Strukturieren im Sub-10-nm-Bereich HSQ-basierte Resists als Innovationstreiber in der E-Beam-Lithografie

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Mit der zunehmenden Miniaturisierung elektronischer Bauelemente steigen die Anforderungen an die Lithografiesysteme und die verwendeten Materialien. Besonders in der Elektronenstrahllithografie stoßen klassische polymerbasierten Resists an ihre Grenzen.

Anorganische Alternativen wie HSQ bieten neue Möglichkeiten hinsichtlich Strukturauflösung, Prozessstabilität und Ätzresistenz. Die Entwicklung innovativer HSQ-basierter Materialien ist ein wichtiger Schritt, um die technologische Skalierung fortzusetzen und gleichzeitig die Prozesssicherheit und Effizienz in der Fertigung zu erhöhen.

Dabei kommt es nicht nur auf die Auflösung an, sondern auch auf Aspekte wie Kompatibilität mit bestehenden Prozessumgebungen, Lagerstabilität und Reproduzierbarkeit. Der Beitrag zeigt, welche Fortschritte mit HSQ-Resists heute möglich sind, wo ihre Stärken liegen und welche Potenziale sie für Forschung und Industrie erschließen.

Die Elektronenstrahllithografie (E-Beam-Lithografie) ist prädestiniert für die Erzeugung extrem feiner Strukturen, etwa bei der Maskenherstellung für die Extreme-UV-Lithografie oder bei optischen Elementen im Nanobereich. Anders als konventionelle photolithografische Verfahren arbeitet E-Beam maskenlos: Der Elektronenstrahl schreibt direkt in den Resist. Das erlaubt zwar extrem hohe Auflösungen, ist aber auch mit Herausforderungen verbunden.

„Da der Elektronenstrahl Punkt für Punkt strukturiert, müssen die Resists hochsensitiv sein, um wirtschaftlich vertretbare Prozesszeiten zu erzielen“, erklärt Harry Biller, Kundenberater bei Allresist, einem Anbieter von Resists für lithografische Anwendungen. „Gleichzeitig werden exakte Kantenprofile und eine hohe Ätzresistenz benötigt, damit die Strukturen auch in nachfolgenden Prozessschritten stabil bleiben.“

Anorganik statt Polymer

Ein vielversprechender Werkstoff in diesem Kontext ist Hydrogen Silsesquioxane (HSQ) – ein anorganisches Material auf Siliziumbasis. HSQ bildet unter Elektronenbestrahlung eine siliziumoxidähnliche Struktur, die sich durch hohe Ätzstabilität und thermische Beständigkeit auszeichnet. Im Gegensatz zu polymerbasierten Resists erfolgt die Vernetzungsreaktion bei HSQ ausschließlich im Fokusbereich des Strahls. Das Ergebnis: hohe Kantensteilheit, minimal chemischer „Spread“ und damit ideale Voraussetzungen für Strukturen im Sub-10-nm-Bereich.

Medusa 84, ein HSQ-basierter Resist aus dem Hause Allresist, wurde speziell für diese Anforderungen optimiert. „Wir haben insbesondere an der Langzeitstabilität gearbeitet“, so Biller. „Durch Entfernung langkettiger Moleküle verlangsamt sich der Gelierungsprozess deutlich. Gleichzeitig verwenden wir Butylacetat in VLSI-Qualität als Lösemittel – das ist hygroskopisch weniger problematisch als das in der EU als kritisch eingestufte MIBK.“

Feinauflösung, Grayscale und Strukturkontrolle

In der Anwendung zeigt sich die Leistungsfähigkeit von Medusa 84 besonders bei der Herstellung tiefenstrukturierter Masken, bei diffraktiven optischen Elementen und in MEMS-Prozessen. Gleichzeitig bleibt das Kantenprofil auch bei vergleichsweise geringen Dosen stabil, was sich positiv auf die Prozesszeiten auswirkt. Auch Graustufenstrukturen sind möglich: Durch Dosisvariation lassen sich gezielt unterschiedliche Strukturhöhen erzeugen, etwa für Metaoptiken oder Mikrolinsen.

„Ein weiterer Vorteil ist die thermische Stabilität bis etwa 600 Grad Celsius. Damit eignet sich Medusa 84 auch für MEMS-Anwendungen, bei denen hohe Prozesstemperaturen gefordert sind“, erläutert Biller. Nach Herstellerangaben bleibt Medusa 84 nach Nachtemperung bei bis zu etwa 250 °C strukturell stabil; durch weitere thermische Behandlung kann das Material in eine nahezu siliziumoxidische Phase überführt werden.

Auch die Kombination mit geeigneten Entwicklern wie TMAH-Lösungen ist praxisbewährt. Sie ermöglicht eine differenzierte Prozesskontrolle; dies stellt einen wesentlichen Vorteil für komplexe Anwendungen in der Mikro- und Nanofabrikation dar. Versuche mit verschiedenen Entwicklungszeiten und -temperaturen zeigen, dass Medusa 84 in unterschiedlichen Prozessfenstern reproduzierbare Ergebnisse liefert.

Drop-in-kompatibel und langfristig lagerbar

Ein zentrales Argument für den industriellen Einsatz ist zudem die Kompatibilität zu bestehenden Prozesslinien. Medusa 84 kann laut Allresist ohne Anpassungen der Prozessparameter – wie Dosis, Entwickler oder Nachbrennstufe – direkt verwendet werden. Auch die Substratvielfalt ist hoch. „Das ist besonders wichtig, da viele Anwender bestehende Anlagen weiter nutzen möchten, ohne neue Prozessfenster qualifizieren zu müssen“, sagt Biller.

Gleichzeitig wurden in der Entwicklung gezielt Schwächen früherer HSQ-Generationen adressiert. So ist Medusa 84 bei Lagerung unter –18 °C mindestens ein Jahr lang stabil. Selbst bei mehrfacher Entnahme und erneuter Einlagerung zeigen sich kaum Veränderungen der Schichteigenschaften. Anwender berichten von hoher Reproduzierbarkeit und einer einfachen Handhabung.

„Viele Anwender hatten früher Bedenken hinsichtlich der Haltbarkeit von HSQ-basierten Materialien“, so Biller. „Mit Medusa 84 lassen sich diese Sorgen entkräften. Auch bei längerer Lagerung und regelmäßiger Nutzung bleibt die Viskosität konstant. Das vereinfacht die Planung und reduziert Materialverluste.“

Neue Perspektiven durch UV-Sensibilisierung

Derzeit arbeitet Allresist an einer Erweiterung von Medusa 84 mit fotoaktiven Komponenten, um den Resist auch für UV-Lithografie nutzbar zu machen. Dies würde eine Brücke schlagen zwischen hochauflösender E-Beam-Technologie und wirtschaftlichen Hochdurchsatzverfahren. Ziel ist es, die Vorteile der HSQ-basierten Strukturtreue mit der Geschwindigkeit von Maskenbelichtungsverfahren zu vereinen. „Wenn dies gelingt, eröffnet sich eine völlig neue Anwendergruppe“, so Biller.

Weiterhin bietet Allresist bereits heute kundenspezifische Anpassungen an: Neben vier Standardvarianten sind auch abweichende Schichtdicken und Flaschengrößen möglich. Einschränkungen bestehen lediglich bei Additiven, deren Wechselwirkungen mit HSQ bislang schwer vorhersagbar sind. Diese könnten perspektivisch in Forschungskooperationen weiter untersucht werden, um das Anwendungsspektrum noch gezielter zu erweitern.

Fazit

HSQ-basierte Resists wie Medusa 84 bieten der Elektronenstrahllithografie neue Möglichkeiten für hochauflösende, ätzstabile und prozesssichere Anwendungen. Die Kombination aus Strukturpräzision, Prozesskompatibilität und Langzeitstabilität macht sie besonders für Forschungseinrichtungen, Maskenhersteller und MEMS-Fertiger attraktiv. Durch laufende Entwicklungsprojekte, etwa zur UV-Sensibilisierung, dürfte sich der Anwendungsbereich in Zukunft nochmals erweitern.

Die Innovationskraft von HSQ-basierten Resists wie Medusa 84 liegt nicht allein in der Materialwahl, sondern in der gesamtheitlichen Betrachtung: von der Formulierung über die Prozesskompatibilität bis zur praxisnahen Unterstützung durch technische Datenblätter, Support und Bildmaterial. Allresist positioniert sich damit als Partner für präzise Nanostrukturierung in Forschung und industrieller Fertigung gleichermaßen. (sb)

* Patrick Schulze ist Journalist für Wordfinder.

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