Litografía electrónica

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La litografía electrónica o litografía por haz de electrones es un método de nanolitografía que utiliza un haz de electrones .

Principio del método

Un haz de electrones, enfocado nítidamente con la ayuda de lentes magnéticas en la superficie de una capa de polímero ( resist ), sensible a la irradiación de electrones, dibuja una imagen sobre ella, que se detecta después de que la resistencia se haya procesado en el revelador. El tratamiento con haz de electrones de la resistencia cambia el grado de solubilidad del polímero en el solvente (revelador). Las áreas de la superficie con una imagen grabada en ellas se limpian de la resistencia usando un revelador. La deposición al vacío de un material adecuado, como el titanio o el nitruro metálico , o el grabado iónico se lleva a cabo a través de las ventanas resultantes en la película resistente . En la última etapa del proceso tecnológico, la resistencia no expuesta a la radiación también se lava con otro solvente. El movimiento del haz de electrones sobre la superficie se lleva a cabo con la ayuda de una computadora cambiando las corrientes en los sistemas magnéticos deflectores. En algunos dispositivos, esto cambia la forma y el tamaño del punto del haz de electrones. El resultado de un proceso tecnológico de múltiples etapas es una máscara de fotomáscara para usar en fotolitografía y otros procesos nanotecnológicos, por ejemplo, en la tecnología de grabado de iones reactivos .

La litografía electrónica permite, en el nivel actual de desarrollo tecnológico en configuraciones experimentales de registro, obtener estructuras con una resolución de menos de 1 nm , lo que es inalcanzable para la radiación ultravioleta fuerte, debido a la longitud de onda más corta de los electrones de De Broglie en comparación con la luz [1 ] (ver Mecánica ondulatoria ).

La litografía electrónica es el principal método para obtener máscaras para su uso en la fotolitografía posterior en la producción de microcircuitos monolíticos [2] [3] (incluidas las máscaras para la fotolitografía de proyección en la producción en masa de microcircuitos ultragrandes ).

Una forma alternativa de crear máscaras es la tecnología láser [4] , pero esta tecnología tiene una resolución más baja [5] .

Además, la litografía electrónica, de baja productividad, se utiliza en la producción de copias únicas de componentes electrónicos, en los casos en que se requiere resolución nanométrica, en la industria y en la investigación científica.

Resolución en litografía electrónica

La resolución de los detalles del patrón durante el registro se ve afectada tanto por el tamaño del haz de electrones como por los procesos de interacción del haz de electrones con la resistencia. [6]

Tamaño del haz de electrones

Varios factores influyen en el diámetro del haz de electrones : el tamaño de la fuente de electrones y el factor de escala del sistema de enfoque de electrones . Estos parámetros están interconectados por la fórmula: ${\ estilo de visualización d_ {g}}$ ${\ Displaystyle d_ {v}}$ ${\ estilo de visualización M ^ {-1}}$

{\displaystyle d_{q}=d_{v}/M^{-1))

La longitud de onda del electrón depende del potencial de aceleración y es igual a nm. Para una tensión de aceleración de 10 kV, la longitud de onda del electrón es de 12,2 pm y, en consecuencia, la resolución del sistema, limitada por la difracción, es: $L$ $V_{b}$ $L=1,2/V_{b}^{1/2}$

d_{d}=0.6L/a

donde es la mitad del ángulo de enfoque del haz. $a$

En los sistemas reales, las lentes magnéticas tienen aberraciones esféricas y cromáticas . La aberración esférica surge debido a las diferentes distancias focales de los electrones que se mueven a lo largo del eje y en la periferia del haz. La dispersión de las velocidades de los electrones en el haz conduce a la aberración cromática: los electrones con diferentes velocidades iniciales se enfocan a diferentes distancias. $d_{s}$ ${\ estilo de visualización d_ {c}}$

Para reducir la aberración esférica, se usa una limitación de apertura del haz: diafragmas que cortan los electrones periféricos. Pero cuando el rayo tiene diafragma, su corriente disminuye.

Así, la resolución determinada por las propiedades del haz de electrones tiene la forma:

{\displaystyle d=(d_{g}^{2}+d_{s}^{2}+d_{c}^{2}+d_{d}^{2})^{1/2))

La figura muestra la dependencia del tamaño del haz con el ángulo de enfoque, teniendo en cuenta todos los tipos de distorsión del tamaño del haz.

Deterioro de la resolución debido a procesos no lineales en la interacción de un haz de electrones con una resistencia

La resolución final de la litografía electrónica está determinada no solo por el diámetro del haz enfocado, sino también por la naturaleza de su interacción con la capa protectora. La colisión de electrones del haz de electrones primario de alta energía (línea roja) con los átomos del material de resistencia genera en él una avalancha amortiguada de electrones secundarios eliminados (líneas azules), los electrones secundarios parásitos "iluminan" la resistencia. Como resultado, el punto expuesto en la película protectora resulta ser varias veces más grande en tamaño en relación con el diámetro del haz de electrones.

Para reducir la energía de la avalancha de electrones secundarios y, en consecuencia, reducir el tamaño del punto de exposición, es necesario reducir la energía del haz de electrones, es decir, reducir el voltaje de aceleración del cañón de electrones . Sin embargo, a medida que disminuye el voltaje de aceleración, empeora el enfoque del haz. Por lo tanto, prácticamente se elige un valor de compromiso del voltaje de aceleración para proporcionar la mejor resolución para el espesor aplicado de la capa de resistencia y sus propiedades.

Principios para escribir un patrón en una muestra [7]

En la actualidad (2015), se registra una imagen latente en una película protectora sobre la superficie de la muestra mediante tres métodos posibles:

forma de trama;
forma vectorial;
grabación por un haz de electrones con un tamaño y forma variable de un punto enfocado.

notación ráster

Este tipo de grabación es similar a la lectura (grabación) de una imagen en la pantalla de un televisor, donde el haz de electrones recorre secuencialmente (línea por línea) cada punto de la pantalla. En lugares donde es necesario, el haz expone la resistencia, en otros puntos el haz de electrones se bloquea bloqueando el cañón de electrones, aunque el escaneo (cambio de corriente en el sistema de deflexión) continúa.

Entrada vectorial

El haz de electrones se aplica solo a aquellos lugares donde la exposición es necesaria y no se alimenta a lugares que no están sujetos a exposición. Por lo tanto, todo el proceso de exposición se lleva a cabo mucho más rápido que con un método de grabación raster.

Grabación de haz de electrones con tamaño y forma de haz de electrones variables

En este caso, la grabación se produce con un “gran golpe”, en la terminología de los artistas. Dado que cualquier imagen se puede dibujar utilizando rectángulos, no es necesario rasterizar la imagen en píxeles elementales , basta con cambiar la forma y el tamaño del haz enfocado, de un rectángulo pequeño a uno grande. La grabación en este caso es aún más rápida que en el método vectorial.

Sistemas para litografía electrónica

Los sistemas de litografía electrónica para aplicaciones comerciales cuestan alrededor de 4 millones de dólares o más. Para la investigación científica, generalmente se usa un microscopio electrónico , convertido en un sistema de litografía electrónica usando dispositivos adicionales relativamente baratos (el costo total de tal instalación es < $100,000). Estos sistemas modificados han podido dibujar líneas con un ancho de aproximadamente 20 nm desde la década de 1990. Mientras tanto, modernos equipos especializados permitirán obtener una resolución superior a 10 nm.

Productores

La litografía electrónica se usa para crear máscaras para fotolitografía ( fotomáscaras ), tradicionalmente usando sistemas de un solo haz de electrones. Sistemas similares fueron producidos por empresas: Applied Materials, Leica, Hitachi, Toshiba, JEOL , Etec [8] [9] [10] .

Desde mediados de la década de 2010, varios fabricantes de máquinas de litografía electrónica han estado ofreciendo sistemas de fotomáscaras multihaz para la producción de microcircuitos monolíticos [11] , mientras que los fabricantes también los reclaman como máquinas para la escritura directa de patrones en sustratos grandes (litografía sin máscara), como tienen una alta productividad, en comparación con las instalaciones de un solo haz, y por lo tanto pueden competir con el método fotolitográfico tradicional en la producción de pequeños lotes de microcircuitos [12] :

Litografía Mapper (Países Bajos)
IMS Nanofabrication AG (Viena, Austria)
KLA Tencor Corp. (Milpitas, California) - Tecnología de litografía por haz de electrones reflectante (REBL)
Elionix, Japón

Como ejemplo, la tabla muestra las características de la configuración de Elionix ELS-F125 [13] (parámetros de configuración típicos con un haz):

Fuente de electrones - cátodo de cañón de electrones	ZrO 2 / W - elemento calefactor
Diámetro del haz de electrones en el ancho de media intensidad.	1,7 nm a 125 kV
Ancho de línea mínimo	alrededor de 5 nm a 125 kV
Corriente de haz de electrones	5 pA...100 nA
tensión de aceleración	125 kV, 100 kV, 50 kV, 25 kV
Tamaño del área grabable	3000 µm x 3000 µm (máximo), 100 µm x 100 µm (mínimo)
Precisión de posicionamiento del haz	0,01 nanómetro
Tamaño de plaquita máx.	20 cm (placas de 200 mm y máscaras de 200 mm)

Véase también

Literatura

Abroyan I. A., Andronov A. N., Titov A. I. Fundamentos físicos de la tecnología electrónica e iónica. - M. : Escuela Superior, 1984. - 320 p.

Tecnología de haces de electrones en la fabricación de dispositivos microelectrónicos / Brewer J.R. - M. : Radio and communication, 1984. - 336 p.
Valiev K. A. Microelectrónica: logros y formas de desarrollo / Valiev K. A. - M . : Nauka, 1986. - 141 p.

Valiev, KA; Rakov, AV Fundamentos físicos de la litografía submicrónica en microelectrónica. - M. : Nauka, 1984. - 352 p.

Popov VF, Gorin Yu. N. Procesos e instalaciones de tecnología de iones de electrones. - M. : Superior. escuela, 1988. - 255 p. — ISBN 5-06-001480-0 .

Vinogradov M.I., Maishev Yu.P. Procesos de vacío y equipos para tecnología de haz de iones y electrones. - M. : Mashinostroenie, 1989. - 56 p. - ISBN 5-217-00726-5 .

Notas

↑ McCord, MA; MJ Rooks. 2 // Manual SPIE de Microlitografía, Micromecanizado y Microfabricación . — 2000.
↑ Principios de litografía, tercera edición, SPIE Press, 2011 ISBN 978-0-8194-8324-9 7.4 Litografía por haz de electrones y escritores de máscaras "Durante dos décadas, los sistemas MEBES fueron los principales escritores de haz utilizados para fabricar fotomáscaras"
↑ Syed Rizvi , Handbook of Photomask Manufacturing Technology (enlace no disponible) , Taylor & Francis, 2005, ISBN 978-0-8247-5374-0 . Sergey Babin 3. Escritores de máscaras: una descripción general, 3.1 Introducción. "Durante décadas, las características únicas de los sistemas EBL (control de computadora fácilmente programable, alta precisión y rendimiento relativamente alto) han posicionado a estos sistemas como las principales herramientas para fabricar máscaras críticas".
↑ Manual de fabricación de semiconductores de Hwaiyu Geng . ISBN 978-0-07-146965-4 , Manuales de McGraw-Hill 2005, doi: 10.1036/0071445595 . Sección 8.2.2 Generación de patrones ( Charles Howard , DuPont) "La otra alternativa de generación de patrones es un sistema basado en láser"
↑ Peter Buck (DuPont Photomasks), Litografía óptica: ¿El futuro de la fabricación de máscaras? (enlace no disponible) , Microlithography World volumen 11 número 3, PennWell Publishing, agosto de 2002 (pág. 22): “Los sistemas de litografía de máscara óptica tienen una resolución restringida, al igual que los motores paso a paso de obleas, a aproximadamente 3/4 de la longitud de onda de exposición. En consecuencia, no exhiben la resolución <100nm posible para los sistemas VSB/litografía electrónica/”.
↑ SPIE Handbook of Microlithography, Micromachining and Microfabrication Volume 1: Microlithography, http://www.cnf.cornell.edu/cnf_spie2.html#2.2.6
↑ Syed Rizvi , Handbook of Photomask Manufacturing Technology (enlace no disponible) , Taylor & Francis, 2005, ISBN 978-0-8247-5374-0 . 3.3 Sistemas de escaneo vectorial, páginas 60 −61
↑ Estandarización del formato de datos de máscara Archivado el 22 de diciembre de 2015 en Wayback Machine / DuPont Photomasks, 2001
↑ Mezclas aplicadas para contener plomo en herramientas de fotomáscara de haz de electrones / EETimes, 2001-07-27
↑ Manual SPIE de microlitografía, micromecanizado y microfabricación. Volumen 1: Microlitografía Archivado el 22 de diciembre de 2015 en Wayback Machine Capítulo 2, Litografía de haz E
↑ http://semiengineering.com/5-disruptive-mask-technologies/ "En 2015, los proveedores de fotomáscaras podrían comenzar a hacer una transición gradual de herramientas de haz electrónico de haz único a una nueva clase de escritores de máscaras de haz múltiple".
↑ Peter Clarke . TSMC configurado para recibir la máquina litográfica Matrix 13,000 e-beam (inglés) , EETimes (17 de febrero de 2012). Consultado el 10 de enero de 2014. “Hay al menos tres proveedores potenciales de la tecnología de haz de electrones sin máscara: IMS Nanofabrication AG (Viena, Austria), KLA-Tencor Corp. (Milpitas, Calif.) con su sistema de litografía por haz de electrones reflectante (REBL) y litografía Mapper”.
↑ Litografía por haz de electrones (EBL) | ELS-F125 | ELIONIX (enlace no disponible) . Fecha de acceso: 20 de diciembre de 2015. Archivado desde el original el 6 de febrero de 2016. (indefinido)

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