Die Erfolgsgeschichte des CSAR 62 und Testergebnisse

Der Drang nach immer leistungsfähigeren Computern erfordert beständig kleinere Strukturen bei der Herstellung von integrierten Schaltkreisen. Eine Technologie, die schon heute eine Auflösung von 10 nm realisieren kann, ist die Elektronenstrahllithographie, bei der leistungsstarke Elektronenstrahlresists zum Einsatz kommen. Das Unternehmen Allresist ist ein Spezialist für solche High Tech Resists. Für die erfolgreiche Entwicklung und Vermarktung des E-Beamresists CSAR 62 erhielt das Unternehmen im Mai 2014 den Brandenburger Innovationspreis.

Vorstellung der Innovation

Das neue Produkt „CSAR 62“ ist ein Hochtechnologielack für die Elektronenstrahllithographie, mit dem High-End-Anwendungen in der Mikroelektronik, z.B. für die Raumfahrt oder Hochleistungscomputer, umgesetzt werden. Mit dem neuen Lack können extrem kleine Strukturen von 10 nm für die höchst integrierten Schaltkreise eines Mikrochips hergestellt werden. Zum Vergleich: Ein Haar mit einer Breite von 30 µm ist 3000 x dicker als eine solche Struktur.

CSAR 62 besitzt eine exzellente Auflösung, eine sehr gute Empfindlichkeit und verfügt über eine hervorragende Plasmaätzstabilität. Die Parameter sind so aufeinander abgestimmt, dass die hohe Auflösung nicht nur unter akademischen Labor-Bedingungen erreicht wird, sondern auch bereits für den industriellen Einsatz mit einem Elektronenstrahl-Punktschreiber, der den Elektronenstrahl auf 2 nm fokussieren kann, ausgezeichnet geeignet ist.

Motivation zur Resistentwicklung

Elektronenstrahlresists werden schon seit über 30 Jahren für unterschiedliche Applikationen eingesetzt. Diese haben zwar viele gute Eigenschaften, jedoch reichen sie nicht an die Parameter des CSAR 62 heran. Einzig der E-Beamresist ZEP 520 eines asiatischen Herstellers verfügt über ähnlich gute Eigenschaften, die die meisten Erwartungen der Anwender erfüllen. Für diesen Lack gab es bisher kein Konkurrenzprodukt. In den letzten 3 Jahren begann sich die Situation der ZEP-Resist Anwender dramatisch zu verschlechtern. Der Hersteller vervierfachte in wenigen Jahren die Preise, ein Liter Lack kostet in Europa mittlerweile 9.000 Euro bei mehrwöchigen Lieferzeiten. Auch für die Maskenblank-Herstellung innerhalb der Photolithographie zeichnete sich ein Engpass ab. Seit 2012 äußerten unsere Kunden auf Messen, Kongressen und bei Besuchen wiederholt die Bitte, ob Allresist nicht eine Lösung des Problems anbieten könnte.

Damit stand das Allresist-Team 2012 vor der Herausforderung, einen hochauflösenden, ätzstabilen E-Beamresist zur effizienten Herstellung von integrierten Schaltkreisen höchster Auflösung und zur Produktion hochwertiger Maskblanks zu entwickeln. Basierend auf intensiver Recherche in Literatur und Patenten wurden neue verheißungsvolle Lösungswege gefunden. Nach positiver Prüfung der Verfügbarkeit der Rohstoffe und Kompatibilität zu den Allresist-Prozessen wurde das Projekt in die strategische Forschungs-/Marketingplanung 2013 aufgenommen.

Wissenschaftliche Realisierung

Parallel wurden die beiden hierfür erforderlichen Partner, das Institut für Dünnschichttechnologie und Mikrosensorik e.V. (IDM) und die Martin-Luther-Universität Halle (MLU) in die Beratung einbezogen. Mit dem IDM Teltow verbindet Allresist eine 18-jährige intensive Zusammenarbeit, aus der viele innovative Produktentwicklungen hervor gingen. In dem CSAR-Projekt wurde die langjährige Kompetenz des IDM bei der Synthese neuer Polymere benötigt. Schon die ersten Versuche führten nach wenigen Tagen zu Polymeren, die sich leicht zu Resistmustern verarbeiten ließen. Lediglich Empfindlichkeit und Lagerstabilität waren noch ausbaufähig, so dass die Rezepturen und Reaktionsbedingungen im IDM optimiert wurden. In sechs Wochen angestrengter Arbeit wurden neue geeignetere Polymere gefunden (F Abb. 2), die im Lack den Ansprüchen an eine hohe Plasmaätzstabilität, Empfindlichkeit und Lagerstabilität entsprach.

Strukturformel_Allresist

Strukturformel: Copolymer aus Chlor-methacryl-säuremethylester und Methylstyren

Aus diesen Polymeren wurden bei Allresist erste Resistmuster hergestellt und charakterisiert. Der Innovationsgrad konnte noch durch den Zusatz eines Säurebildners gesteigert werden. Damit wird ein völlig neuer Wirkmechanismus zur Empfindlichkeitssteigerung genutzt. Der Name CSAR resultiert daher aus diesem Mechanismus: Chemical Semi Amplified Resist.

Die Martin-Luther-Universität Halle ist für Allresist ebenfalls seit vielen Jahren ein verlässlicher Partner. Besonders auf dem Gebiet der Elektronenstrahllithographie verfügt die Universität über ein außerordentliches Know-how und langjährige Erfahrung. Sie ist Vorreiter auf dem Gebiet der Elektronenstrahllithographie, was durch etliche wissenschaftliche Publikationen belegt wird. Der E-Beamresist CSAR 62 ist für den Fachbereich Nanophysik deshalb so interessant, weil feinste Strukturen bis 10 nm mit hoher Empfindlichkeit geschrieben werden können (siehe Anwenderbericht MLU weiter unten).

Die in der Universität untersuchten Proben zeigten sensationell gute Ergebnisse: Fast auf Anhieb wurde eine Auflösung von 10 nm bei guter Empfindlichkeit erreicht (siehe Abb. 2).

Die Auflösung einer 173 nm dicken CSAR-Schicht beträgt 10 nm und die Empfindlichkeit 65 µC/cm².

6_10nm-Strukturen

Abb. 2 CSAR 62 Strukturen mit AR-P 6200.09: Auflösung 10 nm; Prozessparameter: Si 4“ Wafer, Schichtdicke 173 nm, 150 °C, 60 s, hot plate; Raith Pioneer, 30 kV; Dosis 65 μC/cm², Entwickler AR 600-546, 60 s, 22 °C

Damit konnten im Mai 2013 erste Experimentalmuster an langjährig vertraute Kunden zur ergänzenden Testung zur Verfügung gestellt werden. Die nachfolgenden Befragungen ergaben ein äußerst positives Feedback und erneute Bestellungen größerer Mengen. Die derzeit am Markt verfügbaren Eigenschaften wurden vollständig erreicht und teilweise sogar deutlich übertroffen.

Synthese und Lackproduktion bei Allresist

In Erwartung einer stetig wachsenden Nachfrage wurde die Synthese der CSAR-Rohstoffe zügig in dem Produktionsmaßstab übergeführt. Da Allresist viele strategische Rohstoffe für die Resistproduktion selber herstellt, konnten vorhandenes Equipment und Know-how zweckmäßig genutzt werden.

Nach der Polymerisation und Fällung wird das Polymer getrocknet und einer intensiven Qualitätskontrolle unterzogen. Dann werden die CSAR-Resists hergestellt, in dem Polymere in einem Lösemittel gelöst und anschließend ultrafeinfiltriert werden.

Eroberung des Marktes

Ab Juni 2013 standen ausreichende Mengen an CSAR 62 nebst Entwicklern zur Verfügung, so dass mit dem regulären Verkauf begonnen werden konnte. Ohne Verzögerungenkonnten die Kunden innerhalb weniger Tage beliefert werden, weil kurzfristig nachproduziert werden konnte.

Bis zum Jahresende bearbeitete Allresist 67 CSAR-Bestellungen aus 34 Ländern, darunter von 19 Neukunden und erlöste mit der neuen Produktlinie 11% mehr Umsatz. Im 1. Halbjahr 2014 verdoppelten sich die Umsatzzahlen weiter.

Viele Kunden äußerten sich sehr positiv über die sehr guten Lackeigenschaften, die Bestellmöglichkeit von kleinen Testmustern und die rasche Verfügbarkeit. Die Kundenbetreuer registrierten auch die Wünsche nach weiteren Anwendungen und leiteten sie an die Entwicklungsabteilung weiter.

Technische Weiterentwicklung

Diesen Wünschen folgend entwickelte Allresist 2014 den CSAR 62 weiter und optimierten ihn für die Anwendung „Erzeugung von Leiterbahnen im Nanometerbereich“.

Für die Erzeugung allerfeinster Metallbahnen benötigt man die Lift-off-Technik. Dazu sind unterschnittene Strukturen notwendig, bei denen die Stege unten schmaler sind als oben.

Allresist ist mit dem CSAR 62 ein Lack gelungen, mit dem Lift-off-Strukturen mit 10-nm-Linien erzeugt werden können: Um derart feine Leiterbahnen mit diesem E-Beamresist herzustellen, wird ein Wafer 100 nm dünn mit diesem Lack beschichtet und dieser dann getrocknet. Anschließend werden mit einem extra hochdosierten Elektronenstrahl Linien geschrieben. Aufgrund dieser hohen Energiedosis gibt es eine größere Rückstreuung aus dem Substrat (Proximity-Effekt). Durch diesen Effekt werden die unteren Bereiche der Resistschicht zusätzlich bestrahlt. Das führt bei der Entwicklung dazu, dass der Resist nicht nur unten, sondern auch seitlich abgelöst wird, während in der oberen Schicht die ursprüngliche Breite der Linie erhalten bleibt (21 nm). So entsteht ein Unterschnitt in der Lackstruktur. Wird nun das Substrat mit einem Metall bedampft, schlägt sich das Metall sowohl auf den freientwickelten Stellen als auch auf den Lackstrukturen nieder. Im folgenden Schritt werden die metallisierten Resiststrukturen mit einem Lösemittel geliftet (entfernt). Nach dem Lift-off bleiben die gewünscht feinen 10 nm-Leiterbahnen auf dem Wafer zurück.

14_Lift-off-Struktur_CSAR62

Abb. 4 Unterschnittene Strukturen mittels Lift-off

Eine solche Auflösung von Leiterbahnen wurde bisher noch nicht erreicht! Es sind weitere Anwendungsgebiete des CSAR 62 abzusehen: Je kleiner die Strukturen auf einem Mikrochip sind, desto höher ist die Integrationsdichte und Leistungsstärke. In der industriellen Herstellung von Schaltkreisen betragen die kleinsten Strukturen gegenwärtig 80 nm. Nach dem mooreschen Gesetz verdoppelt sich die Integrationsdichte alle 18 Monate. Insofern ist die E-Beam-Lithographie mit dem besten E-Beamresist CSAR 62 eine in die Zukunft weisende Technologie, die auch noch in Jahrzehnten den hohen Anforderungen der Mikroelektronik genügen wird.

Künftig könnten mit dem CSAR 62 Schaltkreise für den 5Ghz Bereich hergestellt werden, die vor allem für die drahtlosen Bluetooth oder Wi-Fi-Technik genutzt werden. Die E-Beam-Lithographie wird auch bei der Erforschung von Nanomaterialien wie Graphen, dreidimensionalen integrierten Schaltkreise sowie bei optischen und Quantencomputern benötigt. Bei all diesen Technologien wird die Rechenleistung oder Speicherdichte gesteigert. Im Bereich höchster Rechneranforderungen (Supercomputer), z.B. bei der numerischen Strömungssimulation oder bei der Raumfahrt, sind Mikrochips mit allerhöchster Integrationsdichte gefragt.

Zufriedene Anwender zu unserem CSAR 62

Fraunhofer Heinrich-Hertz-Institut (HHI) Berlin

Herr Dr. Ralf Steingrüber ist langjähriger Elektronenstrahlresist-Experte im HHI und hat den CSAR 62 auf Maskenblanks getestet: „Ich erreichte auf Anhieb eine Auflösung von 50 nm, was für Masken ein ausgezeichneter Wert ist. Aktuell sind Masken mit minimal 200 nm Linien auf dem Markt. Sobald Masken mit CSAR 62 angeboten werden, möchte ich sie unbedingt einsetzen.“

16_50nm-Stege_CSAR62

Abb. 5 CSAR 62-Teststruktur auf Maskenblank mit 50 nm Stegen und 50 nm Gräben, pitch line & space 99,57 nm

Leibniz-Institut für Photonische Technologien Jena

Herr Dr. Uwe Hübner, der als Arbeitsgruppenleiter der Quantendetektion seit vielen Jahren Elektronenstrahl-Projekte für Nanostrukturierung im IPHT erfolgreich vorantreibt, hob besonders die hohe Prozessstabilität des CSAR 62 gegenüber dem ZEP 520 (F Abb. 6) hervor: „Mit CSAR 62 können kleine Prozessschwankungen wieder wettgemacht werden, die gewünschte hohe Auflösung ist auch dann garantiert. Außerdem erreicht der neue Allresist-Lack in Vergleichsmessungen mit dem ZEP 1,5-fach höhere Kontrastwerte“:

17_Gradationskurve_ZEP520_CSAR62

Abb. 6  Kontrastkurven AR-P 6200 und ZEP 520, 50kV, Substrat: Si; ZEP 520, Schichtdicke 220 nm, 60 s Entwickler ZED N-50, Kontrast 6; AR-P 6200, Schichtdicke 260 nm, 60 s Entwickler AR 600-546, Kontrast 9

Anwenderbericht von Herrn Prof. Dr. Georg Schmidt, geschäftsführender Institutsdirektor an der Martin-Luther-Universität Halle

In der Fachgruppe Nanostrukturierte Materialien der Universität wird der CSAR 62 vor allem für die höchstauflösende Lithographie für den Lift-off und als Ätzmaske für trockenchemische Ätzprozesse verwendet. Der neue Lack zeigt hier mehrere besondere Vorteile. Er erreicht die hohe Auflösung von PMMA, jedoch bei deutlich niedriger Dosis. Dies ist aus folgendem Grunde sehr zu begrüßen: Gerade bei hochaufgelösten Strukturen steigt die notwendige Belichtungsdosis aufgrund des Proximity-Effektes stark an. Diesem muss durch eine längere Belichtungszeit bzw. einem höheren Strahlstrom Rechnung getragen werden, beides ist aber aus wirtschaftlichen Gründen nicht erwünscht. Der CSAR macht dies durch seine höhere Empfindlichkeit wieder wett, denn in Verbindung mit der günstigen Kontrastkurve ist es möglich, auch bei dünnen Schichten einen leichten Unterschnitt zu erreichen. Das erlaubt einen gleichmäßigen Lift-off im Sub-100 nm Bereich (siehe Abb. 7):

18_Chrom-Strukturen_CSAR62

Abb. 7 Chrom-Strukturen mit  20 nm Linien nach dem Lift-off

Beim Lift-off von Metallstrukturen besteht das Ziel nicht grundsätzlich darin, die Auflösungsgrenzen zu sprengen. Typische Anwendungen, zum Beispiel bei der Kontaktierung von Nanodrähten, erfordern eher Abmessungen ab einem Bereich von 30-50 nm. Diese sind zwar auch mit anderen Resists realisierbar, die beim CSAR 62 vorhandene „Auflösungsreserve“ ermöglicht jedoch eine deutlich verbesserte Strukturtreue sowie ein schnelleres Design mit weniger Iterationen (siehe Abb. 8):

19_Schaltungen

Abb. 8 Typische Struktur zur Kontaktierung von Nanodrähten. Große Flächen sind mit kleinen Details gemischt

Beim trockenchemischen Ätzen, zum Beispiel bei der Strukturierung von Siliziumnitrid, bietet der CSAR das Beste aus zwei Welten: Zum einen erlaubt er den Einsatz als hochauflösender Positivresist analog zum PMMA, zum anderen bietet er eine Stabilität, die eher dem Novolak entspricht. Hierdurch können Masken mit steilen Flanken erzeugt werden, die die notwendige Ätzstabilität bieten und die häufig auftretende, störende Facettierung an den Rändern vermeiden.

Zusätzlich wurde eine neue Variante des CSAR mit extrem hoher Schichtdicke (1 µm) getestet. Diese ermöglicht es bereits mit einer Lage einen starken Unterschnitt zu erzeugen, der perfekt für Lift-off geeignet ist (siehe Abb. 9). Dieser Prozess richtet sich an größere Flächen im Mikrometerbereich, die sehr genau definiert sein sollen, weil der betont starke Unterschnitt, wie aus den Bildern ersichtlich, die minimale Entfernung zwischen verschiedenen Strukturen nach unten begrenzt.

Dicke_Strukturen_CSAR62

Abb. 9 Besonders dicker CSAR mit starkem Unterschnitt für extreme Lift-off Anwendungen

Die sehr guten Resisteigenschaften verbunden mit der großen Variabilität dieses neuen Lackes machen den CSAR 62 zum attraktiven Produkt in Forschung und Industrie.

Anwenderbericht von dem Anwendungslabors eines führenden Elektronenstrahlgeräte-Herstellers

Ein führender Elektronenstrahlgeräte-Hersteller testete für Entwicklung und Vertrieb dieser Maschinen auf dem Markt befindliche Elektronenstrahlresists, um ihren Kunden Lackempfehlungen und Verarbeitungshinweise geben zu können.

Es wurden drei vergleichende Untersuchungen des CSAR 62 (AR-P 6200.09) und des ZEP 520A hinsichtlich Strukturauflösung, Kontrast und Empfindlichkeit in ihren jeweils systemeigenen Entwicklern durchgeführt:

1.) Strukturauflösung: Ein Vergleich der 90-nm-Stege beider Resists (siehe Abb. 10 und 11) in der Mitte eines Siliziumwafers bei einer Schichtdicke von 200 nm zeigt, dass sowohl CSAR als auch ZEP eine exzellente Strukturauflösung (Grabenbreite 91 nm, Pitch 202 nm) und vergleichbare Prozessfenster aufweisen:

21_ZEP-Strukturen

Abb. 10 ZEP 520A, 200 nm, ZED-N50, 50 kV, 80 µC/cm² 

22_CSAR-Strukturen

Abb. 11 AR-P 6200.09, 200 nm, AR 600-546, 50 kV, 85 µC/cm²

2.) Kontrast: Im Diagramm wird der Kontrast des ZEP 520 in seinem Systementwickler ZED-N50 und der CSAR in den zwei Systementwicklern AR 600-546 und 600-549 verglichen. Während die Systeme ZEP-ZED-N50 und CSAR-AR 600-549 nahezu gleich gute Kontraste ergeben, verdoppelt sich der Kontrast des CSAR im hierfür optimierten Entwickler AR 600-546, was ihn für höchste Auflösungen prädestiniert:

23_Contrast_ZEP_CSAR62_3Balken

Abb. 12  Kontrast ZEP 520A, 200 nm, ZED-N50 sowie AR-P 6200.09, 200 nm, AR 600-546 und AR 600-549

3.) Empfindlichkeit (Dose to Clear): Das Diagramm zeigt die benötigte Dosis beider Lacke auf gutem Niveau. Jedoch ist hier das CSAR Resist-Entwicklersystem mit dem AR 600-546 doppelt so empfindlich wie das ZEP Resist-Entwicklersystem:

24_Dose-to-clear_ZEP_CSAR62_3Balken

Abb. 13  Empfindlichkeit ZEP 520 A, 200 nm, ZED-N50 sowie AR-P 6200.09, 200 nm, AR 600-548 und 600-549

Aus allen drei Untersuchungen geht hervor, dass sowohl der ZEP 520A als auch der CSAR 62 über sehr gute Eigenschaften verfügen. Damit stellt CSAR 62 eine vollwertige Alternative mit tlw. günstigeren Parametern dar. Diese ergeben sich auch aus der Entwicklervielfalt der von Allresist angebotenen Entwicklertypen AR 600-546, 600-548 und 600-549. Mit den drei verschieden Entwicklern können z.B. ideal Dosis und Entwicklungszeit und damit der Resistkontrast über einen sehr großen Bereich variiert und so der jeweiligen Anwendung angepasst werden.

Fazit

Ein sehr intensives Jahr gemeinschaftlicher Forschung des Strausberger Unternehmen Allresist, des Instituts für Dünnschichttechnologie und Mikrosensorik Teltow und der Martin-Luther-Universität Halle hat sich gelohnt: Die CSAR-Herstellung im Produktionsmaßstab ist gelungen und Allresist kann die Kundenwünsche hinsichtlich Qualität, Einsatzvielfalt, Preis und Lieferzeit mehr als erfüllen. Damit gehört die frühere ungünstige Angebotskonzentration der Vergangenheit an, mit Allresist hat nun ein deutscher Resisthersteller die Nase vorn am Markt.

Anwender bestätigen, dass CSAR 62 in seinen Eigenschaften den ZEP 520 übertrifft und sich als „Alleskönner“ für viele interessante Anwendungen anbietet: So können Lift-off-Strukturen mit 10 nm Auflösung und definiertem Unterschnitt erzeugt werden. Darüber hinaus lässt sich CSAR 62 erfolgreich auch in Zweilagensystemen und für die Herstellung von Maskblanks und T-Gates einsetzen. Ein weiterer Vorteil ist der Preis: aktuell ist der CSAR 4x preiswerter bei sofortiger Verfügbarkeit.

Um den steigenden Umsatzzahlen zu begegnen, erweitert Allresist seit Juni 2014 ihr Firmengebäude, und schafft neue, moderne Produktionskapazitäten und zusätzliche Arbeitsplätze. Das Unternehmen Allresist erhielt für die erfolgreich vermarktete Produktinnovation CSAR 62 den Innovationspreis Brandenburg 2014. Damit ist der höchstauflösende Hochtechnologielack CSAR 62 ein markantes Markenzeichen für Brandenburg und nicht zuletzt Deutschland.

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