ähnlich wie bei der konventionellen Fotolithografie werden durch die Maske bestimmte Teile vom Elektronenstrahl abgeschattet. Dazu wird eine Streuschicht eingesetzt, die auftreffende Elektronen stark abgelenkt. Sie werden anschließend über eine Aperturblende ausgeblendet. Der Vorteil einer Streuschicht gegenüber einer Absorption der Elektronen, besteht zum einen in der deutlich geringeren Aufladung zum anderen in einer geringeren Erwärmung der Maske.[2]

Proximity-Belichtung

Energieabgabe von Elektronen in Materie

Die Elektronen aus dem einfallenden Strahl (Primärelektronen) verlieren beim Eintritt bzw. Durchqueren eines Materials Energie durch inelastische Streuung oder Kollisionen mit anderen Elektronen (z. B. den Elektronen der Gitteratome). Bei einem solchen Zusammenstoß erfolgt eine Impulsübertrag vom einfallenden Elektron auf das andere Elektron und kann über den Zusammenhang [3] beschrieben werden, wobei der Abstand der größte Annäherung zwischen den Elektronen, und die Geschwindigkeit des einfallenden Elektrons ist. Die Energie, die durch die Kollision übertragen wird, kann über den Zusammenhang beschrieben werden, wobei die Masse des Elektrons und die Elektronenenergie, entspricht , ist. Durch die Integration über alle Werte von zwischen der niedrigsten Bindungsenergie und der einfallenden Energie erhält man als Ergebnis, dass der Gesamtquerschnitt eines Zusammenstoßes ist umgekehrt proportional zur einfallenden Energie und proportional zu . Im Allgemeinen gilt , so ist das Ergebnis im Wesentlichen umgekehrt proportional zur Bindungsenergie.

Durch Verwendung des gleichen Integrationsansatz, aber über den Bereich bis , so erhält man durch Vergleich der Querschnitte, dass die Hälfte der inelastischen Kollisionen der einfallenden Elektronen Elektronen mit einer kinetischen Energie größer als erzeugen. Diese Sekundärelektronen genannten Elektronen sind in der Lage chemische Bindungen (mit einer Bindungsenergie ) aufzubrechen, auch in einiger Entfernung von der ursprünglichen Kollision. Darüber hinaus können sie Elektronen mit geringerer Energie erzeugen, das heißt, es entsteht einer Elektronenkaskade. Es ist daher wichtig, den Beitrag der Sekundärelektronen bei der Ausbreitung des Energieeintrags zu beachten.

Schreibzeit

Die minimale Belichtungszeit für einen bestimmten Bereich bei einer gegebenen Bestrahlungsdosis wird durch die folgende Formel beschrieben:

Zum Beispiel beträgt die minimale Belichtungszeit für eine Fläche von 1 cm2, einer Dosis von 10−3 C/cm2 und einem Strahlstrom von 10−9 Ampere 106 Sekunden (ca. 12 Tage). Diese minimale Schreibzeit beinhaltet nicht die Zeit für Bewegung der Substrathalterung, der Strahl ausgeblendet ist sowie weitere mögliche technische Korrekturen und Anpassungen während des Schreibens. Um die 700 cm2 große Oberfläche eines 300-mm-Silizium-Wafers abzudecken, würde sich die minimale Schreibzeit auf 7·108 Sekunden, etwa 22 Jahre, verlängern. Es ist klar, dass hierbei der Durchsatz eine ernsthafte Einschränkung für Elektronenstrahllithographie darstellt, vor allem beim Belichten von dichten Strukturen auf einer großen Fläche. Direktschreibverfahren mit nur einem Strahl sind daher für die Hochvolumenproduktion nicht geeignet. Denn um einem einzigen Wafer ein Muster mit einer Sub-100-nm-Auflösung mit der Elektronenstrahllithographie zu belichten, wären in der Regel mehrere Tage notwendig, im Vergleich dazu benötigen heutiger 193-nm-Fotolithografiesysteme weniger als eine Minute für dieselbe Aufgabe.

Auflösungsvermögen

Mit heutigen Elektronenoptiken können Elektronenstrahlen mit Querschnitten von wenigen Nanometern erzeugt werden. Begrenzt wird dies vor allem durch Aberration und Raumladungen. Allerdings ist die praktische Auflösungsgrenze nicht durch den Strahlgröße bestimmt, sondern durch Vorwärtsstreuung im Resist und den Sekundärelektronen, die sich im Resist bewegen.[4] Die Vorwärtsstreuung kann durch die Nutzung von höhere Elektronenenergien oder dünner Resistschichten verringert werden, die Erzeugung von Sekundärelektronen ist jedoch unvermeidlich. Die Wegstrecke eines Sekundärelektrons ist kein allgemein berechenbarer Wert, sondern ein statistischer Parameter, der anhand von vielen Experimenten oder Monte-Carlo-Simulationen mit Energie kleiner 1 eV bestimmt werden kann. Dies ist notwendig, da die der Spitzenwert in der Energieverteilung der Sekundärelektronen deutlich unter 10 eV liegt.[5]Wiederholbarkeit und Kontrolle bei der praktischen Auflösungsgrenze erfordern oft die Berücksichtigung von Einflüssen, die nicht mit der Bildentstehung im Zusammenhang stehen, z. B. Resistentwicklung und zwischenmolekulare Kräfte.

Streuung

Neben der Erzeugung von Sekundärelektronen können auch Primärelektronen mit ausreichend Energie aus dem einfallenden Strahl den Resist durchdringen und über große Entfernungen in darunterliegenden Schichten oder dem Substrat mehrfach gestreut werden. Dies führt zu einer unerwünschten Belichtung von Bereichen, mit einem deutlichen Abstand von dem aktuell belichtetem Bereich. 

For thicker electrons, as the primary electrons move forward, they have an increasing opportunity to scatter laterally from the beam-defined location. This scattering is called forward scattering.

Manchmal werden die Primärelektronen in einem Winkel von mehr als 90 Grad gestreut, das heißt, sie werden nicht weiter im Resist gestreut. Diese Elektronen werden rückgestreute Elektronen (engl. backscattered electrons) genannt und haben die gleiche Wirkung wie langreichweitige Linsensteueffekte (engl. lens flare) von optischen Projektionssystemen. Eine ausreichend große Dosis von rückgestreuten Elektronen zu einer vollständigen Belichtung eines Bereichs deutlich größer als als dem Strahlqueschnitts im Fokus führen.

Proximity-Effekt

Die kleinsten durch Elektronenstrahllithographie herstellten Strukturen sind in der Regel isolierte Strukturen, da die Herstellung von dicht zusammenstehenden Strukturen (meist Linien) durch den Proximity-Effekt (eingedeutscht von engl. proximity effect: dt. ‚Nachbarschaft-Effekt)‘ erschwert wird. Der Proximity-Effekt beschreibt das Übersprechen von Elektronen bei der Belichtung, das heißt, Elektronen, die zur Belichtung einer bestimmten Struktur „vorgesehen“ waren, überstrahlen den vorgesehen Bereich und tragen zur Belichtung angrenzender Bereiche bei. Dies führt zu eine Vergrößerung der geschrieben Strukturen, erweitert effektiv ihr Bild und führt zu einer Verringerung des Kontrasts, d. h. der Differenz zwischen maximaler und minimaler Intensität in einem Bereich. Daher ist die Belichtung bzw. Auflösung von dichten Strukturen schwerer zu kontrollieren. Mit den meisten Resisten ist es daher schwierig Linien und Gräben kleiner 25 nm herzustellen; die untere Grenze liegt derzeit bei 20 nm.[6].

Die Hauptursache für die Proximity-Effekte ist die Streuung von Elektron aufgrund der elektrischen Wechselwirkung der negativ geladenen Elektronen untereinander. Das Problem kann aber durch eine zuvor berechnete Korrektur die Belichtungsfunktion verringert werden. Sie ermöglicht eine Dosisverteilung so nah wie möglich an der gewünschten Dosis

Aufladung

Trifft ein hochenergetischer Elektronenstrahl auf ein Substrat, stoppt dieses einen Teil der Elektronen. Da Elektronen geladene Teilchen sind, neigen sie dazu das Substrat negativ aufzuladen, wenn sie nicht schnell in Richtung Masse abgeführt werden. Für gering leitfähige Substrate wie einem Silizium-Wafer stellt dies meist kein Problem dar. Anders liegt der Fall bei bei nicht oder schlecht leitenden Substraten, wie den für Fotomasken eingesetzten Quarz-Substraten. Oft geht eine negative Aufladung innerhalb des Substrats auch eine positive Gegenaufladung an der Oberfläche einher, die vor allem durch Sekundärelektronenemission ins Vakuum bewirkt wird. Der Bereich für die Emission von niederenergetischen Sekundärelektronen (die größte Komponente von freien Elektronen im Resist-Substrat-System), der zur Aufladung beitragen kann, liegt zwischen 0 und 50 nm unterhalb der Oberfläche. Die Aufladung des Resists bzw. des Substrats ist Allgemein nicht wiederholbar und daher schwer zu kompensieren. Positive Aufladungen sind hierbei weniger schlimm als negative Aufladung, da letztere den Elektronenstrahl bei der Belichtung von der gewünschten Lage ablenken kann.

Ähnliche Effekte treten auch bei der Rasterelektronenmikroskopie auf, wo sie zu einem Kontrastverlust und geringeren Auflösungsvermögen führen. Dort behilft man sich mit dem Auftrag von dünnen leitfähigen Schicht auf die Probe. Bei der ESL sind solche leitfähigen Schicht über oder unter dem Resist in der Regel nur von begrenztem Nutzen, da hochenergetische (50 keV oder mehr) Elektronenstrahlen meisten die Schichten relativ ungehindert passieren und sich weiterhin im Substrat ansammeln können. Bei niederenergetischen Strahlen ist der Einsatz hingegen durchaus effektiv und sinnvoll.

Defekte

Trotz der hohen Auflösung der Elektronenstrahllithographie wird oft die Erzeugung von Defekten von Benutzern nicht berücksichtigt. Die auftretenden Defekte können in zwei Kategorien eingeteilt werden: datenbezogenen und physikalische Defekte.

Datenbezogene Defekte können wiederum in zwei Untergruppen eingeteilt werden. Ausblendungs oder Ablenkungsfehler treten auf, wenn der Elektronenstrahl nicht richtig abgelenkt wird. Hingegen treten Formfehler (engl. shaping errors) in Systemen mit variabler Strahlform auf, wenn die falsche Form auf die Probe projiziert wird. Diese Fehler können entweder aus der elektronenoptischen Steuerungshardware oder den Eingabedaten herrühren. Wie zu erwarten ist, sind dabei größere Datenmengen anfälliger für datenbezogene Defekte.

Physikalische Defekte sind vielfältiger und umfassen Effekte wie die elektrostatische Aufladung der Probe (negativ oder positiv), Rückstreuung der Elektronen, Dosisfehler, Fogging (langreichweitige Reflexionen von rückgestreuten Elektronen), Ausgasung des Resists, Verschmutzungen und Strahlaufweitung. Da die Zeit für das direkte Schreiben leicht mehrere Stunden (auch über einen Tag) dauern kann, können zufällig auftretenden Fehler eher auftreten. Auch hier sind größere Datenmengen anfälliger für Defekte.

Zukünftige Entwicklungen

Um die Probleme im Zusammenhang mit der Sekundärelektronenerzeugung zulösen, wird es unerlässlich werden, niederenergetische Elektronen für die Belichtung des Resists zu verwenden. Die Energie der Elektronen sollte im Idealfall in der Größenordnung von nur wenigen Elektronenvolt haben. Dies wurde bereits in einer Studie mit einem ELS-System auf Basis eines Rastertunnelmikroskops gezeigt.[7]. Dabei zeigte sich, dass Elektronen mit Energien geringer als 12 eV in einen 50 nm dicken Polymer-Fotolack eindringen können. Der Nachteil bei der Benutzung niederenergetischen Elektronen ist, dass die Ausbreitung des Elektronenstrahls im Photoresist schwer zu verhindern ist.[8] Zudem ist der Entwurf der Elektronstrahlsystem für niedrige Strahlenergien und hohen Auflösung schwer, da die Coulomb-Abstoßung zwischen den Elektronen an Bedeutung gewinnt.[9]. Coulomb inter-Elektron-Abstoßung wird immer schwerer für niedrigere Elektronenenergie.

Eine Alternative ist die Verwendung von extrem hohen Energien (mindestens 100 keV), um einen Materialabtrag durch Sputtern zu erreichen. Dieses Phänomen wurde häufig in der Transmissionselektronenmikroskopie beobachtet.[10] Allerdings handelt es sich dabei um einen sehr ineffizienten Prozess, aufgrund der ineffizienten Übertragung der Impulse aus dem Elektronenstrahl auf das Material. Dies resultiert in einem langsamen Prozess mit viel längeren Belichtungszeiten als bei der herkömmlichen Elektronenstrahllithographie. Zudem können hohe Strahlenergie das Substrat beschädigen.

Um eine verkürzte Belichtungszeit bei der Herstellung von mikroelektronischen Schaltungen zu erreichen, werden auch Ansätze erforscht, bei denen mehrere Elektronenstrahl (engl. multi-beam lithography)) gleichzeitig zum Einsatz kommen. Dabei sollen für die Beleichtung eines 300-mm-Wafers bis zu 1000 Strahlen Prozesszeiten von unter einer Stunde ermöglichen.


Einzelnachweise

  1. ↑ M. A. McCord, M. J. Rooks: [http://www.cnf.cornell.edu/cnf_spietoc.html SPIE Handbook of Microlithography, Micromachining and Microfabrication]. 2000, Kap. 2.
  2. ↑ Ulrich Hilleringmann: Silizium-Halbleitertechnologie. Vieweg +Teubner, 2004, ISBN 978-3-519-30149-3, S. 54–56.
  3. ↑ L. Feldman, J. Mayer: unknown title. In: Fundamentals of Surface and Thin Film Analysis. 54. Jahrgang, 1986, S. 130–133.
  4. ↑ A. N. Broers et al.: unknown title. In: Microelectronic Engineering. 32. Jahrgang, 1996, S. 131–142, doi:10.1016/0167-9317(95)00368-1.
  5. ↑ H. Seiler: unknown title. In: J. Appl. Phys. 54. Jahrgang, 1983, S. R1–R18, doi:10.1063/1.332840.
  6. ↑ J. A. Liddle et al.: unknown title. In: Mat. Res. Soc. Symp. Proc. 739. Jahrgang, Nr. 19, 2003, S. 19–30 (lbl.gov [PDF]).
  7. ↑ C. R. K. Marrian et al.: unknown title. In: J. Vac. Sci. Tech. 10. Jahrgang, B, 1992, S. 2877–2881, doi:10.1116/1.585978.
  8. ↑ T. M. Mayer et al.: unknown title. In: J. Vac. Sci. Tech. 14. Jahrgang, B, 1996, S. 2438–2444, doi:10.1116/1.588751.
  9. ↑ L. S. Hordon et al.: unknown title. In: J. Vac. Sci. Tech. 11. Jahrgang, B, 1993, S. 2299–2303, doi:10.1116/1.586894.
  10. ↑ R. F. Egerton et al.: unknown title. In: Micron. 35. Jahrgang, 2004, S. 399–409, doi:10.1016/j.micron.2004.02.003.

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