Field emission scanning probe lithography on molecular resist

Kästner, Marcus GND

Die lithographische Strukturerzeugung im Einzelnanometerbereich stellt einen der kritischsten technologischen Engpässe der Nanofabrikation dar. Als alternatives Verfahren zur etablierten Elektronenstrahllithographie (EBL) ist in dieser Arbeit eine Belichtung mit niederenergetischen Elektronen <100eV untersucht worden. Dabei wird ein Fowler-Nordheim Feldemissionsprozess am Spitzenapex einer Rastersonde ausgenutzt, um in molekularen Resistsystemen lithographisch nutzbare Reaktionen auszulösen. Die unikale Eigenschaftskombination von: (1) Aktiven Rastersonden, welche eine direkte Abbildungs-Rückkopplung erlauben; (2) Die direkte Anwendung von Elektronen mit Energien nahe den lithographisch relevanten Anregungen, welche einen effizienteren und räumlich begrenzteren Belichtungsprozess bei gleichzeitig normalen Umgebungsbedingungen ermöglichen; und (3) Molekulare (Glass)resistsysteme, u.a. Calixarene, welche ein wohldefiniertes monodisperses System mit niedrigem Molekulargewicht darstellen, bietet dabei neue vielversprechende Möglichkeiten. Im Rahmen dieser Arbeit ist erstmalig ein umfängliches Bild der komplex zusammenhängenden Wechselwirkungen und Reaktionen erarbeitet worden. Dabei sind die lithographisch nutzbaren Phänomene sowohl als Funktion der Belichtungsparameter, -bedingungen, und des Resistmaterials experimentell untersucht, als auch durch Modelle und Simulationen beschrieben worden. Als Folge der veränderten Belichtungsbedingungen in der Feldemissions-Rastersondenlithographie (FE-SPL) konnte erstmals gezeigt werden, dass (i) die Belichtung mit niederenergetischen Elektronen in diesen Resisttypus eine höhere Sensitivität und Auflösung ermöglichen, (ii) Proximity-Effekte effektiv unterdrückt werden, und (iii) das neuartige Reaktionstypen, z. Bsp. in Form einer direkten Entfernung von Resistmaterial, auslösbar sind. Dabei ist sowohl das maskenlose Schreiben im Negativ in Form einer Vernetzung als auch im positivem "Tone" in Form einer ablativen Reaktion möglich. Darüber hinaus zeigt die Überlagerung beider Reaktionstypen neuartige selbstausgerichtete Strukturformen. Die lithographische Strukturerzeugung im Bereich von sub- 5nm Einzellinien, 8nm Einzelpunkten und 7nm hp dichten Strukturen ist gezeigt worden. Aspekte bezüglich der Anwendbarkeit, des Durchsatzes als auch des Strukturübertrages sind untersucht und durch entsprechende Strategien gelöst worden.

Patterning at single digit nanoscale constitutes the main technological bottleneck in next generation fabrication at nanometer scale. In order to overcome the limits of classic well established Gaussian electron beam lithography (EBL) a novel lithographic concept based on low energy electron exposure <100eV is explored in this research. In particular, a Fowler-Nordheim field emission process at the foremost front of a scanning proximal probe tip is utilized. This so-named field emission scanning probe lithography (FE-SPL) is applied for spatially confined exposure of molecular type resist materials. In fact, the combination of: (1) Active scanning probes, which provide a closed loop lithographic functionality; (2) The direct application of electron energies, which are close to the lithographic relevant excitation, enabling an efficient and spatially confined exposure process in ambient conditions; and (3) Molecular resist materials, e.g. calixarene, which feature a well-defined monodisperse low molecular weight system, provides a unique combination investigated hereinafter for nanolithographic purposes. For the first time a comprehensive insight including all involved lithographic phenomena, processes and interactions is gained. Due to the different exposure conditions in FE-SPL, (i) low energy electron exposure features a higher sensitivity and resolution capability using this kind of low molecular weight resist system, (ii) proximity effects are effectively suppressed, and (iii) novel unique lithographic reaction schemes utilizing a direct ablation of resist are enabled. In consequence, as a function of exposure conditions, mask-less patterning in both tones, negative tone by crosslinking and positive tone by direct ablation, is demonstrated. Furthermore, the superposition of both interactions gives features in self-aligned fashion. In this work the basic lithographically applicable phenomena are experimentally investigated as function of exposure parameters, conditions and molecular resist systems. The experimental results are supported by simulations and exposure models. The combined effort has established the patterning of single features with < 5nm line width, 8nm single dots and dense features with 7nm half-pitch. Challenging aspects regarding the applicability, throughput issues and pattern transfer are investigated and solutions are elaborated.

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Kästner, Marcus: Field emission scanning probe lithography on molecular resist. Ilmenau 2018.

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