Resolution enhancement in mask aligner photolithography
Creators: name: Vetter, Andreas
Publisher: name: Karlsruhe
Year: 2019
Subjects: subject: Photolithography
subject: Resolution enhancement
subject: Optics
subject: Optical system design
subject: Nanotechnology
subject: FOS: Nanotechnology
subject: Metasurface
subject: Optical proximity
subject: correction
subject: Noloss

description: Photolithographie ist eine unentbehrliche Technologie in der heutigen Mikrofabrikation integrierter elektronischer Schaltungen und optischer Komponenten auf verschiedenen Größenskalen. Die zugrundeliegende Aufgabe ist die Replikation der gewünschten Struktur, die kodiert ist in einer Photomaske, auf einem photolackbedeckten Wafer. In vergangenen Jahrzehnten gab es eine beeindruckende Weiterentwicklung photolithographischer Anlagen, was Auflösungen weit unterhalb eines Mikrometers ermöglicht. Das einfachste photolithographische Instrument ist der Maskenjustierbelichter, bei dem die Photomaske und der Wafer entweder in Kontakt oder in unmittelbare Nähe gebracht werden (Proximity-Modus), ohne zusätzliche optische Komponenten dazwischen. Vor über 50~Jahren eingeführt bleibt der Maskenjustierbelichter aufgrund seines wirtschaftlichen Betriebs das Instrument der Wahl für die Herstellung unkritischer Schichten, mit einer Auflösung von einigen Mikrometern im bevorzugten Proximity-Modus. Maskenjustierbelichter werden beispielsweise für die Herstellung von Mikrolinsen, lichtemittierende Dioden und mikromechanischen Systemen verwendet. Die erreichbare laterale räumliche Auflösung ist letztlich begrenzt durch die Beugung des Lichts an den Strukturen der Photomaske, was zu Verfälschungen der Abbildung auf dem Photolack führt. In dieser Arbeit entwickeln, präsentieren und diskutieren wir mehrere Technologien zur Auflösungsverbesserung für Maskenjustierbelichter im Proximity-Modus. Dies umfasst Photolithographie mit einer neuartigen Lichtquelle, die im tiefen Ultraviolett-Bereich emittiert, eine rigoros optimierte Phasenschiebermaske für periodische Strukturen, optische Proximity-Korrektur (Nahbereichskorrektur) angewandt auf nichtorthogonale Geometrien, und die Anwendung optischer Metaoberflächen als Photomasken. Eine Reduzierung der Wellenlänge verringert die Auswirkungen der Lichtbrechung und verbessert daher direkt die Auflösung, benötigt aber auch die Entwicklung geeigneter Konzepte für die Strahlformung und Homogenisierung der Beleuchtung. Wir diskutieren die Integration einer neuartigen Lichtquelle, ein frequenzvervierfachter Dauerstrichlaser mit einer Emissionswellenlänge von 193$\,$nm, in einem Maskenjustierbelichter. Damit zeigen wir erfolgreiche Prints von Teststrukturen mit einer Auflösung von bis zu 1,75$\,$µm bei einem Proximity-Abstand von 20$\,$µm. Bei Verwendung des selbstabbildenden Talboteffekts wird sogar eine Auflösung weit unterhalb eines Mikrometers für periodische Strukturen erzielt. Außerdem diskutieren wir die rigorose Simulation und Optimierung der Lichtausbreitung in und hinter Phasenschiebermasken, die unter schrägem Einfall belichtet werden. Mit einem optimierten Photomaskendesign kann dabei die Periode bei Belichtung unter drei diskreten Winkeln verkleinert abgebildet werden. Dies erlaubt es, Strukturen deutlich kleiner als ein Mikrometer abzubilden, wobei die Strukturen auf der Photomaske deutlich größer und damit einfacher herzustellen sind. Zudem betrachten wir eine Simulations- und Optimierungsmethode für die optische Proximity-Korrektur nicht-orthogonaler Strukturen, was deren Formtreue verbessert. die Wirksamkeit beider Konzepte bestätigen wir erfolgreich in experimentellen Prints. Die Verwendung optischer Metaoberflächen erweitert die Fähigkeiten zur Wellenfrontformung von Photomasken gegenüber etablierten Intensitäts- oder Phasenschiebermasken. Wir diskutieren zwei Designs für optische Metaoberflächen, die beide den vollen $2\,\pi$-Phasenbereich abdecken. Ein Design beinhaltet dabei noch einen plasmonischen Absorber, was zusätzliche Möglichkeiten bietet, den Transmissionskoeffizient anzupassen. Desweiteren beschreiben wir einen Algorithmus zur Berechnung des Maskenlayouts für beliebige Strukturen. Eine kontinuierliche Weiterentwicklung von Maskenjustierbelichtern ist unerlässlich, um Schritt zu halten mit der fortschreitenden Miniaturisierung in allen Bereich der Optik, der Mechanik und der Elektronik. Unsere Forschungsergebnisse ermöglichen es, die Auflösung der optischen Lithographie im Proximity-Modus zu verbessern und sich damit den zukünftigen Herausforderungen der optischen Industrie stellen zu können.