Micro- and nano-patterning using an ion multi beam tool

Abstract

Techniken zur Mikro- und Nanostrukturierung sind in modernen Herstellungs\-prozessen häufig anzutreffen, insbesondere bei der Fertigung integrierter Schaltungen sowie mikroelektromechanischer Systeme. Der allgemeine Trend zur zunehmenden Integrationsdichte hat die Entwicklung einer Vielzahl an Strukturierungsmethoden ausgelöst, um den Anforderungen der Miniaturisierung gerecht zu werden. Für die Strukturierung mit hohem Durchsatz werden Maschinen verwendet, die feste Masken für den Strukturübertag einsetzen. Maskenlose Einzelstrahlgeräte werden bei geringem Durchsatz und in der Prototypenfertigung verwendet. Der Vorteil der Flexibilität von maskenlosen Maschinen, die beispielsweise auf Basis von "Focused Ion Beam" (FIB) oder "Variable Shaped Beam" (VSB) beruhen wird durch den Nachteil der geringen Prozessgeschwindigkeit aufgrund der sequentiellen Schreibstrategie dieser Einzelstrahlmaschinen reduziert. Multistrahl Lithografie und direkte Mikro - und Nanostrukturierung stellen eine Alternative zu Einzelstrahlmaschinen dar. Um den Durchsatz zu steigern, muss die Anzahl der Strahlen entweder durch die Verwendung von mehreren Säulen erhöht werden, oder es müssen einzeln schaltbare Strahlen innerhalb einer einzigen Säule verwendet werden.<br />Letzteres Konzept wurde von der IMS Nanofabrication AG durch die Entwicklung des "Charged Particle Nanopatterning" Gerätes (CHARPAN) verfolgt. Diese Maschine kann mit einem Apertur Platten System (APS) ausgerüstet werden. Dieses unterteilt einen breiten Strahl in eine Vielzahl von individuell schaltbaren schmalen Strahlen. Dieses Multistrahlgerät kann sowohl Fotolacke belichten als auch direkte Strukturierungen ("sputtern") durchführen. Die vorliegende Arbeit untersucht drei Aspekte von Mikro- und Nanostrukturierung mit einem Multionenstrahlgerät.<br />Erstens wurde ein APS - Teststand mit einer 5 keV Elektronenstrahl Optik entworfen und gebaut, um die APS vor dem Einbau in die CHARPAN Maschine zu charakterisieren und Rückmeldungen an den Hersteller der APS geben zu können. Messungen an mehreren APS Aufbauten zeigen, dass kritische Parameter wie die Wechselwirkung zwischen benachbarten Strahlen sowie die Schaltgeschwindigkeit den Anforderungen der Multistrahl-Technologie genügen.<br />Zweitens wurde die CHARPAN Maschine für die Fabrikation von Nano\-stempel-Strukturen in Si- und GaAs-Substraten mit 10 keV Ar+ Ionen verwendet.<br />Die hergestellten Strukturen wurden im Querschnitt im Rasterelektronenmikroskop sowie im Transmissionselektronenmikroskop untersucht. Die Experimente wurden mit der Sputter-Simulationssoftware IonShaper verglichen. Eine gute Übereinstimmung zwischen Experiment und Simulation wurde gefunden.<br />Drittens wurden Kantenrauhigkeitsmessungen ("Line Edge Roughness" - LER) an belichteten Fotolacken durchgeführt. Die Belichtungen erfolgten mit einem Vorläufer von CHARPAN, dem 1:1 maskierten Ionenbreitstrahlgerät (MIBL) mit 75 keV He+ Ionen.<br />Die gemessenen Linienbreiten wurden mit Hilfe der Varianzanalyse ("Analysis of Variance" - ANOVA) verarbeitet, um Kantenrauigkeiten nach der Herkunft Maske oder Teilchenstatistik aufzuteilen.<br />Die Ergebnisse weisen darauf hin, dass bei Belichtungsdosen >2 µC/cm2 die Kantenrauigkeit nicht nur durch die Teilchenstatistik dominiert wird, sondern durch die Eigenschaften des Fotolackes (Empfindlichkeit, Molekulargewicht, Diffusionslängen von Säuren), die Entwicklungsbedingungen des Lackes sowie durch die Strahlverwaschung der Maschine.

Micro- and nano- patterning techniques are most common in the modern manufacturing industry. They are mandatory for the production of a broad variety of goods, ranging from objects of daily use to scientific research tools.<br />The overall trend towards ever increasing integration density has induced the development of a number of patterning techniques to meet the needs of miniaturization. Or vice versa, application fields evolved from the invention of new techniques. While high volume patterning is done with machines that use fixed masks for pattern transfer, mask - less single beam tools are applied in low volume or prototype making. The advantageous flexibility of mask - less machines as focused ion beam (FIB) or variable shaped electron beam (VSB) tools is outweighed by the drawback of overall low process speed due to the sequential write strategy of these single beam tools.<br />Multi-beam lithography and direct micro - and nano - patterning techniques are an alternative to single beam machines. In order to overcome throughput limitations it is mandatory to enhance the number of beams either by using a multi-column approach or by using programmable beams within a single column configuration. The latter concept has been adopted by IMS Nanofabrication AG by developing the charged particle nanopatterning (CHARPAN) tool. It can be equipped with an aperture plate system (APS) which divides a broad beam into a multitude of individually switchable small beamlets. This multi ion - beam machine is capable of exposing resist upon substrates as well as performing direct patterning tasks.<br />This work investigates three aspects of micro- and nano patterning with an ion multi beam tool. First a dedicated APS test stand with a 5 keV electron beam optics has been designed and built in order to characterize the APS prior to insertion into the CHARPAN tool and to provide feedback to the manufacturer of the APS. Measurements at several APS set ups indicate that critical parameters as for example nearest neighbour crosstalk as well as switching speed meet the needs of the charged particle multi beam technology. Second the CHARPAN tool has been used to fabricate imprint template structures by 10 keV Ar+ ion beam sputtering in Si and GaAs. The samples have been cross sectioned and examined by the scanning electron microscopy and scanning transmission electron microscopy. The experiments have been compared with the sputter simulation code IonShaper. The simulation results are in good agreement with the experiments.<br />Third we conducted line edge roughness (LER) measurements on resists with various sensitivities, exposed with a pre - CHARPAN 1:1 masked 75 keV He+ ion beam lithography tool. The CD measurement data were treated with the analysis of variance (ANOVA) algorithm for separation of mask induced roughness from random LER. The results indicate that for exposure doses >2 µC/cm2 LER is not only governed by shot noise but by the resist material properties (sensitivity, molecular weight, acid diffusion length), development conditions and machine blur.