Электронная литография

Электро́нно-лучева́я литогра́фия — метод нанолитографии с использованием электронного пучка.

Принцип метода

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

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

Размер электронного пучка

Влияние хроматической, сферической аберраций и дифракции на размер электронного пучка

На диаметр электронного пучка ${\displaystyle d_{g}}$ влияют несколько факторов: размер источника электронов ${\displaystyle d_{v}}$ и коэффициент масштабирования электронной фокусирующей системы ${\displaystyle M^{-1}}$. Эти параметры связаны между собой формулой:

${\displaystyle d_{q}=d_{v}/M^{-1}}$.

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

${\displaystyle d_{d}=0,6L/a}$,

где ${\displaystyle a}$ — половина угла фокусировки пучка.

В реальных системах магнитные линзы имеют сферическую ${\displaystyle d_{s}}$ и хроматическую ${\displaystyle d_{c}}$ 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:

${\displaystyle d=(d_{g}^{2}+d_{s}^{2}+d_{c}^{2}+d_{d}^{2})^{1/2}}$.

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

Ухудшение разрешения из-за нелинейных процессов при взаимодействии электронного пучка с резистом

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 (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]

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

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

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

• Фотолитография
• Ионно-лучевая литография
• Нанопечатная литография

Литература

• 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.