Litografía por haz de electrones

litografía por haz de electrones (a menudo abreviada como litografía por haz de electrones o EBL) es la práctica de escanear un haz de electrones enfocado para dibuje formas personalizadas en una superficie cubierta con una película sensible a los electrones llamada resistencia (exposición). El haz de electrones cambia la solubilidad de la resistencia, lo que permite la eliminación selectiva de las regiones expuestas o no expuestas de la resistencia sumergiéndola en un disolvente (revelado). El propósito, al igual que con la fotolitografía, es crear estructuras muy pequeñas en la resistencia que posteriormente puedan transferirse 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 pero 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 de escritura por haz de electrones dedicados 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 (< USD 100.000). Estos sistemas convertidos han producido anchos de línea de ~20 nm desde al menos 1990, mientras que los sistemas dedicados actuales han producido anchos de línea del orden de 10 nm o menos.

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 utilizaban haces de forma gaussiana que escaneaban estos haces en forma de trama. Los sistemas más nuevos utilizan haces perfilados que pueden desviarse a varias posiciones en el campo de escritura (también conocido como escaneo vectorial).

Fuentes de electrones

Los sistemas de baja resolución pueden utilizar fuentes termiónicas (cathode), que generalmente se forman a partir de hexaboruro de lantano. Sin embargo, los sistemas con requisitos de mayor resolución necesitan utilizar fuentes de emisión de electrones de campo, como W/ZrO calentado₂ para una menor propagación de energía y un mayor brillo. Las fuentes termales de emisión de campo se prefieren sobre las fuentes de emisiones frías, a pesar del tamaño del haz ligeramente mayor del anterior, porque ofrecen una mejor estabilidad en los tiempos de escritura típicos de varias horas.

Lentes

Se pueden utilizar lentes tanto electrostáticas como magnéticas. Sin embargo, las lentes electrostáticas tienen más aberraciones y por eso no se utilizan para un enfoque preciso. Actualmente no existe ningún mecanismo para fabricar lentes acromáticas con haz de electrones, por lo que se necesitan dispersiones extremadamente estrechas de la energía del haz de electrones para lograr un enfoque más fino.

Etapa, costura y alineación

Típicamente, para deflecciones de haz muy pequeñas, se utilizan "lentes" de deflexión electrostática; deflecciones de haz más grandes requieren escaneo electromagnético. Debido a la inexactitud y debido al número finito de pasos en la cuadrícula de exposición, el campo de escritura es del orden de 100 micrometros – 1 mm. Los patrones más grandes requieren movimientos de escenario. Una etapa exacta es crítica para coser (alinear campos de escritura exactamente uno contra el otro) y sobreponer el patrón (alinear un patrón a uno previamente hecho).

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:

${displaystyle Dcdot A=Tcdot Yo...$

Donde ${displaystyle T}$ es el momento de exponer el objeto (puede dividirse en tiempo de exposición / tamaño del paso), ${displaystyle I}$ es la corriente de haz, ${displaystyle D}$ es la dosis y ${displaystyle A}$ es el área expuesta.

Por ejemplo, asumiendo un área de exposición de 1 cm², una dosis de 10⁻³ coulombs/cm², y una corriente de viga de 10⁻⁹ amperes, el tiempo mínimo de escritura resultante sería 10⁶ segundos (unos 12 días). Este tiempo mínimo de escritura no incluye tiempo para que la etapa se mueva de ida y vuelta, así como tiempo para que la viga esté en blanco (bloqueada de la ola durante la deflexión), así como tiempo para otras posibles correcciones de vigas y ajustes en medio de la escritura. Para cubrir los 700 cm² superficie de una olla de silicio de 300 mm, el tiempo mínimo de escritura se extendería a 7*10⁸ segundos, unos 22 años. Este es un factor de alrededor de 10 millones de veces más lento que las actuales herramientas de litografía óptica. Está claro que el rendimiento es una limitación seria para la litografía de haz de electrones, especialmente cuando se escriben patrones densos sobre un área grande.

La litografía de haz electrónico no es adecuada para la fabricación de alto volumen debido a su limitado rendimiento. El campo más pequeño de la escritura del haz de electrones hace que la generación del patrón sea muy lenta en comparación con la fotolitografía (el estándar actual) porque hay que analizar más campos de exposición para formar el área del patrón final (≤mm² para el rayo electron vs. ≥40 mm² para un escáner de proyección de máscara óptica). El escenario se mueve entre los escaneos de campo. El campo del haz de electrones es lo suficientemente pequeño como para que se necesite un movimiento de rasterización o de etapa serpentina para modelar un área de 26 mm X 33 mm, por ejemplo, mientras que en un escáner de fotolitografía sólo se necesitaría un movimiento unidimensional de un campo de corte de 26 mm X 2 mm.

Actualmente una herramienta de litografía óptica sin máscaras es mucho más rápida que una herramienta de haz de electrones utilizada en la misma resolución para el modelado de fotomasco.

Ruido de disparo

A medida que el tamaño de las características se reduce, el número de electrones incidentes en dosis fijas también se reduce. Tan pronto como el número llega a ~10.000, los efectos del ruido de disparo se vuelven predominantes, lo que lleva a una variación natural sustancial de la dosis dentro de una gran población de características. Con cada nodo de proceso sucesivo, a medida que el área característica 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.

Nota: 1 ppm de población es aproximadamente 5 desviaciones estándar de la dosis media.

Ref.: SPIE Proc. 8683-36 (2013)

El ruido del disparo es una consideración importante incluso para la fabricación de mascarillas. Por ejemplo, una máscara comercial resistente al haz de electrones como FEP-171 usaría dosis inferiores a 10 μC/cm², mientras que esto genera un ruido de disparo notable para un CD objetivo incluso del orden de ~200 nm en la máscara. La variación del CD puede ser del orden del 15 al 20 % para funciones de menos de 20 nm.

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 supresión o errores de deflexión ocurren cuando el haz de electrones no se desvía adecuadamente cuando se supone que debe hacerlo, mientras que los errores de conformación ocurren en sistemas de haces de forma variable. cuando se proyecta una forma incorrecta sobre la muestra. Estos errores pueden originarse en el hardware de control óptico electrónico o en los datos de entrada grabados. 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 la muestra (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, los procesos "que ocurren aleatoriamente" Es más probable que se produzcan defectos. Una vez más, los archivos de datos más grandes pueden presentar más oportunidades de defectos.

Los defectos de la fotomáscara se originan en gran medida durante la litografía por haz de electrones utilizada para la definición del patrón.

Deposición de energía de electrones en la materia

Los electrones primarios en el rayo incidente pierden energía al entrar en un material a través de dispersión inelástica o colisiones con otros electrones. En tal colisión se puede expresar la transferencia de impulso del electron incidente a un electron atómico como ${displaystyle dp=2e^{2}/bv}$, donde b es la distancia de acercamiento más cercano entre los electrones, y v es la velocidad de electrones del incidente. La energía transferida por la colisión es dada por ${displaystyle T=(dp)}{2}/2m=e^{4}/Eb^{2}$, donde m es la masa de electrones y E es la energía de electrones incidente, dada por ${displaystyle E=(1/2)mv^{2}$. Integrando todos los valores T entre la energía vinculante más baja, E₀ y la energía del incidente, se obtiene el resultado de que la sección transversal total para la colisión es inversamente proporcional a la energía del incidente ${displaystyle E}$y proporcional a 1/E₀ – 1/E. Generalmente, E, titulado E₀, por lo que el resultado es esencialmente inversamente proporcional a la energía vinculante.

Utilizando el mismo enfoque de integración, pero en el rango 2E₀ a E, se obtiene comparando secciones transversales que la mitad de las colisiones inelásticas de los electrones incidentes producen electrones con energía cinética mayor que E₀. Estos electrones secundarios son capaces de romper enlaces (con energía de enlace E₀) a cierta distancia de la colisión original. Además, pueden generar electrones adicionales de menor energía, lo que da como resultado una cascada de electrones. Por 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:

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. Por otro lado, ya se sabe que el camino libre medio en las energías más bajas (pocos a varios eV o menos, donde la unión disociativa es significativa) está muy por encima de los 10 nm, lo que limita la capacidad de lograr una resolución consistente a esta escala.

Capacidad de resolución

Con la óptica electrónica actual, los anchos de los haces de electrones pueden reducirse habitualmente a unos pocos nanómetros. Esto está limitado principalmente por las aberraciones y la carga espacial. Sin embargo, el límite de resolución de la característica no está determinado por el tamaño del haz sino por la dispersión directa (o ensanchamiento efectivo del haz) en la resistencia, mientras que el límite de resolución del paso está determinado por el viaje del electrón secundario en la resistencia. Este punto quedó claro en una demostración realizada en 2007 de patrones dobles utilizando litografía por haz de electrones en la fabricación de placas de zona de medio paso de 15 nm. Aunque se resolvió una característica de 15 nm, todavía era difícil lograr un paso de 30 nm debido a la dispersión de electrones secundarios de la característica adyacente. El uso de patrones dobles permitió que el espacio entre las características fuera lo suficientemente amplio como para reducir significativamente la dispersión de electrones secundarios.

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 larga (son posibles varios nm). Esto se debe a 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, el salto de polarón puede extenderse hasta 20 nm. La distancia recorrida por 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 su punto máximo muy por debajo de los 10 eV. Por lo tanto, el límite de resolución no suele citarse como un número bien fijo como ocurre con un sistema óptico limitado por difracción. La repetibilidad y el control en el límite de resolución práctico a menudo requieren consideraciones no relacionadas con la formación de imágenes, por ejemplo, resistencia al desarrollo y fuerzas intermoleculares.

Un estudio realizado por la Facultad de Ciencias e Ingeniería a Nanoescala (CNSE) presentado en el Taller EUVL de 2013 indicó que, como medida del desenfoque electrónico, electrones de 50 a 100 eV penetraron fácilmente más allá de 10 nm de espesor de resistencia en PMMA o un material comercial. resistir. Además, es posible una descarga por rotura dieléctrica. 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 con haz de electrones de medio paso por debajo de 20 nm ya requería un doble patrón.

A partir de 2022, un escritor multihaz de electrones de última generación alcanzará una resolución de aproximadamente 20 nm.

Dispersión

Además de producir electrones secundarios, los electrones primarios del haz incidente con suficiente energía para penetrar la resistencia pueden dispersarse múltiples veces a grandes distancias desde las películas subyacentes y/o el sustrato. Esto conduce a la exposición de áreas que se encuentran 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 superiores a 90 grados, es decir, ya no avanzan más dentro de la resistencia. Estos electrones se denominan electrones retrodispersados y tienen el mismo efecto que las llamaradas de largo alcance en los sistemas de proyección óptica. Una dosis suficientemente grande de electrones retrodispersados puede provocar una exposición completa de la resistencia en un área mucho mayor 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 bajar de líneas y espacios por debajo de 25 nm, y se ha encontrado un límite de líneas y espacios de 20 nm. En realidad, sin embargo, el rango de dispersión de electrones secundarios es bastante amplio: a veces supera los 100 nm, pero se vuelve muy significativo por debajo de los 30 nm.

El efecto de proximidad también se manifiesta cuando los electrones secundarios abandonan la superficie superior de la resistencia y luego regresan a unas decenas de nanómetros de distancia.

Los efectos de proximidad (debidos 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 deseada. dosis D(x,y) cuando está convolucionada 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 (por ejemplo, por el ruido del disparo) haría 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 haz de alta energía que incide sobre una oblea de silicio, prácticamente todos los electrones se detienen en la oblea, donde pueden seguir un camino hasta tierra. Sin embargo, para un sustrato de cuarzo, como una fotomáscara, los electrones incrustados tardarán mucho más en llegar a tierra. A menudo, la carga negativa adquirida por un sustrato puede ser compensada o incluso superada por una carga positiva en la superficie debido a la emisión secundaria de electrones al vacío. La presencia de una capa conductora delgada encima o debajo de la resistencia generalmente tiene un 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 generalmente es útil solo alrededor de 10 keV o menos, 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, su uso es limitado debido a la alta resistencia de sus láminas, lo que puede provocar 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 resistente) que puede contribuir a la carga no es un número fijo, sino que puede variar desde 0 hasta 50 nm (ver apartado Nuevas fronteras y litografía ultravioleta extrema). Por lo tanto, la carga del sustrato resistente 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 al 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 con haz de electrones de tono positivo también se reticularán (y por lo tanto se volverán de tono negativo) en dosis de un orden de magnitud mayor que la eficiencia de escisión. dosis utilizadas para provocar la escisión del polímero para exposición al tono positivo. En el PMMA, exposición de electrones a más de 1000 μC/cm², la curva de gradación corresponde a la curva de un proceso positivo "normal". Por encima de 2000 μC/cm², prevalece el proceso de reticulación recombinante, y a aproximadamente 7000 μC/cm² la capa está completamente reticulada, lo que hace que la capa sea más insoluble que la capa inicial no expuesta. Si se deben utilizar estructuras de PMMA negativas, se necesita un revelador más fuerte que el del proceso positivo. Es posible que sean necesarios aumentos de dosis tan grandes para evitar los efectos del ruido del disparo.

Un estudio realizado en el Laboratorio de Investigación Naval indicó que los electrones de baja energía (10-50 eV) podían dañar películas de PMMA de ~30 nm de espesor. Los daños se manifestaron como pérdida de material.

• Para el popular electron-beam resist ZEP-520, se encontró un límite de resolución de 60 nm (30 nm líneas y espacios), independiente del espesor y la energía del haz.
• También se había demostrado una resolución de 20 nm utilizando un haz de electrones de 3 nm 100 keV y una resistencia PMMA. 20 nm brechas no expuestas entre líneas expuestas mostraron una exposición involuntaria por electrones secundarios.
• Hidrogen silsesquioxane (HSQ) es una resistencia negativa al tono que es capaz de formar líneas aisladas de 2 nm de ancho y 10 nm matrizs periódicas de puntos (10 nm pitch) en capas muy finas. HSQ en sí es similar a SiO poroso e hidrógeno₂. Puede ser utilizado para el silicio etch pero no dióxido de silicio u otras dielectrices similares.

En 2018 se desarrolló una resistencia tiol-ene que cuenta con grupos de superficie reactiva nativa, lo que permite la funcionalización directa de la superficie resistida con biomolecules.

Nuevas fronteras

Para acercarse a la generación secundaria de electrones, será imprescindible utilizar electrones de baja energía como la radiación primaria para exponer resistencia. Idealmente, estos electrones deben tener energías en el orden de no mucho más que varios eV para exponer la resistencia sin generar electrones secundarios, ya que no tendrán suficiente exceso de energía. Tal exposición se ha demostrado utilizando un microscopio de túneles de escaneo como la fuente del haz de electrones. Los datos sugieren que los electrones con energías tan bajas como 12 eV pueden penetrar 50 nm de espesor de polímero resisten. El inconveniente de usar electrones de baja energía es que es difícil prevenir la propagación del haz de electrones en la resistencia. Los sistemas ópticos de electrones de baja energía también son difíciles de diseñar para alta resolución. La repulsión interelectrónica de Coulomb siempre se vuelve más severa para la energía de electrones más baja.

Otra alternativa en la litografía por haz de electrones es utilizar energías electrónicas extremadamente altas (al menos 100 keV) para esencialmente "perforar" el material. o chisporrotear el material. Este fenómeno se ha observado frecuentemente en microscopía electrónica de transmisión. Sin embargo, este es un proceso muy ineficiente debido a la ineficiente transferencia de impulso 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 de dañar el sustrato.

La litografía de interferencia que utiliza haces de electrones es otro camino posible para modelar matrices con períodos de escala nanométrica. Una ventaja clave de utilizar 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 de haz de electrones en diferentes energías, sigue siendo la forma más práctica de concentrar la energía más pequeña.

Ha habido un gran interés en el desarrollo de enfoques de litografía con múltiples haces de electrones para aumentar el rendimiento. Este trabajo ha contado con el apoyo de SEMATECH y empresas de nueva creación como Multibeam Corporation, Mapper e IMS. IMS Nanofabrication comercializó el escritor de máscaras multihaz y comenzó su implementación en 2016.