لیتوگرافی اشعه ایکس
لیتوگرافی اشعه ایکس، فرآیندی است که در صنعت الکترونیک برای حذف انتخابی بخش‌هایی از یک لایه نازک استفاده می‌شود. از اشعه ایکس ری برای انتقال یک الگوی هندسی از یک ماسک به یک نور که مقاومت شیمیایی دارد، و حساس به نور است؛ استفاده می کند. سپس یک سری عملیات شیمیایی، الگوی تولید شده را روی ماده زیر نور مقاوم می‌کند.
این تنها بخش کوچکی از خواص اشعه ایکس حیرت انگیز است.
لیتوگرافی اشعه ایکس بعنوان کاندید برای لیتوگرافی نسل بعدی برای صنعت نیمه هادی ها با دسته هایی از ریزپردازنده ها با موفقیت معرفی شده است. داشتن طول موج کوتاه (زیر 1 نانومتر) اشعه ایکس، بر محدودیت‌های پراش لیتوگرافی نوری غلبه میکند و امکان ایجاد اندازه‌های کوچک‌تر را فراهم میکند. اگر منبع اشعه ایکس همسو و هم جهت نباشد، مانند تابش سنکروترون، از آینه‌های تقلیل‌دهنده اولیه یا عدسی‌های پراش به جای عدسی‌های انکساری مورد استفاده در اپتیک استفاده می‌شود تا اشعه ها را متمرکز تر و با بازدهی بیشتر ساتع نماید. اشعه ایکس ماسکی را که در مجاورت یک ویفر با پوشش مقاوم قرار داده شده است، روشن می نماید. پرتوهای اشعه ایکس دارای باندی پهن میباشند، که معمولاً از یک منبع تشعشع سنکروترون فشرده و امکان قرار گرفتن در معرض سریع را فراهم میکنند. لیتوگرافی اشعه ایکس عمیق (DXRL) از طول موج های کوتاه تر مثلا در حد 0.1 نانومتر و روش های اصلاح شده مانند فرآیند (LIGA) برای ساخت ساختارهای عمیق و حتی بعضا سه بعدی استفاده می کند.
این ماسک که خود شامل یک جاذب اشعه ایکس است، معمولاً از عناصری مانند طلا یا ترکیبات تانتالیوم یا تنگستن ، روی غشایی که در برابر اشعه ایکس شفاف است، گاهاً از کاربید سیلیکون یا الماس تهیه میشود. الگویی که روی ماسک وجود دارد، توسط لیتوگرافی پرتوی الکترونی رایت مستقیم بر روی مقاومتی که توسط فرآیندهای نیمه هادی معمولی ایجاد میشود، نوشته شده است. غشاء میتواند برای دقت پوشش کشیده شود.
بیشتر نمایشهای لیتوگرافی اشعه ایکس بوسیله کپی با صحت تصویر (بدون بزرگنمایی) روی خط کنتراست فازی همانطور که در شکل نشان داده شده است انجام شده است. اگرچه با این وجود، با افزایش نیاز به وضوح بالا، لیتوگرافی اشعه ایکس اکنون در جایی که "نقطه شیرین" نامیده میشود، با استفاده از "بزرگ‌زدایی محلی توسط بایاس" انجام میشود. جایی که ساختارهای متراکم با نوردهی های متعدد همراه با ترجمه ایجاد می شوند. از مزایای استفاده از بزرگنمایی 3 برابر می توان به: سهولت بسیار در ساخت ماسک، افزایش فاصله ماسک تا ویفر و کنتراست بالاتر اشاره کرد. این تکنیک برای چاپ های متراکم 15 نانومتری قابل گسترش است.
پرتوهای اشعه ایکس الکترون‌های ثانویه را تولید می‌کنند، مانند لیتوگرافی فرابنفش شدید و لیتوگرافی پرتو الکترونی که مواردی از انواع الکترون های ثانویه میباشد. این در حالی است که تعریف الگوی ظریف غالباً به دلیل ثانویه بودن الکترون‌های اوگر با طول مسیر کوتاه است، الکترون‌های اولیه مقاومت را در ناحیه بزرگ‌تری نسبت به قرار گرفتن در معرض اشعه ایکس حساس میکنند. در حالی که این روی واضح بودن گام الگو، که با طول موج و شکاف تعیین می‌شود، تأثیری نمی‌گذارد؛ کنتراست نوردهی تصویر "(حداکثر-حداقل)/(حداکثر+ حداقل)" کاهش می یابد، زیرا گام به ترتیب محدوده فوتوالکترون اولیه است. زبری و شیب دیواره‌های جانبی تحت تأثیر این الکترون‌های ثانویه قرار میگیرند زیرا بسته به انرژی اشعه ایکس می‌توانند چند میکرومتر در ناحیه زیر جاذب حرکت کنند. چندین مقاله در حدود 30 نانومتر منتشر شده است. از دیگر مظاهر اثر فوتوالکترون، قرارگیری در معرض الکترون های تولید شده با اشعه ایکس از لایه های ضخیم طلا است که از این مورد برای ساخت ماسک های دختر استفاده میشود. شبیه‌سازی‌ها نشان می دهند که تولید فوتوالکترون از زیرلایه عنصر طلا، ممکن است بر نرخ انحلال پذیری تأثیر بگذارد.
الکترونهای ثانویه که انرژی 25 eV یا کمتر را دارا می باشند، و میتوانند توسط هر تابش یونیزان مانند ( VUV ، EUV، اشعه ایکس ری، یون ها و سایر الکترون ها) تولید شوند. انرژی الکترون های اوگر صدها الکترون ولت است. ثانویه ها (که توسط اوگر و فوتوالکترون های اولیه تولید شده اند و تعداد آنها بیشتر است) عوامل اصلی برای مقاومت در برابر قرار گرفتن در معرض هستند.
محدوده نسبی فوتوالکترون های اولیه و الکترونهای اوگر به انرژی های مربوط به آنها بستگی دارد. این انرژی ها به انرژی تابشی و به ترکیب مقاومت بستگی دارند. همچنین فضای قابل توجهی برای انتخاب بهینه وجود دارد (برگرفته از 3 مقاله). وقتی الکترون‌ های اوگر انرژی کمتری نسبت به فوتوالکترون‌های اولیه داشته باشند، برد کوتاه‌تری را نیز خواهند داشت. هر دو به ذرات ثانویه تجزیه میشوند که با پیوندهای شیمیایی برهم کنش دارند. وقتی انرژی‌های ثانویه خیلی کم باشند، نمی‌توانند پیوندهای شیمیایی را بشکنند بنابراین بر وضوح چاپ اثر نمی‌ گذارند. آزمایشها ثابت میکنند که محدوده ترکیبی کمتر از 20 نانومتر است. از طرفی، ثانویه‌ها روند متفاوتی زیر 30 ولت را دنبال می‌کنند؛ پس هر چه انرژی کمتر باشد، میانگین مسیر آزاد طولانی‌تر است، اگرچه نمی‌توانند بر توسعه مقاومت تأثیر بگذارند. با فروپاشی آنها، فوتوالکترون های اولیه و الکترون های اوگر در نهایت از نظر فیزیکی غیر قابل تشخیص (مانند آمار فرمی دیراک) از الکترون های ثانویه می شوند. دامنه الکترون‌های ثانویه کم انرژی گاها بیشتر از محدوده الکترون‌های فوتو اولیه یا الکترون‌ های اوگر میباشد. آنچه برای لیتوگرافی اشعه ایکس دارای اهمیت است، محدوده موثر الکترون هایی است که انرژی کافی برای ایجاد یا شکستن پیوندهای شیمیایی در مقاومتهای منفی یا مثبت را دارا میباشند. اشعه ایکس را نمیتوان شارژ کرد. میانگین مسیر آزاد نسبتا بزرگ (~20 نانومتر) الکترون‌های ثانویه مانع از کنترل وضوح در مقیاس نانومتری می‌شوند. مخصوصا، لیتوگرافی پرتو الکترونی از بار منفی توسط الکترون‌های برخوردی و در نتیجه گسترش پرتو رنج می‌برد که این منجر به محدود شدن وضوح میشود. بنابراین جداسازی محدوده موثر ثانویه که امکان دارد کمتر از 1 نانومتر باشد دشوار است.
مسیر آزاد میانگین الکترون ترکیبی بر تاری تصویر تاثیر میگذارد که معمولاً بعنوان یک تابع گاوسی (جایی که σ = تاری) مدل میشود که با تصویر مورد انتظار در هم می آمیزد. همان گونه که وضوح موردنظر به تاری نزدیک میشود، "تصویر دوز" وسیعتر از "تصویر هوایی" اشعه ایکس فرودی میشود. تاری که مهم است، ت"صویر نهفته ای است" که ایجاد یا شکستن پیوندها در مدت مواجه شدن با مقاومت را توصیف مینماید. "تصویر توسعه‌ یافته، تصویر" برجسته نهایی است که توسط فرآیند توسعه کنتراست بالا بر روی تصویر نهفته تولید می‌ شود.
نظر به اینکه انتشارات مختلف نام برده شده، محدوده الکترون های نسل اولیه، اوگر، ثانویه و فوق کم انرژی که چاپ میکنند ( همانطور که مطالعات STM ثابت کردند) میتواند بزرگ (ده ها نانومتر) یا کوچک (در حد نانومتر) باشد. از آنجایی که این محدوده یک عدد ثابت نیست، تعیین کمیت آن دشوار است. زبری لبه خط توسط عدم قطعیت مرتبط تشدید میشود. ظاهراً زبری لبه خط از نظر منشأ آماری است و فقط به طور غیر مستقیم به میانگین محدوده وابسته است. تحت شرایط معمول لیتوگرافی، محدوده های مختلف الکترون را میتوان کنترل کرد و از آنها بهره برد.
پرتوهای اشعه ایکس به خودی خود و بدون هرگونه عملیات اضافی، هیچ باری ندارند، اما در انرژی های موجود، واپاشی اوگر گونه های یونیزه شده در یک نمونه میتواند محتمل تر از فروپاشی تابشی باشد. تشعشعات پر انرژی بیش از پتانسیل یونیزاسیون نیز الکترون‌های آزاد تولید می‌کنند که در مقایسه با آنهایی که توسط پرتو های الکترونی باردار تولید می‌شوند، ناچیز هستند. شارژ نمونه پس از یونیزاسیون، زمانی که نمیتوان تضمین کرد که الکترون های یونیزه شده سطح را ترک می کنند یا در نمونه باقی میمانند، به اندازه کافی از منابع دیگر در زمان متعادل هستند، احتمال رخ دادن آن بسیار ضعیف است. انتقال انرژی به الکترونها، در نتیجه تابش، منجر به یونیزه شدن بارهای مثبت و منفی جدا شده میشود که تا حدودی به دلیل برد طولانی نیروی کولن به سرعت دوباره ترکیب میشوند. میتوان نتیجه گرفت که لایه‌های عایق همانند اکسیدهای دروازه و یا حتی رزیست ها تحت تابش پرتو الکترونی به پتانسیل مثبت یا منفی شارژ می‌ شوند. فیلم های عایق در نهایت توسط بار فضایی ( الکترون‌هایی که به سطح وارد و از آن خارج می‌شوند ) در رابط مقاومت-خلاء و تزریق فاولر-نوردهایم از بستر خنثی می شوند. دامنه الکترون های فیلم می تواند تحت تأثیر میدان الکتریکی محلی قرار بگیرد. وضعیت به دلیل وجود حفره‌هایی ( جای خالی الکترون با بار مثبت ) که همراه با الکترون‌های ثانویه ایجاد می‌شوند و انتظار می رود که آنها را در اطراف دنبال کنند، پیچیده‌تر می شود. با ادامه این فرایند خنثی سازی، هر غلظت بار اولیه به طور موثر شروع به پخش شدن میکند. حالت شیمیایی نهایی فیلم پس از خنثی سازی کامل میشود؛ پس از اینکه تمام الکترون ها در نهایت سرعت خود را کاهش دادند. غالباً، به استثنای استپرهای پرتو اشعه ایکس، شارژ را می توان با تفنگ سیل یا مقاومت در برابر ضخامت یا لایه اتلاف بار کنترل کرد.