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Integration des neuen Elektronenstrahl-Lithographiesystems in die Probenfertigung

26.04.2018

Ein im letzten Jahr neu installiertes Elektronenstrahl-Lithographiesystem wurde erfolgreich in die Fertigungslinie für Mikro- und Nanostrukturen integriert, die für die PTB und für Partnerinstitute im Reinraumzentrum der PTB hergestellt werden.  Ein Großteil der Herstellungsprozesse wurde bereits auf das neue Lithographiesystem portiert, und neue verbesserte Prozesse werden entwickelt.

 

 

Die Elektronenstrahl-Lithographie ist für die Herstellung von Strukturen im nanoskaligen Bereich für verschiedene Anwendungen der Metrologie von großer Bedeutung. Ein Beispiel sind Festkörperschaltungen, bei denen makroskopische Quanteneffekte genutzt werden, um die elektrischen Einheiten auf Naturkonstanten zurückzuführen. Auch für die Herstellung anderer Mikro- und Nanostrukturen, die in der PTB benötigt werden, ist ein Lithographiesystem unverzichtbar.
Es verbindet eine hohe Flexibilität beim Schaltungsdesign mit minimaler lateraler Auflösung bis hinunter zu 10 nm, die auch in den Kooperationen mit der TU Braunschweig genutzt wird. In dem neuen Elektronenstrahl-Lithographiesystem ist die Beschleunigungsspannung des belichtenden Elektronenstrahls mit 100 kV doppelt so hoch wie zuvor, was eine etwas höhere Auflösung ermöglicht, aber auch die Neubestimmung wichtiger Prozessparameter erforderlich machte. Durch Weiternutzung des alten Lithographiesystems während der Einführungsphase konnten Verzögerungen bei der Herstellung von Schaltungen für die Nutzer aber vermieden werden.


Das neue Gerät kann Proben bis zu einer Maximalgröße von 200 mm x 200 mm aufnehmen. Es bietet eine doppelt so hohe maximale Schreibfrequenz wie das alte, was ebenfalls einem höheren Durchsatz an Proben zugutekommt.
Inzwischen wurden fast alle Belichtungsprozesse vom alten auf das neue Elektronenstrahl-Lithographiesystem übertragen. Bild 1 zeigt beispielsweise eine Ebene einer Halbleiter-Einzelelektronenpumpe, die mit dem neuen System hergestellt wurde, und bei der bereits jetzt eine höhere Ausbeute erzielt werden konnte.
Als ein Beispiel eines mehrlagigen Prozesses ist in Bild 2 ein Schritt aus der Fertigung von NanoSQUIDs dargestellt. Dabei wurde die Verdrahtungsebene mit hoher Präzision versatzfrei zu den im vorherigen Schritt gefertigten Tunnelstrukturen positioniert.

 
Durch die Integration des neuen Systems ist die Möglichkeit gegeben, nanoskalige Strukturen im Reinraumzentrum der PTB zukunftssicherer und flexibler zu fertigen. Dabei wurde sowohl die laterale Auflösung als auch der Probendurchsatz verbessert, und die bisher erzielten Ergebnisse sind sehr viel versprechend.

 

Ebene einer Halbleiter-Einzelelektronenpumpe

Bild 1: Eine Ebene einer Halbleiter-Einzelelektronenpumpe, bei der die gute Kantendefinition der Metallstruktur zu erkennen ist.

 

Ausschnitt einer NanoSQUID-Schaltung

Bild 2: Ausschnitt einer NanoSQUID-Schaltung mit der Gradiometerkonfiguration der Schleife nach dem zweiten Prozessschritt. Die beiden Tunnelstrukturen in den roten Kreisen wurden zuerst hergestellt und die zweite Ebene wurde versatzfrei dazu positioniert.