Micro y nanoprocesamiento | Principios de la litografía por haz de electrones

La litografía por haz de electrones tiene la ventaja de poder fabricar componentes con características de menor tamaño que las que pueden obtenerse mediante técnicas ópticas. El tamaño de la característica de un componente está limitado esencialmente por la longitud de onda de la onda luminosa utilizada. El tamaño del punto del haz de electrones utilizado en la litografía por haz de electrones puede oscilar entre unos pocos nanómetros y varios cientos de nanómetros, dependiendo de la aplicación. La longitud de onda deBroglie de un electrón es

donde Vb es la tensión de aceleración. La mayoría de los sistemas de haz de electrones funcionan con tensiones superiores a 1 kV y la longitud de onda de los electrones en la litografía por haz de electrones no tiene ningún efecto sobre la resolución que puede alcanzarse.

Los sistemas de litografía por haz de electrones se utilizan ampliamente para la fabricación de máscaras fotolitográficas, prototipos de principios avanzados y para la investigación y el desarrollo científicos a escala nanométrica. Los sistemas de litografía por haz de electrones más avanzados permiten transferir patrones (mediante técnicas de decapado metálico, grabado o adición de color) a tamaños extremos inferiores a 10 nm con una resolución ultraelevada. Además, estos patrones pueden procesarse en una gran variedad de materiales, como semiconductores como Si y GaAs, sílice fundida, diamante amorfo, aislantes como SiO2 y SiN y diversos metales.

La litografía general por haz de electrones consiste en el escaneado determinista de superficies resistentes sensibles a los electrones mediante un haz de electrones altamente focalizado. La litografía por haz de electrones puede utilizar una gran variedad de resistivos positivos y negativos. En los sistemas de litografía de alta resolución, se suele utilizar una fuente de emisión de campo caliente, por ejemplo, se forma un haz de electrones con un emisor ZrO/W. Varias etapas de lentes electrostáticas y/o magnéticas enfocan el haz de electrones y le dan forma dentro del cañón de electrones, utilizando bobinas de deflexión electromagnéticas para escanear el haz a través del campo de visión efectivo (valores típicos de 0,1 a 1 mm en un lado, dependiendo del sistema y de los parámetros del haz de electrones). Los sistemas dedicados de litografía por haz de electrones se utilizan generalmente con la ayuda de una mesa interferométrica láser para mover la muestra durante la exposición en diferentes campos de visión de trabajo. Mediante el cálculo de las franjas de interferencia a medida que se mueve la mesa interferométrica, se puede minimizar (menos de 20 nm) el error de costura o el error de desplazamiento entre rangos de escritura de haces adyacentes. También se utiliza un conjunto de escudos de haz electrostáticos para desviar el haz de electrones fuera de la trayectoria óptica de los electrones si es necesario.

Se utiliza un sistema informático para controlar la bobina deflectora, lo que permite la inscripción gráfica y el control de la máscara, permitiendo en última instancia ajustar la cantidad de exposición de electrones que incide sobre una apertura cuadrada determinada. La ecuación de exposición de área puede escribirse simplemente como

Dosis x área = corriente del haz de electrones x tiempo de permanencia = número total de electrones incidentes

Como puede observarse al aumentar y disminuir los valores de exposición, tiempo de exposición y corriente del haz de electrones, la mayor desventaja de la litografía por haz de electrones es que el proceso de exposición en serie da lugar a tiempos de grabado más largos. Una corriente de haz de alta resolución de aproximadamente 500pA, suponiendo un polimetacrilato de metilo (PMMA) de 495K de 300nm de espesor (aproximadamente 1000μC/cm2 para un corte de tensión de aceleración de 50kV), un generador gráfico de 25MHz y un tamaño de agujero de 10nm, requeriría aproximadamente 5,5h para grabar un área de 1cm2 (cobertura del 50%). Teniendo en cuenta el tiempo de desplazamiento del interferómetro y el tiempo de "permanencia" del haz de electrones, es decir, el tiempo de espera entre desviaciones para que el haz se estabilice, es evidente que inscribir una gran superficie requerirá mucho tiempo.

El uso de marcas de alineación permite alinear el patrón de litografía por haz de electrones con las características existentes en la muestra. Estas marcas pueden pintarse o grabarse y suelen ser formas geométricas simples o cruces. Deben visualizarse mediante retrodispersión de electrones con alto contraste, por lo que suelen estar compuestas de metal (por ejemplo, oro) o de estructuras superficiales grabadas. A continuación, el operador procede a preparar archivos de trabajo que identifican y utilizan las marcas existentes en la superficie del sustrato para determinar y compensar los errores de rotación, ganancia y posición.