Войти
Пример настройки электронно-лучевой литографии Электронно-лучевой литография (часто сокращенно электронно-лучевая литография, EBL ) - это практика сканирования сфокусированным лучом электронов для рисования нестандартных форм на поверхности покрытый электронно-чувствительной пленкой, называемой резистом (экспонирование). Электронный пучок изменяет растворимость резиста, позволяя выборочно удалять открытые или неоткрытые участки резиста, погружая его в растворитель (проявляя). Цель, как и в случае с фотолитографией, состоит в том, чтобы создать в резисте очень маленькие структуры, которые впоследствии могут быть перенесены на материал подложки, часто путем травления.
Основным преимуществом электронно-лучевой литографии является то, что она может рисовать пользовательские узоры (прямая запись) с разрешением менее 10 нм. Эта форма литографии без маски имеет высокое разрешение и низкую производительность, ограничивая ее использование изготовлением фотомаски, мелкосерийным производством полупроводниковых устройств и исследованиями и разработками.
Системы электронно-лучевой литографии, используемые в коммерческих приложениях, представляют собой специализированные электронно-лучевые системы записи, которые очень дороги (>1 миллион долларов США). Для исследовательских целей очень распространено преобразование электронного микроскопа в систему электронно-лучевой литографии с использованием относительно недорогих принадлежностей (< US$100K). Such converted systems have produced linewidths of ~20 nm since at least 1990, while current dedicated systems have produced linewidths on the order of 10 nm or smaller.
системы электронно-лучевой литографии можно классифицировать как по форме луча, так и по отклонению луча. Стратегия. Старые системы использовали лучи гауссовой формы и сканировали эти лучи в растровом виде. В новых системах используются фасонные лучи, которые могут отклоняться в различные положения в поле записи (это также известно как векторное сканирование ).
В системах с более низким разрешением могут использоваться термоэлектронные источники, которые обычно образуются из гексаборида лантана. Однако системы с более высоким разрешением В требованиях к разрешающей способности необходимо использовать источники автоэлектронной эмиссии, такие как нагретый W / ZrO 2 для меньшего разброса энергии и повышенной яркости. Источники тепловой полевой эмиссии предпочтительнее источников холодной эмиссии, несмотря на немного большего размера луча первых, потому что они предлагают ставку тер стабильность в течение типичного времени записи в несколько часов.
Могут использоваться как электростатические, так и магнитные линзы. Однако электростатические линзы имеют больше аберраций и поэтому не используются для точной фокусировки. В настоящее время не существует механизма для изготовления линз с ахроматическим электронным пучком, поэтому для точной фокусировки необходимы чрезвычайно узкие дисперсии энергии электронного пучка.
Сшивание по полю. Сшивание - это забота о критических характеристиках, пересекающих границу поля (красная пунктирная линия). Обычно для очень малых отклонений луча используются "линзы" электростатического отклонения, для больших отклонений луча требуется электромагнитное сканирование. Из-за неточности и из-за конечного числа шагов в сетке экспонирования поле записи составляет порядка 100 микрометров - 1 мм. Более крупные модели требуют движений сцены. Точная стадия имеет решающее значение для вышивания (выравнивание полей записи точно друг против друга) и наложения рисунка (совмещения рисунка с ранее созданным).
Минимальное время облучения заданной области для заданной дозы дается следующей формулой:
где 
Например, предполагая площадь воздействия 1 см, дозу 10 кулонов / см и ток луча 10 ампер, результирующее минимальное время записи составит 10 секунд (около 12 дней). Это минимальное время записи не включает время для перемещения столика вперед и назад, а также время для гашения луча (блокирование от пластины во время отклонения), а также время для других возможных корректировок луча и регулировок в середине. письма. Чтобы покрыть площадь поверхности 700 см кремниевой пластины толщиной 300 мм, минимальное время записи должно увеличиться до 7 * 10 секунд, т.е. примерно 22 года. Это примерно в 10 миллионов раз медленнее, чем у современных инструментов оптической литографии. Понятно, что пропускная способность - серьезное ограничение для электронно-лучевой литографии, особенно при написании плотных узоров на большой площади.
Электронно-лучевая литография не подходит для крупносерийного производства из-за ограниченной пропускной способности. Меньшее поле записи электронного луча обеспечивает очень медленную генерацию рисунка по сравнению с фотолитографией (текущий стандарт), потому что для формирования окончательной области рисунка необходимо сканировать больше полей экспонирования (≤ мм для электронного луча против ≥40 мм для проекции оптической маски). сканер). Сцена перемещается между полевыми сканированиями. Поле электронного луча достаточно мало, чтобы растровое или змеевидное движение предметного столика потребовалось, например, для создания рисунка на площади 26 мм X 33 мм, тогда как в сканере фотолитографии только одномерное движение поля щели 26 мм X 2 мм будет требуется.
В настоящее время оптический инструмент литографии без маски работает намного быстрее, чем инструмент электронного луча, используемый с таким же разрешением для формирования рисунка на фотошаблонах.
По мере уменьшения размеров элементов количество падающих электронов при фиксированной дозе также уменьшается. Как только число достигает ~ 10000, эффекты дробового шума становятся преобладающими, что приводит к значительным колебаниям естественной дозы в большой популяции объектов. С каждым последующим технологическим узлом, поскольку площадь объекта уменьшается вдвое, минимальная доза должна удваиваться, чтобы поддерживать тот же уровень шума. Следовательно, производительность инструмента будет уменьшаться вдвое с каждым последующим узлом процесса.
| диаметр элемента (нм) | минимальная доза для одной из миллионов 5% погрешности дозы (мкКл / см) |
|---|---|
| 40 | 127 |
| 28 | 260 |
| 20 | 509 |
| 14 | 1039 |
| 10 | 2037 |
| 7 | 4158 |
Примечание: 1 ppm населения - это примерно 5 стандартных отклонений от средней дозы.
Ссылка: SPIE Proc. 8683-36 (2013)
Дробовой шум является важным фактором даже при изготовлении масок. Например, в коммерческом электронно-лучевом резисте для масок, таком как FEP-171, используются дозы менее 10 мкКл / см, тогда как это приводит к заметному дробовому шуму для целевого компакт-диска даже порядка ~ 200 нм на маске.
Несмотря на высокое разрешение электронно-лучевой литографии, образование дефектов во время электронно-лучевой литографии часто не рассматривается пользователями. Дефекты можно разделить на две категории: дефекты, связанные с данными, и физические дефекты.
Дефекты, связанные с данными, можно разделить на две подкатегории. Гашение или ошибки отклонения возникают, когда электронный луч не отклоняется должным образом, когда он должен быть, в то время как ошибки формы возникают в системах с изменяемой формой пучка, когда неправильный форма проецируется на образец. Эти ошибки могут возникать либо из-за оборудования электронного оптического управления, либо из-за записанных на пленку входных данных. Как и следовало ожидать, файлы данных большего размера более подвержены дефектам, связанным с данными.
Физические дефекты более разнообразны и могут включать заряд образца (отрицательный или положительный), ошибки вычисления обратного рассеяния, ошибки дозы, запотевание (отражение обратно рассеянных электронов на большие расстояния), выделение газа, загрязнение, дрейф луча и частицы. Поскольку время записи для электронно-лучевой литографии может легко превышать сутки, вероятность возникновения «случайно возникающих» дефектов выше. Здесь снова большие файлы данных могут предоставить больше возможностей для дефектов.
Дефекты фотошаблона в основном возникают во время электронно-лучевой литографии, используемой для определения рисунка.
Траектории электронов в резисте: Падающий электрон (красный) производит вторичные электроны (синий). Иногда падающий электрон может сам рассеиваться обратно, как показано здесь, и покидать поверхность резиста (желтый). Первичные электроны в падающем пучке теряют энергию при входе в материал из-за неупругого рассеяния или столкновений с другими электронами. При таком столкновении передача импульса от налетающего электрона к атомному электрону может быть выражена как 
Используя тот же подход интегрирования, но в диапазоне от 2E 0 до E, можно получить, сравнивая сечения, что половина неупругих столкновений падающих электронов производит электроны с кинетической энергией больше E 0. Эти вторичные электроны способны разрушать связи (с энергией связи E 0) на некотором расстоянии от исходного столкновения. Кроме того, они могут генерировать дополнительные электроны с меньшей энергией, в результате чего возникает электронный каскад. Следовательно, важно признать значительный вклад вторичных электронов в распределение энергии.
Как правило, для молекулы AB:
Эта реакция, также известная как «присоединение электрона» или «диссоциативное присоединение электрона», наиболее вероятно. после того, как электрон существенно замедлился до полной остановки, поскольку в этой точке его легче всего захватить. Поперечное сечение прилипания электронов обратно пропорционально энергии электронов при высоких энергиях, но приближается к максимальному предельному значению при нулевой энергии. С другой стороны, уже известно, что длина свободного пробега при самых низких энергиях (от нескольких до нескольких эВ или менее, где диссоциативное присоединение является значительным) значительно превышает 10 нм, что ограничивает возможность стабильного достижения разрешения в этом масштабе.
Миграция электронов с низкой энергией. Расстояние (r), пройденное электроном с низкой энергией, влияет на разрешение и может составлять не менее нескольких нанометров. В современной электронной оптике электрон ширина луча может обычно уменьшаться до нескольких нанометров. Это ограничено в основном аберрациями и пространственным зарядом. Однако предел разрешающей способности элемента определяется не размером луча, а прямым рассеянием (или эффективным расширением луча) в резисте , в то время как предел разрешения шага определяется перемещением вторичных электронов. в резист. Этот момент был подтвержден демонстрацией в 2007 г. двойного формирования рисунка с использованием электронно-лучевой литографии при изготовлении зонных пластин с половинным шагом 15 нм. Хотя элемент 15 нм был разрешен, шаг 30 нм все еще был затруднен из-за рассеяния вторичных электронов на соседнем элементе. Использование двойного паттерна позволило увеличить расстояние между элементами, чтобы значительно уменьшить вторичное рассеяние электронов.
Прямое рассеяние можно уменьшить за счет использования электронов с более высокой энергией или более тонкого резиста, но генерация вторичных электронов неизбежна. В настоящее время признано, что для изоляционных материалов, таких как PMMA, электроны с низкой энергией могут перемещаться на довольно большие расстояния (возможно несколько нм). Это связано с тем, что ниже потенциала ионизации единственный механизм потери энергии происходит в основном через фононы и поляроны. Хотя последний в основном является эффектом ионной решетки, прыжки поляронов могут достигать 20 нм. Расстояние перемещения вторичных электронов не является фундаментально полученной физической величиной, а является статистическим параметром, часто определяемым в ходе многих экспериментов или моделирования Монте-Карло до < 1 eV. This is necessary since the energy distribution of secondary electrons peaks well below 10 eV. Hence, the resolution limit is not usually cited as a well-fixed number as with an optical diffraction-limited system. Repeatability and control at the practical resolution limit often require considerations not related to image formation, e.g., resist development and intermolecular forces.
Исследование Колледжа Наноразмерная наука и инженерия (CNSE), представленная на семинаре EUVL в 2013 году, показала, что в качестве меры электронного размытия электроны с энергией 50–100 эВ легко проникают за пределы толщины резиста 10 нм в ПММА или коммерческом резисте. Кроме того, возможен пробой диэлектрического разряда.
Помимо образования вторичных электронов, первичные электроны падающего пучка с энергией, достаточной для проникновения в резист, могут многократно рассеиваться на больших расстояниях от нижележащих пленок. и / или субстрат. Это приводит к засветке участков, находящихся на значительном удалении от желаемого места экспонирования. Для более толстых резистов, когда первичные электроны движутся вперед, у них есть увеличивающаяся возможность рассеиваться вбок от места, определяемого лучом. Это рассеяние называется рассеянием вперед . Иногда первичные электроны рассеиваются под углами, превышающими 90 градусов, т.е. они больше не продвигаются дальше в резист. Эти электроны называются обратно рассеянными электронами и имеют тот же эффект, что и дальнодействующие вспышки в оптических проекционных системах. Достаточно большая доза обратно рассеянных электронов может привести к полному обнажению резиста на площади, намного большей, чем определено пятном луча.
Мельчайшие детали, полученные с помощью электронно-лучевой литографии, как правило, были изолированными элементами, поскольку вложенные элементы усиливают эффект близости, в результате чего электроны от воздействия соседнего Область перетекает в экспозицию записываемого в данный момент признака, эффективно увеличивая его изображение и уменьшая его контраст, то есть разницу между максимальной и минимальной интенсивностью. Следовательно, сложнее контролировать разрешение вложенных функций. Для большинства резистов трудно опускаться ниже 25 нм линий и промежутков, и был найден предел в 20 нм линий и промежутков. В действительности, однако, диапазон рассеяния вторичных электронов довольно велик, иногда превышает 100 нм, но становится очень значительным ниже 30 нм.
Эффект близости также проявляется в том, что вторичные электроны покидают верхнюю поверхность резиста. и затем возвращаясь на расстояние в несколько десятков нанометров.
Эффекты близости (из-за рассеяния электронов) могут быть устранены путем решения обратной задачи и вычисления функции экспонирования E (x, y), которая приводит к распределению дозы, максимально близкому к желаемой дозе D (x, y), когда свернуто с помощью распределения рассеяния функции рассеяния точки PSF (x, y). Однако следует помнить, что ошибка в применяемой дозе (например, из-за дробового шума) приведет к сбою коррекции эффекта близости.
Поскольку электроны являются заряженными частицами, они имеют тенденцию заряжать подложку отрицательно, если они не могут быстро получить доступ к заземлению. Для пучка высокой энергии, падающего на кремниевую пластину, практически все электроны останавливаются в пластине, где они могут следовать по пути к земле. Однако для кварцевой подложки, такой как фотошаблон, внедренным электронам потребуется гораздо больше времени, чтобы переместиться на землю. Часто отрицательный заряд, приобретаемый подложкой, может быть компенсирован или даже превышен положительным зарядом на поверхности из-за вторичной электронной эмиссии в вакуум. Наличие тонкого проводящего слоя над или под резистом, как правило, имеет ограниченное применение для электронных пучков с высокой энергией (50 кэВ или более), поскольку большинство электронов проходят через слой в подложку. Слой рассеивания заряда обычно используется только около 10 кэВ или ниже, поскольку резист тоньше, и большая часть электронов либо останавливается в резисте, либо близко к проводящему слою. Однако они имеют ограниченное применение из-за высокого сопротивления листа, что может привести к неэффективному заземлению.
Диапазон вторичных электронов с низкой энергией (самый большой компонент популяции свободных электронов в системе резист-подложка), которые могут вносить вклад в заряд, не является фиксированным числом, но может варьироваться от 0 до 50. нм (см. раздел Новые рубежи и литография в крайнем ультрафиолете ). Следовательно, зарядка резиста-подложки не повторяется, и ее сложно компенсировать постоянно. Отрицательная зарядка отклоняет электронный луч от заряженной области, а положительная зарядка отклоняет электронный луч в сторону заряженной области.
Из-за того, что эффективность разрыва, как правило, на порядок выше, чем эффективность сшивки, большинство полимеров, используемых для электронно-лучевой литографии в положительных тонах, будут сшивать (и, следовательно, становятся отрицательным тоном) в дозах, на порядок превышающих дозы, используемые для воздействия положительного тона. Такое большое увеличение дозы может потребоваться, чтобы избежать эффекта дробового шума.
Исследование, проведенное в Лаборатории военно-морских исследований, показало, что электроны с низкой энергией (10–50 эВ) могут повредить пленки ПММА толщиной ~ 30 нм. Ущерб проявился как материальная потеря.
В 2018 году был разработан тиоленовый резист с природными реактивными поверхностными группами, которые позволяют напрямую функционализировать поверхность резиста биомолекулами.
Чтобы обойти вторичную генерацию электронов, необходимо будет использовать низкоэнергетические электроны в качестве первичного излучения для экспонирования резиста. В идеале эти электроны должны иметь энергию порядка не более нескольких эВ, чтобы обнажить резист без генерации каких-либо вторичных электронов, поскольку они не будут иметь достаточной избыточной энергии. Такое экспонирование было продемонстрировано с использованием сканирующего туннельного микроскопа в качестве источника электронного луча. Данные показывают, что электроны с энергией всего 12 эВ могут проникать через полимерный резист толщиной 50 нм. Недостатком использования электронов с низкой энергией является то, что трудно предотвратить распространение электронного луча в резисте. Электронно-оптические системы с низким энергопотреблением также сложно разработать для обеспечения высокого разрешения. Кулоновское межэлектронное отталкивание всегда становится более сильным при более низкой энергии электронов.
Литография сканирующего зонда. Сканирующий зонд может использоваться для литографии низкоэнергетическим электронным пучком, обеспечивая разрешение менее 100 нм, определяемое дозой низкоэнергетических электронов. Другая альтернатива электронно-лучевой литографии. литография заключается в использовании чрезвычайно высоких энергий электронов (не менее 100 кэВ) для «сверления» или распыления материала. Это явление часто наблюдается в просвечивающей электронной микроскопии. Однако это очень неэффективный процесс из-за неэффективной передачи импульса от электронного луча материалу. В результате это медленный процесс, требующий гораздо большего времени экспонирования, чем обычная электронно-лучевая литография. Также лучи высокой энергии всегда вызывают беспокойство о повреждении основания.
Интерференционная литография с использованием электронных лучей - еще один возможный путь для формирования массивов с периодами нанометрового масштаба. Ключевым преимуществом использования электронов перед фотонами в интерферометрии является гораздо более короткая длина волны при той же энергии.
Несмотря на различные сложности и тонкости электронно-лучевой литографии при разных энергиях, она остается наиболее практичным способом сконцентрировать большую часть энергии на минимальной площади.
Существует значительный интерес к разработке подходов к литографии с использованием множественных пучков электронов с целью увеличения производительности. Эта работа была поддержана SEMATECH и начинающими компаниями, такими как Multibeam Corporation, Mapper и IMS. IMS Nanofabrication выпустила на рынок многолучевой маскрайтер и начала его внедрение в 2016 году.
