La litografía por rayos X es un proceso que se utiliza en la industria de fabricación de dispositivos semiconductores para eliminar selectivamente partes de una película delgada de fotorresistencia. Utiliza rayos X para transferir un patrón geométrico desde una máscara a una fotorresistencia química sensible a la luz , o simplemente "resistencia", sobre el sustrato para alcanzar un tamaño topológico extremadamente pequeño de una característica. Luego, una serie de tratamientos químicos graba el patrón producido en el material debajo de la fotorresistencia.
Su uso es menos frecuente en la producción comercial debido a los costos prohibitivamente altos de los materiales (como el oro utilizado para bloquear los rayos X), etc. [1]
La litografía de rayos X se originó como un candidato para la litografía de próxima generación para la industria de semiconductores [1] , con lotes de microprocesadores producidos con éxito. Al tener longitudes de onda cortas (por debajo de 1 nm), los rayos X superan los límites de difracción de la litografía óptica , lo que permite tamaños de características más pequeños . Si la fuente de rayos X no está colimada, como con una radiación de sincrotrón , se utilizan espejos colimadores elementales o lentes difractivas en lugar de las lentes refractivas utilizadas en óptica. Los rayos X iluminan una máscara colocada cerca de una oblea recubierta de resina. Los rayos X son de banda ancha, generalmente de una fuente de radiación de sincrotrón compacta , lo que permite una exposición rápida. La litografía de rayos X profunda (DXRL) utiliza longitudes de onda aún más cortas del orden de 0,1 nm y procedimientos modificados como el proceso LIGA , para fabricar estructuras profundas e incluso tridimensionales.
La máscara consiste en un absorbente de rayos X, generalmente de oro o compuestos de tantalio o tungsteno , sobre una membrana que es transparente a los rayos X, generalmente de carburo de silicio o diamante . El patrón de la máscara se escribe mediante litografía de haz de electrones de escritura directa sobre una resina que se desarrolla mediante procesos de semiconductores convencionales. La membrana se puede estirar para lograr una superposición precisa.
La mayoría de las demostraciones de litografía de rayos X se han realizado copiando con fidelidad de imagen (sin aumento) en la línea de contraste difuso como se ilustra en la figura. Sin embargo, con la creciente necesidad de alta resolución, la litografía de rayos X ahora se realiza en lo que se llama el "punto óptimo", utilizando "desmagnificación por sesgo" local. [2] [3] Las estructuras densas se revelan mediante múltiples exposiciones con traslación. Las ventajas de utilizar una desmagnificación de 3x incluyen que la máscara se fabrica más fácilmente, se aumenta el espacio entre la máscara y la oblea y el contraste es mayor. La técnica es extensible a impresiones densas de 15 nm .
Los rayos X generan electrones secundarios como en los casos de la litografía ultravioleta extrema y la litografía por haz de electrones . Si bien la definición fina del patrón se debe principalmente a los electrones secundarios de los electrones Auger con una longitud de trayectoria corta, los electrones primarios sensibilizarán la resistencia en una región más grande que la exposición a los rayos X. Si bien esto no afecta la resolución del paso del patrón, que está determinada por la longitud de onda y el espacio, el contraste de exposición de la imagen (máximo-mín)/(máximo+mín) se reduce porque el paso está en el orden del rango de fotoelectrones primarios. La rugosidad y las pendientes de las paredes laterales están influenciadas por estos electrones secundarios, ya que pueden viajar unos pocos micrómetros en el área debajo del absorbente, dependiendo de la energía de los rayos X de exposición. [4] Se han publicado varias impresiones a unos 30 nm . [5]
Otra manifestación del efecto fotoelectrónico es la exposición a electrones generados por rayos X a partir de películas gruesas de oro utilizadas para hacer máscaras hijas. [6] Las simulaciones sugieren que la generación de fotoelectrones a partir del sustrato de oro puede afectar las tasas de disolución.
Los electrones secundarios tienen energías de 25 eV o menos y pueden ser generados por cualquier radiación ionizante ( VUV , EUV, rayos X, iones y otros electrones). Los electrones Auger tienen energías de cientos de electronvoltios. Los secundarios (generados por los fotoelectrones Auger y primarios y que superan en número a estos) son los principales agentes de exposición a la resistencia. [ cita requerida ]
Los rangos relativos de los fotoelectrones primarios y los electrones Auger dependen de sus respectivas energías. Estas energías dependen de la energía de la radiación incidente y de la composición de la resistencia. Existe un margen considerable para una selección óptima (referencia 3 del artículo). Cuando los electrones Auger tienen energías más bajas que los fotoelectrones primarios, tienen rangos más cortos. Ambos se desintegran en secundarios que interactúan con los enlaces químicos. [7] Cuando las energías secundarias son demasiado bajas, no logran romper los enlaces químicos y dejan de afectar la resolución de la impresión. Los experimentos demuestran que el rango combinado es inferior a 20 nm. Por otro lado, los secundarios siguen una tendencia diferente por debajo de ≈30 eV: cuanto menor es la energía, más largo es el camino libre medio , aunque no pueden afectar al desarrollo de la resistencia. [ cita requerida ]
A medida que se desintegran, los fotoelectrones primarios y los electrones Auger acaban por volverse físicamente indistinguibles (como en las estadísticas de Fermi-Dirac ) de los electrones secundarios. El rango de electrones secundarios de baja energía es a veces mayor que el rango de los fotoelectrones primarios o de los electrones Auger. Lo que importa para la litografía de rayos X es el rango efectivo de electrones que tienen suficiente energía para formar o romper enlaces químicos en resistencias negativas o positivas. [ cita requerida ]
Los rayos X no se cargan. El recorrido libre medio relativamente grande (~20 nm) de los electrones secundarios dificulta el control de la resolución a escala nanométrica. En particular, la litografía por haz de electrones sufre una carga negativa por los electrones incidentes y la consiguiente dispersión del haz, lo que limita la resolución. Por lo tanto, es difícil aislar el rango efectivo de los secundarios, que puede ser inferior a 1 nm.
El recorrido libre medio combinado de los electrones da como resultado una imagen borrosa, que generalmente se modela como una función gaussiana (donde σ = borroso) que se convoluciona con la imagen esperada. A medida que la resolución deseada se acerca al borroso, la imagen de la dosis se vuelve más amplia que la imagen aérea de los rayos X incidentes. El borroso que importa es la imagen latente que describe la formación o ruptura de enlaces durante la exposición de la resina. La imagen revelada es la imagen de relieve final producida por el proceso de revelado de alto contraste seleccionado sobre la imagen latente.
Según diversas publicaciones citadas, el rango de electrones de generación de orden superior primarios, Auger, secundarios y de energía ultrabaja que se imprimen (como lo demostraron los estudios de STM ) puede ser grande (decenas de nm) o pequeño (nm). Debido a que este rango no es un número fijo, es difícil de cuantificar. La rugosidad del borde de la línea se ve agravada por la incertidumbre asociada. Se supone que la rugosidad del borde de la línea es de origen estadístico y solo depende indirectamente del rango medio. En las condiciones de litografía habituales, se pueden controlar y utilizar los diversos rangos de electrones.
Los rayos X no tienen carga, pero a las energías involucradas, la desintegración Auger de especies ionizadas en una muestra es más probable que la desintegración radiativa. La radiación de alta energía que excede el potencial de ionización también genera electrones libres que son insignificantes en comparación con los producidos por haces de electrones que están cargados. La carga de la muestra después de la ionización es una posibilidad extremadamente débil cuando no se puede garantizar que los electrones ionizados que salen de la superficie o permanecen en la muestra estén adecuadamente equilibrados con otras fuentes en el tiempo. La transferencia de energía a los electrones como resultado de la radiación ionizante da como resultado cargas positivas y negativas separadas que rápidamente se recombinan debido en parte al largo alcance de la fuerza de Coulomb. Se ha observado que las películas aislantes como los óxidos de compuerta y las resinas se cargan a un potencial positivo o negativo bajo la irradiación de un haz de electrones. Las películas aislantes finalmente se neutralizan localmente por la carga espacial (electrones que entran y salen de la superficie) en la interfaz de la resina con el vacío y la inyección de Fowler-Nordheim desde el sustrato. [8] El campo eléctrico local puede afectar el alcance de los electrones en la película. La situación se complica por la presencia de huecos (vacantes de electrones con carga positiva) que se generan junto con los electrones secundarios y que se puede esperar que los sigan. A medida que avanza la neutralización, cualquier concentración de carga inicial comienza a extenderse efectivamente. El estado químico final de la película se alcanza después de que se completa la neutralización, después de que todos los electrones finalmente se hayan ralentizado. Por lo general, a excepción de los steppers de rayos X, la carga se puede controlar aún más mediante un cañón de inundación o un espesor de resistencia o una capa de disipación de carga.