전자 빔 리소그래피(EBL) 소개

전자빔 리소그래피란 무엇인가요?

전자 빔 리소그래피(전자 빔 리소그래피, EBL)는 극도로 짧은 파장의 집속 전자를 사용하여 전자 감광재(레지스트) 표면에 직접 작용하여 설계된 패턴과 일치하는 마이크로 및 나노 구조를 형성하는 마스크 없는 리소그래피의 한 유형입니다. EBL 시스템은 초고해상도(한계 크기가 10nm 미만인 그래픽 전송)와 유연한 패터닝(마스크 없이 직접 쓰기)이라는 장점이 있지만 노출 효율이 낮고 제어가 복잡하기 때문에 리소그래피 마스크, 고급 원리 프로토타입 및 나노 규모의 과학 연구 개발에 더 일반적으로 사용됩니다.

개발 역사

전자빔 리소그래피 시스템의 핵심은 집속 전자빔이며, 집속 전자빔의 사용은 1900년대 초부터 사용되어 왔으며, 초기에는 디스플레이에 음극선관을 사용하다가 1960년대에 주사 전자 현미경이 등장하면서 더 이상 전자빔 노광기와 구조가 근본적으로 다르지 않은 전자 현미경이 등장했습니다. 그러나 전자빔 포토레지스트(레지스트)의 등장으로 전자빔을 집중적으로 노출하여 미세한 패턴을 생성할 수 있게 되었습니다. 전자빔 리소그래피는 60년 이상 개발되어 왔으며, 광학 노광과 거의 동시에 다음과 같은 주요 이정표를 세우며 발전해 왔습니다:

1958년 MIT 연구진이 고해상도 2차원 그래픽 구조를 생성하기 위해 에칭 마스크를 형성하기 위해 전자 유도 탄소 오염을 최초로 사용했습니다.
전자빔 노광은 1965년부터 100nm 구조물 제작에 사용되었습니다.
1968 전자 빔 포토레지스트로 PMMA가 사용됨
1970년 PMMA로 만든 0.15um 음표면파 장치
1972년: 전자빔 리소그래피를 사용하여 실리콘 표면에 단면을 가진 60x60nm 알루미늄 금속 라인 제작

1980년대에는 광학 노광이 수명을 다했고 전자빔 리소그래피가 가장 유망한 대안이라고 널리 믿었지만, 30년이 지난 지금도 전자빔 리소그래피는 광학 노광을 대체할 수 없습니다. 두 리소그래피 기술의 발전 과정에서 상호 보완적인 패턴이 점차 나타나고 있으며, 이 패턴은 오랫동안 유지될 것으로 예상됩니다.

이론적 기초

광학 노출의 해상도는 빛의 파장에 의해 제한됩니다. 광학 노출의 해상도를 향상시키기 위해 빛의 파장 선택은 G 라인에서 I 라인, 심자외선, 극자외선으로 발전하는 과정을 거치며 지속적으로 짧아지고 있습니다.

전자빔은 본질적으로 하전 입자이며, 파동-입자 이중성 이론에 따르면 파장은

전자빔의 가속 전압이 높을수록 전자빔의 파장이 작아지며, 이는 전자빔 노광 시스템이 고전압 시스템인지 저전압 시스템인지와 직접적인 관련이 있습니다. 따라서 가속 전압 100 KV에서의 전자 파장은 0.12nm이며, 이는 높은 해상도의 기반이 됩니다. 기존의 전자빔 리소그래피는 직접 쓰기 모드를 사용하는데, 이는 현재 전자빔 리소그래피의 상대적으로 낮은 효율에서 중요한 요소이지만 직접 쓰기는 마스크 버전이 필요하지 않고 간단하고 유연하다는 장점이 있습니다.

자외선과 같은 전자 빔은 일부 폴리머에서 화학 결합을 끊거나 가교 반응을 일으켜 현상 공정에서 해당 그래픽을 형성할 수 있으며, 일부 UV 포토레지스트는 전자 빔 포토레지스트 자체로 사용할 수 있으므로 본질적으로 둘 사이에 큰 차이가 없습니다. 그러나 재료에 대한 전자 빔의 산란은 UV 리소그래피보다 훨씬 더 복잡한 공정으로 이어질 수 있습니다.

전자빔 노광 시스템

전자빔 리소그래피는 주사 전자 현미경에 기원을 두고 있으며 집속 전자빔 스캐닝 원리에 기반한 그래픽 전사 기술입니다. 전자빔 리소그래피 시스템은 전자총, 전자 렌즈, 전자 편향기 및 진공 시스템 및 공작물 테이블 제어 시스템과 같은 보조 구성 요소의 세 가지 기본 구성 요소로 구성되며 전자총은 제어 및 집중할 수있는 전자를 생성하는 데 사용되며 일반적으로 작동 모드에 따라 열원 및 전계 방출 원으로 나뉩니다. 작동 모드에 따라 일반적으로 열 이온 소스와 전계 방출 소스로 나뉩니다.

고온 전자 소스는 음극 재료의 전자가 전자총 금속 작업 기능의 전위 장벽을 뚫고 방출되어 전자 빔을 형성할 수 있을 만큼 충분한 운동 에너지를 얻을 수 있을 정도로 충분히 높은 온도로 가열된 음극입니다.
전계 방출 소스는 전자가 전위 장벽을 통과하여 전자 소스를 형성하도록 전기장을 강화하여 형성됩니다. 소스에서 나오는 전자 빔의 초점과 편향은 일련의 전자 렌즈, 다이어프램, 배플 및 기타 장치로 구성된 전자 빔 컬럼에서 이루어집니다. 전자는 다이어프램에 의해 형성되고 전자 렌즈에 의해 빔 스팟으로 수렴된 다음 편향 시스템에 의해 벤치에 노출됩니다.

전자빔 노출 시스템의 중요 지표

최소 번들 직경:이는 노출된 이미지의 최소 크기에 직접적인 영향을 미칩니다. (i) 가속 전압을 가능한 한 높게 설정 (ii) 더 작은 다이어프램 조리개 사용 (iii) 더 작은 작업 거리 사용 (iv) 더 작은 스캐닝 필드 설정 (v) 더 작은 노출 단계 설정 등의 조치를 조정하여 더 작은 스팟 지름을 얻을 수 있습니다.
가속 전압:일반적으로 가속 전압이 10~100kv로 높을수록 해상도가 높아지고 노출로 인한 근접 효과가 줄어들어 더 두꺼운 레지스트가 노출될 수 있습니다.
전자빔 흐름:빔 전류가 높을수록 노출 속도가 빨라지며, 최대 노출 속도는 스캐닝 주파수에 의해 제한되고 빔 전류가 클수록 빔 스팟이 커집니다.
스캔 속도:스캔 속도가 빠를수록 노출 속도도 빨라지며, 이는 주파수로 표시됩니다(예: 50MHz).
스캔 필드 크기:스캔 필드가 넓으면 노출된 이미지의 대부분이 스캔 필드 내에 노출되어 스캔 필드 스티칭으로 인한 오류를 방지할 수 있습니다.
또한 테이블 이동 정확도, 레지스터 정확도, 필드 접합 정확도 등이 있습니다.

전자빔 노출 방법의 분류

작업 방법별로 구분

영사 노출(마스크 필요) 및 직접 노출(마스크 필요 없음)

스캔 방법별로 구분

래스터 스캔과 벡터 스캔이 있습니다.

래스터 스캔
가우시안 원형 빔을 사용하여 전자 빔을 전체 스캐닝 필드에 걸쳐 점 단위로 연속적으로 스캔하고 셔터(빔 게이트)의 개폐를 제어하여 이미지를 노출합니다.래스터 스캐닝의 장점은 제어가 간단하고 편향 시스템을 제어할 필요가 없다는 것입니다. 단점은 생산 효율이 낮다는 것입니다. 스캐닝 필드가 작기 때문에 공작물 테이블의 움직임과 함께 노출을 완료해야 합니다.

벡터 스캐닝벡터 스캐닝의 장점은 노출이 효율적이고, 그래픽 영역만 스캔하여 노출하므로 비그래픽 영역에서 렌즈가 보내는 시간을 줄일 수 있으며, 가변 직사각형 빔을 사용할 수 있다는 것입니다. 단점은 고정 편향이 사용되는 래스터 스캐닝과 달리 벡터 스캐닝을 위해서는 디플렉터를 제어해야 하므로 제어 시스템이 복잡하다는 것입니다.

전자빔 모양별

가우시안 빔(원형 빔)과 변형 전자 빔(직사각형 빔)으로 나뉩니다.

벡터 스캐닝 모드에서 패턴의 노출 시간은 빔 스폿 투영 수와 관련이 있습니다.고정 가우시안 빔(원형 빔) 스폿 패턴에서는 24개의 투영을 만들어야 합니다.

노출 속도를 높이기 위해 가장 작은 기본 패턴을 전자 빔 스팟의 모양으로 사용하여 패턴을 가장 작은 기본 패턴의 조합으로 세분화할 수 있습니다. 이 수정된 빔 스팟 모드에서는 6개의 투사만 필요합니다.

그러나 실제로는 패턴이 일정하지 않고 기본 빔 모양을 자주 리셋해야 하므로 보다 유연한 투사 방법이 필요합니다. 패턴이 다양한 경우 가변 빔 패턴을 사용할 수 있습니다. 아래 그림과 같이 가변 빔 패턴 모드에서는 전자 빔 스팟을 특정 패턴에 맞게 조정하여 기본 빔 스팟 모양을 변경하고 투사 횟수를 3개로 줄일 수 있습니다.

전자 빔 포토레지스트 소개

포토레지스트 (포토레지스트, 포토레지스트라고도 함)는 자외선, 엑시머 레이저, 전자빔, 이온빔, X-레이와 같은 광원의 조사 또는 방사선에 의해 용해도가 변화하는 에칭 방지 박막 재료입니다.

전자 빔 포토레지스트는 일반적으로 포지티브 포토레지스트와 네거티브 포토레지스트로 나뉩니다.는 포토레지스트 조사 후 가교 반응 또는 화학 결합 파괴를 누가 지배하는지에 따라 나눌 수 있습니다.포토레지스트 포지티브 및 네거티브 특성은 절대적이지 않습니다.예를 들어 전자빔 포지티브 접착제 PMMA의 특성으로 인해 노출된 부위의 접착제가 일반 피폭 선량의 10배에서 탄화되어 현상 과정에서 잔류물이 남게 되면 네거티브 접착제로 사용할 수 있습니다.

포지티브 포토레지스트(직교 접착제): 노출된 영역의 포토레지스트에서 화학 결합 파괴 반응이 우세하며 현상액에 쉽게 용해됩니다.

네거티브 포토레지스트(네거티브 접착제): 노출 영역에서 포토레지스트의 가교 반응이 지배적이며 작은 분자가 가교되어 큰 분자로 중합되어 현상액에 용해되기 어려운 형태로 구성됩니다.

포토레지스트의 주요 파라미터

UV 포토레지스트와 마찬가지로 포토레지스트는 일반적으로 감도, 콘트라스트, 해상도, 에칭 저항성의 네 가지 파라미터를 기준으로 공정에 적용하기 위해 선택 또는 평가됩니다.

민감도:포토레지스트의 감도가 높을수록 필요한 노출 선량(조사)이 낮아집니다. 감도는 전자 용량 keV(또는 가속 전압 kV), 기판 재료, 공정 조건, 사용된 현상액 및 기타 요인에 의해 영향을 받습니다.
대비:높은 콘트라스트는 더 가파른 측벽, 더 큰 처리 헤드룸, 더 나은 해상도, 더 높은 종횡비 구조를 제공하므로 근접 효과에 덜 민감하고 패턴 밀도가 높아집니다. 낮은 콘트라스트는 3D 그레이 스케일 리소그래피에만 사용할 수 있습니다.
해상도:는 얻을 수 있는 가장 작은 피처의 크기 또는 두 구조물 사이의 최소 거리를 정의합니다.
에칭에 강합니다:후속 에칭 공정이 필요한 경우 화학적(습식) 및 물리적(건식) 에칭 중에 무결성을 유지하는 포토레지스트를 선택하십시오.

적합한 포토레지스트의 선택은 포토레지스트의 포지티브 및 네거티브 특성, 공정 허용 오차, 접착력, 열 유동성, 팽창 효과, 보관 수명 및 기타 파라미터와 관련하여 고려해야 합니다.

일반적으로 사용되는 포토레지스트

응용 분야마다 다른 포토레지스트가 사용됩니다. 이 섹션에서는 실험에 일반적으로 사용되는 집중형 전자빔 포토레지스트(포지티브 PMMA, ZEP-520A, AR-P 6200(SCAR62) 및 네거티브 HSQ)를 소개합니다.

PMMA(정형 접착제)

아크릴 또는 플렉시글라스라고도 하는 폴리머인 PMMA(폴리메틸메타크릴레이트)는 현재 가장 널리 사용되는 전자빔 포토레지스트입니다. 5%~10%의 PMMA 분말과 클로로벤젠 또는 아니솔(독성이 적은, 2-4%)을 완전히 혼합하여 PMMA 포토레지스트를 만들 수 있습니다. 포토 레지스트.

저렴하고 내구성이 뛰어나며 다루기 쉬운 제품
매우 높은 해상도와 콘트라스트
낮은 감도
건식 에칭 저항성이 낮음(박리 리프트오프에는 적합하지만 직접 에칭 패턴 전사에는 적합하지 않음)
감도는 상대 분자 질량이 감소함에 따라 증가하며, PMMA의 일반적인 상대 분자 질량은 495kg/mol 및 950kg/mo입니다.
콘트라스트와 감도는 현상액 혼합물에서 MIBK의 비율(MIBK:IPA)을 변경하여 조절할 수 있으며, 감도는 현상액에서 MIBK의 비율에 따라 증가하고 콘트라스트는 그 반대의 비율로 증가합니다.

Zep-520A(포지티브 고무)

가장 널리 사용되는 상업용 포토레지스트인 Zep-520A는 일본 니폰 제온에서 개발한 벤젠 고리로 개질된 PMMA로, α-클로로메타크릴레이트와 α-메틸스티렌의 공중합체로 구성되어 PMMA를 대체할 수 있는 물질로 사용됩니다.

PMMA에 필적하는 고해상도(10~30nm 그래픽 구조 구현 가능) 및 고대비로 고해상도 및 고명암비 제공
고감도, PMMA보다 높은 감도(3~5배)
건식 에칭에 대한 높은 내성, PMMA에 비해 건식 에칭에 대한 내성이 5배 이상 높습니다.
비싸고 유통기한이 1년입니다.
초고속 분류율(10nm 미만)의 경우 PMMA를 사용하는 것이 더 바람직할 수 있습니다.
ZEP-520A는 노광, 현상 및 베이킹 후 견고한 필름을 제거하기가 쉽지 않으며, 일반적으로 접착제를 제거하기 위해 ZDMAC을 사용합니다.

AR-P 6200(CSAR62)(포지티브 고무)

초고해상도(10nm 미만)
고감도, 적절한 개발자를 선택하여 감도를 조정할 수 있습니다.
높은 명암비(>15)
높은 화면비에서 깊은 화면비(최대 20:1)
공정 안정성이 우수하고 건식 에칭에 대한 내성이 PMMA의 두 배에 달합니다;
기질에 대한 접착력이 우수하고 박리 및 갈라짐이 적습니다;
낮은 영탄성계수로 붕괴, 접착 및 전복이 발생하기 쉽습니다;
녹는점이 낮아 레지스트가 녹을 수 있습니다;
그래픽 표면은 축소되기 쉽습니다.

HSQ(네거티브 접착제)

다우코닝에서 개발한 HSQ는 메틸이소부틸케톤(MIBK) 캐리어 용매에 수소 실세스퀴옥산(HSQ) 수지로 구성된 무기 실리카 기반 화합물입니다.

매우 높은 해상도(<10nm)
낮은 감도와 긴 노출 시간;
용해가 아닌 화학 반응(노출되지 않은 HSQ를 묽은 NH4OH 또는 NaOH 현상액과 반응시켜 H2를 형성)에 의한 현상, 현상 후 공정 안정성이 우수합니다;
금도금 없이도 전자 현미경에서 우수한 관찰 성능을 제공합니다;
실리콘 에칭에 적합한 마스크 소재입니다;
유통기한이 짧아 보관 기간이 6개월에 불과합니다. 분말 형태의 HSQ(H-SiOx)는 보관 수명이 더 깁니다.
가혹한 보관 조건에서 젤은 공기에 노출되면 산화 및 젤리 경화되기 쉬우므로 저온(5°C)에서 밀봉하여 보관해야 합니다;
매우 높은 콘트라스트, 가파르고 직선적인 프로파일과 높은 종횡비로 구조물을 쉽게 준비할 수 있습니다;
현상 후 선 가장자리의 수직성이 우수한 신축성 포토레지스트입니다;
우수한 접착력, 인성 및 깨지지 않음;

근접 효과

전자빔 노출의 근접 효과는 노출된 두 패턴이 서로 가까이 있을 때 포토레지스트와 기판에서 전자가 산란되어 전자가 원래 입사 방향에서 벗어나 노출되지 않아야 하는 인접 영역이 노출되고, 노출되어야 하는 일부 영역은 충분한 노출을 받지 못해 노출된 패턴이 왜곡되는 현상을 말합니다. 이로 인해 콘트라스트 감소 및 해상도 저하와 같은 문제가 발생합니다.

수정 방법

근접 효과 보정 방법에는 ① 선량 보정 ② 그래픽 크기 보정 ③ 배경 노출 보정 등 세 가지가 있습니다.

용량 보정가장 일반적이고 효과적인 방법이며, 노출된 모든 이미지가 인위적으로 균일한 양의 에너지에 노출되는 원리를 기반으로 합니다.선량 보정은 또한 자체 일관성 기술(물리적 보정)과 기하학적 절단 방법으로 나뉩니다.자체 일관성 기술(물리적 보정)비교적 정확하지만 대규모 집적 회로 설계에는 계산 집약적입니다;기하학적 절단 방법: 계산된 피폭선량 분포가 더 거칠지만 계산이 매우 빠릅니다;
그래픽 크기 보정각 그래프의 크기를 줄이거나 늘려서 국부 에너지가 높거나 낮은 영향을 보정하며, 단순한 사이클 반복이 있는 그래프에 적합합니다.