Versuch M43: Elektronenstrahllithographie

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1 Versuch M43: Elektronenstrahllithographie ( ) 1 Versuch M43: Elektronenstrahllithographie Ort: Zi (Staudtstr. 7, Gebude B2, 2.Stock) Ziel dieses Versuch ist es Mikrostrukturen aus einer dünnen Chromschicht auf einem Glasträger mittels Elektronenstrahllithographie und nachfolgendem nasschemischen Ätzens der Chromschicht herzustellen. Es wird vorausgesetzt, dass sowohl die Handhabung des SEMs, als auch die Einstellung von guten Bildern mit dem SEM bekannt sind. Vorbereitung: 1. Die Elektronenstrahllithographieanlage: (a) Welche Änderung mssen an einem SEM vorgenommen werden, um es als Elektronenstrahllithographie betreiben zu können? (b) Welche Anforderungen muss die Elektronenquelle in einer Elektronenstrahllithographieanlage erfüllen? (c) Fassen Sie kurz die wichtigsten Linsenfehler des SEMs zusammen, welche die Abbildung des Crossoverpunktes auf die Probe verschlechtern und erläutern Sie, wie man diese reduzieren kann. Warum ist eine gute (verkleinerte) Abbildung des Crossoverpunktes auf die Probenoberfläche wichtig für die Elektronenstrahllithographie? 2. Der Lithographieprozess: (a) Beschreiben Sie den Ablauf des Lithographieprozesses und die nachfolgende Prozessierung mittels Aufdampfen einer Metallschicht (Lift Off Prozess) zur Herstellung von Metallstrukturen auf Silizium. Was muss beachtet werden, wenn anstelle von Silizium Glas verwendet werden soll? (b) Erläutern Sie die folgenden Parameter und deren Auswirkung auf den Lithographieprozess: Beschleunigungsspannung Elektronendosis Schreibfeld (c) Erläutern Sie die Entstehung und die Auswirkung des Nachbarschaftseffekts (Proximity Effect). Wie können die Folgen des Proximity-Effekts reduziert werden? Literatur zur Vorbereitung und Auswertung: [1] B. Berčič,Introduction to electron beam lithography, Kopie unter electron beam lithography.pdf

2 Versuch M43: Elektronenstrahllithographie ( ) 2 [2] M.A. McCord, M.J. Rooks, Chapter 2: E-beam lithography, in: Handbook of Microlithography, Micromachining and Microfabrication, Volume 1: Microlithography,ed. P. Rai-Choudry, SPIE, 1997, Kaptiel , und 2.7.1, Kopie unter ebeamlitho.pdf [3] JEOL, A Guide to Scanning Electron Microscope Observation, Kopie unter guidesem.pdf [4] D. Drouin, A. R. Couture, D. Joly, X. Tastet, V. Aimez, R. Gauvin, CASINO V2.42-A Fast and Easyto-use Modeling Tool for Scanning Electron Microscopy and Microanalysis Users, SCANNING Vol. 29, (2007), Kopie unter casino08.pdf Kurzanleitungen: Achtung: Das Schleussen darf nur in Anwesenheit des Betreuers ausgeführt werden. Vorbereitung zum Schleussen der Probe: 1. Probenrotation rückgängig machen (Rotationssteuerung Start drücken), Kippwinkel auf 0 stellen 2. Filamentheizung (langsam) auf 0µA reduzieren und danach Hochspannung ausschalten (!) 3. SE-Detektor auf off, SE - Collector off 4. Probe auf Höhe 39mm stellen 5. Probe auf x-position 250 fahren: Elphy Quantum Software Stage-Control Destination Exchange Position GoTo Ausrichtung des U-V Korrdinatensystems in der Elphy Quantum Software: Die Ausrichtung des Software-internen U-V Koordinatensystems an der Probe wird mittels der Orientierung der U-Achse und der Position des Nullpunkts festgelegt. Um die Orientierung der U-Achse festzulegen, werden die x-y Koordinaten (Motorposition) zweier Punkte eingelesen, welche die U-Achse definieren. 1. Im Fenster Adjust U-V den Ordner Angle adjustment wählen 2. Zum ersten Punkt fahren und Bild des ersten Punktes einlesen. 3. Fahne 1 anklicken und auf dem Bild am gewünschten Punkt positionieren. 4. Zum zweiten Punkt fahren und Bild des zweiten Punktes einlesen. 5. Fahne 2 anklicken und auf dem Bild am gewünschten Punkt positionieren. 6. Mit Adjust die berechnete Rotation übernehmen 7. Mittels des Blitzsymbols hinter Fahne 1 zum ersten Punkt zurückfahren und ein Bild einelesen. Befindet man sich nicht wieder am Ausgangspunkt, so muss die Prozedur von vorne wiederholt werden! 8. Im Fenster Adjust U-V den Ordner Origin Correction wählen 9. Mit Adjust die aktuelle Position als Nullpunkt des U-V-Koordinatensystems übernehmen

3 Versuch M43: Elektronenstrahllithographie ( ) 3 Abbildung 1: Beispiel einer Justagestruktur (links) und Anordnung der Justagestrukturen auf der Probe (rechts) Einstellen des Maßstabes in der Elphy Quantum Software: 1. Elphy Quantum Software Microscope Control: gewünschte Kombination aus Schreibfeld und Vergrößerung wählen und mit SET bestätigen (siehe Tabelle 1) 2. Entsprechende Vergrößerung am SEM einstellen, SEM1-Modus am SEM wählen, d.h. Image-Shift ist deaktiviert 3. Zur Ailgnement-Probe fahren und das U-V Koordinatensystem an der Struktur ausrichten (siehe Ausrichtung des U-V Korrdinatensystems in der Elphy Quantum Software) 4. Die zum Schreibfeld passende Justagestruktur suchen und Strukturmitte in der SEM-Bildmitte plazieren und ein Bild in der Software einlesen 5. Neue Positionsliste öffnen (File New Positionlist) 6. Passende Justageroutine aussuchen: Scan Manager Align Write Field Proc. Manual Die Routinen sind nach Messfeld (Scan) und Schreibfeld (field) sortiert. In den ersten Iterationsschritten sollte ein großes Messfeld bei passendem Schreibfeld gewählt werden. 7. Mittels Doppelklick auf entsprechnde Routine können die Paramter eingestellt werden: In Ordner Mark Proc. Abstand der Justiermarken vom Schreibfeldzentrum eintragen (siehe Spalte Markenabstand in Tabelle 1) und alle 4 Marken auswählen, zum Übernehmen ok drücken 8. Die Justageroutine danach mittels Drag&Drop in die Positionsliste einfügen. Der Punkt in der Bildmitte des SEM wird dabei automatisch als Mittelpunktskoordinaten für die Justageprozedur übernommen. 9. Mittels Scan Selection die interaktive (!) Schreibfeldkorrektur starten. 10. In jedem Schritt muß nun eine Markierung (blaues Kreuz, mittels Ctrl+Li Maustaste positionieren) im eingelesenen Messfeld auf die Mitte der Justiermarke (Kreuz) positioniert werden und danach mittels Continue fortgefahren werden: Bild 1 ist eine Gesamtübersicht der Struktur und kann einfach mittels Continue übersprungen werden. Die nachfolgenden Bilder sind jeweils kleine Bildausschnitte (Messfelder) in welchen sich jeweils eine Justiermarke (Kreuz) befinden sollte. 11. Am Ende der Routine die Übernahme der Parameter bestätigen Microscope Controll Schreibfeld Markenabst. Magn. WD 400x100um,14mm 100µm 37µm mm 200x200um,14mm 200µm 74µm mm 130x300um,14mm 300µm 111µm mm 80x500um,14mm 500µm 186µm 80 14mm 40x1000um,14mm 1000µm 375µm 40 14mm Tabelle 1: Mögliche Kombinationen aus Schreibfeld und Vergrößerung

4 Versuch M43: Elektronenstrahllithographie ( ) Die Justageroutine muss so oft wiederholt werden, bis sich jeweils die richtige Justagemarken in der Bildmitte des Messfeldes befindet. 13. Am Ende der Justage im Fenster Microscope Control mittels Save die Kalibrierung speichern! Wird der Arbeitsabstand oder die Beschleunigungsspannung geändert, so muss diese Alignementprozedur für die neuen Parameter wiederholt werden, sofern der Maßstabe der Elphy Quantum Software verwendet werden soll. Eine Änderung der Vergrößerung am SEM selber führt zu einem entsprechenden Skalierungsfaktor, welcher nicht in der Software berücksichtigt wird und somit im Nachhinein multipliziert werden muss.

5 Versuch M43: Elektronenstrahllithographie ( ) 5 Durchführung und Auswertung: Die im Versuch bearbeitete Probe besteht aus einem 1.5mm dicken Glassubstrat, welches mit 60nm Chrom beschichtet ist. Auf der Chromschicht wurde als vorbereitende Arbeit bereits die Schicht mit elektronenempfindlichen Lack (PMMA A2, ca. 50nm) mittels Schleuderbelackung aufgebracht. Wichtig: Notieren Sie sich zu allen aufgenommenen Bilder die entsprechenden Aufnahmeparameter und geben sie diese später in der Auswertung mit an. Notieren Sie sich auch die Paramter der verschiedenen Belichtungen und geben Sie diese in der Auswertung mit an. Bei den Arbeitsschritten, welche ein Handhaben von Chemikalien erfordern (Entwickelungsschritt, Ätzschritt), bitte entsprechende Schutzausrüstung tragen und nur in der Chemiewanne arbeiten. Standardeinstellung für Lithographie: Beamblanker im Strahlengang des SEM positionieren Aperturblende 4 (50µm), Beschleunigungsspannung 20kV z-position 15mm, Kondensorlinse A SEM1 Modus (kein elektronischer Image-Shift) Aufgabe 1: Simulation der Probe Simulieren Sie mittels Casino die folgenden Systeme für die Beschleunigungsspannungen 1kV, 5kV, 10kV, 20kV: 50nm PMMA auf 60nm Cr, Substrat SiO 2 500nm PMMA auf 60nm Cr, Substrat SiO 2 Welche Auswirkung hat eine Änderung der Beschleunigungsspannung auf die Auflösung und auf die Nachbarschaftseffekte. Erläutern Sie dies anhand der Simulationsergebnisse. Welche Auswirkung hat eine Änderung der Lackdicke auf die Auflösung. Erläutern Sie dies anhand der Simulationsergebnisse. Welche Beschleunigungsspannung ist mind. notwendig um mit den simulierten Lackdicken zu arbeiten? Aufgabe 2: Vorbereitende Arbeiten für den ersten Lithographieschritt: (a) Befestigen Sie die Probe auf dem Lithographieprobenhalter neben der Ailgnement-Probe. Achten Sie darauf, dass die Probe nicht gekippt ist und dass die Chromschicht geerdet ist. Schleussen Sie dann die Probe ein. Bevor Sie den Elektronenstrahl anschalten, fahren Sie mittels Elphy Quantum Software Stage-Control auf die Lithographieposition um zu verhindern, die Probe unnötig zu belichten. Als Parameter die Standardeinstellungen für die Belichtung wählen. (b) Wählen Sie eine Schreibfeldgröße (siehe Tab.1), mit welcher Sie in diesem Versuch arbeiten wollen und stellen Sie diese in der Software ein (Elphy Quantum Software Microscope Control, mit SET wählen). Die maximale beschreibbare Flche ist bei dem Praktikumsgert auf ein Schreibfeld beschrnkt. Je größer das Schreibfeld gewählt wird, um so einfacher wird das Finden der Struktur außerhalb des SEMs, aber um so länger dauert auch die Belichtung.

6 Versuch M43: Elektronenstrahllithographie ( ) 6 (c) Stellen Sie das SEM so ein, dass Sie ein brauchbares Bild zur Orientierung haben, fahren Sie zur Ailgnement-Probe und suchen Sie die passende Justagestruktur zum von Ihnen gewählten Schreibfeld. Stellen Sie dort ein gutes Bild ein um bei dem nachfolgenden Alignementschritt eine möglichst gute Genauigkeit zu erreichen. (d) Führen Sie das Schreibfeldalignement durch (siehe Kurzanleitung Einstellen des Mastabes in der Elphy Quantum Software) und notieren Sie sich die gewonnenenen Werte. Welche Sinn hat das Schreibfeldalignement? Geben Sie die von Ihnen bestimmten Korrekturwerte an. Aufgabe 3: Bestimmung der Elektronendosis: Mit Hilfe eines Testmusters soll die Elektronendosis bestimmt werden, welche nötig ist, um den Lack vollständig zu belichten. Aufgrund von Nachbarschaftseffekten muss die Elektronendosis für die unterschiedlichen Schreibmodi der Lithographie (Dot, Line, Area) einzeln bestimmt werden. (a) Entwerfen Sie im GDSII-Editor das Muster für die Testbelichtung. Die Testbelichtung sollte aus einfachen Formen (Rechtecken, Linien und Punkten) bestehen, welche mit einem Skalierungsfaktor für die Elektronendosis versehen wiederholt werden (b) Fahren Sie zur unteren linken Ecke der Probe. Achten Sie bei allen Bewegungen des Probentisches darauf, die Probe nicht unnötig mit dem Elektronenstrahl zu belichten. (c) Führen Sie die u-v Adjustment Prozedur durch, um die Koordinatensysteme der x-y Motoren und der Probe in Deckung zu bringen. Dieser zusätzliche Schritt ist wichtig um nach dem Entwickeln die Position der belichteten Struktur wieder zu finden (d) Fahren Sie an den Rand des Probenhalters und messen Sie in dem Spalt den Probenstrom. Mit Hilfe des Blitzsymbols im Adjust U-V Origin Correction Fenster können Sie wieder zum Ursprung Ihres Koordinatensystems und damit zur Probenecke automatisch zurück fahren. (e) Fahren Sie in in die Nähe der Stelle, an welcher Sie belichten wollen (max. 2 Schreibfelder entfernt) und stellen Sie einen sehr guten Fokus ein. Überprfen Sie die Qualitt des Fokus durch das Erzeugen eines Kontaminationspunktes. Für gute und reproduzierbare Ergebnisse, sollte dieser rund sein und einen Durchmesser kleiner als 150nm haben. (f) Schalten Sie dann die Steuerung des SEMs auf extern, blenden Sie den Strahl mittels des Beamblankers aus und stellen Sie die Vergrößerung entsprechend dem gewählten Schreibfeld ein (!). (g) Erstellen Sie eine Positionsliste, in welche Sie Ihre Testbelichtung an der gewünschten Position einfügen. Als Startwerte für den Dosistest verwenden Sie folgende Werte: Area dose 100µC/cm 2 Line dose 1200pC/cm Dot dose 0.2pC Notieren Sie sie die Koordinaten Ihrer Testbelichtung um Sie nach dem Entwickeln wieder zu finden (h) Starten Sie die Belichtung. Achten Sie während der Belichtung darauf, nicht an das Gerät zu stoßen. (i) Schleußen Sie nach der Belichtung die Probe aus. Markieren Sie sich eine Ecke der Probe, bevor Sie diese vom Probenhalter nehmen, um sie später wieder repositionieren zu können. Entwickeln Sie die Probe (60sec Entwickler MIBK/Isopropanol verdnnt 1:3, danach 60sec Stopper Isopropanol) (j) Schleußen Sie die Probe wieder ein, führen Sie wie vorher ein u-v Adjustment durch und suchen Sie die geschriebene und entwickelte Struktur an entsprechender Position. Sollten Sie die Struktur mit 20kV nicht finden, so können Sie die Beschleunigungsspannung reduzieren. Um eine Aussage über die Größen machen zu können, müssen Sie bei der neuen Beschleunigungsspannung ebenfalls ein Schreibfeldalignement durchführen. Achten Sie darauf Ihre alten Einstellungen nicht zu überschreiben, da die nächste Belichtung wieder mit 20kV erfolgen muß.

7 Versuch M43: Elektronenstrahllithographie ( ) 7 (k) Untersuchen Sie die geschriebene Struktur im SEM-Modus, nehmen Sie Bilder davon auf und vermessen Sie die erreichten Größen an ausgewählten Elementen. Warum sollte die Justage nahe der Stelle ausgeführt werden, an welcher dann auch belichtet wird? Beschreiben Sie die Ergebnisse der Testbelichtung: Was ist gelungen, was ist nicht gelungen und warum nicht? Geben Sie die Dosisfaktoren für die entsprehenden Elemente an Zeigen Sie anhand von Beispielen in Ihrem Testmuster und Größenvergleichen die Auswirkung des Proximity-Effekts Aufgabe 4: Belichtung des Gitters und anderer Strukturen: (a) Entwerfen Sie im GDSII-Editor ein Gitter mit frei wählbarer Periode und Stegbreite. Anhand des Beugungsbild dieses Gitters wird am Ende des Versuchs die Maßhaltigkeit der Belichtung getestet. Es können auch weitere Strukturen zum Belichten entworfen werden. Die Strukturen sollten größer als 2µm sein um eine ausreichende Benetzung durch die Chromätze sicher zu stellen. Die Periode des Gitters sollte so gewählt werden, dass mindestens 10 Gitterstege mit dem Laser ausgeleuchtet werden können. (b) Führen Sie Punkte (b)-(f) aus Aufgabe 3 erneut durch (c) Erstellen Sie eine Positionsliste mit Ihren Belichtungsmustern an den gewünschten Positionen. Als Dosiswerte verwenden Sie die in Aufgabe 3 bestimmten Werte. (d) Prozessieren Sie die Probe nach der Belichtung, wie schon die Testbelichtung prozessiert wurde. (e) Anstelle die Probe nach dem Entwickeln wieder einzuschleussen, übertragen Sie die entwickelte Struktur mittels des Ätzschritts in die Chromschicht (40sec Cr-Ätze, süplen 30sec in H 2 O). (f) Schleussen Sie die Probe ins SEM ein, nehmen Sie Bilder der Struktur im SEM auf und vermessen Sie die erreichten Struktur. (g) Testen Sie das Beugungsgitter mit dem Laserpointer, indem Sie den Beugungswinkel messen. Die Wellenlänge des Laserpointers ist λ = 633nm. Beschreiben Sie den Herstellungsprozess der Metallstrukturen, wie er im Versuch durchgeführt wurde als Alternative zum Herstellungsprozess, wie er in der Vorbereitung aufgeführt wurde. Beschreiben Sie die Ergebnisse der Belichtung. Wie stark weichen die im Design vorgegebenen Strukturen nach der Belichtung in der Größe ab? Berechnen Sie aus dem gemessenen Beugungswinkel die geschriebene Periode des Beugungsgitter (inkl. Fehlerabschätzung!). Wie gut stimmt diese mit dem Sollwert überein? Welche möglichen Fehlerquellen können zu einer Abweichung zwischen Sollperiode (Design) und Istperiode (gemessen) führen?