eng
Выпуск #3/2015
М.Шибата, Т.Обата, Х.Ой
Изготовление наноустройств на установках электронно-лучевой литографии высокого разрешения
Изготовление наноустройств на установках электронно-лучевой литографии высокого разрешения
Просмотры: 4805
Японская корпорация Crestec разработала систему электронно-лучевой литографии высокого разрешения CABL-UH. В статье рассматриваются концепция, характеристики и потенциальные области применения этой системы.
DOI: 10.22184/1993-8578.2015.57.3.70.75
DOI: 10.22184/1993-8578.2015.57.3.70.75
Теги: electron beam lithography nanodevice fabrication производство наноустройств электронно-лучевая литография
Нанотехнологии – одно из наиболее инновационных направлений техники, которое создает предпосылки для прорывов во многих областях: информационных технологиях, биотехнологиях, энергетике, экологии и т.д. Корпорация Crestec способствует развитию нанотехнологий, создавая системы ЭЛЛ, которые позволяют изготавливать устройства с наноразмерной структурой. В частности, Crestec разработала однолучевые электронные литографы с трехкоординатным (XYZ) столом серии CABL-9000C (ускоряющее напряжение до 50 кВ) и серии CABL-UH (ускоряющее напряжение до 130 кВ), а также двухкоординатным (X-theta) столом серии CEBR-3000. Кроме того, Crestec разрабатывает высокопроизводительные системы многолучевой литографии для масочной и безмасочной технологии.
Рассмотрим концептуальные решения, заложенные в оборудование Crestec, его возможности и потенциальные области применения.
Концепция оборудования
Серия CABL-UH разработана для задач, требующих экспонирования с высоким уровнем разрешения, стабильности и надежности. Для обеспечения высокого разрешения и малого размера пятна луча ускоряющее напряжение до 130 кВ сочетается с применением электронной пушки, которая выполняет одноступенчатый разгон потока электронов с минимальным кулоновским рассеянием [1]. Так как для стабильности и надежности работы электронной пушки основной проблемой являются микроразряды, причем считается, что при одноступенчатом разгоне электронов они происходят чаще, чем в пушках с многоступенчатой системой разгона, специалисты Crestec использовали в конструкции специальные функциональные материалы, что позволило исключить данное явление. Кроме того, влияние на работу рассеивающего магнитного поля, отклонений температуры и вибраций минимизировано без использования специальной защиты рабочего помещения. Благодаря перечисленным особенностям конструкции системы CABL-UH коэффициент готовности может превышать 90%.
Характеристики
Основные характеристики оборудования представлены в таблице. Серия включает три модели: CABL-UH90, CABL-UH110 и CABL-UH130 с максимальным ускоряющим напряжением 90, 110 и 130 кВ соответственно. Ускоряющее напряжение может регулироваться с шагом 5 кВ. Минимальный размер пятна луча составляет 1,6 нм при напряжении 130 кВ (рис.1). При силе тока луча 2 нА размер пятна не превышает 2 нм. При напряжении 130 кВ минимальная ширина линии составляет 7 нм. Погрешность совмещения и наложения элементов изображения: 20 нм для поля 60 мкм и 35 нм для поля 120 мкм. Отклонение значения тока электронного луча (стабильность луча) составляет менее ±0,5% в течение 10 ч работы, причем измерение этого значения на практике показало значительно более высокую точность: ±0,08% за 48 ч (рис.2). Погрешность позиционирования луча не превышает ±30 нм в течение пяти часов работы.
Система ЭЛЛ CABL-UH при работе с негативными резистами
Малый размер пятна луча позволяет формировать наноразмерные структуры полевых транзисторов, МОП-систем, фотонных кристаллов, оптических модуляторов, штампов для наноимпринтинга и др. В отличие от систем оптической литографии, CABL-UH позволяет сделать процесс одностадийным, исключая дополнительные операции (травление и др.). Возможно прямое получение тонких структур нанометровых размеров. Рассмотрим несколько примеров работы с негативным резистом.
Качество воспроизведения изолированных линий и линейчатых структур (чередований линий с пробелами) характеризуют разрешение экспонирования. В экспериментах с использованием в качестве резиста каликсарена толщиной 20 нм минимальная толщина линий составила 7 нм (рис.3a), причем при работе с резистом меньшей толщины это значение может быть снижено.
Также были проведены тесты с применением негативного резиста из водородного силсесквиоксана (HSQ) толщиной 30 нм. Для улучшения разрешения предварительная термообработка не проводилась. Ускоряющее напряжение при экспонировании составило 110 кВ, ток луча – 60 пА. При экспонировании линейчатой структуры – задаче, которую часто приходится решать при производстве БИС и фотонных устройств – были четко воспроизведены элементы шириной 10 м (рис.3b). На практике в подобных структурах нередко удается получить и элементы шириной менее 10 нм. На рис.3с видно, что, хотя границы линий начали терять четкость и контраст ухудшился, но качество приемлемо для практики. Для улучшения воспроизведения линейчатых структур в системах CABL-UH реализован эффект коррекции близости – алгоритм PEC (Proximity effect correction).
Система ЭЛЛ CABL-UH при работе с позитивными резистами
Позитивные резисты широко используются в ЭЛЛ. Поскольку электроны рассеиваются в резисте, сложно оценивать размеры элементов, с высокой точностью известна только толщина слоя. В экспериментах использовался позитивный резист достаточно большой толщины. Из-за высокого ускоряющего напряжения электронный луч в CABL-UH относительно слабо рассеивается, поэтому формируемые элементы имеют ровные стенки, что благоприятно для глубокого реактивного ионного травления, а также lift-off процесса.
Позитивный резист ZEP-520A (Nihon ZEON) толщиной 1,4 мкм был нанесен на поверхность кремниевой пластины методом центрифугирования с последующей предварительной термообработкой. Максимальное ускоряющее напряжение 130 кВ использовалось для создания глубоких прямых канавок (рис.4a). Ток электронного луча составлял 200 пА. Хотя кулоновское рассеяние вызвало увеличение диаметра луча, ширина в нижней части экспонировавшегося элемента составила 80 нм. При таких параметрах применение глубокого реактивного ионного травления позволяет получать высококачественную микроструктуру.
В производстве мощных быстродействующих транзисторов типичной задачей является получение Т-образных структур. В транзисторах с высокой подвижностью электронов (HEMT) верхняя часть такой структуры образуется металлическим массивом, который служит для передачи высокочастотного сигнала и соединен с тонкой проволокой. В традиционной технологии для получения такой структуры необходимо провести несколько экспонирований, а CABL-UH позволяет обойтись одной операцией.
При подготовке материала для эксперимента два слоя резиста ZEP-520A были разделены буферным слоем из полиметилглютаримида (PMGI). Используя различные режимы проявки слоев резиста, можно сформировать ступенчатую структуру. Вначале было выполнено экспонирование центральной линии, при котором резист был удален до поверхности пластины. Уменьшение тока луча до 20 пА позволило сформировать элемент шириной 50 нм. Проявка верхнего слоя резиста выполнялась с использованием обычных химикатов, затем был удален буферный слой, затем – нижний слой ZEP-520A (рис.4b). После обработки поверхности полученная структура будет готова для нанесения функциональных покрытий.
Заключение
Система CABL-UH характеризуется сочетанием высокого разрешения, стабильности и надежности. Проведенные эксперименты показали, что при использовании и позитивных, и негативных резистов CABL-UH может эффективно использоваться в производстве полевых и HEMT-транзисторов, МОП-систем, фотонных кристаллов, оптических модуляторов, штампов для наноимпринтинга.
Литература
Okino T. et al. 130 kV High-Resolution Electron Beam Lithography System for Sub-10-nm Nanofabrication. Japanese Journal of Applied Physics 52, 06GB01, 2013.
Рассмотрим концептуальные решения, заложенные в оборудование Crestec, его возможности и потенциальные области применения.
Концепция оборудования
Серия CABL-UH разработана для задач, требующих экспонирования с высоким уровнем разрешения, стабильности и надежности. Для обеспечения высокого разрешения и малого размера пятна луча ускоряющее напряжение до 130 кВ сочетается с применением электронной пушки, которая выполняет одноступенчатый разгон потока электронов с минимальным кулоновским рассеянием [1]. Так как для стабильности и надежности работы электронной пушки основной проблемой являются микроразряды, причем считается, что при одноступенчатом разгоне электронов они происходят чаще, чем в пушках с многоступенчатой системой разгона, специалисты Crestec использовали в конструкции специальные функциональные материалы, что позволило исключить данное явление. Кроме того, влияние на работу рассеивающего магнитного поля, отклонений температуры и вибраций минимизировано без использования специальной защиты рабочего помещения. Благодаря перечисленным особенностям конструкции системы CABL-UH коэффициент готовности может превышать 90%.
Характеристики
Основные характеристики оборудования представлены в таблице. Серия включает три модели: CABL-UH90, CABL-UH110 и CABL-UH130 с максимальным ускоряющим напряжением 90, 110 и 130 кВ соответственно. Ускоряющее напряжение может регулироваться с шагом 5 кВ. Минимальный размер пятна луча составляет 1,6 нм при напряжении 130 кВ (рис.1). При силе тока луча 2 нА размер пятна не превышает 2 нм. При напряжении 130 кВ минимальная ширина линии составляет 7 нм. Погрешность совмещения и наложения элементов изображения: 20 нм для поля 60 мкм и 35 нм для поля 120 мкм. Отклонение значения тока электронного луча (стабильность луча) составляет менее ±0,5% в течение 10 ч работы, причем измерение этого значения на практике показало значительно более высокую точность: ±0,08% за 48 ч (рис.2). Погрешность позиционирования луча не превышает ±30 нм в течение пяти часов работы.
Система ЭЛЛ CABL-UH при работе с негативными резистами
Малый размер пятна луча позволяет формировать наноразмерные структуры полевых транзисторов, МОП-систем, фотонных кристаллов, оптических модуляторов, штампов для наноимпринтинга и др. В отличие от систем оптической литографии, CABL-UH позволяет сделать процесс одностадийным, исключая дополнительные операции (травление и др.). Возможно прямое получение тонких структур нанометровых размеров. Рассмотрим несколько примеров работы с негативным резистом.
Качество воспроизведения изолированных линий и линейчатых структур (чередований линий с пробелами) характеризуют разрешение экспонирования. В экспериментах с использованием в качестве резиста каликсарена толщиной 20 нм минимальная толщина линий составила 7 нм (рис.3a), причем при работе с резистом меньшей толщины это значение может быть снижено.
Также были проведены тесты с применением негативного резиста из водородного силсесквиоксана (HSQ) толщиной 30 нм. Для улучшения разрешения предварительная термообработка не проводилась. Ускоряющее напряжение при экспонировании составило 110 кВ, ток луча – 60 пА. При экспонировании линейчатой структуры – задаче, которую часто приходится решать при производстве БИС и фотонных устройств – были четко воспроизведены элементы шириной 10 м (рис.3b). На практике в подобных структурах нередко удается получить и элементы шириной менее 10 нм. На рис.3с видно, что, хотя границы линий начали терять четкость и контраст ухудшился, но качество приемлемо для практики. Для улучшения воспроизведения линейчатых структур в системах CABL-UH реализован эффект коррекции близости – алгоритм PEC (Proximity effect correction).
Система ЭЛЛ CABL-UH при работе с позитивными резистами
Позитивные резисты широко используются в ЭЛЛ. Поскольку электроны рассеиваются в резисте, сложно оценивать размеры элементов, с высокой точностью известна только толщина слоя. В экспериментах использовался позитивный резист достаточно большой толщины. Из-за высокого ускоряющего напряжения электронный луч в CABL-UH относительно слабо рассеивается, поэтому формируемые элементы имеют ровные стенки, что благоприятно для глубокого реактивного ионного травления, а также lift-off процесса.
Позитивный резист ZEP-520A (Nihon ZEON) толщиной 1,4 мкм был нанесен на поверхность кремниевой пластины методом центрифугирования с последующей предварительной термообработкой. Максимальное ускоряющее напряжение 130 кВ использовалось для создания глубоких прямых канавок (рис.4a). Ток электронного луча составлял 200 пА. Хотя кулоновское рассеяние вызвало увеличение диаметра луча, ширина в нижней части экспонировавшегося элемента составила 80 нм. При таких параметрах применение глубокого реактивного ионного травления позволяет получать высококачественную микроструктуру.
В производстве мощных быстродействующих транзисторов типичной задачей является получение Т-образных структур. В транзисторах с высокой подвижностью электронов (HEMT) верхняя часть такой структуры образуется металлическим массивом, который служит для передачи высокочастотного сигнала и соединен с тонкой проволокой. В традиционной технологии для получения такой структуры необходимо провести несколько экспонирований, а CABL-UH позволяет обойтись одной операцией.
При подготовке материала для эксперимента два слоя резиста ZEP-520A были разделены буферным слоем из полиметилглютаримида (PMGI). Используя различные режимы проявки слоев резиста, можно сформировать ступенчатую структуру. Вначале было выполнено экспонирование центральной линии, при котором резист был удален до поверхности пластины. Уменьшение тока луча до 20 пА позволило сформировать элемент шириной 50 нм. Проявка верхнего слоя резиста выполнялась с использованием обычных химикатов, затем был удален буферный слой, затем – нижний слой ZEP-520A (рис.4b). После обработки поверхности полученная структура будет готова для нанесения функциональных покрытий.
Заключение
Система CABL-UH характеризуется сочетанием высокого разрешения, стабильности и надежности. Проведенные эксперименты показали, что при использовании и позитивных, и негативных резистов CABL-UH может эффективно использоваться в производстве полевых и HEMT-транзисторов, МОП-систем, фотонных кристаллов, оптических модуляторов, штампов для наноимпринтинга.
Литература
Okino T. et al. 130 kV High-Resolution Electron Beam Lithography System for Sub-10-nm Nanofabrication. Japanese Journal of Applied Physics 52, 06GB01, 2013.
Отзывы читателей
