Elektronenstrahllithografiesystem
Final Report Abstract
Das System ist Kernstück des an der JLU in den Materialwissenschaften als Methodenplattform betriebenen Mikro-und Nanostrukturierungslabors MiNa. Der Landesanteil für den Großgeräteantrag stammte aus Geldern des Nanonetzwerks Hessen. Das MiNa-Labor selbst steht allen die materialwissenschaftlichen Arbeitsgruppen an der JLU sowie anderen Hessischen Universitäten im Rahmen des Nanonetzwerks Hessen zur Verfügung und wird sowohl in der Lehre als auch in der Forschung genutzt. Das im Rahmen des Antrags beschaffte Großgerät wird überwiegend (was die Nutzungsdauer angeht) zur Elektronenstrahllithografie benutzt, daneben auch als Rasterelektronenmikroskop zur Charakterisierung der im Reinraumlabor hergestellten Mikro- und Nanostrukturen. Auch für die Fotolithografie ist das SEM ein unentbehrliches Hilfsmittel. Es wurde für eine Vielzahl von Projekten genutzt: In Untersuchungen zur Thermoelektrizität wurden gezielt Grenzflächen zwischen zwei verschiedenen Materialien hergestellt, deren Morphologie auf der Submikrometerskala variiert wurde. Hierzu wurde eine self-alignment-Technik verwendet und das Resistprofil an der Kante, die die spätere Grenzfläche definierte, gezielt variiert. Dadurch konnten die elektrische Leitfähigkeit und die Wärmeleitfähigkeit von lateralen Multistacks aus zwei verschiedenen Materialien in gewissem Maße unabhängig voneinander gezielt variiert werden, so wurden Möglichkeiten der Erhöhung des thermoelektrischen Gütefaktors (ZT-Wert) systematisch untersucht. Als Elektronenstrahllithografiegerät wurde das System auch für die Herstellung metallischer Mikro- und Submikrostrukturen genutzt, namentlich für die Strukturierung von Bolometern zur Messung der Wärmeleitfähigkeit mittels der 3-Omega-Methode. Neben der Herstellung und präzisen Positionierung von Bolometern mit sehr kleinen Abmessungen wurde das System auch zur Erprobung größerer Strukturen benutzt, die dann Grundlage für eine externe Fotomaskenbestellung waren. In einem weiteren Projekt wurden Gitter von nanoskaligen Goldpunkten auf diversen Trägersubstraten hergestellt, die dann in der Gasphasen-Epitaxie zum Wachstum von ZnO und SnO2 Nanodrähten mittels des VLS-Prozesses eingesetzt wurden. Arbeiten zum Magnetotransport und zur Sensorik mit Nanodrähten nutzten die hohe Positionierungsgenauigkeit der speziellen Lithografiestage aus. Durch Öffnung submikrometergroßer Fenster in einer Maskierungsschicht wurden örtlich gezielt Manganarsenidcluster erzeugt, deren Form zum einen durch die Kristallografie des Materials, zum anderen durch die Form der Maskierung bestimmt war. So konnten Cluster oder Ensemble von Clustern mit einer, zwei oder drei magnetischen Domänen erzeugt werden, die sich in den Magnetotransporteigenschaften je nach Einstellung der einzelnen Magnetisierungen und nach Orientierung zum externen Feld unterscheiden. Zur Messung der Transporteigenschaften wurden einzelne Cluster elektrisch kontaktiert. Hierfür entscheidend notwendig ist die hohe Positionierungsgenauigkeit der Lithografie bei Benutzung der speziellen Lithografiestage in Kombination mit der kontinuierlich verbesserten Markendetektion. Einen nicht unbedeutenden Anteil an dieser Verbesserung hatte die Arbeitsgruppe von Prof. Eickhoff, die in enger Zusammenarbeit mit der Firma XENOS an der Optimierung arbeitet. Gegenwärtig sind sie in der Lage, auf einem Nanodraht von wenigen Mikrometern Länge vier und mehr Abgriffe für Strom und/oder Spannung anzubringen und so die Transporteigenschaften der Nanodrähte lokal zu untersuchen. Diese Messungen sind u.a. Grundlage für eine Anwendung der Nanodrähte als Sensoren. Die spezielle Lithografiestage ist so konzipiert, daß sie durch die Ladeschleuse paßt und zu ihrer In- und Außerbetriebnahme deshalb nicht die Kammer des SEM belüftet werden muß. Das erlaubt einen schnellen Wechsel von der hochpräzisen Lithografie zur Inspektion des Ergebnisses nach Entwicklung und ggf. Strukturübertragung. Für Lithografieanwendungen, bei denen kein besonderer Wert auf niedriges Stitching gelegt werden muß, kann die eingebaute Mikroskopstage verwendet werden, die noch einmal deutlich kürzere Probenwechselzeiten erlaubt. Außerdem können so Probenhalter für ungewöhnliche Formate verwendet werden. Beispielsweise wurde für ein Kooperationsprojekt mit der Technischen Universität Beijing ein Prozeß entwickelt, bei dem auf die Stirnfläche einer Glasfaser eine diffraktive optische Struktur aufgebracht wird. Dadurch variiert der Lichtaustritt aus der Glasfaser stark mit dem Brechungsindex des umgebenden Mediums, was wiederum Grundlage für eine Anwendung als Sensor ist. Dank der thermischen Feldemissionsquelle ist das System in der Lage, auch relativ großflächige Strukturen in akzeptabler Zeit (gewöhnlich einer über Nacht laufenden Lithografie) herzustellen. Eine Reihe von Untersuchungen, die dieses ausnutzt, beschäftigt sich mit der Herstellung von Vertiefungen auf der Oberfläche eines Substrats, in der sich bei Eintrocknung einer Suspension von Nanopartikeln diese Partikel gezielt ablagern (meniscus force effect). Solche „Sortierbretter“ für Nanopartikel sind vermutlich ein wichtiger Bestandteil noch zu entwickelnder Systeme zur weitgehend automatisierten Analyse von Nanopartikeln in der Umgebung, beispielsweise in Lebensmitteln. Eine der ersten Kooperationen mit der FH Gießen-Friedberg (heute Technische Hochschule Mittelhessen) war die Entwicklung eines Positionssensors auf optischer Grundlage. Hierzu wurden Beugungsgitter erzeugt, die mittels eines theoretischen Modells berechnet wurden und dann Linie für Linie in der Elektronenstrahllithografie geschrieben wurden. In Kooperationsprojekten mit der U. Marburg und der Capital Normal University in Beijing wurden Terahertz-Antennenstrukturen und planare Optiken hergestellt. Im Rahmen der LOEWE-Schwerpunktprojekte RITSAT und Store-E, dies sind zwei Verbundprojekte im Rahmen der Hessischen Exzellenzinitiative mit jeweils etwa 15 beteiligten Arbeitsgruppen, wird die Elektronenstrahllithografie zur Herstellung beispielsweise von Oberflächenmodifikationen mit Abmessungen im Submikrometerbereich verwendet, die die Emission von Ionen aus einem Ionenleiter erleichtern sollen bzw. zur gezielten Herstellung von Oberflächenmorphologien auf sub-µm-Längenskalen.
Publications
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Effect of interface regions on the thermoelectric properties of alternating ZnO/ZnO:Al stripe structures. J. Electron. Mater. 40, 801-806 (2011)
G. Homm, S. Petznick, F. Gather, T. Henning, C. Heiliger, B.K. Meyer, P.J. Klar
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Influence of ordered arrangements of cluster chains on the hopping transport in GaAs:Mn/MnAs hybrids at low temperatures. Phys. Rev. B 83, 235305 (2011)
M.T. Elm, P.J. Klar, S. Ito, S. Hara
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A Miniaturized Sensor Consisting of Concentric Metallic Nanorings on the End Facet of an Optical Fiber. Small 8, 1937-1944 (2012)
S.F. Feng, S. Darmawi, T. Henning, P.J. Klar, X.P. Zhang
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Effects of interface geometry on the thermoelectric properties of laterally microstructured ZnO-based thin films. phys. stat. sol. (a) 210, 119-124 ( 2013)
G. Homm, F. Gather, A. Kronenberger, S. Petznick, T. Henning, M. Eickhoff, B.K. Meyer, C. Heiliger, P.J. Klar
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Effects of silver nanoparticles on microbial growth dynamics. J. Appl. Microbiology 114, 2535 (2013)
V.J. Schacht, L.V. Neumann, S.K. Sandhi, L. Chen, T. Henning, P.J. Klar, K. Theophel, S. Schnell, M. Bunge
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Possibility of enhancing the thermoelectric figure of merit of ZnO by sulfur incorporation. Appl. Phys. Lett. 103, 082115 (2013)
F. Gather, A. Kronenberger, D. Hartung, M. Becker, A. Polity, P. J. Klar, B. K. Meyer
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Possibility of enhancing the thermoelectric figure of merit of ZnO by sulfur incorporation. Appl. Phys. Lett. 103, 082115 (2013)
F. Gather, A. Kronenberger, D. Hartung, M. Becker, A. Polity, P. J. Klar, B. K. Meyer
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Ultrathin Terahertz Planar Elements. Adv. Opt. Mater. 1, 186-191 (2013)
D. Hu, X. Wang, S. Feng, J. Ye, W. Sun, Q. Kan, P.J. Klar, Y. Zhang
