CAPITOLO 1 Il sistema attuale
1 Il sistema attuale
Come già accennato nell’introduzione, per effettuare litografia a fascio elettronico, sono necessarie due componenti fondamentali: la prima è la sorgente di elettroni in grado di impressionare il campione, la seconda è il sistema in grado di tradurre le geometrie disegnate col CAD del PC in informazioni di posizione del fascio e di tempo di esposizione. Stiamo parlando rispettivamente del microscopio elettronico a scansione (SEM) e del Pattern Generator (PG). In questo capitolo, prima di analizzare la struttura del sistema attuale presente presso il Dipartimento di Ingegneria dell’Informazione dell’Università di Pisa, descriveremo SEM e PG nel contesto della litografia elettronica.
1.1 Litografia a fascio di elettroni
Il principio base della litografia a fascio di elettroni è quello di usare un fascio focalizzato di elettroni per impressionare il resist. Esso presenta alcuni notevoli vantaggi rispetto alla litografia ottica. Primo fra tutti è la maggiore risoluzione legata alla ridotta lunghezza d’onda che risente di minori effetti di diffrazione: la dimensione minima che può essere definita è limitata inferiormente dal diametro del fascio (che può raggiungere qualche nanometro). Ulteriore vantaggio è la possibilità di definire aree sul campione senza la necessità (e i costi) di maschere fisiche, ma attraverso maschere software generate dal computer, per pilotare il movimento del pennello elettronico. Pregio di questo tipo di litografia è infine la maggior semplicità nell’allineamento di fasi di processo successive.
Il principale svantaggio è intrinseco al sistema ed è la lentezza. Per impressionare il campione secondo determinate geometrie infatti, il fascio deve di fatto illuminare per un certo intervallo di tempo (necessario per una corretta esposizione del resist) le aree da scrivere. Se ne deduce che dovendo disegnare le aree definite dalle maschere, il tempo necessario ad ogni passo di litografia è proporzionale all’area da esporre. Questo non accade nella classica litografia ottica dove tutte le aree sono esposte
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Le caratteristiche importanti di un sistema per la litografia elettronica sono a questo punto note: le dimensioni e l’intensità di corrente di fascio. La prima perché determina la capacità risolutiva, la seconda perché determina i tempi di esposizione del campione. E’ infatti evidente che essendo gli elettroni stessi a indurre le modificazioni della struttura del resist (così da aumentarne o diminuirne la solubilità), a parità di elettroni necessari per ottenere una corretta esposizione, con una corrente inferiore è necessario un tempo superiore.1.2 Il pattern generator
Il pattern generator è quel sistema che traduce la maschera software disegnata in ambiente CAD sul computer, in informazioni temporali e di posizione del fascio, ovvero nella scrittura del campione. Il PG è suddiviso in due parti: una software e una hardware. La prima è costituita da un programma che elabora la maschera CAD (Figura 1.1-A), decomponendola in una matrice di punti di coordinate (x,y) intervallati di un X, Y (Figura 1.1-B). Ogni punto della matrice è detto “beam step” e deve essere illuminato per un preciso tempo Tdwell determinato dal tipo di resist deposto.
Figura 1.1 – I passaggi del pattern generator
La parte hardware è pilotata dal programma, ed è quella che sposta fisicamente il fascio elettronico (agendo sulle bobine di deflessione x,y della colonna elettronica del
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microscopio) illuminando sequenzialmente ogni beam step esattamente per un tempo Tdwell (Figura 1.1-C).La parte software determina sostanzialmente la strategia di scrittura (se la suddivisione della geometria deve essere in linee orizzontali verticali ecc.), e poiché si tratta di un programma gode certamente del vantaggio della versatilità. Le specifiche di un pattern generator sono dunque da ricercarsi nella parte hardware. Essa è composta essenzialmente da una scheda di uscita del PC che pilota due convertitori digitale-analogico (uno per l’asse x, uno per l’asse y), le cui uscite sono applicate direttamente alle bobine di deflessione x,y del fascio elettronico, muovendolo sul campione.
Le caratteristiche fondamentali del pattern generator sono dunque:
• La risoluzione, ovvero il numero di beam step distinti in cui è decomponibile
l’immagine.
• La velocità nel passare da un beam step al successivo. Questo parametro determina
al limite la massima velocità del sistema (abbinata a un resist veloce).
La risoluzione dipende da quella dei convertitori digitale-analogico, dal rumore elettrico che entra nel sistema e dalle vibrazioni meccaniche a cui è sottoposta la colonna del microscopio; la velocità dipende dalla frequenza di conversione dei DAC e dalla velocità di aggiornamento dati della scheda di uscita del PC. Per comprendere meglio il funzionamento del pattern generator, descriviamo brevemente il sistema che esso pilota: il microscopio elettronico a scansione.
1.3 Il microscopio elettronico a scansione
Il microscopio elettronico a scansione (SEM) presente presso il Dipartimento di Ingegneria dell’Informazione dell’Università di Pisa è prodotto dalla JEOL ed è denominato JSM-6500F. Si tratta di un SEM ad emissione di campo, che impiega come sorgente di elettroni un cannone di tipo Schottky (T-FE).
Il JSM-6500F trova applicazione nell’ambito delle attività di ricerca sulla nanoelettronica svolte dal Dipartimento, come mezzo per svolgere litografia ad alta risoluzione. Con l’utilizzo degli elettroni la lunghezza d’onda può essere ridotta fino a circa il diametro del fascio, e quindi, con l’ottimizzazione delle tecniche di deposizione
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1.3.1 Principio di funzionamento del SEM
Il principio di funzionamento del microscopio elettronico a scansione è concettualmente piuttosto semplice. Il fascio di elettroni primari generato da un cannone elettronico, sotto il controllo di appositi deflettori, esegue la scansione della superficie del campione. Gli elettroni possono venire respinti oppure provocare l’emissione di elettroni secondari. In entrambi i casi essi sono rivelati sotto forma di segnali elettrici da un sensore (detto “secondary electron detector (SED)”) costituito da uno scintillatore e da un fotomoltiplicatore. Il segnale viene quindi interpretato come luminanza del punto del campione investito dal fascio.
Questa modalità di utilizzo del microscopio permette di ottenere immagini del campione. Nel caso della litografia elettronica il microscopio non viene usato per leggere la superficie del campione, quanto per scrivere su di esso, dopo la deposizione del resist, i pattern necessari per definire le aree di un determinato passo di processo.
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1.3.2 Struttura del microscopio
L’unità base del JSM-6500F è costituita da un sistema ottico (colonna, sistema di vuoto e consolle principale), da un sistema di controllo e visualizzazione (personal computer, interfaccia di controllo ecc.) e da un sistema di vuoto.
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Nel sistema ottico sono distinguibili tre parti principali:• il cannone elettronico; • la colonna ottica; • il sistema di vuoto.
Il cannone elettronico costituisce la sorgente degli elettroni primari con i quali viene eseguita la scansione della superficie del campione. Gli elettroni sono ottenuti per estrazione da un elettrodo emettitore secondo il principio dell’emissione di campo. Sfruttando questo principio è possibile ottenere correnti di fascio intense e stabili.
La colonna ottica provvede a focalizzare il fascio, ad operare la deflessione necessaria per la scansione e, se necessario ad interrompere il fascio stesso. Ciò viene ottenuto con lenti magnetiche, diaframmi, bobine di scansione e col cosiddetto “beam blanker”.
Il beam blanker consente di deviare il fascio nel caso in cui non si voglia che questo raggiunga la superficie del campione. E’ necessario infine un sistema di vuoto, perché il cannone elettronico, la colonna ottica e la camera devono essere mantenuti a bassa pressione, sia per permettere agli elettroni di spostarsi senza significative interazioni che non siano dovute al campo elettrico e magnetico, sia per motivi di contaminazione del campione.
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1.4 Organizzazione del sistema di litografia elettronica
Figura 1.4 – Struttura del sistema di e-beam lithography
Lo schema a blocchi di Figura 1.4 indica il funzionamento del sistema di litografia a fascio elettronico presente presso il Dipartimento di Ingegneria dell’Informazione dell’Università di Pisa.
L’elemento principe di tale sistema è quello che genera il fascio polarizzato di elettroni, e cioè il microscopio elettronico a scansione (SEM). A questo si affianca un sistema di creazione e generazione delle maschere e di controllo del microscopio stesso. Come si è detto, è importante avere tempi effettivi di esposizione: questo significa lavorare in real time, ossia controllare il fascio del microscopio con una temporizzazione esatta.
L’organizzazione scelta è quindi di tipo Master-Slave: sono disponibili due personal computers, l’uno col ruolo di master, l’altro col ruolo di slave, collegati punto-punto mediante porta di comunicazione seriale. Questo tipo di organizzazione è dettata dal fatto di voler generare ed elaborare le maschere in un ambiente CAD user-friendly con sistema operativo multi tasking come Windows, ma di non poterle passare direttamente
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il master si occupa grazie ad un apposito software sviluppato presso il Dipartimento, dell’elaborazione delle maschere e della loro formattazione secondo lo standard usato dal computer slave, mentre quest’ultimo grazie alla presenza di una scheda input/output digitale a 24 canali e a un sistema operativo non multi tasking (il DOS), provvede al pilotaggio del pattern generator per l’esposizione del campione nel microscopio.Il pattern generator attuale è realizzato mediante un sistema di conversione D/A a 16-bit ± ½ LSB su un range di ±5 V, messa in atto dal convertitore dell’Analog Devices AD7846; la frequenza massima di campionamento dei dati di ingresso è di 166 kHz.
Avere 16-bit di risoluzione per asse, significa decomporre l’area di scrittura in una matrice di 216⋅216=65536⋅65536 punti. Dalla calibrazione effettuata risulta che con un ingrandimento del JSM-6500F di M=400X, il X e il Y sopra definiti, valgono rispettivamente 2.6nm e 2.1nm e corrispondono a un LSB di tensione di:
V V LSB 153µ 65536 10 216 = ≅ ∆ = Equazione 1-1
Avere 65536⋅65536 beam steps quindi, equivale ad avere un area di scrittura di nm
170393 6
. 2
65536⋅ = per 65536⋅2.1=137626nm. Con un ingrandimento di M=40X, il X e il Y risultano dieci volte superiori (26nm e 21nm) e l’area di scrittura diventa 1.7mm per 1.4mm. Si osserva dunque, che con un buon ingrandimento, la risoluzione è molto alta, ma non è possibile disegnare grandi geometrie. D’altro canto, con un basso ingrandimento è possibile disegnare grandi strutture, ma la risoluzione risulta peggiore. E’ per questo che l’ingrandimento deve essere scelto ad un valore di compromesso tra risoluzione e area di scrittura.
Il rumore in uscita al pattern generator è mantenuto basso grazie all’utilizzo di componenti di precisione (basso rumore elettrico), di una schermatura dei circuiti e dei collegamenti PG – SEM e grazie all’alimentazione a batteria. Quest’ultima risulta infatti, la fonte energetica con contenuto spettrale di rumore più basso. Per applicare tale fonte è stato necessario isolare elettricamente la sua massa da quella del PC, mediante
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dei fotoisolatori, uno per ognuno dei 16-bit. Fra l’altro, questa operazione consente di eliminare i disturbi provenienti dal PC stesso.Le vibrazioni, anch’esse motivo di perdita di risoluzione giacché agenti direttamente sulla colonna ottica e quindi sul fascio, sono state il più possibile soppresse poggiando la struttura su una vasca di sabbia isolata dalla struttura del Dipartimento.
Con questi provvedimenti, il sistema di pattern generator presenta all’uscita un rumore elettrico misurato, non superiore ai 20 V.
1.5 La scheda di acquisizione
Come si osserva dalla Figura 1.4, nel sistema attuale è presente una scheda di acquisizione. Essa è stata sviluppata successivamente al pattern generator, e risulta necessaria per poter sottoporre uno stesso campione a più passi di processo. In questo caso infatti, le maschere successive devono essere allineate, e questo è possibile via software grazie alla scheda di acquisizione e a qualche accorgimento: la presenza dei markers. Essi sono delle zone del campione, esterne all’area su cui si lavora effettivamente, realizzate con deposizione di materiale riflettente durante il primo passo di processo. Ai passi di processo successivi, mediante una procedura di allineamento che muove il fascio in x,y e raccoglie il segnale presente sul Secondary Electron Detector, tali markers possono essere trovati, e la loro posizione in x e y di uno di essi registrata. Questa posizione viene fatta coincidere via software, con la posizione dello stesso marker delle maschere successive. La Figura 1.5 illustra quanto detto.
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La scheda di acquisizione è collegata al PC slave tramite porta parallela. La procedura di allineamento avviene prima e non interagisce con le operazioni di scrittura vere e proprie, se non per il salvataggio software della posizione dei markers.
