Litografia a fascio elettronico

La litografia a fascio elettronico rappresenta la tecnica litografica a più alta risoluzione; per via degli elevati tempi di processo essa è utilizzata prevalentemente in ambito di ricerca e sviluppo. D’altra parte, nella progressiva miniaturizzazione dei dispostivi elettronici per le applicazioni nei transistor ad alta frequenza, dove le lunghezze di gate sono sempre più piccole, essa si è rivelata lo strumento più adatto sia in termini di resa che di prestazioni. Tra le altre sue importanti applicazioni, c’è la realizzazione di maschere per litografia ottica.

Nella litografia a fascio elettronico la struttura geometrica viene trasferita su un materiale elettro-sensibile, il resist elettronico, attraverso un sottile fascio di elettroni incidente normalmente. Il passaggio di elettroni nel resist produce una variazione delle sue proprietà chimiche; in particolare cambia la solubilità rispetto ad un particolare agente chimico. Esso viene successivamente utilizzato per dissolvere selettivamente il resist nelle regioni esposte alla radiazione, nel caso di un resist di tono positivo, o le zone non esposte, nel caso di un resist negativo.

Quando la litografia elettronica è utilizzata per la realizzazione di elettrodi metallici, il campione viene innanzitutto ricoperto di un resist positivo. Successivamente il resist viene esposto nelle zone in cui si deve realizzare l’elettrodo. Dopo lo sviluppo, il campione presenta delle finestre in corrispondenza di queste regioni; il metallo di gate viene depositato su tutta la superficie. Infine, immergendo il campione in un solvente non selettivo, si ha la rimozione del resist e del metallo superfluo.

Questo processo è denominato lift-off, e costituisce un metodo di tipo additivo per l’ottenimento degli elettrodi. Esso è stato utilizzato per la formazione dei gate sui dispositivi realizzati; una descrizione schematica del processo è riportata in fig.2.25. Il sistema per la litografia elettronica presente presso i laboratori dell’IFN è un EBPG 5000 della Leica

Microsystem (fig.2.26) .

Figura 2.25: schema del processo di realizzazione di un elettrodo metallico su un substrato, mediante una tecnica additiva e l’utilizzo della litografia a fascio elettronico. (a) esposizione delle regioni da metallizzare sul resist elettronico. (b) sviluppo. (c) deposizione della metallizzazione. (d) lift-off

(a)

(b)

Figura 2.26: (a) immagine del sistema EBL presente presso la camera pulita dell’IFN. (b) schema della colonna del’EBL

Il cannone elettronico, la sorgente del fascio, è costituito da un catodo ad emissione per effetto campo (FEG, Field Effect Gun) (fig.2.27). Esso è costituito da tre parti:

• Una punta di Tungsteno orientata lungo il piano cristallino <100> • Un “serbatoio” di Ossido di Zirconio

• Un filamento di Tungsteno policristallino.

(a) (b)

Figura 2.27: (a) schema del FEG. (b) foto SEM del filamento.

Gli elettroni vengono emessi dal filamento per effetto Schottky; grazie ad un sistema di ultra alto vuoto e a un sofisticato circuito di ottica elettronica, gli elettroni emessi vengono accelerati, collimati e focalizzati sulla superficie del campione. Il sistema di ottica dell’EBL è illustrato in fig.2.26(b). La tensione di accelerazione tra il filamento e la superficie del campione è 100 kV; il fascio emesso dal filamento ha un diametro di 8nm. Le dimensioni del fascio sulla superficie focale dipendono dalle impostazioni della colonna, come corrente utilizzata e apertura finale delle fenditure. Il diametro del fascio è comunque dell’ordine delle decine di nanometri; la risoluzione finale dipende anche da altre variabili, quali ad esempio l’effetto di prossimità.

Le lenti elettromagnetiche finali servono a focalizzare e deflettere il fascio elettronico sulla superficie del campione. La deflessione del fascio ha un limite, che definisce l’area massima scrivibile senza spostamenti dello stage che alloggia il campione; essa è denominata

main field. Il main field dipende dalla risoluzione adottata, e arriva a 500µm. Gli spostamenti

lungo il piano del campione sono controllati attraverso un sistema laser a interferometro, avente una precisione di 5 nm. Anche il piano di focalizzazione, perpendicolare all’asse z, viene regolato attraverso un sistema ottico interferometrico.

Il cambiamento chimico indotto dal fascio elettronico durante l’esposizione è un processo a soglia; in altre parole, per ciascun resist esiste un valore caratteristico per la quantità di carica incidente necessaria affinché esso si sviluppi (dose di soglia).

Pertanto, la variabile fondamentale di un processo di litografia elettronica è appunto la dose, definita come:

2 2 0.1 [ / ] beam BSF ss I D C cm B µ ψ = i i dove:

• Ibeam [nA]: corrente incidente sul campione

• ψBSF [Hz]: inverso del tempo in cui il fascio resta sul singolo pixel, ovvero

frequenza di deflessione (500Hz-10MHz)

• Bss [nm]: passo di esposizione; Bss2 indica l’area del singlolo pixel

Un aspetto fondamentale nella litografia elettronica è il profilo di riga; esso rappresenta la forma in sezione del resist dopo lo sviluppo. Le tre diverse tipologie di profili ottenibili sono illustrate in fig.2.28. Una sezione di tipo “undercut” facilita il lift-off, pertanto questo profilo è preferibile nella fabbricazione di elettrodi di gate. Una delle caratteristiche principali della litografia a fascio elettronico è la possibilità di controllare il profilo del resist, controllando dose e tempi di sviluppo. Questa proprietà è illustrata in fig.2.29.

Figura 2.28: profili di riga ottenibili da una litografia.(a) verticale. (b) undercut. (c) overcut

Figura 2.29: andamento della forma di riga ottenibile in funzione del tempo di sviluppo.

Nella litografia a fascio elettronico, il limite maggiore alla risoluzione è dovuto all’

effetto di prossimità; gli elettroni incidenti, nell’attraversare il resist vengono diffusi

spazialmente dalle molecole del resist (forward scattering). Inoltre, quando arrivano al substrato vengono diffusi indietro dalla sua superficie (backscattering); quindi, per effetto dello scattering, all’interno del resist la regione effettivamente attraversata dagli elettroni è maggiore di quella investita direttamente dal fascio (fig.2.30(a)).

Ciascun pixel esposto riceve un dose totale data in parte dal fascio incidente diretto, e in parte dal fascio incidente sulle regioni limitrofe e successivamente diffuso. La correzione di questo effetto prevede uno studio accurato del disegno e delle dosi; ad esempio, l’effetto di prossimità è più elevato in regioni di esposizione estese. Pertanto, all’aumentare dell’area da esporre, la dose va ridotta. L’effetto di prossimità può essere compreso meglio dall’osservazione della fig.2.30(b), in cui è illustrata la distribuzione del fascio elettronico sul campione. È utile osservare come la distribuzione degli elettroni, e quindi la prossimità, sia notevolmente ridotta all’aumentare dell’energia; pertanto, nei sistemi EBL con una tensione di accelerazione di 100 kV, l’effetto di prossimità è ridotto, e la risoluzione è più elevata.

Un ultimo aspetto da considerare è la realizzazione di una litografia su geometrie già esistenti, ovvero la problematica dell’allineamento. Il sistema utilizzato è in grado di correggere la posizione del disegno che deve esporre rispetto a un disegno preesistente in modo molto accurato, grazie ad una procedura elettronica di riconoscimento di appositi markers di allineamento. Essi sono delle strutture da realizzare ad-hoc che il fascio elettronico può localizzare con una elevata precisione, e successivamnte utilizzare come punti di coordinate fisse per allineare il disegno da esporre; essi devono essere quindi delle regioni di geometria “pulita” e ad alto contrasto rispetto al substrato. I marker possono essere ad esempio delle piazzole quadrate metalliche, di lato 20µm, posti ai lati di ciascun dispositivo; in alternativa, possono essere delle cavità aventi stessa forma.

(a) (b)

Figura 2.30: simulazione Montecarlo della traiettoria di un elettrone diffuso nel resisit e nel substrato, durante una litografia a fascio elettronico per diversi valori della tensione di accelerazione del fascio. (b) schematizzazione dell’effetto di prossimità: le regioni racchiuse dalle linee tratteggiate coincidono con le regioni effettivamente esposte, per due diversi valori della tensione di accelerazione.