Kleinste Muster mit höchster Präzision fertigen – das ermöglicht die neue Elektronenstrahllithographie-Anlage am IMPT.
Das Funktionsprinzip der Anlage lässt sich dabei am besten anhand eines alten Röhrenfernsehers oder anhand einer Elektronenröhre aus dem Physikunterricht erklären: Elektronen werden aus einer Quelle heraus beschleunigt und gebündelt. Der so entstandene Strahl wird anschließend in einem Linienmuster über den Bildschirm, beziehungsweise das Substrat, gelenkt. Ein hochfrequenter Kondensator sorgt für das Ablenken des Strahls, sodass dieser das Substrat nicht erreicht und eine unbelichtete Stelle entsteht, ein dunkler Pixel.
Im Falle der Elektronenstrahllithographie liegen an der Elektronenquelle 50-100 kV an, um die Elektronen zu beschleunigen – das entspricht ungefähr der 200- bis 400-fachen Spannung einer deutschen Steckdose. Diese extrem hohen Spannungen sind notwendig, ebenso wie ein Hochvakuum, um einen feinen und gebündelten Elektronenstrahl mit einem Strahldurchmesser von 1-3 nm zu erhalten.
An den Rand des Möglichen
Wie auch in der Fotolithographie ist ein Fotolack notwendig, der durch den Elektronenstrahl strukturiert werden kann. Neben dem Strahldurchmesser ist auch das Verhalten des Lacks entscheidend für die erreichbare Auflösung. In ersten Belichtungsversuchen am IMPT konnten mit der Anlage Strukturen im Bereich von 8 nm aufgelöst werden. Zum Vergleich: die durchschnittliche Dicke eines menschlichen Haares beträgt zwischen 50 und 80 µm. Die Auflösung moderner Belichtungsanlagen in der Halbleiterindustrie liegt ebenfalls bei 8 nm (ASML). Die Anlage erlaubt somit eine 50-fach höhere Auflösung gegenüber den bereits existierenden Anlagen am IMPT und hebt die Lithographie am Institut auf den Stand der Technik.
Aufbruch in neue Dimensionen
Die Elektronenstrahllithographie ermöglicht es, neue physikalische Effekte in Sensoren als auch Optiken zu nutzen. So sind neue Arten von Sensoren denkbar, welche die Sensitivität konventioneller Sensoren überschreiten und zum Beispiel einzelne Atome oder Moleküle detektieren können, indem die Schwingungen kleinster Massen ausgelesen werden. Daran arbeitet das IMPT gemeinsam mit anderen Instituten im aktuellen Forschungsprojekt „Nanomassenspektrometer“.
Auch versprechen sich die Forschenden am IMPT neue Wege in der Fertigung optischer Systeme. Zu nennen ist hier einerseits die deutliche Reduzierung der Seitenwandrauheit von Wellenleitern, was Verluste bei der Signalübertragung erheblich verringert und den Weg zu integrierten photonischen Chips ebnen kann. Andererseits sind Linsen mit einer Dicke von wenigen hundert Nanometern realisierbar (Metalinsen), welche mit bisherigen Verfahren nicht abbildbar waren. Diese Strukturen manipulieren das Licht, indem sie es auf ihrem Weg durch die Linse beugen. Metalinsen ermöglichen leistungsstarke optische Eigenschaften in einem ultra-kompakten Format. Das macht sie für Anwendungen beispielsweise in Smartphones hoch interessant.
Nicht zuletzt ermöglicht die neue Elektronenstrahllithographie-Anlage am IMPT die Fertigung von dreidimensionalen Strukturen mit Abmessungen im Bereich einiger zehn bis hundert Nanometer, wie zum Beispiel dreidimensionalen optischen Gittern, sogenannten Blaze Gratings.
