Litografia de feixe de elétrons - Electron-beam lithography

Um exemplo de configuração de litografia de feixe de elétrons

Litografia de feixe de elétrons (freqüentemente abreviada como litografia de feixe eletrônico , EBL ) é a prática de escanear um feixe de elétrons focalizado para desenhar formas personalizadas em uma superfície coberta com um filme sensível a elétrons chamado de resist (exposição). O feixe de elétrons altera a solubilidade da máscara, permitindo a remoção seletiva das regiões expostas ou não expostas da máscara, imergindo-a em um solvente (revelação). O objetivo, como acontece com a fotolitografia , é criar estruturas muito pequenas na resistência que podem ser posteriormente transferidas para o material do substrato, geralmente por corrosão.

A principal vantagem da litografia por feixe de elétrons é que ela pode desenhar padrões personalizados (gravação direta) com resolução abaixo de 10 nm . Essa forma de litografia sem máscara tem alta resolução e baixo rendimento, limitando seu uso à fabricação de fotomáscaras , produção de baixo volume de dispositivos semicondutores e pesquisa e desenvolvimento .

Sistemas

Os sistemas de litografia de feixe de elétrons usados em aplicações comerciais são sistemas de gravação de feixe eletrônico dedicados que são muito caros (> US $ 1 milhão). Para aplicações de pesquisa, é muito comum converter um microscópio eletrônico em um sistema de litografia por feixe de elétrons usando acessórios de custo relativamente baixo (<US $ 100K). Esses sistemas convertidos produziram larguras de linha de ~ 20 nm desde pelo menos 1990, enquanto os sistemas dedicados atuais produziram larguras de linha da ordem de 10 nm ou menores.

Os sistemas de litografia por feixe de elétrons podem ser classificados de acordo com a forma do feixe e a estratégia de deflexão do feixe. Os sistemas mais antigos usavam feixes em forma de Gauss e escaneavam esses feixes de forma raster. Os sistemas mais novos usam feixes modelados, que podem ser desviados para várias posições no campo de escrita (isso também é conhecido como varredura vetorial ).

Fontes de elétrons

Os sistemas de resolução mais baixa podem usar fontes termiônicas , que geralmente são formadas de hexaboreto de lantânio . No entanto, os sistemas com requisitos de resolução mais alta precisam usar fontes de emissão de elétrons de campo , como W / ZrO ₂ aquecido para menor difusão de energia e brilho aprimorado. As fontes de emissão de campo térmico são preferidas às fontes de emissão de frio, apesar do tamanho do feixe um pouco maior, porque oferecem melhor estabilidade em relação aos tempos de gravação típicos de várias horas.

Lentes

Podem ser usadas lentes eletrostáticas e magnéticas. No entanto, as lentes eletrostáticas têm mais aberrações e, portanto, não são usadas para um foco preciso. Atualmente não há nenhum mecanismo para fazer lentes acromáticas de feixe de elétrons, portanto, dispersões extremamente estreitas da energia do feixe de elétrons são necessárias para uma focalização mais precisa.

Palco, costura e alinhamento

Costura de campo. A costura é uma preocupação para recursos críticos que cruzam os limites de um campo (linha pontilhada vermelha).

Normalmente, para deflexões de feixe muito pequenas, "lentes" de deflexão eletrostática são usadas, deflexões de feixe maiores requerem varredura eletromagnética. Devido à imprecisão e ao número finito de passos na grade de exposição, o campo de escrita é da ordem de 100 micrômetros - 1 mm. Padrões maiores requerem movimentos de palco. Um estágio preciso é crítico para a costura (lado a lado os campos de escrita exatamente uns contra os outros) e sobreposição de padrão (alinhando um padrão a outro feito anteriormente).

Tempo de gravação do feixe de elétrons

O tempo mínimo para expor uma determinada área para uma determinada dose é dado pela seguinte fórmula:

{\ displaystyle D \ cdot A = T \ cdot I \,}

onde é o tempo de exposição do objeto (pode ser dividido em tempo de exposição / tamanho do passo), é a corrente do feixe, é a dose e é a área exposta. ${\ displaystyle T}$ ${\ displaystyle I}$ ${\ displaystyle D}$ ${\ displaystyle A}$

Por exemplo, assumindo uma área de exposição de 1 cm ² , uma dose de 10 ⁻³ coulombs / cm ² e uma corrente de feixe de 10 ⁻⁹ amperes, o tempo mínimo de gravação resultante seria de 10 ⁶ segundos (cerca de 12 dias). Este tempo mínimo de gravação não inclui o tempo para o estágio se mover para frente e para trás, bem como o tempo para o feixe ser apagado (bloqueado do wafer durante a deflexão), bem como o tempo para outras possíveis correções e ajustes do feixe no meio da escrita. Para cobrir a área de superfície de 700 cm ² de uma pastilha de silício de 300 mm, o tempo mínimo de gravação se estenderia a 7 * ¹⁰⁸ segundos, cerca de 22 anos. Este é um fator cerca de 10 milhões de vezes mais lento do que as ferramentas de litografia óptica atuais. É claro que a taxa de transferência é uma limitação séria para litografia de feixe de elétrons, especialmente ao gravar padrões densos em uma grande área.

A litografia de feixe E não é adequada para manufatura de alto volume devido ao seu rendimento limitado. O campo menor de gravação do feixe de elétrons torna a geração de padrões muito lenta em comparação com a fotolitografia (o padrão atual) porque mais campos de exposição devem ser digitalizados para formar a área do padrão final (≤mm ² para feixe de elétrons vs. ≥40 mm ² para um óptico scanner de projeção de máscara). O palco se move entre as varreduras de campo. O campo de feixe de elétrons é pequeno o suficiente para que um movimento de estágio de varredura ou serpentina seja necessário para padronizar uma área de 26 mm X 33 mm, por exemplo, enquanto em um scanner de fotolitografia apenas um movimento unidimensional de um campo de fenda de 26 mm X 2 mm seria obrigatório.

Atualmente, uma ferramenta de litografia sem máscara óptica é muito mais rápida do que uma ferramenta de feixe de elétrons usada na mesma resolução para padronização de fotomáscara.

Ruído de tiro

À medida que os tamanhos dos recursos diminuem, o número de elétrons incidentes em dose fixa também diminui. Assim que o número atinge ~ 10000, os efeitos do ruído de tiro tornam-se predominantes, levando a uma variação natural substancial da dose dentro de uma grande população de recursos. Com cada nó de processo sucessivo, conforme a área de recurso é reduzida pela metade, a dose mínima deve dobrar para manter o mesmo nível de ruído. Consequentemente, o rendimento da ferramenta seria reduzido pela metade com cada nó de processo sucessivo.

diâmetro do recurso (nm)	dose mínima para um em um milhão 5% de erro de dose (μC / cm ² )
40	127
28	260
20	509
14	1039
10	2037
7	4158

Nota: 1 ppm da população está a cerca de 5 desvios padrão da dose média.

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

O ruído de tiro é uma consideração significativa, mesmo para a fabricação de máscaras. Por exemplo, uma máscara de e-feixe resistente comercial como FEP-171 usaria doses inferiores a 10 μC / cm ² , enquanto isso leva a um ruído de tiro perceptível para um CD alvo, mesmo na ordem de ~ 200 nm na máscara.

Defeitos na litografia de feixe de elétrons

Apesar da alta resolução da litografia por feixe de elétrons, a geração de defeitos durante a litografia por feixe de elétrons muitas vezes não é considerada pelos usuários. Os defeitos podem ser classificados em duas categorias: defeitos relacionados a dados e defeitos físicos.

Os defeitos relacionados aos dados podem ser classificados em duas subcategorias. Erros de supressão ou deflexão ocorrem quando o feixe de elétrons não é defletido adequadamente quando deveria, enquanto erros de modelagem ocorrem em sistemas de feixes de formas variáveis quando a forma errada é projetada na amostra. Esses erros podem se originar do hardware de controle ótico do elétron ou dos dados de entrada que foram gravados. Como era de se esperar, arquivos de dados maiores são mais suscetíveis a defeitos relacionados aos dados.

Os defeitos físicos são mais variados e podem incluir carga de amostra (negativa ou positiva), erros de cálculo de retroespalhamento, erros de dose, nebulização (reflexão de longo alcance de elétrons retroespalhados), liberação de gás, contaminação, desvio do feixe e partículas. Uma vez que o tempo de gravação para litografia de feixe de elétrons pode facilmente exceder um dia, defeitos de "ocorrência aleatória" são mais prováveis de ocorrer. Aqui, novamente, arquivos de dados maiores podem apresentar mais oportunidades para defeitos.

Os defeitos da fotomáscara se originam amplamente durante a litografia de feixe de elétrons usada para a definição do padrão.

Deposição de energia de elétrons na matéria

Trajetórias de elétrons em resist: Um elétron incidente (vermelho) produz elétrons secundários (azul). Às vezes, o próprio elétron incidente pode ser retroespalhado como mostrado aqui e deixar a superfície da resistência (âmbar).

Os elétrons primários no feixe incidente perdem energia ao entrar em um material por meio de espalhamento inelástico ou colisões com outros elétrons. Em tal colisão, a transferência de momento do elétron incidente para um elétron atômico pode ser expressa como , onde b é a distância de aproximação mais próxima entre os elétrons ev é a velocidade do elétron incidente. A energia transferida pela colisão é dada por , onde m é a massa do elétron e E é a energia do elétron incidente, dada por . Ao integrar todos os valores de T entre a energia de ligação mais baixa, E ₀ e a energia incidente, obtém-se o resultado de que a seção transversal total para a colisão é inversamente proporcional à energia incidente e proporcional a 1 / E ₀ - 1 / E . Geralmente, E >> E ₀ , então o resultado é essencialmente inversamente proporcional à energia de ligação. ${\ displaystyle dp = 2e ^ {2} / bv}$ ${\ displaystyle T = (dp) ^ {2} / 2m = e ^ {4} / Eb ^ {2}}$ ${\ displaystyle E = (1/2) mv ^ {2}}$ ${\ displaystyle E}$

Usando a mesma abordagem de integração, mas na faixa de 2E ₀ a E , obtém-se comparando as seções transversais que metade das colisões inelásticas dos elétrons incidentes produzem elétrons com energia cinética maior que E ₀ . Esses elétrons secundários são capazes de quebrar ligações (com energia de ligação E ₀ ) a alguma distância da colisão original. Além disso, eles podem gerar elétrons adicionais com menos energia, resultando em uma cascata de elétrons . Portanto, é importante reconhecer a contribuição significativa dos elétrons secundários para a propagação da deposição de energia.

Em geral, para uma molécula AB:

e ^- + AB → AB ^- → A + B ^-

Essa reação, também conhecida como "fixação de elétrons" ou "fixação dissociativa de elétrons", é mais provável de ocorrer depois que o elétron praticamente parou, uma vez que é mais fácil capturá-la nesse ponto. A seção transversal para ligação de elétrons é inversamente proporcional à energia do elétron em altas energias, mas se aproxima de um valor limite máximo com energia zero. Por outro lado, já se sabe que o caminho livre médio nas energias mais baixas (poucos a vários eV ou menos, onde o apego dissociativo é significativo) é bem superior a 10 nm, limitando assim a capacidade de atingir consistentemente a resolução nesta escala.

Capacidade de resolução

Migração de elétrons de baixa energia. A distância (r) percorrida por um elétron de baixa energia afeta a resolução e pode ser de pelo menos vários nanômetros.

Com a óptica de elétrons de hoje, as larguras dos feixes de elétrons podem diminuir rotineiramente para alguns nanômetros. Isso é limitado principalmente por aberrações e carga espacial . No entanto, o limite de resolução do recurso é determinado não pelo tamanho do feixe, mas pelo espalhamento direto (ou alargamento efetivo do feixe) no resist , enquanto o limite de resolução do pitch é determinado pelo deslocamento do elétron secundário no resist . Este ponto foi confirmado por uma demonstração de 2007 de dupla padronização usando litografia de feixe de elétrons na fabricação de placas de zona de meio-passo de 15 nm. Embora um recurso de 15 nm tenha sido resolvido, um pitch de 30 nm ainda era difícil de fazer devido ao espalhamento de elétrons secundários do recurso adjacente. O uso de padrões duplos permitiu que o espaçamento entre as características fosse grande o suficiente para que o espalhamento do elétron secundário fosse significativamente reduzido.

O espalhamento direto pode ser diminuído usando elétrons de energia mais alta ou resistências mais finas, mas a geração de elétrons secundários é inevitável. É agora reconhecido que, para materiais isolantes como o PMMA , os elétrons de baixa energia podem viajar uma distância bastante longa (vários nm são possíveis). Isso se deve ao fato de que abaixo do potencial de ionização o único mecanismo de perda de energia é principalmente através de fônons e polarons . Embora o último seja basicamente um efeito de rede iônica, o salto polaron pode se estender até 20 nm. A distância de viagem dos elétrons secundários não é um valor físico derivado fundamentalmente, mas um parâmetro estatístico frequentemente determinado a partir de muitos experimentos ou simulações de Monte Carlo até <1 eV. Isso é necessário uma vez que a distribuição de energia dos elétrons secundários atinge um pico bem abaixo de 10 eV. Conseqüentemente, o limite de resolução geralmente não é citado como um número bem fixo, como acontece com um sistema limitado por difração óptica. Repetibilidade e controle no limite de resolução prática geralmente requerem considerações não relacionadas à formação da imagem, por exemplo, resistência ao desenvolvimento e forças intermoleculares.

Um estudo do College of Nanoscale Science and Engineering (CNSE) apresentado no workshop EUVL 2013 indicou que, como uma medida de borrão de elétrons, elétrons de 50-100 eV penetraram facilmente além de 10 nm de espessura de resistência em PMMA ou em uma resistência comercial. Além disso, a descarga de ruptura dielétrica é possível. Estudos mais recentes indicaram que a espessura do resist de 20 nm poderia ser penetrada por elétrons de baixa energia (de dose suficiente) e a litografia de feixe de elétrons de meio passo abaixo de 20 nm já exigia um padrão duplo.

Espalhamento

Além de produzir elétrons secundários, os elétrons primários do feixe incidente com energia suficiente para penetrar na resistência podem ser multiplicados por grandes distâncias dos filmes subjacentes e / ou do substrato. Isso leva à exposição de áreas a uma distância significativa do local de exposição desejado. Para resistências mais espessas, conforme os elétrons primários se movem para frente, eles têm uma oportunidade crescente de se espalhar lateralmente a partir do local definido pelo feixe. Essa dispersão é chamada de dispersão direta . Às vezes, os elétrons primários estão espalhados em ângulos que excedem 90 graus, ou seja, eles não avançam mais para dentro da resistência. Esses elétrons são chamados de elétrons retroespalhados e têm o mesmo efeito do flare de longo alcance em sistemas de projeção óptica. Uma dose grande o suficiente de elétrons retroespalhados pode levar à exposição completa da resistência sobre uma área muito maior do que a definida pelo ponto do feixe.

Efeito de proximidade

As menores características produzidas pela litografia de feixe de elétrons geralmente são características isoladas, uma vez que as características aninhadas exacerbam o efeito de proximidade , pelo qual os elétrons da exposição de uma região adjacente se espalham para a exposição da característica escrita atualmente, efetivamente ampliando sua imagem e reduzindo seu contraste, ou seja, diferença entre intensidade máxima e mínima. Conseqüentemente, a resolução de recursos aninhados é mais difícil de controlar. Para a maioria das resistências, é difícil ir abaixo de linhas e espaços de 25 nm, e um limite de linhas e espaços de 20 nm foi encontrado. Na verdade, porém, o intervalo de espalhamento de elétrons secundários é muito grande, às vezes excedendo 100 nm, mas se tornando muito significativo abaixo de 30 nm.

O efeito de proximidade também se manifesta quando os elétrons secundários deixam a superfície superior da resistência e, em seguida, retornam algumas dezenas de nanômetros de distância.

Os efeitos de proximidade (devido ao espalhamento de elétrons) podem ser tratados resolvendo o problema inverso e calculando a função de exposição E (x, y) que leva a uma distribuição de dose o mais próximo possível da dose desejada D (x, y) quando convolvido por a função de espalhamento do ponto de distribuição de espalhamento PSF (x, y) . No entanto, deve ser lembrado que um erro na dose aplicada (por exemplo, do ruído de tiro) faria com que a correção do efeito de proximidade falhasse.

Carregando

Como os elétrons são partículas carregadas, eles tendem a carregar o substrato negativamente, a menos que possam obter acesso rapidamente a um caminho para o solo. Para um feixe de alta energia incidente em um wafer de silício, virtualmente todos os elétrons param no wafer, onde podem seguir um caminho para o solo. No entanto, para um substrato de quartzo como uma fotomáscara , os elétrons incorporados levarão muito mais tempo para se moverem para o solo. Freqüentemente, a carga negativa adquirida por um substrato pode ser compensada ou mesmo excedida por uma carga positiva na superfície devido à emissão de elétrons secundários no vácuo. A presença de uma fina camada condutora acima ou abaixo da máscara é geralmente de uso limitado para feixes de elétrons de alta energia (50 keV ou mais), uma vez que a maioria dos elétrons passa através da camada para o substrato. A camada de dissipação de carga é geralmente útil apenas em torno ou abaixo de 10 keV, uma vez que a resistência é mais fina e a maioria dos elétrons para na resistência ou perto da camada condutora. No entanto, eles são de uso limitado devido à alta resistência da folha, o que pode levar a um aterramento ineficaz.

A faixa de elétrons secundários de baixa energia (o maior componente da população de elétrons livres no sistema resist-substrato) que pode contribuir para o carregamento não é um número fixo, mas pode variar de 0 a 50 nm (consulte a seção Novas fronteiras e litografia ultravioleta extrema ). Conseqüentemente, o carregamento do substrato resistente não é repetível e é difícil de compensar de forma consistente. A carga negativa desvia o feixe de elétrons da área carregada, enquanto a carga positiva desvia o feixe de elétrons em direção à área carregada.

Desempenho de resistência a feixe de elétrons

Devido à eficiência de cisão geralmente ser uma ordem de magnitude maior do que a eficiência de reticulação, a maioria dos polímeros usados para litografia de feixe de elétrons de tom positivo irá reticular (e, portanto, tornar-se tom negativo) em doses de uma ordem de magnitude do que as doses usadas para exposição de tom positivo . Esses grandes aumentos de dose podem ser necessários para evitar os efeitos do ruído do tiro.

Um estudo realizado no Laboratório de Pesquisa Naval indicou que elétrons de baixa energia (10–50 eV) foram capazes de danificar filmes de PMMA de aproximadamente 30 nm. O dano foi manifestado como perda de material.

Para o popular resistor de feixe de elétrons ZEP-520, foi encontrado um limite de resolução de pitch de 60 nm (linhas e espaços de 30 nm), independente da espessura e da energia do feixe.
Uma resolução de 20 nm também foi demonstrada usando um feixe de elétrons de 100 keV de 3 nm e resistência de PMMA. Intervalos não expostos de 20 nm entre as linhas expostas mostraram exposição inadvertida por elétrons secundários.
O silsesquioxano de hidrogênio (HSQ) é uma resistência de tom negativo que é capaz de formar linhas isoladas de 2 nm de largura e arranjos de pontos periódicos de 10 nm (pitch de 10 nm) em camadas muito finas. O próprio HSQ é semelhante ao SiO ₂ hidrogenado poroso . Pode ser usado para gravar silício, mas não dióxido de silício ou outros dielétricos semelhantes.

Em 2018, foi desenvolvido um resistor de tioleno que apresenta grupos de superfície reativos nativos, o que permite a funcionalização direta da superfície do resist com biomoléculas.

Novas fronteiras

Para contornar a geração de elétrons secundários, será imperativo usar elétrons de baixa energia como a radiação primária para expor o resist. Idealmente, esses elétrons devem ter energias na ordem de não muito mais do que vários eV , a fim de expor a resistência sem gerar nenhum elétron secundário, uma vez que não terão excesso de energia suficiente. Essa exposição foi demonstrada usando um microscópio de tunelamento de varredura como fonte de feixe de elétrons. Os dados sugerem que elétrons com energias tão baixas quanto 12 eV podem penetrar na resistência de polímero de 50 nm de espessura. A desvantagem de usar elétrons de baixa energia é que é difícil evitar a propagação do feixe de elétrons na resistência. Sistemas ópticos de elétrons de baixa energia também são difíceis de projetar para alta resolução. A repulsão intereletrônica de Coulomb sempre se torna mais severa para energia eletrônica mais baixa.

Litografia de sonda de varredura. Uma sonda de varredura pode ser usada para litografia de feixe de elétrons de baixa energia, oferecendo resolução abaixo de 100 nm, determinada pela dose de elétrons de baixa energia.

Outra alternativa na litografia de feixe de elétrons é usar energias eletrônicas extremamente altas (pelo menos 100 keV) para essencialmente "perfurar" ou pulverizar o material. Esse fenômeno tem sido observado com freqüência na microscopia eletrônica de transmissão . No entanto, este é um processo muito ineficiente, devido à transferência ineficiente de momento do feixe de elétrons para o material. Como resultado, é um processo lento, exigindo tempos de exposição muito mais longos do que a litografia por feixe de elétrons convencional. Além disso, os feixes de alta energia sempre trazem à tona a preocupação de danos ao substrato.

Litografia de interferência usando feixes de elétrons é outro caminho possível para arranjos de padrões com períodos em escala nanométrica. Uma vantagem chave de usar elétrons sobre fótons em interferometria é o comprimento de onda muito mais curto para a mesma energia.

Apesar dos vários meandros e sutilezas da litografia por feixe de elétrons em diferentes energias, continua sendo a maneira mais prática de concentrar o máximo de energia na menor área.

Tem havido um interesse significativo no desenvolvimento de abordagens de múltiplos feixes de elétrons para litografia, a fim de aumentar o rendimento. Este trabalho foi apoiado pela SEMATECH e empresas iniciantes como Multibeam Corporation , Mapper e IMS. IMS Nanofabrication comercializou o gravador de máscaras multifeixe e iniciou um lançamento em 2016.

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