طرح‌نگار الکترونی

طرح‌نگاری الکترونی (لیتوگرافی پرتو الکترونی) یا به اختصار لیتوگرافی، عمل اسکن یک پرتو متمرکز از الکترون ها برای ترسیم اشکال سفارشی روی سطحی پوشیده شده با یک فیلم حساس به الکترون به نام مقاومت است. پرتو الکترونی حلالیت مقاومت را تغییر می‌دهد و با غوطه‌ور کردن آن در یک حلال، امکان حذف انتخابی مناطق در معرض یا در غیر معرض مقاومت را فراهم می‌کند. هدف، مانند فتولیتوگرافی، ایجاد ساختارهای بسیار کوچک در مقاومت است که می تواند متعاقباً با حکاکی کردن به مواد زیرلایه منتقل شود.

این روش در اوایل دهه ۱۹۶۰ میلادی تقریباً هم‌زمان با طرح‌نگاری نوری ابداع شد. طرح نگار الکترونی از میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) منشعب شده و بسیار شبیه آن است. این روش تنها با کشف پلیمر حساس به الکترون معروف به پلی متیل متاکریلات (PMMA)، امکان‌پذیر شد؛ تابش الکترون به پلی متیل متاکریلات، همانند تابش نور به پلیمر واسط در طرح نگار نوری است. ساخت طرح نانومتری بواسطه طرح نگاری الکترونی بسیار زودتر از طرح نگاری نوری انجام شد. از آنجا که پرتو الکترونی بسیار باریک فراهم گشت، طرح نگاری الکترونی با پلی متیل متاکریلات بسیار زود توانست وضوح تصویر بسیار بالاتری از آنچه که در آن زمان برای طرح نگاری نوری یک رؤیا بود دست یابد. در اوایل دهه ۱۹۷۰ میلادی، طرح نگاری الکترونی توانست طرح‌های ۶۰ نانومتری ایجاد کند.

مزیت اصلی لیتوگرافی پرتو الکترونی این است که می تواند الگوهای سفارشی با وضوح زیر 10 نانومتر ترسیم کند. این نوع لیتوگرافی بدون ماسک دارای وضوح بالا اما توان عملیاتی کم است و استفاده از آن را به ساخت ماسک نوری، تولید کم حجم دستگاه های نیمه هادی و تحقیق و توسعه محدود می کند.

 سیستم ها 
سیستم‌های لیتوگرافی پرتو الکترونی مورد استفاده در کاربردهای تجاری، سیستم‌های نوشتن پرتو الکترونیکی اختصاصی هستند که بسیار گران هستند. برای کاربردهای تحقیقاتی، تبدیل میکروسکوپ الکترونی به یک سیستم لیتوگرافی پرتوی الکترونی با استفاده از لوازم جانبی نسبتاً کم هزینه بسیار رایج است. چنین سیستم های تبدیل شده‌‌ای حداقل از سال 1990 پهنای خط 20 نانومتر تولید کرده اند، در حالی که سیستم های اختصاصی فعلی پهنای خطی در حدود 10 نانومتر یا کمتر تولید کرده اند.

سیستم های لیتوگرافی پرتو الکترونی را می توان بر اساس شکل پرتو و استراتژی انحراف پرتو طبقه بندی کرد. سیستم های قدیمی تر از پرتوهای گاوسی شکل استفاده می کردند که این پرتوها را به صورت شطرنجی اسکن می کردند. سیستم های جدیدتر از پرتوهای شکلی استفاده می کنند که می توانند به موقعیت های مختلف در زمینه نوشتن منحرف شوند.

 منابع الکترونی 
سیستم‌های با وضوح پایین‌تر می‌توانند از منابع ترمیونی (کاتد) استفاده کنند که معمولاً از هگزابورید لانتانیم تشکیل می‌شوند. با این حال، سیستم‌هایی با وضوح بالاتر نیاز به استفاده از منابع انتشار الکترون میدانی، مانند W/ZrO2 گرم شده برای پخش انرژی کمتر و روشنایی بیشتر دارند. منابع انتشار میدان حرارتی بر منابع انتشار سرد ترجیح داده می‌شوند، زیرا علی‌رغم اندازه پرتو کمی بزرگ‌تر، پایداری بهتری نسبت به زمان‌های نوشتن معمولی چند ساعته ارائه می‌دهند.

 لنزها 
هر دو لنز الکترواستاتیک و مغناطیسی ممکن است استفاده شود. با این حال، لنزهای الکترواستاتیک دارای انحرافات بیشتری هستند و بنابراین برای فوکوس خوب استفاده نمی شوند. در حال حاضر هیچ مکانیزمی برای ساخت عدسی های پرتو الکترونی آکروماتیک وجود ندارد، بنابراین پراکندگی بسیار باریک انرژی پرتو الکترونی برای فوکوس بهتر مورد نیاز است.

 دوخت و تراز 
بندانگشتی|دوخت میدانی.دوخت یک نگرانی برای ویژگی های حیاتی است که از مرز میدان عبور می کنند (خط نقطه چین قرمز).
به طور معمول، برای انحرافات پرتو بسیار کوچک، از عدسی انحراف الکترواستاتیک استفاده می شود. انحراف پرتوهای بزرگتر نیاز به اسکن الکترومغناطیسی دارد. به دلیل عدم دقت و به دلیل تعداد محدود پله ها در شبکه نوردهی، میدان نوشتن در حد 100 میکرومتر - 1 میلی متر است. الگوهای بزرگتر به حرکات صحنه نیاز دارند. یک مرحله دقیق برای دوخت (کاشی کاری فیلدهای نوشتاری دقیقاً روی هم) و پوشش الگو (تراز کردن یک الگو با الگوی ساخته شده قبلی) بسیار مهم است.

 زمان نوشتن پرتو الکترونی 
حداقل زمان برای قرار گرفتن در معرض یک منطقه معین برای یک دوز مشخص با فرمول زیر داده می شود:

که در آن T زمان نوردهی جسم است (می توان آن را به زمان نوردهی/اندازه مرحله تقسیم کرد)، I جریان پرتو، D دز و A ناحیه ای است که در معرض دید قرار می گیرد.

برای مثال، با فرض مساحت نوردهی 1 سانتی‌متر مربع، دوز 10-3 کولن بر سانتی‌متر مربع، و جریان پرتو 10-9 آمپر، حداقل زمان نوشتن حاصل 106 ثانیه (حدود 12 روز) خواهد بود. این حداقل زمان نوشتن شامل زمان برای حرکت به جلو و عقب و همچنین زمان خالی شدن پرتو (مسدود شدن از ویفر در هنگام انحراف)، و همچنین زمان برای سایر اصلاحات و تنظیمات پرتوی احتمالی در وسط نمی‌شود. از نوشتن برای پوشاندن سطح 700 سانتی‌متر مربع یک ویفر سیلیکونی 300 میلی‌متری، حداقل زمان نوشتن به 7*108 ثانیه یعنی حدود 22 سال افزایش می‌یابد. این ضریب حدود 10 میلیون بار کندتر از ابزارهای لیتوگرافی نوری فعلی است. واضح است که توان عملیاتی یک محدودیت جدی برای لیتوگرافی پرتو الکترونی، به ویژه در هنگام نوشتن الگوهای متراکم در یک منطقه بزرگ است.

لیتوگرافی پرتو الکترونیکی به دلیل توان عملیاتی محدود آن برای تولید با حجم بالا مناسب نیست. میدان کوچک‌تر نوشتن پرتو الکترونی باعث ایجاد الگوی بسیار کند در مقایسه با فوتولیتوگرافی (استاندارد فعلی) می‌شود، زیرا میدان‌های نوردهی بیشتری باید اسکن شوند تا ناحیه الگوی نهایی را تشکیل دهند. میدان پرتو الکترونی به اندازه‌ای کوچک است که برای الگوبرداری از ناحیه 26 میلی‌متر در 33 میلی‌متر به یک حرکت مرحله‌ای یا مارپیچ نیاز است، در حالی که در اسکنر فوتولیتوگرافی فقط یک حرکت یک بعدی از یک میدان شکافی 26 میلی‌متر در 2 میلی‌متر ضروری است.

در حال حاضر یک ابزار لیتوگرافی بدون ماسک نوری بسیار سریعتر از ابزار پرتو الکترونی است که با وضوح یکسان برای الگوبرداری ماسک عکس استفاده می شود.

 نویز شات 
همانطور که اندازه ویژگی ها کوچک می شود، تعداد الکترون های برخوردی در دوز ثابت نیز کوچک می شود. به محض اینکه این عدد به 10000 ~ می رسد، اثرات نویز شات غالب می شوند، که منجر به تغییر دوز طبیعی قابل توجهی در یک جمعیت بزرگ ویژگی می شود. با هر گره فرآیند متوالی، با نصف شدن ناحیه ویژگی، حداقل دوز باید دو برابر شود تا سطح نویز یکسان حفظ شود. در نتیجه، توان عملیاتی ابزار با هر گره فرآیند متوالی نصف می شود.
قطر ویژگی (nm)حداقل دوز با خطای دوز 5٪ برای یک در میلیون  (μC/cm2)40127282602050914103910203774158
صدای شات حتی برای ساخت ماسک نیز یک نکته قابل توجه است. به عنوان مثال، یک ماسک تجاری مقاوم در برابر پرتو الکترونیکی مانند FEP-171 از دوزهای کمتر از 10 μC/cm2 استفاده می کند، در حالی که این امر منجر به نویز قابل توجه شلیک برای یک بعد بحرانی هدف (CD) حتی به ترتیب از ~ 200 نانومتر روی ماسک. تنوع CD می‌تواند در حدود 15 تا 20 درصد برای ویژگی های زیر 20 نانومتر باشد.

 نقص در لیتوگرافی پرتو الکترونی 
علیرغم وضوح بالای لیتوگرافی پرتو الکترونی، ایجاد نقص در لیتوگرافی پرتو الکترونی اغلب توسط کاربران در نظر گرفته نمی شود. نقص ها را می توان به دو دسته تقسیم کرد: نقص های مربوط به داده ها و نقص های فیزیکی.

نقص‌های مربوط به داده‌ها را می‌توان بیشتر به دو زیر گروه طبقه‌بندی کرد. خطاهای خالی شدن یا انحراف زمانی اتفاق می‌افتد که پرتو الکترونی به درستی منحرف نشود، در حالی که خطاهای شکل‌دهی در سیستم‌های پرتو متغیر زمانی رخ می‌دهد که شکل نامناسبی بر روی نمونه پخش شود. این خطاها می‌توانند از سخت‌افزار کنترل نوری الکترون یا داده‌های ورودی که از نوار خارج شده‌اند، نشات بگیرند. همانطور که انتظار می رود، فایل های داده بزرگتر در معرض نقص های مربوط به داده ها هستند.

نقص‌های فیزیکی متنوع‌تر هستند و می‌توانند شامل شارژ نمونه (منفی یا مثبت)، خطاهای محاسباتی پس‌پراکندگی، خطاهای دوز، مه‌آلودگی (انعکاس دوربرد الکترون‌های پراکنده شده)، خروج گاز، آلودگی، رانش پرتو و ذرات باشد. از آنجایی که زمان نوشتن برای لیتوگرافی پرتو الکترونی می تواند به راحتی از یک روز تجاوز کند، احتمال بروز نقص های "تصادفی" بیشتر است. در اینجا دوباره، فایل های داده بزرگتر می توانند فرصت های بیشتری برای نقص ایجاد کنند.

نقص‌های ماسک نوری عمدتاً در طول لیتوگرافی پرتو الکترونی مورد استفاده برای تعریف الگو منشأ می‌گیرند.

 رسوب انرژی الکترون در ماده 
الکترون های اولیه در پرتو فرودی با ورود به یک ماده از طریق پراکندگی غیر کشسان یا برخورد با الکترون های دیگر انرژی خود را از دست می دهند. در چنین برخوردی، انتقال تکانه از الکترون فرودی به یک الکترون اتمی را می توان به صورت زیر بیان کرد:

جایی که b فاصله نزدیک‌ترین فاصله بین الکترون‌ها و v سرعت الکترون فرودی است. انرژی منتقل شده توسط برخورد به صورت زیر داده می شود:
بندانگشتی|مدارهای الکترونی در مقاومت:یک الکترون فرودی (قرمز) الکترون های ثانویه (آبی) تولید می کند. گاهی اوقات، الکترون فرودی ممکن است همانطور که در اینجا نشان داده شده است به عقب پراکنده شود و سطح مقاومت (کهربا) را ترک کند.

که در آن m جرم الکترون و E انرژی الکترون فرودی است که توسط:

به دست می‌آید. با ادغام تمام مقادیر T بین کمترین انرژی اتصال، E0 و انرژی فرودی، به این نتیجه می رسیم که سطح مقطع کل برای برخورد با انرژی فرودی E  نسبت معکوس دارد. به طور کلی، E >> E0، بنابراین نتیجه اساساً با انرژی اتصال نسبت معکوس دارد.
با استفاده از رویکرد یکپارچه سازی مشابه، اما در محدوده 2E0 تا E، با مقایسه مقاطع عرضی به دست می آید که نیمی از برخوردهای غیر کشسان الکترون های فرودی، الکترون هایی با انرژی جنبشی بیشتر از E0 تولید می کنند. این الکترون های ثانویه قادر به شکستن پیوندها (با انرژی اتصال E0) در فاصله ای دور از برخورد اصلی هستند. علاوه بر این، آنها می توانند الکترون های اضافی با انرژی کمتر تولید کنند که در نتیجه یک آبشار الکترون ایجاد می شود. از این رو، تشخیص سهم قابل توجه الکترون های ثانویه در گسترش رسوب انرژی مهم است.
به طور کلی، برای یک مولکول AB:
e− + AB → AB− → A + B−
این واکنش، همچنین به عنوان "اتصال الکترون" یا "اتصال الکترون تجزیه ای" شناخته می شود، به احتمال زیاد پس از اینکه الکترون اساساً تا حد توقف کند شد، رخ می دهد، زیرا گرفتن آن در آن نقطه آسان تر است. سطح مقطع اتصال الکترون با انرژی الکترون در انرژی های بالا نسبت معکوس دارد، اما در انرژی صفر به حداکثر مقدار محدود نزدیک می شود. از سوی دیگر، از قبل مشخص شده است که میانگین مسیر آزاد در کمترین انرژی ها (کم تا چند eV یا کمتر، در جایی که وابستگی تجزیه ای قابل توجه است) به خوبی بیش از 10 نانومتر است، در نتیجه توانایی به طور مداوم در دستیابی به وضوح در این مقیاس محدود می شود.

 شارژ شدن 
از آنجایی که الکترون ها ذرات باردار هستند، تمایل دارند لایه را به صورت منفی باردار کنند، مگر اینکه بتوانند به سرعت به مسیری به زمین دسترسی پیدا کنند. برای برخورد پرتوی پرانرژی روی یک ویفر سیلیکونی، تقریباً تمام الکترون‌ها در ویفر متوقف می‌شوند و می‌توانند مسیری را به سمت زمین دنبال کنند. با این حال، برای یک بستر کوارتز مانند یک ماسک نوری، الکترون‌های تعبیه‌شده زمان بیشتری طول می‌کشد تا به زمین حرکت کنند. اغلب بار منفی به دست آمده توسط یک بستر به دلیل انتشار الکترون ثانویه در خلاء می تواند با بار مثبت روی سطح جبران یا حتی از آن بیشتر شود. وجود یک لایه نازک رسانا در بالا یا زیر مقاومت عموماً برای پرتوهای الکترونی با انرژی بالا (50 کیلو ولت یا بیشتر) کاربرد محدودی دارد، زیرا اکثر الکترون ها از لایه به زیرلایه عبور می کنند. لایه اتلاف بار معمولاً فقط در اطراف یا کمتر از 10 کو مفید است، زیرا مقاومت نازک‌تر است و بیشتر الکترون‌ها یا در مقاومت متوقف می‌شوند یا نزدیک به لایه رسانا هستند. با این حال، به دلیل مقاومت بالای ورق آنها، استفاده محدودی دارند که می تواند منجر به اتصال زمین ناکارآمد شود.

گستره الکترون‌های ثانویه کم انرژی (بزرگ‌ترین جزء جمعیت الکترون آزاد در سیستم زیرلایه مقاوم) که می‌توانند در بارگیری نقش داشته باشند، عدد ثابتی نیست، اما می‌تواند از 0 تا 50 نانومتر متغیر باشد (به بخش مرزهای جدید مراجعه کنید. و لیتوگرافی فرابنفش شدید). از این رو، شارژ زیرلایه مقاوم قابل تکرار نیست و جبران مداوم آن دشوار است. بار منفی پرتو الکترونی را از ناحیه باردار منحرف می کند در حالی که بار مثبت پرتو الکترونی را به سمت ناحیه باردار منحرف می کند.

 جستارهای وابسته 
 طرح نگار نوری
 طرح نگار چاپی
 میکروسکوپ الکترونی روبشی
پلی متیل متاکریلات
لانتانیم
تابش الکترومغناطیس
عدسی

 منابع 

رده:پرتو الکترونی
رده:طرح‌نگاری