Технология электронно-много-лучевой литографии (e-beam lithography) представляет собой один из методов создания фотошаблонов для литографического процесса. Она основана на использовании электронного луча, способного точно и мелко рисовать на поверхности фотошаблона. Данный метод позволяет достичь высокой разрешающей способности и создавать сложные структуры, которые невозможно получить с помощью традиционных методов литографии.
Еще одним важным аспектом электронно-много-лучевой литографии является возможность контролировать процесс создания фотошаблонов на молекулярном уровне. Это позволяет создавать структуры с высокой степенью точности и масштабируемости, что особенно актуально для производства микрочипов с нанометровыми размерами.
Тем не менее, постоянное развитие и улучшение технологии электронно-много-лучевой литографии позволяет надеяться на ее все большее применение в будущем. Современные производители микросхем постоянно ищут новые способы улучшения процесса литографии и достижения еще более точных и сложных структур.
В современной микроэлектронике, точность изготовления фотошаблонов играет решающую роль в получении качественных пластин. Но как достичь такой точности, чтобы изображение на фотошаблоне было идеально передано на пластину?
Одним из ключевых факторов, влияющих на точность изготовления фотошаблонов, является размер самого шаблона. Обычно он в 4 раза больше, чем конечное изображение на пластине. Однако, несмотря на это, точность изготовления фотошаблона должна быть не хуже точности рисунка на пластине. Почему? Потому что все дефекты и недочеты на фотошаблоне будут усилены на пластине более чем в 4 раза.
Именно поэтому, для техпроцессов, где требуется большая точность, уже невозможно использовать лазерные генераторы фотошаблонов.
Для таких случаев приходят на помощь электронно-лучевые литографы, которые позволяют создавать структуры с точностью до 1-5 нм. Благодаря тому, что длина волны у электрона на несколько порядков меньше длины ультрафиолетового излучения, получается достичь требуемой точности и качества изображения на пластине.
Но, несмотря на все преимущества, возникает одно но – скорость засветки у электронно-лучевого литографа значительно меньше, чем у лазерного генератора фотошаблонов. Это значит, что процесс создания фотошаблонов для микросхемы может занять длительное время. На один фотошаблон может потребоваться несколько суток, а если учесть, что полный комплект фотошаблонов может состоять из 80 штук, то срок производства комплекта масок может затянуться на несколько месяцев.
Однако, стоимость электронно-лучевого литографа, который необходим для создания этих фотошаблонов, не оставляет места для сомнений. Его цена составляет порядка 15 миллионов долларов США. Именно поэтому стоимость комплекта масок для техпроцесса 130 нм может достигать 500 тысяч долларов США, а для продвинутого техпроцесса 7-14 нм – легко превышать 10 миллионов долларов США.
Может, стоит ускориться?
Таким образом, процесс производства фотошаблонов является сложным и затратным, что делает его доступным только для крупных производителей микросхем. Вместе с тем, появление новых технологий и совершенствование литографических методов может привести к увеличению скорости и снижению стоимости этого процесса.Может быть, стоит задуматься о том, как ускориться в разработке новых технологий? А именно, возможно, стоит взять за основу принцип работы лазерных генераторов изображения, которые используют миллионы управляемых лазерных лучей для создания изображений. Их лучи отразятся от микро-зеркал, которые программируются для передвижения и направления лазерного луча либо на пластину через микро-отверстие, либо на поглотитель. Это позволит создавать изображения на засвечиваемой пластине с высочайшей точностью.
Результаты такой технологии могут быть впечатляющими - сотни тысяч, а может даже миллионы электронных лучей одновременно будут облучать пластину с невероятной точностью в 1-5 нм. И это открывает возможность отказаться от использования дорогостоящих фотошаблонов, что позволит существенно снизить затраты на производство прототипов, малых и средних партий микросхем. Такая новая технология станет доступной для широкой аудитории и позволит ускорить разработку и производство новых изделий.
Однако, несмотря на все проблемы и сложности, связанные с использованием электронно-много-лучевых технологий, они все же представляют собой перспективное направление развития. В этом контексте стоит отметить технологию от IMS Nanofabrication (IMS-NANO), которая является самой "простой" и скромной среди других участников соревнований. Однако, несмотря на свою скромность, IMS-NANO достигла осязаемых коммерческих результатов.
В рамках европейской программы MAGIC (MAskless lithoGraphy for IC manufacturing), были выделены значительные средства - 11,75 млн. евро, на поддержку компаний MAPPER и IMS Nanofabrication. Это свидетельствует о том, что эти технологии вызывают интерес и поддержку со стороны инвесторов и научного сообщества.
Однако, несмотря на все достижения и потенциал электронно-много-лучевых технологий, следует отметить, что они все еще сталкиваются с рядом проблем, которые мешают их полноценной реализации. Некоторые из этих проблем включают сложность в процессе производства, высокую стоимость оборудования и ограниченные возможности масштабирования производства.
Тем не менее, разработчики и исследователи продолжают работать над улучшением этих технологий, чтобы преодолеть существующие проблемы. Возможно, в будущем мы увидим более широкое применение электронно-много-лучевых технологий и их внедрение в различные отрасли, от электроники до медицины.
В феврале 2009 года компания IMS Nanofabrication AG (Австрия) представила образец ионно-много-лучевого литографа CHARPAN (Charged Particle Nanotech), который демонстрировал высокую работоспособность. Этот литограф работал на ионах водорода с энергией 10 кэВ и имел диаметр луча 12,5 нм. С его помощью удалось достичь разрешения менее 16 нм на резисте HSQ. В матрице литографа содержалось около 43 000 лучей.
Однако использование ионов водорода в этом процессе вызывало определенные проблемы. Ионы водорода оставались в кремниевой подложке после засветки фоторезиста, что было нежелательно. В связи с этим компания IMS Nanofabrication AG приняла решение сместить свое внимание на разработку электронно-много-лучевого литографа под названием RIMANA (Radical Innovation Maskless Nanolithography). Проект был также поддержан финансово Европейской комиссией.
Начиная с 2009 года, команда начала работу над созданием новой электронно-лучевой колонны и матрицы для нее, чтобы увеличить количество используемых лучей. Вначале использовались апертурная и гасящая матрица из проекта ионно-много-лучевой литографии, но они позволяли использовать всего лишь 2’500 лучей из возможных 43’000. Однако, к 2013 году удалось собрать электронно-лучевой литограф с матрицей на 262’144 (512х512) лучей с диаметром пятна каждого луча 20 нм. Это значительный прогресс, который позволит достичь более точной и эффективной литографии.
Именно в этот период была разработана и установка уровня доказательства концепции IMS-NANO – аппарат экспонирования фотошаблонов eMET (electron Mask Exposure Tool). Эта установка представляет собой новое поколение инструментов для литографии, основанное на электронно-лучевой технологии. Она способна обрабатывать фотошаблоны с удивительной точностью и детализацией, что открывает новые возможности для производства микро- и наноустройств. Таким образом, электронно-лучевая литография стала еще более мощным инструментом для различных отраслей, включая электронику, фотонику, медицину и другие. Это дает возможность создавать более сложные и малогабаритные устройства, которые ранее были невозможными.
Возможности нашей компании по программированию лучей впечатляют - мы можем использовать до 262'144 программных лучей. Это значит, что мы можем манипулировать потоком данных со скоростью 12.8 Гбит/с. Наша энергия электронов составляет 50 кэВ, а размер луча - всего 20 нм. Однако, чтобы достичь таких результатов, мы должны учитывать размытие колонны в 5 нм (1 сигма) и использовать сетку позиционирования луча с точностью 0.1 нм.
В нашей поиске лучшего способа записи, мы остановились на сканировании по столу. Это позволяет нам достичь общего тока колонны в диапазоне от 0.2 до 1 мкА. Но наша компания всегда стремится к большему, поэтому мы решили увеличить размер пятна до 20 нм. Это не только позволит нам увеличить производительность, но и увеличит ток пятна. Также, частичное смещение места засветки на неполный размер пятна и управление временем засветки открывают возможности создания элементов топологии с размерами 1/3-1/2 от размера пятна.
Таким образом, мы продолжаем исследования и разработки, чтобы обеспечить нашим клиентам лучшие решения в области производительности и точности. Наша производительность может достигать до 10 см2/час, и мы стремимся к еще более впечатляющим результатам.
IMS Nanofabrication решили не ограничиваться простыми способами в создании элементов топологии малого размера. Они принялись строить аппарат, способный конкурировать с проекционными литографами от ASML, которые доминируют на рынке. Вместо этого, они решили использовать электронно-лучевую колону, которая основана на классической схеме, аналогичной той, что используется в электронно-лучевых микроскопах.
Однако, для обеспечения точности и контроля над процессом, в IMS Nanofabrication была внедрена специальная технология. Они разработали литограф, который позволяет управлять смещением пятна с точностью до 0,1 нм. Это значительно улучшает возможности в создании элементов топологии малого размера.
Более того, с помощью этой новой технологии возможно получение элемента топологии размером всего 10 нм. Это впечатляющий результат, учитывая, что обычно для этого требуется смещение пятна на половину его размера и времени засветки длительностью 33% от полного.
Таким образом, IMS Nanofabrication демонстрируют свою способность идти дальше и предоставлять инновационные решения в области литографии для микроэлектроники. Их новый литограф значительно повышает точность и контроль в процессе создания элементов топологии малого размера, что открывает новые возможности в разработке новых технологий и устройств.
Использование общепринятой электронно-оптической схемы с кроссоверами и отказ от предельных токов привели к новым возможностям в управлении и масштабировании пучка лучей. Теперь можно эффективно использовать макро-линзы и макро-дефлекторы для контроля над всем потоком электронов. Это значительно упростило схему управления и схемотехнические решения.
Главным элементом системы является электростатическая конденсорная многоэлектродная оптика, которая коллимирует поток электронов из источника. Благодаря этому, можно добиться точного направления и фокусировки лучей. Такая оптическая система обеспечивает высокую пространственную разрешающую способность и контроль над формой пучка.
Кроме того, отказ от предельных токов позволяет более эффективно использовать электронный источник и уменьшить его износ. Такой подход также способствует повышению энергоэффективности всей системы.
В целом, новая электронно-оптическая схема с кроссоверами и использование макро-линз и макро-дефлекторов открывают новые перспективы в области управления и масштабирования пучка лучей, что сделает систему более гибкой и эффективной в различных приложениях.
В центре апертурного отверстия останавливающей пластины (Stopping plate at 2nd cross-over) фокусируется пучок электронов, который был сформирован программированной апертурной пластиной (APS). Преобразование пучка происходит благодаря электростатической многоэлектродной ускоряющей линзе (Electrostatic multielectrode accelerating lens), которая повышает энергию электронов до 50 кэВ и фокусирует его в 1-й кроссовер.
Кроме того, первая магнитная линза (1st magnetic lens) дополнительно фокусирует пучок, направляя его во 2-й кроссовер. Однако, некоторые электроны могут быть немного отклонены гасящей пластиной (ярко-зеленый) и не достичь второго кроссовера. Вместо этого, они поглощаются останавливающей пластиной, которая находится в центре апертурного отверстия.
Таким образом, программная апертурная пластина и гасящая пластина вместе формируют и направляют пучок электронов, обеспечивая его точную фокусировку и контроль над его направлением. Это позволяет использовать электронный луч в различных приложениях, таких как сканирование, микроскопия и литография.
В процессе использования многополюсной отклоняющей системы Beam steering multipole, пучок электронов может быть отклонен для освещения промежутков между лучами. Это особенно полезно при сканировании движущегося стола, такого как сканирование стола.
Кроме того, вторая объектная магнитная линза играет важную роль в фокусировке пучка электронов на пластине или фотошаблоне, покрытом резистом.
С помощью электронной оптики достигается общее уменьшение, составляющее 200 крат. Это означает, что изображение, создаваемое пучком электронов, уменьшается в 200 раз по сравнению с оригинальным размером.
В итоге, благодаря использованию многополюсной отклоняющей системы и электронной оптики, достигается точное и масштабируемое проектирование с использованием пучка электронов.
На текущий момент компания активно расширяет свое присутствие на рынках Тайваня, Южной Кореи и США, предлагая свои инновационные технологические решения. Одним из таких решений является электронно-много-лучевая литография, которая, хотя не обладает выдающимися показателями производительности, всё же на порядок превосходит электронно-одно-лучевую литографию в этом аспекте.
Относительная простота данной технологии позволила ей достичь коммерческого промышленного уровня для производства фотошаблонов. Это означает, что она может быть успешно применена для создания микроэлектронных компонентов и интегральных схем.
Первые результаты экспонирования в этой технологии представлены на следующих примерах:
- Негативный HSQ резист и позитивный pCAR резист с различной поляризацией, обработанные электронным лучом с энергией 50 кэВ и сечением 20 нм.
- Горизонтальные и вертикальные периодические линии с полушагом 24 нм, созданные с помощью электронного луча с энергией 50 кэВ, сечением 20 нм и апертурой 4 мкм.
Эти примеры демонстрируют потенциал электронно-много-лучевой литографии в создании мельчайших структур и деталей. Эта технология открывает новые возможности для разработки и производства более компактных и эффективных электронных устройств.
Начну с информации о том, что первые результаты экспозиции на системе безмасочной электронно-многолучевой литографии уже получены. Использовался резист HSQ толщиной 50 нм, энергия электронов составляла 15 кэВ, а сечение электронного луча - 17,5 нм. Апертура равнялась 3,5 мкм, а масштабирование было установлено на уровне 200:1.
Теперь перейдем к самым интересным результатам. Показанные на картинках первые результаты работы этой системы впечатляют. Они сравнимы с лучшими показателями EUV литографии от ASML, которая использует длину волны 13,5 нм. Однако, несмотря на это, скорость засветки оставляет желать лучшего и не позволяет конкурировать с технологией проекционной литографии, которая предпочтительна для массового производства микросхем.
Тем не менее, рынок для технологии безмасочной электронно-многолучевой литографии от IMS Nanofabrication все еще существует. Основными сферами применения являются рынок фотошаблонов, который достиг в 2021 году объема впечатляющих 4,2 млрд долларов США, а также рынок прототипов и малых партий микросхем. Это значит, что эта технология может быть полезной для разработки новых продуктов и небольших серий производства.
