Litografía por haz de electrones

Técnica litográfica que utiliza un haz de electrones que barre el material.

Un ejemplo de configuración de litografía por haz de electrones

La 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 dibujar formas personalizadas en una superficie cubierta con una película sensible a los electrones llamada resistencia (exposición). ^[1] 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 solvente (revelado). El propósito, al igual que con la fotolitografía , es crear estructuras muy pequeñas en la resistencia que luego se pueden 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 una resolución alta pero un 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 que se utilizan en aplicaciones comerciales son sistemas de escritura por haz de electrones especializados 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 (menos de 100 000 dólares estadounidenses). 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 más pequeños.

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

Fuentes de electrones

Los sistemas de menor resolución pueden utilizar fuentes termoiónicas (cátodo), que suelen estar formadas 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 ₂ calentado para una menor dispersión de energía y un brillo mejorado. Las fuentes de emisión de campo térmico se prefieren a las fuentes de emisión frías, a pesar del tamaño del haz ligeramente mayor de las primeras, porque ofrecen una mejor estabilidad durante tiempos de escritura típicos de varias horas.

Lentes

Se pueden utilizar tanto lentes electrostáticas como magnéticas. Sin embargo, las lentes electrostáticas tienen más aberraciones y, por lo tanto, no se utilizan para un enfoque preciso. Actualmente ^{[¿ cuándo? ]} no existe ningún mecanismo para fabricar lentes de haz de electrones acromáticos, por lo que se necesitan dispersiones extremadamente estrechas de la energía del haz de electrones para lograr un enfoque más preciso. ^{[ cita requerida ] [ necesita actualización ]}

Escenario, costura y alineación

Unión de campos. La unión de campos es un problema para las características críticas que cruzan un límite de campo (línea de puntos roja).

Por lo general, para desviaciones de haz muy pequeñas, se utilizan "lentes" de deflexión electrostática; las desviaciones de haz más grandes requieren escaneo electromagnético. 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 la platina. Una platina precisa es fundamental para la costura (unir campos de escritura exactamente uno contra el otro) y la superposición de patrones (alinear un patrón con uno realizado previamente).

Tiempo de escritura del haz de electrones

El tiempo mínimo de exposición de un área determinada a una dosis determinada viene dado por la siguiente fórmula: ^[2]

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

donde es el tiempo de exposición del objeto (se puede dividir en tiempo de exposición/tamaño del paso), es la corriente del haz, es la dosis y es el área expuesta. ${\displaystyle T}$ ${\displaystyle I}$ ${\displaystyle D}$ ${\displaystyle A}$

Por ejemplo, suponiendo un área de exposición de 1 cm2 ^, una dosis de 10 ⁻³ culombios /cm2 ^y una corriente de haz de 10 ⁻⁹ amperios , el tiempo de escritura mínimo resultante sería de 10 ⁶ segundos (aproximadamente 12 días). Este tiempo de escritura mínimo no incluye el tiempo para que la platina se mueva de un lado a otro, así como el tiempo para que el haz se bloquee (se bloquee de la oblea durante la deflexión), así como el tiempo para otras posibles correcciones y ajustes del haz en medio de la escritura. Para cubrir el área de superficie de 700 cm2 ^de una oblea de silicio de 300 mm, el tiempo de escritura mínimo 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 grave para la litografía por haz de electrones, especialmente cuando se escriben patrones densos en un área grande.

La litografía por haz de electrones no es adecuada para la fabricación en grandes volúmenes debido a su limitado rendimiento. El campo más pequeño de escritura por 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 (≤ mm2 ^para el haz de electrones frente a ≥40 mm2 ^para un escáner de proyección de máscara óptica). La platina 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 platina de trama o serpenteante para crear un patrón en un área de 26 mm X 33 mm, por ejemplo, mientras que en un escáner de fotolitografía solo se requeriría un movimiento unidimensional de un campo de rendija de 26 mm X 2 mm.

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 la creación de patrones de fotomáscaras.

Ruido de disparo

A medida que se reducen los tamaños de las características, también se reduce la cantidad de electrones incidentes a dosis fija. Tan pronto como la cantidad alcanza ~10000, los efectos del ruido de disparo se vuelven predominantes, lo que genera 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 la 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 está aproximadamente a 5 desviaciones estándar de la dosis media.

Ref.: Procedimiento SPIE 8683-36 (2013)

El ruido de disparo es un factor importante incluso para la fabricación de máscaras. Por ejemplo, una máscara comercial resistente a rayos e como FEP-171 utilizaría dosis inferiores a 10 μC/cm ² , ^{[4] [5]} mientras que esto genera un ruido de disparo notable para una dimensión crítica (CD) del objetivo incluso del orden de ~200 nm en la máscara. ^{[6] [7]} La ​​variación de CD puede ser del orden del 15-20 % para características inferiores a 20 nm. ^{[8] [9]}

Defectos en la litografía por haz de electrones

A pesar de la alta resolución de la litografía por haz de electrones, los usuarios no suelen tener en cuenta 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 deflexión o de supresión se producen cuando el haz de electrones no se desvía correctamente cuando debería, mientras que los errores de conformación se producen en sistemas de haz de forma variable cuando se proyecta la forma incorrecta sobre la muestra. Estos errores pueden tener su origen 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 de mayor tamaño son más susceptibles a los defectos relacionados con los datos.

Los defectos físicos son más variados y pueden incluir la carga de la muestra (ya sea negativa o positiva), errores de cálculo de retrodispersión, errores de dosis, empañamiento (reflexión de largo alcance de los electrones retrodispersados), desgasificación, contaminación, deriva del haz y partículas. Dado que el tiempo de escritura para la litografía por haz de electrones puede superar fácilmente un día, es más probable que se produzcan defectos "aleatorios". En este caso, nuevamente, 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 con haz de electrones utilizada para la definición de patrones.

Deposición de energía electrónica en la materia.

Trayectorias de los electrones en la resina: un electrón incidente (rojo) produce electrones secundarios (azul). A veces, el electrón incidente puede retrodispersarse, como se muestra aquí, y abandonar la superficie de la resina (ámbar).

Los electrones primarios en el 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 del electrón incidente a un electrón atómico se puede expresar como ^[10] , donde b es la distancia de aproximación más cercana entre los electrones y v es la velocidad del electrón incidente. La energía transferida por la colisión está dada por , donde m es la masa del electrón y E es la energía del electrón incidente, 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/E . Generalmente, E >> E ₀ , por lo que el resultado es esencialmente inversamente proporcional a la energía de enlace. ${\displaystyle dp=2e^{2}/bv}$ ${\displaystyle T=(dp)^{2}/2m=e^{4}/Eb^{2}}$ ${\displaystyle E=(1/2)mv^{2}}$ ${\displaystyle E}$

Utilizando el mismo enfoque de integración, pero en el rango 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: ^[11]

y ⁻ + 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 ralentizado hasta detenerse, ya que es más fácil capturarlo en ese punto. La sección transversal para la unión de electrones es inversamente proporcional a la energía del electrón a altas energías, pero se acerca a un valor límite máximo a energía cero. ^[12] 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, ^{[13] [14]} lo que limita la capacidad de lograr una resolución consistente a esta escala.

Capacidad de resolución

Migración de electrones de baja energía. La distancia (r) recorrida por un electrón de baja energía afecta la resolución y puede ser de al menos varios nanómetros.

Con la óptica electrónica actual, los anchos del haz de electrones pueden bajar 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 ensanchamiento efectivo del haz) en la resistencia , mientras que el límite de resolución de paso está determinado por el viaje de electrones secundarios en la resistencia . ^{[15] [16]} Este punto fue confirmado por una demostración de 2007 de doble patrón utilizando litografía de haz de electrones en la fabricación de placas de zona de medio paso de 15 nm. ^[17] Aunque se resolvió una característica de 15 nm, un paso de 30 nm todavía era difícil de hacer debido a la dispersión de electrones secundarios de la característica adyacente. El uso de doble patrón permitió que el espaciado entre características fuera lo suficientemente amplio para que la dispersión de electrones secundarios se redujera significativamente.

La dispersión frontal 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 reticular iónico, ^[18] el salto de polarones puede extenderse hasta 20 nm. ^[19] La distancia de viaje de los electrones secundarios no es un valor físico derivado fundamentalmente, sino un parámetro estadístico a menudo determinado 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 máximo muy por debajo de los 10 eV. ^[20] Por lo tanto, el límite de resolución no suele citarse como un número bien fijo como con un sistema limitado por difracción óptica. ^[15] La repetibilidad y el control en el límite de resolución práctica a menudo requieren consideraciones no relacionadas con la formación de imágenes, por ejemplo, el desarrollo de la resistencia y las fuerzas intermoleculares.

Un estudio del Colegio de Ciencias e Ingeniería a Nanoescala (CNSE) presentado en el Taller EUVL de 2013 indicó que, como medida de la borrosidad electrónica, los electrones de 50 a 100 eV penetraron fácilmente más allá de los 10 nm de espesor de la resina en PMMA o una resina comercial. Además, es posible la descarga de ruptura dieléctrica. ^[21] Estudios más recientes han indicado que los electrones de baja energía (de dosis suficiente) podrían penetrar una resina de 20 nm de espesor y la litografía de haz de electrones de medio paso de menos de 20 nm ya requería un patrón doble. ^{[22] [23]}

A partir de 2022, un escritor multihaz de electrones de última generación alcanza una resolución de aproximadamente 20 nm. ^{[24] [25]}

Dispersión

Además de producir electrones secundarios, los electrones primarios del haz incidente con suficiente energía para penetrar la resistencia pueden dispersarse 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 de la ubicación de exposición deseada. Para las resistencias más gruesas, a medida que los electrones primarios se mueven hacia adelante, tienen una oportunidad cada vez mayor de dispersarse lateralmente desde la ubicación definida por el haz. Esta dispersión se denomina dispersión hacia adelante . A veces, los electrones primarios se dispersan en ángulos que superan los 90 grados, es decir, ya no avanzan más en la resistencia. Estos electrones se denominan electrones retrodispersados ​​y tienen el mismo efecto que el destello de largo alcance en los sistemas de proyección óptica. Una dosis suficientemente grande de electrones retrodispersados ​​puede conducir a la 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 escrita actualmente, agrandando efectivamente su imagen y reduciendo su contraste, es decir, la diferencia entre la intensidad máxima y mínima. Por lo tanto, la resolución de la característica anidada 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. ^[26] En realidad, sin embargo, el rango de dispersión de electrones secundarios es bastante amplio, a veces excediendo los 100 nm, ^[27] pero volviéndose muy significativo por debajo de los 30 nm. ^[28]

El efecto de proximidad también se manifiesta cuando los electrones secundarios salen de la superficie superior de la resistencia y luego regresan a algunas decenas de nanómetros de distancia. ^[29]

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 dosis deseada D(x,y) cuando se realiza la convolución mediante la función de dispersión de puntos de distribución PSF(x,y) . Sin embargo, debe recordarse que un error en la dosis aplicada (por ejemplo, debido al ruido de disparo) haría que la corrección del efecto de proximidad fallara.

Cargando

Como 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 incidente 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 tiempo en moverse 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 en el vacío. La presencia de una capa conductora delgada por encima o por debajo de la resistencia 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 generalmente es 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, 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 sustrato-resistencia) que puede contribuir a la carga no es un número fijo, sino que puede variar desde 0 hasta 50 nm (ver sección Nuevas fronteras y litografía ultravioleta extrema ). Por lo tanto, la carga sustrato-resistencia 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 la resistencia al haz de electrones

Debido a que la eficiencia de escisión es generalmente un orden de magnitud mayor que la eficiencia de reticulación, la mayoría de los polímeros utilizados para la litografía por haz de electrones de tono positivo también se reticularán (y por lo tanto se convertirán en tono negativo) a dosis un orden de magnitud mayor que las dosis utilizadas para causar la escisión en el polímero para la exposición al tono positivo. En el caso del PMMA, la exposición de electrones a hasta más de 1000 μC/cm ² , la curva de gradación corresponde a la curva de un proceso positivo "normal". Por encima de 2000 μC/cm ² , prevalece el proceso de reticulación recombinante, y a aproximadamente 7000 μC/cm ² 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 requiere un revelador más fuerte que para el proceso positivo. ^[30] Es posible que se requieran aumentos de dosis tan grandes para evitar efectos de ruido de disparo. ^{[31] [32] [33]}

Un estudio realizado en el Laboratorio de Investigación Naval ^[34] indicó que los electrones de baja energía (10–50 eV) podían dañar películas de PMMA de ~30 nm de espesor. El daño se manifestó en una pérdida de material.

• Para la popular resina de haz de electrones ZEP-520, se encontró un límite de resolución de paso de 60 nm (líneas y espacios de 30 nm), independientemente del espesor y la energía del haz. ^[35]
• También se demostró una resolución de 20 nm utilizando un haz de electrones de 100 keV de 3 nm y una resistencia de PMMA. ^[36] Los espacios no expuestos de 20 nm entre las líneas expuestas mostraron una exposición involuntaria por electrones secundarios.
• El silsesquioxano de hidrógeno (HSQ) es una resina 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. ^[37] El HSQ en sí es similar al SiO ₂ poroso e hidrogenado . Puede usarse para grabar silicio, pero no dióxido de silicio u otros dieléctricos similares.

En 2018, se desarrolló una resina de tiol-eno que presenta grupos superficiales reactivos nativos, lo que permite la funcionalización directa de la superficie de la resina con biomoléculas. ^[38]

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 que varios eV para exponer la resistencia sin generar ningún electrón secundario, ya que no tendrán suficiente energía en exceso. Dicha exposición se ha demostrado utilizando un microscopio de efecto túnel de barrido como fuente del haz de electrones. ^[39] Los datos sugieren que los electrones con energías tan bajas como 12 eV pueden penetrar una resistencia de polímero 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. ^[40] Los sistemas ópticos de electrones de baja energía también son difíciles de diseñar para alta resolución. ^[41] La repulsión interelectrónica de Coulomb siempre se vuelve más severa para la energía de electrones más baja.

Litografía con sonda de barrido. Se puede utilizar una sonda de barrido para la litografía con haz de electrones de baja energía, que ofrece una resolución inferior a 100 nm, determinada por la dosis de electrones de baja energía.

Otra alternativa en la litografía por haz de electrones es utilizar energías de electrones extremadamente altas (al menos 100 keV) para, básicamente, "perforar" o pulverizar el material. Este fenómeno se ha observado con frecuencia en la microscopía electrónica de transmisión . ^[42] Sin embargo, se trata de un proceso muy ineficiente, debido a la transferencia ineficiente de momento 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 haces de alta energía siempre plantean la preocupación de dañar el sustrato.

La litografía de interferencia mediante haces de electrones es otra vía posible para modelar matrices con períodos a escala nanométrica. Una ventaja clave de utilizar electrones en lugar de 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 haces de electrones múltiples para la litografía con el fin de aumentar el rendimiento. Este trabajo ha sido apoyado por SEMATECH y empresas emergentes como Multibeam Corporation , ^[43] Mapper ^[44] e IMS. ^[45] IMS Nanofabrication ha comercializado el multibeam-maskwriter y comenzó su implementación en 2016. ^[46]

Véase también

• Tecnología de haz de electrones
• Litografía por haz de iones
• Litografía sin máscara
• Fotolitografía

Referencias

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