3.6.   Электронно-лучевая литография

Среди различных методов формирования наноразмерного рисунка элементов полупроводниковых приборов электронно-лучевая литография наилучшим образом сочетает высокое разрешение с приемлемой производительностью, что является непременным условием для массового производства.

Установка для электронно-лучевой литографии включает в свой состав вакуумируемую колонну с источником электронов, системой ускоряющих электродов, магнитными линзами и систему сканирования электронного луча по поверхности экспонируемой подложки. Системы формирования электронного луча обеспечивают создание потока электронов с энергией 20…100 кэВ, сфокусированного в пятно размером 1…1,5нм. Этот луч сканируют по поверхности, покрытой резистом подложки. С помощью электростатической системы запирания луча, управляемой компьютерным генератором изображения, экспонирование поверхности резиста производится выборочно в соответствии с требуемой геометрией создаваемых элементов. В качестве резиста наиболее часто используют полиметилметакрилат (polymethyl methacrelate – РММА), который представляет собой полимер с длинными цепочками. В областях, где этот полимер подвергается воздействию электронного луча, цепочки разрываются и вследствие этого укорачиваются, что делает их легко растворимыми в соответствующих проявителях. Порог его чувствительности к электронному облучению составляет порядка 5·10-4 Кл/см2.

Среди органических негативных резистов требованиям нанолитографии отвечают каликсарен и α-метилстирен, обладая необходимой стойкостью к плазменному травлению. Каликсарен имеет циклическую структуру (рис. 3.11). Это кольцеобразная молекула диаметром порядка 1 нм. Ее главный компонент – фенольная производная, которая благодаря сильным химическим связям в бензольном кольце имеет высокую стабильность. Каликсарен почти в 20 раз менее чувствителен к электронному облучению, чем РММА. Малый размер молекулы каликсарена и ее высокая однородность обеспечивают резистам на его основе гладкую поверхность резистивных пленок и сверхвысокое разрешение.

Ограничения разрешающей способности органических резистов связаны главным образом с низкоэнергетическими (~50 эВ) вторичными электронами, которые генерируются в этом материале бомбардирующими высокоэнергетическими электронами. Вторичные электроны экспонируют область резиста на расстоянии до 5 нм за пределами области облучения, что ограничивает разрешающую способность на уровне 10нм.

Рис. 3.11. Молекула каликсарена

Некоторое улучшение этого показателя, а именно повышение разрешающей способности РММА до 6 нм, может быть обеспечено при ультразвуковом проявлении и тщательном контроле экспонирования. Принципиально, что улучшение разрешения достигается за счет снижения эффективности образования вторичных электронов при использовании для экспонирования резиста электронов с энергиями 2…10 кэВ. Одна

ко этому сопутствует снижение чувствительности резиста, что требует увеличения дозы и соответственно времени экспонирования.

Кроме органических резистов, неорганические соединения, такие как SiO2, AlF3, легированный LiF и NaCl, имеют хорошие перспективы для нанолитографии. Их разрешение составляет 5 нм и менее, хотя чувствительность к электронному воздействию, характеризуемая порогом порядка 0,1 Кл/см2 , остается недостаточно высокой.

Нанопрофилирование SiO2 электронным лучом представляется очень перспективным для создания кремниевых приборов. Оно может быть реализовано на оксидных пленках толщиной менее 1 нм. Облучение таких пленок проводят остросфокусированным электронным лучом при комнатной температуре. Оксид в облученных областях разлагается и испаряется при последующей термообработке в вакууме при 720…750°С. Такой подход привлекателен для формирования «in situ»-наноструктур, поскольку все процессы, связанные с созданием SiO2-маски и последующее нанесение других материалов может быть осуществлено в высоковакуумной камере без извлечения подложки на воздух.

Требуемая конфигурация пленочных элементов может быть создана вытравливанием материала в окнах резистивной маски или нанесением материала на поверхность подложки со
сформированным рисунком резистивной маски. Первый подход широко используется в традиционной полупроводниковой технологии. В технологии же наноэлектроники он применяется для профилирования пленок диэлектриков и полупроводников, в то время как для пленок металлов используется второй подход, который получил название взрывная литография (lift-off process). Основные операции этого процесса представлены на рис. 3.12.

На этапе подготовки маски пленка резиста экспонируется за один проход электронным лучом, после чего следует его проявление в соответствующих химических реагентах. Затем производят осаждение пленки металла. При этом атомы и молекулы металла должны поступать к поверхности подложки в направлениях, близких к нормали. Это необходимо для того, чтобы пленка металла формировалась исключительно на подложке в окнах резистивной маски и на поверхности резиста. Подготовленные таким образом структуры подвергают химической обработке в активном органическом растворителе, например, в ацетоне, для удаления неэкспонированных участков резиста и находящейся на них пленки металла. Оставшаяся пленка металла на подложке полностью повторяет рисунок экспонированных областей. Созданные таким образом металлические области могут быть использованы как в качестве элементов наноэлектронных приборов, так и в качестве маски для последующего профилирования нижележащих диэлектрических и полупроводниковых пленок.

Рис. 3.12. Создание наноструктур взрывной литографией с использованием позитивного резиста (РММА)

Техника и технология электронно-лучевой литографии постоянно совершенствуются. Тем не менее они еще не готовы для широкого использования в массовом производстве. Основным сдерживающим фактором остается невысокая скорость обработки подложек большого диаметра. Одним из подходов, решающих эту проблему, является применение многопучковых электронных пушек, работающих параллельно. Другим перспективным направлением является экспонирование резистов низкоэнергетическими электронами, инжектируемыми с острия сканируемых зондов.