Elektronen Multistrahl-Maskenschreiber für die Chips der nächsten Generation

Chipaufbau

Das Grundprinzip dieses Chips ist konzeptionell relativ einfach: In dem Elektronen-Multistrahl-Maskenschreiber wird ein aufgefächerter Elektronenstrahl durch eine Lochplatte aus Silizium in 512 x 512 = 262.144 Einzelstrahlen aufgeteilt. Dabei hat jeder Elektronenstrahl einen Durchmesser von nur wenigen Mikrometern. Anschließend treffen die 262.144 Einzelstrahlen auf den baulich nachfolgenden Strahlablenkchip. Seine integrierte CMOS-Elektronik ermöglicht zusammen mit der am ISIT durchgeführten MEMS-Prozessierung das gezielte Ablenken einzelner Elektronenstrahlen. Das erlaubt die präzise und selektive Belichtung des am Ende des Strahlenverlaufes befindlichen Maskensubstrats, aus welchem in weiterer Folge Fotomasken hergestellt werden.

Die MEMS-Komponenten des Chips bestehen aus Öffnungen und Goldelektroden, durch welche die durchfliegenden Elektronen abgelenkt werden können. Zur Veranschaulichung kann man sich das Prinzip ähnlich zu dem eines Tintenstrahldruckers vorstellen. Bei den Öffnungen handelt es sich um wenige Mikrometer große, durch den Silizium-CMOS Chip geätzte Kanäle. Diese Kanäle, auch Aperturen genannt, sind jeweils von hohen Ablenk- und Abschirmelektroden aus galvanischem Gold umgeben. Jede dieser Ablenkelektroden ist über die integrierte CMOS-Logik adressierbar und kann unter Spannung gesetzt werden. Bei angelegter Spannung wird der passierende Elektronenstrahl leicht abgelenkt und damit unwirksam. Abgelenkte Elektronenstrahlen werden durch die nachfolgende Elektronen-Projektions-Optik (in Abbildung 1a durch Rechtecke und horizontale Strukturen entlang des Elektronenstrahlpfades dargestellt) ausgefiltert. Über die CMOS-Logik kann der Spannungszustand jeder Elektrode im Nanosekundenbereich ein- und ausgeschaltet werden.

Herausforderungen, Ziele & Möglichkeiten

Alle prozesstechnischen Herausforderungen hinsichtlich der Defektfreiheit, der Abschirmung und der Erhaltung der CMOS-Logik konnten nur durch eine Weiterentwicklung und Verfeinerung bestehender MEMS-Prozeduren und Technologien erreicht werden. Dabei wurden Geräte und Medien jenseits der von Herstellern spezifizierten Grenzen eingesetzt und evaluiert. An vielen Stellen wurde prozesstechnisches Neuland betreten und die Grenzen des bisher Bekannten neu definiert. Im Laufe des Projektes wuchs das Verständnis über das komplizierte Zusammenwirken der über 200 Einzelschritte in der MEMS-Fertigungskette des Ablenkchips, wodurch die Prozesssicherheit und folglich der Ertrag gesteigert werden konnten.

Mit dem neuen Herstellungsverfahren werden Abbildungsmaßstäbe erreicht, die bisher mit keiner anderen Technologie realisiert werden können. Deswegen führt für eine weitere Miniaturisierung in der Mikroelektronik kein Weg am Elektronen-Multistrahl-Maskenschreiber vorbei.

Für ihre Entwicklungsarbeiten erhielten ISIT-Wissenschaftler Martin Witt, Michael Kampmann sowie Dr. Jacqueline Atanelov von der IMS Nanofabrication den Fraunhofer-Preis 2021.

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