Продолжительность: 2 часа (90 мин.)
1 Основные вопросы
— задачи фотолитографии;
— основные этапы процесса фотолитографии;
— изготовление фотошаблонов;
— методы уменьшения технологической
нормы.
Схема работы литографии в EUV.
По состоянию на 2023 год ASML является единственной компанией, которая производит и продаёт системы EUV для производства микросхем, ориентируясь на технологические нормы 5 и 3 нм.
Текущая версия страницы пока не проверялась опытными участниками и может значительно отличаться от версии, проверенной 24 декабря 2015 года; проверки требуют 42 правки.
Электро́нно-лучева́я литогра́фия — метод нанолитография с использованием электронного пучка.
В качестве мощных источников света в ЭУФ диапазоне могут использоваться синхротроны или плазма (спазер), разогреваемая импульсом лазера или электрическим разрядом.
ASML следует правилам экспортного контроля Нидерландов и до дальнейшего уведомления не будет иметь права отправлять машины в Китай.
- McCord, M. A.; M. J. Rooks. // SPIE Handbook of Microlithography, Micromachining and Microfabrication (англ.). — 2000.
- Applied scrambles to hold lead in e-beam photomask tools / EETimes, 2001-07-27
Первые экспериментальные установки совмещения и экспонирования (степперы) для EUVL были созданы в 2000 году в Ливерморской национальной лаборатории.
Очистка и подготовка поверхности
Первоначально подложка (при производстве монолитных микросхем это обычно пластина из монокристаллического кремния) очищается от загрязнений в ультразвуковой ванне в различных органических растворителях: ацетоне и метаноле и полосканием в изопропаноле. В случае значительных загрязнений поверхности, её обрабатывают смесью серной кислоты и пероксида водорода (H2SO4 + H2O2) с последующим применением процесса RCA очистки.
Различные материалы подложки имеют различное сцепление (адгезию) фоторезиста с ней. Например, такие металлы, как алюминий, хром и титан имеют высокую адгезию, в то время как благородные металлы — золото, серебро или платина — имеют очень плохую адгезию. В случае низкой адгезии перед нанесением фоторезиста рекомендуется наносить тонкий подслой адгезива, увеличивающий сцепление фоторезиста с поверхностью, например, гексаметилдисилазан (ГМДС). Кроме этого, иногда и поверх фоторезиста наносят антиотражающие покрытия.
Установки центрифугирования для нанесения фоторезиста
Наиболее широко распространённый метод нанесения фоторезистов на поверхность — это центрифугирование. Этот метод позволяет создавать однородную плёнку фоторезиста и контролировать её толщину скоростью вращения пластины (порядка нескольких тысяч оборотов в минуту). Как правило, используется при работе с большими круглыми пластинами.
При использовании не подходящих для центрифугирования поверхностей, например для покрытия небольших поверхностей, используется нанесение погружением в фоторезист. Недостатками этого метода являются большой расход фоторезиста и неоднородность получаемых плёнок.
При необходимости нанести фоторезист на сложные поверхности используется аэрозольное распыление, однако толщина плёнки при таком методе нанесения также не является однородной.
После нанесения фоторезиста необходимо провести его предварительную сушку (запекание). Для этого образец выдерживается несколько минут в печи, при температуре 100—120оС. Этот этап необходим для испарения растворителя, содержащегося в фоторезисте, что способствует улучшению адгезии, исключению прилипания к фотошаблону, возможности нанесения второго слоя фоторезиста и имеет положительное влияние в некоторых других аспектах.
Длины волн экспонирования в литографии
Схемы 4х различных видов экспонирования. Показаны контактный метод экспонирования, экспонирование с микрозазором и проекционные методы экспонирования
Процесс экспонирования заключается в засветке фоторезиста через фотошаблон, содержащий желаемый рисунок, светом видимого или ультрафиолетового диапазона, что и отличает процесс фотолитографии от других видов литографии. К примеру, в случае рентгеновской, ионно-лучевой и электронной литографии, для экспонирования используются рентгеновские лучи, ионы и электроны соответственно.
Наиболее стандартными длинами волны экспонирования в фотолитографии являются i-линия (365 нм), h-линия (405 нм) и g-линия (436 нм). Как бы то ни было, большинство фоторезистов могут быть проэкспонированы и широким спектром в ультрафиолетовом диапазоне (интегральное экспонирование), для чего обычно применяется ртутная лампа. В случае фотолитографии в глубоком (жёстком) ультрафиолете используются длины волн около 13,5 нм и специальные фоторезисты. Среди источников излучения, использующихся в фотолитографии, наиболее распространены:
Экспонирование может проводиться как с использованием фотошаблона, так и без него (безмасочная литография). В последнем случае рисунок на фоторезисте формируется непосредственно перемещающимся лазерным или электронным лучом или их группой, сфокусированным на поверхности фоторезиста. В случае же применения фотошаблонов чаще используются проекционные методы экспонирования, когда рисунок с фотошаблона переносится на фоторезист с использованием системы оптических линз. В некоторых вариантах литографии маска может находиться в контакте с фоторезистом, или в непосредственной близости, при наличии микрозазора.
Существуют технологии, позволяющие уменьшить искажения и изготовить микросхемы с меньшими проектными нормами:
При производстве полупроводниковых приборов для экспонирования больших по площади пластин (150, 200, 300 мм в диаметре) используют такие аппараты, как степперы и сканеры, в которых небольшой фотошаблон экспонируется на пластину многократно с помощью перемещения экспонируемой поверхности.
Основными параметрами экспонирования являются длина волны, время экспонирования и мощность источника излучения. Как правило, каждый фоторезист имеет определённое значение дозы (мДж/см2), необходимой для его экспонирования, поэтому важно правильно подобрать параметры экспонирования. При недостаточной дозе могут возникнуть проблемы с проявлением фоторезиста, а чрезмерное экспонирование может вызвать повреждения плёнки фоторезиста. От мощностных параметров зависит производительность фотолитографических установок, измеряемая в пластинах в час (wph).
Дополнительно стоит отметить такой метод фотолитографии, как «выжигание», при котором необходимые окна в полимерном слое выжигаются под воздействием на них мощного светового потока, испаряющего нанесённую на материал плёнку или прожигающего сам материал насквозь. Этот способ применяется для изготовления малотиражных офсетных форм и в некоторых системах ризографии.
Вторичное запекание производится непосредственно после экспонирования и не является обязательным шагом. Этот этап требуется лишь в случаях применения химически усиленных фоторезистов, применения обращаемого фоторезиста, потребности в релаксации толстых плёнок фоторезиста и в некоторых других ситуациях.
В процессе проявления части фоторезиста удаляются специальной жидкостью — проявителем (например гидроксид тетраметиламмония), формируя окна в плёнке фоторезиста. В случае использования позитивного фоторезиста удаляется проэкспонированная область, а в случае негативного — не проэкспонированная.
Определённые фоторезисты проявляются определённым проявителем и не проявляются другими. Как правило, проявитель разбавляется водой (1:2, 1:4), при этом степень разбавления контролирует скорость проявления, которая также зависит от полученной фоторезистом дозы при экспонировании.
Окончательное запекание фоторезиста также является не обязательным шагом, хотя нередко помогает улучшить его свойства. В частности, сушка при 130—140оС повышает химическую и температурную устойчивость проявленного фоторезиста для таких последующих этапов, как электроосаждение, сухое и жидкостное травление.
Как правило, фотолитография тесно связана с технологическим этапом, для которого собственно и требуется получаемый из фоторезиста рисунок. Наиболее распространённым процессом на этом этапе является травление, хотя нередко применяются и такие процессы как электроосаждение и напыление при проведении обратной фотолитографии.
Травление является наиболее часто используемым в совокупности с фотолитографией процессом при производстве печатных плат и полупроводниковых приборов для микроэлектроники. Существуют два основных вида травления: жидкостное (жидкое) и сухое травление. Сухое травление подразделяется на физическое распыление, ионное распыление; газофазное химическое травление; реактивное ионное травление. В зависимости от задач, применяют тот или иной тип травления. Жидкостное травление применяют в основном при изготовлении печатных плат, а также для вытравливания жертвенного слоя при изготовлении МЭМС, и других применений, где требуется изотропное травление (то есть травление во всех направлениях). Плазменное, и в особенности глубокое плазменное травление, применяют когда необходимо протравить структуру относительно глубоко, сохраняя при этом, как можно более вертикальный угол наклона стенок, то есть протравить анизотропно, только в вертикальном направлении. Результат травления тесно связан с параметрами фоторезиста, что во многом и определяет его выбор.
Схема основных этапов процесса фотолитографии
В процессе электроосаждения, окна в фоторезисте используются для осаждения в них материала из электролита.
Напыление. Обратная литография
В случаях, когда требуется получить рисунок из материала плохо подвергающегося травлению, используют процесс обратной (взрывной) литографии. В процессе обратной литографии на нанесённый и проявленный фоторезист напыляется тонкий слой материала (обычно металла), из которого требуется сформировать рисунок. На следующем этапе производится снятие фоторезиста, так что напылённый материал остаётся только в окнах, не защищённых фоторезистом, а плёнка, попавшая на фоторезист, уносится вместе с ним, то есть осуществляется так называемый «взрыв». Для обратной литографии, как правило, используются специальные LOR (lift-off-resist) фоторезисты. Существуют многочисленные модификации этого метода, например, когда используются два или даже три слоя фоторезистов с разной скоростью проявления. В целом, для аккуратного снятия фоторезиста требуется чтобы плёнка фоторезиста была в два и более раз толще, чем плёнка напылённого материала, а также чтобы стенки фоторезиста имели отрицательный наклон, что исключит возможность их покрытия напыляемым материалом.
Финальным этапом процесса фотолитографии является снятие фоторезиста. Для удаления фоторезиста с обработанной поверхности используют либо обработку в специальной жидкости — снимателе (например, диметилсульфоксид, N-метилпирролидон, смесь серной кислоты и перекиси водорода), либо обработку в кислородсодержащей плазме. Как правило, определённые сниматели подходят только к определённым группам фоторезистов. В процессах обратной фотолитографии, вместе с фоторезистом удаляется и покрывающая его плёнка материала. Если на предыдущих этапах применялись усилители адгезии или антиотражающие покрытия, они, как правило, также удаляются снимателем.
2 Текст лекции
14.2.1 Фотолитография – до 60
мин
Фотолитография — процесс избирательного
травления поверхностного слоя оксида
кремния с использованием защитной
фотомаски с целью получения на поверхности
подложки так называемой оксидной маски,
которая используется для создания окон
под избирательное легирование, а также
контактных окон перед нанесением слоя
металлизации.
Фотолитография выполняется после
окисления поверхности подложки и
получения на ее поверхности защитной
пленки оксида кремния. Процесс
фотолитографии включает несколько
этапов:
— подготовка поверхности,
— нанесение фоторезиста,
— совмещение подложки и фотошаблона,
— экспонирование фоторезиста через
фотошаблон,
— проявление фоторезиста,
— травление оксидного слоя в окнах
фотомаски,
— удаление фотомаски.
Отдельным предварительным этапом
является изготовление фотошаблонов.
Так как при производстве МС процесс
фотолитографии используется многократно,
то необходим целый комплект фотошаблонов.
Фотошаблоны широко применяются в
технологии ИМС как на стадии формирования
активных элементов в полупроводниковом
материале, так и при создании пассивных
элементов и межсоединений.
Фотошаблон — стеклянная пластина
(подложка) с нанесенным на ее поверхности
маскирующим слоем — покрытием, образующим
трафарет с прозрачными и непрозрачными
для оптического излучения участками.
В процессе фотолитографии слой фоторезиста
экспонируется в соответствии с рисунком
покрытия, имеющегося на фотошаблоне.
Подготовка поверхности к нанесению
фотослоя заключается в ее обработке
парами органического растворителя для
растворения жировых пленок, которые
препятствуют последующему сцеплению
фоторезиста с поверхностью. Отмывка
сверхчистой (деионизованой) водой
удаляет следы растворителя, а также
микрочастицы, способные впоследствии
образовать «проколы» в тонком слое
фоторезиста.
При нанесении фотослоя используется
раствор светочувствительного полимера
в органическом растворителе (фоторезист).
Фоторезисты — это сложные полимерные
светочувствительные композиции,
изменяющие свои свойства, прежде всего
растворимость, под действием излучения
и устойчивые к кислотным и щелочным
травителям. Основное назначение
фоторезиста является создание на
поверхности тонкого защитного слоя в
виде рельефа рисунка. Фоторезисты у
которых растворимость экспонированного
участка уменьшается называются
негативными, а фоторезисты, растворимость
которых после облучения возрастает, —
позитивными.
Основные параметры фоторезистов:
Светочувствительность — величина
обратная экспозиции, требуемой для
перевода фоторезиста в растворимое или
нерастворимое (в зависимости от того,
какой используется фоторезист — позитивный
или негативный) состояние.
Разрешающая способность — максимальное
число линий одинаковой ширины, разделенных
промежутками той же ширины, которое
можно получить, используя данный
фоторезист, на 1 мм. Разрешающая способность
фоторезиста определяет возможность
создания при его использовании
микрорельефа рисунка с минимальными
размерами элементов. Разрешающая
способность зависит от оптических
явлений, происходящих в процессе
экспонирования в системе фотошаблон —
фоторезист — пластина, а также от процессов
проявления и сушки.
Кислотостойкость фоторезистов определяет
возможность их обработки в сильных
кислотных и щелочных смесях, т.е.
способность после экспонирования,
проявления и сушки (задубливания)
селективно защищать поверхность
заготовки от воздействия кислотных и
щелочных травителей. Кислотостойкость
измеряется в секундах.
Нанесение фотослоя выполняют двумя
способами: центрифугированием или
распылением аэрозоля. В случае
использования центрифуги дозированное
количество фоторезиста подается в центр
пластины, прижатой вакуумом к вращающейся
платформе (центрифуге). Жидкий фоторезист
растекается от центра к периферии, а
центробежные силы равномерно распределяют
его по поверхности пластины, сбрасывая
излишки в специальный кожух. Толщина
нанесенной пленки зависит от скорости
вращения платформы и вязкости фоторезиста.
Скорость вращения центрифуги около
6000 об/мин, толщину фотослоя регулируют
подбором соответствующей вязкости, т.
е. содержанием растворителя.
Для центрифугирования характерны
следующие недостатки:
1) трудность получения относительно
толстых (в несколько микрометров) и
равномерных пленок из-за плохой
растекаемости вязкого фоторезиста;
2) напряженное состояние нанесенной
пленки, что приводит на этапе проявления
к релаксации участков фотомаски и
изменению их размеров;
3) наличие краевого утолщения как
следствие повышения вязкости в процессе
выравнивания, что ухудшает контакт
фотошаблона с фотослоем;
4) трудность организации одновременной
обработки нескольких пластин.
При распылении аэрозоли фоторезист
подается из форсунки на пластины, лежащие
на столе, совершающем возвратно-поступательное
движение. Необходимая толщина формируется
постепенно. Отдельные мельчайшие частицы
растекаются и, сливаясь, образуют
сплошной слой. При следующем проходе
частицы приходят на частично просохший
слой, несколько растворяя его. Поэтому
время обработки, которое зависит от
вязкости, расхода и «факела» фоторезиста,
от скорости движения стола и расстояния
от форсунки до подложки, устанавливается
экспериментально. При реверсировании
стола крайние пластины получат большую
дозу фоторезиста, чем центральные. Во
избежание утолщения слоя на крайних
пластинах форсунке также сообщается
возвратно-поступательное вертикальное
движение (синхронно с движением стола).
При торможении стола в конце хода
форсунка поднимается вверх, и плотность
потока частиц в плоскости пластин
снижается.
Распыление аэрозоли лишено недостатков
центрифугирования, допускает групповую
обработку пластин, но предъявляет более
жесткие требования к чистоте (отсутствие
пыли) окружающей атмосферы. Нанесение
фоторезиста и последующая сушка фотослоя
являются очень ответственными операциями,
в значительной степени определяющими
процент выхода годных микросхем.
Частицы пыли из окружающего воздуха
могут проникать в наносимый слой и
создавать микродефекты, поэтому нанесение
фотослоя должно выполняться в условиях
высокой обеспыленности в рабочих объемах
(боксах, скафандрах) 1 класса с соблюдением
следующей нормы: в 1 л воздуха должно
содержаться не более четырех частиц
размером не более 0,5 мкм.
Перечисленные виды дефектов фотослоя
(пылевидные частицы, микропузырьки и
микротрещины) сохраняются в фотомаске
и наследуются оксидной маской, создавая
в ней микроотверстия. При использовании
оксидной маски для избирательного
легирования примесь будет проникать
через них, образуя легированные
микрообласти и. как следствие, токи
утечки и пробои в p-n-переходах.
Если оксидная маска представляет собой
слой контактных окон, то металл, проникая
в микроотверстия, может привести к
паразитным связям между областями и
коротким замыканиям.
Совмещение и экспонирование. Под
совмещением перед экспонированием
понимается точная ориентация фотошаблона
относительно пластины, при которой
элементы очередного топологического
слоя (на фотошаблоне) занимают положение
относительно элементов предыдущего
слоя (в пластине), предписанное
разработчиком топологии Обычно фотошаблон
очередного слоя совмещается с предыдущим
(по ходу ТП) слоем, уже сформированным
на пластине.
Процесс совмещения включает три этапа:
1) предварительная ориентация по базовому
срезу, обеспечивающая на границах
модулей групповой пластины наивыгоднейшую
кристаллографическую плоскость с точки
зрения качества разделения пластины
на отдельные кристаллы;
2) предварительное грубое совмещение
по границам крайних модулей, имеющее
целью исключить разворот пластины и
фотошаблона относительно вертикальной
оси;
3) точное совмещение, исключающее смещение
рисунков фотошаблона и пластины в
горизонтальной плоскости.
Для точного совмещения используют
специальные знаки совмещения с
контролируемым зазором, которые входят
в состав топологических рисунков
соответствующих слоев. Совмещение
считается выполненным, если при введении
одного знака внутрь другого по всему
контуру просматривается зазор.
После совмещения выполняется засветка
фоторезиста через фотошаблон.
Фотолитография может быть контактной
(шаблон при переносе изображения
приводится в плотный контакт с
фоторезистом), бесконтактной (на
микрозазоре) и проекционной. При
контактном экспонировании минимально
получаемый размер элементов не превышает
50-200мкм, следовательно, для полупроводниковых
ИМС непригоден. Бесконтактный оптический
метод также имеет недостаток, обусловленный
законами оптики, согласно которым
минимальные размеры изображения не
могут быть меньше
света. Для получения более мелких деталей
служит рентгеновская и электронно-лучевая
литография. К достоинствам электронно-лучевой
литографии можно отнести большую глубину
резкости и возможность управлять одним
лучом (т.е. сканировать).
После получений фотомаски происходит
операция травления, во время которой с
поверхности подложки удаляются участки
оксидного слоя в окнах фотомаски. При
травлении в жидких травителях используются
водные растворы неорганических соединений
(обычно кислот). С травлением в жидких
травителях связано не только явление
подтравливания под фотомаску, по и
разброс величины подтравливания.
Существенное повышение точности
травления достигается при «сухих»
методах травления, при которых разрушение
слоя происходит механически за счет
бомбардировки потоком заряженных частиц
(ионов инертного газа). К методам сухого
травления относят ионное (ионно-лучевое)
травление, основанное на физическом
взаимодействии травимого слоя с ионами
(распылении), и плазменное (ионно-плазменное)
травление, основанное на проведении в
плазме химических реакций, приводящих
к травлению.
На последнем этапе происходит удаление
фотомаски и на поверхности подложки
остается только полученная в результате
фотолитографии оксидная маска.
14.2.2 Методы уменьшения технологической
нормы– до 30 мин
Фотолитография является одним из
наиболее важных этапов в технологических
процессах производства СБИС. Возможности
и ограничения, связанные с процессами
литографии, являются основными факторами,
определяющими технологическую норму
(минимальные топологические размеры
интегральных элементов), степень
интеграции и быстродействие СБИС.
Основным параметром литографического
процесса является разрешающая способность,
определяемая рядом факторов, наиболее
важный из которых — длина волны фотонов
(или длина волны де Бройля электронов
и ионов). Ниже перечислены современные
литографические процессы в порядке
уменьшения длины волны
— фотолитография в ультрафиолетовой
области спектра и в жестком ультрафиолете
(
— ренттенолитография (
— электронно-лучевая литография (
— ионная литография (
Очевидно, с точки зрения сокращения
минимальных топологических размеров
областей интегральных структур наиболее
перспективными являются электронно-лучевая
и ионная литографии, в которых вследствие
малых значений длины волны можно не
учитывать влияние дифракции на разрешающую
способность.
Поскольку электроны и ионы обладают
электрическим зарядом, они взаимодействуют
с электрическим и магнитным полями, что
позволяет создавать электростатические
и магнитные линзы, обеспечивающие
фокусировку и центровку электронного
луча, а также возможность сканирования
по поверхности образца. При этом возможно
бесшаблонное экспонирование резиста,
нанесенного на поверхность полупроводниковой
пластины, что позволяет, в частности,
использовать электронно-лучевую и
ионную литографии для создания фото- и
ренттеношаблонов очень высокого
качества.
Дополнительным важным достоинством
электронно-лучевой литографии является
возможность экспозиции непосредственно
слоя оксида кремния без использования
резистов. Экспонированные области
оксида травятся в несколько раз быстрее,
чем неэкспонированные. Ионная литография
также позволяет сопровождать прорисовку
элементов микрорисунка одновременным
распылением экспонируемого слоя
(например, оксида кремния).
Тем не менее, существует ряд факторов,
ограничивающих использование
электронно-лучевой и ионной литографий
в процессе производства современных
СБИС. К основным из них следует отнести:
— эффект близости, ограничивающий
разрешающую способность электроннолучевой
литографии и обусловленный рассеянием
электронов в слое резиста вследствие
их малой массы;
— наличие определенных искажений
(сферическая и хроматическая аберрации,
астигматизм), ограничивающих разрешающую
способность, которые невозможно полностью
скорректировать электро- и магнитооптическими
системами;
— сравнительно низкую производительность,
обусловленную необходимостью сканирования
сфокусированным «точечным» или профильным
электронным (ионным) пучком;
— высокую стоимость оборудования.
Сравнительно большая длина волны
ультрафиолетового излучения и проблемы,
связанные с формированием рентгеновских
пучков, ограничивают разрешающую
способность фото- и ренттенолитографии
и позволяют формировать элементы
микрорисунков с минимальными размерами
до 0,3 мкм.
Тем не менее, согласно прогнозам к 2014
г. предполагается сократить минимальный
топологический размер элементов СБИС
до 50 нм при использовании фотолитографии
в области жесткого ультрафиолета (
нм) и ренттенолитографии.
Для достижения этой цели разрабатываются
новые подходы и методы. Наиболее
перспективными в настоящее время
считаются методы фото- и ренттенолитографии,
основанные на корректировке элементов
рисунка шаблона с учетом дифракционных
эффектов. Микрорисунок, получаемый при
экспонировании, в данном случае не
повторяет изображение шаблона, а
определяется в результате дифракции
ультрафиолетовых или рентгеновских
лучей на элементах шаблона, что позволяет
формировать элементы микрорисунков с
размерами, значительно меньшими длины
волны излучения.
Соседние файлы в папке Varianty
EUVL установка, Ливерморская национальная лаборатория
Требования к ресурсам
В следующей таблице приведены основные различия между разрабатываемыми системами EUV и иммерсионной литографией ArF, которые сегодня широко используются в производстве:
- Лапшинов Б. А. Технология литографических процессов. Учебное пособие — МИЭМ, 2011
- Lithographic Challenges an ASML perspective. Boudewijn Sluijk, Intel ERIC, Dublin, 4 Oct. 2012
При необходимости нанести резист на сложные поверхности используется аэрозольное распыление, однако толщина плёнки при таком методе нанесения также не является однородной.
После нанесения резиста необходимо провести его предварительную сушку (задубливание). Для этого образец выдерживается несколько минут в печи, при температуре 100—120оС. Этот этап необходим для испарения растворителя, содержащегося в фоторезисте, что способствует улучшению адгезии, исключению прилипания к фотошаблону, возможности нанесения второго слоя фоторезиста и имеет положительное влияние в некоторых других аспектах.
Вторичное задубливание производится непосредственно после экспонирования и не является обязательным шагом. Этот этап требуется лишь в случаях применения химически усиленных фоторезистов, применения обращаемого фоторезиста, потребности в релаксации толстых плёнок фоторезиста и в некоторых других ситуациях.
Окончательное задубливание фоторезиста также является не обязательным шагом, хотя нередко помогает улучшить его свойства. В частности, сушка при 130—140оС повышает химическую и температурную устойчивость проявленного фоторезиста для таких последующих этапов, как электроосаждение, сухое и жидкостное травление.
Электронный пучок, остросфокусированный с помощью магнитных линз на поверхность слоя полимера (резиста), чувствительного к электронному облучению, прорисовывает на нем изображение, которое обнаруживается после обработки резиста в проявителе. Обработка электронным пучком резиста меняет степень растворимости полимера в растворителе (проявителе). Участки поверхности, с записанным на них изображением, очищаются от резиста с помощью проявителя. Через полученные окна в плёнке резиста производится вакуумное напыление подходящего материала, например, нитрида титана или металлов или ионное травление. На последнем этапе технологического процесса неэкспонированный излучением резист также смывают другим растворителем.
Перемещение электронного пучка по поверхности осуществляется с помощью компьютера изменением токов в отклоняющих магнитных системах. В некоторых установках при этом меняется форма и размеры пятна электронного пучка.
На выходе многоступенчатого технологического процесса получается фотошаблон-маска для использования в фотолитографии и других нанотехнологических процессах, например, в технологии реактивного ионного травления.
Также электронная литография, имеющая невысокую производительность, используется при производстве единичных экземпляров электронных компонентов, в тех случаях, когда требуется нанометровое разрешение, в промышленности и в научных исследованиях.
В настоящее время (2015 г.) запись скрытого изображения в плёнке резиста на поверхности образца может осуществляться тремя возможными методами:
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.
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.
Разрешение в электронной литографии
Влияние ахроматической, сферической аберраций и дифракции на размер электронного пучка
На диаметр электронного пучка влияют несколько факторов: размер источника электронов и коэффициент масштабирования электронной фокусирующей системы .
Эти параметры связаны между собой формулой:
Длина волны электрона зависит от ускоряющего потенциала и равна нм. Для ускоряющего напряжения 10 кВ длина волны электрона составляет 12,2 пм, и, соответственно, разрешение системы, ограниченное дифракцией, равно:
где — половина угла фокусировки пучка.
В реальных системах магнитные линзы имеют сферическую и хроматическую аберрации. Сферическая аберрация возникает вследствие различного фокусноко 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:
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.
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.). 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.
