Электронная литография
Электро́нно-лучева́я литогра́фия — метод нанолитографии с использованием электронного пучка.
Принцип метода
[править | править код]Электронный пучок, остросфокусированный с помощью магнитных линз на поверхность слоя полимера (резиста), чувствительного к электронному облучению, прорисовывает на нем скрытое изображение, которое обнаруживается после обработки резиста в проявителе. Облучение потоком электронов резиста меняет степень растворимости полимера в растворителе (проявителе). Экспонированные участки резиста с записанным на них изображением, смываются с помощью проявителя. Через полученные окна в плёнке резиста производится вакуумное напыление подходящего материала, например, нитрида титана или металлов, или ионное травление. Позднее в технологическом процессе неэкспонированный резист также смывают другим растворителем.
Перемещение электронного пучка по поверхности осуществляется изменением токов в отклоняющих магнитных системах, управление токами производится компьютером. В некоторых установках также меняется форма и размеры пятна электронного пучка.
После 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] (см. Волновая механика).
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 с нанометровым разрешением в промышленности и в научных исследованиях.
Разрешение в электронной литографии
[править | править код]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 код]На диаметр электронного пучка влияют несколько факторов: размер источника электронов и коэффициент масштабирования электронной фокусирующей системы . Эти параметры связаны между собой формулой:
- .
Длина волны электрона зависит от ускоряющего потенциала и равна нм. Для ускоряющего напряжения 10 кВ длина волны электрона составляет 12,2 пм, и, соответственно, разрешение системы, ограниченное дифракцией, равно:
- ,
- где — половина угла фокусировки пучка.
В реальных системах магнитные линзы имеют сферическую и хроматическую аберрации. Сферическая аберрация возникает вследствие различия фокусного 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:
- .
На рисунке показана зависимость размера пучка от угла фокусировки с учётом всех видов искажения размеров пучка.
Ухудшение разрешения из-за нелинейных процессов при взаимодействии электронного пучка с резистом
[править | править код]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 (синии 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 код]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 код]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. долларов США). 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 код]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[англ.][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 предлагают 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]:
- Mapper Lithography (Нидерланды);
- IMS Nanofabrication AG (Vienna, Austria);
- KLA-Tencor Corp. (Milpitas, California) — технология Reflective Electron Beam Lithography (REBL);
- Elionix, Япония.
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 код]Литература
[править | править код]- Аброян И. А., Андронов А. Н., Титов А. И. Физические основы электронной и ионной технологии. — М.: Высшая школа, 1984. — 320 с.
- Электронно-лучевая технология в изготовлении микроэлектронных приборов / Брюэр Дж. Р.. — М.: Радио и связь, 1984. — 336 с.
- Валиев К. А. Микроэлектроника: достижения и пути развития / Валиев К. А.. — М.: Наука, 1986. — 141 с.
- Валиев, К. А.; Раков, А. В. Физические основы субмикронной литографии в микроэлектронике. — М.: Наука, 1984. — 352 с.
- Попов В. Ф., Горин Ю. Н. Процессы и установки электронно-ионной технологии. — М.: Высш. шк., 1988. — 255 с. — ISBN 5-06-001480-0.
- Виноградов М. И., Маишев Ю. П. Вакуумные процессы и оборудование ионно- и электронно-лучевой технологии. — М.: Машиностроение, 1989. — 56 с. — ISBN 5-217-00726-5.
Примечания
[править | править код]- ↑ McCord, M. A.; M. J. Rooks. 2 // SPIE Handbook of Microlithography, Micromachining and Microfabrication (англ.). — 2000. Архивировано 19 августа 2019 года.
- ↑ 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»
- ↑ Syed Rizvi, Handbook of Photomask Manufacturing Technology (недоступная ссылка), 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.»
- ↑ 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»
- ↑ Peter Buck (DuPont Photomasks), Optical lithography: The future of mask manufacturing? (недоступная ссылка), 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.»
- ↑ SPIE Handbook of Microlithography, Micromachining and Microfabrication Volume 1: Microlithography, http://www.cnf.cornell.edu/cnf_spie2.html#2.2.6 Архивная копия от 18 августа 2019 на Wayback Machine
- ↑ Syed Rizvi, Handbook of Photomask Manufacturing Technology (недоступная ссылка), Taylor & Francis, 2005, ISBN 978-0-8247-5374-0. 3.3 Vector Scan Systems, pages 60 −61
- ↑ Mask Data Format Standardization Архивная копия от 22 декабря 2015 на Wayback Machine / DuPont Photomasks, 2001
- ↑ Applied scrambles to hold lead in e-beam photomask tools Архивная копия от 3 июля 2017 на Wayback Machine / EETimes, 2001-07-27
- ↑ SPIE Handbook of Microlithography, Micromachining and Microfabrication. Volume 1: Microlithography Архивная копия от 22 декабря 2015 на Wayback Machine Chapter 2, E Beam Lithography
- ↑ http://semiengineering.com/5-disruptive-mask-technologies/ Архивная копия от 18 мая 2021 на Wayback Machine «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.»
- ↑ Peter Clarke (2012-02-17). "TSMC set to receive Matrix 13,000 e-beam litho machine" (англ.). EETimes. Архивировано 10 января 2014. Дата обращения: 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.»
- ↑ Electron Beam Lithography (EBL) | ELS-F125 | ELIONIX . Дата обращения: 20 декабря 2015. Архивировано из оригинала 6 февраля 2016 года.