Ziel der Entwicklung

Logo: Nanostrukturen im neuen E-Beam Resist © IDM e.V.
Nanostrukturen im neuen E-Beam Resist © IDM e.V.

Die Entwicklungen in der Mikro- und Nanoelektronik erfordern immer kleinere Bauelemente. Immer mehr Schaltkreise müssen auf immer kleiner werdenden Flächen integriert werden. Dies bedarf immer wieder kleinere Strukturen, die durch hoch präzise lithographische Verfahren „geschrieben“ werden müssen. Dazu verwendet man licht- oder strahlungsempfindliche Materialien, die vor allem aus Polymeren, lichtempfindlichen Komponenten und Lösemittel bestehen - die sogenannten Resists. Am besten lassen sich deren Eigenschaften durch das Basispolymer beeinflussen.
Durch die maßgeschneiderte chemische Synthese von solchen Polymeren lassen sich diese Materialien als sogenannte chemisch verstärkte Resiste einsetzen. Diese Resists haben den Vorteil, dass sie sehr empfindlich sind und man viel weniger Zeit zum Schreiben der Strukturen braucht. Jedoch hat die Empfindlichkeit ihren Preis, kleinste Strukturen von 50 nm sind praktisch nicht zu realisieren. Deshalb war es das Ziel des Projektes, die Eigenschaften der Resists zu optimieren, um Strukturen im Nanometerbereich mit schnellen Schreibzeiten zu generieren. Gelingt das, können die Anwender auf große technische und kostenintensive Geräteinvestitionen verzichten. Bestehende Belichtungsverfahren könnten weiter mit dem schnelleren Resist genutzt werden. Selbstverständlich gab es schon ähnliche Resists vor dem Projekt, für viele neue Technologien reichen diese Eigenschaften jedoch nicht aus. Deshalb bestand immer der Wunsch von potentiellen Anwendern, einen innovativen Resist für Spezialanwendungen zu entwickeln.
Ziel des Projektes war es daher, durch die gezielte Optimierung der chemischen Struktur des Basispolymers ein neues maßgeschneidertes Material zu entwickeln, das kostengünstig für die Herstellung von Nanostrukturen geeignet ist.

Vorteile und Lösungen

Es konnte eine Vielzahl von Polymeren synthetisch modifiziert werden, um den Anforderungen gerechter zu werden. Gerade aber hinsichtlich der Prozessierbarkeit, der Kompatibilität mit bestehenden Gerätesystemen, der Handhabbarkeit und der Stabilität kristallisierte sich eine Polymerklasse besonders heraus, die weiter spezifiziert wurde. Das geschah durch eine polymeranaloge Reaktion, bei der eine phenolische Hydroxy-Gruppe durch eine säurelabile Abgangsgruppe geschützt wurde. Gerade die Perfektionierung der Schichtbildung und die Reproduzierbarkeit der Syntheseschritte gelangen bei der Übertragung der chemischen Synthesen auf ein ähnliches Copolymer. Die Kombination mit einem Methylmethacrylat-Baustein, der typisch ist für eine ganze Klasse von Photoresists, erwies sich als optimal.
Das Ausgangscopolymer ist kommerziell verfügbar und preiswerter als die getesteten Homopolymere. Die bis zu 94-prozentigen Ausbeuten überzeugten ebenso wie die Reproduzierbarkeit der Modifizierungen. Insbesondere die Löslichkeit in üblichen Resistlösemitteln, die Fähigkeit, auch mit Photosäuregeneratoren geschlossene, homogene und nanometerdünne Schichten zu bilden, überzeugten erste potentielle Anwender.
Die erfolgreichen praxisnahen Tests mittels Tief-UV-Lithographie (248 - 300 nm) wiesen eine hohe Empfindlichkeit und einen hohen Kontrast der Strukturen auf. Aber auch die Lithographie mit Elektronenstrahlen zeigte überraschend gute Ergebnisse. Die Dose to clear beträgt 3 µC/cm2 und der Kontrast ist mit 33 sehr hoch.
Mit der Entwicklung und Synthese dieses maßgeschneiderten Copolymers im IDM konnte der Transferpartner in die Lage versetzt werden, einen neuen positiv arbeitenden chemisch verstärkten Elektronenstrahlresist auf den Markt zu bringen. Es handelt sich um ein Produkt mit ähnlichen Eigenschaften eines japanischen Resists, jedoch ist er haltbarer, kostengünstiger und schneller lieferbar. Durch ein optimiertes Prozessregime kann eine verbesserte Empfindlichkeit im Vergleich mit Konkurrenzprodukten genutzt werden und durch den Einsatz von Quenchern wurde eine Auflösung von 30 nm erreicht -deutlich besser als vergleichbare Resists.

Zielgruppe und Zielmarkt

Anwender von Tief-UV- und Elektronenstrahllithographie können mit diesem System zu höheren Auflösungen und besseren Produkteigenschaften gelangen. Um nun mit einer vorhandenen Einschreibetechnik in den Nanometerbereich zu gelangen, bedarf es keiner zusätzlichen Investition in neue Lithographietechnik. Bisher wurden diese Verfahren nur im FuE-Bereich verwendet, die industrielle Nutzung wird in naher Zukunft beginnen und sich damit auch die Nachfrage erhöhen. Die RWTH Aachen nutzt diesen Resist bereits für Extrem-UV-Strukturierungen.
Da es sich um einen Resist für Spezialanwendungen handelt, wird er im Gegensatz zu Standardresists (noch) nicht im kg-Maßstab hergestellt. Daher kann er kundenspezifisch – insbesondere hinsichtlich der Prozessierbarkeit an vorhandene Strukturierungstechniken – angepasst und verbessert werden.
Solche Spezialresists für komplizierte Technologien gehören nicht zum strategischen Schwerpunkt der großen Resisthersteller und sind somit eine Marktnische für KMU, die sich darauf spezialisiert haben. Die Allresist GmbH in Strausberg entwickelt kundenspezifische, maßgeschneiderte Resists für verschiedenste Anwendungen und bietet als Transferpartner nunmehr dieses neue Resistsystem als Experimentalmuster an, das heißt auch in kleinen Chargen und zu angemessenen Preisen.
Durch die Synthesen dieser strukturoptimierten Polymere wurde nicht nur die Materialpalette des IDM deutlich vergrößert, sondern auch die Voraussetzungen geschaffen, diese in Hinblick auf andere Anwendungsfelder weiter zu untersuchen (Anwendung in anderen Wellenlängenbereichen, als Hilfs- oder Zwischenschicht in lithographischen Prozessen). Daher werden derzeit Forschungsaufträge bearbeitet, um für spezielle Anwender eine Anpassung an bestehende Verfahren oder Prozesse durchzuführen bzw. um weitere Parameter zu optimieren. Bei einem steten Umsatzwachstum, wird eine Überführung der Synthesearbeiten in die Produktion bei einem Kooperationspartner erfolgen.