Электронная литография. 
Наноэлектроника

Электронная литогафия является способом формирования заданного рельефа или топологии с помощью электронного луча. Известно, что длина электронной волны определяется соотношением де Бройля А, = h/mv, где h — постоянная Планка; т — масса электрона; v — скорость электрона.

В свою очередь скорость электрона зависит от ускоряющего напряжения U (v = [2qU/m]^x/2, здесь q — заряд электрона). Оценки дают значение длины волны электронов порядка 0,01 нм при ускоряющем потенциале.

20—50 кВ. При таком значении X разрешение может достичь теоретической величины, близкой к 0,1 нм. В научных исследованиях удавалось вытравливать линии шириной 1,3 нм при использовании луча диаметром 0,5 нм.

В настоящее время применяется два метода электронолитографии: проекционный — с использованием шаблонов и сканирующий — путем обработки электронного резиста сфокусированным электронным лучом. В обоих случаях процессы проводят в вакуумной камере.

При проекционной электронолитографии на электронорезист передается одновременно весь рисунок шаблона. В зависимости от значения коэффициента увеличения изображения эти системы подразделяются на проекционные с сохранением масштаба и проекционные с уменьшением изображения.

Среди недостатков установок с фотокатодами отметим снижение разрешающей способности вследствие рассеяния электронов в обратном направлении, а также нагрев резиста падающими на него электронами. Все это приводит к искажению изображения, газовыделению из резиста, загрязняющему катод. В резисте появляются пузырьки над метками совмещения, искажающие сигнал совмещения.

Степень нагрева резиста и подложки зависит от мгновенной мощности пучка, теплопроводности резиста и подложки. Для снижения дозы и уменьшения нагрева нужны чувствительные резисты (1 мкКл/см²). Тем не менее установки с фотокатодами являются высокопроизводительными, прецизионными и надежными установками для получения рисунков с субмикронными размерами. При втором методе электронолитографии экспонирование электронорезиста осуществляется сфокусированным сканирующим электронным лучом — прямое экспонирование (рис. 4.21). К любой литографической системе электронно-лучевого экспонирования предъявляются следующие принципиальные требования:

• 1) контроль критического размера;
• 2) точность совмещения;
• 3) эффективность затрат;
• 4) технологическая гибкость;
• 5) совместимость с другими экспонирующими системами.

Рис. 4.21. Схема сканирующей электронно-лучевой установки

Подложку, на которой необходимо сформировать топологию, помещают под электронный луч на столике с интерферометрическим контролем положения в плоскости XY. Фокусирование и сканирование электронного луча по обрабатываемой области достигается с помощью комбинации электростатических и электромагнитных линз и дефлекторов, управляемых посредством ЭВМ.

Существует несколько вариантов построения сканирующих установок электронно-лучевого экспонирования. В них могут использоваться круглый гауссов луч либо луч с сечением фиксированной или переменной прямоугольной формы в режиме растрового или векторного сканирования или в комбинированном растрово-векторном режиме, пошаговое либо непрерывное перемещение столика. Источником электронов служат вольфрамовая нить, эмиттер из гексаборида лантана, полевой эмиссионный катод (острие), простой либо составной источник. Коррекция эффектов близости, как правило, осуществляется варьированием дозы, размеров экспонируемых областей либо сочетанием того и другого. Ускоряющее напряжение составляет от 5 до 10 кэВ.

Главными элементами экспонирующей электронно-лучевой системы являются источник электронов, системы фокусировки и бланкирования луча, устройство контроля совмещения и отклонения, электромеханический стол и компьютерный интерфейс. Блок бланкирования электростатического или электронно-магнитного тина служит для «выключения» электронного луча путем отклонения его за пределы отверстия коллимирующей диафрагмы. Блок отклонения может быть электростатическим или электромагнитным, предпочтение обычно отдается последнему по причинам меньших аберраций и лучшей защищенности от влияния поверхностного заряда. Блок динамической фокусировки корректирует аберрации, вносимые отклонением луча от оптической оси. Система детектирования электронов сигнализирует об обнаружении меток совмещения и других деталей рельефа мишени. Прецизионный рабочий стол с механическим приводом обеспечивает перемещение подложки для обработки всей ее поверхности. Все операции осуществляются в вакуумной системе.

Экспонирование можно проводить двумя способами: растровым или векторным сканированием луча. При растровом сканировании луч перемещается построчно (как в телевизионном кинескопе) по всей области сканирования, называемой полем, включаясь только в тех местах, которые соответствуют элементам рисунка. В случае векторного сканирования, являющегося более производительным, электронный луч адресуется только в те места, которые соответствуют элементам рисунка, выключаясь на участках перехода от одного элемента к другому. Поле, в пределах которого можно с высокой точностью сформировать рисунок, имеет форму квадрата со стороной, не превышающей несколько миллиметров. Для получения рисунка на всей поверхности подложки подложку необходимо перемещать.

Существует два способа перемещения. При первом способе оно осуществляется в режиме мультиплицирования (пошагово), когда после завершения формирования рисунка в пределах одного ноля подложка перемещается в положение, соответствующее следующему полю (рис. 4.22, а). При втором способе подложка перемещается в непрерывном режиме, при этом элект;

Рис. 4.22. Способы сканирования электронным лучом:

а — пошаговое; б — непрерывное перемещение образца ронный луч, отклоняясь в направлении, перпендикулярном направлению движения подложки, выписывает на резисте полоску определенной ширины, прорисовывая встречающиеся на ней элементы.

Когда луч достигает края подложки, она смещается в перпендикулярном направлении с шагом, соответствующим ширине следующей полоски, после чего непрерывное движение подложки продолжается, но в направлении, противоположном первоначальному, и т. д. (рис. 4.22, б). Столик, на котором укреплена подложка, может перемещаться в двух взаимно перпендикулярных направлениях с высокой точностью. Система крепления столика обеспечивает высокую жесткость по отношению к двум взаимно перпендикулярным направлениям перемещения.

На предельное разрешение электронно-лучевых систем помимо факторов, отмеченных выше, влияют также форма сечения электронного луча, его энергия, взаимодействие электронов с материалом резиста и подложки и величина области простирания обратного рассеяния электронов, чувствительность резиста, электрон-электронное взаимодействие в самом луче.

Электронное облучение резиста вызывает образование или разрыв межмолекулярных связей. Падающие на пластину электроны рассеиваются по мере их проникновения в резист и расположенную под ним подложку до тех пор, пока не потеряют свою энергию или не покинут подложку в результате столкновений, приводящих к обратному рассеянию. Обратно рассеянные из подложки электроны могут продолжать экспонировать резист на некотором расстоянии от точки падения луча. При энергии луча 25 кэВ и диаметре 1 мкм полуширина области обратного рассеяния электронов составляет 5 мкм, а при энергии 50 кэВ достигает 15 мкм. Кроме того, падающие электроны, взаимодействуя с резистом, приводят к образованию вторичных электронов, также способных дополнительно экспонировать резист. Поскольку резист суммирует вклады энергии от всех окружающих областей, доза экспонирования, полученная одним фрагментом элемента, воздействует на процесс экспонирования соседних фрагментов и элементов. Другими словами, суммарная поглощенная резистом энергия зависит от близости соседних экспонируемых областей. Это явление называют эффектом близости.

Эффекты близости являются основной проблемой электронно-лучевой литографии. Они приводят к нежелательному экспонированию областей, в которые луч непосредственно не направлялся. Для уменьшения этого эффекта разработаны различные методы: коррекция дозой облучения, коррекция формой рисунка, использование многослойного резиста с барьерным слоем из металла и толщиной чувствительного слоя 0,1—0,2 мкм, использование высококонтрастных резистов и др.

Изображение, которое должно быть сформировано на подложке электронным лучом, состоит из штрихов {pixel). Штрих представляет собой элемент, имеющий минимальные ограниченные разрешающей способностью устройства экспонирования размеры. Минимально различимым топологическим рисунком является один экспонированный и один неэкспонированный штрих. Для формирования необходимого изображения некоторое минимальное суммарное число электронов N_min должно бомбардировать каждый экспонируемый штрих. При данной чувствительности резиста S минимальная величина N_min равна.

где 5 — чувствительность резиста, Кл/см²; L_/: — минимальный размер штриха, см; q — заряд электрона, Кл. Лимитирующая доза экспонирования в этом случае определяется выражением.

Эмиссия электронов с катода электронной пушки является случайным процессом, т. е. носит статистический характер, и число электронов, бомбардирующих данный элемент штриха в течение времени t, статистически переменно. Можно показать, что вследствие статистической природы явления электронной эмиссии минимальное число электронов N_min, необходимое для экспонирования штриха, ограничено снизу пределом допустимого дробового шума и составляет примерно 200 электронов. Для N_min = 200 уравнение будет иметь вид.

Это уравнение определяет основное соотношение между чувствительностью резиста и разрешением при предельно допустимом дробовом шуме: чем выше чувствительность резиста, тем лучшее разрешение можно получить.

Поскольку при уменьшении размеров экспонируемых областей ток луча из-за электрон-электронных взаимодействий приходится уменьшать, то может оказаться, что число электронов, попавших на элемент нанометрового изображения (штрих) при заданной чувствительности резиста, будет недостаточным для формирования этого изображения. Если на 1 см² падает 6 • 10¹¹ электронов, то в пятно размером (0,1 ХОД) мкм² попадет только 60 электронов с неопределенностью дробового шума. Разрешение, согласно статистике Пуассона есть простая функция дозы.

Чтобы достичь нанометрового разрешения, для малых элементов изображения требуется большая доза, чем соответствующая паспортной чувствительности резиста. При малых дозах (меньше 1 мкКл/см²) размер экспонированных пятен настолько мал, что резист не проявляется. Для изолированных линий недостает обратно рассеянных электронов, и для компенсации этого дефицита (внутреннего эффекта близости) требуется избыточная доза. Повышенные дозы, требуемые в нанолитографии, приводят к непомерно высокому времени экспонирования, если не использовать резисты, способные к усилению изображения, чувствительностью около 0,01 мкКл/см². Однако следует помнить, что в электронной оптике, рентгеновской технике и других областях существуют фундаментальные физические ограничения, в частности — на размер экспонируемой области, дозу, время облучения, рабочее поле и др., которые ставят предел на минимизацию этих параметров.

Фактически разрешение при электронно-лучевом экспонировании оценивается минимальной шириной линии a_min, полученной после проявления электронорезиста. Практически установлено, что экспонированная линия шириной b после проявления уширяется примерно на толщину слоя резиста h, т. е. a_min ~ b + И. Уменьшению толщины резиста препятствует снижение стойкости защитной маски при последующем травлении. В связи с этим в электронолитографии возрастают требования к качеству выполнения процессов нанесения резиста и плазменного травления.