Die Protonenstrahllithografie (oder p-Strahl-Lithografie ) ist ein direktes Lithografieverfahren , bei dem ein fokussierter Strahl hochenergetischer ( MeV ) Protonen zur Strukturierung von Fotolackmaterialien im Nanometerbereich eingesetzt wird. [ 1 ] Obwohl das Verfahren in vielerlei Hinsicht der direkten Lithografie mit Elektronen ähnelt , bietet es dennoch einige interessante und einzigartige Vorteile.
Protonen , die etwa 1800-mal massereicher als Elektronen sind , dringen tiefer in Materialien ein und bewegen sich nahezu geradlinig. Diese Eigenschaft ermöglicht die Herstellung dreidimensionaler Strukturen mit hohem Aspektverhältnis, vertikalen, glatten Seitenwänden und geringer Kantenrauigkeit. Berechnungen haben zudem gezeigt, dass die P-Strahl-Beschriftung minimale Proximity-Effekte (unerwünschte Belichtung durch Sekundärelektronen) aufweist, da die bei Proton-Elektron-Kollisionen entstehenden Sekundärelektronen eine geringe Energie besitzen. Ein weiterer Vorteil ergibt sich aus der Fähigkeit der Protonen, beim Durchgang durch das Material Atome zu verdrängen und dadurch lokale Schäden, insbesondere am Ende der Reichweite, zu verstärken. Die P-Strahl-Beschriftung erzeugt resistive Strukturen in der Tiefe von Silizium und ermöglicht so die Strukturierung selektiver Bereiche mit unterschiedlichen optischen Eigenschaften sowie das Entfernen unbeschädigter Bereiche durch elektrochemisches Ätzen.
Die primären Mechanismen zur Strukturierung von Fotolackmaterialien sind im Allgemeinen das Aufbrechen von Bindungen in positiven Fotolacken wie Polymethylmethacrylat (PMMA) oder die Vernetzung in negativen Fotolacken wie SU-8 . Bei positiven Fotolacken werden die durch Protonen beschädigten Bereiche durch chemische Entwicklung entfernt, wodurch Strukturen entstehen. Bei negativen Fotolacken hingegen wird der unbeschädigte Lack durch die Entwicklungsprozesse abgetragen, sodass die vernetzten Strukturen zurückbleiben. Beim Elektronenstrahlschreiben erzeugen die Primär- und Sekundärelektronen das Aufbrechen bzw. die Vernetzung, während beim Protonenstrahlschreiben die Schädigung durch kurzreichweitige, protoneninduzierte Sekundärelektronen verursacht wird . Die für die Belichtung benötigte Protonenfluenz variiert je nach Fotolackmaterial zwischen 30 und 150 nC/ mm² und beträgt etwa 1/80 bis 1/100 der für das Elektronenstrahlschreiben benötigten Fluenz. Anmerkung : Die Einheit der Fluenz beim Protonenstrahlschreiben ist üblicherweise „Ladung/Fläche“. Sie kann in "Teilchen/Fläche" umgerechnet werden, indem man "Ladung/Fläche" durch die Ladung eines Protons, Q = 1.602·10 −19 C, teilt.
Die P-Strahl-Schreibtechnologie ist eine neue Technologie mit großem Potenzial. Sowohl aktuelle experimentelle Daten als auch theoretische Vorhersagen deuten darauf hin, dass die Herstellung von 3D-Strukturen im Sub-10-nm-Bereich möglich ist. Derzeit verhindert jedoch das Fehlen eines benutzerfreundlichen, kompakten kommerziellen Geräts die Nutzung des potenziell breiten Anwendungsspektrums, in dem die P-Strahl-Schreibtechnologie einen bedeutenden Einfluss ausüben könnte. Es ist zu hoffen, dass sich dieses Problem in naher Zukunft lösen wird.
