La litografía por haz de electrones (a menudo abreviada como litografía por haz de electrones , EBL ) es la práctica de escanear un haz de electrones enfocado para dibujar formas personalizadas en una superficie cubierta con una película sensible a los electrones llamada resist (exposición). [1] El haz de electrones cambia la solubilidad del resist, permitiendo la eliminación selectiva de las regiones expuestas o no expuestas del resist al sumergirlo en un solvente (revelado). El propósito, al igual que con la fotolitografía , es crear estructuras muy pequeñas en la capa protectora que posteriormente se puedan transferir al material del sustrato, a menudo mediante grabado.
La principal ventaja de la litografía por haz de electrones es que puede dibujar patrones personalizados (escritura directa) con una resolución inferior a 10 nm . Esta forma de litografía sin máscara tiene alta resolución y bajo rendimiento, lo que limita su uso a la fabricación de fotomáscaras , la producción de bajo volumen de dispositivos semiconductores y la investigación y el desarrollo .
Sistemas
Los sistemas de litografía por haz de electrones utilizados en aplicaciones comerciales son sistemas dedicados de escritura por haz de electrones que son muy costosos (> 1 millón de dólares estadounidenses). Para aplicaciones de investigación, es muy común convertir un microscopio electrónico en un sistema de litografía por haz de electrones utilizando accesorios de costo relativamente bajo (
Los sistemas de litografía por haz de electrones se pueden clasificar según la forma del haz y la estrategia de deflexión del haz. Los sistemas más antiguos usaban vigas en forma de Gauss y las escaneaban de forma ráster. Los sistemas más nuevos utilizan haces con forma, que pueden desviarse a varias posiciones en el campo de escritura (esto también se conoce como exploración vectorial ).
Fuentes de electrones
Los sistemas de menor resolución pueden utilizar fuentes termoiónicas , que normalmente se forman a partir de hexaboruro de lantano . Sin embargo, los sistemas con requisitos de resolución más alta necesitan utilizar fuentes de emisión de electrones de campo , como W / ZrO 2 calentado para una menor dispersión de energía y un brillo mejorado. Se prefieren las fuentes de emisión de campo térmico a las fuentes de emisión fría, a pesar del tamaño de haz ligeramente mayor de la primera, porque ofrecen una mejor estabilidad en los tiempos de escritura típicos de varias horas.
Lentes
Se pueden utilizar lentes tanto electroestáticas como magnéticas. Sin embargo, las lentes electrostáticas tienen más aberraciones y, por lo tanto, no se utilizan para un enfoque preciso. Actualmente hay [ ¿cuándo? ] no hay mecanismo para fabricar lentes acromáticos de haz de electrones, por lo que se necesitan dispersiones extremadamente estrechas de la energía del haz de electrones para un enfoque más fino. [ cita requerida ] [ necesita actualización ]
Escenario, cosido y alineación
Normalmente, para deflexiones de haz muy pequeñas se utilizan "lentes" de deflexión electrostática, las deflexiones de haz más grandes requieren exploración electromagnética. Debido a la inexactitud y al número finito de pasos en la cuadrícula de exposición, el campo de escritura es del orden de 100 micrómetros - 1 mm. Los patrones más grandes requieren movimientos de escenario. Una etapa precisa es fundamental para la costura (colocar los campos de escritura en mosaico exactamente uno contra el otro) y la superposición de patrones (alinear un patrón con uno hecho previamente).
Tiempo de escritura del haz de electrones
El tiempo mínimo para exponer un área determinada para una dosis determinada viene dado por la siguiente fórmula: [2]
dónde es el tiempo para exponer el objeto (se puede dividir en tiempo de exposición / tamaño de paso), es la corriente del haz, es la dosis y es el área expuesta.
Por ejemplo, suponiendo un área de exposición de 1 cm 2 , una dosis de 10 −3 culombios / cm 2 y una corriente de haz de 10 −9 amperios, el tiempo de escritura mínimo resultante sería 10 6 segundos (aproximadamente 12 días). Este tiempo mínimo de escritura no incluye el tiempo para que la etapa se mueva hacia adelante y hacia atrás, así como el tiempo para que el rayo se elimine (bloqueado de la oblea durante la deflexión), así como el tiempo para otras posibles correcciones y ajustes del rayo en el medio. de la escritura. Para cubrir el área de superficie de 700 cm 2 de una oblea de silicio de 300 mm, el tiempo mínimo de escritura se extendería a 7 * 10 8 segundos, aproximadamente 22 años. Este es un factor de aproximadamente 10 millones de veces más lento que las herramientas de litografía óptica actuales. Está claro que el rendimiento es una limitación seria para la litografía por haz de electrones, especialmente cuando se escriben patrones densos en un área grande.
La litografía con haz de electrones no es adecuada para la fabricación de grandes volúmenes debido a su rendimiento limitado. El campo más pequeño de escritura del haz de electrones hace que la generación de patrones sea muy lenta en comparación con la fotolitografía (el estándar actual) porque se deben escanear más campos de exposición para formar el área del patrón final (≤ mm 2 para el haz de electrones frente a ≥ 40 mm 2 para una óptica. escáner de proyección de máscara). El escenario se mueve entre exploraciones de campo. El campo del haz de electrones es lo suficientemente pequeño como para que se necesite un movimiento de trama de trama o serpentina para modelar un área de 26 mm X 33 mm, por ejemplo, mientras que en un escáner de fotolitografía solo un movimiento unidimensional de un campo de rendija de 26 mm X 2 mm sería requerido.
Actualmente, una herramienta de litografía óptica sin máscara [3] es mucho más rápida que una herramienta de haz de electrones utilizada con la misma resolución para el modelado de fotomáscaras.
Disparo
A medida que se reducen los tamaños de las características, también se reduce el número de electrones incidentes a dosis fija. Tan pronto como el número alcanza ~ 10000, los efectos del ruido de disparo se vuelven predominantes, lo que lleva a una variación sustancial de la dosis natural dentro de una gran población de características. Con cada nodo de proceso sucesivo, a medida que el área de características se reduce a la mitad, la dosis mínima debe duplicarse para mantener el mismo nivel de ruido. En consecuencia, el rendimiento de la herramienta se reduciría a la mitad con cada nodo de proceso sucesivo.
diámetro de la característica (nm) | dosis mínima para un error de dosis del 5% de uno en un millón (μC / cm 2 ) |
---|---|
40 | 127 |
28 | 260 |
20 | 509 |
14 | 1039 |
10 | 2037 |
7 | 4158 |
Nota: 1 ppm de población es aproximadamente 5 desviaciones estándar de la dosis media.
Ref .: SPIE Proc. 8683-36 (2013)
El ruido de disparo es una consideración importante incluso para la fabricación de máscaras. Por ejemplo, una resistencia de rayo electrónico de máscara comercial como FEP-171 usaría dosis inferiores a 10 μC / cm 2 , [4] [5] mientras que esto conduce a un ruido de disparo notable para un CD objetivo incluso en el orden de ~ 200 nm en la máscara. [6] [7]
Defectos en la litografía por haz de electrones
A pesar de la alta resolución de la litografía por haz de electrones, los usuarios a menudo no consideran la generación de defectos durante la litografía por haz de electrones. Los defectos se pueden clasificar en dos categorías: defectos relacionados con los datos y defectos físicos.
Los defectos relacionados con los datos se pueden clasificar en dos subcategorías. Los errores de supresión o deflexión ocurren cuando el haz de electrones no se desvía correctamente cuando se supone que debe hacerlo, mientras que los errores de forma ocurren en sistemas de haz de forma variable cuando se proyecta la forma incorrecta sobre la muestra. Estos errores pueden originarse en el hardware de control óptico de electrones o en los datos de entrada que se grabaron. Como era de esperar, los archivos de datos más grandes son más susceptibles a defectos relacionados con los datos.
Los defectos físicos son más variados y pueden incluir carga de muestras (ya sea negativa o positiva), errores de cálculo de retrodispersión, errores de dosis, empañamiento (reflexión de largo alcance de electrones retrodispersados), desgasificación, contaminación, deriva del haz y partículas. Dado que el tiempo de escritura para la litografía por haz de electrones puede exceder fácilmente un día, es más probable que ocurran defectos "que ocurren al azar". Aquí nuevamente, los archivos de datos más grandes pueden presentar más oportunidades de defectos.
Los defectos de la fotomáscara se originan en gran parte durante la litografía por haz de electrones utilizada para la definición del patrón.
Deposición de energía electrónica en la materia.
Los electrones primarios del haz incidente pierden energía al entrar en un material a través de dispersión inelástica o colisiones con otros electrones. En tal colisión, la transferencia de momento desde el electrón incidente a un electrón atómico se puede expresar como [8] , donde b es la distancia de aproximación más cercana entre los electrones, yv es la velocidad incidente del electrón. La energía transferida por la colisión viene dada por, donde m es la masa del electrón y E es la energía incidente del electrón, dada por. Al integrar todos los valores de T entre la energía de enlace más baja, E 0 y la energía incidente, se obtiene el resultado de que la sección transversal total para la colisión es inversamente proporcional a la energía incidente.Y proporcional a 1 / E 0 - 1 / es E . Generalmente, E >> E 0 , por lo que el resultado es esencialmente inversamente proporcional a la energía de enlace.
Al utilizar el mismo enfoque de integración, pero en el rango de 2E 0 a E , se obtiene al comparar las secciones transversales que la mitad de las colisiones inelásticas de los electrones incidentes producen electrones con energía cinética mayor que E 0 . Estos electrones secundarios son capaces de romper enlaces (con energía de enlace E 0 ) a cierta distancia de la colisión original. Además, pueden generar electrones adicionales de menor energía, lo que resulta en una cascada de electrones . Por lo tanto, es importante reconocer la contribución significativa de los electrones secundarios a la propagación de la deposición de energía.
En general, para una molécula AB: [9]
- e - + AB → AB - → A + B -
Esta reacción, también conocida como "unión de electrones" o "unión de electrones disociativa", es más probable que ocurra después de que el electrón se haya detenido esencialmente, ya que es más fácil de capturar en ese punto. La sección transversal para la unión de electrones es inversamente proporcional a la energía de los electrones a altas energías, pero se acerca a un valor límite máximo a energía cero. [10] Por otro lado, ya se sabe que el camino libre medio a las energías más bajas (pocos a varios eV o menos, donde la unión disociativa es significativa) es muy superior a 10 nm, [11] [12] lo que limita la capacidad para lograr consistentemente una resolución a esta escala.
Capacidad de resolución
Con la óptica de electrones actual, los anchos de haz de electrones pueden descender rutinariamente a unos pocos nanómetros. Esto está limitado principalmente por aberraciones y carga espacial . Sin embargo, el límite de resolución de la característica no está determinado por el tamaño del haz sino por la dispersión hacia adelante (o el ensanchamiento efectivo del haz) en la resistencia , mientras que el límite de resolución de tono está determinado por el viaje de electrones secundarios en la resistencia . [13] [14] Este punto fue llevado a casa por una demostración de 2007 de patrón doble usando litografía por haz de electrones en la fabricación de placas de zona de medio tono de 15 nm. [15] Aunque se resolvió una característica de 15 nm, un tono de 30 nm todavía era difícil de lograr debido a la dispersión de electrones secundarios de la característica adyacente. El uso de patrones dobles permitió que el espaciado entre características fuera lo suficientemente amplio como para que la dispersión de electrones secundarios se redujera significativamente.
La dispersión directa se puede reducir utilizando electrones de mayor energía o una resistencia más delgada, pero la generación de electrones secundarios es inevitable. Ahora se reconoce que para materiales aislantes como el PMMA , los electrones de baja energía pueden viajar una distancia bastante grande (varios nm son posibles). Esto se debe al hecho de que por debajo del potencial de ionización el único mecanismo de pérdida de energía es principalmente a través de fonones y polarones . Aunque este último es básicamente un efecto de red iónica, [16] el salto de polarón puede extenderse hasta 20 nm. [17] La distancia de viaje de los electrones secundarios no es un valor físico derivado fundamentalmente, sino un parámetro estadístico que a menudo se determina a partir de muchos experimentos o simulaciones de Monte Carlo hasta <1 eV. Esto es necesario ya que la distribución de energía de los electrones secundarios alcanza un pico muy por debajo de los 10 eV. [18] Por lo tanto, el límite de resolución no se suele citar como un número bien fijo como ocurre con un sistema de difracción óptica limitada. [13] La repetibilidad y el control en el límite de resolución práctica a menudo requieren consideraciones no relacionadas con la formación de la imagen, por ejemplo, resistir el desarrollo y las fuerzas intermoleculares.
Un estudio de la Facultad de Ciencias e Ingeniería a Nanoescala (CNSE) presentado en el Taller EUVL de 2013 indicó que, como medida de la falta de definición de electrones, los electrones de 50-100 eV penetraron fácilmente más allá de los 10 nm de espesor de resistencia en PMMA o una resistencia comercial. Además, es posible la descarga por ruptura dieléctrica. [19] Estudios más recientes han indicado que un espesor de resistencia de 20 nm podría ser penetrado por electrones de baja energía (de dosis suficiente) y la litografía por haz de electrones de medio tono por debajo de 20 nm ya requería un patrón doble. [20] [21]
Dispersión
Además de producir electrones secundarios, los electrones primarios del haz incidente con energía suficiente para penetrar la capa protectora se pueden dispersar de forma múltiple a grandes distancias desde las películas subyacentes y / o el sustrato. Esto conduce a la exposición de áreas a una distancia significativa del lugar de exposición deseado. Para resistencias más gruesas, a medida que los electrones primarios avanzan, tienen una oportunidad cada vez mayor de dispersarse lateralmente desde la ubicación definida por el haz. Esta dispersión se denomina dispersión directa . A veces, los electrones primarios se dispersan en ángulos que exceden los 90 grados, es decir, ya no avanzan más en la resistencia. Estos electrones se denominan electrones retrodispersados y tienen el mismo efecto que los destellos de largo alcance en los sistemas de proyección óptica. Una dosis suficientemente grande de electrones retrodispersados puede llevar a una exposición completa de la resistencia en un área mucho más grande que la definida por el punto del haz.
Efecto de proximidad
Las características más pequeñas producidas por la litografía por haz de electrones generalmente han sido características aisladas, ya que las características anidadas exacerban el efecto de proximidad , por el cual los electrones de la exposición de una región adyacente se derraman en la exposición de la característica actualmente escrita, ampliando efectivamente su imagen y reduciendo su contraste, es decir, diferencia entre intensidad máxima y mínima. Por lo tanto, la resolución de funciones anidadas es más difícil de controlar. Para la mayoría de las resistencias, es difícil ir por debajo de las líneas y espacios de 25 nm, y se ha encontrado un límite de líneas y espacios de 20 nm. [22] En realidad, sin embargo, el rango de dispersión de electrones secundarios está bastante lejos, a veces excede los 100 nm, [23] pero se vuelve muy significativo por debajo de 30 nm. [24]
El efecto de proximidad también se manifiesta por los electrones secundarios que abandonan la superficie superior de la resistencia y luego regresan a una distancia de algunas decenas de nanómetros. [25]
Los efectos de proximidad (debido a la dispersión de electrones) se pueden abordar resolviendo el problema inverso y calculando la función de exposición E (x, y) que conduce a una distribución de dosis lo más cercana posible a la dosis deseada D (x, y) cuando se convoluciona por la función de dispersión del punto de distribución de dispersión PSF (x, y) . Sin embargo, debe recordarse que un error en la dosis aplicada (p. Ej., Debido al ruido de disparo) provocaría que fallara la corrección del efecto de proximidad.
Cargando
Dado que los electrones son partículas cargadas, tienden a cargar el sustrato negativamente a menos que puedan acceder rápidamente a un camino a tierra. Para un rayo de alta energía que incide en una oblea de silicio, prácticamente todos los electrones se detienen en la oblea donde pueden seguir un camino a tierra. Sin embargo, para un sustrato de cuarzo como una fotomáscara , los electrones incrustados tardarán mucho más en moverse a tierra. A menudo, la carga negativa adquirida por un sustrato puede compensarse o incluso superarse mediante una carga positiva en la superficie debido a la emisión de electrones secundarios al vacío. La presencia de una capa conductora delgada por encima o por debajo de la capa protectora es generalmente de uso limitado para haces de electrones de alta energía (50 keV o más), ya que la mayoría de los electrones pasan a través de la capa hacia el sustrato. La capa de disipación de carga es generalmente útil solo alrededor o por debajo de 10 keV, ya que la resistencia es más delgada y la mayoría de los electrones se detienen en la resistencia o cerca de la capa conductora. Sin embargo, son de uso limitado debido a su alta resistencia laminar, lo que puede conducir a una conexión a tierra ineficaz.
El rango de electrones secundarios de baja energía (el componente más grande de la población de electrones libres en el sistema de sustrato de resistencia) que puede contribuir a la carga no es un número fijo, sino que puede variar de 0 a 50 nm (ver la sección Nuevas fronteras y litografía ultravioleta extrema ). Por lo tanto, la carga del sustrato resistivo no es repetible y es difícil de compensar de manera consistente. La carga negativa desvía el haz de electrones lejos del área cargada, mientras que la carga positiva desvía el haz de electrones hacia el área cargada.
Rendimiento de resistencia de haz de electrones
Debido a que la eficiencia de escisión generalmente es un orden de magnitud mayor que la eficiencia de reticulación, la mayoría de los polímeros utilizados para la litografía por haz de electrones de tonos positivos se reticularán (y por lo tanto se convertirán en tonos negativos) en dosis de un orden de magnitud que las dosis utilizadas para la exposición a tonos positivos. . [26] Es posible que se requieran aumentos de dosis tan grandes para evitar los efectos del ruido de los disparos. [27] [28] [29]
Un estudio realizado en el Laboratorio de Investigación Naval [30] indicó que los electrones de baja energía (10–50 eV) podían dañar películas de PMMA de ~ 30 nm de espesor. El daño se manifestó como una pérdida de material.
- Para la popular resistencia de haz de electrones ZEP-520, se encontró un límite de resolución de tono de 60 nm (líneas y espacios de 30 nm), independientemente del grosor y la energía del haz. [31]
- También se había demostrado una resolución de 20 nm usando un haz de electrones de 100 keV de 3 nm y una capa protectora de PMMA. [32] Los espacios no expuestos de 20 nm entre las líneas expuestas mostraron una exposición inadvertida por electrones secundarios.
- El silsesquioxano de hidrógeno (HSQ) es una resistencia de tono negativo que es capaz de formar líneas aisladas de 2 nm de ancho y matrices de puntos periódicos de 10 nm (paso de 10 nm) en capas muy delgadas. [33] El HSQ en sí mismo es similar al SiO 2 hidrogenado poroso . Puede usarse para grabar silicio pero no dióxido de silicio u otros dieléctricos similares.
En 2018, se desarrolló una resistencia de tiol-eno que presenta grupos superficiales reactivos nativos, lo que permite la funcionalización directa de la superficie de la capa protectora con biomoléculas. [34]
Nuevas fronteras
Para evitar la generación de electrones secundarios, será imperativo utilizar electrones de baja energía como radiación primaria para exponer la resistencia. Idealmente, estos electrones deberían tener energías del orden de no mucho más de varios eV para exponer la resistencia sin generar electrones secundarios, ya que no tendrán suficiente energía en exceso. Dicha exposición se ha demostrado utilizando un microscopio de efecto túnel como fuente de haz de electrones. [35] Los datos sugieren que los electrones con energías tan bajas como 12 eV pueden penetrar la resistencia polimérica de 50 nm de espesor. El inconveniente de utilizar electrones de baja energía es que es difícil evitar la propagación del haz de electrones en la resistencia. [36] Los sistemas ópticos de electrones de baja energía también son difíciles de diseñar para alta resolución. [37] La repulsión entre electrones de Coulomb siempre se vuelve más severa para energía de electrones más baja.
Otra alternativa en la litografía por haz de electrones es utilizar energías de electrones extremadamente altas (al menos 100 keV) para esencialmente "perforar" o bombardear el material. Este fenómeno se ha observado con frecuencia en microscopía electrónica de transmisión . [38] Sin embargo, este es un proceso muy ineficiente, debido a la transferencia ineficaz de la cantidad de movimiento del haz de electrones al material. Como resultado, es un proceso lento, que requiere tiempos de exposición mucho más largos que la litografía por haz de electrones convencional. Además, los rayos de alta energía siempre plantean la preocupación por el daño del sustrato.
La litografía de interferencia que usa haces de electrones es otro camino posible para modelar matrices con períodos de escala nanométrica. Una ventaja clave de usar electrones sobre fotones en interferometría es la longitud de onda mucho más corta para la misma energía.
A pesar de las diversas complejidades y sutilezas de la litografía por haz de electrones a diferentes energías, sigue siendo la forma más práctica de concentrar la mayor cantidad de energía en el área más pequeña.
Ha habido un interés significativo en el desarrollo de enfoques de múltiples haces de electrones para la litografía con el fin de aumentar el rendimiento. Este trabajo ha sido apoyado por SEMATECH y empresas emergentes como Multibeam Corporation , [39] Mapper [40] e IMS. [41] IMS Nanofabrication ha comercializado el escritor de máscaras multihaz y comenzó su implementación en 2016. [42]
Ver también
- Tecnología de haz de electrones
- Litografía por haz de iones
- Litografía sin máscara
- Fotolitografía
Referencias
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