Kurzfassung

Im Rahmen dieser Arbeit wird die erreichbare Strukturhöhe bei der röntgenlithographischen Polymer-Strukturierung von typischerweise einigen hundert Mikrometern auf mehrere Millimeter erweitert. Durch eine systematische Analyse und Optimierung der Beschichtungs-, Bestrahlungs- und Entwicklungsprozesse konnten Mikrostrukturen mit Schichtdicken bis 3100 µm hergestellt werden. Die Mittenrauhwerte der Seitenwände liegen je nach Strukturhöhe zwischen 4,5 nm und 20,8 nm.

Die qualitätsbestimmenden Größen wie Spannungsrißbildung, Strukturgenauigkeit und Seitenwandqualität werden von den verschiedenen Parametern der Teilprozesse wechselseitig beeinflußt. Eine Hauptursache von Defekten sind die verschiedenen Temperaturen im Verlaufe der Prozeßkette:

Eine Reduktion der Entwicklertemperatur von üblicherweise 37°C auf 21°C vermindert einerseits die thermisch induzierten Spannungen im Resist, andererseits wächst der Kontrast des Systems aus PMMA-Resist und GG-Entwickler um etwa 50%. Dadurch lassen sich die Spannungsrißanfälligkeit vermindern und die Strukturtreue erhöhen. Eine weitere Steigerung des Kontrastes um 30% wird durch Verwendung eines quervernetzten PMMA-Typs (Plexidon M 727) statt des üblicherweise eingesetzten unvernetzten Resists (GS 233) erreicht. Die verbesserte Strukturtreue wird sowohl durch rasterkraftmikroskopische und rasterelektronenmikroskopische Vermessungen als auch durch die Beurteilung der optischen Eigenschaften von Mikrospektrometern als Teststruktur belegt.

Finite-Elemente-Simulationen der thermischen Belastung während des Bestrahlungsprozesses an ELSA zeigen, daß die Temperaturerhöhung bei Einsatz einer Berylliummaskenmembran anstelle einer Titanmembran um etwa eine Größenordnung zurückgeht. Die resultierende Erwärmung beträgt bis zu einem Kelvin. Die induzierten Verzüge belaufen sich je nach Resistdicke auf bis zu 0,1 µm.
Experimentell werden für 2300 µm hohe PMMA-Strukturen bis zu 6,6 µm große Verzüge ermittelt. Dieses Untermaß sinkt bis zur Resistunterseite um 3 µm bis 5 µm, was einer mittleren Seitenwandneigung von 89,95° entspricht.
Thermodehnungen während der Bestrahlung dicker Resistschichten an ELSA haben damit keinen signifikanten Einfluß auf die gemessenen Strukturverzüge.

Neben Optimierungen der Prozeßtemperaturen und der Materialwahl hat eine Reihe weiterer Prozeßmodifikationen bei der Substratbeschichtung und Bestrahlung die Herstellung defektarmer ultratiefer Strukturen ermöglicht:

Die im Verlaufe der Prozeßkette thermisch induzierten Spannungen lassen sich minimieren durch Verwendung von alternativen Polymer-Substratwerkstoffen, die einen an den Resist angepaßten Ausdehnungskoeffizienten aufweisen.
Die spannungsarme Substratbeschichtung erfolgt durch Aufkleben einer getemperten Resistfolie mit minimaler Durchbiegung auf das Substrat bei 4 bar Anpreßdruck.
Mit wachsender Strukturtiefe wird die Goldabsorberdicke auf etwa 50 µm gesteigert. Als Maskenmembran bietet Beryllium thermomechanische Vorteile und eine verringerte Emission von Fluoreszenzstrahlung.
Ein reduzierter Dosiseintrag und ein Entwicklungsstart unmittelbar nach Bestrahlungsende reduzieren die Rißbildung in den PMMA-Seitenwänden.

Optimization of the Process Conditions for the Fabrication of Microstructures by Ultra Deep X-Ray Lithography (UDXRL)

Abstract

In this study the achievable height of polymer structures produced by deep X-ray lithography has been increased from typically some hundred microns to several millimeters. The resist coating, irradiation and development processes were systematically analyzed and optimized. This enabled the fabrication of up to 3100 µm high microstructures. The average peak-to-valley sidewall roughness ranged from 4.5 nm to 20.8 nm depending on the structure height.

The different parameters of the single process steps mutually influence relevant properties like structure accuracy, side wall quality, and cracking of the resist. One major source of defects are the varying process temperatures:

Decreasing the development temperature from standardly 37°C to 21°C reduces the thermically induced stress. Additionally, the contrast of the system PMMA-resist / GG-developer rises by 50%. This lowers the susceptibility to cracking and enhances the structure accuracy. Applying highly crosslinked PMMA instead of the normally uncrosslinked resist further increases the contrast by 30%. Atomic force measurements, scanning electron micrographs and the evaluation of the optical performance of test spectrometers validate the improved structure accuracy.

The thermal load during exposures at the ELSA storage ring was calculated by finite element simulations. The temperature rise is reduced by one order of magnitude if beryllium mask membranes are used instead of titanium mask membranes. The heating of up to one Kelvin results in distortions as small as 0.1 µm, depending on the resist thickness.
Distortions of 2300 µm high structures have also been measured. At the resist surface, structures are up to 6.6 µm smaller than the mask layout. At the bottom of the resist, structures are 3 µm to 5 µm too small. This corresponds to a sidewall angle of 89.95°.
Thermal distortions during the irradiation of thick resist layers therefore do not contribute significantly to the measured structure distortions, if conditions similar to ELSA and beryllium masks are applied.

Apart from optimized process temperatures and materials, a range of further process modifications has enabled the production of ultra deep structures with low defect rate:

Thermally induced stress during the various process steps can be minimized by alternative polymer substrates with expansion coefficients close to PMMA.
Low-stress resist coating is accomplished by applying an annealed resist foil with minimum bending. It is glued onto the substrate using 4 bar pressure.
The gold absorber thickness is increased to 50 µm with increasing resist thickness. Beryllium has thermo-mechanical advantages and less fluorescence emission when compared to titanium as a mask membrane material.
Cracks in the resist are minimized if the dose deposition is slightly reduced and if the development is started immediately after exposure.