Электронно-лучевая литография (часто сокращенно e-beam lithography или EBL ) — это практика сканирования сфокусированного пучка электронов для рисования пользовательских фигур на поверхности, покрытой электронно-чувствительной пленкой, называемой резистом ( экспонирование). [1] Электронный луч изменяет растворимость резиста, позволяя выборочно удалять либо экспонированные, либо неэкспонированные области резиста путем погружения его в растворитель ( проявление). Цель, как и в случае с фотолитографией , состоит в создании очень маленьких структур в резисте, которые впоследствии могут быть перенесены на материал подложки, часто путем травления .
Основным преимуществом электронно-лучевой литографии является то, что она может рисовать пользовательские шаблоны (прямая запись) с разрешением менее 10 нм . Эта форма безмасочной литографии имеет высокое разрешение, но низкую производительность, что ограничивает ее применение изготовлением фотошаблонов , мелкосерийным производством полупроводниковых приборов , а также исследованиями и разработками .
Системы электронно-лучевой литографии, используемые в коммерческих приложениях, являются специализированными системами электронной записи, которые очень дороги (> US$1M). Для исследовательских приложений очень распространено преобразование электронного микроскопа в систему электронно-лучевой литографии с использованием относительно недорогих аксессуаров (<US$100K). Такие преобразованные системы производили ширину линий ~20 нм по крайней мере с 1990 года, в то время как современные специализированные системы производят ширину линий порядка 10 нм или меньше.
Системы электронно-лучевой литографии можно классифицировать по форме луча и стратегии отклонения луча. Более старые системы использовали гауссовы лучи, которые сканировали эти лучи растровым способом . Более новые системы используют сформированные лучи, которые можно отклонять в различные положения в поле записи (также известное как векторное сканирование ).
Системы с более низким разрешением могут использовать термоионные источники (катод), которые обычно формируются из гексаборида лантана . Однако системы с более высокими требованиями к разрешению должны использовать источники полевой электронной 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 больший размер пучка первых, поскольку они обеспечивают лучшую стабильность в течение типичного времени записи в несколько часов.
Можно использовать как электростатические, так и магнитные линзы. Однако электростатические линзы имеют больше аберраций и поэтому не используются для точной фокусировки. В настоящее время [ когда? ] нет механизма для создания ахроматических электронно-лучевых линз, поэтому для наилучшей фокусировки необходимы чрезвычайно узкие дисперсии энергии электронного пучка. [ требуется цитата ] [ требуется обновление ]
Обычно для очень малых отклонений луча используются электростатические отклоняющие «линзы»; для больших отклонений луча требуется электромагнитное сканирование. Из-за неточности и из-за конечного числа шагов в сетке экспозиции поле записи составляет порядка 100 микрометров – 1 мм. Более крупные узоры требуют перемещения столика. Точный столик имеет решающее значение для сшивания (наложения полей записи точно друг на друга) и наложения узора (выравнивания узора по ранее созданному).
Минимальное время облучения заданной области при заданной дозе определяется по следующей формуле: [2]
где — время экспонирования объекта (можно разделить на время экспонирования/размер шага), — ток пучка, — доза и — площадь экспонирования.
Например, предположив, что площадь экспозиции составляет 1 см2 , доза составляет 10−3 кулонов / см2 и ток пучка составляет 10−9 ампер , результирующее минимальное время записи составит 106 секунд (около 12 дней). Это минимальное время записи не включает время на перемещение столика вперед и назад, а также время на гашение пучка (блокировку от пластины во время отклонения), а также время на другие возможные коррекции и корректировки пучка в середине записи. Чтобы покрыть площадь поверхности 700 см2 кремниевой пластины диаметром 300 мм, минимальное время записи увеличится до 7*108 секунд , что составляет около 22 лет. Это примерно в 10 миллионов раз медленнее, чем у современных инструментов оптической литографии. Очевидно, что пропускная способность является серьезным ограничением для электронно-лучевой литографии, особенно при записи плотных рисунков на большой площади.
Электронно-лучевая литография не подходит для крупносерийного производства из-за ограниченной пропускной способности. Меньшее поле записи электронного луча приводит к очень медленной генерации шаблона по сравнению с фотолитографией (текущий стандарт), поскольку для формирования окончательной области шаблона необходимо сканировать больше полей экспозиции (≤мм 2 для электронного луча против ≥40 мм 2 для оптического сканера проекций масок). Стол перемещается между сканированиями поля. Поле электронного луча достаточно мало, чтобы для шаблонизации области размером 26 мм X 33 мм, например, требовалось растровое или змеевидное движение стола, тогда как в фотолитографическом сканере потребовалось бы только одномерное движение щелевого поля размером 26 мм X 2 мм.
В настоящее время оптический инструмент безмасочной литографии [3] намного быстрее, чем электронно-лучевой инструмент, используемый при том же разрешении для создания рисунка фотошаблона.
По мере уменьшения размеров объектов число падающих электронов при фиксированной дозе также уменьшается. Как только число достигает ~10000, эффекты дробового шума становятся преобладающими, что приводит к существенному естественному изменению дозы в пределах большой популяции объектов. С каждым последующим узлом процесса, поскольку площадь объекта уменьшается вдвое, минимальная доза должна удваиваться, чтобы поддерживать тот же уровень шума. Следовательно, пропускная способность инструмента будет уменьшаться вдвое с каждым последующим узлом процесса.
Примечание: 1 ppm популяции составляет около 5 стандартных отклонений от средней дозы.
Ссылка: SPIE Proc. 8683-36 (2013)
Дробовой шум является существенным фактором даже при изготовлении масок. Например, коммерческий резист для электронных лучей маски, такой как FEP-171, будет использовать дозы менее 10 мкКл/см2 , [ 4] [5], тогда как это приводит к заметному дробовому шуму для критического размера цели (CD) даже порядка ~200 нм на маске. [6] [7] Изменение CD может быть порядка 15–20% для характеристик менее 20 нм. [8] [9]
Несмотря на высокое разрешение электронно-лучевой литографии, пользователи часто не учитывают возникновение дефектов во время электронно-лучевой литографии. Дефекты можно разделить на две категории: дефекты, связанные с данными, и физические дефекты.
Дефекты, связанные с данными, можно далее классифицировать на две подкатегории. Ошибки гашения или отклонения возникают, когда электронный луч не отклоняется должным образом, когда он должен, в то время как ошибки формирования возникают в системах с изменяемой формой луча, когда на образец проецируется неправильная форма. Эти ошибки могут возникать либо из-за электронно-оптического оборудования управления, либо из-за входных данных, которые были записаны. Как и следовало ожидать, более крупные файлы данных более восприимчивы к дефектам, связанным с данными.
Физические дефекты более разнообразны и могут включать зарядку образца (как отрицательную, так и положительную), ошибки расчета обратного рассеяния, ошибки дозы, запотевание (дальнее отражение обратно рассеянных электронов), дегазацию, загрязнение, дрейф пучка и частицы. Поскольку время записи для электронно-лучевой литографии может легко превысить день, «случайно возникающие» дефекты более вероятны. И здесь, большие файлы данных могут предоставить больше возможностей для дефектов.
Дефекты фотошаблонов в основном возникают в процессе электронно-лучевой литографии, используемой для определения рисунка.
Первичные электроны в падающем пучке теряют энергию при входе в материал через неупругое рассеяние или столкновения с другими электронами. При таком столкновении передача импульса от падающего электрона к атомному электрону может быть выражена как [10] , где b - расстояние наибольшего сближения между электронами, а v - скорость падающего электрона. Энергия, передаваемая при столкновении, определяется как , где m - масса электрона, а E - энергия падающего электрона, определяемая как . Интегрируя по всем значениям T между наименьшей энергией связи, E 0 и падающей энергией, получаем результат, что полное поперечное сечение столкновения обратно пропорционально падающей энергии и пропорционально 1/E 0 - 1/E . Как правило, E >> E 0 , поэтому результат по существу обратно пропорционален энергии связи.
Используя тот же подход к интегрированию, но в диапазоне от 2E 0 до E , можно получить путем сравнения сечений, что половина неупругих столкновений падающих электронов производит электроны с кинетической энергией, большей, чем E 0 . Эти вторичные электроны способны разрывать связи (с энергией связи E 0 ) на некотором расстоянии от исходного столкновения. Кроме того, они могут генерировать дополнительные электроны с более низкой энергией, что приводит к электронному каскаду . Следовательно, важно признать значительный вклад вторичных электронов в распространение энергетического вклада.
В общем случае для молекулы AB: [11]
Эта реакция, также известная как «присоединение электронов» или «диссоциативное присоединение электронов», вероятнее всего, произойдет после того, как электрон существенно замедлится до остановки, поскольку в этой точке его легче всего захватить. Поперечное сечение присоединения электронов обратно пропорционально энергии электронов при высоких энергиях, но приближается к максимальному предельному значению при нулевой энергии. [12] С другой стороны, уже известно, что средняя длина свободного пробега при самых низких энергиях (от нескольких до нескольких эВ или меньше, где диссоциативное присоединение имеет существенное значение) значительно превышает 10 нм, [13] [14] что ограничивает возможность последовательного достижения разрешения в этом масштабе.
С сегодняшней электронной оптикой ширина электронного пучка может обычно уменьшаться до нескольких нанометров. Это ограничивается в основном аберрациями и пространственным зарядом . Однако предел разрешения элемента определяется не размером пучка, а прямым рассеянием (или эффективным расширением пучка) в резисте , в то время как предел разрешения шага определяется вторичным перемещением электронов в резисте . [15] [16] Эта точка зрения была доказана демонстрацией 2007 года двойного шаблонирования с использованием электронно-лучевой литографии при изготовлении зонных пластин с половинным шагом 15 нм. [17] Хотя элемент размером 15 нм был разрешен, шаг в 30 нм все еще было трудно сделать из-за рассеяния вторичных электронов от соседнего элемента. Использование двойного шаблонирования позволило сделать расстояние между элементами достаточно большим, чтобы вторичное рассеяние электронов было значительно уменьшено.
Прямое рассеяние можно уменьшить, используя электроны с более высокой энергией или более тонкий резист, но генерация вторичных электронов неизбежна. В настоящее время признано, что для изоляционных материалов, таких как ПММА , электроны с низкой энергией могут перемещаться на довольно большое расстояние (возможно несколько нм). Это связано с тем, что ниже потенциала ионизации единственный механизм потери энергии в основном через фононы и поляроны . Хотя последний в основном является эффектом ионной решетки, [18] прыжки поляронов могут распространяться на расстояние до 20 нм. [19] Расстояние перемещения вторичных электронов не является фундаментально выведенным физическим значением, а статистическим параметром, часто определяемым из многих экспериментов или моделирования Монте-Карло вплоть до < 1 эВ. Это необходимо, поскольку распределение энергии вторичных электронов достигает пиков значительно ниже 10 эВ. [20] Следовательно, предел разрешения обычно не упоминается как строго фиксированное число, как в случае с оптической системой, ограниченной дифракцией. [15] Повторяемость и контроль на пределе практического разрешения часто требуют учета факторов, не связанных с формированием изображения, например, проявления резиста и межмолекулярных сил.
Исследование Колледжа наномасштабной науки и техники (CNSE), представленное на семинаре EUVL 2013 года, показало, что в качестве меры электронного размытия электроны 50–100 эВ легко проникают за пределы 10 нм толщины резиста в PMMA или коммерческом резисте. Кроме того, возможен разряд диэлектрического пробоя. [21] Более поздние исследования показали, что резист толщиной 20 нм может быть пронизан электронами низкой энергии (достаточной дозы), а электронно-лучевая литография с шагом менее 20 нм уже требует двойного шаблонирования. [22] [23]
По состоянию на 2022 год современный электронный многолучевой писатель достигает разрешения около 20 нм. [24] [25]
Помимо производства вторичных электронов, первичные электроны из падающего пучка с достаточной энергией для проникновения в резист могут многократно рассеиваться на больших расстояниях от нижележащих пленок и/или подложки. Это приводит к экспонированию областей на значительном расстоянии от желаемого места экспонирования. Для более толстых резистов, по мере того как первичные электроны движутся вперед, у них появляется все больше возможностей рассеиваться вбок от определенного пучком местоположения. Это рассеяние называется прямым рассеянием . Иногда первичные электроны рассеиваются под углами, превышающими 90 градусов, т. е. они больше не продвигаются дальше в резист. Эти электроны называются обратнорассеянными электронами и имеют тот же эффект, что и дальнее свечение в оптических проекционных системах. Достаточно большая доза обратнорассеянных электронов может привести к полному экспонированию резиста на площади, намного большей, чем определено пятном луча.
Наименьшие элементы, созданные электронно-лучевой литографией, как правило, были изолированными элементами, поскольку вложенные элементы усиливают эффект близости , при котором электроны от экспозиции соседней области перетекают в экспозицию текущего записанного элемента, эффективно увеличивая его изображение и уменьшая его контраст, т. е. разницу между максимальной и минимальной интенсивностью. Следовательно, разрешение вложенных элементов сложнее контролировать. Для большинства резистов трудно опуститься ниже 25 нм линий и промежутков, и был обнаружен предел в 20 нм линий и промежутков. [26] Однако в действительности диапазон рассеяния вторичных электронов довольно далек, иногда превышая 100 нм, [27] но становится очень значительным ниже 30 нм. [28]
Эффект близости также проявляется в том, что вторичные электроны покидают верхнюю поверхность резиста, а затем возвращаются на расстояние в несколько десятков нанометров. [29]
Эффекты близости (из-за рассеяния электронов) можно устранить, решив обратную задачу и вычислив функцию экспозиции E(x,y), которая приводит к распределению дозы, максимально приближенному к желаемой дозе D(x,y) при свертке с функцией рассеяния точки распределения рассеяния PSF(x,y) . Однако следует помнить, что ошибка в примененной дозе (например, из-за дробового шума) приведет к сбою коррекции эффекта близости.
Поскольку электроны являются заряженными частицами, они имеют тенденцию заряжать подложку отрицательно, если только они не могут быстро получить доступ к пути к земле. Для высокоэнергетического пучка, 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 к земле. Часто отрицательный заряд, приобретенный 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, ограниченно применимо для высокоэнергетических (50 кэВ или более) электронных пучков, поскольку большинство электронов проходят через слой в подложку. Слой рассеивания заряда, как правило, полезен только около или ниже 10 кэВ, поскольку резист тоньше, и большинство электронов либо останавливаются в резисте, либо близко к проводящему слою. Однако они ограниченно применимы из-за их высокого поверхностного сопротивления, что может привести к неэффективному заземлению.
Диапазон низкоэнергетических вторичных электронов (крупнейший компонент популяции свободных электронов в системе резист-подложка), которые могут способствовать зарядке, не является фиксированным числом, а может варьироваться от 0 до 50 нм (см. раздел Новые рубежи и экстремальная ультрафиолетовая литография ). Следовательно, зарядка резиста-подложки не является повторяемой и ее трудно последовательно компенсировать. Отрицательный заряд отклоняет электронный луч от заряженной области, в то время как положительный заряд отклоняет электронный луч к заряженной области.
Из-за того, что эффективность расщепления обычно на порядок выше эффективности сшивания, большинство полимеров, используемых для электронно-лучевой литографии позитивного тона, также будут сшиваться (и, следовательно, приобретать негативный тон) при дозах на порядок выше доз, используемых для расщепления полимера при экспонировании позитивного тона. В случае ПММА, экспонирования электронов до более чем 1000 мкКл/см 2 , градационная кривая соответствует кривой «нормального» позитивного процесса. Выше 2000 мкКл/см 2 преобладает рекомбинантный процесс сшивания, а при около 7000 мкКл/см 2 слой полностью сшивается, что делает слой более нерастворимым, чем неэкспонированный исходный слой. Если следует использовать негативные структуры ПММА, требуется более сильный проявитель, чем для позитивного процесса. [30] Такое большое увеличение дозы может потребоваться для предотвращения эффектов дробового шума. [31] [32] [33]
Исследование, проведенное в Военно-морской исследовательской лаборатории [34], показало, что электроны с низкой энергией (10–50 эВ) способны повредить пленки ПММА толщиной ~30 нм. Повреждение проявилось в виде потери материала.
В 2018 году был разработан тиол-еновый резист, который имеет собственные реактивные поверхностные группы, что позволяет осуществлять прямую функционализацию поверхности резиста биомолекулами. [38]
Чтобы обойти генерацию вторичных электронов, необходимо будет использовать низкоэнергетические электроны в качестве первичного излучения для экспонирования резиста. В идеале эти электроны должны иметь энергию порядка не намного больше нескольких эВ , чтобы экспонировать резист без генерации вторичных электронов, поскольку у них не будет достаточной избыточной энергии. Такое экспонирование было продемонстрировано с использованием сканирующего туннельного микроскопа в качестве источника электронного пучка. [39] Данные показывают, что электроны с энергией всего лишь 12 эВ могут проникать через полимерный резист толщиной 50 нм. Недостатком использования низкоэнергетических электронов является то, что трудно предотвратить распространение электронного пучка в резисте. [40] Низкоэнергетические электронно-оптические системы также трудно проектировать для высокого разрешения. [41] Кулоновское межэлектронное отталкивание всегда становится более сильным для более низкой энергии электронов.
Другой альтернативой в электронно-лучевой литографии является использование чрезвычайно высоких энергий электронов (не менее 100 кэВ) для того, чтобы по существу «просверлить» или распылить материал. Это явление часто наблюдалось в просвечивающей электронной микроскопии . [42] Однако это очень неэффективный процесс из-за неэффективной передачи импульса от электронного пучка к материалу. В результате это медленный процесс, требующий гораздо более длительного времени экспозиции, чем обычная электронно-лучевая литография. Кроме того, пучки высокой энергии всегда вызывают беспокойство по поводу повреждения подложки.
Интерференционная литография с использованием электронных пучков — еще один возможный путь для создания шаблонов массивов с периодами в нанометровом масштабе. Ключевым преимуществом использования электронов над 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 концентрации наибольшей энергии на наименьшей площади.
Значительный интерес вызвала разработка многолучевых подходов к литографии с целью повышения производительности. Эта работа была поддержана SEMATECH и стартапами, такими как Multibeam Corporation , [43] Mapper [44] и IMS. [45] IMS Nanofabrication коммерциализировала многолучевой печатный станок и начала его выпуск в 2016 году. [46]