Abstract:
Photolithographie ist eine unentbehrliche Technologie in der heutigen Mikrofabrikation integrierter elektronischer Schaltungen und optischer Komponenten auf verschiedenen Größenskalen. Die zugrundeliegende Aufgabe ist die Replikation der gewünschten Struktur, die kodiert ist in einer Photomaske, auf einem photolackbedeckten Wafer. In vergangenen Jahrzehnten gab es eine beeindruckende Weiterentwicklung photolithographischer Anlagen, was Auflösungen weit unterhalb eines Mikrometers ermöglicht.
Das einfachste photolithographische Instrument ist der Maskenjustierbelichter, bei dem die Photomaske und der Wafer entweder in Kontakt oder in unmittelbare Nähe gebracht werden (Proximity-Modus), ohne zusätzliche optische Komponenten dazwischen. ... mehrVor über 50~Jahren eingeführt bleibt der Maskenjustierbelichter aufgrund seines wirtschaftlichen Betriebs das Instrument der Wahl für die Herstellung unkritischer Schichten, mit einer Auflösung von einigen Mikrometern im bevorzugten Proximity-Modus. Maskenjustierbelichter werden beispielsweise für die Herstellung von Mikrolinsen, lichtemittierende Dioden und mikromechanischen Systemen verwendet. Die erreichbare laterale räumliche Auflösung ist letztlich begrenzt durch die Beugung des Lichts an den Strukturen der Photomaske, was zu Verfälschungen der Abbildung auf dem Photolack führt.
In dieser Arbeit entwickeln, präsentieren und diskutieren wir mehrere Technologien zur Auflösungsverbesserung für Maskenjustierbelichter im Proximity-Modus. Dies umfasst Photolithographie mit einer neuartigen Lichtquelle, die im tiefen Ultraviolett-Bereich emittiert, eine rigoros optimierte Phasenschiebermaske für periodische Strukturen, optische Proximity-Korrektur (Nahbereichskorrektur) angewandt auf nichtorthogonale Geometrien, und die Anwendung optischer Metaoberflächen als Photomasken.
Eine Reduzierung der Wellenlänge verringert die Auswirkungen der Lichtbrechung und verbessert daher direkt die Auflösung, benötigt aber auch die Entwicklung geeigneter Konzepte für die Strahlformung und Homogenisierung der Beleuchtung. Wir diskutieren die Integration einer neuartigen Lichtquelle, ein frequenzvervierfachter Dauerstrichlaser mit einer Emissionswellenlänge von 193$\,$nm, in einem Maskenjustierbelichter. Damit zeigen wir erfolgreiche Prints von Teststrukturen mit einer Auflösung von bis zu 1,75$\,$µm bei einem Proximity-Abstand von 20$\,$µm. Bei Verwendung des selbstabbildenden Talboteffekts wird sogar eine Auflösung weit unterhalb eines Mikrometers für periodische Strukturen erzielt.
Außerdem diskutieren wir die rigorose Simulation und Optimierung der Lichtausbreitung in und hinter Phasenschiebermasken, die unter schrägem Einfall belichtet werden. Mit einem optimierten Photomaskendesign kann dabei die Periode bei Belichtung unter drei diskreten Winkeln verkleinert abgebildet werden. Dies erlaubt es, Strukturen deutlich kleiner als ein Mikrometer abzubilden, wobei die Strukturen auf der Photomaske deutlich größer und damit einfacher herzustellen sind. Zudem betrachten wir eine Simulations- und Optimierungsmethode für die optische Proximity-Korrektur nicht-orthogonaler Strukturen, was deren Formtreue verbessert. die Wirksamkeit beider Konzepte bestätigen wir erfolgreich in experimentellen Prints.
Die Verwendung optischer Metaoberflächen erweitert die Fähigkeiten zur Wellenfrontformung von Photomasken gegenüber etablierten Intensitäts- oder Phasenschiebermasken. Wir diskutieren zwei Designs für optische Metaoberflächen, die beide den vollen $2\,\pi$-Phasenbereich abdecken. Ein Design beinhaltet dabei noch einen plasmonischen Absorber, was zusätzliche Möglichkeiten bietet, den Transmissionskoeffizient anzupassen. Desweiteren beschreiben wir einen Algorithmus zur Berechnung des Maskenlayouts für beliebige Strukturen.
Eine kontinuierliche Weiterentwicklung von Maskenjustierbelichtern ist unerlässlich, um Schritt zu halten mit der fortschreitenden Miniaturisierung in allen Bereich der Optik, der Mechanik und der Elektronik. Unsere Forschungsergebnisse ermöglichen es, die Auflösung der optischen Lithographie im Proximity-Modus zu verbessern und sich damit den zukünftigen Herausforderungen der optischen Industrie stellen zu können.
Abstract (englisch):
Photolithography is an indispensable tool in the modern microfabrication of integrated electronics and optical devices on several length scales. The task at hand is to replicate a desired pattern, encoded in a photomask, on a photoresist-covered wafer. Recent decades have witnessed an impressive development of photolithographic equipment, enabling a resolution much finer than a micron.
Potentially the simplest photolithographic tool is the mask aligner. It brings the photomask and the wafer in contact or close proximity, with no additional optics in between. Being introduced over 50~years ago, the cost-effective operation renders mask aligner lithography in proximity mode the method of choice for fabricating non-critical layers, with a spatial resolution down to several microns. ... mehrMask aligners are used for the manufacturing of microlenses, light emitting diodes, and microelectromechanical systems. The resolution is ultimately limited by diffraction of the exposure light at the photomask features, resulting in image shape distortions.
In this work, several resolution enhancement techniques for mask aligners in proximity mode are successfully developed, presented, and discussed. This comprises photolithography using a novel light source emitting at deep ultraviolet wavelengths, a rigorously optimized phase-shifting mask to print periodic structures, optical proximity lithography applied to non-Manhattan geometries, and the design of optical metasurfaces for photomasks in proximity lithography.
Reducing the wavelength reduces the impact of diffraction and directly improves the resolution, but also requires to develop suitable approaches to illumination beam shaping and homogenization. In a holistic approach we discuss mask aligner lithography using a novel frequency-quadrupled continuous wave light source emitting at 193$\,$nm. We successfully demonstrate lithographic prints of test structures with a resolution down to 1.75$\,$µm at a proximity gap of 20$\,$µm. Using the self-imaging effect of Talbot lithography, even sub-micron resolution for periodic structures is achieved.
We discuss the rigorous simulation and optimization of light propagation in and behind phase-shift photomasks under oblique angles. The superposition of individual plane waves illuminating the optimized photomask under three discrete angles allows a demagnification of the photomask period, enabling to print sub-micron structures at relaxed constraints on the photomask fabrication. Furthermore, we introduce a computational approach to optical proximity correction of non-rectangular geometries, so-called non-Manhattan geometries, thus increasing the pattern fidelity in proximity lithography. Both developments are successfully validated in experimental prints.
Wavefront shaping by optical metasurfaces extends the capabilities of photomasks over canonical binary intensity or phase-shift photomasks. We discuss two possible metasurface designs, both covering the full $2\,\pi$ phase range. One design includes a plasmonic absorber enabling enhanced tunability of the transmission coefficient. Furthermore, we implement an algorithm to retrieve photomask layouts to print arbitrary patterns.
Continuous development of mask aligner photolithography is essential to keep up with the ongoing miniaturization in all branches of optics, mechanics, and electronics. Our findings allow to enhance the resolution of proximity printing to face future challenges in photolithography and optical manufacturing.
