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Electron beam lithography of molecular glass resist films prepared by physical vapor deposition

URN zum Zitieren dieses Dokuments: urn:nbn:de:bvb:703-epub-1953-5

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Kolb, Tristan:
Electron beam lithography of molecular glass resist films prepared by physical vapor deposition.
Bayreuth , 2014 . - 179 S.
( Dissertation, 2014 , Universität Bayreuth, Fakultät für Biologie, Chemie und Geowissenschaften)

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Abstract

The progress of our information society in this current era depends mostly on the improvement of the computing speed of microprocessors. Therefore semiconductor industries realize further developments in processor architecture but also in the patterning process which is utilized for the manufacturing of microprocessors. Of great importance is thereby the advancement to smaller feature sizes. However, the state of the art exposing technique 193 nm immersion lithography with applied multi-patterning gradually reaches its limits in the ongoing miniaturization. But for the continuation of miniaturization of integrated circuits in the long term, a further progression in the processing steps as well as the development of further improved materials are essential. Favored exposure methods of the next generation lithography are extreme ultraviolet lithography or multi-beam electron beam lithography, as these techniques provide the opportunity of patterning smaller feature sizes. In this thesis electron beam lithography, physical vapor deposition as alternative resist preparation technique and the materials development for this film preparation technique are covered. In the first chapter of this thesis the characterization of the utilized electron beam exposure tool but also the establishment of a processing procedure are in the focus. The second chapter covers the investigation of physical vapor deposition (PVD) as an alternative resist film preparation method. Encouraged by the promising result utilizing PVD as film preparation technique, the synthesis of applicable positive tone molecular glass resist materials was addressed in the third chapter. Finally in the fourth chapter a completely new patterning concept based on the salt formation between a base and the acid of an exposed photoacid generator was established, combinatorially optimized and high resolution features were demonstrated. The first chapter of this thesis covers the characterization of the utilized electron beam lithography tool Zeiss Leo1530 equipped with the lithography control unit Raith Elphy Plus and the establishment of processing procedures. The investigation on crucial device parameters and their influence on the pattern quality are the main objects as well as the establishment of an optimized working procedure to prevent irregularities. Even though the utilized exposure tool is not a dedicated electron beam lithography tool, it allows the realization of beam diameters down to 2.1 nm for the acceleration voltage of 20 kV under optimized conditions. This allows the realization of feature elements in the nanometer scale. The continuous work with this exposure tool during this thesis lead to the identification of external and internal tool as well as software parameters crucial for the achieved patterning quality. The most important identified impact factors are the beam adjustment, the acceleration voltage, and the electrostatic beam blanker. The beam adjustment is a key issue for the achievable feature quality and has to be performed properly. Using a less adjusted beam means the beam diameter is increased and the beam shape might be elliptic. These two deviations both affect the maximal realizable resolution. The utilized acceleration voltage defines the penetration depth of the electrons and thus the number of backscattered electrons and affected area. These backscattered electrons increase the exposure dose of the exposed area and also expose the surrounding of the actual patterns. This effect can be an issue concerning the formation of residues in these surrounding areas. Theoretical simulations of primary electrons’ pathways proved the influence of the acceleration voltage on affected area and on the local density of backscattered electrons in dependence of the distance to the beam impact position. The electrostatic beam blanker has its advantages in the avoidance of unintended exposure of the non-blanked beam during movement between different positions on the substrate as well as during the exposure process of the features itself. But during the thesis, also a big disadvantage of the installed electrostatic beam blanker was identified. As soon as it is turned on, the electron beam is affected by a 50 Hz fluctuation, resulting in periodical deflections of the electron beam. These deflections lead to reduced image sharpness in the imaging mode of the scanning electron microscope. They also have an impact on the obtained features written by the lithographic exposure process and result in the formation of periodic defects by utilizing a very sensitive non-chemically amplified resist system. For electron beam exposed chemically amplified resists in contrary, no such defects were identified, which is obviously a consequence of diffusion of the acid utilized in such systems for the chemically amplification reaction. Additionally, during the research done for this thesis, the processing procedure for electron beam lithography with this tool and the thereby utilized write field designs were continuously developed further and improved to overcome the identified issues where possible. With the latest generation of these write fields a toolbox is now available for the investigation of the resists’ sensitivity, for the performing of an exposure dose gradient in a write field with only 100 µm edge length, as well as for the investigation of the resolution capability of novel resists. The second chapter focuses on the investigation of physical vapor deposition as alternative film preparation technique in lithography. In the curse of this the influences on resist characteristics of a chemically amplified resist were investigated, which result from two different film application methods, namely the standard spin coating process in comparison to the alternative PVD technique. In the standard spin coating process the whole film is formed at once by solvent evaporation. The PVD technique in contrary is a solvent-free vacuum process, whereby the evaporated material deposits molecule by molecule on the substrate. This results in a continuous increase in film thickness and a statistically controlled distribution of the different materials for multi-component films. The statistical deposition prevents the formation of material aggregates in a multi component system, which can be an issue in the spin coating process due to possible segregation or phase separation. Published simulations show an impact of photo acid generator aggregates in chemically amplified resists. Such aggregates can result in decreased sensitivity, increased line edge roughness and decreased resolution. For this thesis the resist performance of resist films prepared by the different film application techniques spin coating and PVD was compared for the first time. Therefore a literature known negative tone chemically amplified molecular glass resist was adapted for PVD processing. The resist was investigated systematically on the resist characteristics dissolution behavior and resist sensitivity as well as on overall lithographic performance for both film application techniques. The investigations lead to the conclusion that the solvent-free PVD results in a distinct increase in sensitivity. This increased sensitivity is also demonstrated by higher responsiveness for the formation of residues due to backscattered electrons. This effect can be explained by the individual molecule by molecule deposition step resulting in a more homogeneous distribution, especially of the photoacid generator. To support this promising result of increased sensitivity of PVD prepared resist films, several approaches were pursued in order to reduce the responsiveness for the formation of residues due to backscattering. The investigation of the approaches was performed highly efficiently by ternary combinatorial libraries of exposure dose, post exposure bake temperature, and development time. As first approach a higher acceleration voltage of 100 kV was applied for exposure instead of the formerly used 20 kV. The higher acceleration voltage successfully decreased the amount of formed residues due to a lowered density of backscattered electrons around the exposed features. However, the effect of the higher acceleration voltage was not sufficient to completely inhibit residue formation. Thus in a second approach a polymeric bottom layer was applied between the silicon substrate and the resist film. The bottom layer reduces the amount of formed backscattered electrons reaching the resist film and thus decreases the amount of formed residues. The effect of a bottom layer on the number of backscattered electrons was additionally supported by theoretical simulations of primary electrons’ pathways. Applying both approaches, clear 100 nm patterns were observed utilizing the high sensitive PVD prepared resist film. This fundamental investigation demonstrated for the first time that the application of the solvent-free film coating technique PVD is not only an alternative high quality film preparation technique but rather improves the resist performance by homogeneous material blending. This novel interesting scientific finding has been published in Advanced Functional Materials . The third chapter covers the synthesis and characterization of positive tone chemically amplified resist materials utilizable for PVD. This topic was encouraged by the promising results described in chapter two, where negative tone chemically amplified resist systems had featured higher sensitivity due to film application by PVD. To transfer this result to positive tone chemically amplified resists, PVD suitable materials had to be identified. However, no such materials are literature known. Their properties on the one hand must feature a cleavable group, which has to withstand the thermal stress of the evaporation process without decomposition. On the other hand it must show a stable amorphous phase with a glass transition temperature (Tg) higher than or at least in the range of the post exposure bake temperature. It is especially the required thermal stability that excludes the industrial used polymeric resist materials. Promising candidates are protected molecular glass materials with suitable acid cleavable groups. The here presented investigation focused on the functional groups carbonate esters and carboxylic acid esters, which both are known as cleavable groups from industrial applied polymeric resists. The carbonate ester class was investigated in cooperation with the workgroup of Prof. Ober, where molecular glass materials with tBoc protection groups were synthesized. The thermal characterization showed a decomposition temperature of around 160 °C of the tBoc protection group regardless of the utilized phenolic core. This low decomposition temperature allowed a successful PVD processing only for a very low molecular weight material. However, such materials missed the required glass transition temperature criteria. The investigation of synthesized ester based materials showed decomposition temperatures of around 210°C for tert-butylester, and even 250 °C for an isobornyl ester. Thus the ester function is thermal more stable and more promising for a PVD processible positive tone chemically amplified resist. The thermal characterization of the synthesized materials showed that an ether linking group dramatically decreases the glass transition temperature and thus disqualifies the synthesized positive tone resist material with this functional group. Most promising turned out to be the direct esterification of a carboxylic acid core with a secondary or tertiary alcohol like isoborneol. But further synthetic efforts are needed to achieve fully operational PVD processible positive tone molecular glass resists. In summary, for the first time positive tone chemically amplified resist materials were investigated on their PVD processability, which allowed the identification of the ester based material class as the most promising one. The fourth chapter covers the investigation of a novel physical vapor depositable resist material concept based on exposure induced salt formation. The background for this topic is the fact that the semiconductor industry is seeking for resist systems, which are capable of realizing sub 20 nm feature sizes. Beside the chemical modification of existing resist types also the investigation of completely new resist material concepts are in the focus to fulfill this demand. With this target in mind a completely new patternable material concept based on salt formation was combinatorially investigated and optimized in this chapter of this thesis. It is based on the formation of ionic interactions between a base molecule and an acid, which is released by the exposure of the photoacid generator. The induced ionic interactions change the polarity of the material, which serves as development contrast. The proof of principle for such acid-base-resist systems was processed with a carbazol derivative as base component and a non-ionic photoacid generator. The formation of the salt was verified by infrared spectroscopy and the produced development contrast was investigated by quartz crystal microbalance measurements. A developer screening demonstrated the applicability of developers of a wide polarity range. The optimized resist performance considering resist sensitivity and feature quality was observed utilizing cyclohexane. The investigation on different base materials demonstrated a strong dependence of the resist sensitivity on the applied base, with beneficial performance for bases with high basicity and many amino functions. The presented combinatorial investigation was combined with a polymeric bottom layer investigation to prevent residue formation due to backscattering. The material screening showed that the optimized acid-base-resist consists of 1,1'-Binaphthalene-2,2'-diamine and the mixture of two isomeric photoacid generators applied on a Poly-(2-vinyl-pyridine) bottom layer. Further more detailed screenings on thicker bottom layer and the additivation of the cyclohexane developer with a nonionic surfactant allowed the improvement of feature quality by reducing the amount of residues in between the patterned line features. Finally the identified resist was combinatorially optimized to investigate the potential of this new resist material concept. The prepared combinatorial library covered gradients of interacting processing variables as composition, development time and exposure dose, which were applied in a specific layout which allowed both a fast and precise investigation of the resolution potential in the region of interest within the same library. In the optimized sector, high resolution 40 nm line features with the relatively low line edge roughness of 6.4 were observed. This achievement demonstrates the enormous potential of this novel resist material concept on an acid-base-resist, especially as the high resolution pattern was written utilizing a non-dedicated 20 kV electron beam lithography tool.

Abstract in weiterer Sprache

Der Fortschritt unserer Informationsgesellschaft hängt zum Großteil von der Steigerung der Leistungsfähigkeit von Mikroprozessoren und der damit erzielten Verbesserung der Informationsverarbeitung ab. Um dies zu realisieren muss die Halbleiterindustrie sowohl die Architektur der Mikroprozessoren als auch die für deren Herstellung verwendeten Strukturierungsprozesse ständig weiterentwickeln. Eine Schlüsselstellung nimmt dabei die Möglichkeit ein, immer kleinere Strukturen realisieren zu können. Jedoch erreicht die aktuell angewandte Belichtungstechnik, Mehrfachbelichtung mittels 193 nm Immersionslithographie, zunehmend ihre Grenzen für die weitere Miniaturisierung. Langfristig sind für deren Fortsetzung eine Weiterentwicklung der angewandten Verarbeitungsschritte und der Entwicklung von weiter verbesserten Lackmaterialien unabdingbar. Kleinere Strukturgrößen können mit einer Reihe von neuen Belichtungs- und Strukturierungstechniken realisiert werden, wovon die extrem UV-Lithographie (EUV) und Mehrelektronenstrahlenlithographie am Weitesten entwickelt sind und in den nächsten Jahren Marktreife erlangen sollten. In dieser Arbeit werden die Elektronenstrahllithographie, das “Aufdampfen“ (Physical Vapor Deposition; PVD) als alternative Filmherstellungsmethode und die Materialentwicklung für diese Filmherstellungsmethode behandelt. Das erste Kapitel dieser Arbeit beschäftigt sich mit der Charakterisierung des verwendeten Elektronenstrahlbelichters und dem Etablieren von Prozessroutinen, um die Schwachstellen dieses Belichters bestmöglich zu umgehen. Das zweite Kapitel behandelt das Untersuchen des Aufdampfens als alternative Filmherstellungsmethode und das Identifizieren von Einflüssen auf die Lackeigenschaften durch den veränderten Filmherstellungsprozess. Die während der Untersuchung identifizierten verbesserten Lackeigenschaften ermutigten zu der Synthese und Charakterisierung von für diese Filmherstellungsmethode geeigneten positiven Lackmaterialien im dritten Kapitel. Zuletzt wurde im vierten Kapitel ein komplett neues Strukturierungskonzept untersucht, welches die Bildung einer ionischen Verbindung zwischen einer Base und einer Säure ausnutzt. Die Säure wird dafür durch die Belichtung aus dem jeweils eingebrachten photolabilen Säurebildner freigesetzt. Die Untersuchung dieses neuen Strukturierungskonzepts wurde kombinatorisch durchgeführt, und ermöglichte die Realisierung von hoch aufgelösten Strukturen. Im ersten Kapitel wird die Charakterisierung und die Handhabung des verwendeten Elektronenstrahlbelichters Leo1530 von Zeiss in Kombination mit der Lithographieeinheit Elphy Plus von Raith detailliert thematisiert. Besonderes Augenmerk wurde dabei auf die wichtigen Geräteparameter und deren Einfluss auf die erzeugte Strukturqualität gelegt. Des Weiteren wurde eine optimierte Arbeitsprozedur entwickelt, um mögliche Einflüsse auf die Strukturqualität zu limitieren. Die Untersuchung ergab, dass der Belichter, obwohl er kein professionaler Elektronenstrahlbelichter ist, Strahldurchmesser kleiner als 2.1 nm für eine Beschleunigungsspannung von 20 kV unter idealen Bedingungen erreichen kann. Dies ermöglicht die Realisierung von Strukturen im Nanometerbereich. Bei der Arbeit mit diesem Belichter wurden verschiedene externe und interne Geräte- und Softwareparameter identifiziert, welche die erhaltene Strukturqualität entscheidend beeinflussen. Den größten Einfluss zeigten die Fokussierung des Elektronenstrahls, die verwendete Beschleunigungsspannung sowie die elektrostatische Apparatur zur Strahlauslöschung (electrostatic beam blanker). Die Fokussierung des Elektronenstrahls nimmt für die Qualität der erhaltenen Strukturen eine Schlüsselstellung ein. So sorgt die Verwendung eines schlecht fokussierten Strahls für einen verbreiterten und möglicherweise auch elliptischen Elektronenstrahl, welcher die erzielbare Auflösung bei der Strukturierung beeinträchtigt. Die verwendete Beschleunigungsspannung beeinflusst die Eindringtiefe der Elektronen in die Probe und damit die Anzahl der zurückgestreuten Elektronen und die Größe des von ihnen beeinflussten Bereichs. Diese rückgestreuten Elektronen erhöhen durch das erneute Durchqueren des Lackfilms die Belichtungsdosis der belichteten aber auch der in Nachbarschaft zu einem belichteten Element befindlichen nicht belichteten Bereiche. Letzteres kann zur Bildung von Rückständen in der Nachbarschaft zu einem belichteten Element führen und somit die erzielte Strukturqualität stark beeinträchtigen. Mittels theoretischer Simulationen der Bahnen von Primärelektronen in der Probe wurde die Abhängigkeit des beeinflussten Bereichs und der lokalen Konzentration der rückgestreuten Elektronen von der Beschleunigungsspannung identifiziert. Die Verwendung der elektrostatischen Apparatur zur Strahlauslöschung führt zur Vermeidung von ungewollter Belichtung während der Bewegung zwischen verschiedenen Positionen auf der Probe sowie auch während der Belichtung der Strukturen selbst. Jedoch zeigte sich während dieser Arbeit auch ein großer Nachteil. Die installierten elektrostatischen Apparatur zur Strahlauslöschung führt im angeschalteten Zustand zu einer periodischen Ablenkung des Elektronenstrahls durch eine 50 Hz-Störung. Diese Ablenkung reduziert die Bildschärfe bei der Aufnahme rasterelektronischer Bilder. Zusätzlich beeinträchtigt sie auch die erzeugten Strukturen einer lithographischen Belichtung. Dies zeigte sich bei der Strukturierung eines empfindlichen, nicht chemisch verstärkten Lacksystems derart, dass nach entsprechender Belichtung Strukturen mit periodischen Defekten beobachtet wurden. Im Gegensatz dazu zeigten chemisch verstärkte Lacke keine solchen Defekte, was offensichtlich auf eine Kompensation dieses Effektes aufgrund der Säurediffusion hindeutet. Die Säure ist in solchen Systemen für den chemischen Verstärkungsmechanismus verantwortlich. Zusätzlich wurden während dieser Arbeit die Prozessroutine der Elektronen¬strahl¬belichtung mit diesem Gerät und die dabei verwendeten Schreibfelddesigns entwickelt und kontinuierlich verbessert, um identifizierte Probleme soweit möglich zu überwinden. Die letzte Generation der entwickelten Schreibfelder stellt Werkzeuge für die Untersuchung der Lackempfind-lichkeit, für die Realisierung eines Belichtungsdosisgradienten in einem Schreibfeld mit nur 100 µm Kantenlänge und für die Untersuchung der maximal realisierbaren Auflösung von neuen Lacken zur Verfügung. Im zweiten Kapitel liegt der Fokus auf der Untersuchung von Änderungen der Lackeigenschaften eines chemisch verstärkten Lacksystems durch die Anwendung der unterschiedlichen Filmpräparationstechniken Lackschleudern und Aufdampfen. Bei der üblichen Filmpräparation durch Lackschleudern wird die gesamte Filmschicht in einem Prozessschritt durch Lösungsmittelverdampfung erzeugt. Im Gegensatz dazu handelt es sich beim Aufdampfen um einen lösungsmittelfreien Prozess, bei dem sich verdampftes Material Molekül für Molekül auf dem Substrat ablagert. Dadurch wächst die Filmdicke kontinuierlich. Außerdem werden in Mehrkomponentensystemen die einzelnen Materialien statistisch kontrolliert in den Film eingebaut. Durch diesen statistischen Einbau wird die Bildung von Aggregaten verhindert, welche beim Lackschleudern durch Segregation und Phasenseparation auftreten können. Veröffentlichte Simulationen zeigen eine Beein¬trächtigung der Lackeigenschaften durch vorhandene Aggregate des photolabilen Säurebildners. Sie äußert sich zum Beispiel in einer reduzierten Empfindlichkeit, größere Kantenrauigkeit und reduzierter erzielbarer Auflösung. Der Vergleich zwischen den verschiedenen Filmpräparationstechniken Lackschleudern und Aufdampfen bezüglich ihrer Auswirkung auf die Lackleistungsfähigkeit wurde erstmals in dieser Arbeit durchgeführt. Hierzu wurde ein literaturbekannter negativer, chemisch verstärkter und auf einem organischen Glas basierender Lack für das Verarbeiten mittels Aufdampfen angepasst. Dieser Lack wurde anschließend systematisch bezüglich der Lackeigenschaften Löslichkeitsverhalten und Empfindlichkeit sowie der allgemeinen Strukturierbarkeit für beide Filmherstellungsmethoden untersucht. Diese Untersuchungen zeigten, dass die Filmherstellungsmethode Aufdampfen die Empfindlichkeit des Lacksystems klar erhöht. Diese zeigte sich auch in der deutlich erhöhten Bildung von Rückständen durch rückgestreute Elektronen. Eine mögliche Erklärung ist die Molekül für Molekül erfolgte Ablagerung in der Filmherstellung mittels Aufdampfen, welche zu einer homogeneren Verteilung der einzelnen Lackkomponenten und insbesondere des photolabilen Säurebildners führt. Um dieses vielversprechende Ergebnis der erhöhten Empfindlichkeit aufgedampfter Lackfilme zu untermauern, wurden mehrere Lösungsansätze verfolgt, die die Ausbildung von Rückständen durch rückgestreute Elektronen unterdrücken sollten. Die Untersuchung dieser Lösungsansätze erfolgte dabei effizient mittels ternärer kombinatorischer Sektorenbibliotheken, in denen die Belichtungsdosis, die Temperatur des Temperierungsprozesses zur Aktivierung der katalytischen Reaktion („post exposure bake“; PEB) und die Entwicklungszeit variiert wurden. Der erste Lösungsansatz umfasste die Steigerung der Beschleunigungsspannung von den ursprünglichen 20 kV auf 100 kV. Diese höhere Beschleunigungsspannung reduzierte die lokale Konzentration von rückgestreuten Elektronen in der Nähe der belichteten Bereiche und damit auch erfolgreich die Menge an gebildeten Rückständen. Jedoch reichte die Veränderung der Beschleu¬nigungs¬spannung nicht aus, um die Bildung von Rückständen komplett zu unterdrücken. Deshalb wurde in einem zweiten Lösungsansatz ein Polymerfilm als Zwischenschicht zwischen dem Siliziumsubstrat und dem Lack eingebracht. Durch diese Zwischenschicht wurde die Anzahl der rückgestreuten Elektronen und damit auch die Menge der gebildeten Rückständen reduziert. Diese Reduzierung wurde auch mittels theoretischer Simulation des Verhaltens von Primärelektronen in der Probe bestätigt. Zusammen erlaubten diese beiden Heran¬gehens¬weisen eine rückstandsfreie 100 nm-Strukturierung des hoch empfindlichen, aufgedampften Lackfilms. Diese erstmals durchgeführte, grundlegende Untersuchung zeigte, dass die Verwendung der lösungsmittelfreien Filmpräparationstechnik Aufdampfen nicht nur eine alternative Filmpräparationstechnik für die Realisierung von qualitativ hochwertigen Filmen ist, sondern zusätzlich auch die Lackeigenschaften durch eine homogenere Materialverteilung verbessert und dadurch das Lackpotential ideal genutzt werden kann. Diese neue wissenschaftliche Entdeckung wurde erfolgreich in Advanced Functional Materials publiziert . Im dritten Kapitel werden die Synthese und die Charakterisierung von positiv chemisch verstärkten Lackmaterialien bezüglich ihrer Eignung für das Aufdampfen behandelt. Dieses Thema wurde wegen der vielversprechenden Ergebnisse des zweiten Kapitels gewählt, da der dort untersuchte, negativ chemisch verstärkte Lack eine höhere Empfindlichkeit aufgrund der Filmpräparation mittels Aufdampfen zeigte. Um dieses Ergebnis auf positiv chemisch verstärkte Lacke zu übertragen, mussten geeignete aufdampfbare Lackmaterialien identifiziert werden. Jedoch sind solche Materialien aus der Literatur bislang nicht bekannt. Geeignete Materialien müssen zum Einen eine spaltbare Gruppe besitzen, welche die thermische Beanspruchung während des Aufdampfprozesses ohne Zersetzung überstehen kann. Zum Anderen müssen die Materialien stabile amorphe Filme ausbilden und eine Glasübergangstemperatur (Tg) aufweisen, die entweder über oder zumindest in dem Bereich der Temperatur des Temperierungsprozesses zur Aktivierung der katalytischen Reaktion („post exposure bake“; PEB) liegt. Insbesondere die benötigte thermische Stabilität steht einer Verwendung industriell angewandter, polymerbasierter Lacke im Weg. Vielversprechende Kandidaten sind stattdessen geschützte organische Gläser, die mit geeigneten spaltbaren Gruppen ausgestattet sind. Die durchgeführte Untersuchung fokussierte sich auf die spaltbaren Gruppen Carbonatester und Carbon¬säureester, welche beide literaturbekannte spaltbare Gruppen für polymerbasierte Lacksysteme sind. Die Carbonatester wurden in Kooperation mit der Arbeitsgruppe von Professor Ober untersucht, wo auch die Synthese der molekularen Gläser mit der tBoc-Schutzgruppe durchgeführt wurde. In der thermischen Untersuchung zeigte die tBoc-Schutzgruppe Zersetzungstemperaturen um ungefähr 160 °C unabhängig von dem verwendeten Phenolkernmaterial. Wegen dieser niedrigen Zersetzungstemperatur konnte nur ein Material mit sehr geringem Molekulargewicht erfolgreich aufgedampft werden. Jedoch wies dieses Material keine ausreichend hohe Glasübergangs¬temperatur auf und erfüllte damit dieses Kriterium nicht. Die Untersuchung der thermischen Eigenschaften der synthetisierten Carbonsäureester zeigte Zersetzungstemperaturen um 210 °C für tert-Butylester und sogar um 250 °C für einen Isoborneolester. Folglich ist die Carbonsäureester-Gruppe thermisch stabiler und somit ein aussichtsreicherer Kandidat für die Realisierung eines aufdampfbaren positiv chemisch verstärkten Lackes. Bei der thermischen Charakterisierung der synthetisierten Materialien zeigte sich außerdem, dass eine etherbasierte Verknüpfungsgruppe die Glas¬übergangs-temperatur so stark herabsetzt, dass Materialien mit dieser Verknüpfungsgruppe völlig ungeeignet sind. Es stellte sich heraus, dass die direkte Veresterung eines carbonsäuretragenden Kern mit einem geeigneten sekundären oder tertiären Alkohol, wie z.B. Isoborneol, am vielversprechendsten ist. Jedoch sind weitere synthetische Anstrengungen nötig, um ein einsatzfähiges aufdampfbares positiv chemisch verstärktes molekulares Glasmaterial zu verwirklichen. Zusammenfassend wurden in diesem Kapitel zum ersten Mal positiv chemisch verstärkte Lackmaterialien bezüglich ihrer Verarbeitbarkeit mittels Aufdampfen untersucht. Die Ergebnisse ermöglichten die Identifizierung der Carbon¬säure¬ester¬gruppe als vielversprechendste Schutzgruppe. Im vierten Kapitel wird die Untersuchung eines neuartigen aufdampfbaren Lackmaterial-konzepts behandelt, welches auf der mittels Belichtung ausgelösten Salzbildung basiert. Der Hintergrund für dieses Themengebiet ist die Suche der Halbleiterindustrie nach Lacksystemen, die es ermöglichen, Strukturen mit Auflösungen kleiner als 20 nm zu realisieren. Um dieses Ziel zu erreichen, werden neben der Modifizierung von existierenden Lacksystemen auch komplett neue Strukturierungskonzepte untersucht. Das letzte Kapitel dieser Arbeit beschäftigt sich deshalb mit der kombinatorischen Untersuchung und Optimierung eines komplett neuen Strukturierungskonzepts, welches auf der Bildung eines Salzes beruht: Durch die Bildung von ionischen Wechselwirkungen zwischen einer organischen Base und einer Säure, welche durch die Belichtung aus dem eingesetzten photolabilen Säurebildner freigesetzt wird, ändert sich die Polarität des Lackmaterials. Dieser Polaritätsunterschied zwischen belichtetem und unbelichtetem Material wird in diesem Strukturierungskonzept als Kontrast für die Entwicklung verwendet. Der Nachweis der Strukturierbarkeit eines solchen Säure-Base-Lacksystems wurde mit einem Carbazolderivat als Base und einem nicht-ionischen photolabilen Säuregenerator durchgeführt. Mittels Infrarotspektroskopie konnte die erfolgreiche Ausbildung des Salzes nachgewiesen werden. Zusätzlich wurde durch Schwingquarzmessung der erzeugte Entwicklungskontrast untersucht. In einer Voruntersuchung konnte außerdem gezeigt werden, dass Entwickler mit verschiedener Polarität geeignet sind. Das beste Ergebnis bezüglich Empfindlichkeit des Lackes und erhaltener Strukturqualität wurde für Cyclohexan erhalten. Eine Untersuchung verschiedener Basen zeigte eine starke Abhängigkeit der Lackempfindlichkeit von der verwendeten Base. Vorteilhaft sind dabei Basen mit einer möglichst hohen Basizität sowie vielen protonierbaren Basenfunktionen. Die kombinatorische Untersuchung umfasste dabei zusätzlich auch eine Untersuchung verschiedener Polymerfilme als Zwischenschicht zwischen Lack und Substrat, um die Bildung von Rückständen durch rückgestreute Elektronen zu vermeiden. Es stellte sich heraus, dass der Säure-Base-Lack bestehend aus 1,1'-Binaphthalene-2,2'-diamin und einer Mischung aus zwei isomeren photolabilen Säurebildnern in Kombination mit einer Zwischenschicht aus Poly-(2-vinyl-pyridine) die besten Ergebnisse lieferte. Die Anwendung einer dickeren Zwischenschicht und das Additivieren des Entwicklers Cyclohexan mit einem nicht-ionischen Tensid zeigte in zusätzlichen Voruntersuchungen eine Verbesserung der Strukturqualität aufgrund der Reduktion der von rückgestreuten Elektronen gebildeten Rückstände. Nach diesen Voruntersuchungen wurde das vielversprechendste Lacksystem kombinatorisch optimiert, um das Potential dieses neuen Strukturierungskonzepts zu evaluieren. In der verwendeten kombinatorischen Sektorenbibliothek wurden Gradienten der voneinander abhängigen Prozessparameter Zusammensetzung, Entwicklungszeit und Belichtungsdosis untersucht. Der Belichtungsdosisgradient wurde dabei in einem Layout angewandt, das eine schnelle und gleichzeitig auch präzise Untersuchung des Auflösungsvermögens in der gleichen kombinatorischen Sektorenbibliothek ermöglichte. Im optimierten Sektor wurden hoch aufgelöste Strukturen mit 40 nm Linienbreite und einer relativ niedrigen Kantenrauigkeit von 6.4 realisiert. Diese Untersuchungen zeigen das enorme Potential dieses neuen Strukturierungskonzepts basierend auf einem Säure-Base-Lacksystem insbesondere wenn man berücksichtigt, dass die hoch aufgelösten Strukturen mit einem nicht professionellen Elektronenstrahlbelichter und der relativ geringen Beschleunigungsspannung von 20 kV erzielt wurden.

Weitere Angaben

Publikationsform: Dissertation (Ohne Angabe)
Keywords: physical vapor deposition; electron beam lithography; molecular glass resists
Themengebiete aus DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 540 Chemie
Institutionen der Universität: Fakultäten
Fakultäten > Fakultät für Biologie, Chemie und Geowissenschaften
Fakultäten > Fakultät für Biologie, Chemie und Geowissenschaften > Fachgruppe Chemie
Fakultäten > Fakultät für Biologie, Chemie und Geowissenschaften > Fachgruppe Chemie > Lehrstuhl Makromolekulare Chemie I
Fakultäten > Fakultät für Biologie, Chemie und Geowissenschaften > Fachgruppe Chemie > Lehrstuhl Makromolekulare Chemie I > Lehrstuhl Makromolekulare Chemie I - Univ.-Prof. Dr. Hans-Werner Schmidt
Graduierteneinrichtungen > Elitenetzwerk Bayern
Graduierteneinrichtungen > Elitenetzwerk Bayern > Macromolecular Science
Graduierteneinrichtungen
Sprache: Englisch
Titel an der UBT entstanden: Ja
URN: urn:nbn:de:bvb:703-epub-1953-5
Eingestellt am: 24 Apr 2015 07:10
Letzte Änderung: 24 Apr 2015 07:10
URI: https://epub.uni-bayreuth.de/id/eprint/1953