Електронно-променева літографія

Електро́нна літогра́фія або електро́нно-промене́ва літогра́фія — метод нанолітографії з використанням електронного пучка.

Принцип методу

Електронний пучок, гостросфокусований за допомогою магнітних лінз на поверхню шару полімеру (резисту), чутливого до електронного опромінення, промальовує на ньому зображення, яке виявляється після обробки резисту в проявнику. Обробка електронним пучком резисту змінює ступінь розчинності полімеру в розчиннику (проявнику). Ділянки поверхні, із записаним на них зображенням, очищаються від резисту за допомогою проявника. Через отримані вікна в плівці резисту виконується вакуумне напилення відповідного матеріалу, наприклад, нітриду титану або металів або іонне травлення. На останньому етапі технологічного процесу неекспонований випромінюванням резист також змивають іншим розчинником. Переміщення електронного пучка поверхнею здійснюється за допомогою комп'ютера зміненням струмів у відхильних магнітних системах. У деяких установках при цьому змінюється форма і розміри плями електронного пучка. На виході багатоступінчастого технологічного процесу отримують фотошаблон-маску для використання у фотолітографії та інших нанотехнологічних процесах, наприклад, у технології реактивного іонного травлення.

Електронна літографія дозволяє на нинішньому рівні розвитку технології в рекордних експериментальних установках отримувати структури з роздільною здатністю менше 1 нм, недосяжною для жорсткого ультрафіолетового випромінювання, завдяки меншій дебройлівській довжині хвилі електронів, порівняно зі світлом (див . Квантова механіка).

Електронна літографія є основним методом отримання масок для використання в подальшій фотолітографії під час виробництва монолітних мікросхем (зокрема, масок для проєкційної фотолітографія для масового виробництва (надвеликих мікросхем)).

Альтернативним способом створення масок є лазерна технологія, однак вона має меншу роздільну здатність.

Також електронну літографію, що має невисоку продуктивність, використовують при виробництві одиничних екземплярів електронних компонентів, у тих випадках, коли потрібна нанометрова роздільність, у промисловості і в наукових дослідженнях.

Роздільність в електронній літографії

На роздільність деталей малюнка впливають як розмір електронного пучка, так і процеси взаємодії електронного пучка з резистом.

Розмір електронного пучка

Вплив хроматичної, сферичної аберацій і дифракції на розмір електронного пучка

На діаметр електронного пучка ${\displaystyle d_{g}}$ впливають кілька факторів: розмір джерела електронів ${\displaystyle d_{v}}$ і коефіцієнт масштабування електронної фокусувальної системи ${\displaystyle M^{-1}}$. Ці параметри пов'язані між собою формулою:

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

Довжина хвилі електрона ${\displaystyle L}$ залежить від прискорювального потенціалу ${\displaystyle V_{b}}$ і дорівнює ${\displaystyle L=1,2/V_{b}^{1/2}}$ нм. Для прискорювальної напруги 10 кВ довжина хвилі електрона становить 12,2 пм, і, відповідно, роздільність системи, обмежена дифракцією, дорівнює:

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

де ${\displaystyle a}$ — половина кута фокусування пучка.

У реальних системах магнітні лінзи мають сферичну ${\displaystyle d_{s}}$ і хроматичну ${\displaystyle d_{c}}$ аберації. Сферична аберація виникає внаслідок різної фокусної відстані для електронів, що рухаються вздовж осі і на периферії пучка. Розкид швидкостей електронів у пучку призводить до хроматичної аберації — електрони з різною початковою швидкістю фокусуються на різних відстанях.

Для зменшення сферичної аберації застосовують апертурне обмеження пучка — діафрагми, що обрізають периферійні електрони. Але при діафрагмуванні пучка зменшується його струм.

Таким чином, роздільність, що визначається властивостями електронного пучка, має вигляд:

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

На малюнку показано залежність розміру пучка від кута фокусування з урахуванням усіх видів спотворення розмірів пучка.

Погіршення роздільної здатності через нелінійні процеси під час взаємодії електронного пучка з резистом

Схема взаємодії первинного електрона пучка з підкладкою (шаром резисту). Вторинні вибиті електрони паразитно експонують прилеглі ділянки резисту.

Кінцеву роздільність електронної літографії визначає не тільки діаметр сфокусованого пучка, а ще характер його взаємодії з шаром резисту. Зіткнення електронів первинного, високоенергетичного пучка електронів (червона лінія) з атомами матеріалу резисту породжує в ньому згасну лавину вторинних вибитих електронів (сіні лінії), вторинні електрони паразитно «засвічують» резист. Як наслідок, експонована пляма в плівці резисту виявляється в кілька разів більшою за розміром від діаметра електронного пучка.

Для зниження енергії лавини вторинних електронів, і, відповідно, зменшення розміру експозиційної плями, слід зменшувати енергію електронів пучка, тобто — знижувати прискорювальну напругу електронної гармати. Але при її зниженні погіршується фокусування пучка. Тому практично вибирають компромісну величину прискорювальної напруги — для забезпечення найкращої роздільності при застосованій товщині шару резисту і його властивостях.

Принципи запису малюнка на зразку

Станом на 2015 рік, запис прихованого зображення в плівці резисту на поверхні зразка міг здійснюватися трьома методами:

• растровим;
• векторним;
• записом електронним пучком зі змінним розміром і формою сфокусованої плями.

Растровий запис

Цей вид запису аналогічний зчитуванню (запису) зображення на екрані телевізора з електронно-променевою трубкою, де електронний промінь послідовно (порядково) оббігає кожну точку екрану. Там, де необхідно, промінь експонує резист, в інших точках пучок електронів блокується замиканням електронної гармати, хоча сканування (змінення струму у відхильній системі) триває.

Векторний запис

Електронний промінь подається тільки на ті місця, де необхідне експонування, і не подається в місця, які не підлягають експонуванню. Тому весь процес експонування здійснюється значно швидше, ніж за растрового способу запису.

Запис електронним пучком зі змінним розміром і формою

У цьому випадку запис відбувається «великим мазком», — за термінологією художників. Оскільки будь-який малюнок можна намалювати за допомогою прямокутників, то немає необхідності растеризувати малюнок на елементарні пікселі, досить змінювати форму і розмір сфокусованого пучка від маленького прямокутника до великого. Запис при цьому відбувається ще швидше, ніж у векторному способі.

Системи для електронної літографії

Системи електронної літографії для комерційних застосувань мають вартість близько $4 млн і вище. Для наукових досліджень зазвичай використовують електронний мікроскоп, перероблений на систему електронної літографії за допомогою відносно дешевих додаткових пристроїв (загальна вартість такої установки < $100 тис.). Ці модифіковані системи дозволяли промальовувати лінії з шириною близько 20 нм вже від 1990-х років. Тим часом, сучасне спеціалізоване обладнання дозволяє отримувати роздільність кращу ніж 10 нм.

Виробники

Електронна літографія застосовується для створення масок для фотолітографії (фотошаблонів), при цьому традиційно використовують системи з одним електронним пучком. Подібні системи виробляли компанії: Applied Materials, Leica, Hitachi, Toshiba, ^[en], ^[en].

Кілька виробників установок електронної літографії від середини 2010-х пропонують багатопучкові системи створення фотошаблонів для виробництва монолітних мікросхем, при цьому виробники також заявляють їх як установки для безпосереднього запису малюнка на великі підкладки (безмаскова літографія), оскільки вони мають більшу продуктивність, порівняно з однопучковими установками, і тому можуть конкурувати з традиційним фотолітографічним методом під час випуску малих партій мікросхем:

• ^[ru] (Нідерланди)
• AG (Відень, Австрія)
• ^[en] Corp. (Мілпітас, Каліфорнія) — технологія Reflective Electron Beam Lithography (REBL)
• Elionix, Японія

У таблиці наведено характеристики установки фірми Elionix ELS-F125 (типові параметри установки з одним пучком):

Джерело електронів-катод електронної гармати	ZrO2/W — нагрівальний елемент
Діаметр електронного пучка на ширині напівінтесивності	1,7 нм при 125 кВ
Найменша ширина лінії	близько 5 нм при 125 кВ
Струм електронного пучка	5 пА…100 нА
Прискорювальна напруга	125 кВ, 100 кВ, 50 кВ, 25 кВ
Розмір записуваної площадки	3000 мкм x 3000 мкм (найбільший), 100 мкм x 100 мкм (найменший)
Точність позиціювання пучка	0,01 нм
Найбільший розмір оброблюваної пластини	20 см (200-мм пластини і 200-мм маски)

Див. також

• Фотолітографія

Примітки

1. McCord, M. A.; M. J. Rooks. 2 // [1] — 2000. з джерела 19 серпня 2019
2. Principles of Lithography, Third Edition, SPIE Press, 2011 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^{[недоступне посилання з Июль 2019]}, Taylor & Francis, 2005, . 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. , 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?^{[недоступне посилання з Июль 2019]}, 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 [ 18 серпня 2019 у Wayback Machine.]
7. Syed Rizvi, Handbook of Photomask Manufacturing Technology^{[недоступне посилання з Июль 2019]}, Taylor & Francis, 2005, . 3.3 Vector Scan Systems, pages 60 −61
8. Mask Data Format Standardization [ 4 березня 2016 у Wayback Machine.] / DuPont Photomasks, 2001
9. Applied scrambles to hold lead in e-beam photomask tools [ 3 липня 2017 у Wayback Machine.] / EETimes, 2001-07-27
10. SPIE Handbook of Microlithography, Micromachining and Microfabrication. Volume 1: Microlithography [ 24 жовтня 2018 у Wayback Machine.] Chapter 2, E Beam Lithography
11. http://semiengineering.com/5-disruptive-mask-technologies/ [ 18 травня 2021 у 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.»
12. Peter Clarke (17 лютого 2012). (англ.). EETimes. Архів оригіналу за 10 січня 2014. Процитовано 10 січня 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. . Архів оригіналу за 6 лютого 2016. Процитовано 20 грудня 2015.

Література

• 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. — .
• Виноградов М.И., Маишев Ю.П. Вакуумные процессы и оборудование ионно - и электронно-лучевой технологии. — М. : Машиностроение, 1989. — 56 с. — .