Detektorkonzepte für miniaturisierte Elektronenstrahl-Lithographiegeräte

Abstract

Miniaturisierte Elektronenstrahlgeräte können für die parallele Lithographie eingesetzt werden. Die Energie des Elektronenstrahls liegt dabei typischerweise im Bereich von 700 eV bis 2 keV. Einzelne Mikrosäulen haben eine äußere Abmessung von maximal 2 x 2 cm² und bestehen aus Elektronenquelle, Extraktionslinse, Ablenkeinheit, Objektivlinse und Detektor. Für die Fokussierung des Elektronenstrahls und die Erkennung bestehender Marken benötigt man eine schnelle Bildaufzeichnung. Die erste Stufe dieser Bildaufzeichnung wird meist mit Detektoren für rückgestreute Elektronen verwirklicht. Die vorliegende Arbeit untersucht verschiedene bestehende und neu eingeführte Detektorkonzepte hinsichtlich eines Einsatzes in Mikrosäulen. Wesentliche Punkte der Untersuchung sind Energiebereich, Verstärkung, Bandbreite, Signalrauschverhältnis, vertikale und laterale Dimension. Die bestehenden Konzepte (Everhardt-Thornley-Detektor, Channeltron, Multichannelplate, Metall-Halbleiter-Metall Detektor und vertikale pn-Diode) konnten alle in einem oder mehreren Punkten nicht den Anforderungen gerecht werden. Die laterale pn-Dioden und der Rau-Detektor werden als neu eingeführte Detektorkonzepte ausführlicher betrachtet. Bei den lateralen pn-Dioden handelt es sich um einen Halbleiterdetektor der die Vorteile der vertikalen pn-Diode mit denen des Metall-Halbleiter-Metall Detektor verknüpft. Dazu wird die Raumladungszone des pn-Übergangs durch strukturierte Dotierung bis an die Oberfläche geführt. Dies führt zu einer hohen Verstärkung bei kleiner Primärenergie bei gleichzeitig niedrigem Dunkelstrom. Neben der experimentellen Evaluation ist auch die Dimensionierung und Prozessentwicklung zur Herstellung der lateralen pn-Dioden Gegenstand dieser Arbeit. Das Konzept des Rau-Detektors beruht auf Oberflächenladungsänderungen der Probe beim abtasten mit dem Elektronenstrahl. Diese können durch Influenz in einer Leiterschleife kontaktlos erfasst werden und so als Signal zur Bildaufzeichnung verwendet werden. Schwerpunkt der Arbeit mit dem Rau-Detektor ist das Signalrauschverhältnis bei der Markenerkennung in der Lithographie. Sowohl die lateralen pn-Dioden als auch der Rau-Detektor sind in vielen Punkten den bestehenden Detektorkonzepten überlegen und für den Einsatz in Mikrosäulen geeignet.

Miniaturized electron beam systems can be used for parallel lithography. The electron beam energy is typically in the range from 700 eV to 2 keV. Single microcolumns have maximal outer dimension of 2 x 2 cm² and comprises electron source, extraction lens, deflector unit, objective lens and detector. For focusing the electron beam and for registration of predefined marks one needs a fast imaging system. The first stage of image acquisition is usually realized with detectors for backscattered electrons. This thesis examines different existing and newly introduced detector concepts with respect to their usage in microcolumn application. Important points of the examination are energy range, gain, band width, signal to noise ratio, vertical and lateral dimensions. The existing concepts (Everhardt-Thornley - detector, channeltron, multichannelplate, metal-semiconductor-metal detector and vertical pn-diode) do not fulfill the requirements in one or more points. As newly introduced detector concepts the lateral pn-diode and the Rau-detector will be considered more closely . Lateral pn-diodes are semiconductor detectors which combine the advantages of vertical pn-diode and metal-semiconductor-metal detector. For this purpose the depletion layer of the pn-junction is directed towards the surface by structured doping. This leads to a high gain for low electron energies while maintaining the low dark current. Besides the experimental evaluation the dimensioning and the development of a process for fabrication of lateral pn-diodes is part of this thesis. The concept of the Rau-detector is based on the change of surface charges of the sample during scanning with the electron beam. With electrostatic induction these changes can be registered in a wire loop and be used as signal for image acquisition without contacting the sample electrically. Work with the Rau-detector focuses on the signal to noise ratio during mark registration for lithography. Both the lateral pn-diodes and the Rau-detector are superior in many points to the existing detector concepts and well suited for microcolumn application.