Micro e nanotecnologia/Microtecnologia/Tecniche litografiche/Litografia elettronica

La litografia elettronica è una tecnica di scrittura che utilizza un pennello di elettroni per disegnare una superficie coperta con un resist. Il resist elettronico ha proprietà simili ai resist ottici, in quanto le zone esposte agli elettroni o vengono dissolte dallo sviluppo (resist positivo) o risultano insolubili nello sviluppo (resist negativo). Alcuni resist ottici possono essere usati come resist elettronici.

Il vantaggio della litografia elettronica rispetto a quella ottica, consiste nel poter aggirare il limite imposto dalla diffrazione della luce, permettendo di fabbricare dispositivi di dimensioni nanometriche. Questo tipo di litografia senza maschera viene utilizzato per la fabbricazione di fotomaschere, prototipi di componenti elettronici e nel campo della ricerca e sviluppo.

Lo svantaggio principale di questa tecnica, è rappresentato dal lungo tempo necessario per esporre una grande area, come ad esempio un grande wafer con un grande numero di dispositivi. Questo lungo tempo di esposizione rende il processo costoso e delicato, in quanto durante l'esposizione deve essere garantita una elevata stabilità del fascio elettronico.

Sistemi di litografia elettronica

La litografia elettronica nasce dalla modifica di un microscopio elettronico a scansione. Tuttora nei laboratori di ricerca, utilizzando una semplice elettronica di controllo del costo commerciale di poche decine di migliaia di Euro, si riesce a realizzare litografia elettronica su una piccola area di esposizione. Tali sistemi sono utilizzati per piccoli campioni, sono molto lenti e difficilmente raggiungono risoluzione migliori di qualche decina di nm.

Sistemi commerciali, dedicati, con sofisticati sistemi di controllo della posizione sia orizzontale che della planarità, con elevata velocità di scansione del fascio (decine di MHz), in grado di esporre grandi aree fino a 25x 25 cm, sono utilizzati sia nelle industrie che producono maschere che in laboratori avanzati di ricerca. Il costo di tali apparecchiature può arrivare fino a una decina di milioni di Euro, anche se esistono macchine commerciali di prestazioni inferiori (meno veloci, aree esposte più piccole) che possono essere acquistate per importi di circa un milione di Euro. I sistemi commerciali attualmente raggiungono un potere risolutivo di 10 nm.

I sistemi commerciali di litografia elettronica possono essere classificati in base alla strategia di scrittura. I sistemi utilizzati per ricerca e sviluppo, che debbono esporre piccole parti della superficie utilizzano una tecnica vettoriale di esposizione: il fascio, in genere di piccole dimensioni con profilo gaussiano, viene diretto nelle sole aree da esporre, bloccando il fascio tra una esposizione e l'altra.

Schema di un sistema a fascio di dimensioni variabili

Invece i sistemi utilizzati per la produzione di maschere, che richiedono l'esposizione di gran parte dell'area, usano la scansione (raster) linea per linea con fasci di forma controllata, la scansione è simile a quella di un tubo catodico di un televisore. Quindi i sistemi commerciali si classificano in vettoriali o raster (in genere quest'ultimi sono più sofisticati e quindi più costosi).

Sorgenti

I sistemi a bassa risoluzione possono usare sorgenti termoioniche che sono fatte o da filamenti di Tungsteno o preferibilmente LaB₆ (esaboruro di Lantanio). I sistemi con alta risoluzione usano sorgenti di elettroni ad emissione di campo, come un filamento riscaldato di W/ZrO₂. Queste sorgenti producono elettroni con valori di energia in un piccolo intervallo di valori ed elevata intensità. Le sorgenti riscaldate sono preferibili rispetto a quelle fredde, (malgrado la dimensione del fascio sia più grande) in quanto garantiscono una maggiore stabilità nel tempo: tale proprietà è un fattore chiave dato il lungo tempo di scrittura.

Lenti

Sia lenti magnetiche che elettrostatiche sono utilizzate per focalizzare il fascio. Tuttavia le lenti elettrostatiche hanno una maggiore aberrazione e quindi vengono usate nella focalizzazione più grossolana, mentre la focalizzazione più spinta viene ottenuta con lenti magnetiche (cioè quadripoli magnetici che focalizzano gli elettroni grazie alla forza di Lorentz). La deflessione dipende dall'energia degli elettroni e quindi non è possibile fare delle lenti per elettroni acromatiche. Per evitare tale aberrazione, che compromette la risoluzione, l'accuratezza di scrittura e la focalizzazione, l'energia degli elettroni deve avere un dispersione molto stretta.

Area esposta e accuratezza

La scansione del fascio viene ottenuta mediante la deflessione con l'uso delle lenti elettrostatiche. Per evitare fenomeni di aberrazione e a causa del numero limitato di passi nella griglia di scrittura tale deflessione viene limitata a poche centinania di micron. Per scrivere su aree maggiori bisogna che il wafer venga mosso meccanicamente con un accurato controllo della posizione, in maniera che aree contigue si sovrappongano perfettamente. In genere degli interferometri laser misurano con elevata precisione la posizione del campione da esporre. Il riallineamento di strati successivi raggiunge elevati valori di accuratezza spesso migliori di 100 nm.

Tempo di scrittura

Il tempo minimo per esporre una data area dipende dalla sensibilità del resist. La sensibilità del resist elettronico ha le dimensioni di una carica per unità di superficie. Un resist positivo molto comune il PMMA ha sensibilità di circa 10^-3 C/cm². Questo significa che se ho una superficie di 1 cm² da esporre sarà necessaria una carica totale 10^-3 C per esporre tale area; se la corrente usata è di 10 nA, occorreranno 10⁵ s per esporre tale area. Tale tempo non include il tempo necessario per muovere la superficie da esporre, interrompere il fascio tra posizioni non contigue e per le calibrazioni intermedie interrompendo l'esposizione. Per ricoprire l'area di un wafer da 12" sarebbe necessario un tempo di 7*10⁷ s, circa 2.2 anni!. Tale tempo è un milione di volte maggiore del tempo di esposizione mediante litografia ottica. Il conto è stato esagerato volutamente, in quanto difficilmente è necessario su tutta l'area una risoluzione spinta come quella permessa usando una piccola corrente. Usando correnti più elevate nelle zone meno importanti si può ridurre sensibilmente il tempo di scrittura. Vi è da aggiungere che per la fabbricazione di maschere i resist usati sono negativi è hanno sensibilità così basse come 10^-6 C/cm².

Attualmente tale tecnologia non pare sia utilizzabile per la produzione su larga scala di aree con elevata densità di area esposta. Il procedimento di scrittura essendo seriale rende la generazione delle strutture estremamente lenta; la litografia ottica è invece una tecnica parallela, anche se gli stepper riducenti sono parzialmente seriali e ogni area sequenziale esposta è di molti mm². Quindi uno stepper con riduzione 5X impiega pochi minuti per esporre un wafer di 300 mm, mentre per ottenere la stessa esposizione con la litografia elettronica con una risoluzionde di 100 nm, sono necessari giorni di esposizione.

Sono stati previsti sistemi innovativi a fasci multipli che permetterebbero di raggiungere velocità di scrittura molto più elevate.

Difetti nella litografia elettronica

Nonostante la alta risoluzione della litografia basata su fasci di elettroni, vi sono dei difetti che nascono nel processo di scrittura classificabili come difetti di scrittura e difetti fisici.

I difetti di scrittura possono essere dovuti alla non corretta deflessione del fascio e nel caso di fasci con forma variabile la forma può risultare deformata in maniera non propria: tali difetti dipendono sia dall'elettronica di controllo degli elettroni, come dalla trasmissione dei dati digitali. Spesso i file che contengono le informazioni di scrittura sono molto grandi e quindi suscettibili statisticamente di errori.

Altri difetti possibili hanno una origine da effetti fisici. Il caso più facile da comprendere è un difetto causato localmente dall'accumulo di cariche, gli elettroni a differenza dei fotoni hanno una carica elettrica, per evitare questo tipo di difetto un leggero strato metallico che ricopre tutta la superficie da esporre evita problemi. Lo spessore dello strato metallico deve essere abbastanza sottile da non assorbire in maniera significativa il fascio di elettroni, e d'altro canto essere facilmente rimovibile dopo l'esposizione. La tecnica di ricoprire campioni isolanti con un leggero strato metallico è in realtà mutuata dalle tecniche dei microscopi elettronici a scansione. Il fenomeno dello scattering degli elettroni che dipende dall'energia degli elettroni e dal materiale è un'altra causa di difetti, il fenomeno comune a tutte le particelle energetiche è causa dalla causalità dell'urto. A causa di tale fenomeno un elettrone viene deviato nel suo cammino perdendo via via energia e causando un allargamento effettivo dell'area esposta. Quando bisogna disegnare dispositivi nanometrici di tale effetto indesiderato che viene chiamato effetto di prossimità: in quanto aree prossime al fascio anche se non attraversate ricevono una dose di elettroni, mediante simulazione numerica è possibile correggere tale difetti. Gli effetti di degassamento e di contaminazione dovuti al fascio sono in genere meno importanti. Mentre se la durata dell'esposizione è eccessiva le dilatazioni termiche dovute alla non stabilità della temperatura possono causare difetti.