Aufbau einer Elektronenmikroskop-basierten ESL-Anlage

Abbildung 4.1: Die Abbildung zeigt schematisch das Zusammenspiel der einzelnen Kompo-nenten eines Lithographie-Zusatzsystems (links und Mitte) mit einem Rasterelektronenmikroskop oder einer Focused-Ion-Beam-Anlage (rechts). Mit Hilfe eines Struktureditors (eDraw) und einer Steuersoftware (eLitho, links) werden die gew¨unschten Strukturdaten erzeugt und der Belichtungs-vorgang kontrolliert. W¨ahrend des eigentlichen Lithographiebetriebes ¨ubernimmt eine externe Elek-tronik (Mitte) die Strahlsteuerung des Mikroskops. Dazu werden einerseits die Strukturdaten in analoge Spannungssignale zur Strahlablenkung gewandelt, andererseits wird auch der Strahl ¨uber einen Beam-Blanker zur jeweils richtigen Zeit an- und ausgeschaltet. F¨ur die Repositionierung der Strukturen bei mehrstufigen Lithographieprozessen ist außerdem das Auslesen des Detektorsignales zur Erzeugung eines Bildes erforderlich, damit die aktuelle Lage der Probe bez¨uglich des Schreib-koordinatensystems ermittelt werden kann. Um die Belichtung weitgehend zu automatisieren, kann das Steuerprogramm außerdem den Mikroskop-Tisch und verschiedene REM-Funktionen wie die Vergr¨oßerung oder den Fokus steuern. Dar¨uberhinaus ist die Messung des Strahlstromes mit Hilfe eines Farady-Cups notwendig, um die richtige Verweildauer des Strahls an den Rasterpunkten und damit die richtigen Dosiswerte zu erreichen.

Im Bereich der Forschung werden h¨aufig ESL-Systeme eingesetzt, die auf kom-merziellen Rasterelektronenmikroskopen (REM) basieren. Zur Belichtung von Struk-turen mit dem Elektronenstrahl wird die Ablenkeinheit des Mikroskops durch einen externen Mustergenerator angesteuert (siehe unten), der die geometrischen Daten der Strukturen in geeignete Spannungssignale zur Rasterung der Strukturen um-setzt. Dabei ist neben der m¨oglichst exakten Positionierung auch die Verweildauer des Strahls an den jeweiligen Punkten von Bedeutung, da diese eine entscheidende Gr¨oße f¨ur die Belichtungsdosis darstellt. Zur weitgehenden Automatisierung bzw. f¨ur bestimmte Belichtungsaufgaben ist es erforderlich, dass verschiedene Parameter des Mikroskops von der externen Steuerung kontrolliert werden k¨onnen. Dazu geh¨oren z. B. bestimmte REM-Funktionen wie die Vergr¨oßerung und der Fokus sowie die Position des Probentisches im Mikroskop. F¨ur die Repositionierung der Strukturen bei Lithographieprozessen die mehrere Teilschritte umfassen, ist außerdem eine

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gitale Bildaufnahme erforderlich, der aus den Strahlpositionen und den zugeh¨origen Detektorsignalen ein Bild der Probe erzeugt, damit die aktuelle Lage der Probe bez¨uglich des Schreibkoordinatensystems ermittelt werden kann (siehe dazu auch Abbildung 4.8). Neben der Elektronik wird f¨ur die Durchf¨uhrung dieser Aufgaben nat¨urlich auch die entsprechende Software (siehe unten) ben¨otigt.

Teilweise auch im Rahmen dieser Arbeit wurde im Umfeld der Arbeitsgruppe ein entsprechendes Lithographie-Zusatzsystem entwickelt, das inzwischen den Schritt zum kommerziellen Produkt vollzogen hat und am Lehrstuhl an zwei verschiedenen Mikroskopen zur Verf¨ugung steht. Im Folgenden wird dieses Lithographiesystem (eLitho) kurz allgemein vorgestellt. Erst in den n¨achsten Abschnitten wird ein be-sonderes Augenmerk auf diejenige Funktionalit¨at des Systems gerichtet, welche zur Herstellung der speziellen Proben der vorliegenden Arbeit wichtig war. Das Gesamt-paket besteht im wesentlichen aus drei Komponenten (siehe auch Abbildung 4.1):

• Steuerelektronik

Abbildung 4.2: Die Steuerelektronik des eLitho-Systems ¨ubernimmt u. a. die Strahlsteue-rung und die Kontrolle des Mikroskops w¨ahrend der Belichtung.

Die Hardwarekomponente (siehe Abbildung 4.2) des Systems ¨ubernimmt die oben beschriebenen Aufgaben der Strahlsteuerung und der Kontrolle des Mi-kroskops w¨ahrend der Belichtung. Die geometrischen Strukturdaten werden dazu von der Elektronik als Rastermuster aufbereitet, damit sie mit einer maximalen Punktrate von mehreren Megahertz an die 16 bit-Digital-Analog-Wandler (DAC) weitergegeben werden k¨onnen. Das analoge Ausgangssignal wird schließlich in einer Endstufe m¨oglichst rauscharm auf den richtigen Pe-gel verst¨arkt und dann an die externen Scan-Eing¨ange des Mikroskops ge-legt. F¨ur die Bildaufnahme wird synchron zur Strahlsteuerung das REM-Detektorsignal ausgelesen und an die Steuersoftware weitergeleitet. Dar¨ uber-hinaus ¨ubernimmt die ESL-Elektronik die schnelle Ansteuerung des elektro-statischen Beam-Blankers zur Austastung des Elektronenstrahls z. B. w¨ahrend

Abbildung 4.3: Mit Hilfe von eDraw, einem CAD-Editor speziell f¨ur Lithographieauf-gaben, ist es m¨oglich die Strukturdaten weitgehend grafisch zu erzeugen. Dabei k¨onnen be-reits bei der Strukturerstellung lithographie-spezifische Funktionen und Attribute eingesetzt werden. Das gezeigte Design erlaubte es die gesamte laterale Strukturierung von Aharonov-Bohm Ringen aus ineinander geschachtelten Teilstrukturen mit unterschiedlichen Schreib-feldgr¨oßen zu realisieren. Auf diese Weise konnte die Erstellung einer Maske f¨ur die optische Lithographie umgangen werden (siehe Abschnitt 4.3).

der Schreibpausen. Da die Steuerelektronik nach dem ¨Ubermitteln der Struk-turdaten autark arbeitet, ¨ubernimmt sie auch die Steuerung der Mikroskop-funktionen, die w¨ahrend der Belichtung bzw. der Bildaufnahme ben¨otigt wer-den. So wird beispielsweise durch die am REM eingestellte Vergr¨oßerung der aktuell erreichbare Schreibbereich und damit das Verh¨altnis zwischen DAC-Koordinaten und den tats¨achlichen Distanzen auf der Probe festgelegt. Au-ßerdem kann mit dem System eine automatische Nachf¨uhrung des Strahlfokus beim Anfahren einer neuen Schreibposition mit dem Mikroskoptisch erreicht werden. Die Hardware kann eine Vielzahl von weiteren Aufgaben vor und w¨ahrend der Belichtung ¨ubernehmen, wie etwa die Messung des Strahlstro-mes.

4.1 Die Elektronenstrahllithographie (ESL) 55

• CAD-Layouteditor: eDraw

Bevor jedoch die entsprechenden Strukturen in die Lackschicht der Probe ge-schrieben werden k¨onnen, m¨ussen die Strukturdaten unter Ber¨ucksichtigung des spezifischen Lackprozesses und des jeweiligen Struktur¨ ubertragungspro-zesses bestimmt und erstellt werden. Zu diesem Zweck wurde f¨ur das ESL-System ein spezieller CAD-Editor (eDraw) entwickelt, mit dem es m¨oglich ist die Strukturdaten weitgehend grafisch zu erzeugen. Neben der Nutzung von Grundf¨ahigkeiten eines Multilayer-Struktureditors erlaubt es das Programm bereits zum Zeitpunkt der Strukturerstellung ESL-spezifische Funktionen und Attribute einzusetzen. So kann z. B. die Rastermethode ausgew¨ahlt werden und es k¨onnen sowohl die Schreibreihenfolge als auch individuelle Dosisfakto-ren f¨ur die einzelnen Elemente festgelegt werden. Auch die Gr¨oße des Schreib-feldes kann bereits im Zeichenprogramm bestimmt werden und zwar f¨ur jedes Layer einer Struktur separat, um Strukturen aus ineinander geschachtelten Schreibfeldern realisieren zu k¨onnen (vergleiche Abschnitt 4.3). Eine Instan-zenfunktion erlaubt es, mit geringem Aufwand Arrays von Strukturen nach dem parent-child-Prinzip zu erzeugen.

• Kontroll- und Dokumentationsoftware: eLitho Erstellen der virtuellen Probe

Die mit eDraw erstellten Strukturen werden mit Hilfe eines Programms zur Steuerung der Belichtung (eLitho) auf einem virtuellen Abbild einer realen Probe grafisch zusammengestellt. Es k¨onnen sowohl ganze Strukturen als auch einzelne Layers einfach durch drag and drop auf der virtuellen Probe po-sitioniert werden. Durch einfaches Kopieren und Verschieben k¨onnen auch ganze Arrays von Strukturen arrangiert werden. Dabei ist die Aufgabentei-lung zwischen den beiden Programmen einfach und klar vorgegeben: W¨ahrend in eDraw der Inhalt der verschiedenen Schreibfelder erstellt wird, k¨onnen in eLitho die einzelnen Schreibfelder auf der Probe angeordnet und deren Schrei-breihenfolge festgelegt werden. Dar¨uber hinaus erlaubt es das Kontrollpro-gramm f¨ur die einzelnen Positionen Belichtungsparameter wie daspixelspacing (Abstand der Rasterpunkte) und die Dosis getrennt nach Punkten, Linien- und Fl¨achenelementen anzugeben (siehe Abschnitt4.1.2). Auch die Parameter, die zur Repositionierung von Strukturen (vergleiche Abschnitt 4.2) ben¨otigt wer-den, k¨onnen den verschiedenen Schreibpositionen zugeordnet werden. Auf die-se Weidie-se l¨asst sich die Elektronenstrahllithographie f¨ur eine bestimmte Probe (eventuell unterteilt in verschiedene Schreibschritte) vollst¨andig zusammen-stellen und mit allen Parametern belegen. Schließlich wird die gesamte Zusam-menstellung gemeinsam mit allen eingegebenen Parametern abgespeichert. Bis zu diesem Schritt kann alles offline auf einem B¨urorechner, d. h. ohne Verbin-dung zur Elektronik und zum Mikroskop, durchgef¨uhrt werden. Außerdem ist eine Simulation des nachfolgend beschriebenen Belichtungsvorganges offline m¨oglich.

Abbildung 4.4: Das Steuerprogramm eLitho erlaubt es, den Lithographie-prozess anhand des virtuellen Abbildes einer Probe zusammenzustellen und zu kontrollie-ren. Dazu k¨onnen den einzelnen Schreibfeldern einer Zusammenstellung zahlreiche Belich-tungsparameter zugeordnet werden, aber auch die Parameter f¨ur den Ablauf der Belichtung, wie etwa die Schreibreihenfolge oder die Repositionierungsroutinen, werden hier festgelegt.

Schließlich kann die virtuelle Probe zusammen mit allen Lithographieparmetern zur grafi-schen Prozessdokumentation eingesetzt werden. Die konkrete Darstellung zeigt, wie gerade der innere Teil der Mesa aus Abbildung4.3belichtet wird (rot im Bild, vergleiche dazu auch Abschnitt 4.3).

Belichtungskontrolle

Die eigentliche Lithographie-Sitzung beginnt mit dem Einschleusen der be-lackten Probe in die Kammer des REMs. Zun¨achst werden am Mikroskop die gew¨unschten Strahlparameter wie Beschleunigungsspannung und Blendenein-stellung gew¨ahlt und die n¨otigen Einstellungen f¨ur eine ausreichende Abbil-dungsqualit¨at auf einer Justierprobe vorgenommen. Ist der Strahlstrom des REMs hinreichend stabil, wie dies etwa bei Mikroskopen mit thermisch un-terst¨utzten Feldemittern der Fall ist, erfolgt zu diesem Zeitpunkt auch bereits die Strahlstrommessung. Im n¨achsten Schritt wird die Probe in das Tischsy-stem des REMs eingemessen, da die Ausrichtung der Probe im REM normaler-weise nicht definiert ist. Dazu bietet eLitho ein Verfahren an, bei dem man mit

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dem Tisch ausgew¨ahlte Punkte (Marken oder sonstige Strukturmerkmale der Probe oder Ecken und R¨ander der Probe) auf der Probe anf¨ahrt und deren Ko-ordinaten ins Programm eingibt. Nach dieser Prozedur ist es m¨oglich anhand der virtuellen Probe auf der realen Probe zu navigieren, da die entsprechen-de Koordinatentransformation bekannt ist. Dar¨uber hinaus ist es m¨oglich an einigen unkritischen Stellen der Probe den Fokus korrekt einzustellen und die-sen in das Kontrollprogramm zusammen mit der entsprechenden Tischposition einzulesen. Dadurch ist es unter der Annahme einer ebenen Probenoberfl¨ache m¨oglich eine focus-plane zu fitten. Auf diese Weise kann das System Fokus-fehler kompensieren, die als Folge eines nicht exakt waagrechten Einbaus der Probe entstehen, indem die Fokuseinstellung bei Tischbewegungen automa-tisch nachgef¨uhrt wird.

Damit sind alle notwendigen Einstellungen durchgef¨uhrt und nach dem Ausw¨ahlen des gew¨unschten Schreibschrittes kann mit der Belichtung begon-nen werden. Dazu werden nacheinander die einzelbegon-nen Positiobegon-nen vom Tisch angefahren und die entsprechenden Strukturen unter Ber¨ucksichtigung der zuvor eingestellten Belichtungsparameter in den Lack geschrieben. M¨ussen w¨ahrend der Belichtung keine besonderen Aufgaben wie Repositionierung oder eine Nachregelung der Strahlparameter vorgenommen werden, l¨auft dieser Vor-gang automatisch ab und es ist kein Benutzereingriff mehr n¨otig, bis die Be-lichtung abgeschlossen ist. Durch entsprechende Anzeigeelemente im Kontroll-programm wird der Benutzer im Verlauf der Belichtung ¨uber den Ablauf und den Schreibfortschritt informiert. Falls sich kein weiterer Schreibschritt mehr anschließt, kann die Probe dann zum Entwickeln ausgeschleust werden.

Dokumentation der Lithographieschritte

Da die Zusammenstellung mit allen Belichtungsparametern abgespeichert wer-den kann, ergibt sich unmittelbar eine ¨ubersichtliche grafische Dokumentation des Lithographieprozesses. Um zu einem sp¨ateren Zeitpunkt Informationen uber den Prozess zu erhalten, wird die Datei einfach wieder in das Kontroll-¨ programm geladen und man kann anhand der virtuellen Probe alle relevanten ESL-Parameter f¨ur die jeweiligen Schreibpositionen abrufen. Außerdem gene-riert eLitho w¨ahrend der Schreibens ein log-file, das im Detail den genauen Ablauf des Belichtungsvorganges wiedergibt.