Elektronkiirlitograafia

Elektronkiirlitograafia on fotolitograafiast välja arenenud eraldiseisev tehnoloogia pooljuhtmaterjalide tööstuses mikrokiipide valmistamiseks. Elektronkiirlitograafiat on kasutatud ka röntgenikiiri fokuseerivate tsooniplaatide tegemiseks .

Elektronlitograafia põhimõte

Kasutades sügavat ultraviolettkiirgust on klassikalises fotolitograafias parimal juhul võimalik saavutada täpsust veidi alla 1 µm. Seda annab veelgi parendada kasutades lühema lainepikkusega kiirgust, näiteks röntgeni- või elektronkiirgust. Elektronkiirlitograafia kasutab elektrone, millel on lühike lainepikkus. Näiteks 100 keV elektroni lainepikkus on 3,8×10⁻⁹ nm. Saavutatava täpsuse määrab tegelikult pigem elektronoptika kui kasutatav lainepikkus, nagu see on fotolitograafia korral. Elektronlitograafia seade on sisuliselt modifitseeritud skaneeriv elektronmikroskoop. Elektronkiir fookustatakse ning seda on võimalik pinnal kahes risti asetsevas suunas liigutada. Huvipakkuv muster söövitatakse otse kiibile, kiiritades kiibil olevat fotoresisti kihti elektronkiirega. Fotoresistiks on enamasti erinevad polümeersed materjalid . Arvuti juhib elektronkiirt pinnal, et saavutada vajalik muster. Enamasti kasutatakse pinna skaneerimiseks elektronkiire rasterskaneerimist, s.t rida rea järel skaneerimist.

Lahutusvõime elektronlitograafias

Mikroelektroonika ja nanotehnoloogia rakenduste seisukohalt peavad litograafiaga valmistatavad mustrid olema väga detailsed ning valmistatava mustri lahutusvõime on nendes valdkondades kõige tähtsam parameeter. Elektrone on võimalik koondada väga väikesele pinnale, kuid paksust materjalikihist läbi minnes hajub elektronkiir ka liikumissuunaga risti olevatesse suundadesse ning tagasihajunud elektronid (mis mõjutavad ka pinnale kantud fotoresisti) põhjustavad saavutatava mustri lahutusvõime vähenemist. Ühe lahendusena võiks kasutada võimalikult õhukest pooljuhtplaati, mis vähendaks tagasihajunud elektronide hulka, võimaldades joone paksusi 10 nm suurusjärgus. Teine lahendus oleks kasutada võimalikult väikese algenergiaga elektrone, mis ei tungi alusesse nii sügavale ning mille ristsuunaline hajumine on samuti väiksem.

Positiivse fotoresistiga mustri saavutamine

Positiivse fotoresisti korral on elektronkiire peamine ülesanne keemiliste sidemete lõhkumine. Selle tulemusena väheneb fotoresisti, mis on enamasti polümeer, molekulmass ning fotoresisti materjal muutub orgaaniliste solventide jaoks hõlpsamini lahustuvaks. Kui fotoresistiks on õhuke kiht pinnal, näiteks ränist pooljuhtalusel, siis orgaanilises lahustis "ilmutamise" järel paljastub elektronkiire abil joonistatud muster. Lahustumata jäänud polümeerikiht kujutab endast barjääri keemilisele või ioonkiirega söövitamisele, sellest ka nimieosa -resist (ingl. k takistus, vastupanu). Pärast söövitust eemaldatakse ka fotoresist. Selle tagajärjel on fotoresisti all olnud muster kantud pinnale. Levinuimad positiivsed fotoresistid on PMMA (polümetüülmetakrülaat), EBR-9 (polü(2, 2, 2-trifluoroetüül-kloroakrülaat)), PBS (polü(buteen-1-sulfoon)) ning ZEP (kloromeakrülaadi ja metüülstüreeni kopolümeer).

Negatiivse fotoresistiga mustri saavutamine

Negatiivse fotoresisti korral suureneb elektronkiirega kiiritamise tagajärjel keemiliste sidemete arv fotoresistis orgaaniliste molekulide vahel ristseoste tekkimise tõttu. Selle tagajärjel suureneb elektronkiirega kiiritatud piirkondades molekulmass ning lahustuvus solvendis väheneb. Pärast "ilmutamist" tekkiv muster on elektronkiirega joonistatud mustri negatiiv, s.t fotoresist jääb alles piirkondadesse, mida elektronkiirega kiiritati. Levinumad negatiivsed fotoresistid on COP (glütsidüül metakrülaadi ja etüülakrülaadi kopolümeer) ning SAL (koosneb kolmest osast: baaspolümeer, happe tekitaja ja ristseostav toimeaine).
Üheks sellise protsessi näiteks on elektronkiire tõttu tekkiv saastumine vaakumsüsteemides. Orgaaniliste ühendite (peamiselt süsivesinike) aurud jõuavad vaakumkambrisse näiteks kummitihenditelt. Pinnale adsorbeerunud süsivesinike kiiritamisel elektronkiirega polümeriseeruvad pinnal asetsevad molekulid kõrge molekulmassiga ühenditeks, mida enamik teadaolevaid lahusteid ei suuda eemaldada. Sellist, enamasti soovimatut efekti on võimalik ära kasutada näiteks fotoresisti tekitamiseks ioonidega kiiritamise jaoks.

Elektronlitograafia puudused võrreldes foto- ja röntgenlitograafiaga

Üks elektronlitograafia põhilistest puudustest võrreldes foto ja röntgenlitograafiaga on selle ajamahukus. Foto- ja röntgenlitograafias valgustatakse läbi maski kogu pinda korraga. Seevastu elektronkiirlitograafias saavutatakse detailne muster mikrokiibil rasterskaneerimise abil, mis võtab väga palju aega. Ajakulu vähendamiseks kombineeritakse elektronkiirlitograafiat tavalise fotolitograafiaga. Suurem osa mikrokiibist valmistatakse klassikalise fotolitograafia abil, kuid peenemat detailsusastet vajavad osad (nagu näiteks väljatransistori pais) saavutatakse elektronkiire abil.
Teine põhiline puudus võrreldes teiste meetoditega on elektronide kasutamisest tingitud probleem: elektronhajumisest põhjustatud lähipiirkonna efekt (ingl. k proximity effect), mille tõttu saavad teatud tagasihajunud elektronide doosi ka need fotoresisti piirkonnad, mida otseselt ei kiiritata. Seega näiteks positiivse fotoresisti kasutamisel võivad teatud fotoresisti piirkonnad, mida ei ole elektronkiirega kiiritatud, ilmutamisel ikkagi lahustuda.

Elektronlitograafia eelised võrreldes foto- ja röntgenlitograafiaga

Elektronlitograafia peamine eelis fotolitograafia ees on lahutusvõime: elektronlitograafia võimaldab saavutada lahutusvõimet kuni 10 nm, samal ajal kui fotolitograafia on võimeline sügavat ultraviolettvalgust kasutades saavutama lahutusvõimet kõigest veidi alla 10 μm. Nii foto- kui ka röntgenlitograafiaga võrreldes on elektronlitograafia üheks eeliseks see, et elektronlitograafia ei vaja eraldiseisvat maski, vaid muster kirjutatakse elektronkiire pinnal liigutamisega otse fotoresistile.