Atomlithographie

Nachdem nun dem Atomstrahl mittels der Lichtmasken eine transversale Struktur aufgeprägt wurde, ist die einfachste Methode eines Übertrages dieser Strukturen ein direktes Aufwachsen. Besonderer Vorteil dieser Methode ist, daß im Gegensatz zu den klassischen Lithographieverfahren eine Ein-Schritt-Strukturierung ohne zusätzliche Ätzschritte vorgenommen werden kann.

Es reicht technologisch allerdings nicht, einen Atomstrahl gezielt zu einem Punkt auf der Oberfläche des Substrates zu steuern. Dann würde die Auflösungsgrenze der Strukturen durch die Beweglichkeit der Atome auf der Oberfläche (Diffusion) bestimmt. Ziel ist es deshalb die Wechselwirkung zwischen Oberfläche und Atom auf dessen Auftreffpunkt zu beschränken.

Ein Weg ist zum Beispiel die Wahl bestimmter Depositmaterialien, wie Chrom. Die Vorteile von Chrom wurden ja bereits unter 2.3 erläutert.

Diese Technik lehnt sich stark an die klassischen Verfahren an. Will man beispielsweise ein Material benutzen, das nicht die nötige chemische Stabilität oder zu hohe Oberflächenmobilität aufweist, ist man gezwungen, die Strukturen erst einmal in einen Resist (Materialschicht auf der Oberfläche des eigentlichen Substrats, welches durch Belichtung oder chemische Reaktionen gegen die Ätzsubstanz unempfindlich wird) einzuschreiben, und dann durch Ätzen in das darunterliegende Substrat zu übertragen.

Das Problem hierbei ist die geringe Eindringtiefe des Atomstrahls in die feste Materie des Resists (wenige nm). Im Gegensatz zu elektromagnetischer Strahlung, Elektronen- oder Ionenstrahlen, wie sie in den klassischen Verfahren benutzt werden und die einen Photolack von mehreren Nanometern Tiefe durchdringen können, können neutrale Atome mit thermischen Geschwindigkeiten nur minimal in Materie eindringen. Zudem wird die Belichtung des Resists nicht mittels der hohen kinetischen Energie erreicht, sondern beruht auf der chemischen Reaktivität der Atome.

So hat man geeignete Resists für metastabile Edelgase oder Alkaliatome (wie in Kapitel 2.3 erwähnt) in Monolagen aus organischen Molekülen, den sogenannten SAM-Layer (self-assembling-monolayers) gefunden. Das im folgenden geschilderte Verfahren ist eine Möglichkeit der Umsetzung.

Ein Siliziumwafer wird mit einer circa 30 nm dicken Goldschicht beschichtet und danach in eine Dodekanthiollösung getaucht. Die "Belichtung" erfolgt durch Beschädigung des organischen Resists durch die metastabilen Heliumatome. Die entstandene Struktur wird durch Ätzen in die darunterliegende Goldschicht übertragen. Da die Kantenschärfe genau der Schichtdicke des Goldes entsprach (30 nm), liegt der Schluß nahe, daß der isotrope Ätzprozeß (sorgt für den 45°-Winkel der Ätzkanten) die Auflösung beschränkt. Da die organische Resistschicht nur 1 nm dick ist, entstehen keine Verluste aufgrund von Problemen mit der Tiefenschärfe, wie sie Abbildungssysteme sonst aufweisen.

Eine weitere Möglichkeit ergibt sich aus der Beobachtung, daß sich das Pumpenöl in den Vakuumkammern auf den Oberflächen ablagert. Wenn dieses von den metastabilen Atomen getroffen wird, bildet sich eine harte, haftende, rußige Schicht, die sich als sehr resistent gegen die verwendeten Ätzmittel gezeigt hat. Man nennt dieses Verfahren Kontaminationslithographie.

Beim erstgenannten Verfahren greift die Ätzlösung die vom Atomstrahl getroffenen (belichteten) Stellen des Resists an, während beim Letzten eine inverse Abbildung erfolgt.

Die schmalsten periodischen Linien mit einer Halbwertsbreite von 15 nm wurden 1997 von einem Team um Behringer an den AT&T Bell Laboratories gemeldet. Dies liegt eine Größenordnung unter den aktuell mit Photolithographie erreichten Strukturgrößen. Allerdings konnten die Strukturen nur im Ultrahochvakuum mit einem Rastertunnelmikroskop beobachtet werden, da Natrium als Depositionsmaterial gewählt wurde.

Und an diesem Material sieht man auch eine begrenzende Größe in der Atomlithographie, die Oberflächenmobilität. Wie bereits erwähnt besitzen gerade die gut zu kühlenden Alkaliatome zu ihrer hohen Reaktivität eine hohe Oberflächenmobilität, welche die Auflösung im Nachhinein begrenzt. Aber auch Chrom zeigt diese Eigenschaften. In Abbildung 35(a) sieht man das Ergebnis einer Simulation, die nur Linsenfehler in Betracht gezogen hat. Auf den ersten Blick erkennt man keinerlei Ähnlichkeit zur experimentellen Struktur in Abbildung 35(c) (AFM-Aufnahme). Bezieht man in die Simulation jedoch eine gewisse Oberflächenmobilität ein (Faltung mit Streufunktion), kommt man zu dem Ergebnis in Abbildung 35(b). Anhand der jeweils eingezeichneten Einheitszelle zur Orientierung, kann man nun deutliche Ähnlichkeiten ausmachen.

Trotz geringerer Reaktivität konnte man mit Chrom bisher nur Linien mit einer Halbwertsbreite von 28 nm erzeugen (McClelland, NIST, 1993). Man vermutet eine gewisse Mobilität während des Aufwachsens als begrenzenden Prozeß. Zwei-dimensionale Strukturen wie Punkte oder hexagonale Strukturen konnten mit einer Halbwertsbreite von 80 nm (Gupta, 1995) beziehungsweise 120 nm (Drodofsky, 1997) gefertigt werden.

Begrenzung auf periodische Strukturen??