전자빔 리소그래피

전자빔 리소그래피(E-빔 리소그래피, EBL)는 레지스트(노출)^[1]라고 불리는 전자에 민감한 필름으로 덮인 표면에 커스텀 형상을 그리기 위해 집중된 전자빔을 스캔하는 방법입니다.전자 빔은 레지스트의 용해도를 변화시켜 레지스트의 노출 또는 비노출 영역을 용매에 담가 선택적으로 제거할 수 있습니다(현상).포토 리소그래피와 마찬가지로, 그 목적은 레지스트에 매우 작은 구조를 만들어 나중에 종종 식각으로 기판 재료에 전사하는 것입니다.

전자빔 리소그래피의 주요 장점은 10nm 미만의 해상도로 커스텀 패턴(직접 쓰기)을 그릴 수 있다는 것입니다.이러한 형태의 마스크리스 리소그래피는 고해상도와 낮은 처리량을 가지며, 포토마스크 제작, 반도체 장치의 소량 생산 및 연구개발로 사용이 제한된다.

시스템들

상업용 전자빔 리소그래피 시스템은 매우 비싼 전용 전자빔 쓰기 시스템(> 100만달러)입니다.연구용에서는 비교적 저렴한 부속품(< 10만달러)을 사용하여 전자빔 리소그래피 시스템으로 변환하는 것이 매우 일반적입니다.이러한 변환 시스템은 최소 1990년 이후 최대 20 nm의 선폭을 발생시켰으며, 현재의 전용 시스템은 10 nm 이하의 선폭을 발생시켰다.

전자빔 리소그래피 시스템은 빔 형상과 빔 편향 전략에 따라 분류할 수 있다.오래된 시스템은 가우스 모양의 빔을 사용하여 이러한 빔을 래스터 방식으로 스캔했습니다.최신 시스템에서는 쓰기 필드의 다양한 위치로 꺾일 수 있는 모양 빔(벡터 스캔이라고도 함)을 사용합니다.

전자원

저분해능 시스템은 열전자원을 사용할 수 있습니다. 열전자원은 보통 랜턴 헥사보라이드로부터 형성됩니다.단, 높은 분해능을 필요로 하는 시스템에서는 낮은 에너지 확산과 향상된 밝기를 위해 가열식 W/ZrO와₂ 같은 필드 전자 방출원을 사용해야 합니다.열전계 방출원은 빔 크기가 약간 크지만 몇 시간의 일반적인 쓰기 시간에 비해 더 나은 안정성을 제공하기 때문에 냉방 방출원보다 선호됩니다.

렌즈

정전 렌즈와 자기 렌즈를 모두 사용할 수 있습니다.그러나 정전 렌즈는 더 많은 수차를 가지고 있기 때문에 미세한 초점을 맞추기 위해 사용되지 않습니다.현재 무채색 전자빔 렌즈를 만드는 메커니즘이 없기^[when?] 때문에 ^{[citation needed][needs update]}전자빔 에너지의 초소형 분산이 필요하다.

스테이지, 스티치, 얼라인먼트

일반적으로 매우 작은 빔 편향의 경우 정전기 편향 "렌즈"가 사용됩니다. 더 큰 빔 편향에는 전자파 스캔이 필요합니다.정확하지 않고 노출 그리드의 단계 수가 한정되어 있기 때문에 쓰기 필드는 100마이크로미터 – 1mm입니다.더 큰 패턴은 무대 이동이 필요합니다.정확한 단계는 스티치(쓰기 필드를 서로 정확하게 타일링) 및 패턴 오버레이(패턴을 이전에 만든 것과 정렬)에 매우 중요합니다.

전자빔 쓰기 시간

주어진 선량에 대해 주어진 영역을 노출하는 최소 시간은 다음 ^[2]공식에 의해 주어진다.

$({displaystyle D\cdot A=T\cdot I})$

$여기$서 T$(\$displaystyle T$)$는 물체를 노출하는 시간(노출 시간/스텝 크기로 나눌 수 $있음),$ I$(\$displaystyle I$$$)$는 빔 전류$,$ D$(\displaystyle$ D)는 선량, $A{\displaystyle }$(\$displaystyle$ A$)$는 노출 영역입니다.

예를 들어, 노출 영역이 1cm², 선량이 10쿨롬/cm², 빔 전류가⁻³ 10암페어라고⁻⁹ 가정하면, 그 결과 발생하는 최소 쓰기 시간은 10초(약 12일)가 됩니다⁶.이 최소 쓰기 시간에는 스테이지가 앞뒤로 이동하는 시간뿐만 아니라 빔이 블랭크되는 시간(편향 중에 웨이퍼에서 차단됨) 및 쓰기 도중 다른 가능한 빔 보정 및 조정 시간은 포함되지 않습니다.300mm 실리콘 웨이퍼의 표면적 700cm를² 커버하기 위해 최소 쓰기 시간은 약 22년인 7*10초까지⁸ 연장됩니다.이는 기존 광학 리소그래피 도구보다 약 1000만 배 느린 계수입니다.스루풋이 전자빔 리소그래피(특히 넓은 영역에 걸쳐 조밀한 패턴을 쓸 경우)에 심각한 제약이 된다는 것은 명백합니다.

E빔 리소그래피는 스루풋이 한정되어 있기 때문에 대량 제조에는 적합하지 않습니다.전자빔 쓰기 영역이 작기 때문에 최종 패턴 영역을 형성하기 위해 더 많은 노출 필드를 스캔해야 하기 때문에 포토 리소그래피(현재 표준)에 비해 패턴 생성 속도가 매우 느립니다(전자빔의 경우 µmm²).project 40 mm (광학식² 마스크 투사 스캐너의 경우)스테이지가 필드 스캔 사이에 이동합니다.예를 들어 26mm X 33mm 영역을 패턴화하기 위해 래스터링 또는 스펜서틴 스테이지 모션이 필요할 정도로 전자빔 필드가 작습니다. 반면, 포토 리소그래피 스캐너에서는 26mm X 2mm 슬릿 필드의 1차원 모션만 필요합니다.

현재 광학 마스크리스 리소그래피^[3] 툴은 포토 마스크 패턴 작성에 동일한 해상도로 사용되는 전자빔 툴보다 훨씬 빠르다.

샷 노이즈

특징의 크기가 줄어들면 고정 용량에서 입사 전자의 수도 감소한다.그 수가 ~10000에 도달하자마자 샷 노이즈 효과가 우세해지고, 큰 특징군 내에서 상당한 자연 선량 변동을 초래한다.연속되는 각 프로세스 노드에서 특징 면적이 절반으로 줄어들면 동일한 소음 수준을 유지하려면 최소 선량이 두 배로 증가해야 합니다.그 결과, 툴의 throughput은 연속되는 프로세스 노드별로 반감됩니다.

피쳐 직경(nm)	백만분의 1 5% 선량 오류에 대한 최소 선량(μC/cm2)
40	127
28	260
20	509
14	1039
10	2037
7	4158

참고: 모집단의 1ppm은 평균 선량에서 약 5 표준 편차이다.

참조: SPIE Proc. 8683-36 (2013)

숏 노이즈는 마스크 제작에서도 중요한 고려 사항입니다.예를 들어, FEP-171과 같은 상용 마스크 e-빔 레지스트는 10 μC/cm^{2 [4][5]}미만의 선량을 사용하는 반면,^[6][7] 이는 마스크에 약 200 nm의 약으로도 표적 CD에 대해 현저한 샷 노이즈를 유발한다.

전자빔 리소그래피 결함

높은 해상도의 전자빔 리소그래피에도 불구하고 전자빔 리소그래피 중 결함 발생은 사용자가 고려하지 않는 경우가 많습니다.결점은 데이터 관련 결점과 물리적 결점의 두 가지 범주로 분류할 수 있습니다.

데이터 관련 결함은 두 가지 하위 범주로 더 분류할 수 있습니다.블랭크 또는 편향 오류는 전자 빔이 올바르게 꺾이지 않아야 할 때 발생하는 반면, 잘못된 모양이 샘플에 투영될 때 가변 형상 빔 시스템에서 쉐이핑 오류가 발생합니다.이러한 에러는, 전자 광학 제어 하드웨어 또는 테이프가 붙어 있는 입력 데이터로부터 발생할 가능성이 있습니다.예상대로 데이터 파일이 클수록 데이터 관련 결함이 발생하기 쉽습니다.

물리적 결함은 더 다양하며 샘플 충전(음극 또는 양극), 후방 산란 계산 오류, 선량 오류, 안개(후방 산란 전자의 장거리 반사), 외부 가스, 오염, 빔 드리프트 및 입자가 포함될 수 있다.전자빔 리소그래피의 기입 시간은 1일을 넘기기 쉽기 때문에, 「랜덤하게 발생하는」결함이 발생할 가능성이 높아집니다.여기서도 데이터 파일이 클수록 결함이 발생할 가능성이 높아집니다.

포토마스크 결함은 패턴 정의에 사용되는 전자빔 리소그래피 중에 주로 발생한다.

물질 내 전자 에너지 증착

입사빔의 1차 전자는 비탄성 산란이나 다른 전자와의 충돌을 통해 물질에 들어갈 때 에너지를 잃습니다.이러한 충돌에서 입사 전자에서 원자 전자로의 운동량 전달은 d ${\displaystyle p}$ ${\displaystyle =}$ ${\displaystyle 2}$ ${\displaystyle {}^{}2}$ / b$$ {\$displaystyle$ dp$=2e^{2}/bv$b는 전자 사이의 가장 가까운 접근 거리, v는 입사 전자 속도)로 표현될 수 있다.충돌에 의해 전달되는 $에너지$는 T${\displaystyle =}$ (${\displaystyle {}^{}d}$ ${\displaystyle {p\mathrm{}}^{}}$) 2 / ${\displaystyle 2}$ ${\displaystyle {}^{}}$ ${\displaystyle ={}^{}{e\mathrm{}}^{}}$ ${\displaystyle 4}$ / ${\displaystyle {}^{}}$ ${\displaystyle {b\mathrm{}}^{}}$2 ( \ $displaystyle$ T = ( $dp$)^{$2}$ / 2 m =$e^{4}$/ $Eb^{2}$에서 얻을 수 있습니다. 여기서 m은 전자 질량이고 E는 $입사{\displaystyle }$ 전자 에너지이며, E$=$(${\displaystyle 1\mathrm{}}$/ 2 ${\displaystyle {}^{}}$ ) ${\displaystyle {V\mathrm{}}^{}}$/$style$ 2$$($1$/ ${\displaystyle 2\mathrm{}}$ )t 결합 에너지, E₀ 및 입사 에너지에서는 충돌의 총 단면이 입사 $에너지{\displaystyle }$E(\$displaystyle$ E$)$에 반비례하고 1/E₀~1/E에 비례한다는 결과를 얻을 수 있습니다.일반적으로 E >> E이므로₀ 그 결과는 기본적으로 결합 에너지에 반비례합니다.

같은 적분법을 사용하지만 2E₀~E 범위에 걸쳐 입사 전자의 비탄성 충돌의 절반이 E보다₀ 큰 운동 에너지를 가진 전자를 발생시킨다는 것을 단면을 비교함으로써 얻을 수 있다.이러한 2차 전자는 원래 충돌로부터 어느 정도 떨어진 곳에서 결합(결합 에너지₀ E)을 해제할 수 있습니다.또한, 그것들은 더 낮은 에너지 전자를 추가로 발생시켜 전자 캐스케이드를 발생시킬 수 있습니다.따라서 2차 전자가 에너지 증착 확산에 크게 기여하는 것을 인식하는 것이 중요합니다.

일반적으로 분자 ^[9]AB의 경우:

e⁻ + AB → AB⁻ → A + B⁻

"전자 부착" 또는 "분리적 전자 부착"으로도 알려진 이 반응은 전자가 본질적으로 멈춘 후에 일어날 가능성이 가장 높습니다. 왜냐하면 그 지점에서 가장 쉽게 포착할 수 있기 때문입니다.전자 부착의 단면은 높은 에너지에서는 전자 에너지에 반비례하지만,^[10] 제로 에너지에서는 최대 한계치에 근접합니다.한편, 최저 에너지(해리 애착이 유의한 경우 수 eV 이하)에서 평균 자유 경로가 10nm를 ^[11][12]훨씬 초과하므로 이 척도에서 분해능을 일관되게 달성할 수 있는 능력이 제한된다는 것은 이미 알려져 있다.

해결 능력

오늘날의 전자광학에서는 전자빔의 폭이 수 나노미터까지 내려갈 수 있습니다.이것은 주로 이상과 공간 전하로 인해 제한됩니다.단, 특징 분해능 한계는 빔 사이즈가 아니라 레지스트 내의 전방 산란(또는 유효 빔 확대)에 의해 결정되며, 피치 분해능 한계는 ^[13][14]레지스트 내의 2차 전자 이동에 의해 결정된다.이 점은 2007년 15nm 하프피치존 ^[15]플레이트의 제작에서 전자빔 리소그래피를 사용한 더블패터닝의 데모를 통해 확인되었습니다.15nm 기능은 해결되었지만 30nm 피치는 인접한 기능에서 2차 전자가 산란되어 여전히 수행하기가 어려웠습니다.이중 패턴화를 사용하면 특징 사이의 간격이 충분히 넓어져서 2차 전자 산란을 크게 줄일 수 있었다.

전방 산란은 더 높은 에너지 전자 또는 얇은 저항을 사용하여 줄일 수 있지만 2차 전자의 발생은 불가피합니다.PMMA와 같은 절연 재료의 경우 저에너지 전자가 상당히 먼 거리를 이동할 수 있습니다(몇 nm가 가능합니다).이는 이온화 전위 이하의 유일한 에너지 손실 메커니즘은 주로 포논과 폴라론을 통해 이루어지기 때문입니다.후자는 기본적으로 이온 격자 ^[16]효과이지만 폴라론 호핑은 20 ^[17]nm까지 확장할 수 있습니다.2차 전자의 이동 거리는 기본적으로 도출된 물리적 값이 아니라 많은 실험이나 몬테카를로 시뮬레이션에서 결정되는 통계 매개변수가 1 eV 미만이다.이는 2차 전자의 에너지 분포가 10eV보다 ^[18]훨씬 낮기 때문에 필요합니다.따라서 분해능 한계는 일반적으로 광회절 ^[13]제한계처럼 잘 고정된 수치로 간주되지 않는다.실제 분해능 한계에서의 반복성 및 제어는 종종 이미지 형성과 관련이 없는 고려사항(예: 저항 현상 및 분자 간 힘)을 필요로 한다.

대학 나노 과학 및 공학적(CNSE)에 의한 연구는 2013년 첨단 자외선 반도체 인쇄 기술 워크숍에서 소개된, 전자 흐림의 단위로, 50-100eV 전자 쉽게 10nmpolymethyl에 대항하는 두께 또는 상업적인 저항할 수 없는 침투함을 시사했다.게다가 절연 파괴 방전 가능하다.[19]최근 연구 결과에 따르는 것은 20nm에 저항하다 두께 저 에너지 전자에 의해서( 충분한 양의)과 nmhalf-pitch 전자 빔 리소그래피 이미 이중 정형화 필요한 sub-20 침투할 수 있다는 사실이 지적되었다.[20][21]

산란

충분한 에너지와 관련된 사건의 항거하다에 침투하는데 이차 전자, 일차 전자 생산 외에 번식한다 내부 영화 및/또는 기판에서 큰 거리 위에 퍼져 나갈 수 있다.이 지역의 노출에 원하는 노출 위치에서 상당히 먼 거리에서 이어진다.은 1차 전자 앞으로 움직이는 거 좀 두껍게 구부러지지 않는 경우 증가하는 기회 측면beam-defined 위치에서를 뿌리는 것 가지고 있다.이 산란 전방 산란이라고 불린다.때때로 그 일차 전자 각도 90도를 초과하는, 즉 정부에, 그들이 더 이상 오래 전이 항거하다.이 전자들과 광학적 투영 법 시스템에는 장거리 플레어로 같은 효과를 가지고 있backscattered 전자라고 불린다.backscattered 전자의 큰 충분한 선량에 항거한 지역보다 전자 촛점에 의해 정의된 더 큰에 대한 완전한 노출로 이어질 수 있다.

근접 효과

로 중첩 기능 회원에 대한 현재 쓰여 형상의 노출, 효과적으로 이미지를 키우는 것에 대한 인접 지역 유출의 노출, 그것의 대비 감소, 즉에서 전자, 차이 betwe 인접한 효과를 악화시키는 작은 기능 전자 빔 리소그래피에 의해 생산된 일반적으로, 기능 외부와 단절시켰다.앙 최대 및 최소 강도.따라서, 중첩 기능 해상도를 조절하기가 더 어렵다.대부분의 강한 것을 예로 들자면, 25nm선과 공간 아래 가야 돼. 그리고 20nm선과 공간에 대한 제한이 발견돼 어렵다.[22]실제로, 하지만, 2차 전자 산란의 범위는 꽤 먼, 가끔 매우 30nm아래 중요해 지고 100nm,[23]을 넘어선[24]

근접 효과는 또한 2차 전자가 레지스트의 윗면을 떠난 후 수십 나노미터 떨어진 ^[25]곳으로 되돌아옴으로써 나타납니다.

산란 분포점 확산함수 PSF(x,y)에 의해 수렴되었을 때, 역문제를 풀고, 가능한 한 원하는 선량 D(x,y)에 가까운 선량 분포를 유도하는 노광함수 E(x,y)를 계산함으로써(전자 산란에 의한) 근접효과에 대처할 수 있다.단, 적용 선량의 오류(예: 샷 노이즈)는 근접 효과 보정을 실패시킬 수 있다는 점을 기억해야 한다.

충전하는

전자는 하전입자이기 때문에 지면에 빠르게 접근할 수 없는 한 기판을 음전하하는 경향이 있습니다.실리콘 웨이퍼에 입사하는 고에너지 빔의 경우 거의 모든 전자가 웨이퍼에서 정지하여 접지 경로를 따를 수 있습니다.그러나 포토마스크와 같은 석영 기판의 경우 내장된 전자가 지상으로 이동하는 데 훨씬 더 오랜 시간이 걸립니다.기판에 의해 취득된 음전하는 진공으로의 2차 전자방출에 의해 표면상의 양전하에 의해 보상되거나 이를 초과할 수 있습니다.레지스트의 위아래에 얇은 전도층이 존재하는 것은 일반적으로 고에너지(50keV 이상) 전자빔에 한정적으로 사용됩니다.대부분의 전자는 이 층을 통과해 기판으로 들어가기 때문입니다.전하방산층은 일반적으로 저항이 더 얇고 대부분의 전자가 레지스트에서 멈추거나 전도층에 가깝기 때문에 10keV 내외에서만 유용합니다.단, 시트 저항성이 높기 때문에 사용이 제한되어 있어 접지 효율이 저하될 수 있습니다.

충전에 기여할 수 있는 저에너지 2차 전자(저항-기판 시스템에서 자유 전자 모집단의 가장 큰 구성 요소)의 범위는 고정 수는 아니지만 0~50nm까지 다양합니다(섹션 New Frontier 및 극한 자외선 리소그래피 참조).따라서 레지스트-기판 충전은 반복할 수 없고 일관되게 보정하기 어렵다.음의 충전은 전자 빔을 충전 영역으로부터 멀리 떨어뜨리는 반면, 양의 충전은 전자 빔을 충전 영역 쪽으로 꺾습니다.

전자빔 레지스트 성능

일반적으로 스크리션 효율이 가교 효율보다 훨씬 높기 때문에 포지티브 톤 전자빔 리소그래피에 사용되는 대부분의 폴리머는 포지티브 톤 ^[26]노출에 사용되는 선량보다 크기가 큰 선량으로 가교(따라서 네거티브 톤이 된다)한다.그러한 큰 선량 증가는 샷 소음 ^[27][28][29]영향을 피하기 위해 필요할 수 있다.

Naval Research Laboratory에서 수행한 연구에 따르면 저에너지(10~50eV) 전자는 최대 30nm 두께의 PMMA 필름을 손상시킬 수 있습니다.그 손상은 재료의 손실로 나타났다.

• 널리 사용되는 전자빔 레지스트 ZEP-520의 경우 두께 및 빔 에너지와 관계없이 60nm(30nm 선 및 공간)의 피치 분해능 한계가 발견되었습니다.^[31]
• 또한 3nm 100keV 전자 빔 및 PMMA ^[32]레지스트를 사용하여 20nm 분해능을 시연했습니다.노출 라인 사이의 노출되지 않은 20 nm 간격은 2차 전자에 의한 의도치 않은 노출을 보였다.
• 수소실세스키옥산(HSQ)은 매우 얇은 ^[33]층으로 분리된 2-nm 폭 라인과 10nm 주기적 도트 어레이(10nm 피치)를 형성할 수 있는 음색 저항체입니다.HSQ 자체는 다공질 수소화₂ SiO와 유사합니다.실리콘 식각에는 사용할 수 있지만 이산화규소 또는 기타 유사한 유전체에는 사용할 수 없습니다.

2018년에는 생체분자로 ^[34]레지스트 표면을 직접 기능시킬 수 있는 네이티브 반응 표면군을 특징으로 하는 티올렌 레지스트(Tiol-ene regist)가 개발되었습니다.

새로운 프런티어

2차 전자 발생을 피하기 위해서는 저에너지 전자를 1차 방사선으로 사용하여 저항을 노출시키는 것이 필수적입니다.2차 전자를 생성하지 않고 저항을 노출시키기 위해서는 이들 전자는 충분한 잉여 에너지를 갖지 않기 때문에 몇 eV 이하의 에너지를 갖는 것이 이상적입니다.이러한 노출은 주사 터널링 현미경을 전자선원으로 ^[35]사용하여 입증되었습니다.데이터에 따르면 에너지가 12eV인 전자는 50nm 두께의 폴리머를 통과할 수 있습니다.저에너지 전자를 사용하는 것의 단점은 ^[36]레지스트에서 전자빔의 확산을 막기 어렵다는 것입니다.저에너지 전자광학계도 ^[37]고해상도로 설계하기 어렵다.쿨롱 전자간 반발은 낮은 전자 에너지일수록 항상 더 심각해집니다.

전자빔 리소그래피의 또 다른 대안은 극도로 높은 전자 에너지(최소 100 keV)를 사용하여 기본적으로 재료를 "드릴링"하거나 스패터링하는 것입니다.이 현상은 투과전자현미경 ^[38]검사에서 자주 관찰되고 있다.그러나 전자 빔에서 물질로의 운동량 전달이 비효율적이기 때문에 이는 매우 비효율적인 프로세스입니다.그 결과 기존 전자빔 리소그래피보다 훨씬 긴 노광시간을 필요로 하는 느린 공정이다.또한 고에너지 빔은 항상 기판 손상 우려를 제기합니다.

전자빔을 사용한 간섭 리소그래피는 나노미터 단위의 주기로 어레이를 패턴화하는 또 다른 가능한 경로입니다.간섭계에서 광자보다 전자를 사용하는 것의 중요한 장점은 동일한 에너지에서 훨씬 더 짧은 파장이다.

다양한 에너지에서 전자빔 리소그래피의 복잡함과 섬세함에도 불구하고, 가장 작은 면적에 가장 많은 에너지를 집중시킬 수 있는 가장 실용적인 방법입니다.

스루풋을 높이기 위해 리소그래피에 대한 다중 전자빔 접근법의 개발에 상당한 관심이 있어 왔습니다.이 작업은 SEMATECH와 Multibeam ^[39]Corporation^[40], Mapper,^[41] IMS 등 스타트업 업체들의 지원을 받아 왔으며, IMS Nanofabric은 멀티빔 마스크 라이터를 상용화하고 2016년부터 롤아웃을 시작했습니다.^[42]

「 」를 참조해 주세요.

• 전자선 기술
• 이온빔 리소그래피
• 마스크리스 리소그래피
• 포토 리소그래피

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