Электронный литограф Crestec

Метод электронно-лучевой литографии основан на изменении растворимости резиста в специальных растворителях после воздействия на них электронных пучков или лучей для облучения резистивных пленок. При воздействии луча на такую пленку разрушаются межатомные связи, что ведет к изменению его молекулярной структуры и изменению свойств растворимости. Таким образом можно прорисовывать на поверхности резиста изображение, текст и прочее, которое проявляется только после обработки полимера в проявителе.

Формирование пучка возбуждения происходит так-же, как в сканирующих электронных микроскопах, где испускаемые катодом частицы фокусируются на образце с помощью регулируемых электромагнитных линз. Форму пучка можно менять в зависимости от применения, например, точечный тип – круглый, с диаметром в несколько нанометров, используется для обработки паттернов размером менее 10 нм. С помощью высокоточной технологии позиционирования, включающей лазерную измерительную систему, можно корректировать нанесение рисунка, чтобы компенсировать ошибки, возникающие при остановке столика.

В последнее время мировой спрос на подобную технику растет, поскольку она используется в производстве широкого спектра микроэлектроники. Области применения могут варьироваться от производства датчиков, используемых для систем предотвращения столкновений автомобилей, до лазеров с распределенной обратной связью (DFB), которые используются в узлах связи для систем связи 5-го поколения (5G).

Создание шаблонов для электронной литографии

Создаются шаблонные данные с помощью САПР. Эти данные могут быть реплицированы на материал подложки системой EBL, что позволяет выполнять нанофабрикацию. Поскольку одной из целей в производстве полупроводниковых приборов является уменьшение размеров изделий, производители оборудования, используемого для производства полупроводников, должны разработать оборудование, которое может обеспечить меньший размер рисунка. Для проведения исследований по изготовлению наноимпринтных шаблонов необходимо добиться высокой точности позиционирования внутри подложки. Кроме того, для изготовления транзисторов, используемых в устройствах на миллиметровых волнах, шаблоны должны быть наложены на предварительно изготовленные материалы с высокой точностью.

Шаблон разрабатывается в соответствии с назначением чипа. Рисунок переносится на фотошаблон. Фотошаблон изготавливается путем нанесения слоя резиста на кварцевую подложку с хромовой пленкой и воздействием на нее ЭБ с образованием рисунка в резистивном покрытии, который появляется в процессе проявки. Травление затем выполняется с использованием этого резистивного рисунка в качестве защитной пленки для создания светозащитного слоя хрома.

Рисунок передается на пластину с помощью устройства для транскрипции фотографий, называемого шаговым устройством и сканером. Сетка эквивалентна пленке, а пластина похожа на бумагу. Большая разница между сеткой и пленкой заключается в том, что рисунок нарисованной схемы на сетке гораздо тоньше, чем изображение на пленке.

Принципы записи рисунка на образце

На данный момент существует три способа записи изображения в пленке резиста на поверхность образца: растровый, векторный, запись электронный лучом (с изменяющимся размером и формой сфокусированного пятна).

Смысл растровой записи заключается в последовательном прохождении электронным лучом всех линий пикселей. В нужных местах происходит экспонирование резиста, а в остальных точках происходит блокировка пучка электронов.

В векторной записи луч подается только на место, где требуется экспонирование, в другие же места он не подается. Это делает этот способ более быстрым, чем растровый.

В случае с записью электронным пучком с изменяющимся размером и формой электронного пучка нет смысла разделять рисунок на более мелкие части (растеризовать, разделять на пиксели), достаточно просто изменять форму самого пучка. При данном способе запись происходит еще быстрее.

Строение электронно-лучевого литографа

Составляющие части электронно–лучевых литографов (основные части литографа):

1. Электронно – оптической системы, которая создает, фокусирует и управляет положением электронного луча. От данной системы требуется иметь большую точность, чтобы погрешности в элементах и слоях рисунка была минимальна. Это система экспонирует резист, выполняет функцию измерительного инструмента, она определяет координаты слоев рисунка, которые ранее были нанесены на пластину. Для того чтобы данная система работала очень точно, надо выполнить ряд условий: должно быть выполнено термостатирование, изолирование от любых вибраций (виброизоляция); защита от внешних магнитных полей; защита системы электропитания и управления от помех в электрической сети.

2. Координатный стол с лазерным интерферометром. На нем размещают кремниевую пластину. Функция стола заключается в том, чтобы на нем максимально быстро и точно подставлять нужные участки для экспонирования электронным лучем. У него должна быть виброизоляция и защита от электромагнитных помех, возникающих во время перемещения.

3. Рабочая камера является неотъемлемой частью литографической установки. К ней присоединено шлюзовое устройство, которое отвечает за загрузку и выгрузку пластин, также присутствует вакуумная система. В состав входит специальная виброгасящая подвеска и защитный экран от внешних электромагнитных полей.

Пластина перекладывается специальным механизмом на координационный стол, где производится ее обработка. После окончания работ она отправляется в кассету на выгрузку. Загрузочное устройство запоминает нужное положение пластин на столе и воспроизводит его с точности до нескольких десяткой микрометров.

К литографической установке применяются требования по различному уровню вакуума у трех составляющих: рабочей камере с ЭОС давление 10*⁴ Па , шлюзовному устройству ~ 1 О*⁶ Па  и электронной пушке~ 10'² Па.

4. Устройства управления и электропитания. Установлены источники питания со стабилизатором постоянного напряжения и тока для питания магнитных линз, электронной пушки и других частей установки.

Принцип работы электронного луча

Электронные лучи облучаются от источника электронов и плотно фокусируются электронной линзой на материале, образуя чрезвычайно маленькое пятно. Данные рисунка для литографии хранятся на жестком диске компьютера, используемого для управления системой. Впоследствии эти данные передаются с жесткого диска в систему управления заглушкой и систему управления отклонителем луча через высокоскоростную систему обработки данных. Луч включается и выключается для рисования рисунка с помощью гасящей схемы и отклоняется в заданное положение с помощью работы отражающей схемы. Желаемая картина рисуется с использованием комбинации этого движения электронного луча и движения столика. 

Для точного управления движением столика используется лазерная интерференционная измерительная система. Этот тип точечно-лучевого прибора используется для исследований и разработок полупроводниковых компонентов нового поколения, а также для производства высокочастотных полупроводниковых приборов, фотопроводниковых приборов и т.д. Для изготовления визира используется устройство, использующее метод луча переменной формы. Эти устройства позволили совершить прорыв в высокоскоростной литографии, трансформировав концепцию формы луча из точки (пятна) в область (прямоугольник). В этом методе литографический узор делится на прямоугольники, и литография выполняется путем “штамповки” материала прямоугольным электронным пучком, размер которого может варьироваться. Этот тип устройства используется на производственной площадке ежедневно, как основное устройство для визирной литографии.

Использование электронно-лучевой литографии в работе с фотонными кристаллами

Обладая способностью расщеплять, сгибать, хранить и усиливать свет, “фотонные кристаллы " являются инновационными материалами, которые обладают большим потенциалом для свободного манипулирования светом и тем самым обеспечивают огромный скачок возможностей для электрических и электронных устройств. Поскольку свет обладает тем преимуществом, что он движется гораздо быстрее электронов и почти не ослабевает даже при больших расстояниях, предпринимались разнообразные попытки соединить его с электроникой. Однако, в то время как потоками электронов можно свободно манипулировать с помощью полупроводников, для света таких эквивалентных полупроводников не существовало. Фотонные кристаллы фактически служат "полупроводниками для света", которые позволяют манипулировать светом, как это можно сделать для электронов. 

Одним из примеров возможного применения фотонных кристаллов является оптико-проводной компьютер с внутренними подложками, выполненными из фотонных кристаллов. Для обычных подложек данные передаются электронами между компонентами, такими как процессор и память. Однако скорость электронов ограничена, и электроны обязательно генерируют тепло, что является одним из основных факторов, препятствующих повышению скорости компьютерной обработки. Однако при использовании подложек, изготовленных из фотонных кристаллов, данные могут переноситься светом между компонентами. Технологии хранения интенсивного света в одной точке с помощью фотонных кристаллов уже были изобретены. Развитие таких технологий в конечном счете позволит реализовать сегодняшнюю производительность суперкомпьютера в компьютере потребительского размера.

Ожидается, что фотонные кристаллы также вызовут революцию в полупроводниковых лазерах. В то время как полупроводниковая лазерная технология значительно продвинулась с точки зрения длины волны и времени, она отстает от других лазерных технологий, включая твердотельные лазеры и газовые лазеры с точки зрения мощности. Кроме того, его продвижение по службе давно назрело. Если когерентные операции большой площади будут полностью реализованы фотонно-кристаллическими лазерами, то ожидается, что будут возможны операции большой мощности с неизменно высоким качеством пучка, что вызовет новую революцию в области полупроводниковых лазеров. Возможные области их применения варьируются от обрабатывающей, автомобильной и чувствительной промышленности до зажигательных лазеров для ядерного синтеза. Его потенциальный объем рынка очень велик.

Ожидается, что фотонные кристаллы также вызовут обновление технологий тепловой эмиссии. Тепловое излучение здесь относится к явлению генерации света (электромагнитной волны) от нагретого объекта. В течение многих лет это явление использовалось в качестве основного принципа ламп и источников света для анализа. В этом смысле солнце также является тепловым излучателем, излучающим свет в чрезвычайно широком диапазоне от ультрафиолетового до инфракрасного света. Точно так же общие тепловые излучатели излучают широкий диапазон света, не необходимого для конкретных целей, и это значительно снижает эффективность использования света. Что делать, если тепловое излучение от объектов, может быть, сведено к желаемым длинам волн и желаемым ширинам линий без потерь энергии и управляться динамически и со сверхвысокими скоростями? Он позволит реализовать высокоэффективные и высокоскоростные источники инфракрасного света для различных целей анализа и значительно повысить эффективность термофотоэлектрической системы выработки электроэнергии.

Двумерный рисунок упорядоченно выровненных воздушных отверстий с нанесенными” искусственными дефектами". Участок, обозначенный как "Нанорезонатор" (между пунктирными линиями с более широкими интервалами пор на 10 мм), может дольше удерживать свет. Участок, обозначенный как "волновод" (его высота больше высоты нанорезонатора), служит для направления света извне к нанорезонатору. Поскольку диаметр пор и интервалы должны контролироваться в нанометрах, требуется прецизионное рисование с помощью системы электронно-лучевой литографии.

Сегодня существует целый ряд прикладных исследований фотонных кристаллов, направленных на получение ощутимых результатов. Одним из наиболее ожидаемых применений этой технологии является вышеупомянутый когерентный полупроводниковый лазер большой площади. Были успешно выполнены операции ваттного класса с высококачественным и мощным выходом пучка с помощью одного чипа. Исследователи ожидают, что мир изменится, когда 10W-операции будут внедрены в практику. Кроме того, применение солнечных батарей привлекло внимание в качестве возобновляемого источника энергии. Существующие солнечные батареи могут поглощать и преобразовывать только часть видимого света в энергию, поэтому большая часть солнечного света отбрасывается. Ожидается, что тематический контроль эмиссии с помощью фотонных кристаллов (упомянутый ранее) решит эту проблему в будущем; т. е. контроль тепловой эмиссии может повысить эффективность производства электроэнергии, позволяя использовать конструкции солнечных элементов, которые излучают свет в определенной полосе для наиболее эффективного поглощения клетками и позволяют им поглощать большую часть солнечного света.

В настоящее время литографический установки обрабатывают партии пластин автоматически по заданной программе, что значительно упрощает контроль за всей установкой. Весь процесс управления осуществляется и координируется электронно-вычислительной машиной и микропроцессорами.

Электронно-лучевая литография применима во многих отраслях (плазмоника, нанофотоника, нанобиология, полупроводниковые лазеры, транзисторы с высокой подвижностью электронов), в которых другие системы просто не могут справиться. Это обусловлено несравненными преимуществами данной установки: высокое разрешение при работе в субмикронном диапазоне, высокая точность совмещения, безмасочная технология, а также может использована для производства шаблонов или непосредственного формирования рисунка на самой пластине. Позволяет получать изображение с разрешением менее 1 нм. в то время, как в ходе обычной фотолитографии получаются изображения с разрешением 100нм. Решает технические проблемы: повышает разрешающую способность; и экономические проблемы: снижает количество брака, повышает качество продукта, снижает затраты на изготовление шаблонов в микроэлектронике.

Сравнение с другими методами

Электронно-лучевая медленнее, чем фотолитография, штамповка или методы самосасывания, которые также используются в шаблонах. Она часто дороже и требует чистых помещений. Поэтому подходит для создания шаблонов с чрезвычайно высоким разрешением или уникальных элементов, для которых создание фотомаски слишком трудоемко или расточительно.

Источник электронов

Горячий W/ZrO2 часто используется в качестве источника электронов через излучение полевых электронов, и для фокусировки луча используются электростатические или магнитные линзы. Конфигурация слоя сопротивления создает сложные формы корыта, такие как Т-форма или шаг.

Несколько слоев сопротивления с различной чувствительностью к электронному лучу побуждает слои регулировать свою солуство над большим или меньшим объемом от прямого пути электронного луча. Это достигается за счет рассеяния, диффузии или вторичного производства электронов.

Заземления

Во время литографии электронного луча материалы подвергаются воздействию интенсивного пучка электронов и поэтому должны быть заземлены электрически, чтобы избежать эффектов зарядки. Заземление часто достигается путем добавления тонкого металлического слоя, часто алюминия или золота, либо между субстратом и сопротивлением или на вершине сопротивления.

Применение в биологии

Биомолекулы могут быть узорчаты на поверхности субстрата с помощью литографии электронного луча, с возможностью создания повторяющихся структурных особенностей с различными химиями, пригодными для иммобилизации различных биомолекул в двух или трех измерениях. Это может быть сделано путем локальной корректировки гидрофобности сопротивления, что позволяет биомолекулы быть обездвижены гидрофобного взаимодействия или связи химии.

Поверхность золотого субстрата может быть выставлена, который может служить в качестве самосборных монослойных участков для различных молекул. Это обеспечивает широкий спектр поверхностных химий для связывания биомолекул, которые также могут быть перенастроены с помощью биомолекул с обратимыми реакциями связи.

PEG как устойчивый слой

Полиэтиленгликоль (PEG) обычно используется в качестве терминальной тиол функциональной группы, которая может образовывать сильную ковалентную связь Au-S с золотом, в то время как противоположный терминальный конец молекулы может быть функционализирован в ряде способов.

PEG также обеспечивает устойчивый к золоту белковый слой, гарантируя, что никакие непреднамеренные биомолекулы не будут прилипать к поверхности. PEG может быть непосредственно привиты на субстрат с помощью разбавленного аквеозного раствора PEG и электронного луча, индуцированного перекрестного соединения, без использования сопротивляемого слоя.

Клетки могут быть культурно на таком субстрате, преимущественно придерживаясь неэкспонированных регионов, и ограничивается окружающих ПЭГ или противостоять слоям.

Технические характеристики электронного литографа Crestec