Електронна літографія

Розглянемо основні фактори, що визначають швидкість формування малюнка, при використанні гостросфокусованого пучка електронів і методу мільтиплікування. Повна тривалість формування зображення Г на пластині, розділеної на N полів, визначиться за формулою

де t_е- тривалість експонування одного елемента; t₀ - час очікування, необхідний для переходу від одного елемента до іншого; t_m - час переносу підкладки для відповідності наступному полю; t_r-час суміщення, необхідний для розпізнавання реперних міток і суміщення положень в межах одного поля; Т_l - час заміни зразка та забезпечення вакууму. Час експонування t_е, в свою чергу, складається з часу експонування променем однієї точки і часу відхилення променя на один крок для переходу до іншої точки. Час експонування однієї точки і є час безпосередньої взаємодії електронного променя з резистом і підкладкою, а решта часу - службові операції, тривалість яких слід якомога зменшувати. [7]

 

3. НОВА ЕЛЕКТРОННА ЛІТОГРАФІЯ

Електронна літографія - один з перспективних, але поки що досить складний і дорогий для комерційного застосування метод створення і промислового виробництва найрізноманітніших пристроїв і компонентів пристроїв, що дозволяє досягти дозволу в 1 нм. Через цих особливостей електронної літографії, багато груп вчених по всьому світу розробляють аналоги даного методу. [6]

Так, американські вчені в недавно опублікованій роботі в журналі NanoLetters запропонували використовувати як джерело електронів тонкі плівки випромінювачів β-електронів, як, наприклад, 63Ni і Be3H2, придумавши методу яскраву назву SPEL(self-powered electron lithography). [9]

     

а)      б)

в)

Рисунок 7. (A) – Схема установки для SPEL. (B) - 3D –моделювання поведінки електронів за допомогою методу Монте-Карло. (С) -  Залежність одержуваної роздільної здатності від Z (див. рис. 7a). [5]

Виявилося, що в цьому випадку можна забезпечити роздільну здатність аж до 35 нм, що порівнянно з тими техпроцесами, які розробляються і використовуються на практиці провідними компаніями (Intel, AMD, IBM і т.д.) для виробництва нових поколінь процесорів і інших напівпровідникових пристроїв. Схема установки, наведена на рис. 7, надзвичайно проста, легко масштабована і не вимагає додаткових модулів (вакуумної системи, високовольтного джерела живлення тощо). Тонка плівка нітриду кремнію дозволяє послабити до прийнятних значень енергії потік β-електронів, а вольфрамова маска ефективно поглинає електрони в тих місцях, де це потрібно. Отримані результати говорять самі за себе (Рис. 8), роздільна здатність в 35 нм - не така вже й велика проблема. Варто відзначити також, що дана система дозволяє відразу засвічувати великі площі підкладок з фоторезистом, значно прискорюючи дану процедуру (рис. 9). Так як це не перша публікація даної наукової групи за методом SPEL, то вони вирішили продемонструвати усю міць розробки і створили масив сантиметрових розмірів кремнієвих наностержнів (діаметр 50 нм і радіус кривизни вершини 5  нм ) ,  що  відображає  менше  1%  падаючого  на  нього  випромінювання

(рис. 4). Безумовно, дана розробка знайде своє гідне застосування в різних областях нанотехнологій, адже з такими вражаючими характеристиками її можна використовувати при створенні нанопристроїв для комп'ютерної техніки, у виробництві високоефективних сонячних батарей і навіть при створенні кантилеверів для атомно-силової мікроскопії.[5]

Рисунок 8. Наноструктури, отримані методом SPEL. [5]

 

Рисунок 9 -  (A) Залежність потоку електронів від товщини використовуваної плівки джерела. (б) Порівняльна характеристика час опромінення –опромінювана площа для SPEL-методу з використанням ₆₃Ni і Be₃H₂ та електронної літографії [5]

Рисунок 10 - (A-B) сантиметрових розмірів масив наностержень, отриманий за технологією SPEL. (С) Результати вимірювання відбивної здатності даного масиву [5]

 

3. ПРОБЛЕМА СУМІЩЕННЯ

Для відповідності окремих фрагментів малюнка загальному зображенню застосовуються методи сполучення. Для цього кожен фрагмент малюнка, що відповідає одному растру електронного променя, забезпечений спеціальними реперними мітками - ділянками поверхні, що відрізняються будь-якими фізичними властивостями від інших ділянок і зберігають ці відмінності під час всіх технологічних операцій виготовлення мікросхеми. Необхідно, щоб ці відмінності були розпізнавані за допомогою інструментальних аналітичних методів. Найчастіше в ролі реперних знаків виступають геометричні фігури із золотої плівки або витравлені в підкладці канавки особливої конфігурації, легко розпізнавані інструментальними методами. Для ідентифікації реперних міток застосовують або спеціальний контролюючий електронний пучок, або робочий пучок з інтенсивністю електронів на кілька порядків менше, ніж при експонуванні. При взаємодії електронного променя з твердим тілом проходять різні процеси, які можуть використовуватися для ідентифікації реперних міток. Це генерація пружно відображених, непружно відображених та істинно вторинних електронів, оже-електронів, електромагнітного випромінювання у видимому, ультрафіолетовому і рентгенівському діапазоні. Для цих цілей можна також користуватися поглинанням електронів і наведеним струмом в р – n -переході. Сигнал від реперної мітки надходить у відповідний детектор, обробляється і порівнюється з записаним в пам'яті ЕОМ аналогом, після чого виробляється сигнал неузгодженості, що використовується для корекції позиціонування. Складність процесів, що відбуваються при ЕЛГ, призводить до необхідності розробки моделей, які їх пояснюють. [8]

 

4. АНАЛІТИЧНІ МОДЕЛІ
1. МОДЕЛЬ КАНАЯ

У 1969 р. японський фізик К. Каная запропонував першу модель, що описує процеси, що відбуваються при взаємодії електронного пучка з системою резист-підкладка. Ця модель представляла собою штучну умоглядну конструкцію.

Рисунок 6 – Модель Каная [2]:

1 – резист;

2 – підкладка.

 

Згідно цієї моделі (рис. 6) електронний пучок проходив через шар резиста 7, не взаємодіючи з ним, і заглиблювався в підкладку 2, також не взаємодіючи з нею, рухаючись прямолінійно і без втрати енергії до деякої гіпотетичної глибини x_d, досягнувши якої, електрони  починають розходитися дифузно і ізотропно по всьому об'єму сфери. Втрачати енергію електрони починають тільки після досягнення ними глибини x_d. Внаслідок втрат енергії та частина електронів, яка продовжує рухатися прямолінійно в початковому напрямку, проникне в підкладку до деякої глибини х_г, де електрони локалізуються. Цю результуючу глибину проникнення К. Каная запропонував обчислювати за формулою Вортінгтона-Томліна:

де J – середній потенціал збудження атома; А - атомна вага матеріалу підкладки; е-заряд електрона; N_A – число Авогадро, ρ  - щільність матеріалу підкладки, Z – атомний номер матеріалу підкладки; E_i інтегральна показникова функція.

Модель Каная повністю абстрагується від процесів, що відбуваються в плівці резиста і покладає профіль одержуваної лінії - прямий, як це показано на рис. 6. Залежність енерговиділення по глибині резиста також не береться до уваги. Для визначення величини x_d К. Каная запропонував вираз, в якому С є підгінним параметром зі значеннями від 8 до 12:

У місцях перетину твірної сфери з границею розділу резист-підкладка по Каная і проходить межа розширення зони обробки в порівнянні з діаметром променя. Передбачається, що електронний пучок має вигляд дельта-функції. Модель Каная давала поганий збіг теоретичних даних з експериментальними, тому не набула поширення. Наближення, що лежать в її основі і пов'язані з профілем одержуваної на резисті лінії, також не відповідали практичним цілям. [2]

2. МОДЕЛЬ ПРЯМОГО РОЗСІЮВАННЯ

 

Значно кращі результати дає аналітична модель, заснована на роздільному аналізі процесів прямого розсіювання первинного пучка в шарі резиста і процесів проникнення електронного пучка в підкладку і зворотного розсіювання в шар резиста. Модель ґрунтується на припущенні, що основним критерієм структурних змін в резисті є енергія, що виділилася в його об’ємі. Якщо вона менша за питому критичну енергію, то полімеризації або деструкції резиста не відбувається. При цьому розглядаються тільки процеси, що відбуваються поза зоною первинного променя, який розглядається як дельта-функція. Профіль одержуваної на резисті лінії апроксимується прямою. Повна виділена в об’ємі резиста енергія Q_Σ на відстані в від границі пучка розглядається як сума енергії Q₁, що виділилася за рахунок первинних електронів, і енергії Q₂, що виділилася за рахунок зворотно-відбитих від підкладки електронів. [10]

 Модель прямого розсіювання заснована на припущенні, що електрони, входячи в резистину плівку, зазнають розсіяння на малі кути перед входом в підкладку. Це розсіювання передбачається повністю пружним і втрати енергії електроном ігноруються. Модель припускає, що після акту розсіювання електрон починає відразу ж втрачати енергію. Для визначення цих енергетичних втрат найчастіше користуються моделлю Бете-Блоха, припускаючи, що під час свого руху електрон безперервно і монотонно втрачає енергію відповідно до виразу, який отримав назву закону Бете-Блоха:

де е – заряд електрона; Z – атомний номер матеріалу мішені; ρ – щільність речовини мішені (у даному випадку - резиста); Е₀- енергія електронів первинного пучка, α – параметр розсіювання. Середній потенціал іонізації атомів J в ЕЛГ трактується як енергія, необхідна для здійснення одного акта полімеризації або деструкції (в залежності від типу резиста). Згідно Баккеру і Сегре, , причому підгінний коефіцієнт k залежить від Z і для Z, що знаходиться в межах від 26 до 92, до - 9,4.

 

Відповідно до формули Бергера-Зельцера

Для Z менше 10 найбільш точною є формула Руста:

У припущенні гауссівского розподілу падаючих первинних електронів в шарі резиста при багаторазових зіткненнях максимальну величину енергії, що втрачається електронним пучком в одиниці об'єму на відстані у від первісної межі пучка, можна виразити таким чином:

де - середня величина втрати енергії на одиниці довжини шляху електрона; j – щільність струму в електронному пучку; τ – час опромінення; erf – гаусів інтеграл помилок; (ӯ²)^1/2 – середньоквадратичне відхилення електронів від первісної межі падаючого пучка. [2]

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВИСНОВКИ

 

1. У результаті виконання даної роботи розглянули основні види електронної літографії, технологічні процеси, що відбуваються при виготовленні цим способом, також основні проблеми та моделі методу.

2. Внаслідок виконаної роботи було встановлено, що ведуться активні розробки з удосконалення методу, оскільки існує ряд недоліків, основними з яких є складність та тривалість технічного процесу, а також висока вартість обладнання і сировини, необхідність дотримання жорстких умов при виготовленні цим способом.

3. У періодичній літературі повідомляється про винайдений новий Vacuum-Free Self-Powered Parallel спосіб літографії, що відрізняється надзвичайно привабливими для виробництва показниками. Викладена у роботі і підкріплена наведеними результатами досліджень нового методу, ця інформація несе потужну змістовну базу курсової роботи.

4. Можна зробити висновок, що з усіх розглянутих методів електронної літографії саме останній і є найбільш вигідним, доцільним та ефективним.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ

 

1. http://www.studfiles.ru/dir/cat39/subj230/file13635.html

2. Марголин В.И., Жарбеев  В.А., Тупик В.А. Физические основы микроэлектроники из-во: Академия, 2008. – 400 с.

3. А. И. Гусев. Наноматериалы, наноструктуры, нанотехнологии. Изд. 2-е, исправленное и дополненное. Москва: Наука-Физматлит, 2007. - 416 с.

4. А.В. Круглов, Д.О. Филатов. СКАНИРУЮЩАЯ ЗОНДОВАЯ ЛИТОГРАФИЯ: Описание лабораторной работы. Н. Новгород: Изд. ННГУ, 2004, - 19 с.

5. Yuerui Lu, Amit Lal. Vacuum-Free Self-Powered Parallel Electron Lithography with Sub-35-nm Resolution // NanoLetters. – 2010. - 10 (6), pp 2197–2201.

6. Kyu Won Lee, S. M. Yoon, S. C. Lee, W. Lee, I.-M. Kim and Cheol Eui Lee. Secondary Electron Generation in Electron-beam-irradiated Solids: Resolution. Limits to Nanolithography // Journal of the Korean Physical Society, Vol. 55, No. 4, October 2009, pp. 1720 – 1723

7. http://www.sciencedirect.com/science

8. Федоров Л.П., Багров В.М., Тихонов Ю.Н. Производство полупроводниковых приборов. - Москва: Энергия, 1979. - 432 с.

9. Mark A. McCord, Michael J. Rooks Microlithography, Micromachining and Microfabrication. Volume 1: Microlithography  //  American Chemical Society, - 2010. – 12(4), р. 34

10. Аваев Н.А., Наумов Ю.Е., Фролкин В.Т. Основы микроэлектроники. - Москва: Радио и связь, 1991. - 288 с.