Szybka litografia elektronowa o wysokiej rozdzielczości

Najpopularniejszą techniką wykorzystywaną przy produkcji układów scalonych jest fotolitografia. problem jednak w tym, że długość fali światła ogranicza rozdzielczość tej techniki, a zatem ogranicza możliwości zmniejszania poszczególnych elementów.

Tymczasem do produkcji prototypowych układów wykorzystywana jest litografia elektronowa, która pozwala na uzyskanie większej rozdzielczości. Jej wadą jest natomiast znacznie mniejsza prędkość pracy niż przy fotolitografii. Co prawda można ją przyspieszyć, ale kosztem zmniejszenia rozdzielczości.

Dotychczas najdoskonalsza litografia elektronowa pozwalała na uzyskanie rozdzielczości rzędu 25 nanometrów, czyli niewiele większej od eksperymentalnej 32 nanometrów zaprezentowanej przez niektórych producentów urządzeń.

Tymczasem w MIT Research Laboratory of Electronic zaprezentowano szybką litografię elektronową, która pozwala na uzyskanie rozdzielczości 9 nanometrów. W połączeniu w innymi właśnie powstającymi technologiami pozwala to mieć nadzieję, że w przyszłości metoda ta będzie wykorzystywana w masowej produkcji układów scalonych.

Dotychczas rozdzielczość zwiększano stosując światło o coraz mniejszej długości fali. Pracuje się nad wykorzystaniem ekstremalnie dalekiego ultrafioletu. Jest to jednak trudne zadanie, gdyż konieczne jest dostosowywanie układów optycznych do coraz mniejszej długości fali, a same źródła takiego światła są bardzo mało wydajne.

Litografia polega, w skrócie, na pokryciu plastra krzemu światłoczułym materiałem tzw. fotorezystem i naświetleniu go według odpowiedniego wzorca. Tam, gdzie światło pada na fotorezyst, materiał zostanie utwardzony. Następnie usuwamy warstwy utwardzone bądź nieutwardzone, tworząc w ten sposób schemat połączeń.

Główna różnica pomiędzy litografią elektronową a fotolitografią jest taka, że w tej pierwszej metodzie układ scalony jest tworzony ścieżka po ścieżce, co wymaga bardzo dużo czasu. W fotolitografii światło pada przez odpowiednią maskę od razu na całą powierzchnię odpowiednio przygotowanego plastra krzemowego i za jednym razem tworzy wymagany wzór.

Litografię elektronową można przyspieszyć jeśli spowodujemy, by na fotorezyst padało mniej elektronów. Jednak mniej elektronów oznacza mniejszą energię promienia, a elektrony o niższej energii ulegają większemu rozproszeniu i jest ono tym bardziej widoczne, im głębiej w fotorezyst wnikają. Dlatego też podczas litografii elektronowej używa się generalnie wyższych energii, co jednak skutkuje wolniejszą pracą.

Magistraci Vitor Manfrinato, Lin Lee Cheong i Donald Winston we współpracy z profesorami Karlem Berggrenem i Henym Smithem, wykorzystali dwie sztuczki, które pozwoliły im na zmniejszenie energii strumienia elektronów.

Po pierwsze użyli cieńszej warstwy fotorezystu, co zmniejszyło rozpraszanie elektronów, a po drugie wykorzystali roztwór... soli kuchennej do utwardzenia tych regionów fotorezystu, które otrzymały nieco większą dawkę elektronów. Obszary, do których dotarło nieco mniej elektronów nie uległy utwardzeniu.

Profesor fizyki Pieter Kruit z Uniwersytetu Technologicznego w Delft i współzałożyciel firmy Mapper, która zbudowała system do litografii elektronowej składający się ze 110 równoległych źródeł elektronów, jest pod wrażeniem prac uczonych z MIT-u. Zauważa, że systemy o niższej energii są nie tylko szybsze, ale też mniejsze i łatwiejsze w budowie. W miarę zwiększania energii strumienia elektronów dochodzi się bowiem do takiego momentu, że całość staje się tak duża, a izolacji pomiędzy poszczególnymi elektrodami musi być tak wiele, że stworzenie takiego systemu jest niemożliwe.

Kruit wątpi jednocześnie, czy producenci układów scalonych wykorzystają dokładnie taki fotorezyst, jaki powstał na MIT. Jego zdaniem jest on nieco zbyt czuły. Ilość energii dostarczanej do elektrod urządzeń litograficznych nieznacznie się waha i przy zbyt czułym fotorezyście wahania te będą widoczne w wielkości podzespołów powstających na układzie scalonym. „Ale to kwestia niewielkiej modyfikacji fotorezystu, a jego producenci cały czas wprowadzają takie modyfikacje" - zauważa Kruit.

litografia elektronowa rozdzielczość MIT fotorezyst