Micro-Nano Processing | Principes de la lithographie par faisceau d'électrons

La lithographie par faisceau d'électrons présente l'avantage de pouvoir fabriquer des composants avec des caractéristiques plus petites que celles des techniques optiques. La taille des caractéristiques du composant est essentiellement limitée par la longueur d'onde de l'onde lumineuse utilisée. La taille du spot du faisceau d'électrons utilisé dans la lithographie par faisceau d'électrons peut varier de quelques nanomètres à plusieurs centaines de nanomètres, en fonction de l'application. Un électron a une longueur d'onde deBroglie de

où Vb est la tension d'accélération. La plupart des systèmes à faisceaux d'électrons fonctionnent à des tensions supérieures à 1 kV, et la longueur d'onde des électrons dans la lithographie à faisceaux d'électrons n'a pas d'effet sur la résolution qui peut être atteinte.

Les systèmes de lithographie par faisceau d'électrons sont largement utilisés pour la fabrication de masques de lithographie, de prototypes de principe avancés et pour la recherche et le développement scientifiques à l'échelle nanométrique. Les systèmes de lithographie par faisceau d'électrons les plus modernes permettent de transférer des graphiques (par des techniques de décapage du métal, de gravure ou d'ajout de couleurs) d'une taille limite inférieure à 10 nm à une résolution ultra-élevée. En outre, ces motifs peuvent être traités sur une large gamme de matériaux, tels que les semi-conducteurs comme le Si et le GaAs, la silice fondue, le diamant amorphe, les isolants comme le SiO2 et le SiN, et divers métaux.

La lithographie ordinaire par faisceau d'électrons est le balayage déterministe d'une surface de réserve sensible aux électrons par un faisceau d'électrons très focalisé. La lithographie par faisceau d'électrons peut utiliser une variété de résistances positives et négatives. Dans les systèmes de lithographie à haute résolution, une source d'émission à champ chaud est souvent utilisée, telle qu'un émetteur ZrO/W pour former un faisceau d'électrons. Plusieurs étages de lentilles électrostatiques et/ou magnétiques focalisent le faisceau d'électrons et le façonnent à l'intérieur du canon à électrons, en utilisant des bobines de déflexion électromagnétiques pour balayer le faisceau sur le champ de vision effectif (valeurs typiques de 0,1 à 1 mm sur un côté, en fonction des paramètres du système et du faisceau d'électrons). Les systèmes de lithographie par faisceaux d'électrons sont généralement utilisés à l'aide d'une table d'interférence laser afin de déplacer l'échantillon pendant les expositions dans différents champs de travail. Lorsque la table d'interférence est déplacée, les franges d'interférence sont calculées de manière à minimiser les erreurs d'épissage ou les erreurs de décalage entre les plages d'écriture de faisceaux adjacents (moins de 20 nm). Un ensemble de masques de faisceau électrostatiques est également utilisé pour dévier le faisceau d'électrons hors du chemin optique des électrons lorsque cela est nécessaire.

Un système informatique est utilisé pour contrôler la bobine de déflexion, ce qui permet l'inscription graphique et le contrôle du masque, et permet finalement d'ajuster l'exposition électronique incidente sur une ouverture carrée particulière. L'équation de l'exposition de la surface peut s'écrire simplement comme suit

Dose x surface = courant du faisceau d'électrons x temps de séjour = nombre total d'électrons incidents

Comme on peut le constater en augmentant et en diminuant les valeurs d'exposition, de temps d'exposition et de courant de faisceau d'électrons, le plus grand inconvénient de la lithographie par faisceau d'électrons est que le processus d'exposition en série entraîne des temps de gravure plus longs. Avec un courant de faisceau haute résolution d'environ 500pA, et en supposant un polyméthacrylate de méthyle 495K (PMMA) de 300nm d'épaisseur (environ 1000μC/cm2 pour une coupure de tension d'accélération de 50kV), un générateur de motif de 25MHz, et une taille de trou de 10nm, il faudrait environ 5,5h pour graver une surface de 1cm2 (50% de la surface couverte). Si l'on ajoute le temps de déplacement de l'interféromètre et le temps d'arrêt du faisceau d'électrons, c'est-à-dire le temps d'attente entre les déflexions pour stabiliser le faisceau d'électrons, il est clair que l'inscription d'une grande surface graphique prendra beaucoup de temps.

L'utilisation de marques d'alignement permet d'aligner le motif de lithographie par faisceau d'électrons sur les caractéristiques existantes de l'échantillon. Ces marques peuvent être enduites ou gravées et sont généralement des formes géométriques simples ou des croix. Elles doivent être imagées par des électrons rétrodiffusés à fort contraste, et sont donc généralement composées de métal (par exemple, de l'or) ou de structures de surface gravées. L'opérateur prépare ensuite des fichiers de travail qui reconnaissent et utilisent les marques existantes sur la surface du substrat pour déterminer et compenser les erreurs de rotation, de gain et de position.