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Litografía por haz de electrones

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...

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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 fotorresina (exposición). [ 1 ] El haz de electrones cambia la solubilidad de la fotorresina, lo que permite la eliminación selectiva de las regiones expuestas o no expuestas de la fotorresina al sumergirla en un disolvente (revelado). El propósito, como en la fotolitografía , es crear estructuras muy pequeñas en la fotorresina que posteriormente se pueden transferir al material del sustrato , a menudo mediante grabado .

La principal ventaja de la litografía por haz de electrones es que permite dibujar patrones personalizados (escritura directa) con una resolución inferior a 10 nm . Esta forma de litografía sin máscara ofrece alta resolución pero bajo rendimiento, lo que limita su uso a la fabricación de fotomáscaras , la producción en bajo volumen de dispositivos semiconductores y la investigación y el desarrollo . 

En la fabricación de semiconductores, principalmente para la fabricación de fotomáscaras o, de forma más general, en la fabricación de nanotecnología , se utilizan tres técnicas principales de litografía por haz de electrones (EBL): haz gaussiano (o haz gris), haz de forma variable (que incluye proyección de caracteres) y haz múltiple.

Sistemas

Los sistemas de litografía por haz de electrones utilizados en aplicaciones comerciales son sistemas de escritura por haz de electrones especializados y muy costosos (más de  1 millón de dólares). 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). Estos sistemas convertidos han producido anchos de línea de aproximadamente 20  nm desde al menos 1990, mientras que los sistemas especializados actuales producen anchos de línea del orden de 10  nm o menores.

Los sistemas de litografía por haz de electrones se pueden clasificar según la forma del haz y la estrategia de deflexión del mismo. Los sistemas más antiguos utilizaban haces con forma gaussiana que se escaneaban en modo raster . Los sistemas más modernos utilizan haces con forma que se pueden desviar a diversas posiciones en el campo de escritura (también conocido como "escaneo vectorial").

Fuentes de electrones

Los sistemas de menor resolución pueden utilizar fuentes termoiónicas (cátodo), generalmente formadas por hexaboruro de lantano . Sin embargo, los sistemas con mayores requisitos de resolución necesitan utilizar fuentes de emisión de electrones de campo , como W/ZrO₂ calentado , para reducir la dispersión de energía y mejorar el brillo. Se prefieren las fuentes de emisión de campo térmicas a las de emisión fría, a pesar del tamaño ligeramente mayor del haz de las primeras, porque ofrecen mayor estabilidad durante los tiempos de escritura típicos de varias horas.

Lentes

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

Escenario, costura y alineación

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

Normalmente, para deflexiones de haz muy pequeñas, se utilizan lentes de deflexión electrostáticas ; para deflexiones mayores se requiere escaneo electromagnético. Debido a la imprecisión y al número finito de pasos en la cuadrícula de exposición, el campo de escritura es del orden de 100 micrómetros a 1  mm. Los patrones más grandes requieren movimientos de la platina. Una platina precisa es fundamental para el ensamblaje (alinear con precisión los campos de escritura) y la superposición de patrones (alinear un patrón con uno previamente creado).

Tiempo de escritura del haz de electrones

El tiempo mínimo para exponer un área determinada para una dosis determinada (medida en culombios /cm 2 ) viene dado por la siguiente fórmula: [ 2 ]

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

dóndeT{\displaystyle T}es el tiempo de exposición del objeto (se puede dividir en tiempo de exposición/tamaño del paso),I{\displaystyle I}es la corriente del haz (medida en amperios ),D{\displaystyle D}es la dosis yA{\displaystyle A}es el área expuesta (en cm 2 ).

La litografía por haz de electrones no es adecuada para la fabricación en grandes volúmenes debido a su rendimiento limitado. El campo más pequeño de la escritura por haz de electrones hace que la generación de patrones sea muy lenta en comparación con la fotolitografía (el estándar actual), ya que se deben escanear más campos de exposición para formar el área final del patrón (≤mm² para haz de electrones frente a ≥40  mm² para un escáner de proyección de máscara óptica). La platina se mueve entre escaneos de campo. El campo del haz de electrones es lo suficientemente pequeño como para que se necesite un movimiento de platina de barrido o serpentino para generar patrones 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 a la misma resolución para el patrón de fotomáscaras.

ruido de disparo

A medida que disminuye el tamaño de las estructuras, también disminuye el número de electrones incidentes a dosis fija. Tan pronto como este número alcanza aproximadamente 10 000, 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 estructuras. Con cada nodo de proceso sucesivo, al reducirse a la mitad el área de la estructura, 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 se encuentra aproximadamente a 5 desviaciones estándar de la dosis media.

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

El ruido de disparo es una consideración importante incluso para la fabricación de máscaras. Por ejemplo, una resina de haz de electrones para máscaras comerciales como FEP-171 usaría dosis inferiores a 10 μC/cm² , [ 4 ] [ 5 ] mientras que esto produce un ruido de disparo notable para una dimensión crítica (CD) 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 sub-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 a menudo no tienen en cuenta la generación de defectos durante este proceso. Los defectos se pueden clasificar en dos categorías: defectos relacionados con los datos y defectos físicos.

Los defectos relacionados con los datos pueden clasificarse en dos subcategorías. El "borrado" o "error de deflexión" se produce cuando el haz de electrones no se desvía correctamente, mientras que los "errores de conformación" ocurren en sistemas de haz de forma variable cuando se proyecta una forma incorrecta sobre la muestra. Estos errores pueden originarse tanto en el hardware de control óptico electrónico como en los datos de entrada grabados. Como es de esperar, los archivos de datos más grandes son más susceptibles a los defectos relacionados con los datos.

Los defectos físicos son más variados y pueden incluir carga de la muestra (tanto negativa como positiva), errores de cálculo de retrodispersión, errores de dosis, empañamiento (reflexión a larga distancia de los electrones retrodispersados), desgasificación, contaminación, deriva del haz y partículas. Dado que el tiempo de escritura en la litografía por haz de electrones puede superar fácilmente un día, es más probable que se produzcan defectos aleatorios. En este caso, los archivos de datos más grandes también pueden presentar más oportunidades para la aparición de defectos.

Los defectos en las fotomáscaras se originan principalmente durante la litografía por haz de electrones utilizada para la definición de patrones.

Deposición de energía electrónica en la materia

Trayectorias de electrones en la resina fotosensible: Un electrón incidente (rojo) produce electrones secundarios (azul). En ocasiones, el propio electrón incidente puede retrodispersarse, como se muestra aquí, y abandonar la superficie de la resina fotosensible (ámbar).

Los electrones primarios en el haz incidente pierden energía al entrar en un material a través de la 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 ].dpag=2mi2/bv{\displaystyle dp=2e^{2}/bv}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 viene dada porT=(dpag)2/2metro=mi4/mib2{\displaystyle T=(dp)^{2}/2m=e^{4}/Eb^{2}}, donde m es la masa del electrón y E es la energía del electrón incidente, dada pormi=(1/2)metrov2{\displaystyle E=(1/2)mv^{2}}Al integrar sobre 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.mi{\displaystyle E}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.

Al utilizar el mismo método de integración, pero en el rango de 2E 0 a E , se obtiene, mediante la comparación de 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 da lugar a una cascada electrónica . 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 ]

e − + AB → AB − → A + B −

Esta reacción, también conocida como " captura de electrones " o "captura de electrones disociativa", es más probable que ocurra después de que el electrón se haya ralentizado prácticamente hasta detenerse, ya que es más fácil capturarlo en ese punto. La sección transversal para la captura de electrones es inversamente proporcional a la energía del electrón a altas energías, pero se aproxima 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 (de pocos a varios eV o menos, donde la captura 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 de los haces de electrones pueden reducirse rutinariamente a unos pocos nanómetros. Esto está limitado principalmente por las aberraciones y la carga espacial . Sin embargo, el límite de resolución de características no está determinado por el tamaño del haz sino por la dispersión frontal (o ensanchamiento efectivo del haz) en la resina , mientras que el límite de resolución de paso está determinado por el viaje de los electrones secundarios en la resina . [ 15 ] [ 16 ] Este punto quedó claro en 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 como para reducir significativamente la dispersión de electrones  secundarios .

La dispersión frontal puede disminuirse utilizando electrones de mayor energía o una resina 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 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, [ 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 picos de electrones secundarios está muy por debajo de 10  eV. [ 20 ] Por lo tanto, el límite de resolución no se suele citar 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 la imagen, por ejemplo, el desarrollo de la resistencia y las fuerzas intermoleculares.

Un estudio del Colegio de Nanotecnología, Ciencia e Ingeniería, presentado en el Taller EUVL de 2013 , indicó que, como medida de la borrosidad de los electrones, los electrones de 50 a 100 eV penetraban 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 un espesor de resina de 20 nm podría ser penetrado por electrones de baja energía (de dosis suficiente) y la litografía de haz de electrones de medio paso  inferior a 20 nm ya requería doble patrón. [ 22 ] [ 23 ] 

A partir de 2022, un sistema de escritura de haces múltiples 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 energía suficiente para penetrar la resina pueden dispersarse varias veces a grandes distancias de las películas subyacentes o del sustrato. Esto provoca la exposición de áreas a una distancia considerable de la ubicación de exposición deseada. En resinas más gruesas, a medida que los electrones primarios avanzan, tienen una mayor probabilidad de dispersarse lateralmente desde la ubicación definida por el haz. Esta dispersión se denomina " dispersión frontal ". En ocasiones, los electrones primarios se dispersan en ángulos superiores a 90 grados, es decir, dejan de avanzar más dentro de la resina. 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 alta de electrones retrodispersados ​​puede provocar la exposición completa de la resina en un área mucho mayor que la definida por el punto del haz.

Efecto de proximidad

Las características más pequeñas producidas por la litografía de 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 extienden a la exposición de la característica actualmente escrita, ampliando efectivamente su imagen y reduciendo su contraste, es decir, la diferencia entre la intensidad máxima y mínima. Por lo tanto, la resolución de las características anidadas es más difícil de controlar. Para la mayoría de las resinas, es difícil bajar de 25  nm en líneas y espacios, y  se ha encontrado un límite de 20 nm en líneas y espacios. [ 26 ] En realidad, sin embargo, el rango de dispersión de electrones secundarios es bastante amplio, a veces superando los 100  nm, [ 27 ] pero volviéndose muy significativo por debajo de los 30  nm. [ 28 ]

El efecto de proximidad también se manifiesta por los electrones secundarios que abandonan la superficie superior de la resina y luego regresan a una distancia de algunas decenas de nanómetros. [ 29 ]

Los efectos de proximidad (debido a la dispersión de electrones) pueden abordarse resolviendo el problema inverso y calculando la función de exposición E(x,y) que produce una distribución de dosis lo más cercana posible a la dosis deseada D(x,y) al convolucionarla con la función de dispersión puntual (PSF(x,y)) . Sin embargo, cabe recordar que un error en la dosis aplicada (por ejemplo, debido al ruido de disparo) provocaría que la corrección del efecto de proximidad fallara.

Carga

Dado que los electrones son partículas cargadas, tienden a cargar negativamente el sustrato a menos que puedan acceder rápidamente a una conexión 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 una conexión a tierra. Sin embargo, para un sustrato de cuarzo, como una fotomáscara , los electrones incrustados tardarán mucho más tiempo 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 de electrones secundarios al vacío. La presencia de una capa conductora delgada por encima o por debajo de la resina suele ser de utilidad limitada para  haces de electrones de alta energía (50 keV o más), ya que la mayoría de los electrones atraviesan la capa y llegan al sustrato. La capa de disipación de carga generalmente solo es útil alrededor o por debajo de 10  keV, ya que la resina es más delgada y la mayoría de los electrones se detienen en la resina o cerca de la capa conductora. Sin embargo, su utilidad es limitada debido a su alta resistencia superficial , 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 fotorresina-sustrato) que pueden contribuir a la carga no es un número fijo, sino que puede variar de 0 a hasta 50  nm (véase la sección Nuevas fronteras y litografía ultravioleta extrema ). Por lo tanto, la carga fotorresina-sustrato no es repetible y es difícil de compensar de forma consistente. La carga negativa desvía el haz de electrones lejos del área cargada, mientras que la carga positiva lo desvía hacia el área cargada.

Rendimiento de la resistencia al haz de electrones

Debido a que la eficiencia de escisión suele ser un orden de magnitud mayor que la eficiencia de reticulación, la mayoría de los polímeros utilizados para la litografía de haz de electrones de tono positivo también se reticularán (y por lo tanto se convertirán en tono negativo) a dosis un orden de magnitud mayores que las dosis utilizadas para causar la escisión en el polímero para la exposición de tono positivo. En el caso del PMMA , la 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 unos 7000 μC/cm² la capa está completamente reticulada, lo que la hace 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 ] Tales grandes aumentos de dosis pueden ser necesarios 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 aproximadamente 30 nm de espesor. El daño se manifestó como 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 había demostrado una resolución de 20 nm utilizando un haz de electrones de 3  nm y 100  keV y una resina de PMMA. [ 36 ] Los espacios no expuestos de 20  nm entre las líneas expuestas mostraron una exposición inadvertida por electrones secundarios.
  • El silsesquioxano de hidrógeno (HSQ) es una resina fotorresistente de tono negativo 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 es similar al SiO₂ hidrogenado poroso . Puede utilizarse para grabar silicio, pero no dióxido de silicio ni otros dieléctricos similares.

En 2018, se desarrolló una resina 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 usar electrones de baja energía como radiación primaria para exponer la resina. Idealmente, estos electrones deberían tener energías del orden de no mucho más de unos pocos eV para exponer la resina sin generar electrones secundarios, ya que no tendrán suficiente energía excedente. Dicha exposición se ha demostrado usando un microscopio de efecto túnel de barrido como fuente de haz de electrones. [ 39 ] Los datos sugieren que los electrones con energías tan bajas como 12  eV pueden penetrar  una resina polimérica de 50 nm de espesor. El inconveniente de usar electrones de baja energía es que es difícil evitar la dispersión del haz de electrones en la resina. [ 40 ] Los sistemas ópticos de electrones de baja energía también son difíciles de diseñar para alta resolución. [ 41 ] La repulsión de Coulomb entre electrones siempre se vuelve más severa para energías de electrones más bajas.

Litografía por sonda de barrido. Una sonda de barrido se puede utilizar para la litografía por haz de electrones de baja energía, ofreciendo  una resolución inferior a 100 nm, determinada por la dosis de electrones de baja energía.

Otra alternativa en la litografía por haz de electrones consiste en utilizar energías electrónicas extremadamente altas (al menos 100  keV) para, esencialmente, "perforar" o pulverizar el material. Este fenómeno se ha observado con frecuencia en la microscopía electrónica de transmisión . [ 42 ] Sin embargo, este es 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 prolongados 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 posible vía para la creación de patrones con periodos a escala nanométrica. Una ventaja clave del uso de electrones sobre fotones en interferometría es su 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 haz 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

Referencias

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