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Elektronenstrahllithographie

Eine gute Einführung in die Elektronenstrahllithographie (EBL) ist das "SPIE Handbook of Microlithography, Micromaching, and Microfabrication", Volume 1: Microlithography, Chapter 2: Electron Beam Lithography. Dieses Kapitel ist online zugänglich unter http://www.cnf.cornell.edu/cnf_spietoc.html.

Geräteeigenschaften

Die "Vistec EBPG 5000plus" hat ein gaussian beam shape und verwendet die vector scan patterning Strategie. Das gaussian beam shape ermöglicht nanometer scale resolution. Die maximale Scanfrequenz beträgt 50MHz. Strahlströme können zwischen 100pA und 150nA eingestellt werden. Dabei haben Strahlen mit kleineren Strömen auch kleinere Durchmesser.

Die Auflösung kann in einem weiten Bereich gewählt werden, üblicherweise zwischen 1nm und 50nm. Bei gleicher Dosis führt eine kleinere Auflösung immer dann zu längeren Schreibzeiten, wenn wegen der maximalen Scanfrequenz ein kleinerer Strahlstrom gewählt werden muss.
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Beispiel:
Schreibzeiten für ein 200µm-Quadrat bei einer Dosis von 250µC/cm2:
Strahlstrom: 150nA 10nA 100pA
Schreibzeit: 0.7s 10s 1000s
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Drei Elektronenenergien können eingestellt werden, 20keV, 50keV und 100keV. Die Standardeinstellung ist 50keV.

Das substrate movement geschieht mittels step and repeat, d. h. während der Tischbewegung wird nicht belichtet. Das Feld, welches ohne Tischbewegung nur durch Strahlablenkung beschrieben werden kann, wird main field genannt. Die Größe des main fields ist von der Auflösung abhängig.
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Beispiele:
Auflösung: 1nm 2nm 5nm 10nm ab 12.5nm
max. main field Größe: 180µm 260µm 320µm 650µm 800µm
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Stiching nennt man den Versatz, der bei einer durchgehenden Struktur an einer main field Grenze entsteht. Diese Strukturen werden mit großer Auslenkung geschrieben. Der Fehler, der bei der Kallibrierung von Strahlauslenkung zur Strecke auf der Probe auftritt, verursacht das stiching. Kritische Strukturen sollten deshalb in der Mitte von main fields positioniert werden. (Siehe hierzu auch: Designregeln.) Spezifiziert sind 80nm bei 50kV.

Overlay accuracy ist die Genauigkeit, mit der zwei unabhängige EBL-Schritte zueinander justiert geschrieben werden können. Für die Justierung werden spezielle Marker verwendet (siehe Designregeln). Spezifiziert sind 80nm bei 50kV, je nach Designregeln für die Marker und Prozessierung können bis 5nm overlay accuracy erreicht werden.

Designregeln

Allgemein

Zu schreibende Strukturen müssen als geschlossene Polylinien (=Flächen) vorliegen. Linien ohne Breite und Punkte ohne Ausdehnung können nicht geschrieben werden. Single-pixel-lines müssen als Linie mit der Breite der Auflösung designt werden, Dots als Quadrate mit der Kantenlänge der Auflösung.
Die Gesamtheit aller zu schreibenden Strukturen wird pattern genannt.

Format

Die Designs können in verschiedenen CAD-Formaten vorliegen: GDSII, CIF, DXF, TEXTLIB. Wegen des hierarchichen Aufbaus sind die anderen Formate dem DXF vorzuziehen. Gerade bei großen Arrays von Nanostrukturen werden DXF-Dateien sehr viel größer.
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Beispiel:
Dateigrößen für ein 100µm-Dotfeld aus 10nm großen Dots mit 100nm Abstand:
Format: GDSII CIF DXF
Dateigröße: 2KB 30KB 93MB
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TEXTLIB ist ein textbasiertes Format. Befehle und ein Viewer für dieses Format werden bei Interesse zur Verfügung gestellt.

Grid

Die Strukturen sollten auf einem Grid liegen, das der später verwendeten Auflösung entspricht oder ein Vielfaches davon ist. Jeder Knotenpunkt wird später beim Fraktionieren auf einen Gridpunkt verschoben, sofern er nicht schon darauf liegt. Dadurch können Rundungsfehler bei Strukturgrößen und Strukturpositionen entstehen. Insbesondere müssen bei Linien einer definierten Breite die Eckpunkte (nicht die Endpunkte der Linien) auf dem Grid liegen.

Verwendung von Layern

a)
Es bietet sich oft an, feine und grobe Strukturen mit verschiedenen Strahlen zu schreiben. Dazu müssen diese Strukturen in verschiedenen Layern vorliegen. Ein kleiner Überlapp (z. B. 200nm) schützt vor Lücken bei Drift oder Rundungsfehlern.
b)
Löcher können erzeugt werden, indem die auszusparende Fläche in einen separaten Layer gelegt wird. Mit der XOR-Funktion bei der Patternverarbeitung können die Löcher einfach hergestellt werden. Ähnliches gilt für Kreisringe (z. B. zone plates). Bei Bedarf bitte nach Details fragen.
c)
Kritische Strukturen sollten im Zentrum von main fields liegen. Dies kann erzwungen werden, wenn in einem separaten Layer Boxen (Rechtecke) um die kritischen Strukturen gelegt werden. Diese Boxen dürfen höchstens so groß wie die main fields sein. Strukturen, die außerhalb der Boxen liegen, werden konventionell in regelmäßige main fields gekachelt.
d)
Innerhalb eines patterns können verschiedene Strukturen verschiedene Dosisfaktoren erhalten. Die tatsächlich geschriebene Dosis ist dann das Produkt aus Dosisfaktor und Grunddosis. Die Strukturen einer Dosis müssen dafür auf einem Layer zusammengefasst sein. Dosisfaktoren müssen größer 0.5 sein.

Layoutregeln

a)
Ein Layout kann flach oder als Array von Zellen aufgebaut sein. Bei einem Zellen-Array muss jedes Zellenlayout nur einmal designt werden. Die Wiederholungen werden im Schreibjob durchgeführt. Ein Array von Zellen ist insbesondere dann sinnvoll, wenn in jeder Zelle neu justiert werden soll oder eine Dosisreihe geschrieben wird.
b)
Bei einem Zellen-Array soll oft zusätzlich ein grober Layer individuell mitgeschrieben werden (Beschriftungslayer). Die Ausrichtung vom Array zum groben Layer wird einfacher, wenn sowohl die Array-Zelle als auch der grobe Layer mit einer Box umgeben wird. Das Zentrum der Box für den groben Layer und das Zentrum des Arrays der Boxen sollte identisch sein und in der Regel der Probenmitte entsprechen.

LayoutregelnLayoutregeln b)


c)
In einem Zellen-Array können verschiedene Designs in das Array geschrieben werden. Zur Unterscheidung müssen entweder in einer Zelle die verschiedenen Designs in verschiedenen Layern vorliegen, oder die verschiedenen Designs liegen in verschiedenen Zellen mit unterschiedlichen Boxen vor. Die verschiedenen Designs eines Arrays können jedoch nur mit gleicher Auflösung und gleichem Strahlstrom geschrieben werden. Die Dosis jedoch kann unterschiedlich sein.

Verwendung von Markern

a)
Automatisch erkennbare Marker sind Quadrate, die einen positiven Kontrast (Metallmarker) oder negativen Kontrast (geätzte Marker) zum Hintergrund haben. Die Marker haben typische Größen von 5-20µm. Die Markerumgebung muss homogen sein, der Abstand zu benachbarten Markern oder anderen Strukturen sollte etwa 100µm betragen.
b)
Ein Satz Marker besteht aus vier im Rechteck angeordneten Markern in den Ecken des Layouts. Zu schreibende Strukturen sollten im Innern dieses Rechtecks liegen, kritische Strukturen möglichst im Zentrum. Strukturen außerhalb des Rechtecks der Marker werden mit größerem Positionierungsfehler geschrieben.
c)
Bei jeder Justierung wird ein Satz Marker belichtet und später mit den Strukturen prozessiert. Deshalb muss für jeden EBL-Schritt ein Satz Marker vorhanden sein. Die Markergruppe für verschiedene EBL-Schritte in jeder Ecke sollten in einem main field zentriert geschrieben werden. Hierfür bietet sich die Methode mit der Box im separaten Layer (siehe oben) an.
d)
Ein Array von Zellen muss regelmäßig und orthogonal aufgebaut sein. Es können einzelne Zellen, Spalten oder Zeilen gedropt werden.
e)
Die normale Justiergenauigkeit liegt bei ca. 20nm. Das Limit bildet dabei das Schreiben der Marker und der Versatz der Markerpositionen untereinander.

Advanced marker positioning

Bei Bedarf können die Marker besser zueinander positioniert werden. Dieses Verfahren basiert darauf, dass jeder Marker in einem eigenen main field mit sehr geringer Strahlablenkung geschrieben wird. Für das Design des Layouts existiert eine eigene Software mit größtmöglicher Kontrolle über die Schreibreihenfolge der Marker. Um thermische Drift, die nun limitierend ist, zu minimieren, wird außerdem eine Delayzeit von 10 Stunden nach dem Laden des Halters vor dem Schreiben der Marker eingehalten. Wegen des großen Aufwands wird diese Methode nur bei Bedarf eingesetzt.
Erreicht werden hierdurch Overlay-Genauigkeiten von ca. 5nm.


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