Vervaardigen van sub-micron structuren d.m.v. elektronenbundellithografie

Faculteit Wetenschappen Vakgroep Vaste – Stofwetenschappen Laboratorium voor Kristallografie en Studie van de Vaste Stof Voorzitter : Prof. Dr. P. Clauws

Vervaardigen van sub-micron structuren d.m.v. elektronenbundellithografie door

Peter Peleman

Promotor : Prof. Dr. ir. R. L. Van Meirhaeghe Begeleider : Dr. C. Detavernier Proefschrift ingediend tot het behalen van de academische graad van Licentiaat in de Natuurkunde Optie Experimentele Natuurkunde Academiejaar

2000 – 2001

Faculteit Wetenschappen Vakgroep Vaste – Stofwetenschappen Laboratorium voor Kristallografie en Studie van de Vaste Stof Voorzitter : Prof. Dr. P. Clauws

Vervaardigen van sub-micron structuren d.m.v. elektronenbundellithografie door

Peter Peleman

Promotor : Prof. Dr. ir. R. L. Van Meirhaeghe Begeleider : Dr. C. Detavernier Proefschrift ingediend tot het behalen van de academische graad van Licentiaat in de Natuurkunde Optie Experimentele Natuurkunde Academiejaar

2000 – 2001

Dankwoord Graag wens ik hierbij de mensen te danken die mij bij het maken van dit proefschrift begeleid en gesteund hebben. Een woord van oprechte dank gaat uit naar mijn promotor Prof. Dr. ir. R. L. Van Meirhaeghe, die mij via dit proefschrift de kans gaf kennis te maken met het boeiende onderzoek rond elektronenbundellithografie. Tevens ben ik hem zeer erkentelijk voor het vertrouwen, het nauwgezet nalezen van deze thesis en de stimulerende discussies. Ik dank in het bijzonder mijn begeleider, Dr. C. Detavernier, voor de hulp en het inzicht in het experimentele werk, voor het kritisch nalezen van dit werk en voor de erg aangename samenwerking en sfeer. Zijn voorbereidend werk bracht het onderzoek reeds vroeg in een stroomversnelling. Verder bedank ik mijn commissaris S. Forment voor het kritische nalezen van dit werk en de vele leuke middagen. Het is mij een genoegen om ing. L. Van Meirhaeghe te danken voor de uitstekende technische bijstand en het aanleren van de AFM - techniek. Een woord van dank gaat ook uit naar O. Janssens voor de hulp bij het sputteren van de Au – lagen. Verder bedank ik W. Mouton en W. Steyaert voor de technische bijstand. Rik Jonckheere (IMEC) dank ik voor enkele praktische tips bij de aanvang van het EBLonderzoek. Bovendien wil ik mijn collegae – thesisstudenten Philippe Smet en Jorg De Haeck bedanken voor hun aangenaam gezelschap. Tevens richt ik een welgemeend woord van dank aan mijn ouders voor het vertrouwen, de mentale en financiële steun gedurende mijn studententijd. Tenslotte wil ik mijn vriendin Els liefdevol bedanken voor de morele steun.

1

2

Toelating tot bruikleen De auteur geeft de toelating deze scriptie voor consultatie beschikbaar te stellen en delen van het werk te kopiëren voor persoonlijk gebruik. Elk ander gebruik valt onder de bepaling van het auteursrecht, in het bijzonder met betrekking tot de verplichting van uitdrukkelijke bronvermelding bij het aanhalen van resultaten uit dit werk. 1 juni 2001,

Peleman Peter

3

4

Universiteit Gent Faculteit Wetenschappen Vakgroep Vaste-Stofwetenschappen Voorzitter: Prof. Dr. P. Clauws

Vervaardigen van sub-micron structuren d.m.v. elektronenbundellithografie Peleman Peter Promotor: Prof. Dr. ir. R.L. Van Meirhaeghe Begeleider: Dr. C. Detavernier Commissaris: S. Forment Proefschrift ingediend tot het behalen van de academische graad van Licentiaat in de Natuurkunde, Optie Experimentele Natuurkunde Academiejaar 2000/2001

Samenvatting Elektronenbundellithografie (EBL) is een gespecialiseerde experimentele techniek voor het creëren van sub-micron structuren. Deze structuren zijn onder andere nodig voor fundamenteel onderzoek op sub-micron Schottky barrières en de daarmee gekoppelde industrialisering van de geïntegreerde schakelingen (IC’s) in de moderne elektronische industrie. De techniek berust op het klassieke principe van belichting en ontwikkeling van fotogevoelig materiaal. De ‘scanning electron microscope’ (SEM) staat centraal in dit proces. De techniek bestaat uit het schrijven van een patroon met een elektronenbundel op een oppervlak bedekt met een elektronengevoelige laag. Na ontwikkeling en ‘lift off’ verkrijgen we goudpatronen bevestigd op de siliciumwafer. De hoge resolutie van de bundel geeft de mogelijkheid tot het creëren van lijnen met een dikte van ≈ 100 nm. Optimalisatie van de software zorgt voor een zeer flexibele techniek waardoor de mogelijkheid ontstaat om zeer complexe en exotische patronen te vervaardigen. De resultaten worden gekarakteriseerd en in beeld gebracht met de AFM, SEM en de optische microscoop.

Trefwoorden Elektronenbundellithografie, EBL, SEM, Sub-micron structuren, PMMA, Lift off, Van der Pauw 5

6

Inhoudstafel Dankwoord Toelating tot bruikleen Samenvatting Inhoudstafel

DEEL 1

I : Experimentele technieken

Oppervlaktebeeldvorming : SEM (Scanning Electron Microscopy) 1.1 1.2

Technische details Elektronenoptica 1.2.1 1.2.2 1.2.3

1.3 1.4 1.5

1.6

Secundaire elektronenbeeldvorming (SE) ‘Backscattered’ elektronenbeeldvorming (BSE) Andere

Contrast 1.6.1 1.6.2 1.6.3 1.6.4

1.7

Elektronenbron Lenzen Elektronenbundel afbuiging en vergroting

Elektronen - specimen interacties Vacuümsysteem Detectie en beeldvorming 1.5.1 1.5.2 1.5.3

2

1 2 3 4

Topografische contrasten Materiaalcontrast Oplading en spanningscontrast Magnetisch contrast

Scannend systeem

8 11 11 15 20 22 24 24 25 25 25 26 26 28 28 29 29

Structurele karakterisatie : AFM (Atomic Force Microscopy) 2.1 2.2 2.3

Technische details Principe Componenten 2.3.1 2.3.2 2.3.3 2.3.4 2.3.5

Scherpe tip gemonteerd op een cantilever Meting cantilever – doorbuiging Feedbacksysteem Mechanisch scanningsysteem Beeldvormend systeem

7

30 31 31 32 32 33 34 34

2.4

2.4.1 2.4.2

3

Contactmode Non – contactmode

Vorming van dunne lagen 3.1

Foto – resist spinner 3.1.1 3.1.2

3.2

DEEL

Technische details Principe en werking

Depositie van dunne lagen d.m.v. van sputteren 3.2.1 3.2.2

1

34 34 35

Modes

Technische details Principe en werking

36 36 36 37 37 37

II : Theoretische beschouwingen

Polymethyl methacrylaat (PMMA) 1.1 1.2 1.3

Inleiding Invloed van elektronen op PMMA Toekomst

40 40 46

2

Dosisbepaling

47

3

Oplosmiddel

51

4

Multilagen : Principe ‘Lift off’

51

DEEL 1

Specimenpreparatie 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6

2

III : Experimenteel RCA – reiniging Spin - & bakproces Masker - poeder - Au-sputtering Maskerkalibratie Stroomkalibratie en positionering Scherpstelling – astigmatisme

55 56 58 60 62 64

Lithografisch ‘schrijf’proces 2.1 2.2 2.3

68 70 72

Patronen DAT – bestanden Simulatie

8

2.4 2.5

73 75

PRG – bestanden Autostage

3

Ontwikkelproces

78

4

‘Lift off’

78

DEEL 1

IV : Onderzoeksresultaten

Resultaten bij 10 kV : Zeoliet 1.1

Experimentele bevestiging van de lithografische effecten

1.1.1 1.1.2 1.1.3 1.1.4 1.1.5 1.1.6 1.1.7

1.1

81 83 83 84 85 88 88

Kritische dosissen 1.2.1 1.2.2

2

Pixelgrootte versus frequentie Afbuiging van de bundel Focussering van de bundel Rotatiehoekbepaling van de bundel ‘Proximity’ – effect Polymerisatie Latent beeld

89 92

Vlakken Lijnen

Resultaten bij 30 kV : ZnO

2.1

Kritische dosissen

2.1.1 2.1.2

2.2

93 94

Vlakken Lijnen

Exotische patronen 2.2.1 2.2.2

Karrenwielen Van der Pauw – structuren

Suggesties voor verder onderzoek Referenties

9

95 95 104 105

10

Deel I Experimentele technieken In dit inleidend theoretische deel worden twee vormen van microscopie besproken : respectievelijk de ‘Scanning Electron Microscopy’ (SEM) en ‘Atomic Force Microscopy’ (AFM). De SEM wordt in hoofdzaak gebruikt voor beeldvorming en elektronenbundellithografie (EBL) terwijl de AFM vooral wordt aangewend voor de karakterisatie van het specimenoppervlak. Met het oog op het grote belang van beide technieken in het lithografisch proces is een stevige theoretische achtergrond van werking en principe noodzakelijk. Vervolgens wordt de techniek van de vorming van dunne lagen door spinnen of sputteren kort beschreven.

Deel I : Experimentele technieken

1. Oppervlaktebeeldvorming : SEM (Scanning Electron Microscope) Vanwege het enorme belang van de SEM in de lithografie is een goed inzicht in het principe en de werking ervan noodzakelijk. Voor de lithografische toepassing wordt de SEM in ‘omgekeerde’ mode gebruikt, namelijk als schrijf i.p.v. als leesinstrument. De bundel wordt via een DAC - kaart (Digitaal naar Analoog Convertor) softwarematig aangestuurd. Details rond de software volgen in Deel III.

1.1

Technische details

We nemen de specificaties van de SEM onder de loep om een idee te vormen van de te verwachten prestaties [01]. De door ons gebruikte SEM in het labo Vaste Stof Fysica is een JEOL Technics Ltd. ontwerp van het type JSM – T330. De specificaties zijn weergegeven in TABEL I.1. Hierbij moet worden opgemerkt dat de theoretische resolutie van 5 nm geldt voor een versnelspanning van 30 kV bij een werkafstand van 10 mm. Men spreekt ook wel van een probe standaarddeviatie van 5 nm. De vergroting gebeurt in gradaties van 25 stappen. De lage versnelspanningen van 0.5 tot 3kV zijn verdeeld in stappen van 100V/stap terwijl de hogere versnelspanningen zijn gegradeerd in 6 stappen : 5,

13


10, 15, 20, 25 en 30 kV. De werkafstand is de afstand tussen de laagste pool van de objectieflens en het specimen. JEOL Technics Ltd. : JSM – T330 Resolutie Versnelspanning Vergroting Werkafstand Elektronenkanon Kanonafwijking (gun bias) Lenssysteem OL apertuur Stigmator Bundelstroom Detectors Vacuümsysteem Vacuümpompen Specimengrootte Specimenbeweging - vlak - tilt - rotatie Gewicht Dimensies Stroomtoevoer

5nm 0.5-30kV 15X → 200000X 10 tot 48 mm Gecentreerd wolfram (W) haarspeld filament Continu variabel 3 – fases twee condensorlenzen (CL) één objectieflens (OL) Variabel in 3 stappen : 1,2 en 3 8-pool elektromagnetisch type 10-12~10-7 A SEI/BEI Automatic Evacuation System (AES) olierotatiepomp (RP) : 100 l/min oliediffusiepomp (DP) : 420l/sec 102 mm diameter X = 40 mm, Y = 80 mm T = -10~90° R = 360° 425 kg 1500 X 900 x 1390 mm enkele fase 100V(±10%), 50/60 Hz

TABEL I.1 : Specificatie van de SEM : JSM – T330 [01]

Het systeem is voorzien van een viertal ‘check’ indicatie LED’s. Deze controleren of de detector (SE of BSE), de HT en het filament aanstaan. Bovendien is er een ingebouwde beveiliging voor eventuele storing van water en stroomtoevoer of plotse vacuüm druk toename. De SEM wordt in een ruimte geplaatst op een kamertemperatuur van 20 ± 5°C met een relatieve vochtigheid van minder dan 60 %, een vloervibratie minder dan 2 µm (5Hz) in X,Y en Z richting en een omringend magnetisch stralingsveld van minder dan 0.3 µT. Voor de verdere bespreking beperken we ons tot het JSM – T330 model aanwezig in het labo. Het belangrijkste deel van het elektronen optisch systeem is zonder meer de kolom (FIGUUR I.1).

14


FIGUUR I.1 : Elektronen optisch systeem van de SEM [02]

Deze bevat typisch een elektronenbron, twee of meer elektrische of magnetische lenzen, een afbuigsysteem, een ‘blanker’ of ‘shutter’ om de bundel aan en af te zetten, een stigmator voor het corrigeren van mogelijk astigmatisme in de bundel, aperturen voor het definiëren van de bundel, een alignerend systeem voor het centreren van de bundel en een elektronendetector. De optische z-as bevindt zich parallel met de elektronenbundel terwijl de X en Y - assen in het vlak van het specimen liggen. We merken hierbij op dat het systeem weergegeven in FIGUUR I.1 moderner is dan het gebruikte systeem. Het stuk tussen de 1de anode en de 2de lens is niet aanwezig in het type JSM – T330.

15


1.2

Elektronenoptica

De elektronenoptica heeft als doel het leveren van een zo klein mogelijk gefocusseerde bundel op het vlak van het specimen. De ‘elektronen’optica leunt zeer dicht aan bij de ‘licht’optica zodat de meeste principes van een elektronenbundelkolom kunnen verstaan worden door ze als lichtgolven te beschouwen. Eén van de uitzonderingen op deze regel is zonder meer de rotatie van de bundel en dus het beeld. Om de aandacht te vestigen wordt in TABEL I.2 een schematische vergelijking gemaakt tussen een optische en elektronenmicroscoop.

Emissie Medium Resolutie Contrast Lens Diepte van focus Vergroting

Optische Microscoop

SEM

Licht Atmosfeer > 200 nm Absorptie/Reflectie Optische glaslens Ondiep Lens vervangen

Elektronenbundel Vacuüm < 10-4 Pa ≈ 5 nm Secundaire elektronen Elektromagnetische lens Zeer diep Scan breedte

TABEL I.2 : Optische versus elektronenmicroscoop

1.2.1 Elektronenbron Er zijn twee soorten gangbare elektronenbronnen op de markt. Bij een veldemissiebron tunnelen de elektronen doorheen de barrière tussen metaal en vacuüm door het aanleggen van een voldoende hoog elektrisch veld. Bij een thermionische bron wordt het metaal opgewarmd, zodat een fractie van de vrije elektronen voldoende kinetische energie krijgt om het metaal te verlaten.

(a) FIGUUR I.2 : (a) (b)

(b) Thermionische elektronen gun, Wehnelt cup en anode Veldemissie gun van het Butler type

16


De gebruikte SEM bevat een thermionische bron in de vorm van een wolfram haarspeldfilament dat dienst doet als kathode. Er wordt gekozen voor wolfram vanwege zijn goede temperatuursbestendigheid : de smelt – en verdampingstemperatuur ligt zeer hoog, wat de levensduur bevordert. Jammer genoeg is deze bron niet zo helder en heeft een grote energiespreiding vanwege de hoge operatietemperatuur (2700 K). In nieuwere SEM’s gebruikt men om die reden lathanium hexaboride als kathode. LaB6 heeft een betere helderheid en een lagere werkingstemperatuur (slechts 1800 K).

(a) FIGUUR I.3 : (a) (b)

(b) Thermionische emissie over de potentiaal barrière (werkfuntie φ) van de metaal – vacuümgrens voor een laag elektrisch veld Veldemissie door een golfmechanische tunneling door de potentiaal barrière gevormd door een hoog elektrisch veld E.

Thermionische emissie Wanneer een geleidend materiaal wordt opgewarmd tot het punt waar de elektronen t.o.v. het Fermi niveau EF voldoende thermische energie bevatten om de uittrede - arbeid φ te overwinnen zullen deze het oppervlak verlaten. Dit verschijnsel noemt thermionische emissie (FIGUUR I.3a). Hoe hoger de temperatuur, hoe hoger de bundelstroom. De emissiestroomdichtheid jc wordt beschreven door de Richardsonwet : j c = AT ²e

met

A Tc k φ

−

φ kTc

: Richardson materiaal constante (afh. van kathode materiaal) : temperatuur van de kathodetip : Boltzmann constante : barrièrehoogte 17


De stroomdichtheid wordt pas hoog genoeg nabij de smelttemperatuur Tm . Voor wolfram resulteert dit tot temperaturen Tc = 2500 – 3000 K (φ=4.5eV, Tm= 3650 K). Om het emissieoppervlak minimaal te houden heeft de wolfram thermionische kathode de vorm van een haarspeld. Het filament levert typisch een bundelstroom van 10-10 – 10-12 A. De levensduur van een W - filament is gelimiteerd door de vermindering van het kathodemateriaal door verdamping wat uiteindelijk resulteert in breuk. Een vacuüm van 5 x 10-3 Pa is voldoende om oxidatie van de opgewarmde kathode tegen te gaan. De uitgezonden elektronen worden een eerste maal gebundeld door een conische, negatief geladen ‘Wehnelt cup’. De negatieve lading wordt gegenereerd door een spanningsval U W = I c RW waarbij de weerstand Rw van de orde 1-10MΩ is. De relatie tussen de kathodestroom Ic en het aan de kathode toegevoegde warmtevermogen Pc is te zien in FIGUUR I.4.

FIGUUR I.4 : Kathode emissie stroom Ic versus kathode warmte vermogen

De optimale positie, waarbij de bundel de smalste doorsnede bezit, bevindt zich op de knie van de functie (FIGUUR I.4). ⎛ r ⎞ − ⎜⎜ ⎟⎟ ⎝ r0 ⎠

2

De stroomdichtheid heeft een vrijwel Gaussiaanse vorm : j (r ) = j0 e . Voorbij dit optimaal punt wordt de kathode oververhit met levensduurverkorting en bundelverbreding tot gevolg. Hieruit blijkt het grote belang van correcte saturatie van het filament. In de praktijk wordt hiervoor de SEM in LSP - mode (Line Scan Point) geplaatst. Zoals FIGUUR I.5 duidelijk maakt, bevindt het optimale punt zich in het plateaugebied net voorbij de tweede piek.

18


FIGUUR I.5 : Positie saturatiepunt

Dit verloop is duidelijk te volgen op het CRT – scherm (Cathode Ray Tube) en op de ampèremeter, wat de regeling met de filament controleknop vereenvoudigt. Het niet - stabiel zijn van de stroom wijst op onder - of oversaturatie. Het niet meer branden van de filament led wijst op breuk. De vervanging van het filament wordt duidelijk beschreven in de SEM handleiding pagina 3-55. Het aanleggen van een hoogspanning op de anode zorgt voor een elektrisch veld E tussen kathode en anode met versnelling van de elektronen tot gevolg (FIGUUR I.2). Vanwege thermische emissie is het onnodig een hoog elektrisch veld te creëren zodat één anode volstaat (FIGUUR I.2a). Deze versnelling is geassocieerd met een potentiële energie V = − E x . De versnelspanning U = 1 – 30 kV tussen de anode en kathode versnelt de elektronen tot een kinetische energie E = eU gemeten in eenheden van elektronvolts (eV), zijnde de kinetische energie die een elektron opneemt, via vermindering van zijn potentiële energie, bij doorgang van een potentiaalverschil van 1V. De versnelling resulteert in een relativistische toename van de elektronenmassa : ⎛ E ⎞ ⎟⎟ m = m0 ⎜⎜1 + E 0 ⎝ ⎠ met m0 de rustmassa en E0 = m0c² = 511 keV de rustenergie. 1 bekomen we de gekende Rekening houdend met de uitdrukking m = m0 v² 1− c² uitdrukking voor de snelheid en vervolgens de impuls :

19


v = c 1−

1 ⎛ E ⎞ ⎜⎜1 + ⎟⎟ E 0 ⎠ ⎝

2

en

⎛ E ⎞ ⎟⎟ p = mv = 2m0 E ⎜⎜1 + 2 E 0 ⎠ ⎝

Veldemissie Veldemissie is het verschijnsel waarbij de elektronen door de aanwezigheid van een zeer hoog elektrisch veld het vaste stof oppervlak verlaten. Veldemissie vanuit een wolframtip met een straal van ≈ 0.1 µm begint bij elektrische U veldsterkte (potentiaalgradiënten) E = 1 groter dan 107 V/cm. Zulke hoge r velden zorgen voor een afbuiging van de potentiaalbarrière (FIGUUR I.3b) tot een dikte van enkele tienden van een nanometer zodat de elektronen rond het Fermi - niveau beginnen te penetreren doorheen de potentiaalbarrière door het golfmechanisch tunneling effect. Het hoge elektrische veld wordt geleverd en onderhouden door twee anoden (FIGUUR I.1). De tweede anode versnelt de elektronen tot hun uiteindelijke kinetische energie E = eU. Bovendien is er nood aan een ultra hoog vacuüm > 10-6 Pa omdat anders de tip van de veldemissie kathode wordt vernietigd door ionenbombardement van het aanwezige gas. 1.2.2 Lenzen Alhoewel elektronenlenzen principieel analoog zijn aan optische lenzen zijn er in de praktijk heel wat verschillen. Elektronenlenzen kunnen enkel convergeren en dus niet divergeren. Elektronenlenzen - aberraties zijn bovendien veel moeilijker te controleren. Deze relatief zwakke kwaliteiten brengen een sterke beperking met zich mee betreffende de te gebruiken veldgrootte en convergentiehoek. Het lenzensysteem bevat een condensorlens en een objectieflens met als doel de elektronenbundel uitgezonden door het filament te reduceren tot een ‘probe’ van enkele nanometer (FIGUUR I.1). Elke lens zal een divergerende bundel doen convergeren. Nadat de elektronen het oppervlak van het filament hebben verlaten worden ze door de anode versneld in een regelbaar elektrisch veld. Een elektromagnetisch lenzensysteem bestaande uit een condensorlens en een objectieflens volgt. Na de condensorlens bundelt de objectieflens de elektronenbundel een laatste maal tot een spot van enkele nm op het specimen. Een theoretische achtergrond is nodig voor het begrijpen van een experimenteel vastgestelde rotatie in de scanrichting.

20


(a) FIGUUR I.6 : (a) condensorlens

(b) (b) objectieflens

Condensorlens

(a) FIGUUR I.7 : (a) Lorentzkracht (b) Focusserende spiraalbeweging

21

(b)


Een elektronenlens bestaat uit een axiaal magnetisch veld met rotatie symmetrie. De magnetische flux van de spoel is geconcentreerd in een klein volume door ijzeren poolstukken. Ter hoogte van de opening S verkrijgen we ⎛ r ⎞ ∂B een magneetveld B = Br er + Bz er . De radiale component Br = −⎜ ⎟ z is ⎝ 2 ⎠ ∂z gekoppeld met de axiale component Bz want div B = 0. Deze relatie tussen Br en Bz voor punten rond de optische as verklaart de vrij grote sferische aberratie van elektronenlenzen. De elektronen bewegen volgens een spiraalvormige baan ten gevolge van de Lorentzkracht F = −e ( E + v × B ) (FIGUUR I.7a). Bij het intreden van de elektronen in het magnetisch veld ondervinden ze eerst een radiale kracht naar buiten toe (rechterhand regel). Eénmaal het centrum voorbij, is de radiale krachtcomponent naar binnen toe gericht waardoor de bundel wordt gefocuseerd. Op die manier zal een de divergerende bundel uit P focusseren in Q (FIGUUR I.6a). In de kolom van de SEM is het elektrisch veld nul want alle geleidende onderdelen bevinden zich op aardpotentiaal. Alle lenzen in de kolom 1 1 1 = + kan worden toegepast zijn normaal zwak zodat de lensvergelijking f p q naar analogie met de klassieke optica. De diameter van de bundeldoorsnede in q P verkleint met een factor M = . De focale lengte is gedefinieerd door p +∞ ⎛ E ⎞ 1 e 2 ⎟⎟ . Voor de symmetrische klokvormige = B ( z )dz met U * = U ⎜⎜1 + * ∫ z f 8mU −∞ ⎝ 2 E0 ⎠ veldcomponent Bz van FIGUUR I.6a met maximum B0 en halve diktewaarde 2a, 2 eB a ² 2a vinden we voor k²<<1 : f = met k ² = 0 * , een dimensieloze parameter die πk ² 8m0U de sterkte van de magnetische lens karakteriseert. De spiraalvormige banen van de elektronen in een meridiaanvlak langs de optische z – as kunnen we beschrijven door een rotatie van het meridiaanvlak. Deze rotatie impliceert een twee dimensionaal probleem in de berekening van de baan. De totale +∞ e θ = πk rotatiehoek blijkt : θ = ⇒ voor k²<<1. De ∫ Bz ( z )dz 8m0U * −∞

uiteindelijke rotatie van het beeld op de kathode straal buis (CRT) is dus afhankelijk van het soort lens. De experimentele vaststelling van deze rotatie en het belang van de softwarematige aanpassing op basis van het resultaat wordt in volgend hoofdstuk uitvoerig besproken.

22


Objectieflens De laatste ‘probe’ vormende lens is een asymmetrische constructie, met een dunne poolschoenplaat boven het specimen (FIGUUR I.6b). Deze dunne plaat reduceert het magnetisch veld aan het specimen. De bovenste poolschoenplaat heeft een dikkere diameter en bevat afbuigspoelen S1 en S2 nodig voor de positionering van de bundel. De objectieflens bevat bovendien een regelbare apertuur in drie standen : 1,2 en 3. Een apertuur is een smal gaatje, een diafragma, waardoor de bundel loopt op zijn weg naar het specimen. De apertuur in stand 3 heeft de grootste opening. Overgang naar kleinere standen houdt elektronen tegen, wat een sterke vermindering in de bundelstroom en toename in focusdiepte of scherptediepte teweegbrengt, maar heeft geen vervormende invloed op de bundel. Nummer Apertuurdiameter (µm) Focusdiepte Bundelstroom

1 100 diep laag

2 200

3 350 ondiep hoog

Vanwege de hogere bundelstroom (betere helderheid) wordt er in de praktijk scherp gesteld bij apertuur 3 terwijl het lithografisch schrijfproces doorgaat bij een zo laag mogelijke bundelstroom op apertuur 1. Sommige SEM’s bezitten bovendien een stoppende apertuur die de bundel volledig tegenhoudt. Dit is een zeer handige optie voor EBL (ElektronenBundel Lithografie). Wanneer we meerdere patronen op verschillende posities wensen te schrijven is het noodzakelijk de bundel te stoppen gedurende de positionering van het specimen naar de volgende coördinaten. Zoniet worden aangrenzende gebieden ongewenst belicht. Het afschakelen van de bundel is een alternatief maar met een mogelijk verlies aan scherpte van de bundel tot gevolg. Aangezien de JSM – T330 geen afstoppende apertuur bezit hebben we in de kamer een ‘shutter’ geïnstalleerd die softwarematig wordt bekrachtigd tijdens de positionering van het specimen. Bij bekrachtiging wordt snel een ankervormig dun aluminium plaatje in de baan van de bundel geplaatst. Een goedkoop en eenvoudig alternatief.

23


Lenzenaberratie De regeling van het astigmatisme tot het bereiken van een scherp beeld op grote vergroting blijkt één van DE sleutels voor het succesvol uitvoeren van EBL.

FIGUUR I.8 : Lenzenaberratie van elektronenlenzen (a) sferische (b) chromatische abberatie (c) axial astigmatisme (d) diffractie

Sferische en chromatische aberratie behoren tot de klassieke lensfouten [03]. Sferische aberratie is het effect waarbij de buitenste zones van de lens sterker focusseren dan de binnenste. De chromatische aberratie daarentegen ontstaat doordat elektronen met licht verschillende energieën (golflengten) focusseren op verschillende beeldvlakken. Beide aberraties veroorzaken een wazig beeld. Het zijn niet te vermijden afwijkingen die ontstaan door de geometrische configuratie van het lenzensysteem. Deze negatieve effecten kunnen gereduceerd worden door de convergerende hoek van het systeem drastisch te verkleinen (m.b.v. aperturen e.d.) zodat de elektronen zich zo dicht mogelijk bij het centrum van de lenzen bevinden. Hiervoor maken we gebruik van axiale 24


bundels. Het werken met lage bundelstromen (<5nA) is de tol die hiervoor moet worden betaald. Axiaal astigmatisme treedt op door magnetische inhomogeniteiten van de poolschoenen, elliptische gaten in die poolschoenen (i.p.v. cirkelvormige) met opladen tot gevolg of aperturen die asymmetrie veroorzaken in het focusserende veld. Elektronen invallend op enerzijds een evenaarsvlak, anderzijds op een meridiaan vlak zijn gefocusseerd op een verschillende afstand van de lens en vormen focaal lijnen Fs en Fm op een afstand ∆fA (FIGUUR I.8c). Dit geeft een wazig beeld ten gevolge van axiaal astigmatisme. Hetzelfde effect kan men in de licht optica verkrijgen door een cilindrische lens toe te voegen aan een sferische lens. Het effect kan daarom gecompenseerd worden door toevoeging van zo’n cilindrische lens, geroteerd over 90° t.o.v. de veld vervorming. In de praktijk wordt dit gerealiseerd door een paar kwadrupool lenzen op het poolschoengat, de stigmator. Om het astigmatisme te compenseren moet de stigmator regelbaar zijn in sterkte en richting. De uiterst belangrijke techniek voor het regelen van het astigmatisme komt verder in de thesis uitvoerig aan bod. Ter vervollediging vermelden we nog de afwijking door diffractie aan het apertuur (diafragma) in de objectieflens. 1.2.3 Elektronenbundel afbuiging en vergroting

FIGUUR I.9 : Elektronenbundel afbuiging

Het elektronenbundel afbuigingssysteem is nodig om de gefocusseerde bundel op het specimen te kunnen positioneren [04]. Afbuiging gebeurt met een transversaal elektrostatisch en/of een magnetisch veld. Het uniform elektrisch veld ontstaat tussen twee parallelle platen op een afstand d van elkaar geplaatst op tegengestelde spanningen ±u/2 (FIGUUR I.9). De elektronen u volgens een bewegen enerzijds in dit uniform elektrisch veld E = d

25


parabolische baan en anderzijds in het uniform magnetisch veld B volgens een mv . cirkelvormige baan met straal r = eB x Voor een kleine afbuigingshoek ε geldt sin ε ≈ tg ε ≈ ε zodat ε = met x de l afbuigingsafstand en l de afstand tussen specimen en afbuigspoel. Voor een grotere afbuiging kan men de hoek bepalen :

ε=

eh h u 1 + E / E0 Ex = mv ² 2d U 1 + E / 2 E 0

ε=

eh By = mv

voor transversale elektrische velden en

ehB y

voor magnetische velden ⎛ E ⎞ ⎟⎟ 2m0 E ⎜⎜1 + ⎝ 2E0 ⎠ met E0 de rustenergie van het elektron. Zo ontstaat de mogelijkheid de bundel in horizontale (X) en verticale (Y) richting te laten bewegen en een beeld te scannen. Voorbeeld Voor de afbuiging van 20 keV elektronen over een hoek ε = 5° ≈ 0.1 rad met h = u kV nodig. Zo een veld ontstaat tussen twee 1cm is er een veld van E = = 20 d cm platen op een afstand d = 2mm van elkaar en op een spanning u van respectievelijk +2kV en –2kV. Onder dezelfde condities is een magnetisch veld B= 10-2 T nodig. Het magnetische veld opgewekt door een spoel met een opening µ NI d wordt gegeven door B = 0 met µ0 = 4π.10-7 Hm-1, N het aantal windingen en d I de stroom door de spoel. Voor B = 10-2 T hebben we NI = 20A nodig. Voor een spoel met 200 windingen vinden we een stroom I = 0.1 A. Uit dit voorbeeld blijkt dat het elektrostatisch veld een hoge spanning nodig heeft terwijl het magnetische veld een lage stroom vereist. Vanwege de moeilijkheid in de ontwikkeling van zo een twee - veldensysteem blijken scan generatoren enkel gebaseerd op magnetische - velden de meest gebruikte te zijn. De SEM in het labo Vaste Stof bezit een magnetische - veldensysteem voor de controle van de afbuiging van de bundel. In vergelijking met elektrostatische afbuiging blijkt de magnetische afbuiging trager te gaan omdat de zelfinductie van de spoel snelle stroomveranderingen tegengaat terwijl de elektrostatische RC vertraging door constructie klein gekozen kan worden. Deze traagheid zullen we experimenteel vaststellen in Deel 4. Uiteraard zal de snelheid van afbuigen de snelheid van scannen bepalen.

26


1.3

Elektronen - specimen interacties

Elastische en inelastische verstrooiing zijn de elementaire verstrooiingsprocessen [05]. De elektronen hebben vanwege energieverlies een eindige penetratiediepte R in het specimen. Deze is van de orde 1–10 µm afhankelijk van de initiële elektronenenergie en densiteit van het specimen. Het uiteindelijk beeld wordt gevormd door een veelvoud van processen die aanleiding geven tot verstrooiing van de elektronen. Wanneer een oppervlak van een vaste stof wordt gebombardeerd met geladen deeltjes met voldoende kinetische energie stelt men vast dat er elektronen worden uitgezonden. Primaire elektronen (PE) zullen andere elektronen losslaan uit de vaste stof. Een deel van de primaire elektronen worden elastisch teruggekaatst, de elastisch gereflecteerde primairen, terwijl de rest de vaste stof binnendringt. Deze laatste zullen door verstrooiing energie verliezen en daarbij roosterelektronen naar hogere energieniveaus exciteren. Hierdoor ontstaat een beweging van elektronen naar het oppervlak toe waarbij een fractie voldoende energie heeft om te ontsnappen als secundaire elektronen, de ‘echte’ secundairen. Een derde soort zijn de inelastisch gereflecteerde primairen. Dit zijn primaire elektronen die na energieverlies in de vaste stof, terugkeren en het oppervlak verlaten door een plotse richtingsverandering ten gevolge van een Rutherfordverstrooiing (backscattered). Deze elektronen treden uit het oppervlak op plaatsen ‘ver’ van de ingetreden positie. Ze zorgen voor een extra resistbelichting en zullen aanleiding geven tot het proximity effect (Deel II). De penetratiediepte hangt af van de energie van de invallende elektronen en het type van substraat. Stoffen met een laag atomair nummer geven minder secundaire elektronen dan die met een hoog atomair nummer. Het belang van deze constatatie blijkt in volgend hoofdstuk bij het zoeken naar een beter poeder voor scherpstelling.

(a)

(b)

FIGUUR I.10 : (a) Elektronen - specimen interacties (b) Energiespectrum

27


Bovenstaande figuur geeft de belangrijkste interacties weer. Met behulp van Monte - Carlo simulaties kan men de elektronen trajecten simuleren [06]. Het energiespectrum van de geëmitteerde elektronen bevat secundaire elektronen (SE), ‘backscatterd’ elektronen (BSE), en Auger elektronen (AE). De elastisch gereflecteerde primaire elektronen komen naar voor in de piek met primaire elektronenenergie E = eU. Op enkele tientallen eV zijn er enkele pieken waarvan de relatieve ligging ten opzichte van E = eU afhangt van het materiaal en onafhankelijk is van de primaire energie. Deze kleine piekjes corresponderen met de inelastisch gereflecteerde primaire elektronen die een hoeveelheid energie verloren hebben via de creatie van plasmonen alvorens het oppervlak te verlaten. De meeste geëmitteerde elektronen hebben veel energie verloren en zullen corresponderen met de lage energiepiek tussen 2-5 eV. In de praktijk is het moeilijk een onderscheid te maken tussen de ‘echte’ secundaire elektronen en de inelastisch gereflecteerde elektronen. Het plateau in de grafiek is een mengsel van beide. Men kiest echter een grens op 50 eV zodat ‘echte’ secundaire elektronen deze zijn met een energie beneden de 50 eV. Verder zullen voor primaire elektronen beneden de 10 eV geen ‘echte’ secundairen meer gevormd worden omdat de meeste elastisch worden gereflecteerd. Voor voldoende secundaire elektronenvorming zal er een drempelenergie moeten worden overschreden. Met het oog op de EBL bespreken we het belangrijke effect van voorwaartse verstrooiing. Bij EBL penetreren de elektronen de fotogevoelige laag waarbij een deel van hen een verstrooiing onder een kleine hoek ondergaan. Dit kan resulteren in een breder bundelprofiel op de bodem van de laag dan aan de top. De toename van effectieve bundeldiameter (nm) vanwege voorwaartse verstrooiing in functie van de dikte van de resist Rt (nm) en de versnelspanning (kV) is weergegeven in de empirische formule : d f = 0.9( Rt / Vb )1.5 . Hoe dunner de resist en hoe hoger de versnelspanning, hoe lager de voorwaartse verstrooiing. Secundaire en Auger elektronen zijn zeer gevoelig voor elastische en inelastische verstrooiing waardoor ze steeds uit een extreem dunne oppervlaktelaag (enkele nm) uittreden. Inelastische verstrooing in halfgeleiders resulteert in de generatie van elektron-gat paren. Gebruik makend van een elektrisch veld, aanwezig in een depletielaag, kan men aan ladingsscheiding doen, wat resulteert in stroom - en ladingscollectie. (EBIC : electron-beaminduced-current). De minderheidsladingsdragers, die verantwoordelijk zijn voor de ladingscollectiestroom, diffunderen vanwege de aanwezige gradiënt. Hun concentratie n neemt exponentieel af met de afstand x. Bovendien is n −

x

afhankelijk van de diffusielengte L (1-100µm) : n ∝ e L Het omgekeerde fenomeen van generatie is recombinatie. In een extrinsieke halfgeleider kunnen elektronen en gaten recombineren via de energieniveaus van de gedoteerde atomen. Ze kunnen ook rechtstreeks recombineren door een directe sprong over de verboden zone (‘bandgap’) van conductie - naar valentieband. Recombinatie kan leiden tot emissie van licht, de kathodeluminescentie. 28


Het grootste deel van de primaire elektronenenergie dat verloren gaat gedurende het cascadeproces van inelastische verstrooiing is omgezet in roostertrillingen (fononen) of warmte. Gelukkig is in de meeste vaste stoffen de thermische geleiding voldoende hoog zodat de opwarming van het specimen geen serieus probleem vormt. Aan de hand van de verschillende soorten interacties van elektronen met het specimen kan men verschillende beelden vormen afhankelijk van het toepassingsgebied (zie 1.5).

1.4

Vacuümsysteem

Gedurende het ganse proces wordt er gewerkt in hoog vacuüm. Zo wordt ongewenste verstrooiing van de elektronenbundel met luchtmoleculen in de kolom vermeden. Voor thermionische bronnen volstaat een vacuüm van 10-6 Torr (1 Pa = 1 Nm-2 = 10-2 Torr). Het vacuümsysteem bestaat klassiek uit een olierotatiepomp en een oliediffusiepomp [07]. De rotatiepomp zorgt voor een voorvacuüm, waarna de diffusiepomp in werking treedt met het bereiken van hoog vacuüm tot gevolg. De overgang gebeurt door een kleppensysteem. De diffusiepomp wordt continu gekoeld met stromend water (2 l/min). We merken hier onmiddellijk op dat wanneer de SEM wordt uitgeschakeld dit best gebeurt net voordat deze het voorvacuüm heeft bereikt. Dit bevordert de levensduur van het kleppensysteem en gaat extra contaminatie in de kolom tegen.

1.5

Detectie en beeldvorming

FIGUUR I.11 : Detectie

29


1.5.1 Secundaire elektronenbeeldvorming (SE) De secundaire elektronenmode is de belangrijkste en meest gebruikte beeldvormingstechniek door de makkelijke elektronencollectie en hoge resolutie. Een positief geladen elektrode collecteert de uitgezonden secundaire elektronen (SE). Deze worden versneld in een potentiaal van +10 kV en gebombardeerd op een scintillator met de generatie van lichtvonkjes tot gevolg. De uitgezonden fotonen worden dan in een fotomultiplier (PMT) opgenomen, versterkt en omgezet in elektrische signalen die een topografisch beeld van het oppervlak vormen. Met de zeer kleine diepte waaruit elektronen exciteren worden zeer hoge resoluties van 5 nm bereikt. Jammer genoeg worden ook de inelastisch verstrooide elektronen gedetecteerd. Zij komen uit een groter volume en hebben dus een lager contrast. Dit wordt bovenop het SE contrast gesuperponeerd. Gelukkig zijn er technieken ontwikkeld om scheiding mogelijk te maken. De uitgezonden SE worden bijkomend vertraagd door het positief geladen specimenoppervlak en bijkomend versneld door een negatief geladen detector. Ze worden dus beïnvloed door het elektrisch veld tussen de gebieden met verschillende lading. Dit leidt tot een spanningscontrast. Negatief geladen gebieden zijn helderder dan de positief geladen gebieden. Dit zal in de vele SEM beelden die nog volgen duidelijk blijken. Toepassingen van dit voltagecontrast zijn vooral te vinden in de technologie van geïntegreerde schakelingen. Gebruikmakend van de visuele helderheid kan men de locale potentiaal opmeten. 1.5.2 ‘Backscattered’ elektronenbeeldvorming (BSE) In tegenstelling tot de secundaire elektronen bewegen BSE quasi rechtlijnig (FIGUUR I.11). Ze worden niet beïnvloed door het elektrostatische collectieveld. Hierdoor zullen de detectoren gemonteerd worden met een grote ruimtehoek voor detectie. Door die rechtlijnige beweging en de afhankelijkheid van BSE emissie met de helling van het oppervlak kan er een beter beeld gemaakt worden (met beter schaduweffect) bij kleinere vergroting dan bij de SE mode. De BSE hebben echter een grotere divergentie dan SE waardoor bij grotere vergroting er een slechte resolutie ontstaat door een tekort aan informatie (elektronen). Dit verklaart waarom we voor lithografie gebruik maken van de SE beeldvormende mode voor scherpstelling op sterke vergroting. 1.5.3 Andere We vermelden nog enkele andere beeldvormende technieken [08,09]: • Transmissie elektronen microscopie (TEM) In vergelijking met de secundaire elektronen beeldvorming bij de SEM wordt de microscopische structuur van het sample nu gevormd via elektronen die door het sample zijn gevlogen en de structurele informatie van het sample bevatten. 30


• • •

1.6

Electron Beam Induced Current (EBIC) Kathodeluminescentie (CL) X – stralen beeldvorming (EDAX)

Contrast

Het contrast van een SE beeld van een oppervlak wordt bepaald door volgende mechanismen : ¾ Contrast door ruimtehoek detector : de afhankelijkheid van de SE opbrengst δ horende bij de ruimtehoek φ van de detector. ¾ Schaduwcontrast : het verschil in opbrengst tussen de SE afkomstig van een azimuthaal vlak en het lage SE - signaal van punten achter een ophoping of uit een gat. ¾ Diffusiecontrast : toename van het SE - signaal door diffunderende verstrooide elektronen ¾ Materiaalcontrast ¾ Contrast door oplading ¾ Contrast door spanningsverschil ¾ Magnetisch contrast : de invloed van een extern magnetisch veld resulteert in een magnetisch contrast 1.6.1 Topografische contrasten De eerste drie mechanismen kunnen we best aantonen m.b.v. twee voorbeelden.

(a)

31

Deel I : Experimentele technieken (b)

FIGUUR I.12 : (a) stalen bol in SE - mode (c) kristal in SE - mode

(b) stalen bol in BSE - mode (d) kristal in SE - mode

Het ruimtehoek - en schaduwcontrast zijn te zien in FIGUUR I.12. De detector bevindt zich bovenaan. Het contrast tussen de bol en het vlak wordt volledig bepaald door de helling φ. Het schaduwcontrast is duidelijkst zichtbaar in de BSE - mode. Dit komt door de rechte banen die de BSE volgen zodat enkel de elektronen bovenaan de bol de detector bereiken. SE - elektronen daarentegen kunnen rond de bol diffracteren en de detector bereiken zodat er veel minder zwarting aanwezig is in het beeld. Schaduwcontrast is vaak noodzakelijk voor topografische beeldvorming. Voor het scherpstellen van de bundel is schaduwcontrast storend. Dit motiveert opnieuw de keuze voor SE beeldvorming nodig voor nauwkeurige scherpte wat cruciaal is voor EBL. Een typisch effect van diffusiecontrast is de toename van SE - emissie bij smalle oppervlakjes en aan grenzen. (a)

(b)

FIGUUR I.13 : (a) Schematische voorstelling van diffusie (b) Diffuse beelden van bollen met straal < R onder verschillende hoeken α

32


Noemen we R de penetratiediepte van de elektronen dan zal voor een bol met een straal groter dan R elk gescand oppervlakte element er uit zien als een vlak met toenemende emissie op de omtrek (FIGUUR I.12a,c) van het volume waarbij er een contrast door helling en schaduw optreedt. Wanneer we bolletjes met een straal kleiner dan R in beeld brengen ontstaat er een diffuus beeld (FIGUUR I.13b). Door zijn kleine straal zullen de SE afkomstig zijn uit het volledige volume van het bolletje waardoor meer SE worden gegeneerd uit het oppervlak (FIGUUR I.13a). Een analoog effect treedt op aan randen en scheuren. Gediffundeerde verstrooide elektronen die het specimen niet kunnen verlaten aan een vlak oppervlak kunnen dit wel aan een rand (FIGUUR I.13a). De toenemende SE - generatie aan de rand resulteert in een helderder gebied waardoor hoogteverschillen duidelijk zichtbaar worden. Dit zeer belangrijk effect zorgt voor een topografische beeldvorming van het oppervlak. 1.6.2 Materiaalcontrast Elementen met een hoger atomair nummer zullen door hun hogere dichtheid meer SE uitzenden dan die met een lager atomair nummer. Dit resulteert in een helderder en vaak scherper beeld (beter contrast). Om deze reden zijn we voor het scherpstellen bij een hogere versnelspanning overgeschakeld van zeoliet naar het zwaardere ZnO (Deel 3). 1.6.3 Oplading - en spanningscontrast

(a) FIGUUR I.14 : (a) Vervorming van het E-veld door oplading (b) SE beeld van oplading - en spanningscontrast

(b)

FIGUUR I.14b toont een typisch voorbeeld van hoe een SE beeld kan worden

beïnvloed door een negatieve oplading van een stofdeeltje op een geleidend oppervlak. Het stofdeeltje is erg helder door de toenemende emissie van SE op

33


het ruwe oppervlak. De negatieve lading van het stofdeeltje zorgt voor een vervorming in het elektrisch veld (FIGUUR I.14a). Elektronen bewegen, door hun negatieve lading, steeds in tegengestelde richting van het elektrische veld. Elektronen rond het oppervlak van het stofdeeltje bewegen van het deeltje weg waardoor er rond dit deeltje een geïnduceerd positief gebied ontstaat. Dit gebied zendt geen SE meer uit waardoor een zwart beeld verschijnt. Er ontstaat dus een duidelijk verschil in contrast tussen een positief en een negatief geladen gebied. Dit effect noemt men spanningscontrast. Het is duidelijk dat contrast door oplading en spanningsverschil meestal samengaan. 1.6.4 Magnetisch contrast Dit treedt op bij materialen met een verschillende magnetische gebieden zoals ferro - , ferri - , en antiferromagnetische materialen. De verschillende magnetische gebieden hebben een verschillend effect op de SE, wat kan aanleiding geven tot contrast. Dit is in het verdere verloop van minder belang.

1.7

Scannend systeem

In ons onderzoek maken we enkel gebruik van de PIC – mode [10]. Dit is de gebruikelijke mode voor beeld observatie [11]. Er zijn vier mogelijkheden om een beeld te bekijken afhankelijk van de scansnelheid (tijd nodig om één beeld op te nemen). Snelheid Scansnelheid

EXP 0.22 sec

SLOW 1 0.33 sec

SLOW 2 10 sec

TV 16.6 msec

In de lithografie is vooral de scherpte en de daarbij horende afregeling van het astigmatisme van belang. Tot op zekere vergroting kan dit met het TV - beeld maar bij zeer grote vergrotingen (> 7500X) moet er overgeschakeld worden naar het EXP - beeld. Dit beeld scant net snel genoeg zodat het oog onmiddellijke astigmatisme veranderingen detecteert. Bovendien is het beeld kleiner, wat het voor het oog makkelijker maakt te focusseren op scherpte. Het SLOW1 - beeld wordt gebruikt voor het opnemen van een beeld op een PC.

34


2.

Structurele karakterisatie : AFM (Atomic Force Microscopy)

De succesvolle STM (Scanning Tunneling Microscopy), in 1986 uitgevonden door Gerd Binnig en Heinrich Rohrer, leidde tot de uitvinding van andere ‘scanning probe’ microscopen [12,13,14]. Binnig stelde zich de vraag of er geen gebruik kon gemaakt worden van een kracht in plaats van een tunnelstroom voor het aftasten van het oppervlak. De ontdekking van de mogelijkheid van het ontwerpen van een cantilever die een zwakkere kracht uitoefent op het oppervlak dan deze aanwezig tussen twee atomen legde de basis tot de ontwikkeling van de AFM. AFM wordt in deze thesis vooral gebruikt voor dikte en hoogte bepalingen en om de kwaliteit van de geschreven patronen te testen. AFM wordt hiervoor steeds in contact mode gebruikt. We vermelden kort de non – contactmode.

2.1

Technische details

Het gebruikte toestel is een TopoMetrix TMX2010. Behalve AFM metingen bevat het toestel de mogelijkheid tot STM (Scanning Tunneling Microscopy), MFM (Magnetic Force Microscopy) en SEPM (Scanning Electrostatic Potential Microscopy). De mechanische sturing en de bewerking van de topografische beelden gebeurt met het bijgeleverde softwarepakket TopoMetrix SPMLab 4.0. 35


2.2

Principe

Het principe van de AFM is het meten van de krachten (Van der Waals - kracht, eventueel ook Coulomb- en magnetische interacties) tussen tip en sample. Wanneer de tip voldoende dicht bij het oppervlak is gebracht, ontstaat er een aantrekkende kracht. Een aantal lange afstandskrachten zoals de Van der Waals - kracht zijn aan het werk [15]. Wanneer de tip zéér dicht bij het oppervlak komt overlappen de orbitalen van de atomen op het oppervlak en op de tip met elkaar, met afstoting tot gevolg. Naarmate de afstand verkleint nemen de afstotende krachten toe zodat ze de aantrekkende neutraliseren en zelfs domineren (FIGUUR I.15 ).

FIGUUR I.15 : Kracht versus afstand

In vaste stoffen vinden we typische vibrationele frequenties van de orde ω ≈ 1013 Hz en atomaire massa’s van de orde m ≈ 10-25 kg. Uit k = mω² volgen veerconstanten van de orde 10 N/m. Cantilevers met een veerconstante van de orde 0.1-1 N/m zijn echter technologisch te vervaardigen. Met andere woorden, de tip zal het oppervlak niet beschadigen en wordt als scannende probe gebruikt. De doorbuiging van het cantilever tijdens het scannen is een maat voor de topografie van het oppervlak.

2.3

Componenten

Onafhankelijk van de oorsprong en soort van de kracht (elektrostatisch, magnetisch,…), bestaan alle ‘Scannende Probe’ microscopen essentieel uit vijf componenten : 1. 2. 3. 4. 5.

scherpe tip gemonteerd op de cantilever meting cantilever - doorbuiging feedback systeem mechanisch scanning systeem beeldvormend systeem 36


2.3.1 Scherpe tip gemonteerd op een cantilever De eerste AFM’s maakten gebruik van een met de hand gefabriceerde cantilever. Hiervoor gebruikte men een stukje goudfolie van ongeveer 1 mm lang. Een smalle diamanten punt op de folie diende als tip. Vandaag de dag worden meer gesofisticeerde cantilevers gefabriceerd uit silicium, siliciumoxide of siliciumnitride. Voor de ontwikkeling maakt men gebruik van fotolithografische technieken zoals in de IC - productie. Deze geven een typische laterale dimensie van om en bij de 100 micron met een dikte van ongeveer 1 micron. De uitgeoefende kracht op het specimen ligt tussen 0.1–1 N/m. De cantilevers worden met geïntegreerde tip geleverd. Eén van de beste krachtsensoren voor magnetisch en elektrostatisch beeldvorming is gemaakt van fijne elektrochemisch geëtste W - draden. Puntgrootten van minder dan 500 A° zijn niet uitzonderlijk. 2.3.2 Meting cantilever - doorbuiging Een zeer kritische component van de AFM is de sensor. Deze detecteert de doorbuiging van de cantilever. In principe heeft de sensor een subangström gevoeligheid nodig en dient het detectiesysteem bovendien de cantilever minimaal te verstoren. Uit de STM - ervaring weten we dat een sensor gebaseerd op elektronentunneling, uitstekende resultaten boekt. Aangezien de tunnelstroom afhankelijk is van de afstand, en dit met een extreme gevoeligheid, kan deze techniek leiden tot uitstekende detectie. In de meeste AFM’s wordt gebruik gemaakt van optische detectie. We onderscheiden twee basistypes : ‘Beam’detectie Interferometrie Beide methodes zijn in staat cantilever afbuigingen op te meten van de orde van 0.1 Å.

FIGUUR I.16 :

(a)

(b)

(a) ‘Beam’ detectie (b) Interferometrie

37


‘Beam’detectie (FIGUUR I.16a) In een typische ‘Beam’detectie AFM, wordt er licht van een diode laser gereflecteerd door een spiegelend cantilever oppervlak. Een fotodetector detecteert de richting van het gereflecteerde licht. Uit de hoek die het gespiegelde laserlicht maakt t.o.v. de oorspronkelijke laserbundel wordt de afbuiging bepaald. Interferometrie (FIGUUR I.16b) Eén van de grote voordelen van interferometrie is het gebruik van niet spiegelende cantilevers. Dit is vooral belangrijk voor elektrostatische en magnetische beeldvorming. Meestal worden fijne niet spiegelende draden als cantilever gebruikt. Vooral in de non-contact mode is deze techniek van toepassing. 2.3.3 Feedbacksysteem Het AFM feedback circuit controleert de beweging van de z – piëzos en de z – data toevoer. Er zijn twee basis AFM feedback methoden : ¾ één gebaseerd op een niet - oscillerende probe ¾ één gebaseerd op de fase en/of amplitudeverandering van een oscillerende cantilever systeem

(a) FIGUUR I.17 :

(b)

(a) Feedbacklus voor een niet oscillerende probe (b) Feedbacklus voor een oscillerend cantilever

Niet - oscillerende probe De sensor output wordt gebruikt voor het aanpassen van de z – piëzoëlektrische keramiek en voor het generen van de z – data. (FIGUUR I.17a)

38


Oscillerende probe De veranderingen in fase en/of amplitude geassocieerd met een oscillerende tip nabij het sample wordt gebruikt voor het controleren van de feedback lus in de AFM. De oscillerende fotodetector output wordt vergeleken met de input oscillatie via een fase blokkerende lus (FIGUUR I.17b). De output is evenredig met de veranderingen in fase en/of amplitude en wordt gebruikt voor de feedback naar de z – piëzoëlektrische keramiek en voor het genereren van de z – data. 2.3.4 Mechanisch scanningsysteem

Het mechanische scanningsysteem bestaat net als bij de STM uit piëzoëlektrische materialen die lineair uitzetten met de aangelegde spanning. Zij verplaatsen het sample terwijl de stilstaande tip scant.

FIGUUR I.18 : Scannende systeem

2.3.5 Beeldvormend systeem Het beeldvormend systeem converteert de gemeten data in een topografisch beeld [16]. De omzetting van de analoge informatie naar digitale gebeurt met een DAC (Digitaal naar Analoog Convertor). Deze digitale informatie wordt nu doorgestuurd naar speciaal ontworpen software die de pixels genereert en een beeld vormt.

2.4

Modes

2.4.1 Contactmode De AFM werd in dit werk voornamelijk gebruikt voor dikte - en hoogtebepalingen van profielen [17]. Dit gebeurde in de contactmode waarbij er fysiek contact is tussen tip en oppervlak. Principieel is de AFM in deze mode analoog aan de klassieke profilometers zoals de Talystep voor hoogtebepaling. Het verschil met deze klassieke profilometrie ligt in de extreem lage kracht uitgeoefend op het oppervlak, met minimale vervorming als gevolg.

39


2.4.2 Non – contactmode In deze mode bevindt de tip zich 10 tot 100 nm van het oppervlak. Er is interactie tussen tip en specimen door de lange afstand krachten zoals Van der Waals, magnetische of Coulomb interacties. Deze krachten zijn extreem zwak waardoor de afbuiging van het cantilever te miniem is voor detectie. Informatie haalt men uit de veranderingen van de resonantiefrequenties van de cantilever ten gevolge van de lange afstandsinteracties. Men laat de cantilever vibreren bij ∂Fz zijn eigenfrequentie. Bij inwerking van een kracht zal de gradiënt zorgen ∂z voor een verandering in de veerconstante en dus de resonantiefrequentie. Zij k0 de natuurlijke veerconstante dan kunnen we de effectieve veerconstante ∂F schrijven als k = k 0 + z . Meting van de amplitude en fase van de trilling stelt ∂z ons in staat veranderingen van de resonantiefrequentie en dus de effectieve veerconstante te bepalen. Dit levert de nodige informatie voor een nauwkeurige topografische beeldvorming. Toepassingen van non – contact mode zijn EPM en MFM.

40


3. Vorming van dunne lagen 3.1

Foto – resist spinner

3.1.1 Technische details Het labo beschikt over een toestel van het type EC101, te verkrijgen bij de firma ‘Headway Research Inc.’ . Het roterend dynamisch systeem vereist een vacuüm van 23’’ Hg. De maximale rotatiesnelheid is 10000 toeren/minuut gedurende maximaal 120 seconden. 3.1.2 Principe en werking De foto – resist spinner bestaat uit drie componenten : o dynamische component o vacuümpomp o module voor duur - en toerentalregeling Het dynamische deel bestaat uit een roterende cilinder voorzien van een rubberen ring met een centrale opening. Het specimen wordt bovenop de rubberen ring geplaatst. Uit veiligheidsoverwegingen wordt de rotatiebeweging pas in gang gezet wanneer er voldoende vacuüm aanwezig is tussen specimen en cilinder. Zo blijft het specimen bevestigd gedurende de roterende beweging.

41


Een klassieke rotatiepomp verzorgt het vacuüm. De bijgeleverde module maakt regeling van de rotatiesnelheid en - duur mogelijk.

3.2

Depositie van dunne lagen d.m.v van sputteren

3.2.1 Technische details We maakten gebruik van het model SCD 030 met een goud target ontwikkeld door de Balzers groep. 3.2.2 Principe en werking

FIGUUR I.19 : Sputter principe

Sputteren is het verstuiven van materiaal op een substraat door ionenbombardement op een vaste stof, het target, in hoog vacuüm. Het hoge vacuüm wordt bereikt met een klassieke diffusiepomp. De target fungeert als kathode terwijl het substraat de anode vormt. Na het bereiken van het gewenste vacuüm wordt er een kleine hoeveelheid gas (meestal edelgas, bvb. Ar) in de kamer gebracht. Het proces wordt gestart na het aanleggen van een sterk elektrisch veld tussen anode en kathode. Er ontstaat een gasontlading die de gasmoleculen ioniseert. We maken gebruik van het edelgas argon. De Ar+-ionen 42


bombarderen het target (Au) waardoor Au–atomen worden losgeslagen. De losgeslagen Au–atomen die het substraat bereiken condenseren op dit substraat. Dit geeft aanleiding tot vorming van een dunne Au - film. Om de gasontlading intenser te maken wordt er vaak gebruik gemaakt van een magnetisch veld. De magnetische configuratie is zodanig geconstrueerd dat het plasma dicht bij het targetoppervlak gevangen blijft. Het is aangeraden pas te sputteren nadat een vacuüm van minstens 5.10-2 mbar is bereikt en bij een afstand tussen substraat en target van ongeveer 50 mm. Het functioneel verband tussen de sputtertijd en de dikte van de gedeponeerde goudlaag hebben we tijdens het onderzoek bepaald. TABEL I.3 geeft de kalibratie van dikte versus tijd weer. Hierbij merken we op dat de diktebepaling van de laag gebeurd is met een Talystep profilometer. Dit is een snelle en eenvoudige manier van diktebepaling maar bezit een fout van ± 3 nm. De calibratie gebeurde bij een instelhoogte van 6,1. De instelhoogte wordt afgelezen onderaan de beweegbare tafel. Vooreerst wordt er een vacuüm gezogen van 0.08 mbar. Alvorens het sputterproces in werking wordt gebracht dient er een hoeveelheid gas tot een druk van ongeveer 0.115 mbar te worden ingebracht. Tijd (sec) 15 28 90 123 162 208 248 280

Dikte (nm) ±5 ± 15 ± 35 ± 45 ± 55 ± 70 ± 88 ± 100

Kalibratie Sputtermachine

tijd (sec)

Timer stand 0.25 0.5 1 2 3 4 5 6

300 250 200 150 100 50 0 1

2

3

4

5

6

7

8

dikte (nm)

TABEL I.3 : Calibratie SCD 030

Vooral de snelheid waarmee enkele tientallen nm’s goud nauwkeurig kunnen worden gedeponeerd maakt deze techniek nuttig in gebruik.

43


44

Deel II Theoretische beschouwingen We leggen hier een theoretische basis waarop de experimentele methodes gebaseerd zijn. Met een literatuuroverzicht motiveren we het gebruik van PMMA als elektronen gevoelige laag. We bespreken bovendien de invloed van elektronen op PMMA. Vervolgens bespreken we de theorie waarop de ontwikkelde software is gebaseerd. Tenslotte lichten we, met een korte literatuurstudie, het oplosproces en het principe van ‘lift off’ toe.

Deel II :Theoretische beschouwingen

1

Polymethyl methacrylaat (PMMA)

Bij bepaalde stralingsgevoelige stoffen wordt de chemische structuur gewijzigd wordt door belichting (elektronen, fotonen,...). Doorgaans zijn dit polymeren opgelost in een vloeibaar oplosmiddel. In de lithografie kunnen we doorgaans twee soorten onderscheiden : Fotongevoelige stoffen, gebruikt in de optische lithografie. Elektronengevoelige stoffen, zoals PMMA, gebruikt voor elektronenbundellithografie.

1.1

Inleiding

De eerste elektronenlithografische machines, gebaseerd op SEM, kwamen op de markt eind jaren ’60. Kort daarna kwam de ontdekking van het polymeer PMMA (polymethyl methacrylaat), een uitstekend “elektronen – gevoelig” materiaal. PMMA staat in de volksmond bekend als “plexiglas”. Het wordt reeds jaren in laagvorm gebruikt als hoge resolutie resist in EBL. Het is opmerkelijk dat zelfs vandaag, ondanks de enorme technologische vooruitgang, PMMA nog steeds de meest gebruikte resist is bij EBL (zie 1.3). De elektronenbundellithografie resolutielimiet ligt steeds hoger dan de bundeldiameter zelf door enerzijds de resolutielimiet van de resist zelf en anderzijds de elektroneninteracties met de vaste stoffen (zie 1.2). Opgelost PMMA is verkrijgbaar in verschillende moleculaire gewichten. De meest courante moleculaire gewichten zijn : 950 K, 496 K, 120 K en 50 K opgelost in chloorbenzeen. Het effect van het moleculair gewicht op de resolutie is veelvuldig onderzocht en gepubliceerd. De intrinsieke resolutielimiet van PMMA is tot nog toe algemeen aanvaard op 10 nm. Recent werk suggereert echter de mogelijkheid tot het creëren van lijnen met een dikte van 6 nm [25].

1.2

Invloed van elektronen op PMMA

Literatuuroverzicht CHEMISCH PROCES

FIGUUR II.1 : Invloed van elektronen op polymeerkettingen

47


In bijna alle gevallen van EBL maakt men gebruik van positief PMMA vanwege zijn hoge resolutie. Tijdens elektronenbundelbelichting van positief PMMA breken de lange moleculaire kettingen op in kortere. Het belichte gebied krijgt daardoor een lager moleculair gewicht en dus een lagere dichtheid. Het oplosmiddel is sterk selectief voor deze belichte gebieden en de daarbij horende kortere kettingen.

FIGUUR II.2 : (a) (b)

(i) indirect proces, breking van de ester groep (ii) direct proces Ontstaan van macromoleculen door ontvreemding van een H

FIGUUR II.2a toont de breking van de polymeerkettingen. De radicalen die hier

gevormd zijn kunnen verdere decompositie ondergaan, waarbij ze CO, CO2, … uitstoten, of recombineren met andere radicalen. De breking van de methyl ester groep (FIGUUR II.2a(i)) blijkt het belangrijkste proces. Pad (ii), een directe splijting van de polymeerkettingen in radicalen, is van minder belang [20]. De chemische binding in de polymeerketting kan ook gewijzigd worden door ontvreemding van een waterstofatoom H. Bij 300 K blijkt de mobiliteit en de levensduur van de macromoleculaire radicalen voldoende groot opdat recombinatie mogelijk wordt. Deze reactie is belangrijk bij zeer hoge dosisconcentraties (polymerisatie) [21] (zie 5.6). Greeneich [22] stelde een empirische formule op die het effect van moleculaire gewichten op belichte gebieden weergeeft :

48


Mf =

M0 Mf g ε ρ A0

: : : : : :

M0 1 + gε M 0 / ρ A0

het initiële moleculaire gewicht het moleculair gewicht na belichting de brekingsefficiëntie van de ketting de energiedepositie in de resist (dosis) de dichtheid van de resist het getal van Avogadro

De constanten g en ρ zijn kenmerkend voor het moleculair gewicht. We bekomen zo, na berekening van de energiedepositie ε, het gemiddeld moleculair gewicht Mf na belichting. Het berekende gemiddelde moleculair gewicht Mf versus de dosis van belichting is weergegeven in FIGUUR II.4.

FIGUUR II.4 : Het gemiddeld gefragmenteerd moleculair gewicht Mf i.f.v. de dosis

Naarmate de dosis toeneemt daalt het moleculaire gewicht van de belichte (gebroken) polymeerkettingen. Bij een belichting van 150 µC/cm² is het moleculair gewicht gedaald tot minder dan 1 % van zijn initiele waarde. Uit FIGUUR II.4 blijkt bovendien dat hoe lager het moleculair gewicht, des te makkelijker het oplost en des te hoger de geëtste diepte. Dit theoretisch “berekende ketting” - model is perfect toepasbaar voor eenvoudige patronen in een monolaag. Dit model voorspelt dat voor vier lagen met verschillende moleculaire gewichten de gevoeligheid en het gemiddeld gefragmenteerd moleculair gewicht Mf, op 10 % na, gelijk blijven. Vergelijken we de twee 49


lichtste, 50 K en 100 K, dan blijkt dit experimenteel mooi te kloppen en analoog voor de twee zwaarste, 496 K en 950 K. Bij vergelijking tussen een zware en een lichte daarentegen schiet de theorie echter tekort : experimenten tonen een duidelijk verschil in ‘etching’ (ontwikkelingstempo) voor eenzelfde dosis in 950 K en 50 K PMMA [23] (FIGUUR II.4). De morfologie van het oplosmiddel in de 950 K resist is sterk verschillend van die in de 50 K resist. De gezwollen structuur van de 950 K belichte resist suggereert dat een deel van de omringende lange kettingen verwikkeld raken met de korte. Deze opzwelling is experimenteel vast te stellen door het opnemen van een latent beeld (zie 5.7). Greeneich [22] ontdekte verder dat het PMMA oplost vanaf een gefragmenteerd moleculair gewicht Mf < 5 x 104 . De experimentele resultaten tonen duidelijk aan dat de Mf van de resist zijn prestaties beïnvloed [19]. Dit is een cruciaal gegeven voor het fabriceren van nano - technologische structuren zoals lijnen. Voor resist met laag moleculaire gewicht is de lijn tot lijn resolutie (minimale afstand tussen twee lijnen) sterk gelimiteerd door het ‘etching’ contrast tussen de lijnen. De opzwelling die ontstaat bij hoog moleculair gewicht zorgt als het ware voor een afscherming van de resist tussen de belichte lijnen, waardoor de lijn tot lijn resolutie veel hoger ligt. Metingen van de LSF’s (Lijn Spreiding Functies) in de verschillende moleculaire gewichten geven ons een idee van de haalbare lijn tot lijn resolutie [23]. Uit experimenten blijkt dat dichte rasterpatronen met een periode van 50 nm tussen de lijnen niet mogelijk zijn in 50 K PMMA, maar wel voor 950 K PMMA. In optimale omstandigheden en optimale dosis is men er in geslaagd sub – 20 nm geïsoleerde lijnen te definiëren. Dit motiveert de keuze van positief 950 K PMMA als toplaag voor EBL. LIJNVERBREDING In een eerste poging een model op te stellen wordt verondersteld dat de verbreding van de patronen het gevolg is van voorwaartse verstrooiing van de invallende elektronen. Men noemt dit het ‘proximity’ effect (zie 5.1). Verder wordt verondersteld dat de elektronenbundel distributie Gaussiaans is. Broers verkreeg een standaard deviatie σ variërend tussen 7.8 en 9.8 nm [28]. Hij concludeerde dat de minimum lijnbreedte in PMMA is gelimiteerd door σ. Experimenten leveren vergelijkbare lijnbreedtes op [19]. De dosis, nodig voor het bereiken van die minimale lijnbreedte, is echter afhankelijk van het moleculair gewicht. De dosis kan toenemen met een factor 10 bij de overgang van hoge moleculaire gewichten naar lage. Dit is door een toename in enerzijds de gevoeligheid en anderzijds het oplossingstempo bij een dalend moleculair gewicht. Dit verschil in gevoeligheid gebruiken we in het principe van multi – lagen (meestal 2), nodig voor succesvolle ‘lift off’ (4). Vergelijken we lijndosissen met puntdosissen (oppervlakte dosis) dan verkrijgen we : ∞

lijndosis =

∫ opp.dosis(C / cm²)dy

−∞

50


Voor een Gaussiaanse distributie ontvangt de resist, op een afstand x van het centrum van de lijn, een dosis : x²

Opp.dosis ( x) =

lijndosis − 2σ ² e σ 2π

met σ als de standaarddeviatie van de distributie. Noemen we Dt de drempelwaarde voor de oppervlaktedosis nodig voor een volledige ontwikkeling van het polymeer (kritische dosis) en w de lijnbreedte behorende bij een zeker lijndosis, dan volgt w²

Dt =

lijndosis − 8σ ² e σ 2π

⇒ w² = 8σ ² ln(lijndosis ) − 8σ ² ln(σ 2π Dt ) FIGUUR II.3 toont het functioneel verband tussen w² en het logaritme van de lijndosis. Snijding met de x – as (w²=0) levert :

Dt =

lijndosis ( w² = 0) σ 2π

FIGUUR II.3 : w² i.f.v. de lijndosis

Uiteraard zal ook de dikte van de laag de kritische dosis Dt beïnvloeden. Men is er in geslaagd de waarde Dt voor vlakken in een laag van 200 nm 950 K PMMA theoretisch te bepalen [19]. De berekende waarde komt zeer goed overeen met de experimenteel vastgestelde waarden uit Deel 4 : Dt = ± 200 µC/cm².

51


CONTRAST De hoge resolutie van het PMMA wordt bepaald door verschillende factoren zoals het contrast γ. Voor een positieve resist is het contrast gedefinieerd door : 1 met Di de maximale dosis waarbij de resist na ontwikkeling γ= Df log Di onveranderd blijft en Df de minimum dosis (kritische dosis) die nodig is voor een volledig ontwikkeling van de resist (tot op het silicium). Hoge contrast resists bezitten de mogelijkheid tot het vormen van kleine, dichte en goed gedefinieerde patronen. Het uiteindelijk bereikte contrast is bovendien afhankelijk van het oplosmiddel (3). Een derde factor die de resolutie beïnvloedt zijn de interacties tussen de elektronen en het specimen. Het is niet de bundeldiameter die een limiet is voor de resolutie maar wel de elektroneninteracties met de vaste stof zoals de voorwaartse en achterwaartse verstrooiing van de elektronen. NEGATIEVE RESIST We vermelden bovendien het bestaan van negatief PMMA resist. Belichting van negatieve resist heeft een aaneenschakeling van polymeerkettingen tot gevolg, wat hen minder gevoelig maakt voor het oplosmiddel. In tegenstelling tot de positieve resist lost het NIET belichte deel op. Op die manier ontstaat de mogelijkheid tot het maken van maskers. De optische lithografie gebruikt deze maskers voor de massaproductie van wafers. Het grote nadeel van negatief PMMA is zonder meer de lage resolutie. In dit proefschrift komt dit niet verder aan bod. Samengevat Wanneer we een positieve resist belichten met verschillende dosissen, de patronen ontwikkelen en de gemiddelde overblijvende filmdikte uitzetten versus de dosis, verkrijgen we onderstaande grafiek (FIGUUR II.5a).

FIGUUR II.5 : (a) Positieve resist (b) Negatieve resist

52


De gevoeligheid van de film is gedefinieerd als het punt waar alle film is verdwenen. In het ideaal geval gaat de filmdikte plotseling over van zijn initiële maximale dikte tot dikte nul. In de praktijk ontstaat er echter een helling waarlangs de dikte afneemt (‘slope’). Deze helling bepaalt het hierboven gedefinieerde contrast γ. Voor een negatieve resist, waar de belichte film blijft behouden, geldt een analoge betrekking voor het contrast weergegeven in FIGUUR II.5b. De ideale fotogevoelige film voor EBL heeft :

-

een hoge resolutie lage Df, dus een hoge elektronen gevoeligheid groot contrast, dus Di ≅ Df.

Jammer genoeg gaat een hoge resolutie meestal samen met een lage gevoeligheid. De reden voor deze trend kunnen we begrijpen met volgend gedachtenexperiment. Veronderstellen we een fictieve, zeer gevoelige resist met een kritische dosis van 0.1 µC/cm² en een te belichten pixel (vierkantje) met zijde van 0.1 µm. Er zijn dan slechts 62 elektronen nodig voor het bereiken van de kritieke dosis van de pixel [24]. Drijven we de gevoeligheid op dan zal het aantal elektronen in de pixel verder afnemen. Vanwege dit kleine aantal zullen zelfs de kleinste afwijkingen in de bundel (# elektronen) zorgen voor enorme veranderingen in de dosis van het pixel. Een homogene belichting van een patroon wordt dan onmogelijk. Anders gezegd, wanneer we de pixelgrootte laten afnemen zal de resist minder gevoelig moeten worden gemaakt om statistische variatie in de bundel (en dus belichting) te vermijden. PMMA blijkt een goede kandidaat.

1.3

Toekomst

Een nieuwkomer in de positieve resists, met toekomst voor de EBL, is de ZEP – 520 ontwikkelt door Nippon Zeon Co. ZEP. Deze bestaat uit een co - polymeer van chloormethacrylaat en methylstyreen. Bij een versnelspanning van 25 kV heeft ze een gevoeligheid tussen de 15 en 30 µC/cm². Dit is een grootteorde beter dan PMMA. De resolutie is bovendien zeer hoog (bijna zo hoog als die van PMMA). Lijnen met een dikte van 10 nm op een afstand van 50 nm van elkaar, zijn gefrabriceerd met deze resist. Het prijskaartje en de etsweerstand zijn nadelen t.o.v. PMMA.

53


2

Dosisbepaling

FIGUUR II.6 : Schematische voorstelling dosisbepaling

Het belichten van een bepaald gebied gebeurt door de elektronenbundel een bepaalde tijd op een bepaald oppervlak te laten stilstaan. Dit oppervlak noemen we een ‘CEL’ (blauw). Deze cel is vierkant van vorm en heeft een zijde nx. Tijdens het schrijven zal de elektronenbundel gedurende een fractie van een seconde (t, bepaald door de schrijffrequentie) blijven stilstaan in het midden van iedere cel. Voor het leveren van verschillende dosissen zullen de celgroottes moeten worden berekend en aangepast in de software. We bespreken nu het algoritme dat hiervoor gebruikt wordt. Veronderstel het tekenen van een lijn bij een vergroting van 500. Bij een dergelijke vergroting heeft het scangebied een oppervlak van 260µm x 260µm . Technische details De DAC - kaart (Digitaal naar Analoog Convertor) is van het merk Data Translation, type 3016. Het is een 16-bit kaart met een maximum frequentie van 250 kHz. Ze kan zowel als DAC als ADC - kaart gebruikt worden. De DAC - kaart heeft een resolutie van 216 (16-bit). Bij een vergroting van 500 heeft de kaart dus de mogelijkheid 216 x 216 pixels te plaatsen in een vierkant van 260µm x 260µm of nog :

54


216 = de resolutie, het maximum aantal punten (pixels) die in één dimensie op een scherm kunnen geplaatst worden = maximum aantal punten (pixels) op één lijn M.a.w. bij deze vergroting hebben we een minimale pixel lengte van 260 µm pixel lengte = ------------ = 3.967285 nm ≈ 4nm. 216 Dit komt overeen met de grootte van de zijde van één pixel (FIGUUR II.6) en is de maximale adresseringsresolutie. Deze resolutie komt overeen met de verschillende spanningswaarden die de DAC - kaart kan aannemen tussen twee piekwaarden (typische trapfunctie). Het spanningsbereik ligt voor de gebruikte DAC tussen -10 V en 10 V. Een resolutie van 216 komt overeen met 216 onderverdelingen tussen -10 V en 10 V. 20 ⇒ spanningsresolutie = ----- = 0.3 mV 216 Uit de definitie van dosis, zijnde de hoeveelheid lading gedeponeerd per eenheid van oppervlak, volgt : lading cellading Q dosis = ----------- = --------------------------- = ----------------------------------------------------opp. oppervlak van 1 cel # pixels per cel * oppervlak van 1 pixel met

cellading Q # pixels per cel oppervlak 1 pixel

⇒

= I. t = nx² = (260 µm)²/(216)²

I .t.(216 ) 2 dosis = nx ².(260 µ m)²

De cellading (lading per cel) Q = I.t met I = bundelstroom [A=C/s] t = belichtingstijd [s] = de lading die in het midden van de cel wordt afgezet gedurende tijd t De belichtingstijd is afhankelijk van de frequentie waarmee de DAC - kaart werkt. Deze heeft een maximum frequentie van 250 kHz. Dit komt dus overeen met een minimale belichtingstijd t = 1/250000 = 4 . 10-6 s = 4 µs. Deze minimale schrijfsnelheid van 4 µs blijkt in de praktijk met de beschikbare Pentium 500, 128 MB RAM niet haalbaar. De rekentijd nodig voor één pixel

55


blijkt hoger te liggen dan de schrijfsnelheid bij 250 kHz waardoor de buffer sneller wordt geledigd dan aangevuld. Een ‘buffer underrun’ is onvermijdelijk. Alternatief Deze problemen bij ‘real time processing’ kunnen eventueel vermeden worden door het rekenwerk vooraf te doen en op te slaan in een tekstbestand of door het gebruik van een snellere PC. We laten in het rekenalgoritme in Delphi (.dll) de resultaten naar een bestand schrijven i.p.v. rechtstreekse doorvoer naar Labview. Dit bestand roepen we op in Labview die de buffers nu sneller opvult en de DAC - kaart bedient. De maximale grootte van dit bestand (alle pixels worden berekend) is 216.216 = ± 4GB. In de praktijk gebruiken we meestal minder dan 10% van het totale veld. Met een eenvoudig compressieprogramma kan de grootte nog verder worden gecomprimeerd. Decomprimeren is een snel proces zodat de buffers zeer snel worden opgevuld en er geen ‘buffer underrun’ ontstaat. In de praktijk zijn we echter ‘real time’ blijven werken bij 150 kHz, dus met belichtingstijd t = 6.66 µs ⇒ cellading = I . 6,66 µs

⇒

I .6, 66µ s.(216 ) 2 dosis = nx ².(260 µ m)²

Zowel de stroom I als de dosis zijn gegeven. De software berekent dan de lengte van de zijde van de cel nx . Met andere woorden, de software berekent de afstand (#pixels) tussen twee opeenvolgende plaatsen waar de bundel moet stilstaan (zwarte bolletjes, FIGUUR II.6) om een gegeven dosis bij een gegeven stroom te bereiken met de formule :

⇒

I .6, 66µ s.(216 ) 2 I ≅ nx = .cte dosis.(260µ m)² dosis

We zien dat de afstand tussen twee belichtingspunten toeneemt voor stijgende stroom I en afneemt met toenemende dosis. Principeschema FREQUENTIE, ν

⇒ LADING PER CEL,Q

BUNDELSTROOM, I GEWENSTE DOSIS

56

⇒ AFMETING nx V/D CEL


Deze data worden naar de DAC gestuurd die ze vertaalt in spanningen nodig voor de afbuiging van de bundel (positionering) tijdens het schrijven. Het is aangeraden eerst een simulatie te doen als test. Bovendien kan men hiermee de duur van het proces bepalen. AFMETING nx V/D CEL OPPERVLAKTE FIGUUR

⇒ # CELLEN PER FIGUUR TIJD PER CEL nl. 6,66 µs

⇒ SCHRIJFTIJD

Voorbeeld We wensen een rechthoek met oppervlakte 250X250 [µm]² een dosis 180 µC/cm² te geven bij een stroom I = 100 pA. Eén cel krijgt dan een lading Q = I.t = 100.10-12 C/s . 6,66.10-6 s = 6,66.10-16 C.

⇒

6, 66.10−16.(216 )2 nx = 180.10−6.(260.10−6 )².10000

⇒

nx = 4.8485 ≈ 5

⎡ ⎤ ⎢ C ⎥ ⎢ C ⎥ ⎢ cm ² ⎥ ⎣ cm² ⎦

Met nx de afstand tussen twee belichtingspunten uitgedrukt in pixels.

⇒

⇒

# cellen =

A A 250* 250.10−12 = = = 158837547,9 opp _1_ cel (nx .afmeting _ pixel )² ⎛ 260.10−6 ⎞ 2 ⎜ 5. ⎟ 216 ⎠ ⎝

schrijftijd = # cellen * [tijd / cel ] = 158837547.9* 6, 66.10−6 s = 1057.858s 1058s 17, 5 min

In de praktijk hebben we, bij een versnelspanning van 30 kV en een minimale werkafstand, te maken met een bundel van 5 nm. Vanwege de specimeninteractie heeft het geen zin een pixelgrootte < 20 nm te nemen. In het simulatieprogramma (Deel III,2.3) gaan we op zoek naar die stroom nodig voor een pixelgrootte ≈ 20 nm.

57


3

Oplosmiddel

Bernstein en medewerkers [19] hebben het effect van verschillende oplosmiddelen op het contrast van PMMA intensief bestudeerd. Het bleek dat de gebroken moleculaire polymeerkettingen in een dubbellaag P(MMA – co – MAA) best worden opgelost in MIBK (methyl isobutyl keton of 2-pentanon 4 methyl). MIBK is echter een te sterk oplosmiddel dat ook de niet belichte resist (lange kettingen) aantast. Daarom wordt MIBK verdund in een zwakker oplosmiddel, IPA (isopropyl alcohol of 2 propanol). Een mengsel van 1 deel MIBK met 3 delen IPA levert een zeer hoog contrast maar een lage gevoeligheid. Het versterken van het oplosmiddel tot een verhouding van 1:1 MIBK:IPA levert een sterke stijging op van de gevoeligheid met slechts een licht verlies van contrast tot gevolg. We merken bovendien dat het contrast en de gevoeligheid afhankelijk zijn van de temperatuur tijdens het oplossen.

4

Multi - lagen : Principe ‘Lift off’

In dit proefschrift werd EBL voornamelijk ontwikkeld met als doel het creëren van metaalpatronen op een halfgeleider. Na het schrijven en ontwikkelen wordt er een goudlaagje op het geheel gesputterd. Het goud zal zich zowel in de ontwikkelde gebieden op het silicium, als op het PMMA bevestigen. ‘Lift off’ is een etstechniek waarbij al het goud op het PMMA wordt verwijderd terwijl het goud op het Si bevestigd blijft. Dit gebeurt door het geheel onder te dompelen in aceton. Het PMMA lost volledig op. Deze etstechniek kan pas slagen voor multi - lagen PMMA. Bij een monolaag is het ontwikkelde gat meestal conisch vanwege de snellere afvoer van de secundaire elektronen onderaan de laag via het silicium (minder specimeninteractie onderaan). Het opgedampte goud sluit de toegang tot het onderliggende PMMA af, waardoor ‘lift off’ onmogelijk wordt. Het gebruik van een dubbele laag is de oplossing. Men kiest een lager moleculair gewicht voor de onderste film die gevoeliger is voor de elektronen dan de film erboven. Na belichting en ontwikkeling ontstaat er een onderliggende verbreding ten opzichte van het bovenste gat. Het goud zal zich nu niet meer op de wanden kunnen vestigen zodat het aceton het overblijvende PMMA onder de goudlaag bereikt via het onderliggende gat. Het PMMA lost op waardoor het eropliggende goud wordt verwijderd. Voor de onderste laag maken we gebruik van een gevoelig co - polymeer : methyl methacrylaat en methacrylic acid [P(MAA- co – MAA)]. Door de extreem grote gevoeligheid van dit co polymeer ontstaat er na ontwikkeling een grote onderliggende vrije ruimte. Deze typische vorm zorgt voor een makkelijke toegang van aceton tot het PMMA [29].

58


MONOLAAG

FIGUUR II.7 : Voorstelling van het principe van ‘lift off’ met monolaag en dubbellaag

Belichting met elektronenbundel

Resultaat na ontwikkeling

Gesputterd laagje goud

‘Lift off’, geen toegang tot onderliggende lagen DUBBELLAAG

Belichting met elektronenbundel

59


Resultaat na ontwikkeling voor een onderste laag met laag moleculair gewicht

Resultaat na ontwikkeling voor een onderste zeer gevoelige co – polymeerlaag

Gesputterd laagje goud

‘Lift off’ met volledige onderliggende co - polymeer

Resultaat na ‘lift off’

Resultaat bekijken met SEM

Resultaat bekijken met SEM

60

toegang

tot

Deel III Experimenteel In dit derde deel wordt het ganse EBL - proces van begin tot einde doorlopen. Dit gedeelte van het proefschrift dient als handleiding voor elektronenbundellithografie. Vooreerst bespreken we de procedure van preparatie van het specimen, waarna calibratie en scherpstelling van de bundel aan bod komen. De volledige software, nodig voor het lithografisch schrijfproces, wordt uitgebreid besproken. Het gebruik ervan doorlopen we stapsgewijs. Afsluitend nemen we de experimentele techniek van ontwikkeling en ‘lift off’ onder de loep.

Deel III : Experimenteel

1. Specimenpreparaties 1.1

RCA - reiniging

De gemodifiëerde RCA – reiniging is een standaard reinigingsprocedure uit de IC - technologie. Als basis halfgeleider materiaal gebruiken we laag resistief silicium. Deze silicium – wafers hebben een goede geleiding zodat er weinig oplading ontstaat wat de SE beeldvorming bevordert. De RCA - reiniging is noodzakelijk voor het verwijderen van allerlei contaminaties. (bvb. Si – oxides) De wafers worden in stukken gekliefd (met behulp van een pen voorzien van een diamanten punt) en worden in een teflon mandje geplaatst waarna het reinigend proces kan starten. Veiligheidshalve vermelden we dat de volgende stappen steeds gebeuren in overeenkomst met de veiligheidsvoorschriften. Veiligheidsbril, handschoenen en beschermende kledij zijn absolute aanraders (o.a. i.v.m. HF). Bovendien gebeurt dit alles in een trekkast. De methode bestaat uit de volgende stappen [26,27]: (1)

H2SO4/H2O2/H2O

(1/1/3)

Een hoeveelheid zwavelzuur en waterstofperoxide wordt in een maatbeker met water aangebracht met verhouding 1/3. Dit brouwsel plaatsen we op een kookplaat. Bij een temperatuur van 75° - 80° C worden de Si – wafers gedurende 10 minuten ondergedompeld en vervolgens gespoeld in zuiver water. Gedurende deze eerste stap worden de organische contaminaties verwijderd. (2)

NH4OH/H2O2/H2O

(1/1/5)

Met verhouding 1/1/5 verwarmen we NH4OH, H2O2 en H2O in een maatbeker tot een temperatuur van 75° - 80° C. Gedurende 10 minuten worden de stofdeeltjes e.d. verwijderd. Na grondige spoeling in water gaan we over tot de derde stap. (3)

HCl/H2O2/H2O

(1/1/5)

Analoog als in (2) met als doel het verwijderen van metallische contaminaties. (4)

HF/ H2O

(2% HF)

Gedurende de voorgaande behandelingen vormt zich een chemisch SiO2 laagje op het oppervlak. Deze natuurlijke oxidelaag verwijderen we in deze laatste stap door middel van waterstoffluoride. De Si – wafers worden een vijftal minuten in HF/ H2O geplaatst bij kamertemperatuur. Alle

63


waterdruppels moeten nu van het oppervlak glijden (hydrofoob oppervlak) waarna we grondig met samengeperst stikstof N2 wordt droog geblazen.

1.2

Spin - & bakproces

We hebben als doel een egale en homogene (zelfde kleur) fotogevoelige laag (PMMA) op het siliciumoppervlak te spinnen m.b.v. de foto – resist spinner (Deel I,3.1). De beweegredenen voor de keuze van PMMA en de invloed van elektronen op deze fotogevoelige stof hebben we beschreven in Deel II,1. In het beginstadium van ons onderzoek werd de EBL toegepast op een monolaag. Dit is voldoende voor het initiële onderzoek van dosisbepaling e.d. (zonder ‘lift off’). In een latere fase zijn we overgegaan tot dubbellagen, nodig voor succesvolle ‘lift off’ (Deel II,4) [30]. Vooreerst merken we op dat, om contaminatie tegen te gaan, het ganse proces van spinnen en bakken best doorgaat in een zo stofvrij mogelijke omgeving. De laatste stap van de RCA – clean gebeurt net voor het spinnen. Een oxidevrij oppervlak geeft betere hechting van goud op het silicium, wat noodzakelijk is voor ‘lift off’. Bovendien is het aan te raden te werken in een trekkast vanwege de schadelijke toxische benzeengassen, waarin het PMMA is opgelost. Na de HF bewerking wordt het specimen op het dynamische deel van de spinner geplaatst. Voor de eerste laag gebruiken we het positieve co - polymeer, PMMA/MAA 2/1, met een moleculair gewicht lager dan de bovenste laag. Met een glazen pipet brengen we een vier - tot vijftal druppels op het niet roterende sample aan (3ml op 6’’). Voor het bereiken van een homogene laag is het van belang het plasje met resist centraal op het sample te deponeren. Zo niet zorgt de middelpuntvliedende kracht voor een inhomogene verdeling. Onmiddellijk na aanbrengen van het PMMA starten we het spinnen. We opteren voor een rotatietijd van 45 seconden. Het toerental dient vooraf te worden ingesteld. De dikte van de laag hangt logischerwijze af van de rotatiesnelheid. Uit een literatuurstudie blijkt een dikte van 0,380 micron (380 nm) PMMA optimaal voor EBL. Voor de eerste laag streven we naar een dikte van 0.2 µm. We merken op dat de dikte en homogeniteit van de gespinde laag zijn gekoppeld aan de kleur. Dit is een handige vaststelling vanwege de snelle visuele controle van dikte en homogeniteit (TABEL 1). De tabel bevat de kleurcodering van de dikte. Foute stervormige patronen zijn het gevolg van onzuiverheden op het oppervlak of contaminaties in de resist (pipet). De mislukte resistlagen verwijderen we in aceton, zodat na HF behandeling de Si – wafers kunnen worden hergebruikt. Nadat het PMMA in aceton is opgelost, dompelen we de wafer kortstondig onder in methanol. Vanwege de iets tragere verdampingstijd van methanol in vergelijking met aceton is het makkelijker droog te blazen met N2 zonder vorming van droogvlekken. We gebruiken de Talystep profielmeter voor de diktebepaling van de lagen. Deze heeft een fout van ± 5 nm. Een rotatiesnelheid van 4000 toeren/min resulteert in een dikte van 200 nm. De specimens worden vervolgens voor de

64


eerste maal gebakken op 165° C gedurende 15 minuten. Om extra vervuilende luchtdeeltjes te vermijden wordt de verse luchttoevoer in de oven afgezet. Wegblazen van eventueel stof op het oppervlak met N2 is aan te raden alvorens de specimens te plaatsen op de glazen plaatjes in de oven. Eénmaal afgekoeld brengen we op analoge manier een tweede PMMA laag aan. De gebruikte vloeistof is een 4% oplossing in chloorbenzeen van opnieuw PMMA maar met een hoger moleculair gewicht van 950K. De ideale dikte is nu 0.18 µm (180 nm) zodat er een totale laag van 380 nm overblijft. De gewenste kleinere dikte van deze toplaag en de hogere viscositeit van de vloeistof brengen een hogere rotatiesnelheid met zich mee. (TABEL II.1) Deze stroperigheid geeft bij rotatie aanleiding tot een ‘suikerspin’ effect. Tijdens de rotatie dienen we erop te letten dat de gevormde draden rondom het roterende specimen zich niet op het specimen afzetten. We bekomen een homogeen oppervlak. Dit bakken we een 2de maal op 165° C gedurende 30 minuten. Voor langdurige bewaring plaatsen we de specimens in een stofvrij teflon potje omringd met aluminiumfolie. Zo vermijden we contaminatie en onnodige blootstelling van de fotogevoelige resist aan omringend UV - licht. Bewaring doen we best in de koelkast. Bij lagere temperatuur blijft de versheid van de resist het best behouden.

FIGUUR III.1 : Dubbellaag PMMA

65


Na 1ste laag toeren / min. 2500 3000 4000

donker geel licht geel geel – blauw

dikte (nm) ~ 300 ~ 300 ~ 200

7000

licht blauw

~ 175

8000

licht blauw doorzichtig doorzichtig

~ 130 nm ~ 90 nm

10000

Kleur

Na 2de laag toeren / min. 8000 8000 7000 8000 7000 8000

kleur paars paars donker - paars licht - paars geel - paars geel - paars

dikte (nm) ~ 500 ~ 420 ~ 300 ~ 280 ~ 250 ~ 220

TABEL III.1 : Kleurcodering en diktebepaling

1.3

Masker – poeder – Au-sputtering

De focus en het astigmatisme van de elektronenbundel zijn sterk afstandsafhankelijk. Een zeer klein hoogteverschil geeft aanleiding tot sterke veranderingen in focus en astigmatisme. Vanwege het enorme belang van focus en astigmatisme van de bundel op het oppervlak zijn we verplicht scherp te stellen op het specimen zelf. We moeten er voor zorgen dat het specimen zo vlak mogelijk ligt om hoogteverschillen op de verschillende posities te vermijden. Het scherpstellen van de bundel gebeurt op een poeder (zie 1.5). Dit poeder wordt met behulp van een masker aangebracht op het specimen waarna we een Au – laagje aanbrengen nodig voor geleiding bij beeldvorming met SEM. Algoritme We klieven een stukje uit het specimen van ongeveer dezelfde grootte als de messingen specimenhouder. Dit plakken we met koolstoftape op de houder (FIGUUR III.2a). Wanneer we het eindresultaat wensen te onderzoeken met de AFM, is het aan te raden nu reeds tussen het specimen en de houder een AFM houdertje te plaatsen m.b.v. koolstoftape (FIGUUR III.2b) omdat zonder dit houdertje de kans bestaat dat het specimen breekt bij het losmaken van de specimenhouder. Als bevestigingsmiddel gebruiken we koolstoftape vanwege zijn geleidende eigenschap, wat oplading in de SEM voorkomt en stroomdoorgang garandeert (nodig voor de calibratie van de stroom,1.5). Het AFM - houdertje bevat een geleidende draad met op het einde een contact. Omdat we geen stroomverlies wensen langs deze draad (1.5) plaatsen we een plastieken omhulsel rond dit contact (FIGUUR III.2b).

66


(a) FIGUUR III.2 :

(b) (a) Specimenhouder (b) AFM houdertje (c) Statief met specimenhouder gaten

(c)

De houder plaatsen we in één van de vier voorziene plaatsen in het statief (FIGUUR III.2c). We veronderstellen een configuratie zoals in (FIGUUR III.3a).

(a) FIGUUR III.3 :

(b)

(a) Configuratie (b) Masker

Het specimen bevindt zich onder de Faraday - cup. De Faraday – cup is een koolstoffen cilinder voorzien van een gat dat gebruikt wordt om de stroom voor de verschillende aperturen te meten (1.5). Rechts van de specimenhouder plaatsen we een houder waarop we het masker bevestigen. Het masker is een vierkant messing rooster voorzien van gaten met een diameter van 1 mm op een afstand van 3 mm van elkaar (FIGUUR III.3b). Met koolstoftape, een AFM houdertje zonder draad en een stukje silicium plaatsen we het masker op ongeveer dezelfde hoogte als het specimen. Het masker bevindt zich nu boven het ganse statief met het juiste motief boven het specimen. Dit 67


plaatsen we in een klem die het geheel opspant waarbij we het masker krachtig tegen het specimen drukken met vier opspanmoeren. De klem bevat een opening waaronder het specimen is geplaatst. Deze klemming is noodzakelijk opdat het poeder zich zo enkel in de daartoe voorziene gaten vestigt en niet onder het masker door waait en zo het ganse specimen contamineert. Het poeder strooien we door de opening van de klem en de gaten van het masker, op het PMMA. Met een luchtpompje blazen we het overtollige poeder weg en herhalen dit een viertal keer. Vanwege het niet geleidend zijn van het poeder plaatsen we het geheel in de sputterkamer. We sputteren een dun laagje (enkele nm, slechts drie streepjes op de timerstand) goud (Deel I,3.2).

1.4

Maskerkalibratie

We hebben nu een patroon van goudstippen op het PMMA. Kalibratie of positionering van deze goudstippen of gouddots is nodig omdat we later hierop zullen scherpstellen (op de poederstructuur) en daarna ertussen zullen schrijven. Algoritme

Het statief met masker halen we uit de klem en plaatsen dit in de SEM. In de kamer van de SEM is er een kabeltje voorzien dat steeds met het statief wordt verbonden zodat de lading hierlangs wegloopt en we zo oplading tegengaan. Bovendien kunnen we via deze draad en een ampèremeter de stroom doorheen het specimen opmeten (1.5). Het masker blijft bevestigd voor de positionering van de goudstippen (kalibratie). Deze kalibratie is noodzakelijk omdat er op die plaatsen, na het verwijderen van het masker, dient te worden scherpgesteld. 68


Deze posities moeten later blind (terwijl een ‘shutter’ de elektronenbundel tegenhoudt) worden bereikt, aangezien het PMMA tussen de stippen enkel mag worden belicht tijdens het schrijfproces. We merken onmiddellijk op dat door de draaiing (Deel I,1.2.2) van de bundel het geheel over ongeveer 90° (afhankelijk van werkafstand,…) naar rechts roteert in het SEM - beeld. De configuratie verondersteld in FIGUUR III.3 geeft door deze draaiing een SEM - beeld voorgesteld in FIGUUR III.4.

FIGUUR III.4 : Rotatie van de elektronenbundel

Het specimen bevindt zich op het CRT beeld linksboven. Vanwege de gelijke afstanden tussen de gaten in het rooster van het masker is het voldoende de X en Y - coördinaten van het centrum van het gat linksboven en rechtsonder het specimen te noteren. We doen dit best op een vergroting van 350.

Met deze coördinaten kalibreren we, in de Autostage software, de dot’s. [Draw Mask – Type Dot (D = 1mm, d = 3mm)].

69


Het ganse patroon wordt softwarematig berekend en weergegeven op het scherm. We merken op dat de X en Y in de software omgewisseld zijn met die van de SEM. De linkerhendel van de SEM (waarboven op het SEM toestel Y geschreven staat) is de X – coördinaat terwijl de rechterhendel (waarboven op het SEM toestel X geschreven staat) de Y - coördinaat weergeeft. De coördinaten van de berekende dot’s controleren we met die op het SEM – beeld, afgelezen aan beide hendels. Wanneer het masker schuin op het specimen is bevestigd zullen er afwijkingen optreden met de berekende waarden in de software. Dit is in principe niet erg omdat de afwijkingen over het algemeen klein zijn en er in de praktijk enkel wordt scherpgesteld op de randen van de gouddots (zo dicht mogelijk bij de schrijfpositie). Het centrum van de dot hoeft dus niet perfect gedefinieerd te zijn. Het is genoeg dat bij een voldoende vergroting we ons op de dot bevinden. Van daaruit gaan we op zoek naar de randen die mooi gedefinieerd zijn door een ophoping van poeder (zie 1.5).

1.5

Stroomkalibratie en positionering

Stroomkalibratie is nodig voor het berekenen van de celgrootte voor een gegeven

dosis :

I .6, 66µ s.(216 )2 nx = dosis.(260µ m)²

(Deel II,2)

Met het scherpstellen van de bundel bedoelen we het in focus brengen van het beeld op het oppervlak. Een goede focus komt overeen met de minimalisering van het astigmatisme van de bundel. Dit leidt tot een resolutietoename. Algoritme Eenmaal de positionering van de dots voltooid, verwijderen we voorzichtig het masker en plaatsen het statief opnieuw in de SEM. Alvorens de bundel opnieuw aan te zetten (HT on) moeten we zeker zijn dat deze zich niet op het specimen bevindt. We plaatsen daarom de bundel eerst op de Faraday – cup. Hier satureren we de bundel zoals beschreven in Deel I, 1.2.1. Gedurende ons ganse onderzoek hebben we de werkafstand constant gehouden op 29 mm van het specimen. De Faraday – cup gebruiken we als referentie voor de stroom. We plaatsen de gesatureerde bundel in het gat van de cup op een vergroting van 10000 of meer. Doordat de bundel heel diep in het gat valt, zitten alle secundaire elektronen in de cup gevangen, waardoor de volledige stroom wordt weggevoerd en er geen verlies is door wegvliegende BSE en SE naar de detector (zwart beeld). Het kabeltje in de kamer, verbonden met het statief, loopt naar een ampèremeter waar we de stroom opmeten. Een niet - constante stroom wijst op een slechte saturatie of het nakend levenseinde van het filament. De ‘spotsize’ dient te worden aangepast in functie van de gewenste stroom. Het 70


schrijven gebeurt best bij een zo’n laag mogelijke stroom (apertuur 1). Hoe lager de stroom, hoe minder SE en dus hoe moeilijker de scherpstelling. Literatuurstudie [25,31] en ervaring leerde ons dat een stroom tussen de 90 en 120 pA bij apertuur 1 aanvaardbaar is. Voor het bereiken van deze stromen passen we de ‘spotsize’ aan. We noteren de drie stromen voor de drie aperturen. TABEL III.2 geeft de typische stroomwaarden voor de verschillende aperturen. APERTUUR 1 2 3

STROOM (pA) 90-120 350 - 450 1100 – 1250

TABEL III.2 : Typische stroomwaarden voor de verschillende aperturen

Het opmeten bij de verschillende aperturen gebeurt uiteraard allemaal in de cup bij eenzelfde vergroting. Na de kalibratie van de stromen voor de verschillende aperturen plaatsen we de apertuur in positie drie. Deze levert de hoogste stroom, wat meer SE emissie geeft en dus het beste contrast. Omdat de stroom constant moet blijven, laten we de werkafstand en ‘spotsize’ onveranderd gedurende het vervolg van het proces. Om fluctuaties in de stroom te vermijden blijft de elektronenbundel aan. De ‘shutter’ is een dun ankervormig aluminium plaatje dat zeer snel voor de bundel kan worden geplaatst. Zo houdt de ‘shutter’ de bundel volledig tegen, zodat er geen elektronen op het specimen invallen. Op die manier slagen we erin, zonder de bundel uit te zetten, het specimen nauwkeurig te positioneren (gebruik makend van de positiekalibratie uit de vorige paragraaf) zodat na het ontspannen van de ‘shutter’ de elektronenbundel invalt op de gewenste gouddot. Het op – en ontspannen van de ‘shutter’ sturen we softwarematig door een digitale waarde te sturen naar de DAC kaart die deze omzet naar een analoog signaal. We gebruiken hiervoor het pakket : Quick DataAcq versie 1.0.1. Dit is een data - acquisitie en controleapplicatie die snel data doorstuurt naar de DAC en zo een analoog toestel bedient. In het ‘Control’ scroll menu kiezen we ‘Digital Output’ waarbij we de DAC kaart DT3016 activeren op poort B en een output 1 verzenden voor het opspannen en output 0 voor het ontspannen van de ‘shutter’. Na het positioneren laten we de ‘shutter’ ontspannen waardoor de bundel op de dot invalt.1 Vanwege de afmetingen van de dot (diameter 1 mm) is een vergroting van minimum 750 noodzakelijk opdat het PMMA rond de dot niet wordt belicht. In de praktijk spelen we best op zeker en is een vergroting 1000 of meer aan te raden. Het is mogelijk dat er niet onmiddellijk een poederstructuur te zien is. Dit komt omdat de bundel totaal uit focus is vanwege het hoogteverschil tussen de cup en het specimen. Door te focusseren komen de poederstructuren te voorschijn. We gaan nu op zoek naar de rand van de cirkelvormige dot. Dit doen we op grote vergroting (3000 à 5000) 1

Wanneer de ‘shutter’ geactiveerd is beweegt de spot op de oscilloscoop. Dit komt omdat de voeding van de DT3016 – kaart extra wordt belast en de output naar de oscilloscoop vanuit de kaart wordt verstoord.

71


zodat we enkel de rand belichten en niet het PMMA errond. Deze rand is makkelijk terug te vinden vanwege enerzijds de ophoping van poeder aan de randen en anderzijds zijn cirkelvorm. De bedoeling is hier scherp te stellen zodat we er net naast kunnen schrijven. Deze zeer kleine afstand tussen de plaats van scherpstelling en de plaats van schrijven zorgt voor zeer weinig verlies aan focus, (door miniem hoogteverschil), nodig voor een succesvol schrijfproces.

1.6

Scherpstelling – astigmatisme

We hebben reeds vermeld dat het scherpstellen gebeurt doorgaans bij de hoogste stroom op apertuur 3 (ii). Bij apertuur 1 is de stroom te laag, waardoor de ruis van de detector te sterk doorweegt en focussering moeilijk wordt (i).

(i)

72


(ii)

De eerste stap is het grof focusseren van de bundel bij een vergroting van 3000. De fijnregeling van het astigmatisme is de echte uitdaging. Dit gebeurt best bij een vergroting die toeneemt met de optimalisering van de stigmator.

73


Een bundel met veel astigmatisme is anisotroop wazig. Het regelen van het astigmatisme gebeurt met de stigmator. Deze is regelbaar in de X en Y richting. De techniek bestaat erin de stigmator zodanig te regelen, dat wanneer we met de fijnregeling uit focus gaan, het beeld in alle richtingen evenveel verslecht. Het beeld wordt isotroop wazig en groeit concentrisch uit focus (e). Wanneer één richting meer astigmatisme bevat dan een andere ontstaat er uit focus een ‘regenbui’ effect waarbij de ‘windrichting’ overeenkomt met die preferentiële richting (iii). Door de X en/of Y richting van de stigmator aan te passen zien we een plotse draaiing van de ‘windrichting’ over 45°. Het is de bedoeling de stigmator voor beide richtingen in het overgangsgebied te plaatsen. Aangezien beide richtingen gekoppeld zijn (kwadrupoollenzen) kan een aanpassing van de ene richting de andere beïnvloeden. Regeling in de X – richting kan het astigmatisme in de Y - richting negatief beïnvloeden. We gaan op zoek naar een evenwicht tussen beide. In de praktijk vertrekken we van een bundel in focus (grof geregeld) met astigmatisme. We plaatsen deze met de fijnregeling uit focus en regelen een eerste maal de X en/of Y richting(en) van de stigmator tot in het overgangsgebied. Vervolgens brengen we het beeld opnieuw in focus met de fijnregelaar. Een scherper beeld is het gevolg. Dit herhalen we nog enkele malen tot beide richtingen van de stigmator op elkaar zijn afgesteld. Finaal krijgen we een beeld in focus met een minimum aan astigmatisme (v). We controleren dit door het beeld uit focus te brengen waarbij het beeld concentrisch en isotroop dient te défocusseren. Er is nu geen preferentiële richting voor het astigmatisme. De stigmator is goed afgesteld. We zullen nu met een cirkelvormige i.p.v. een ellipsoïdale bundel schrijven. Onderstaande figuren zijn voorbeelden van stigmatorinstellingen op zeolietpoeder bij een versnelspanning van 10kV. UIT FOCUS MET STIGMATOR SLECHT

(iii)

74


UIT FOCUS MET STIGMATOR GOED

(iv)

IN FOCUS MET STIGMATOR GOED

(v)

75


2. Lithografisch ‘schrijf’proces 2.1

Patronen

De voorbereiding maken we het best verstaanbaar a.d.h.v. een voorbeeld. Eén van de grote voordelen van EBL is de onbeperkte variatie in de te schrijven patronen. We tekenen deze in Autocad 2000. De software is zo geprogrammeerd dat één eenheid in autocad overeenkomt met één micron afbuiging van de bundel. Voor een vergroting van 500 X heeft de SEM een schrijfveld van 260 µm X 260 µm (TABEL III.3). Bij deze vergroting tekenen we dus de patronen binnen een vierkant gedefinieerd door de hoekpunten (0,0) en (260,260) in AutoCAD. Vergroting 35 50 75 100 150 200 350 500 750

SEM - schrijfveld (µm) 3714.29 2600 1733.33 1300 866.67 650 371.43 260 173.33

Vergroting 1000 1500 2000 3500 5000 7500 10000 150000 20000

SEM - schrijfveld (µm) 130 86.67 65 37.14 26 17.33 13 8.67 6.5

TABEL III.3 : Vergroting versus schrijfveld

Om de patronen later makkelijk terug te vinden in AFM en/of SEM worden ze over het algemeen in een omringende kader geplaatst (vi,vii ). Eén van de eerste doelstellingen in het onderzoek is het zoeken naar de kritische dosis (net voldoende voor volledige ontwikkeling) voor vlakken en lijnen. Als voorbeeld beschouwen we een vlakkenpatroon voor de kalibratie van de dosissen. Het 2D beeld van het patroon, zoals standaard weergegeven in autocad, is te zien in (vi).

76


(vi)

Vierentwintig vierkantjes met een zijde van 20 micron (20 eenheden in autocad) zijn hier geïmplementeerd, elk met een verschillende dosis. De dosis hebben we in autocad gekoppeld aan de parameter ‘dikte’ [Format – Thickness]. Dikte 1 komt overeen met een dosis van 100 µC/cm², dikte 2 met 200 µC/cm², enz... . De variatie in dikte, en dus in dosis, hebben we voorgesteld in het 3D beeld (vii).

(vii)

77


Alle punten, lijnen, vierkanten, cirkels, ... dienen een dikte (dosis) verschillend van nul te hebben. Zoniet ontstaat er een ‘overflow’ in de software vanwege een deling door nul bij de berekening van de celgrootte. Vlakken vullen we op [Hatch] en krijgen automatisch de dikte mee van de omringende kader. Het getekende patroon voorzien we steeds van een punt. Dit is het referentiepunt waar we het patroon laten beginnen en eindigen.

2.2

DAT - bestanden

Het finale patroon zetten we m.b.v. een macro (Visual – Basic programma dat binnen AutoCAD werkt) om in een ‘DAT’ - bestand. Hiervoor laden we in de VBA - manager het bestand ‘lithomacros.dvb’ [Tools – Macro – VBA Manager... – Load – Enable Macros]. Deze bevat twee macro’s : Maak_litho_file Maak_prog_file We runnen de macro ‘Maak_litho_file’ voor het creëren van het DAT - bestand. Volgend algoritme wordt doorlopen bij het runnen van deze macro: Het scannen kunnen we manueel laten verlopen wanneer we een bepaalde volgorde in het schrijven van de objecten in het patroon wensen. Elk object dient dan manueel te worden aangeduid, wat voor complexe patronen onbegonnen werk is. In het algemeen kiezen we daarom een automatische selectie. Na een automatische selectiekeuze is er de mogelijkheid tot keuze voor het al dan niet berekenen van de kortste afstand tussen twee objecten. Meestal beantwoorden we deze negatief zodat de volgorde waarin de objecten zullen getekend worden door de SEM bepaald wordt door hun onderlinge afstand. Op die manier zorgen we ervoor dat de elektronenbundel een zo kort mogelijke afstand moet overbruggen in de sprong tussen twee objecten. Zo vermijden we eventuele afbuiging van de bundel (zie Deel IV, 1.1.2)7

We duiden het referentiepunt aan. Dit geeft ons de mogelijkheid te kiezen langs welke zijde de vlakken dienen te worden opgevuld. Standaard worden ze opgevuld volgens zijde 0.

78


De bestandsnaam is een windows formaat een mag dus maximaal 255 karakters bevatten. Deze kan echter geen spaties bevatten.

Opnieuw het referentiepunt. De macro scant nu het patroon en codeert deze (TABEL III.4 ). Elk soort object krijgt een code mee. Elke lijn in het DAT – bestand beschrijft één object in de AutoCAD tekening en is als volgt opgebouwd (TABEL III.4) : CODE

0

Dosis

objectgegevens (coördinaten, hoeken, …)

De ‘0’ na de code is een ongebruikte parameter die later eventueel nog een functie kan meekrijgen. De objectgegevens hangen af van het soort object (code): CODE 1 2 3 4 5 6

OBJECT Punt Lijn Veelhoek Cirkel Gevulde cirkel(boog) Gevulde veelhoek

OBJECTGEGEVENS x0,y0 x0,y0,x1,y1 x0,y0,x1,y1,x2,y2,... x0,y0,straal,θ0, θ1 X0,y0,straal1,straal2,θ0, θ1 index van coord. hoekpunt dat beginpunt is van lijnstuk parallel waaraan gevuld zal worden (tel vanaf 0), x0, y0, x1, y1, ...

TABEL III.4 : Codering

Voorbeeld voor commandofile : 2 0 100 0 0 100 100 4 0 200 0 0 50 0 6.2830

[Lijn met dosis 200 µC/cm² op (0.0) , (100,100)] [Cirkel (θ0 =0 en θ1 =2π) met dosis 200 µC/cm² met middelpunt op (0,0) en straal 50]

79


2.3

Simulatie

Gegeven de stroom, de frequentie en het DAT – bestand, bezitten we alle nodige informatie voor de berekening van de pixelgrootte voor de verschillende figuren in het patroon. Alvorens over te gaan tot het schrijven van de figuren in het patroon is het aangeraden het DAT – bestand te controleren via een simulatie. Daarvoor gebruiken we het programma ‘Lithotest’ geschreven in Labview 5.0 (viii) .

(viii)

Zeer handig is de mogelijkheid tot simulatie van de tijd, nodig voor het schrijven van het patroon. Na het ingeven van de stroom, de frequentie en de vergroting waarop we schrijven, kunnen we het desbetreffende DAT – bestand oproepen, waarna de schrijftijd wordt berekend. Uit deze simulaties blijkt dat een stroom tussen 80 en 120 pA nog een realistische schrijftijd geeft voor patronen bij een vergroting van 500 X. Bovendien wordt de ‘pixelsize’ weergegeven. Zoals in Deel II besproken heeft het, vanwege specimeninteractie, weinig zin de pixel grootte kleiner dan 20 nm te kiezen. Bovenstaand ‘screen shot’ toont de simulatie van het dosis kalibratie patroon. De stroom van 115 pA is acceptabel want bij een vergroting 500 en een frequentie van 150 kHz verkrijgen we een goede pixelgrootte van ± 20 nm en een aanvaardbare schrijftijd van 5 minuten. De schrijftijd ligt bij stromen rond de 100 pA, bij een vergroting 500, gemiddeld

80


tussen de 2 en 10 minuten afhankelijk van complexiteit van het patroon. Een simulatie van het schrijfproces geeft ons de kans om voortijdig eventuele fouten op te sporen. Zo zorgt het niet toekennen van een dikte (dosis) aan een deel van het patroon ervoor dat de simulatie vastloopt vanwege ‘overflow’. In de praktijk is een simulatie in enkele seconden te verwezenlijken door het invullen van een grote stroom (orde 10-6 A) en/of kleine klokfrequentie (vb. 100 Hz). Zo controleren we op enkele seconden of het DAT – bestand geen fouten bevat. Zoals vermeld in Deel II worden de pixelposities omgezet in spanningen die zorgen voor de afbuiging van de bundel. Deze spanningen kunnen we ook simuleren. De X - en Y – assen zijn nu spanningsassen waarop de spanningswaarden, nodig voor de afbuiging in X en Y, zijn af te lezen. We zien op die manier of bepaalde gebieden van de tekening al dan niet buiten het spanningsgebied van de DAC - kaart (-5V,5V) vallen. In de praktijk komt dit, bij een vergroting van 500 X, overeen met het schrijven buiten de kader met coördinaten (0,0) en (260,260).

2.4

PRG - bestanden

Voor het tekenen van meerdere patronen (*.dat) op 500 X is de kennis van de X - en Y - coördinaten, waarover we het specimen dient te worden verplaatsen bij overgang naar het volgend patroon, noodzakelijk. Het programma Autostage, geprogrammeerd in Labview 5.0, zorgt voor een visuele ondersteuning van wat zich in de SEM afspeelt. We laten dit programma de coördinaten berekenen waarnaar het specimen moet worden verplaatst voor het schrijven van het volgende patroon. De informatie betreffende de positionering van de verschillende patronen zit vervat in een bestand met extensie PRG. Dit brengt ons terug naar autocad. Vertrekkende van een leeg blad gaan we als volgt te werk : • •

•

Om meerdere patronen (*.dwg) op het scherm te krijgen zoomen we uit. Voor patronen getekend bij een vergroting van 500 X is het voldoende uit te zoomen. [ZOOM 0.400]. Opnieuw plaatsen we een punt met een bepaalde dikte (meestal 1) als referentie. De verschillende patronen zullen t.o.v. dit referentiepunt worden geschreven. De verschillende patronen (*.dwg) worden nu als ‘blocks’ op de gewenste posities ingevoegd [INSERT – BLOCK]. In onderstaand voorbeeld (ix) zijn een lijnpatroon, een dosis kalibratie patroon, een karrewielen patroon en een patroon met het logo van de RUG geïmplementeerd. Eens alles gepositioneerd is schrijven we dit weg als PRG – bestand m.b.v. de tweede macro vervat in ‘lithomacros.dvb’ met name : Maak_prog_file. Opnieuw dient het referentiepunt als begin - en eindpunt en kunnen we manueel selecteren of een automatische selectie toelaten.

81


Ook de PRG - bestandsnaam laat geen spaties toe. Dit bestand verwijst naar de verschillende patronen en hun positionering ten opzichte van het referentiepunt. Uiteraard is ook de vergroting van elk patroon vermeld (x).

(ix)

(x)

82


2.5

Autostage

Tot zover het aanmaken van de nodige bestanden voor EBL. De aandrijving van de DAC - kaart gebeurt met Autostage. Autostage geeft standaard een overzicht van het statief. In de praktijk is het voldoende enkel de Faraday - cup te kalibreren. Hiervoor dienen de X en Y coördinaten van het centrum en de rand te worden ingegeven [Calibrate]. Het specimen is voldoende gedefinieerd door de kalibratie van de gouddots (1.4) die een visualisatie van het dot - patroon weergeeft. Na scherpstelling aan de rand van een dot kan het schrijven beginnen. De stroom, schrijffrequentie en het pad waarin de DAT - bestanden (waarnaar het PRG – bestand verwijst) zich bevinden, dienen te worden ingevuld. Ook de hoekcorrectie voor de rotatie van de elektronenbundel kan worden ingevuld (zie Deel IV,1.1.4). De cursor wordt nu net naast de positie van scherpstelling geplaatst zodat het programma kan starten (xi).

(xi)

83


De nodige instellingen in hard - en software worden nogmaals gecontroleerd door middel middel van een sequentie van vensters. Een herinnerend venster wijst op het feit dat de cursorpositie (rood in iv) als referentie dient, voor het schrijven van de verschillende patronen. Vanwege het zware rekenwerk tijdens het schrijven zou een extra belasting door netwerkactiviteiten een ‘buffer underrun’ kunnen veroorzaken. We koppelen de netwerkverbinding dus best af.

Het schrijven gebeurt ,net als bij het scannen van een foto, in de ‘Slow Scan’ mode. Het in herinnering brengen van enerzijds de selectie van de juiste apertuur en anderzijds het invullen van de schrijffrequentie en stroom in de software.

Vanaf hier is de ‘shutter’ opgespannen. In principe moet de bundel nog aan staan vanwege het scherpstellen.

We openen het PRG – bestand.

Pas de X en de Y – coördinaten op de nonius van de hendels van de SEM aan.

84


Uiteraard is het belang van de juiste vergroting enorm. Dit benadrukken we met een ’beep’ – toon.

Na de bevestiging van de ingestelde vergroting ontspant de ‘shutter’ en start het schrijfproces van het eerste patroon. Hierna worden de coördinaten van het volgende patroon opgegeven, die we opnieuw manueel instellen. Uiteraard is gedurende die tijd de ‘shutter’ opnieuw opgespannen. Het volledige schrijfproces volgen we met een Oscilloscoop [Philips – PM 3207 0-15 MHz] gestuurd door de DAC - kaart. Een beepsignaal duidt op het einde van het totale schrijfproces waarna de bundel manueel moet worden uitgeschakeld. We kunnen eventueel naar een volgende gouddot rijden, scherpstellen en nieuwe patronen schrijven met een ander PRG – bestand. Deze foutmelding wijst meestal op een ‘buffer underrun’ in de software. Dit is vaak het gevolg van een extra belasting van de PC gedurende het schrijven. (bv. door ‘screensaver’, ‘diskacces’ via een gedeelde schijf,…)

85


3. Ontwikkelproces Na het schrijven wordt het statief uit de SEM gehaald. De houder met het specimen halen we uit het statief en we ontwikkelen het specimen dat nogsteeds bevestigd is op de houder . Het ontwikkelen is tijdens ons onderzoek meestal gebeurd bij kamertemperatuur. De ontwikkelaar bestaat uit een verhouding 3:1 IPA:MIBK. Dit wordt m.b.v. een pipet in een propere glazen beker gebracht. Gedurende 50 seconden dompelen we het specimen onder. Een zigzag beweging van het specimen in de ontwikkelvloeistof bevordert de ontwikkeling door een betere toevoer van de ontwikkelaar. Hierna spoelen we in IPA en blazen grondig droog met N2. Een visuele controle van voldoende ontwikkeling onder de optische microscoop is aan te raden alvorens over te gaan naar ‘lift off’. Bij onderontwikkeling kunnen we ofwel langer ontwikkelen ofwel meer MIBK toevoegen. In de praktijk blijkt een ontwikkelingstijd van 50 seconden in een verhouding 2:1 meestal voldoende.

4. ‘Lift off’ We sputteren een Au - laagje van ± 35 nm op het specimen (Timerstand 1). ‘Lift off’ gebeurt in aceton. We gieten een kleine hoeveelheid aceton in een glazen beker en plaatsen deze voor korte tijd op de bakplaat. Lichtjes opgewarmde aceton lost PMMA makkelijker op. Indien nodig plaatsen we beker en specimen in een ultrasoon bad waarin trillingen het oplossingsproces bevorderen.

86

Deel IV Onderzoeksresultaten Dit laatste deel, waarin mijn onderzoeksresultaten aan bod komen, is zeer illustratief van aard. In het prille onderzoek hebben we de software getest d.m.v. een aantal educatieve voorbeelden. De maximale resolutie betreffende de lijnbreedte werd, zoals verwacht, bereikt bij een hogere versnelspanning van 30 kV. Verder tonen we hoe het door ons in Gent ontwikkelde EBL systeem geschikt is voor het maken van complexe structuren nodig voor verder onderzoek betreffende elektrische karakterisatie van sub-micron structuren. Deze flexibiliteit zorgt voor quasi onbeperkte mogelijkheden betreffende de gewenste patronen.

Deel IV : Onderzoeksresultaten

1. Resultaten bij 10 kV : Zeoliet De eerste experimenten zijn uitgevoerd bij een versnelspanning van 10 kV. Gedurende het leerproces in de EBL maakten we gebruik van specimens voorzien van een monolaag PMMA waarbij geen ‘lift off’ werd uitgevoerd. Deze monolaag heeft een dikte van 200 nm. Bij het testen en optimaliseren van de software maakten we gebruik van enkele educatieve voorbeelden zoals het schrijven bij lage frequenties, het ontstaan van het ‘proximity’ - effect en andere. De resultaten na ontwikkeling hebben we in beeld gebracht met de AFM en de optische microscoop. Het scherpstellen van de bundel bij 10 kV gebeurt op zeolietpoeder. Onderstaand SEM - beeld toont een scherpgestelde structuur bij een stroom van 1,254 nA (apertuur 3) en een vergroting 10000. Er zijn duidelijke substructuren te zien bovenop de kubische vormen.

89


1.1

Experimentele bevestiging van de lithografische effecten

1.1.1 Pixelgrootte versus frequentie

Celgrootte (nm)

Simulatie 1600 1400 1200 1000 800 600 400 200 0

I .t.(216 ) 2 nx = dosis.(260µ m)² 0

50000

100000

150000

200000

Frequentie (Hz)

FIGUUR IV.1 : Simulatie van de invloed van de frequentie op de celgrootte FIGUUR IV.1 toont een grafiek waarin op basis van de formule ernaast de celgrootte i.f.v. frequentie wordt uitgezet en dit bij een stroom van 400 pA, een vergroting 500 en een dosis van 200 µC/cm². Een afname in frequentie geeft een toename in de tijd t waarop men het punt belicht zodat de afstand tussen twee belichtingspunten nx stijgt. Met dit experiment controleren we de software. We tonen het resultaat voor 50Hz, 100Hz, 150Hz, 300Hz en 2500Hz. Er een duidelijke afname in afstand tussen de punten merkbaar bij toenemende frequentie. Het AFM - beeld voor 750 Hz is te zien in 1.1.5 waar het ‘proximity’ – effect wordt besproken.

50 Hz

100 Hz

90


150 Hz

300 Hz

2500 Hz

91


1.1.2 Afbuiging van de bundel Zoals in Deel I vermeld, gebeurt de afbuiging van de elektronenbundel in een magnetisch veld, opwekt door spoelen (1.2.3). Deze spoelen bevatten een zekere traagheid (hersteltijd). Dit veroorzaakt bundelafbuiging. De magnetische afbuiging van de bundel is duidelijk zichtbaar in het AFM – beeld hiernaast. Zoals de simulatie weergeeft is de afstand die de bundel moet overbruggen naar de positie van de lijn vrij groot, wat een zekere hersteltijd van de spoelen met zich meebrengt met afbuiging tot gevolg. Om dit fenomeen zoveel mogelijk te vermijden werd in de software een functie geïmplementeerd die de kortste afstand, die de bundel tussen 2 punten moet afleggen, berekent. [Calculation Of Shortest Path]. 1.1.3 Focussering van de bundel In het begin van ons onderzoek was er nog geen ‘shutter’ voor handen. Voor de positionering van het specimen naar de plaats van schrijven dienden we de HT af te zetten. De hoogspanning werd dan gelijktijdig met het starten van het schrijfproces opnieuw aangezet (HT on). Door onder meer de zelfinductie van de objectieflens en de capacitieve vertraging bij het aanleggen van de hoogspanning (10kV) heeft de bundel een bepaalde tijd nodig voor focussering op het specimen. Het experiment werd uitgevoerd bij een frequentie van 50 Hz. De pixels zijn dan duidelijk afzonderlijk zichtbaar. De focussering neemt toe in de tijd en wordt pas in de tweede rij (bovenstaande figuur, omcirkeld) optimaal. In het begin worden er grote wazige pixels belicht met een diameter van 3,5 micron. Na focussering is dit slechts nog een diameter van 750 nm. Met de installatie van een ‘shutter’ dient de bundel niet meer te worden afgezet en is de focussering op het oppervlak steeds gegarandeerd.

92


1.1.4 Rotatiehoekbepaling van de bundel In Deel I hebben we de spiraalvormige banen van de elektronen in een meridiaan vlak langs de optische z-as, ten gevolge van de Lorentzkracht, beschreven. Dit leidde tot een rotatie van de bundel. De bundelrotatie heeft tot gevolg dat de patronen onder een bepaalde hoek t.o.v. elkaar worden geschreven. Dit is zeer nadelig met het oog op het schrijven van grote contacteringsvlakken. Hiervoor dienen namelijk verschillende patronen (vlakken) aan elkaar geschreven (‘aaneenstikken’) met een zekere overlap. Wanneer de patronen met een bepaalde hoek ten opzichte van elkaar worden geschreven zullen deze niet mooi aansluiten. We dienen de software aan te passen om de patronen correct te kunnen aligneren. Hiervoor meten we de hoek waarover het beeld is geroteerd. Dit doen we door een beeld op te nemen van een perfect gecentreerde specimenhouder. Alhoewel deze houder perfect recht is geplaatst t.o.v. de kolom en de tafel zien we op het beeld dat de houder onder een bepaalde hoek wordt waargenomen vanwege de bundelrotatie. De hoek is ±18°. Eigenlijk heeft de bundel een rotatiehoek van 108°. Dit kunnen we uiteraard herleiden tot de hoek in het eerste kwadrant namelijk 18°. In de software voeren we daarom over 18° (zie foto) een rotatie door, rond het referentiepunt in het PRG – bestand.

93


1.1.5 ‘Proximity’ - effect Het netto - resultaat van de elektronenverstrooiing bij het schrijven van een patroon met een bepaalde dosis is een verbreding of een variatie van de lijndikten. Men noemt dit het ‘proximity’ – effect of het nabijheidseffect. Zo zal bijvoorbeeld een smal gebied tussen twee grote belichte oppervlakten zodanig veel verstrooide elektronen ontvangen, dat deze zich ook ontwikkelt. Een ander voorbeeld is een geïsoleerde lijn die door verstrooiing te veel dosis verliest waardoor ze onvoldoende wordt belicht met een incomplete ontwikkeling tot gevolg. Minimalisering [32] Voor een homogene dichtheid en dikte van het specimen is het voldoende te zoeken naar de kritieke dosis, nodig voor totale ontwikkeling, waarbij de patronen een goed gedefinieerde vorm en dikte bezitten. Een resist met hoger contrast helpt het minimaliseren van de variaties in de lijndikte. Multilagen resist en hogere versnelspanningen verminderen de voorwaartse verstrooiing. Hogere versnelspanningen geven echter wel een toename in ‘backscattering’ (verstrooiing) met een toenemend ‘proximity’ – effect tot gevolg. Deze ‘backscattering’ kunnen we reduceren door het gebruik van dunne lagen, wat dan weer moeilijk te combineren valt met multilagen. Bij zeer lage versnelspanning, treedt er weinig verstrooiing op waardoor het ‘proximity’ effect volledig kan geëlimineerd worden. In dit geval moeten zeer dunne lagen gebruikt worden zodat de penetratiediepte van de laag - energetische elektronen, groter is dan de dikte van de laag. Deze techniek van dunne lagen en kleine versnelspanning leidt jammer genoeg niet tot succesvolle ‘lift off’ (Deel II,4). Bovendien is het optische elektronensysteem bij lage versnelspanning veel moeilijker te controleren. Het is lastig om laag - energetische elektronen te focusseren in een smalle spot vanwege de enorme gevoeligheid op afwijkingen in het elektrostatisch en/of magnetisch veld. Toch wordt deze techniek veel toegepast voor het maken van optische maskers. Men maakt hierbij gebruik van een negatieve resist met een dikte van 70 nm en 1.5 kV versnelspanning. De bereikte minimum lijnbreedte ligt tussen 300 en 500 nm. Dit is voldoende voor de tot nog toe gebruikte transistorstructuren. In ons onderzoek wensen we echter de maximale resolutie van de SEM te bepalen. Dit verklaart waarom we naar het einde van ons onderzoek zijn overgestapt naar de hoogste versnelspanning van de SEM (30kV) met de beste resultaten tot gevolg (zie 2). De meest gehanteerde techniek voor ‘proximity’ - correctie is dosismodulatie. Hierbij tekenen we een patroon waarbij iedere individuele vorm een correctiedosis meekrijgt zodat de juiste vorm en dikte wordt geschreven. Uiteraard zal er een duidelijk verschil zijn in dosis tussen grote vlakken en geïsoleerde lijnen vanwege effecten als ‘proximity’. We maken gebruik van kalibratiepatronen voor het bepalen van de kritische dosis voor vlakken en lijnen. We gaan dus op zoek naar het verband tussen de geleverde dosis en het 94


uiteindelijk resultaat betreffende de dikte van de lijnen en een goede definiëring van de vlakken. Experiment Bij erg lage schrijffrequentie staat de bundel erg lang stil in 1 punt. Hierdoor is de tussenafstand nx tussen 2 punten waarin de bundel stilstaat erg groot. Als we op die manier een vlak belichten, verwachten we dat de individuele plaatsen waar de bundel is blijven stilstaan te zien zijn als puntvormige gaten in de ontwikkelde resist. Op het AFM beeld zijn deze gaten duidelijk te zien. We observeren echter dat ook de resist tussen de punten in enigszins opgelost is, voornamelijk voor het gebied in het centrum. Dit is erg duidelijk te zien op de AFM - doorsnede hierboven. De pixels in het centrum bevatten meer buren dan die aan de randen zodat deze meer worden blootgesteld aan secundaire elektronen afkomstig van omringende belichte pixels. De elektron – specimen interacties zijn daardoor intenser in het centrum. De netto - verbreding van de pixels ten gevolge van de verstrooiing van de elektronen is dus groter in het centrum. Dit is duidelijk te volgen in onderstaande AFM - beelden bij frequenties van 150, 300 en 750 Hz. Er is een duidelijk hoogteverschil tussen centrum en rand wat duidt op meer ontwikkeling in het centrum door het groter aantal brekingen van de kettingen ten gevolge van extra blootstelling aan secundaire elektronen.

150 Hz

95


300 Hz

750Hz

96


1.1.6 Polymerisatie Bij een kritische dosis Dt zijn alle lange moleculaire kettingen gebroken in kortere kettingen. Bij zware overbelichting (D >> Dt) zullen de gebroken moleculaire kettingen zich als negatieve resist gedragen zodat bij verdere belichting de kettingen terugkeren naar hun initiële toestand. Zoals reeds vermeld in Deel II,1.2 ontstaan bij zeer hoge concentraties recombinaties tussen de macromoleculen en de kettingen met een toename in moleculair gewicht tot gevolg. Deze blijken bij ontwikkeling niet oplosbaar te zijn in MIBK. Dit optisch beeld geeft duidelijk het polymeriserend effect weer. Bij een dosis van 7800 µC/cm² is polymerisatie zichtbaar. Zulke hoge dosissen zorgen voor recombinatie van de kortere kettingen tot langere. De ontwikkelaar is niet gevoelig voor lange kettingen zodat een duidelijk hoogteverschil op te meten valt tussen het gepolymeriseerde centrum en de volledig ontwikkelde randen.

1.1.7 Latent beeld Bij een belichting van 950 K PMMA zwelt de structuur van de belichte resist (Deel II,1.2). De omringende lange kettingen raken verwikkeld met de korte waardoor reeds voor ontwikkeling een topografische verandering is te zien. Deze verandering hebben we vastgesteld met de AFM. Men spreekt van een latent beeld [33]. Dit effect hebben we niet kunnen vaststellen bij dubbellagen.

97


1.2

Kritische dosissen

Met het oog op succesvolle ‘lift off ‘ in de toekomst is het belangrijk op zoek te gaan naar die dosissen waarvoor het PMMA net voldoende wordt belicht. Bij deze kritische dosis is er ontwikkeling tot op het Si. 1.2.1 Vlakken Voor vlakken maken we gebruik van kalibratiepatronen zoals weergegeven in Deel III (2.1). Vierkantjes van 20 op 20 micron met verschillende dosissen worden geschreven, ontwikkeld en onderzocht. In het optisch beeld hiernaast hebben de vierkantjes een dikte meegekregen gaande van 0.1 tot 6. Dit komt overeen met dosissen van 10 µC/cm² tot 600 µC/cm². Het optische beeld geeft kleurschakeringen weer die wijzen op de verschillende diktes van het resterend resistmateriaal. Uit de AFM - dieptemeting is een duidelijk diepte toename zichtbaar met toenemende dosis (p11). De 3D - beelden geven een visualisatie van de diepte van ontwikkeling in functie van de dosis (p12). We bekomen een kritische dosis van 180 µC/cm² voor deze monolaag van 250 nm dik.

98


20 µC/cm²

50 µC/cm²

80 µC/cm²

100 µC/cm²

130 µC/cm

150 µC/cm²

170 µC/cm²

180 µC/cm²

AFM - DOORSNEDEN

99


100


In beide 3D – beelden zijn pieken zichtbaar die leiden tot hoogteverschillen van respectievelijk 276 en 479 nm. Dit is contaminatie op het specimen. De werkelijke hoogteverschillen tussen de ontwikkelde en niet - ontwikkelde delen zijn 138 en 240 nm. In het laatste geval is er ontwikkeld tot op de bodem. Van nu af aan geven we alle vlakken een dosis van 200 µC/cm² (dikte 2) mee wanneer we werken met een monolaag van 250 nm. We kiezen deze iets hoger dan de kritische dosis om zeker te spelen. Uiteraard zal een dikkere laag (dubbellaag) een hogere kritische dosis hebben. Bovendien heeft een verandering van versnelspanning invloed op de interactie van de elektronen op het specimen (5.1). De dosiskalibratie is met andere woorden afhankelijk van de versnelspanning en de dikte van de PMMA - laag. 1.2.2 Lijnen Bij 10 kV zijn we er in geslaagd lijnen met een breedte van ± 300 nm te creëren. De breedte van de lijnen is sterk afhankelijk van het ‘proximity’ - effect, de versnelspanning, de dosis en de scherpstelling. Bij 30 kV hebben we echter een hogere resolutie (factor 2 beter) bereikt zodat we de resultaten bij 10 kV slechts kort vermelden. De resultaten hieronder weergegeven zijn opgenomen na ‘lift off’’. De kritische dosis is 410 µC/cm².

101


2. Resultaten bij 30 kV : ZnO Met het oog op ‘lift off’ maken we nu gebruik van dubbellagen PMMA. De totale dikte is ± 380 nm. De resultaten zijn nu allemaal weergegeven na ‘lift off’. Dit heeft als voordeel dat we nu ook met de SEM een beeld kunnen opnemen. De patronen hebben een hoogte van ± 50 nm, de dikte van de gesputterde goudlaag.

2.1

Kritische dosissen

2.1.1 Vlakken Analoog als bij 10 kV gaan we op zoek naar de kritische dosis. Vanwege de hogere versnelspanning vliegen de elektronen makkelijker door het specimen waarbij minder interactie is opgetreden (2.1). Dit aspect samen met het gebruik van een dikkere dubbellaag (380 nm), doet ons een hogere kritische dosis vermoeden. Na ontwikkeling en sputtering van een laagje goud plaatsen we het specimen in aceton. Via het ‘lift off’ - proces wordt al het goud dat zich bovenop het PMMA bevindt mee verwijderd zodat enkel de goudpatronen die op de silicium wafer zijn bevestigd overblijven. Met andere woorden enkel die vierkantjes die ontwikkeld zijn tot op het silicium zullen na ‘lift off’ overblijven. Hieruit kunnen we onmiddellijk de kritische dosis bepalen. Onderstaand SEM beeld toont de evolutie van een toenemende dikte en homogeniteit van de patronen (Au laag) in functie van stijgende dosis. We bekomen voor vlakken een kritische dosis van 280 µC/cm². We gebruiken voor het verdere onderzoek steeds een dosis van 300 µC/cm².

102


2.1.2 Lijnen Veel betere resultaten (resolutie) worden bereikt bij 30 kV omdat : • het ‘proximity‘ - effect afneemt met toenemende versnelspanning • de theoretische minimale bundelgrootte van 3 nm slechts wordt bereikt bij 30 kV (Deel I, TABEL I.1) • de stigmator het best regelbaar is op de kristalstructuur van ZnO bij 30 kV. We zijn er in geslaagd reproduceerbare, homogene lijnstructuren te creëren met een dikte van ± 130 nm. De kritische dosis hiervoor is 850 µC/cm².

De homogeniteit van de lijnen is het best te controleren met een SEM beeld. De grootte van het gezichtsveld is nu vrij te kiezen zodat het totale lijnenpatroon zichtbaar wordt.

103


2.2

Exotische patronen

2.2.1 Karrenwielen Een karrenwiel is een ideaal patroon voor het controleren van het astigmatisme. Bij een juiste instelling van de stigmator zijn de lijnen in alle richtingen goed gedefinieerd. Onderstaande SEM - en AFM - beelden zijn hier een voorbeeld van. Bij het schrijven van een reeks patronen is het aangeraden een karrenwiel bij te voegen zodat we onmiddellijk een snelle visuele controle hebben van de al dan niet goede regeling van de stigmator. Het succes van de geschreven patronen is meestal reeds te zien aan de homogeniteit van het karrenwiel.

2.2.2 Van der Pauw - structuren Het maken van complexe patronen behoort bovendien tot de mogelijkheden van de hard – en software. Dit hebben we experimenteel aangetoond door onder meer het schrijven van enkele ‘Van der Pauw’ - structuren. Deze structuren duiden bovendien het belang van de EBL aan. De mogelijkheid tot het schrijven van sub-micron structuren (lijnen rond 100 nm) tussen grotere vlakken geeft ons toegang tot het onderzoek naar het gedrag van deze fijne structuren. De grote vlakken doen dienst als contacteringsvlakken. Alhoewel de elektrische karakterisatie van de sub-micron structuren niet meer tot dit proefschrift behoort, bespreken we toch kort het principe. Onderstaande Van der Pauw structuren kunnen worden gebruikt voor de bepaling van de resistiviteit van dunne lijnen.

104


Evolutie van het concept resistiviteit Elektrische karakterisatie van materialen is door de jaren heen geëvolueerd in vier niveaus van begrijpen. Begin 19e eeuw werden de weerstand R behandeld als meetbare fysische grootheden, te bepalen uit I-V metingen. Later werd het duidelijk dat de weerstand alleen niet voldoende was voor de verklaring van het elektrische gedrag, want verschillende specimenvormen gaven verschillende waarden. Dit leidde tot het inzicht (niveau 2) dat een intrinsieke materiaaleigenschap niet kan beïnvloed worden door de vorm van het specimen en tot het invoeren van het begrip resistiviteit. Begin 20e eeuw realiseerde men zich dat de resistiviteit geen fundamentele materiaalparameter was omdat verschillende specimens dezelfde resistiviteit konden hebben. Bovendien bleek dat eenzelfde specimen verschillende weerstandswaarden kon hebben afhankelijk van de manier waarop het geprepareerd was. Dit is zeker het geval voor halfgeleiders waar de resistiviteit alleen, de experimenten niet kan verklaren. Dit leidde tot definities van de ladingsdichtheid n en de mobiliteit µ (niveau 3). Een vierde niveau, voor elektrisch transport in nano - structuren, berust op inzichten uit de kwantummechanica (tunneling). De Van der Pauw - techniek Wensen we de mobiliteit µ en de laag (‘sheet’) dichtheid ns te bepalen dan zal er een combinatie van een resistiviteits – en een Hallmeting noodzakelijk zijn. Is d de dikte van de film, dan definiëren we ns = nd met n de volumedichtheid aan vrije ladingsdragers en d de film dikte. Deze techniek wordt in de halfgeleiderindustrie wereldwijd gebruikt voor de bepaling van de resistiviteit van uniforme specimens. Als suggestie voor verder onderzoek kunnen we deze techniek gebruiken bij de elektrische karakterisatie van sub-micron structuren met behulp van de AFM. Onderzoek naar veranderingen in resistiviteit in functie van de lijnbreedte is mogelijk met de juiste patronen, ontwikkeld in de EBL. We bespreken kort de techniek voor de bepaling van de resistiviteit van ‘uniforme’ specimens omdat de techniek nodig voor het uitmeten van submicron structuren berust op hetzelfde principe. In plaats van het uitmeten van een homogeen vlak, meten we sub-micron structuren verbonden met contacteringsvlakken.

105


Zoals origineel ontwikkeld door Van der Pauw gebruiken we een rechthoekige dunne plaat voorzien van 4 ohmse contacten aan de randen van het specimen.

Figuur IV. :

Schematische voorstelling van de Van der Pauw configuratie gebruikt voor de bepaling van de twee karakteristieke resistiviteiten RA en RB

Het doel is de bepaling van de laag (‘sheet’) resistiviteit RS. Van der Pauw demonstreerde dat er twee karakteristieke resistiviteiten zijn, RA en RB. Deze zijn gecorreleerd met de laag resistiviteit RS volgens de Van der Pauw vergelijking : π RA π RB −

e

RS

+e

−

RS

=1

Deze kunnen we numeriek oplossen naar RS. De ‘bulk’ - resistiviteit ρ kunnen we bereken met ρ = RS d , met d de geleidende filmdikte. Voor het meten van de twee karakteristieke resistiviteiten RA en RB sturen we een constante stroom I binnen via contact 1 en buiten via contact 2 terwijl de spanning V34 over de contacten 3 en 4 wordt gemeten. Daarna laten we de stroom vloeien via contacten 2 en 3 terwijl de spanning V14 wordt opgemeten. We berekenen dan V V de waarden voor RA en RB via de formules : RA = 43 en RB = 14 . I12 I 23 Het doel van de Hall meting in de Van der Pauw - techniek is de bepaling van de ladingsdichtheid ns door meting van de Hall spanning VH. Deze bepaling van VH bestaat uit een reeks metingen met een constante stroom I en een constant magnetisch veld aangelegd loodrecht op het vlak van het specimen.

106


Figuur IV. :

Schematische voorstelling van de Van der Pauw configuratie gebruikt voor de bepaling van de Hall spanning VH

Terwijl een gedwongen stroom I13 door de contacten 1 en 3 loopt wordt de Hall spanning VH = V24 gemeten over de twee andere kruisende ohmse contacten. De IB . laag ladingsdichtheid ns kan dan worden berekend via ns = q VH We merken bovendien nog enkele praktische voorzieningen op nodig voor succesvol meten van de resistiviteit en de Hall spanning. Redenen tot zorgen zijn : • de kwaliteit en grootte van de Ohmse contacten • thermo-magnetische effecten t.g.v. niet - uniforme temperatuur • specimen uniformiteit en accurate specimendiktebepaling • Foto - conductiviteit en foto - voltaïsch effect Dit laatste kan men vermijden door in een donkere omgeving te meten.

In IMEC doet men reeds lang onderzoek van o.a. de elektrische resistiviteit van bv. silicides of Cu in submicronstructuren. De figuur hiernaast is een typisch patroon gebruikt voor deze metingen. Het patroon is voorzien van lijnen met verschillende breedtes en zes contacteringsvlakken waarover we een

107


spanning V kunnen meten na inbrenging van een contante stroom I. We zijn er in geslaagd zulke complexe patronen te ontwikkelen met EBL. Onderstaande beelden tonen enkele voorbeelden opgenomen met AFM, SEM en de optische microscoop. Bij de SEM - beelden hebben we het contrast sterk verhoogd zodat ook de fijne lijnen zichtbaar worden. De optische beelden bevatten relatief veel vlekken vanwege contaminatie op de lenzen.

108


SEM – BEELDEN

109


OPTISCHE BEELDEN

110


Bij de volgende AFM – beelden merken we op dat we de lijnen zelf hebben bijgetekend om een compleet beeld te verkrijgen. Deze lijnen liggen een stuk lager (moeilijker te bereiken via sputtering) waardoor het contrast met de hoger gelegen vlakken zeer laag is en deze moeilijk zichtbaar worden op een 75 micron x 75 micron beeld met hoger gelegen vlakken.

AFM - BEELDEN

111


Tenslotte tonen we het complete resultaat, zoals te zien in de SEM en in een optische microscoop. Het punt waar scherpgesteld is, is duidelijk zichtbaar.

112

Suggesties voor verder onderzoek Elektrische karakterisatie van sub-micron structuren d.m.v. scanning probe technieken (STM, AFM, BEEM, ...) is het logische vervolg op dit proefschrift. Elektrische karakterisatie d.m.v. technieken zoals IV/CV geven een globaal beeld van de film. BEEM is een techniek die ons in staat stelt om een grensvlaklaag, bijvoorbeeld tussen metaal en halfgeleider, die relatief diep onder het metaaloppervlak ligt, lokaal te onderzoeken. Algemeen kan gesteld worden dat scanning probe technieken de mogelijkheid bieden om elektrische eigenschappen op nanomateriaal te onderzoeken. Sinds kort gebruikt men de geleidende AFM - tip als contacteringsprobe. Door deze speciaal ontworpen geleidende tip stuurt men een stroom waardoor de stroom spanningskarakteristiek kan worden opgemeten [34]. Het gebruik van de AFM stelt ons in staat te contacteren op zeer kleine oppervlakken zodat elektrische karakterisatie van zeer kleine structuren mogelijk wordt. Ons thesisresultaat laat nu toe deze zeer kleine oppervlakken te vervaardigen. De elektrische karakterisatie ervan, via AFM, moet dan leiden tot verdere inzichten in de speciale eigenschappen van deze kleine contacten t.o.v. macroscopische contacten evenals de distributie van de eigenschappen over een groot gebied.

113

114

Referenties [01] [02] [03] [04] [05] [06] [07] [08] [09] [10] [11] [12] [13] [14] [15] [16] [17] [18] [19]

Jeol Ltd., Instructions JSM – T330 , Jeol Technics Ltd. Hirofumi Ohki and Hitoshi Takemura, 100kV Electron Beam Lithografy System :Elektron Optics System, Jeol News, Vol. 35, 27, 2000. Marcelo Alonso & Edward J. Finn, Fundamentele Natuurkunde 3 : Golven, Delta Press BV, 1994. C.W. Oatley, Scanning Electron Microscopy I : The Instrument, University Press, Cambridge, 1972. Prof. Dr. ir. R. L. Van Meirhaeghe, Fenomenologie van de vaste stof, cursus 2de lic. Natuurkunde, 2000 G.I. Marchuk, G.A. Mikhailov, M.A. Nazaraliev, The Monté Carlo Method in Atmospheric Optics, 1981 Vacuüm…. O.C. Wells, Scanning Electron Microscopy, McGraw Hill, New York, 1974. Ludwig Heimer, Scanning Electron Microscopy – Physics of Image Formation and Microanalysis, Springer Series in Optical Sciences – Vol. 45, 1984. Jeol Ltd., A Guide to Scanning Microscope Observation, Jeol Technics Ltd. M. Grasserbauer and H.W. Werner, Analysis of Microelectronic Materials and Devices, John Wiley and Sons Ltd, 1991. G. Binnig & H. Rohrer, Scanning Tunneling Microscopy, Helvetica Physica Acta, Vol. 55, (726-735), 1982. R. M. Tromp, Spectroscopy With The Scanning Tunneling Microscope : A Critical Review, Journal Physics – Condenser Matter 1, (1021110228), 1989. J. Tersoff, Chapter 3 : Theory of STM, Scanning Tunneling Microscopy and Spectroscopy, (31-50), 1992. D. Rugar & P. Hansma, Atomic Force Microscopy, Physics Today, October, 1990. R. Howland & M. Kirk, SFMs show you surface images of nonconducting materials, R&D Magazine, September, 1990. B.D. Terris & J.E. Stern, Contact Electrification Using Force Microscopy, The American Physical Society, 11 December, 1989. M. Dole, The radiation Chemistry of Molecules, Academie, New York, 1973. M. Khoury & D.K. Fery, Effect of Moleculair weight on PMMA resolution, Journal of Vacuum Science Technology, B14(1), Jan/Feb, 1996.

115

[20] [21] [22] [23] [24] [25] [26] [27] [28] [29] [30] [31] [32] [33]

[34]

V.M. Bermudez, Low-energy electron-beam effects on PMMA resist films, Journal of Vacuum Science Technology, B17(6), Nov/Dec, 1999. A. C. Henry, Characteristics of Commercial PMMA Sheets Used in the Fabrication of Extreem High-Aspect-Ratio Microstructures, Journal of Electrochemical Society, 146(7), (2631-2636), 1999. J.S. Greeneich, PMMA, Journal of Electrochemistry Society, 122, 970, 1975. Dobisz et al., Effects of molecular properties on nanolithografy in polymethyl methacrylate, Journal of Vacuum Sciences Technology, B18(1), Jan/Feb, 2000. T.E. Everhart, Materials in Microlithography, American Chemical Society, Washington DC, 1984 A. Olkhovets and H.G. Craighead, Low voltage electron beam lithography in PMMA, Journal of Vacuum Science Technology, B17(4), Jul/Aug, 1999. W. Kern, Handbook of semiconductor wafer cleaning technology, Noyes Publications, 1993. C. Detavernier, Onderzoek van inhomogene metaal/Si – contacten met ballistische elektronen emissie microscopie, Proefschrift Lic. Natuurkunde, 1996-1997. E.A. Dobisz, Nanolithography in polymethylmethacrylate : An atomic Force Microscope study, Journal of Vacuum Sciences Technology, B16(6), Nov/Dec, 1998. E.A. Dobisz e.a., Atomic force microscope of nanolithographic exposure and development of polymethylmethacrylate, Journal of Vacuum Sciences Technology, B15(6), Nov/Dec, 1997. S. Hu e.a., Novel approach to atomic lithography, Journal of Vacuum Sciences Technology, B16(4), Jul/Aug, 1998. P.A. Peterson, Z.J. Radzimski, S.A. Schwalm and P.E. Russell, LowVoltage elektron beam lithography, Journal of Vacuum Science Technology, B10(6), Nov/Dec,(3088-3093), 1992. E.A. Dobisz e.a., Reduction and elimination of proximity effect, Journal of Vacuum Sciences Technology, B11(6), Nov/Dec, 1999. Yun Wang and Stephen Y. Chou, Engineering sub-50 nm quantum effect devices and single-elektron transitors using electron-beam lithography, Journal of Vacuum Science Technology, B10(6), Nov/Dec, (2962-2965), 1992. A. Majumdar e.a., Nanometer – scale using the atomic force microscope, Applied Physics, Lett. 61 (19), 9 November 1992.

116

Vervaardigen van sub-micron structuren d.m.v. elektronenbundellithografie

Recommend Documents