Theoretical investigation of scanning probe lithography in field-emission mode

Die Miniaturisierung der kleinsten Bauelemente, d. h. der Transistoren, in integrierten Schaltungen auf Siliziumbasis nahert sich langsam den physikalischen Grenzen und alternative Strukturierungs- und Strukturubertragungsmethoden werden benotigt um zu noch kleineren Strukturen zu gelangen. Eine dieser alternativen Strukturierungsverfahren ist die feldemissionsbasierte Rastersondenlithographie. Diese Technologie beruht auf der Belichtung einer Resistschicht mittels Elektronen, welche aus der Rastersondenspitze aufgrund des angelegten elektrischen Feldes emittiert werden. Das Verfahren wurde schon erfolgreich zur Herstellung neuartiger Einzelquantenpunkttransistoren verwendet, welche bei Raumtemperatur arbeiten und kann Strukturgrosen von unter 10 nm erzeugen. Nichtsdestotrotz mangelt es an einer theoretischen Beschreibung, welche insbesondere den Einfluss der Resistschicht auf das Emissionsverhalten der Elektronen aus der Spitze wie auch die Wechselwirkung der Elektronen mit den Molekulen der Resistschicht umfasst. Optimale Parameter zum Erreichen der besten Auflosung mit einer bestimmten Emissionsspitze mussen zurzeit in einem empirischen Versuch bestimmt werden. Das ist sowohl zeitaufwendig, nutzt die Spitze ab und birgt das Risiko einer Beruhrung der Spitze mit der Probe. Dadurch entsteht wiederum die Gefahr, dass die empirische Optimierung wiederholt werden muss. Um dies zu vermeiden, ware ein theoretisches Modell wunschenswert, welches die optimalen Parameter vorhersagen kann. In dieser Arbeit wird ein umfassendes numerisches Modell der Rastersondenlithographie vorgestellt, welches die Berechnung des elektrischen Feldes, der Emissionsstromdichte aus der Spitze und der Elektronentrajektorien beinhaltet sowie eine Monte Carlo Simulation zur Berechnung der elektronischen Wechselwirkungen in der Resistschicht einschliest. Dieses Modell ist fur beliebige zylindersymmetrische Spitzen anwendbar (u. a. fur Spitzen mit einer umschliesenden Elektrode) und berucksichtigt den Einfluss der Resistschicht in der gesamten Berechnung. Zur Verbesserung des Verstandnisses der physikalischen Grundlagen, zur Vorhersage optimaler Parameter und zur Resourcenminimierung der Berechnung wurde ein analytisches Modell abgeleitet, welches, bis auf die Wechselwirkungen in der Resistschicht, alle Teile des numerischen Modells fur eine typische Spitzenform beinhaltet. Damit konnte der Einfluss der durch die Spitze vorgegebenen Parameter (z. B. Spitzenradius) und der extern einstellbaren Parameter (z. B. Spannung, Schreibgeschwindigkeit) untersucht werden. Das analytische Modell wurde erfolgreich zur Analyse von Feldemissionsexperimenten genutzt und es konnte damit die systemeigene Driftgeschwindigkeit beziehungsweise die Wachstumsrate der experimentell beobachteten Strukturen abgeschatzt werden. Weiterhin konnte es die experimentell beobachtete Abhangigkeit der Linienbreite von der Bestrahlungsdosis und der Spannung reproduzieren. Somit steht erstmals ein vollstandiges theoretisches Modell zur Beschreibung der feldemissionsbasierten Rastersondenlithographie zur Verfugung, welches alle relevanten Parametereinflusse (im Vakuumbetrieb) beinhaltet. Der analytische Teil des Modells kann zur Vorhersage der zu schreibenden Strukturen und zur Parameteranpassung verwendet und in die Software des Lithographiesystems eingebaut werden.