Die Röntgenlithografie (, XRL) ist ein Strukturierungsverfahren aus der Halbleiter- und Mikrosystemtechnik. Das Verfahren nutzt Röntgenstrahlen, um ein geometrisches Muster von einer Maske in eine Resist-Dünnschicht zu übertragen, die sich auf einem Substrat, meist ein Wafer, befindet. Dieses Muster kann anschließend durch weitere Verfahren in das darunterliegende Material übertragen oder für die selektive Abscheidung von Material genutzt werden, vgl. Fotolithografie.
Die Röntgenlithografie gehört zu den sogenannten Next-Generation-Lithografieverfahren (NGL-Verfahren), das heißt, sie ist ein Kandidat für die Nachfolge der derzeit üblichen Fotolithografie auf Basis von Ultraviolettstrahlung und soll in der Halbleiterindustrie die Produktion von mikroelektronischen Schaltungen mit Strukturgrößen unterhalb von 20 nm ermöglichen. Sie ist nahe verwandt mit der EUV-Lithografie, die ebenfalls zu den NGL-Verfahren gehört.
Hintergrund
Für die Herstellung mikroelektronischer Schaltkreise und von Mikrosystemen werden Strukturmuster von einer Fotomaske in eine fotostrukturierbare, das heißt lichtempfindliche, dünne Schicht aus Fotolack (Resist) auf den Wafer übertragen und dort für Nachfolgeprozesse genutzt. Seit der Anfangsphase der Mikroelektronik erfolgt diese Strukturierung mithilfe der (optischen) Fotolithografie. Der Trend in der Mikroelektronik hin zu höheren Integrationsdichten und somit kleineren Bauelementen machte eine stetige Entwicklung dieser Strukturierungstechnik notwendig. Einer der wichtigsten Parameter für das Auflösungsvermögen einer Fotolithografieanlage ist die Wellenlänge des eingesetzten Lichts, denn Beugungseffekte des Lichts erschweren eine scharfe Abbildung im Resist, wenn die gewünschten Strukturgrößen im Bereich der Wellenlänge des eingesetzten Lichts und darunter liegen. Um kleinere Strukturen fertigen zu können, wurde daher neben anderen technischen Verbesserungen Licht mit immer kürzerer Wellenlänge eingesetzt, so dass man vom zunächst eingesetzten sichtbaren Licht heute bei Wellenlängen im ultravioletten Spektralbereich angekommen ist.
Mit der Entwicklung der Immersionslithografie unter Einsatz von Argonfluorid-Excimerlasern (Wellenlänge: 193 nm) und weiteren Feinheiten wie Schrägbeleuchtung oder Mehrfachstrukturierung konnte die erwartete Grenze der Lithografie mehrfach zu immer kleineren Strukturen verschoben werden und liegt heute (2012) in einem Bereich (22-nm-Technik), den man vor Jahren noch für technisch und physikalisch unmöglich gehalten hatte. Mittlerweile sind aber alle Möglichkeiten die auch industriell einsetzbar und sinnvoll nahezu ausgeschöpft und es wird seit fast zwei Jahrzehnten nach Nachfolgeverfahren für die „optische Lithografie“ gesucht. Diese werden unter dem Begriff Next-Generation-Lithografieverfahren zusammengefasst. Dazu zählen unter anderem EUV-, Elektronenstrahl-, Ionenstrahl- und auch die hier behandelte Röntgenlithografie.
Die Röntgenlithografie nutzt wie auch die konventionelle Fotolithografie elektromagnetische Strahlung zur Übertragung des Strukturmusters von der Maske in den Resist. Sie könnte daher, ähnlich wie die EUV-Lithografie, als Weiterentwicklung der optischen Lithografie mit kürzerer Wellenlänge angesehen werden. Die Wellenlänge der verwendeten weichen Röntgenstrahlen ist mit ca. 1 nm gut 200-mal kürzer als bei derzeitigen „optischen“ Systemen. Das Materialverhalten, das heißt die Wechselwirkung von Röntgenstrahlung mit der Materie, unterscheidet sich im Röntgenbereich gravierend von dem im optischen und nahen ultravioletten Bereich. Aus diesem Grund werden bei der Röntgenlithografie nicht nur andere Strahlungsquellen und modifizierte fotoempfindliche Lacke benötigt, sondern sie erfordert grundlegend andere Abbildungsprinzipien, eine andere Maskentechnik und weitere Entwicklungen, bei denen die Kenntnisse aus der optischen Lithografie kaum angewendet werden können.
Erstmals gezeigt wurde ein solches System bereits Anfang der 1970er Jahre. Zitiert nach:
Funktionsprinzip mini|Funktionsprinzip der Foto- und Röntgenlithografie Das Grundprinzip der Röntgenlithografie entspricht dem der konventionellen Fotolithografie auf Basis von sichtbarem Licht oder UV-Licht, das heißt eine Resistmaske mit einem Muster aus transparenten und undurchsichtigen Bereichen wird mit Röntgenstrahlung beleuchtet und das Muster auf eine dünne Schicht aus einem Resist projiziert. Dabei werden die beleuchteten Bereiche im Resist chemisch verändert und können im Fall eines Positivfotolacks in einem nachfolgenden Entwicklungsschritt gelöst werden. Übrig bleibt eine Resistmaske auf dem Substrat die als Maskierungsschicht für nachfolgende Prozesse genutzt werden kann.
Anders als bei der optischen Lithografie werden bei der Röntgenlithografie die chemischen Reaktionen nicht direkt durch einfallende Photonen, sondern durch erzeugte Elektronen, die mit dem Resistmaterial wechselwirken, ausgelöst. Trifft Röntgenstrahlung auf ein Material werden durch vollständige Absorption des Photons durch ein Elektron auf einem inneren Atomorbital Photoelektronen mit einer bestimmten kinetischen Energie erzeugt, dem Photoeffekt – andere Mechanismen wie Compton-Effekt oder Thomson-Streuung können vernachlässigt werden. Anschließend relaxiert das angeregte Atom, das heißt, die entstandene unbesetzte Orbitalposition wird durch ein Elektron aus einem höheren Orbital besetzt. Dabei entsteht ebenfalls ein Auger-Elektron oder Fluoreszenzphoton. Die entstandenen Photo- und Auger-Elektronen wechselwirken mit elektronenempfindlichen Substanzen (z. B. einem Photosäuregenerator, PAG) und führen so über weitere Zwischenschritte zu einer Änderung der chemischen Eigenschaften (meist der Löslichkeit) des Resists in den belichteten Bereichen.
Strahlungsquellen und „optisches System“ Ähnlich wie bei der konventionellen Fotolithografie wird auch bei der Röntgenlithografie intensive und schmalbandige (monochromatische) elektromagnetische Strahlung benötigt. Die Wellenlänge weicher Röntgenstrahlung liegt im Bereich 10–0,1 nm. Praktische Bedeutung hat jedoch eher der Bereich 2–0,2 nm, begründet durch das Wechselwirkungsverhalten der Materialien mit der Röntgenstrahlung. Beugungseffekte, die bei der konventionellen Fotolithografie das Auflösungsvermögen limitieren, können in diesem Bereich vernachlässigt werden. Die sogenannte (DXRL) nutzt hingegen kürzere Wellenlängen in der Größenordnung von 0,1 nm und abgeänderte Verfahrensweisen wie das LIGA-Verfahren, um tiefe oder gar dreidimensionale Strukturen herzustellen. Theoretisch in Frage kommen daher folgende Strahlungsquellen: Hochleistungsröntgenröhren, Plasma-Röntgenquellen und Synchrotronstrahlungsquellen.
Als eine der interessantesten Strahlungsquellen haben sich Synchrotrone herausgestellt, unter anderem da der Wirkungsgrad und die erreichbaren Intensitäten der anderen Strahlungsquellen für eine wirtschaftliche Nutzung nicht ausreichend sind und diese keine parallelen Strahlenbündel bereitstellen. Synchrotronstrahlung zeichnet sich unter anderem durch eine hohe Intensität und einer hohen Brillanz der emittierten Strahlung aus. Sie erlauben somit eine relativ schnelle Belichtung ohne extrem empfindliche Resiste zu verwenden. Die Nutzung von aufwendigen Synchrotronen für die Halbleiterfertigung stellt derzeit eine extrem große Herausforderung für die Einführung dieser Technik dar. Eine technische Möglichkeit sind kompakte Speicherringe, wie das COSY ( bzw. ), deren Flächenbedarf bei Anschluss von 8 Wafersteppern in etwa dem einer heutigen ArF-Immersion-Fotolithografieanlagen beträgt.
Der Brechungsindex von nahezu allen Materialien liegt im Röntgenbereich bei rund 1 und entspricht damit näherungsweise dem Brechungsindex im Vakuum und dem in Luft. Linsen- und Spiegelsysteme, wie sie bei der konventionellen Fotolithografie eingesetzt werden, wurden zwar bereits gezeigt, sie sind jedoch sehr aufwendig in der Herstellung und daher für die Röntgenlithografie praktisch nicht einsetzbar. Damit sind Direktschreib- (wie bei der Elektronenstrahllithografie) und Projektionstechniken (wie bei der konventionellen Fotolithografie) nicht realisierbar. Für die Umsetzung der Röntgenlithografie muss daher auf eine Proximity- oder Kontakttechnik zurückgegriffen werden, dies setzt bei Strukturgrößen von wenigen Nanometern auch extreme Anforderungen an die 1:1-Schattenmasken. Bereits 1990 konnte die Herstellung von einer freistehenden Linienstruktur mit einer Breite von etwa 30 nm für verschiedene Belichtungswellenlängen gezeigt werden.
Neben der „normalen“ Proximitytechnik wurden in den letzten Jahren auch Demonstrationsexperimente auf Grundlage der Fresnel-Beugung (Nahfeld-Näherung) im sogenannten „“ gezeigt, vgl. Abschnitt Auflösungsvermögen.
Maskentechnik Eine Maske für die Röntgenlithografie besteht aus einem Röntgenabsorber höherer Ordnungszahl, typischerweise Gold oder Verbindungen aus Tantal oder Wolfram, auf einer Membran aus einem Material niedriger Ordnungszahl, die durchlässig für Röntgenstrahlen ist, beispielsweise aus Siliciumnitrid, Siliciumcarbid oder Diamant. Das Muster auf der Maske werden durch Direktschreiben-Elektronenstrahllithografie auf ein Resist, der für herkömmliche Halbleiterverfahren entwickelt wurde, geschrieben. Da eine Belichtung im Step-and-Repeat-Verfahren wirtschaftlich am besten geeignet und technisch einfacher umsetzbar ist, beträgt die Größe der Masken meist nur wenige Quadratzentimeter, beispielsweise 5 cm × 5 cm. Nachteilig an dieser Technik ist, dass der Waferdurchsatz pro Stunde rechnerisch niedriger liegt als bei einer Vollbelichtung (die natürlich für derzeit übliche Wafergrößen von 300 mm Durchmesser zunächst einmal realisiert werden und ähnliche Defektraten erreichen müsste).
Lacksysteme Standardmäßig werden den in der Halbleitertechnik verwendeten Lithografieverfahren organische Schichten als Fotoresist verwendet. Die Energie von Röntgenstrahlung liegt weit über den Bindungsenergien chemischer Bindungen dieser Verbindungen und wechselwirken nur zu einem geringen Anteil direkt mit diesen (schwache Absorption). Sie können daher nicht direkt für die (wirtschaftliche) Belichtung genutzt werden. Ihre Energie ist jedoch groß genug, um aus den Resistatomen Photo- und Auger-Elektronen auszulösen. Daher ist prinzipiell jeder elektronenempfindliche Resist auch für die Röntgenlithografie nutzbar. Dazu gehören klassische Fotolacke wie SU-8, die sowohl Licht- als auch Elektronen-empfindlich sind, oder auch Polymethylmethacrylat (PMMA). Beide Beispiele gehören zu einer Gruppe von eher unempfindlicheren Resisten mit einer Röntgenempfindlichkeit von 500 bis 1.000 mJ/cm2 und erlauben Belichtungszeiten von einigen Sekunden pro „Belichtungsschuss“. Weitere, empfindlicheren Resiste sind Poly(Buten-1-sulfon) (PBS), Poly(Glycidyl-methacrylat-coethyl-acrylat) (COP), fluoriertes Polymethylmethacrylat (FBM) oder Methyl-α-fluoracrylat (MFA) mit einer Röntgenempfindlichkeit unter 100 mJ/cm2. Sie sind aber oft weniger widerstandsfähig gegenüber nachfolgenden Prozessen wie dem reaktiven Ionenätzen. Mit dem möglichen Einsatz von Mehrfachschichtresisten kann aber auch dieses Problem gelöst werden. Solche Resistsysteme werden üblicherweise auch in der konventionellen Fotolithografie eingesetzt, wobei sie hier oft zur Reduzierung von Reflexionen genutzt werden, was bei der Röntgenlithografie kein Problem darstellt.
Photo-, Auger- und Sekundärelektronen