Электронная литография

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск

Электро́нная литогра́фия или электро́нно-лучева́я литогра́фия — метод нанолитографии с использованием электронного пучка.

Принцип метода[править | править вики-текст]

Электронный пучок, остросфокусированный с помощью магнитных линз на поверхность слоя полимера ( резиста), чувствительного к электронному облучению, прорисовывает на нем изображение, которое обнаруживается после обработки резиста в проявителе. Обработка электронным пучком резиста меняет степень растворимости полимера в растворителе (проявителе). Участки поверхности, с записанным на них изображением, очищаются от резиста с помощью проявителя. Через полученные окна в плёнке резиста производится вакуумное напыление подходящего материала, например, нитрида титана или металлов или ионное травление. На последем этапе технологического процесса неэкспонированный излучением резист также смывают другим растворителем. Перемещение электронного пучка по поверхности осуществляется с помощью компьютера изменением токов в отклоняющих магнитных системах. В некоторых установках при этом меняется форма и размеры пятна электронного пучка. На выходе многоступенчатого технологического процесса получается фотошаблон-маска для использования в фотолитографии и других нанотехнологических процессах, например, в технологии реактивного ионного травления.

Электронная литография позволяет на нынешнем уровне развития технологии в рекордных экспериментальных установках получать структуры с разрешением менее 1 нм, недостижимое для жесткого ультрафиолетового излучения, благодаря более короткой Де-Бройлевской длине волны электронов по сравнению со светом[1].

Электронная литография является основным методом получения масок для использования в последующей фотолитографии при производстве монолитных микросхем[2][3] (в том числе масок для проекционной фотолитографии при массовом производстве сверхбольших микросхем).

Альтернативным способом создания масок является лазерная технология[4], однако эта технология имеет меньшее разрешение[5].

Также электронная литография, имеющая невысокую производительность, используется при производстве единичных экземпляров электронных компонентов, в тех случаях, когда требуется нанометровое разрешение, в промышленности и в научных исследованиях.

Разрешение в электронной литографии[править | править вики-текст]

На разрешение деталей рисунка при записи влияют как размер электронного пучка, так и процессы взаимодействия электронного пучка с резистом .[6]

Размер электронного пучка[править | править вики-текст]

Влияние ахроматической, сферической аберраций и дифракции на размер электронного пучка

На диаметр электронного пучка d_g влияют несколько факторов: размер источника электронов d_v и коэффициент маcштабирования электронной фокусирующей системы M^{-1}. Эти параметры связаны между собой формулой:

d_q=d_v/M^{-1}.

Длина волны электрона L зависит от ускоряющего потенциала V_b и равна L = 1,2/V_b^{1/2} нм. Для ускоряющего напряжения 10 кВ длина волны электрона составляет 12,2 пм, и, соответственно, разрешение системы, ограниченное дифракцией, равно:

d_d= 0,6L/a,

где a — половина угла фокусировки пучка.

В реальных системах магнитные линзы имеют сферическую d_s и хроматическую d_c аберрации. Сферическая аберрация возникает вследствие различного фокусноко расстояния для электронов движущих по оси и на периферии пучка. Разброс скоростей электронов в пучке приводит к хроматической аберрации — электроны с разной начальной скоростью фокусируются на разных расстояниях.

Для уменьшения сферической аберрации применяют апертурное ограничение пучка — диафрагмы, обрезающие периферийные электроны. Но при диафрагмировании пучка уменьшается его ток.

Таким образом, разрешение, определяемое свойствами электронного пучка, имеет вид:

 d = (d_g^2 + d_s^2 + d_c^2 + d_d^2)^{1/2}.

На рисунке показана зависимость размера пучка от угла фокусировки с учетом всех видов искажения размеров пучка.

Ухудшение разрешения из-за нелинейных процессов при взаимодействии электронного пучка с резистом[править | править вики-текст]

Схема взаимодействия первичного электрона пучка с подложкой (слоем резиста). Вторичные выбитые электроны паразитно экспонируют близлежащие участки резиста.


Конечное разрешение электронной литографии определяется не только диаметром сфокусированного пучка, а ещё характером его взаимодействия со слоем резиста. Соударение электронов первичного, высокоэнергетического пучка электронов (красная линия) с атомами материала резиста порождает в нём затухающую лавину вторичных выбитых электронов (синиии линии), вторичные электроны паразитно «засвечивают» резист. В результате экспонированное пятно в плёнке резиста оказывается в несколько раз больше по размеру относительно диаметра электронного пучка.

Для снижения энергии лавины вторичных электронов, и, соответственно, уменьшения размера экспозиционного пятна, необходимо уменьшать энергию электронов пучка, то есть — снижать ускоряющее напряжение электронной пушки. Но при снижении ускоряющего напряжения ухудшается фокусировка пучка. Поэтому практически выбирают компромиссную величину ускоряющего напряжения — для обеспечения наилучшего разрешения при применённой толщине слоя резиста и его свойствах.

Принципы записи рисунка на образце[7][править | править вики-текст]

В настоящее время (2015 г.) запись скрытого изображения в плёнке резиста на поверхности образца может осуществляться тремя возможными методами:

  • растровым способом;
  • векторным способом;
  • записью электронным пучком с изменяющимся размером и формой сфокусированного пятна.
Растровая запись

Этот вид записи аналогичен считыванию (записи) изображения на экране телевизора, где электронный луч последовательно (построчно) обегает каждую точку экрана. В местах где необходимо, луч экспонирует резист, остальных точках пучок электронов блокируется запиранием электронной пушки, хотя сканирование (изменение тока в системе отклонения) продолжается.

Векторная запись

Электронный луч подаётся только на те места, где необходимо экспонирование, и не подаётся в места, не подлежащие экспозиции. Поэтому весь процесс экспозиции осуществляется значительно быстрее, чем при растровом способе записи.

Запись электронным пучком с изменяющимся размером и формой электронного пучка

В этом случае запись происходит «большим мазком», - по терминологии художников. Так как любой рисунок можно нарисовать с помощью прямоугольников, то нет необходимости растеризовать рисунок на элементарные пикселы, достаточно изменять форму и размер сфокусированного пучка, от маленького прямоугольника до большого. Запись при этом происходит ещё быстрее, чем в векторном способе.

Системы для электронной литографии[править | править вики-текст]

Системы электронной литографии для коммерческих применений имеют стоимость порядка $4 млн и выше. Для научных исследований обычно используют электронный микроскоп, переделанный в систему электронной литографии при помощи относительно дешевых дополнительных устройств (общая стоимость такой установки < $100 тыс.). Эти модифицированные системы позволяли прорисовывать линии с шириной около 20 нм уже с 1990-х годах. Между тем, современное специализированное оборудование позволят получать разрешение лучше 10 нм.

Производители[править | править вики-текст]

Электронная литография применяется для создания масок для фотолитографии (фотошаблонов), при этом традиционно используются системы с одним электронным пучком. Подобные системы производили компании: Applied Materials, Leica, Hitachi, Toshiba, JEOL, Etec[8][9][10].

Несколько производителей установок электронной литографии с середины 2010-х предлагают многопучковые системы создания фотошаблонов для производства монолитных микросхем[11], при этом производители также заявляют их в качестве установок для непосредственной записи рисунка на больших подложках (безмасочная литография), так как они имеют большую производительность, по сравнению с однопучковыми установками, и поэтому могут конкурировать с традиционным фотолитографическим методом при выпуске малых партий микросхем[12]:

В таблице в качестве примера приведены характеристики установки фирмы Elionix ELS-F125[13] (типичные параметры установки с одним пучком):

Источник электронов — катод электронной пушки ZrO2/W — нагревательный элемент
Диаметр электронного пучка на ширине полуинтесивности 1,7 нм при 125 кВ
Минимальная ширина линии около 5 нм при 125 кВ
Ток электронного пучка 5 пА...100 нА
Ускоряющее напряжение 125 кВ, 100 кВ, 50 кВ, 25 кВ
Размер записываемой площадки 3000 мкм x 3000 мкм (максимально), 100 мкм x 100 мкм (минимально)
Точность позиционирования пучка 0,01 нм
Максимальный размер обрабатываемой пластины 20 см (200-мм пластины и 200-мм маски)

См. также[править | править вики-текст]

Литература[править | править вики-текст]

  • Аброян И. А., Андронов А. Н., Титов А. И. Физические основы электронной и ионнной технологии. — М.: Высшая школа, 1984. — 320 с.

Примечания[править | править вики-текст]

  1. McCord M. A. 2 // SPIE Handbook of Microlithography, Micromachining and Microfabrication. — 2000.
  2. Principles of Lithography, Third Edition, SPIE Press, 2011 ISBN 978-0-8194-8324-9 7.4 Electron-beam lithography and mask writers «For two decades, the MEBES systems were the primary beam writers used to make photomasks»
  3. Syed Rizvi, Handbook of Photomask Manufacturing Technology, Taylor & Francis, 2005, ISBN 978-0-8247-5374-0. Sergey Babin 3. Mask Writers: An Overview, 3.1 Introduction. «For decades, the unique features of EBL systems — easily programmable computer control, high accuracy, and relatively high throughput — have positioned these systems as the main tools to fabricate critical masks.»
  4. Hwaiyu Geng Semiconductor manufacturing handbook. ISBN 978-0-07-146965-4, McGraw-Hill Handbooks 2005, doi:10.1036/0071445595. Раздел 8.2.2 Pattern generation (Charles Howard, DuPont) «The other pattern generation alternative is a laser-based system»
  5. Peter Buck (DuPont Photomasks), Optical lithography: The future of mask manufacturing?, Microlithography World volume 11 issue 3, PennWell Publishing, Aug 2002 (p 22): «Optical mask lithography systems are restricted in resolution, just like wafer steppers, to roughly 3/4 of the exposure wavelength. Accordingly, they do not exhibit the <100nm resolution possible for VSB /electron lithography/ systems.»
  6. SPIE Handbook of Microlithography, Micromachining and Microfabrication Volume 1: Microlithography, http://www.cnf.cornell.edu/cnf_spie2.html#2.2.6
  7. Syed Rizvi, Handbook of Photomask Manufacturing Technology, Taylor & Francis, 2005, ISBN 978-0-8247-5374-0. 3.3 Vector Scan Systems, pages 60 −61
  8. Mask Data Format Standardization / DuPont Photomasks, 2001
  9. Applied scrambles to hold lead in e-beam photomask tools / EETimes, 2001-07-27
  10. SPIE Handbook of Microlithography, Micromachining and Microfabrication. Volume 1: Microlithography Chapter 2, E Beam Lithography
  11. http://semiengineering.com/5-disruptive-mask-technologies/ «In 2015, photomask vendors could begin to make a gradual transition from single-beam e-beam tools to a new class of multi-beam mask writers.»
  12. Peter Clarke. TSMC set to receive Matrix 13,000 e-beam litho machine  (англ.), EETimes (2/17/2012). Проверено 10 января 2014. «There are at least three potential suppliers of the maskless e-beam technology: IMS Nanofabrication AG (Vienna, Austria), KLA-Tencor Corp. (Milpitas, Calif.) with its Reflective Electron Beam Lithography (REBL) system and Mapper Lithography.»
  13. Electron Beam Lithography (EBL) | ELS-F125 | ELIONIX