Skalierungsgrenzen einer kompakten EUV-Nanostrukturierungsanlage hinsichtlich Auflösung und Durchsatz - Erkenntnistransfer-Projekt

• Antragsteller: Professor Dr. Carlo Holly, seit 7/2021
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie ; Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 401122091

• Erstellungsjahr: 2023

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Die fortschreitende Entwicklung von Nanotechnologien in den letzten Jahren hat verschiedenste Möglichkeiten für neue Anwendungen eröffnet, in denen periodische Nanostrukturen mit einer charakteristischen Größe unterhalb von 10 nm benötigt werden. Anwendungen finden sich hierbei sowohl in verschiedenen Forschungsbereichen (Vorstrukturierung von Substraten für z.B. 3D Quantenpunktkristalle, Wachstum von Nanodrähten oder auch die Ausrichtung von Block-Copolymeren) als auch in der industriellen EUV-Lithografie (Charakterisierung von Photoresists). Der Fokus kann dabei sowohl auf der ultimativen Größe(/Dimension) der Strukturen und deren Periodizität/Dichte liegen als auch auf der zu strukturierenden Gesamtfläche (im Bereich von mehreren cm²), oder auch auf beiden Aspekten. Am Lehrstuhl TOS der RWTH Aachen University wurde daher eine kompakte Nanostrukturierungsanlage unter Verwendung von extrem-ultravioletter (EUV-) Strahlung realisiert und die Herstellung von periodischen Nanostrukturen bis sub-30 nm Halbperiode demonstriert. Die Anlage verwendet eine kompakte gasentladungsbasierte Strahlungsquelle (Abk.: DPP, engl.: discharge-produced plasma), die am Fraunhofer ILT in Aachen entwickelt wird. Für die Anwendung der Strukturierungstechnologie in einer industriellen Prototypenanlage sind jedoch weitere Kenntnisse bezüglich der erzielbaren Auflösung und des Durchsatzes notwendig. Im Zuge des Projekts wurden daher die Skalierungsgrenzen der Technologie hinsichtlich Auflösung und Durchsatz experimentell und modelltheoretisch untersucht. Die zur Erzeugung einer nanoskaligen Intenstitätsmodulation benötigten Transmissionsmasken wurden mittels rigoroser wellenoptischer Simulationen optimiert und der Einfluss der Maskengeometrie und Materialauswahl auf die erzielbare theoretische Auflösung untersucht. Es wurden verschiedene alternative Materialien zur Verwendung als Transmissionsmaske identifiziert, die zu einer Auflösungssteigerung beitragen. Zudem wurde der Einfluss der teilkohärenten Strahlung der verwendeten EUV-Quelle auf die Auflösung berücksichtigt. Die Maskenherstellung wurde basierend auf den erhaltenen Erkenntnissen optimiert und die Grenzen der aktuellen Maskentechnologie hinsichtlich Auflösung und Durchsatz untersucht. Zur Steigerung des Durchsatzes wurde eine effiziente Beleuchtungsoptik als Mehrlagenspiegel mit hohem Reflexionsgrad ausgelegt, welche einen größeren Raumwinkel der emittierten EUV-Strahlung der Quelle aufnimmt und in die Belichtungsebene kollimiert. Zudem wurden die hard- und softwareseitigen Limitationen des aktuellen Aufbaus untersucht und dokumentiert. Zum Abschluss des Projekts wurden hochauflösende EUV-Photoresists hinsichtlich Kontrast und Sensitivität charakterisiert und mittels der hergestellten Transmissionsmasken nanoskalig strukturiert. Hierbei wurde die aktuell bestehende Auflösungsgrenze des Aufbaus von 28 nm Halbperiode für Lochanordnungen und 32,5 nm Halbperiode für Linienanordnungen bestimmt. Letztere stellt derzeit die Rekordauflösung für Linienstrukturen mittels Talbotlithografie dar. Die gewonnen Erkenntnisse des Projekts fließen in die Formulierung von Designregeln für eine industrielle Prototypenanlage ein. Insbesondere wurden zukünftige Maskenmaterialien und Maskendesigns entwickelt, die zu einer Auflösungssteigerung bis sub-10 nm Halbperiode beitragen können. Die ausgelegte Beleuchtungsoptik wird zu einer Durchsatzsteigerung einer optimierten Anlage um einen Faktor ~3 führen. Zudem wurde die Stabilität und Positioniergenauigkeit des Maske-Wafer-Positioniersystem als limitierender Faktor identifiziert und eine optimierte Anordnung der Komponenten designt.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Design and realization of an industrial stand-alone EUV resist qualification setup. Extreme Ultraviolet Lithography 2020, 53. SPIE.
  Lüttgenau, Bernhard; Brose, Sascha; Choi, Seonghyeok; Panitzek, Dieter; Danylyuk, Serhiy; Lebert, Rainer; Stollenwerk, Jochen & Loosen, Peter
  
• Novel high-contrast phase-shifting masks for EUV interference lithography. Extreme Ultraviolet (EUV) Lithography XI, 57. SPIE.
  Lüttgenau, Bernhard; Brose, Sascha; Danylyuk, Serhiy; Stollenwerk, Jochen & Loosen, Peter
  
• Design and realization of an in-lab EUV dual beamline for industrial and scientific applications. International Conference on Extreme Ultraviolet Lithography 2021, 21. SPIE.
  Lüttgenau, Bernhard; Brose, Sascha; Danylyuk, Serhiy; Stollenwerk, Jochen; Loosen, Peter & Holly, Carlo
  
• Design of an efficient illuminator for partially coherent sources in the extreme ultraviolet. Applied Optics, 61(11), 3026.
  Lüttgenau, Bernhard; Panitzek, Dieter; Danylyuk, Serhiy; Brose, Sascha; Stollenwerk, Jochen; Loosen, Peter & Holly, Carlo
  
• Towards the resolution limit of Talbot lithography with compact EUV exposure tools. International Conference on Extreme Ultraviolet Lithography 2022, 13. SPIE.
  Lüttgenau, Bernhard; Brose, Sascha; Danylyuk, Serhiy; Stollenwerk, Jochen & Holly, Carlo