Материал: Специальные вопросы микро- и нанотехнологий. Стогней О.В., Трегубов И.М

(4.3)

где U - ускоряющее напряжение, т - масса электронов.

При средних значениях U = 50 кВ и U = 5 В находим λ ≈ 0,610-2 нм и λ ≈ 0,6 нм соответственно, что много меньше реальных значений amin. Поэтому дифракционные ограничения при использовании ЭЛЛ в наноэлектронике не возникают, что

следует из формулы (4.2). Благодаря малости λ, электроны могут быть сфокусированы в пучок диаметром ~1 нм.

Высоковольтные пучки, проникая в подложку, создают в поверхностном слое полупроводника высокую плотность радиационных дефектов. Это сказывается на качестве элементов ИМС. При понижении энергии электронов глубина проникновения в подложку уменьшается, плотность радиационных дефектов снижается. ЭЛЛ присуща большая глубина резкости передаваемого изображения, поэтому не происходит искажения рисунка при увеличении глубины рельефа или неплоскостности пластины.

На практике применяют два вида ЭЛЛ - сканирующую и проекционную.

Сканирующая электроннолучевая литография. В этом ме-

тоде сфокусированный пучок электронов, управляемый компьютером, перемещается по поверхности подложки, покрытой резистом, вычерчивая заданный рисунок. Метод является серийным и применяется в тех случаях, когда оптическая литография не удовлетворяет требованиям по точности совмещения и глубине фокуса.

Достоинство метода - возможность наносить рисунок на резист без шаблона.

Недостаток - длительность формирования рисунка, что ограничивает производительность метода. Скорость движения луча, в зависимости от тока в пучке и чувствительности резиста, может меняться в пределах 1 мкм/с - 1 мм/с. Скорость ли-

40

митируется тем, что облучение участка резиста должно проявляться на полную глубину слоя. Для этого доза облучения должна быть достаточно высокой. (Чувствительность резиста равна этой дозе, выраженной в Кл/см2.)

Разрешающая способность сканирующей ЭЛЛ. В настоя-

щее время промышленные установки и сканирующие электронные микроскопы работают в интервале напряжений 100200 кВ при диаметрах пучка 1-10 нм. С использованием чувствительных резистов получают amin = 30 нм с высокой степенью воспроизводимости. Исследования показывают, что можно достичь разрешения менее 10 нм.

Роль электронорезистов. Так как дифракционный предел практически не играет роли, а сфокусированный электронный луч имеет диаметр ~1 нм, то ограничения разрешающей способности ЭЛЛ обусловлены свойствами резиста. Во-первых, при экспонировании происходит рассеяние первичных и вторичных электронов во все стороны от направления первичного пучка, в резист проникают также электроны, отразившиеся от подложки. В результате область экспонирования расширяется. Во-вторых, при близком расстоянии между соседними линиями области рассеяния электронов перекрываются, и может произойти искажение рисунка или слияние соседних линий (эффект близости). Для улучшения разрешения необходимо наносить тонкие (< 50 нм) слои резиста или увеличивать ускоряющее напряжение.

Наиболее широко используется в качестве резиста полиметилметакрилат (ПММА). Чувствительность ПММА ~10-4 Кл/см2, разрешающая способность ~10 нм при минимальном расстоянии между линиями 30-50 нм. С целью повышения разрешающей способности электронно-лучевой литографии разрабатываются новые резистивные материалы. Ниже приводятся примеры резистов ультра-высокого разрешения.

1. Диоксид кремния (SiО2). Обеспечивает amin ~ 7-10 нм при минимальном расстоянии между линиями 10-11 нм. Облучение вызывает увеличение скорости травления Si02 в трави-

41

телях, содержащих HF. Недостаток резиста - малая чувствительность (2-4 Кл/см2), которая ограничивает его практическое применение.

2.Фтористо-литиевый резист (LiF), легированный молеку-

лами AIF3. На облученных участках резист улетучивается. Для слоя резиста толщиной 40 нм получено разрешение 3-4 нм при таком же расстоянии между линиями. Для LiF необходима доза облучения в 30 раз больше, чем для ПММА-резиста.

3.Органические резисты, например α-метилстирол. Разрешающая способность ≤ 10 нм при толщине резистов 20-30 нм. Однако чувствительность на порядок ниже, чем у ПММАрезиста.

Пример применения ЭЛЛ для формирования нанострук-

тур. Изготовлялись квантовые проволоки In0,53Ga0,47As высокого качества при помощи пучков электронного микроскопа

(200 кВ). Для таких высоких энергий электронов эффект близости значительно ослабляется, что позволяет получать низкоразмерные структуры с малым периодом. На буферный слой InP толщиной 200 нм эпитаксиальным методом наращивался слой InGaAs толщиной 5 нм, а затем - слой InP толщиной 8 нм. Квантовая яма образована слоем узкозонного InGaAs между двумя широкозонными слоями InP. На верхний слой InP наносился слой резиста ПММА толщиной 100 нм и экспонировалась система параллельных полос шириной 15 нм с расстоянием между ними 60 нм. После проявления резиста сверху наносился слой золота толщиной 20 нм. Затем резист, оставшийся после проявления, покрытый золотом, удалялся, и на верхнем слое InP оставались полоски золота шириной 15 нм, служившие масками при последующем травлении. Травлением удалялся материал между масками с заходом в нижний слой InP. В результате из квантовой ямы вырезались квантовые проволоки шириной 16-18 нм. Слой InGaAs толщиной 5 нм расположен на 8 нм ниже верха структуры.

При ориентации проволок в направлении [011] стенки проволок были практически вертикальными. На рис. 4.5 при-

42

ведена микрофотография рассматриваемой структуры, полученная с помощью сканирующего электронного микроскопа.

Рис. 4.5. Электрономикрофотография квантовых проволок, полученных с помощью ЭЛЛ

Увеличение производительности сканирующей ЭЛЛ. Как уже отмечалось, промышленные установки с высоковольтными пучками обеспечивают разрешение 30 нм. Исследования показывают, что, в принципе, возможно достичь разрешения менее 10 нм. Однако производительность сканирующей ЭЛЛ низка, она ограничена скоростью сканеров, а последняя во многом зависит от чувствительности резиста. Один из способов увеличения производительности - использование матрицы параллельных электронных пучков для формирования рисунка на большой площади (рис. 4.6). Указанные пучки создаются системой электронных микропушек. Микропушки содержат источники электронов, фильтры, микролинзы. Использование матриц предъявляет жесткие требования к характеристикам каждого источника электронов по интенсивности и методам управления пучком. Уменьшение времени экспонирования сдерживается ограничениями величины тока на пучок, так как источники должны работать при низких энергиях. Другой способ увеличения производительности - разработка высокочувствительных резистов.

43

Рис. 4.6. Схема матрицы параллельных электронных пучков для прямого нанесения рисунка на пластину

Проекционная электронно-лучевая литография SCALPEL.

Существенно более высокую производительность в наноэлектронном диапазоне может дать проекционная электроннолучевая литография, которую отличают высокое разрешение, большое поле изображения и значительная глубина фокуса. Применение этого метода сдерживало две причины: 1 - разогрев масок в результате поглощения электронов падающего пучка непрозрачными участками; 2 - отсутствие электронной оптики, которую не требовалось бы менять в связи с увеличением диаметра пластины и уменьшением минимальных размеров элемента.

В 1997-1999 гг. фирмой Bell Laboratories - Lucent Technologies разработана новая проекционная ЭЛЛ, не имеющая указанных недостатков; она названа «SCALPEL» (Scattering with Angular Limitation Projection Electron beam Litography - про-

екционная электронно-лучевая литография с ограничением по углу рассеяния). Разработки производились с расчетом на промышленное применение. Программа SCALPEL - комплексная и включает разработку литографического оборудования, масок и резистов. Главное отличие метода SCALPEL - в конструкции масок и методике экспонирования. В соответствии с конструк-

44