Forschungszentrum Karlsruhe - Wissenschaftliche Berichte - FZKA 7215

Hochauflösende Röntgenlithografie zur Herstellung polymerer Submikrometerstrukturen mit großem Aspektverhältnis

Timo Mappes, Sven Achenbach, Jürgen Mohr

Zusammenfassung
Im Rahmen dieser Arbeit wurde der Prozess der röntgenlithografischen Polymer-Strukturierung hinsichtlich der Herstellung von Strukturen mit lateralen Maßen im Submikrometerbereich und Strukturhöhen von einigen Mikrometern und damit Aspektverhältnissen im Bereich von 10 und mehr weiterentwickelt.

In Schichtdicken von 2 ÷ 10 μm konnten durch systematische Analyse und Optimierung der Bestrahlungs- und Entwicklungsprozesse durch Synchrotronstrahlung mit λ_c = 0,4 nm As-pektverhältnisse der erzeugten Strukturen von größer 12 erzielt werden.

Dazu wurde eine Röntgenmaskentechnik auf Basis einer frei gespannten 1 μm dicken Silizi-umnitridschicht mit 2 μm hohen Goldabsorbern eingeführt. Nach Optimierung des gesamten Prozesses zur Maskenherstellung konnten die Grenzen für die Elektronenstrahllithografie definiert werden. Durch die Einflüsse des Proximityeffekts müssen die CAD Werte der Strukturbreite bei Lithografie in PMMA um -100 ÷ 150 nm pro Kante linear gestreckt werden, um in den resultierenden Strukturen nominelle Werte zu erreichen. Lokal verjüngte Resiststege als Formen für die Galvanik können auf dem selben Substrat mit Toleranzen von ± 25 nm reproduzierbar in 2 μm hohe Goldabsorber mit minimalen Spaltbreiten von 75 nm übertragen werden.

Die für die geforderten Schichtdicken aus der Elektronenstrahllithografie erhältlichen Resistsysteme MicroChem 950k PMMA A11 und AllResist AR SX-P 6540 zeigen für Röntgenbestrahlungsdosen von über 1 kJ/cm3 einen um den Faktor drei höheren Kontrast im Vergleich zu Bestrahlungsdosen unter diesem Wert.

Oberflächenspannungen bei der Trocknung nach dem Entwicklungsprozess begrenzen das erzielbare Aspektverhältnis in Abhängigkeit der Strukturhöhe für Säulen und Wände. Eine Erhöhung der Backtemperatur von 111°C auf 180°C für MicroChem 950k PMMA A11 erhöht die Stabilität der erzeugten Strukturen. Die Zugabe von 10 ppm Fluortensid in die Spülflüssigkeit bei der Entwicklung verringert den Strukturkollaps. Unter Verwendung einer Haftschicht aus Polyimid können bei diesen Strukturen auch bei lateralen Abmessungen von mehreren 10 μm Risse vermieden werden.

Der Proximityabstand bei der röntgenlithografischen Belichtung beeinflusst die Strukturqualität durch Beugung erheblich. Seine Verringerung von 100 μm auf 15 μm minimiert diese Auswirkungen.

Der in dieser Arbeit optimierte Prozess konnte erfolgreich angewendet werden, um für fluidische Applikationen reproduzierbar Submikrometerstrukturen mit Aspektverhältnissen größer 10 durch Röntgenlithografie zu generieren. Darüber hinaus ermöglicht der optimierte Prozess die Herstellung polymerer Formen für die Produktion metallischer Mikrostrukturen. Es wurden zum Beispiel in den polymeren Strukturen durch galvanische Abscheidung von Gold Strukturen mit einem Aspektverhältnis größer 12 bei lateralen Abmessungen um 500 nm hergestellt. Damit wird es möglich, SAW-Filter für deutlich höhere als die bisher üblichen Frequenzen im Batch-Verfahren zu realisieren. Ferner ist es mit diesem optimierten Prozess möglich, metallische Bandpassfilter mit hohem Aspektverhältnis für den Infrarotbereich mit scharfen Cut-Off-Frequenzen zu erstellen.

High Resolution X-Ray Lithography for the Production of Polymer Submicron Structures with High Aspect Ratio

Abstract
In this work the process for X-ray lithography in PMMA was further developed to generate structures in PMMA layers with lateral dimensions in the submicron range and heights of several micrometers resulting in aspect ratios of 10 and higher.

PMMA films of 2 ÷ 10 μm could be structured with aspect ratios up to more than 12 using Synchrotron radiation with λ_c = 0.4 nm after the systematic analysis and optimization of the development- and exposure process.

An X-ray mask technique using a free suspended membrane of 1 μm thick silicon nitride with 2 μm high gold absorbers was introduced. After optimizing the entire process for mask production, the limits of electron beam lithography could be determined. Due to the proximity effect, CAD data of lateral dimensions need to be shrunken by -100 ÷ 150 nm per edge in order to receive nominal values in the PMMA structures produced via lithography. Locally minimized walls of resist may be used as templates for electroplating to reproducible create minimal slit sizes down to 75 nm in 2 μm high gold absorbers with tolerances of ± 25 nm on the same substrate.

To spincoat the requested PMMA films, resist systems offered for electron beam lithography were used. Both examined resists, MicroChem 950k PMMA A11 and AllResist AR SX-P 6540, have a higher contrast in the dose regime above 1 kJ/cm3 compared to the dose regime below this value.

Surface tension during drying as part of the development process limits the achievable aspect ratio as function of the actual structure height for walls and columns.

Rising the pre-bake temperature of MicroChem 950k PMMA A11 from 111°C to 180°C results in more stable structures. Adding 10 ppm fluoride tenside to the rinse bath during the wet development process reduces the structure collapse. Using an adhesion layer out of polyimide avoids cracks in the resist even for lateral dimensions of several 10 μm.

The proximity gap during X-ray exposure influences the structure quality via diffraction effects significantly. Reducing this gap from 100 μm to 15 μm minimizes the influence of this effect.

The process optimized in this study could be used to generate submicron structures for fluidic applications with aspect ratios more than 10. It enables the creation of polymer moulds and masks for the production of submicron structures in metals. By electroforming, e.g. gold structures with aspect ratios more than 12 and lateral dimensions around 500 nm were fabricated. This allows for batch-fabrication of SAW-filters for frequencies above the presently used ones. In addition the optimized process can be used to build metallic filters with high aspect ratios for the use as band-pass filters with sharp cut-off-frequencies in the infrared.

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