DE10243827A1

DE10243827A1 - Direktschreibendes Lithographieverfahren zur Herstellung einer zweidimensionalen Struktur im Submikrometerbereich

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Publication number: DE10243827A1
Application number: DE10243827A
Authority: DE
Inventors: Ralf Dipl.-Ing. Steingrüber
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2002-09-14
Filing date: 2002-09-14
Publication date: 2004-03-25
Anticipated expiration: 2022-09-15
Also published as: DE10243827B4

Abstract

Bekannte direktschreibende Elektronenstrahl-Lithographieverfahren verwenden kreisförmige Lochvorlagen. Zur genauen Erstellung von Kreisen ist jedoch auflösungsabhängig eine umfangreiche Menge von Layoutdaten abzuspeichern, die zusätzlich bezüglich des durch Streuwirkungen auftretenden Proximity-Effektes zu korrigieren sind, wodurch die Komplexität bekannter Verfahren weiter ansteigt. Bei dem erfindungsgemäßen Lithographieverfahren werden die kreisförmigen Layoutdaten in Layoutdaten einer rechteckigen, insbesondere quadratischen Lochvorlage überführt. Zur Erzeugung der Rechtecke werden nur einige charakteristische Layoutdaten, insbesondere die von zwei gegenüberliegenden Eckpunkten abgespeichert. Die Überführung in das rechteckige Layout erfolgt unter impliziter Berücksichtigung des Proximity-Effektes. Durch eine gezielte Überbelichtung beim Einschreiben der Rechteckflächen bewirkt der Effekt deren gleichmäßige Aufweitung in Kreisflächen. Dabei ist deren Durchmesser abhängig von der gewählten Kantenlänge der Rechtecke und der Belichtungsdosis und damit genau einstellbar. Die Verwendung von rechteckigen Lochvorlagen reduziert somit die abgespeicherte Layoutdatenmenge drastisch, ist unabhängig von der gewählten Auflösung und garantiert höchste Abbildungsgenauigkeit auch bei Nanostrukturen. Eine bevorzugte Verfahrensanwendung erfolgt bei der Herstellung von photonischen Kristallen.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein direktschreibendes Lithographieverfahren zur Herstellung einer zweidimensionalen Struktur im Submikrometerbereich durch Belichtung einer elektronenempfindlichen Schicht auf einem Substrat mit einem Elektronenstrahl, für dessen Ansteuerung die berechneten Layoutdaten für die zu belichtende Struktur unter Einbeziehung einer den Proximity-Effekt berücksichtigenden Dosismodulation des Elektronenstrahls in einem rechnerunterstützten Speichermedium abgelegt sind.

Der Begriff der „Lithographie" bedeutet in der Technik der Nanostrukturierung den Transfer von Strukturen in einer Maske (optische Lithographie) oder von in einem rechnerunterstützten Speichermedium abgelegten Layoutdaten (direktschreibende Lithographie) auf die Oberfläche beispielsweise eines Halbleiters oder eines Glassubstrats. Der Transfer kann mit Hilfe von UV- und Röntgenphotonen, Elektronen oder Ionen durchgeführt werden und über die Strukturierung einer bestrahlungsempfindlichen Schicht (Resist) auf einem Substrat erfolgen (Belichtung), die dann in einem Ätzprozess als strukturierte Oberflächenmaske dient. Insbesondere die direktschreibende Lithographie mit einem Elektronenstrahl bietet bei der Anfertigung von kleinen Strukturen Vorteile, beispielsweise das Entfallen von aufwändig vorzufertigenden Masken und eine hohe Auflösung der Strukturierung in den Submikrometerbereich, die bei der ständig fortschreitenden Miniaturisierung der zu strukturierenden Bauelemente erforderlich ist. Die Herstellung von Strukturen mit Dimensionen unterhalb von einem Mikrometer (Submikrometerbereich) stellt jedoch besondere Anforderungen an die Technologie. Selbst mit der hochauflösenden Elektronenstrahl-Lithographie werden im Bereich von einigen 100 Nanometern die entworfenen Strukturen nicht mehr exakt abgebildet. Dies liegt vornehmlich am begrenzten Auflösungsvermögen der Anlagen, der benutzten Resistschichten und an der Tatsache, dass benachbarte Strukturen die ideale Punktbelichtung beeinflussen. Dieser sogenannte „Proximity-Effekt" rührt von den Streuprozessen der Elektronen in der elektronenempfindlichen Schicht her. Durch den Proximity-Effekt wird bei einer konstanten Belichtungsdosis in Abhängigkeit von der Anzahl der Nachbarn eine partielle Überbelichtung insbesondere in Rand- und Eckbereichen der herzustellenden Strukturen hervorgerufen.

Aus dem Stand der Technik sind eine Reihe von Druckschriften bekannt, die sich mit der korrigierenden Berücksichtigung des Proximity-Effektes beim Elektronenstrahlschreiben beschäftigen. Beispielsweise aus der EP 0 166 549 A2 ist eine Korrekturmethode bekannt, bei der die herzustellende Struktur mit einem Gitterraster überdeckt und für ausgezeichnete Gitterpunkte in Abhängigkeit von den benachbarten Gitterpunkten nach einer komplexen Formel diejenige Elektronenstrahldosis berechnet wird, die zur Erzielung einer gleichmäßigen Belichtung benötigt wird. Bei der Korrekturmethode, die aus der US 6.035.113 bekannt ist, wird der Dosismodulation hierbei entweder eine Datenmodifizierung für die Interaktion verschiedener geometrischer Formen oder eine Gauß'sche Näherung zugrunde gelegt. Zur Vermeidung von Überbelichtungen wird eine regionale Datenkorrektur der Belichtungsdosis mit einer hierarchischen Aufteilung des Belichtungsgebiets in einzeln adressierbare und superponierbare Rechtecke in der US 5.432.714 beschrieben. Eine Vorkorrektur der Belichtung in Bezug auf die Strahlendosis mit Hilfe einer mathematischen Grobfaltung und Überlagerung mit der herzustellenden Struktur ist der DE 43 17 899 A1 zu entnehmen. Die Dosismodulation in Abhängigkeit von der aktuellen Umgebung des schreibenden Elektronenstrahls wird bei allen bekannten Verfahren zur Vermeidung des Proximity-Effektes und damit zur gezielten Vermeidung von Überbelichtungen eingesetzt.

Eine gezielte Dosismodulation des Elektronenstrahls wird auch zur Herstellung von hochaufgelösten, periodischen Lochrastern (dot-arrays) im Submikrometerbereich mittels Elektronenstrahllithographie eingesetzt. Beispielsweise ist es aus der JP 08029967 A bekannt, die Dichte des Lochrasters über die Belichtungsstärke einzustellen. In der US 5.693.453 wird ein direktes Elektronenstrahlverfahren beschrieben, bei dem das Lochraster mit einem Elektronenstrahl hergestellt wird, dessen Durchmesser kleiner als die Schrittweite bei der Belichtung ist. Durch eine Variation der Strahlungsdosis entsteht ein Belichtungsfeld, in dessen Zentrum mit der höchsten Belichtungsdosis dann jeweils ein herzustellendes Loch liegt. Desweiteren ist es aus der JP 55009433 A bekannt, die mit Elektronenstrahllithographie herzustellende Struktur in geometrisch günstige Basisstrukturen aufzuteilen, beispielsweise ein herzustellendes Trapez in zwei Dreiecke und ein Rechteck, um die Menge der Layoutdaten reduzieren und die Schreibgeschwindigkeit erhöhen zu können. Ein Hauptanwendungsgebiet von mikrostrukturierten Lochrastern ist die Herstellung von photonischen Kristallen (PhC) in der optischen Nachrichtentechnik. Diese lassen eine deutlich erhöhte Effektivität bei gleichzeitig extrem kompakter Bauteilgröße erwarten, als es beispielsweise bei üblichen Filtern der Fall ist. Sehr wichtig bei diesen Strukturen ist u.a. die exakte Gleichheit in Form und Wiederholung der zugrunde liegenden Lochstrukturen. Das allgemeine Herstellungsverfahren mittels Elektronenstrahllithographie ist beispielsweise dem Artikel von A. Djoudi et al. „Fabrication of two-dimensional InP photonic band-gap structures using inductively coupled plasma etching" (A6-4 aus Proceedings 14th Indium Phosphide and Related Materials Conference, 12.16.05.2002, Stockholm, pp 429–432) zu entnehmen. In diesem Artikel wird die besondere Bedeutung der Qualität der Lochraster für die Qualität des photonischen Kristalls hervorgehoben, hochauflösende Verfahren für die elektronischen Vorlagen finden jedoch keine Erwähnung. Aus der WO 0217347 ist ein schnelles Herstellungsverfahren für photonische Kristalle bekannt, bei dem ein nanoskaliertes Muster mit einem Elektronenstrahl in einen Sol-Gel-Film als Resistschicht eingeschrieben wird. Im Belichtungsgebiet erfolgt eine chemische Veränderung des Sol-Gel-Films, die nach einem chemischen Auflösungsschritt des unveränderten Resists erhalten bleibt. Maßnahmen für eine Verbesserung des Auflösungsvermögens bei einer gleichbleibend hohen Auflösungsqualität werden ebenfalls nicht genannt.

Der nächstliegende Stand der Technik, von dem die vorliegende Erfindung ausgeht, wird deshalb von der DE 198 18 440 A1 offenbart, in der wiederum eine Korrekturmethode für den Proximity-Effekt beschrieben wird. Es werden bezüglich des Proximity-Effekts korrigierte Layoutdaten für die zu belichtende Struktur berechnet und diese dann parallel zu den unkorrigierten Layoutdaten der Ansteuerung des Elektronenstrahls in einem rechnerunterstützten Speichermedium zu Verfügung gestellt. Hier werden die Daten entweder in eine Dosismodulation des Elektronenstrahls oder in eine veränderte Strahlführung nach einer optimierten Layoutgeometrie umgesetzt. Eine Kombination der Korrekturdaten in einer Korrekturmatrix ist ebenfalls möglich. Der eigentliche Korrekturschritt wird also in eine lokale Optimierung überführt. Ziel des bekannten Verfahrens ist eine Verbesserung der Strukturwiedergabetreue („Patternfidelity") zur Erhöhung des Auflösungsvermögens bei der Strukturierung. Durch die Datentrennung zwischen dem eigentlichen Layout und der Korrekturmaßnahme wird zwar eine komplette Überarbeitung des vollständigen Layouts vermieden, trotzdem erfordert eine hohe Auflösung beispielsweise eines herzustellenden Lochrasters bei typischen Perioden von wenigen 100 nm und Bauteilgrößen von wenigen 100 μm² noch eine immense Anzahl von Daten bis in den Terabitbereich, die nur sehr aufwändig und schwer in Belichtungsdateien für die Elektronenstrahllithographie gewandelt werden können. Um eine exakte Identität der Löcher zu gewährleisten, werden die Löcher schon in der Layoutphase möglichst rund und hochaufgelöst definiert. Wird die bei der Konversion benutzte Auflösung reduziert, um Datenmengen und Belichtungszeiten zu verringern (eine Verdopplung der Auflösung bedeutet bei sonst gleichen Prozessbedingungen eine Vervierfachung der Belichtungszeit), verändert sich die Form der Löcher dramatisch.

Dies bedeutet eine Veränderung des Prozessfensters und unter Umständen auch ein Verlust von Reproduzierbarkeit der Löcher.

Die Aufgabe für die vorliegende Erfindung ist daher darin zu sehen, das eingangs angegebene direktschreibende Lithographieverfahren zur Herstellung einer zweidimensionalen Struktur im Submikrometerbereich so weiterzubilden, dass zwei-dimensionale Lochraster im Submikrometerbereich mit einem möglichst geringen Umfang an Layout- und Belichtungsdaten mit einer exakten Gleichheit in Form und Periode erzeugt werden können. Es soll eine Verfahrensoptimierung durch möglichst einfache Layoutdaten mit möglichst geringen Belichtungszeiten erreicht werden. Trotz einer verringerte Auflösung aufgrund der reduzierten Datenmengen soll kein Qualitätsverlust bei der Strukturierung auftreten. Gleichzeitig sollen mögliche Fehlereinflüsse im Verfahren berücksichtigt sein, ohne die Datenmenge wieder zu vergrößern oder das Herstellungsverfahren in seinem Ablauf zu verlangsamen. Das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren soll mit einfachen Mitteln umsetzbar sein. Es soll eine geringe Komplexität und ein breites Anwendungsfeld aufweisen. Insbesondere soll es Anwendung bei der Herstellung von photonischen Kristallen in der optischen Nachrichtentechnik finden.

Als Lösung für die Aufgabe ist das direktschreibende Lithographieverfahren der gattungsgemäßen Art erfindungsgemäß dadurch kennzeichnet, dass zur Herstellung einer zweidimensionalen Struktur aus Kreisflächen deren Layoutdaten in Layoutdaten von Rechteckflächen umgerechnet werden, wobei nur die charakteristischen Layoutdaten der Berandungen der Rechteckflächen für die Ansteuerung des Elektronenstrahls im Speichermedium abgelegt und die übrigen Layoutdaten in-situ interpoliert werden, und die Dosismodulation des Elektronenstrahls beim Direktschreiben der Rechteckflächen in Relation zu den herzustellenden Kreisflächen so gewählt wird, dass eine gezielte Überbelichtung im Bereich der Berandungen der Rechteckflächen durch Ausnutzung des Proximity-Effektes zur Belichtung von Kreisflächen mit den ursprünglichen Layoutdaten in der elektronenempfindlichen Schicht führt.

Das erfindungsgemäße Lithographieverfahren basiert auf einer gezielten Ausnutzung des Proximity-Effektes. Statt ihn zu korrigieren, wie es die bekannten Verfahren unter Inkaufnahme einer Datenmengenvergrößerung und Verfahrensverlangsamung tun, wird der Proximity-Effekt bei dem beanspruchten Verfahren gezielt in den Strukturierungsprozess einbezogen. Dadurch werden zur Herstellung von zweidimensionalen Lochstrukturen im Submikrometerbereich vereinfachte Prozessbedingungen geschaffen. Dazu können die Vorlagen der Löcher aus Rechtecken bestehen. Dieses hat die Vorteile, dass die Datenmenge erheblich reduziert wird, die Datenaufbereitung vereinfacht wird und die Prozessbedingungen verglichen mit der Anwendung von runden Vorlagen günstiger sind. Trotz der mit der verringerten Datenmenge verbundenen Verringerung der Auflösung tritt kein Qualitätsverlust bei der Strukturierung auf, da die präzise Definition der Rechtecke auch bei der Vorgabe von nur wenigen charakteristischen Layoutdaten erhalten bleibt. Durch die gezielte Einbindung des Proximity-Effektes bei der Herstellung der Lochstrukturen entfallen zusätzliche Korrekturmaßnahmen. Da die Störeffekte bereits im Herstellungsprozess integriert sind, erfolgt eine implizite vorausschauende Fehlerkompensation, wodurch das erfindungsgemäße Lithographieverfahren wesentlich vereinfacht und besonders anwenderfreundlich ist.

Die Vorlagentransformation erfolgt in der Form, dass zunächst die Layoutvorlage mit den Kreisflächen in eine Layoutvorlage mit Rechteckflächen umgerechnet wird. Im Gegensatz zum Datensatz für die Erstellung eines Kreises, der theoretisch beliebig viele Daten enthalten muss, kann der Datensatz für ein Rechteck nur aus wenigen, aber charakteristischen Daten – insbesondere an den Eckpunkten des Rechtecks – bestehen, zwischen denen zur Herstellung der Rechteckstruktur dann einfach interpoliert werden kann. Der Interpolationsvorgang erfolgt in-situ während der Herstellung und benötigt keine zusätzlichen abgespeicherten Daten. Das Ausreichen nur weniger, aber ausgezeichneter Daten im Zusammenwirken mit der Interpolation zeigt sich auch darin, dass bei einer runden Form der Lochvorlagen die Qualität direkt von der gewählten Auflösung abhängig ist, während bei einer rechteckigen Form die erforderliche Datenmenge unabhängig von der gewählten Auflösung ist. Wird also statt einer runden eine rechteckige Form der Lochvorlagen gewählt, weisen die erforderlichen Layout- und Belichtungsdaten einen deutlich reduzierten Umfang auf. Dadurch zeichnet sich das erfindungsgemäße Lithographieverfahren durch eine geringe mathematische Komplexität bei einer hohen Reproduzierbarkeit aus und ist einfach ohne großen Rechen- und Speicheraufwand flexibel anwendbar.

Wichtig für die exakte Ausführung der herzustellenden Lochvorlagen bezüglich Lochgröße und -periode ist die angepasste Wahl der richtigen Größe der rechteckigen Lochvorlagen. Diese erfolgt unter der Berücksichtigung des Proximity-Effektes, der zu einer Aufblähung oder Aufweitung der belichteten Struktur in deren Randbereich führt. Der zuvor zum Thema der Proximity-Effekt-Korrektur abgehandelte Stand der Technik zeigt, dass dieser in seiner Wirkung hinreichend bekannt ist und mathematisch genau erfassbar ist (beispielsweise nach Gauß). In Abhängigkeit von der Belichtungsdosis in der Form „Ladungsmenge pro Fläche", die abhängig ist von der Kantenlänge der zu erstellenden Struktur in Relation zu deren Größe und die über die Belichtungszeit bzw. -frequenz (bei gepulstem Elektronenstrahl) eingestellt wird, sowie der Positionierung der benachbarten Belichtungsorte kann damit das erforderliche Layout für eine rechteckige Struktur problemlos berechnet werden. Durch die für die Erfindung charakteristische gezielte Überbelichtung im Randbereich der Rechtecke wird dieser aufgeweitet und in eine runde Form überführt. Durch die bei einer Überbelichtung in der elektronenempfindlichen Schicht vorhandene große Menge an Ladungen wird eine genaue Abbildung der rechteckigen Löcher aufgrund des Proximity-Effekts verhindert. Dabei wirkt die zwischen den negativ geladenen Elektronen herrschende Abstoßungskraft als vergleichmäßigende Kraft bei der Aufweitung unterstützend mit, sodass die für die Erzeugung von Kreisflächen als Lochvorlagen erforderliche hohe Symmetrie erreicht wird. Nach der Ermittlung der erforderlichen Rechteck vorlage werden deren charakteristische Layout- und Belichtungsdosisdaten festgelegt und abgespeichert.

Aufgrund der bekannten Layoutdaten für das zu erstellende Lochraster und der Kenntnis des Proximity-Effektes wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren eine äquivalente Struktur aus Rechtecken entwickelt. Dabei hat es sich bei einer Weiterentwicklung des Verfahrens als günstig erwiesen, wenn die Rechteckflächen eine Kantenlänge zwischen 35 % und 45 % der Periode einer periodischen Struktur aufweisen. Beispielsweise erweist sich bei einer rasterüblichen Periode von 250 nm eine Kantenlänge von 100 nm als sinnvoll, um die Auswirkungen des Proximity-Effektes durch Überlichtung optimal auszunutzen. Bei einer Periode von 450 nm ergibt sich entsprechend eine Kantenlänge von 180 nm. Der übliche Durchmesser des Elektronenstrahls beträgt dabei 50 nm und legt die Auflösungsgrenze fest, wobei der Durchmesser auch größenveränderlich ist. Eine Verfahrensvereinfachung ergibt sich, wenn gemäß einer nächsten Ausgestaltung die Rechteckflächen zentral im Inneren der Kreisflächen angeordnet sind und deren Berandungen nicht berühren. Dadurch können auch die Eckbereiche mit Strahlungsdosen überbelichtet werden, sodass diese zu der Aufweitung zu einer Kreisfläche beitragen. Die letztendlich belichtete Kreisfläche liegt dann im Rahmen des vorgegebenen Rastermaßes weit außerhalb der Rechteckfläche. Eine Verbesserung der Symmetrie bei der Annäherung an ein Lochraster ergibt sich, wenn nach einer anderen Erfindungsausgestaltung die Rechteckflächen als Quadratflächen ausgebildet sind. Bei einer Annäherung durch Rechteckflächen ist die Dosismodulation entsprechend der unterschiedlichen Abstände der Kanten zur herzustellenden Kreisfläche anzupassen. Ein Quadrat erfordert hier keine unterschiedlichen Dosiswerte, da die vier Kanten symmetrisch zum Kreis liegen. Damit entspricht die Quadratstruktur genau der Lochstruktur und weist größtmögliche Symmetrieübereinstimmung auf. Alle Eckpunkte weisen denselben Abstand zu den Berandungen der Kreisflächen auf und sind entsprechend zu belichten. Die zu interpolierenden Kanten der Quadrate weisen einen von den Ecken zur Kantenmitte hin zunehmenden Abstand zur Kreisberandung auf und sind mit entsprechender Dosisleistung der Elektronenstrahls derart einzuschreiben, dass eine kreisförmige Aufweitung der eingeschriebenen Quadratflächen erfolgt. Teilt man eine Quadratfläche beispielsweise in neun gleiche Unterquadrate für die Belichtung ein, so kann gemäß einer nächsten Erfindungsfortführung vorteilhaft als Anhaltspunkt folgendes Belichtungsschema angegeben werden: das Mittelquadrat wird mit einer normierten Beleuchtungsdosis belichtet, wohingegen die vier Kantenquadrate mit einer gegenüber der normierten Beleuchtungsdosis leicht erhöhten und die vier Eckquadrate mit einer gegenüber der normierten Beleuchtungsdosis deutlich erhöhten Beleuchtungsdosis belichtet werden. Dabei liegt die leichte Erhöhung bevorzugt typischerweise in einem Bereich des 1,1- bis 1,3-fachen der normierten Beleuchtungsdosis für das Mittelquadrat, wohingegen die deutlich erhöhte Beleuchtungsdosis bevorzugt typischerweise in einem Bereich des 1,5- bis 1,7-fachen der normierten Beleuchtungsdosis für das Mittelquadrat liegt. Durch den erreichten Ladungsträgerüberschuss in den Eckbereichen erfolgt dann die gleichmäßige Belichtung einer Kreisfläche.

Wesentlicher Vorteil des beanspruchten Lithographieverfahrens ist die bedeutsame Reduzierung der erforderlichen Layout- und Belichtungsdaten bei gleichzeitiger Erreichung einer hochaufgelösten Schreibgenauigkeit. Eine weitere Reduzierung der Datenmenge erhält man, wenn gemäß einer nächsten Erfindungsfortführung als charakteristische Layoutdaten jeweils die beiden diagonal gegenüberliegenden Eckpunkte der Berandungen der Rechteckflächen im Speichermedium abgelegt sind. Mit diesen beiden Eckpunkten wird jede Rechteckfläche vollständig in Größe und Lage definiert und kann durch Interpolation aufgespannt werden. Somit kann bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die erforderliche Datenmenge gegenüber dem Kreisflächen-Layout mit seiner enorm großen Datenmenge auf ein Bruchteil bezogen auf zwei charakteristische Layout-Daten reduziert werden. Eine Vergrößerung der Datenmenge kann deshalb durchaus akzeptiert werden, wenn dadurch eine größere Flexibilität in der Ausprägung der herzustellenden Lochstruktur erreicht werden kann. Gemäß einer anderen Weiterbildung der Erfindung kann deshalb vorteilhaft vorgesehen sein, dass die charakteristischen Layoutdaten von Rechteckflächen unterschiedlicher Größen im Speichermedium zur Herstellung von Kreisflächen unterschiedlicher Durchmesser abgelegt sind. Hierbei ist zu bemerken, dass eine Variation des Lochrasters über eine Variation des Lochdurchmessers sehr viel einfacher zu realisieren ist als eine Variation des Lochabstandes. Die Veränderung des Lochdurchmessers ist mit dem beanspruchten Lithographieverfahren problemlos durch eine entsprechende Veränderung der Rechteckflächen umsetzbar.

Werden gemäß einer weiteren Erfindungsausgestaltung die Kreisflächen unterschiedlicher Durchmesser in Form einer kontinuierlichen Taperung angeordnet, ergibt sich eine Reihe weiterer Anwendungsmöglichkeiten für das erfindungsgemäße Verfahren. Insbesondere bei der Erstellung von Lochrastern zur Herstellung von photonischen Kristallen ist eine Taperfunktion von besonderer Bedeutung. Ein gravierendes Problem der nanostrukturierten photonischen Kristalle besteht nämlich darin, diese an Wellenleiter anzuschließen. Bekannte Verfahren benutzen hier Rampen, die im Sinne einer Verjüngung vom Wellenleiterquerschnitt auf den Wellenleiterkanal im photonischen Kristall mit „Taperung" zu bezeichnen sind. Diese getaperten Rampen oder auch sogenannte „Graukeile" können nun mit dem Lithographieverfahren nach der Erfindung problemlos über die kontinuierliche Variation der Lochdurchmesser mit dem Elektronenstrahl an ein zuvor erstelltes Lochraster oder an ein anderes optisches Bauelement angeschlossen werden. Eine andere Möglichkeit zur Erzeugung getaperter Bereiche besteht neben der Durchmesservariation in einer reihenweisen Veränderung der Anzahl nebeneinander angeordneter Kreisflächen.

Zur weiteren Veranschaulichung des direktschreibenden Lithographieverfahrens nach der Erfindung werden nachfolgend einige Figuren mit Diagrammen und Schaubildern näher erläutert. Ein Ausführungsbeispiel wird gegeben. Die Figuren zeigen im Einzelnen
1 verschiedene Layouts für Lochraster aus dem Stand der Technik und nach der Erfindung,
2 ein Diagramm für die Abhängigkeit des Lochdurchmesser von der Belichtungsdosis,
3 eine rasterelektronenmikroskopische Aufnahme eines nach der Erfindung hergestellten Lochrasters und
4 das Diagramm gemäß 3 mit einer Zuordnung zu Lochfeldern oder Einzellöchern
Die 1 zeigt Ausschnitte aus frakturierten und eingeebneten Bereichen von Layoutdaten für unterschiedliche Definitionen und Auflösungen von Lochrastern. Die obere Reihe zeigt Layouts für Lochraster aus dem Stand der Technik, die mit Layoutdaten zur Erstellung von Kreisflächen (round) erzeugt wurden. Dabei wurde für das linke Lochraster a eine feine Auflösung (fine resolution), für das mittlere Lochraster b ein mittlere Auflösung (medium resolution) und für das rechte Lochraster c eine grobe Auflösung (coarse resolution) gewählt. Deutlich ist bei diesem bekannten Lochraster, das über Kreisflächen definiert wurde, ein Qualitätsverlust bei der Strukturierung mit abnehmender Auflösung zu erkennen. Hingegen ist bei dem der Erfindung zugrundeliegenden Layout für Lochraster mit Rechteckflächen (rectangular) gemäß der unteren Reihe deutlich zu erkennen, dass eine Veränderung der Auflösung, das heißt eine Veränderung der definierenden Menge an Layoutdaten zu geringeren Datenmengen hin, keinen Qualitätsverlust bei der Strukturierung hervorruft. Diese ist bei der geringen Auflösung c genauso gut wie bei er der hohen Auflösung a. Einer der wesentlichen Vorteile des Lithographieverfahrens nach der Erfindung ist damit deutlich zu erkennen: trotz der vereinfachenden Minimierung der Strukturierung der Lochraster zugrunde liegenden Layoutdaten tritt kein Informations- und damit kein Qualitätsverlust bei der Strukturierung auf.
In der 2 ist ein zugehöriges Diagramm gezeigt, bei dem der erzeugte Lochdurchmesser (dot diameter [nm]) über der Belichtungsdosis (exposure dose [μC/cm²]) dargestellt ist. Die Kurvenparameter sind die Layoutbedingungen, die dem eingeschobenen Kasten im Diagramm zu entnehmen sind. Aufgetragen sind zwei Kurven (Stand der Technik) für ein kreisförmiges Layout (circular) mit feiner und mit grober Auflösung (fine/coarse resolution) und zwei Kurven für ein quadratisches Layout (square) mit feiner und mit grober Auflösung nach der Erfindung. Deutlich ist hier bei dem kreisförmigen Layout die Abhängigkeit der Qualität von der Auflösung zu erkennen. Beim quadratischen Layout stimmen die Kurven mit unterschiedlicher Auflösung nahezu überein. Je nach angestrebtem Lochdurchmesser können diesem Diagramm die dazu erforderlichen Belichtungsdosen entnommen werden. Zu Erreichung gleicher Durchmesser mit dem kreisförmigen und dem quadratischen Rasterlayout sind bei dem quadratischen Rasterlayout geringfügig höhere Dosen für den Elektronenstrahl zu verwenden. Dies ist folgerichtig, denn das erfindungsgemäße Lithographieverfahren basiert auf einer Überdosierung zur gezielten Ausnutzung des Proximity-Effektes. Das Prozessfenster zur Herstellung von zweidimensionalen Lochrastern ist dem gewünschten Lochdurchmesser entsprechend zu positionieren.
Wesentlich für die Qualität der erzeugten Lochraster ist die Größe der Löcher und deren Periode im Raster sowie deren exakte Reproduktion. In der 3 ist eine rasterelektronenmikroskopische Aufnahme einer zweidimensionalen Lochstruktur (Periode 250 nm) gezeigt, die mit dem Lithographieverfahren nach der Erfindung mit einer Layoutvorlage aus quadratischen Löchern hergestellt wurde. Deutlich ist die exakt kreisförmige Struktur der einzelnen Löcher zu erkennen. Eine Vermessung der erzeugten Lochstruktur ergab eine hohe Präzision des Lochdurchmessers und der Periode und damit eine sehr hohe Güte der erzeugten Lochstruktur. Dies ist insbesondere bei der Herstellung von photonischen Kristallen mit ihrer dreidimensionalen Säulenstruktur von ausschlaggebender Bedeutung.
Ausführungsbeispiel
Im Folgenden wird kurz ein im Labor getesteter Herstellungsprozess beschrieben. Die durchgeführten Versuche zeigten, dass sehr gute Ergebnisse zu erhalten sind, wenn die Kantenlänge der quadratischen Vorlagen auf ca. 40 % der eingestellten Wiederholfrequenz (Periode) der Löcher eingestellt wird; z.B. werden die Quadrate bei einer Periode von 250 nm mit 100 nm Kantenlänge definiert.
Damit lauten die Layoutbedingungen:

– quadratische Vorlagen der Löcher (Kantenlänge = 0,4·Periode)

Die Elektronenstrahl-Lithographie wurde folgendermaßen durchgeführt mit

– Belackung (Resist): 220nm PMMA950k (PolyMethylenMethAcrylat, 950 000 Molgewicht), mit Lackschleuder bei 4.000 rpm aufgeschleudert und 10 min bei 200 °C auf der Heizplatte ausgebacken,
– Elektronenstrahl-Belichtung: Beschleunigungsspannung 50 kV, Strahldurchmesser 50 nm, Belichtungsdosen: 100 μC/cm² bis 500 μC/cm²,
– Belichtungszeit in Abhängigkeit von der Flächenbelegung und der benutzten Auflösung zwischen 0,5 h bis 5 h,
– Entwicklung: Sprühentwicklung, 2 min, MIBK:IPA, 1:1 (MethylIsoButhylKeton:Isopropanol)

Die Ergebnisse der Versuche sind in dem Diagramm gemäß 4 dargestellt. Das Diagramm zeigt die erreichten Lochdurchmesser (dot diameter [nm]) in Abhängigkeit von der Belichtungsdosis (exposure dose [μC/cm²]) für Lochfelder (hole field) und Einzellöcher (hole single) für die verschiedenen Perioden (period) 250 nm, 330 nm, 420 nm und 550 nm an. Für alle Perioden gelten die oben genannten Layoutbedingungen Kantenlänge (length) = 0,4 Periode. Deutlich sind die einzelnen Felder in Abhängigkeit von der gewählten Kantenlänge und die Feldüberlappungen zu erkennen. Ein derartiges Diagramm, das auf der Auswertung vieler Versuchsreihen mit Parametervariationen beruht, kann besonders gut als Hilfe bei der Dimensionierung des erforderlichen Layouts für die rechteckige bzw. quadratische Lochvorlage zur Strukturierung eines Lochrasters mit kreisförmigen Löchern in Abhängigkeit von dem zu erzielenden Lochdurchmesser und der einzuhalten Lochrasterperiode dienen. Aufwändige Einzelberechnungen entfallen dann, wodurch das direktschreibende Lithographieverfahren nach der Erfindung nochmals vereinfacht wird.

Claims

Direktschreibendes Lithographieverfahren zur Herstellung einer zweidimensionalen Struktur im Submikrometerbereich durch Belichtung einer elektronenempfindlichen Schicht auf einem Substrat mit einem Elektronenstrahl, für dessen Ansteuerung die berechneten Layoutdaten für die zu belichtende Struktur unter Einbeziehung einer den Proximity-Effekt berücksichtigenden Dosismodulation des Elektronenstrahls in einem rechnerunterstützten Speichermedium abgelegt sind, dadurch gekennzeichnet, dass zur Herstellung einer zweidimensionalen Struktur aus Kreisflächen deren Layoutdaten in Layoutdaten von Rechteckflächen umgerechnet werden, wobei nur die charakteristischen Layoutdaten der Berandungen der Rechteckflächen für die Ansteuerung des Elektronenstrahls im Speichermedium abgelegt und die übrigen Layoutdaten in-situ interpoliert werden, und die Dosismodulation des Elektronenstrahls beim Direktschreiben der Rechteckflächen in Relation zu den herzustellenden Kreisflächen so gewählt wird, dass eine gezielte Überbelichtung im Bereich der Berandungen der Rechteckflächen durch Ausnutzung des Proximity-Effektes zur Belichtung von Kreisflächen mit den ursprünglichen Layoutdaten in der elektronenempfindlichen Schicht führt.
Direktschreibendes Lithographieverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Rechteckflächen eine Kantenlänge zwischen 35 % und 45 % der Periode einer periodischen Struktur aufweisen.
Direktschreibendes Lithographieverfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Rechteckflächen zentral im Inneren der Kreisflächen angeordnet sind und deren Berandungen nicht berühren.
Direktschreibendes Lithographieverfahren nach einem der Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Rechteckflächen als Quadratflächen ausgebildet sind.
Direktschreibendes Lithographieverfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Belichtungsaufteilung einer Quadratfläche in neun gleiche Unterquadrate das Mittelquadrat mit einer normierten Belichtungsdosis, die vier Kantenquadrate mit einer gegenüber der normierten Beleuchtungsdosis leicht erhöhten und die vier Eckquadrate mit einer gegenüber der normierten Beleuchtungsdosis deutlich erhöhten Belichtungsdosis belichtet werden.
Direktschreibendes Lithographieverfahren nach einem der Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass als charakteristische Layoutdaten jeweils die beiden diagonal gegenüberliegenden Eckpunkte der Berandungen der Rechteckflächen im Speichermedium abgelegt sind.
Direktschreibendes Lithographieverfahren nach einem der Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die charakteristischen Layoutdaten von Rechteckflächen unterschiedlicher Größen im Speichermedium zur Herstellung von Kreisflächen unterschiedlicher Durchmesser abgelegt sind.
Direktschreibendes Lithographieverfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Kreisflächen unterschiedlicher Durchmesser in Form einer kontinuierlichen Taperung angeordnet sind.