Электронно‑лучевая литография (Electron Beam Lithography, далее — EBL) является фундаментальным инструментом современной полупроводниковой промышленности и области микро‑ и нанообработки; это единственный метод нанофабрикации, позволяющий исследовать такие перспективные технологии, как квантовые вычисления и двумерные материалы. Благодаря своей наноразрешающей способности — до 2 нм — и преимуществу прямой записи без масок, EBL незаменима в высокотехнологичном производстве полупроводников, создании квантовых устройств и в передовых научных исследованиях. В настоящей статье представлен систематический обзор физических основ EBL, её технологической классификации, ключевых вызовов и инновационных приложений; с учётом последних достижений, включая коррекцию эффекта близости, рассматриваются узкие места её промышленного внедрения и перспективы дальнейшего развития.

1. Технический контекст

Мы в предыдущей статье Краткий обзор развития технологии фотолитографии В тексте упоминается, что разрешение литографии ограничено критерием Рэлея:

В современных технологиях литографии, использующих экстремально‑ультрафиолетовую литографию (EUV), уже преодолён предел оптической дифракции — достигнута разрешающая способность 13,5 нм, при этом за одну экспозицию можно напрямую формировать плотные структуры на уровне 7 нм. Некоторые могут задаться вопросом: если сегодня на рынке уже возможно массовое производство чипов по технологии EUV с топологическим размером 7 нм, зачем тогда продолжать развивать электронно‑лучевую литографию (EBL)? Это весьма резонный вопрос! Несмотря на то что EUV‑литография позволяет эффективно выпускать чипы по техпроцессам 7 нм и более узким, разработка EBL не только не прекращается, но и остаётся незаменимой в ключевых областях. Основная причина кроется в фундаментальном различии их назначения: EUV является основным инструментом массового производства, тогда как EBL — движущая сила, позволяющая далее продвигать закон Мура. Без EBL невозможно получить маски для EUV, а разработка технологий ниже 3 нм застопорится; кроме того, EBL остаётся единственным методом нанофабрикации, позволяющим исследовать такие перспективные направления, как квантовые вычисления и двумерные материалы. EUV ориентирован на «экономику массового производства», тогда как EBL решает задачу «возможности создания с нуля». EUV подобна высокоскоростному печатному станку, способному быстро изготавливать готовые издания; а EBL — это авторское перо: без него не появятся новые идеи и открытия. Обе технологии взаимно дополняют друг друга и вместе формируют настоящее и будущее микрочиповой индустрии. Следует ясно отметить, что электронно‑лучевая литография не заменяет оптическую, а является её продолжением и дополнением.

2. Определение и основные принципы электронно-лучевой литографии

EBL — это технология высокоточного формирования рисунков на подложке, покрытой электронно‑чувствительным материалом (например, фоторезистом PMMA или HSQ), с использованием сфокусированного электронного пучка. Основной принцип заключается в управлении отклонением электронного пучка при помощи отклоняющих катушек, что позволяет осуществлять сканирующее экспонирование. После облучения электронами химические свойства фоторезиста изменяются: он либо растворяется в проявляющем растворе (положительный резист), либо не растворяется в нём (отрицательный резист). В результате проявки на подложке формируется необходимая микро‑ и наноструктура.

Сущность электрона — это заряженная частица; согласно формуле длины волны де Бройля:

Здесь V — это ускоряющее напряжение (в киловольтах). Чем выше ускоряющее напряжение, тем короче длина волны электронов. Например, при 100 кВ длина волны составляет всего 0,12 нм (длина волны оптического ультрафиолетового излучения — несколько сотен нанометров).

Теоретически возможно достижение атомного разрешения.

3. Ключевые вызовы

В практическом применении из‑за ограничений, обусловленных эффектом рассеяния, фактическая ширина линий на экспонированном рисунке оказывается больше теоретического значения. Например, даже имея острое перо, при письме чернила неизбежно растекаются по бумаге в непредсказуемых направлениях, в результате чего линии становятся шире. В электронно‑лучевой литографии наблюдается аналогичная ситуация — это явление называют «прямым рассеянием». Основной механизм прямого рассеяния заключается в том, что падающие электроны, проникая в фоторезист, взаимодействуют с электронами и молекулами фоторезиста, вызывая отклонение под малыми углами; вследствие этого электронный луч распространяется в фоторезисте, диаметр пятна расширяется, а экспонированные линии становятся шире. Помимо влияния прямого рассеяния, существует также обратное рассеяние: после прохождения электронного луча через фоторезист он сталкивается с тяжёлыми ядрами подложки (например, SiO2), что приводит к рассеянию под большими углами; это явление называют «обратным рассеянием». Для наглядности можно представить: электроны — это мячики для настольного тенниса, фоторезист — воздух, а подложка — земля; мячик легко проходит сквозь воздух, но, столкнувшись с землёй, отскакивает и снова попадает в воздух. Этот процесс отражения как раз и соответствует микроскопическому обратному рассеянию электронов.

В процессе реальной экспозиции соседние области, вследствие прямого и обратного рассеяния электронов, приводят к повышению дозы в плотных участках, что вызывает пересвет. Если же уменьшить дозу в плотных зонах, это, в свою очередь, приведёт к недостаточной дозировке на границах. Чтобы решить эту проблему, необходимо воспользоваться ещё одной важной технологией электронно‑лучевой литографии — коррекцией эффекта близости.

Мы можем приблизительно построить модель распределения интенсивности энергии, которая представляет собой суперпозицию двух гауссовых распределений.

σf: параметр диапазона прямого рассеяния, связанный с разрешением экспозиции.

σb: параметр диапазона обратного рассеяния, влияющий на эффект ближнего поля.

η: отношение энергии обратного рассеяния к энергии прямого рассеяния.

Процесс воздействия электронов на фоторезист можно условно разделить на два этапа: первый — когда падающие электроны и прямые рассеянные электроны одновременно воздействуют на фоторезист; второй — когда обратно рассеянные электроны, отражённые от подложки, во второй раз воздействуют на фоторезист. При экспонировании электронным пучком напряжением 30 кВ основная энергия экспонирования приходится на падающие электроны и прямые рассеянные электроны, тогда как влияние обратно рассеянных электронов относительно невелико. У электронного пучка с энергией 100 кВ угол прямого рассеяния меньше, чем у пучка 30 кВ, однако диапазон обратного рассеяния шире; это означает, что у 100‑кВ‑го пучка эффект ближнего поля проявляется более выраженно. В EBL‑продукте компании «ZEPTOOLS» — ZEL304G — технология коррекции эффекта ближнего поля уже интегрирована в основной программный интерфейс; она поставляется вместе с оборудованием в качестве стандартной комплектации, поэтому клиентам не требуется дополнительно оплачивать отдельную лицензию на соответствующее ПО.

4. Инновационные приложения

Электронно‑лучевая литография, хотя и не требует фотомасок, из‑за особенностей сканирующего экспонирования характеризуется низкой производительностью при изготовлении микросхем. Тем не менее, благодаря сверхвысокому разрешению и гибкости проектирования она сегодня находит широкое применение, прежде всего в производстве фотомасок, в разработке перспективных квантовых устройств, а также в изготовлении специализированных полупроводниковых приборов — таких как высокочастотные устройства и MEMS‑датчики.

В условиях современных рыночных требований компания «ZEPTOOLS» чётко определила перспективные направления развития и в течение длительного времени ведёт исследовательскую работу в области применения EBL. На сегодняшний день мы обладаем богатым опытом в сфере гибридной литографии, а также широкими компетенциями в использовании различных фоторезистов, применении разнообразных технологий проявки и изготовлении устройств различных типов. В будущем мы продолжим внедрять инновационные технологии — такие как многолучевая литография и параллельная литография, — предлагая высокоточные и высокоэффективные решения. Ждём вашего неизменного внимания!

1. Литография на основе высокоэнергетического электронного пучка для наноразмерной литографии Цэн Шаунь У1, Ёсийуки Макиути2 и ЧииДон Чэнь3
2. Электронно-лучевая литография (EBL): вопросы и ответы. C Lighting / Ван Кай (WangK). [19.07.2024]
3. Литография электронным пучком. Франк КАРСЕНАК.[2024-06-02]
4. Всё, что следует знать о системах литографии электронным пучком [2021-02-25]