Электронная литография (|lytmjkuugx lnmkijgsnx)

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

На диаметр электронного пучка $d_{g}$ влияют несколько факторов: размер источника электронов $d_{v}$ и коэффициент масштабирования 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 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:

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

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

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.

Примечания

↑ 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 (неопр.). Дата обращения: 20 декабря 2015. Архивировано из оригинала 6 февраля 2016 года.

[mccord-1] McCord, M. A.; M. J. Rooks. 2 // SPIE Handbook of Microlithography, Micromachining and Microfabrication (англ.). — 2000. Архивировано 19 августа 2019 года.

[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 (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.»

[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? (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.»

[6] 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

[7] 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

[8] Mask Data Format Standardization Архивная копия от 22 декабря 2015 на Wayback Machine / DuPont Photomasks, 2001

[9] Applied scrambles to hold lead in e-beam photomask tools Архивная копия от 3 июля 2017 на Wayback Machine / EETimes, 2001-07-27

[10] SPIE Handbook of Microlithography, Micromachining and Microfabrication. Volume 1: Microlithography Архивная копия от 22 декабря 2015 на Wayback Machine Chapter 2, E Beam Lithography

[11] ttp://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.»

[12] 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.»

[13] Electron Beam Lithography (EBL) | ELS-F125 | ELIONIX (неопр.). Дата обращения: 20 декабря 2015. Архивировано из оригинала 6 февраля 2016 года.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

Ссылки на внешние ресурсы
Словари и энциклопедии	Большая китайская Большая китайская Britannica (онлайн)
В библиографических каталогах	LNB: 000342835 NKC: ph760839