Lithographietechniken

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Gerhard Frank
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1 Ida Stapf Vorlesung WS 14/15 Dozenten: Dr. Koblischka und Prof. Kreibig

2 Inhalt Allgemeines Prozessschritte Auflösungsvermögen Prozessumgebung Lacke Belichtungsarten Klassische Photolithographie Immersionslithographie Laserlithographie Zwei-Photonen-Lithographie Elektronenstrahl lithographie Ionenstrahllithographie Atomstrahllithographie Lithographie am STM Entwickeln Beispiele Quellen Bildverzeichnis 2

Allgemeines Lithographie ist ein Verfahren zum Erzeugen von Mikrostrukturen in Lack Es wird seit den 1970er Jahren in der Halbleitertechnik angewendet Schlüsseltechnologie in der Mikrosystemtechnik

3 Allgemeines Lithographie ist ein Verfahren zum Erzeugen von Mikrostrukturen in Lack Es wird seit den 1970er Jahren in der Halbleitertechnik angewendet Schlüsseltechnologie in der Mikrosystemtechnik Bestimmend für die Strukturgröße mikrotechnologischer Bauelemente Die Strukturgröße in der Chipproduktion hat sich von 5 μm in der Anfangszeit auf heute bis zu 22 nm verringert Abb. 1: Prozessierter Wafer 3

4 Prozessschritte Lackschicht aufschleudern Belichten Entwickeln Strukturübertragung Lack strippen Abb. 2: Lithographieschritte 4

5 Auflösungsvermögen Die minimale Strukturgröße eines Lithographieprozesses ist gegeben durch: CD : Critical Dimension k 1 : Prozessabhängiger Faktor λ : Wellenlänge NA : Numerische Apertur (NA = n sin(θ/2)) 5

Prozessumgebung Lithographieverfahren werden in einer Reinraumumgebung durchgeführt Im Labor herrscht Gelblichtbeleuchtung weil diese

6 Prozessumgebung Lithographieverfahren werden in einer Reinraumumgebung durchgeführt Im Labor herrscht Gelblichtbeleuchtung weil diese den Fotolack nicht beeinflusst Der Lack wird mittels Rotationsbeschichtung (engl. Spincoating) aufgetragen Abb. 3: Spincoater im Reinraum 6

7 Lacke Positivresist Belichtete Bereiche werden löslich z.b. Novolacke, PMMA Negativresist Belichtete Bereiche werden verhärtet z.b. SU-8 Abb. 4: Positiv- und Negativlack 7

8 Lacke Absorptionsspektrum Positivlack Typische Belichtungsquelle: Quecksilberdampflampe i-linie: 365nm h-linie: 435nm Abb. 5: Absorptionsspektrum 8

9 Belichtungsarten Indirekte Belichtung Großflächige Belichtung Lack wird teilweise durch Maske geschützt Schnell (wenige Sekunden bis Minuten) Mittelmäßiges Auflösungsvermögen Verwendet zur Massenproduktion Direkte Belichtung Schreibkopf rastert über die Probe und belichtet diese partiell Langsam (einige Minuten bis Stunden) Hoch präzise Auflösung, bis zu 10 nm Einsatz in Forschung und zum Maskenschreiben 9

vor Lichteinfall Großflächige Belichtung mit UV oder Röntgenstrahlung

10 Klassische Photolithographie Verwendet Maske (strukturierte Chromschicht auf Glasträger) Sie wird über dem Wafer positioniert und schützt diesen teilweise vor Lichteinfall Großflächige Belichtung mit UV oder Röntgenstrahlung Auflösungsgrenze ist durch Wellenlänge bestimmt Abb. 7: Maskaligner Abb. 6: Fotomaske 10

11 Klassische Photolithographie Belichtungsarten Kontaktbelichtung Proximity-Belichtung Projektionsbelichtung Abb. 8: Belichtungstechniken Minimiert Beugungseffekte Einfach realisierbar Schont die Maske Sehr hohe Auflösung 11

Immersionslithographie Zwischen Wafer und Belichtungsapperatur befindet sich ein Flüssigkeitsfilm Durch den höheren Brechungsindex (im Vergleich zu Luft) wird das Licht

12 Immersionslithographie Zwischen Wafer und Belichtungsapperatur befindet sich ein Flüssigkeitsfilm Durch den höheren Brechungsindex (im Vergleich zu Luft) wird das Licht weniger stark gebeugt und die Maske schärfer abgebildet Technik ist erforderlich für den 45nm-Technologieknoten und darunter liegende Strukturgrößen Abb. 9: Immersionslithographie 12

Laserlithographie Laser schreibt direkt auf das Substrat und belichtet dieses seriell Verwendet werden Excimerlaser, d.h. Gaslaser im ultravioletten Wellenlängenbereich z.

13 Laserlithographie Laser schreibt direkt auf das Substrat und belichtet dieses seriell Verwendet werden Excimerlaser, d.h. Gaslaser im ultravioletten Wellenlängenbereich z.b. ArF-Laser (193 nm) und KrF-Laser (248 nm) Ermöglicht auch 3D- Strukturen Abb. 10: Strahlengang eines Laserlithografen 13

der Strahlen können Photonen absorbiert und der Lack chemisch verändert werden Ermöglicht

14 Zwei-Photonen-Lithographie Verwendet Femtosekundenlaser Strahlung wird in zwei Teilstrahlen zerlegt Energie eines Einzelphotons liegt unterhalb der Absorptionsschwelle Nur im Schnittpunkt der Strahlen können Photonen absorbiert und der Lack chemisch verändert werden Ermöglicht Erzeugung von 3D-Strukturen im nm-breich Abb. 11: Fullerenähnliche Polymerstruktur Abb. 12: Rennauto 3D 14

Elektronenstrahllithographie Direktes Lithografieverfahren Lack ist empfindlich gegenüber Elektronen Das organische Resist besteht aus langkettigen

15 Elektronenstrahllithographie Direktes Lithografieverfahren Lack ist empfindlich gegenüber Elektronen Das organische Resist besteht aus langkettigen Polymeren die durch den Beschuss in Monomere aufgebrochen werden Belichteter Teil lässt sich herauswaschen Abb. 13: Wabenstruktur erzeugt mit PMMA 15

16 Elektronenstrahllithographie Aufbau: Elektronen werden durch Glühkathode erzeugt Sie passieren ein E-Feld und werden beschleunigt Fokussierung durch Magnetspule Auftreffender Strahl wird durch E- oder B-Feld gelenkt Abb. 14: Elektronenstrahlschreiber 16

17 Ionenstrahllithographie Verwendet Protonen oder Heliumionen Direktes Verfahren: Fokussierter Ionenstrahl (FIB) beschreibt den Lack direkt Der Strahl wird durch ein E-Feld gelenkt Indirektes Verfahren Als Maske dienen Strukturen aus freistehendem Silizium Wafer wird mit einem Stepper (analog Projektionsbelichtung) abgefahren Flutbelichtung auch möglich 17

18 Atomstrahllithographie Verwendet wird z.b. Cäsium oder andere Atome die ein Dipolmoment aufweisen Atomstrahl wird durch Magnetfeld gelenkt Verfahren mit und ohne Maske möglich Hohe Auflösung (10 nm 20 nm) wegen kleiner De- Boglie-Wellenlänge Widerstandsfähige Resiste Nachteil: Beschleunigung geringer als beim FIB Abb. 15: Hexapolmagnet zur Strahlablenkung 18

19 Lithograhie am STM STM (scanning tunneling microscope) fährt über die Probe und gibt elektrische Impulse ab Stromstöße verändern den Lack Sehr hohe Auflösung (im atomaren Bereich) Strukturgröße durch Spitzenradius bestimmt Abb. 16: Schema STM 19

20 Entwickeln Positivlack besteht i.d.r. aus Kresolharz, Fotoinitiator (DNQ) und Lösungsmittel DNQ (DiazoNaphtoQuinon) wandelt sich unter Abspaltung von N 2 und Aufnahme von Wasser in Indenkarbonsäure um Als Entwickler werden alkalische Lösungen verwendet, zum Beispiel NaOH oder KOH in Wasser Diese besitzt eine um den Faktor bessere Löslichkeit im Entwickler als der unbelichtete Lack In der Teilchenstrahllithographie ist Löslichkeit des belichteten Materials durch mechanische Zerstörung bedingt 20

21 Entwickeln In Negativlacken wird durch Belichtung eine Polymerisation ausgelöst Auch hier kann die Basis ein Harz sein, das dann Quervernetzungen und längere Molekülketten ausbildet Der Prozess muss oft durch mehrminütiges Backen nach dem Belichten unterstützt werden Abb. 17: Polymerisation im Negativresist 21

22 Beispiele Abb. : Demostruktur erzeugt mit Ionenstrahllithographie Abb. 20: Nanosäulen Hergestellt mit STM Abb. 18: Drehratensensor Hergestellt mit optischer Litographie Abb. 19: Demostruktur Hergestellt mit Ionenstrahllithographie 22

23 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! 23

24 Quellen Fotolithografie Broschüre von MicroChemicals (2012) Onlinequellen zuletzt eingesehen am

25 Bildverzeichnis Titelbild Abb Abb. 2 Vorlesung Mikromechnanik I, Prof. Helmut Seidel (Kap 9 Folie 13) Abb. 3 Abb. 4 Abb. 5 Abb. 6 Abb. 7 Abb. 8 Abb. 9 Abb. 10 Selbst erstellt (Reinraumpraktikum Zweibrücken) aften.pdf omask.jpg tung.gif

26 Bildverzeichnis Abb. 11 Abb. 12 Abb. 13 Abb. 14 Abb. 15 Abb. 16 Abb. 17 Abb. 18 Abb. 19 Abb ithografie.gif Part3_Folie59.jpg

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