1- مقدمه

یکی از روش‌های جدید لیتوگرافی، استفاده از میکروسکوپ‌های الکترونی برای تولید باریکه الکترونی است. شاید ایده اولیه استفاده از میکروسکوپ‌های الکترونی در سنتز ابزار نانومقیاس را بتوان به صحبت‌های ریچارد فاینمن [Richard Feynman] در سال 1950 ارتباط داد که اظهار کرد "فضای زیادی در سطوح پایین وجود دارد".  لیتوگرافی باریکه الکترونی (Electron Beam Lithography, EBL) روش بسیار دقیقی برای تهیه طرح‌های نانومتری با وضوح بسیار بالاست. در این روش، باریکه الکترونی متمرکزی با انرژی 300-2 کیلوالکترون ولت با استفاده از میکروسکوپ‌های الکترونی روبشی و عبوری تولید می‌شود. این باریکه الکترونی متمرکز برای ایجاد طرح‌های خطی ظریف روی مواد نیمه‌رسانای پوشش‌دهی شده با ماده مقاوم مورد استفاده قرار می‌گیرد.

می‌توان الکترون‌ها را به دلیل جرم بسیار ناچیز و نسبت بار به جرم بالای آن‌ها، به‌راحتی با استفاده از میدان­‌های الکتریکی و مغناطیسی نسبتاً ضعیف متمرکز و هدایت کرد. با افزایش انرژی باریکه الکترونی طول موج آن کاهش می‌یابد. کاهش طول موج باعث بهبود وضوح نهایی می‌شود. با این‌حال، وضوح نهایی به علت محدودیت‌های موجود در ماده مقاوم در حد چند نانومتر محدود می­‌شود. به عنوان مثال، چنانچه هدف، دستیابی به وضوحی در حد 0/5 نانومتر بوده و باریکه الکترونی برای رسیدن به آن متمرکز شود، امکان رسیدن به چنین وضوحی به‌دلیل محدودیت‌های ماده مقاوم وجود نداشته و وضوح نهایی قابل دستیابی در حدود 5 نانومتر خواهد بود. یکی از ویژگی‌های مهم ماده مقاوم که در ایجاد طرح‌هایی با وضوح بالا اهمیت دارد، کنتراست آن است. در مواد مقاوم با کنتراست بالا (مثبت)، می‌توان تغییرات کوچکی در ضخامت نواحی تحت تابش ایجاد کرده و بدین ترتیب طرح‌هایی را با وضوح بالا تولید کرد. به‌عبارت دیگر، هر چه کنتراست ماده مقاوم بیشتر باشد، احتمال دست‌یابی به وضوح بالا بیشتر است.

2- انواع لیتوگرافی باریکه الکترونی

دو روش مرسوم در نانولیتوگرافی با باریکه الکترونی عبارتند از:

1) روش حکاکی مستقیم (Direct Writing Electron Beam, DWEB)؛ و 2) روش تابش غیرمستقیم و انتقال طرح (Electron Projection Lithography, EPL).

1-2- روش حکاکی مستقیم

در این روش، طرح موردنظر که از طریق فایلی از داده‌ها ایجاد شده، برای ساخت ماسک‌های لیتوگرافی به‌کار می‎­رود. اولین حکاکی مستقیم توسط میکروسکوپ الکترونی روبشی با هدف انتقال اطلاعات طرح انجام شد. شمایی از روش حکاکی مستقیم مبتنی بر میکروسکوپ الکترونی روبشی در شکل 1 نشان داده شده است.

شکل 1- شمایی از روش حکاکی مستقیم مبتنی بر میکروسکوپ الکترونی روبشی.

امروزه با پیشرفت میکروسکوپ‌های الکترونی، امکان کاهش شعاع باریکه‌های الکترونی به کمتر از 10 نانومتر با استفاده از سیستم‌های گوسین وجود دارد. روش کار در سیستم‌های گوسین به این صورت است که الکترون‌های منتشر‌‌شده از منبع با استفاده از لنزهای مغناطیسی و دریچه‎­ها، براساس پروفایل گوسین در یک نقطه متمرکز می‌شوند. مشخصات این باریکه متمرکز‌شده بستگی به بزرگی جریان، تعداد دریچه‌­ها و لنزها دارد. منحرف‌کردن باریکه الکترونی در این سیستم توسط صفحات الکترواستاتیک و سیم‎­پیچ­‎های مغناطیسی انکساری انجام می‌گیرد. اساس منحرف‌کردن باریکه الکترونی در این روش، ایجاد فاصله‌­ای با خاموش و روشن‌کردن باریکه الکترونی در زمان­‌های مناسب توسط یکی از منحرف‌کننده­‌ها است. سایر منحرف‌کننده‌­ها برای روبش الکترون در امتداد نمونه (که با ماده مقاوم حساس به الکترون پوشش‌دهی شده است) استفاده می­‌شوند.

روبش باریکه الکترونی در محدوه‌های مکانی کوچکی انجام می‌شود. بنابراین، روبش کل نمونه، علاوه بر انکسار باریکه الکترونی، مستلزم حرکت مکانیکی نمونه نیز هست. لنزهای مغناطیسی (به‌عنوان اپتیک­‌های الکترونی) وظیفه متمرکز‌ کردن و شکل‌دهی به باریکه الکترونی حین لیتوگرافی را دارند. قطر نهایی باریکه الکترونی به عوامل مختلفی بستگی دارد. ویژگی منبع تولید الکترون، عیوب انکساری لنزها، عیوب هندسی و اثرات بار فضایی ناشی از دفع الکترون­‎ها از جمله این عوامل هستند.

در سال‌های ابتدایی دهه 1970 تلاش‌های گسترده‌ای برای بهبود لیتوگرافی با روش حکاکی مستقیم انجام گرفت که منجر به گسترش سیستم‎­های باریکه الکترونی شکل‌یافته شد. در این سیستم‌ها، جریان الکترون‌ها از منبع به یک دریچه شکل­‌دهی وارد شده و پس از عبور از منحرف‌کننده، روی دریچه شکل­‎دهی دوم تصویر می‌شود و لذا باریکه شکل‌یافته بدون هیچ­‎گونه انحرافی روی نمونه می‌تابد. در این روش، دست‌یابی به طرح‌های پیچیده‎­تر در زمان کوتاه‌تر با استفاده از ساختارهای بزرگ‌تر امکان‌پذیر است. از آن‌جایی‌که وضوح این روش نسبت به وضوح حاصل از سیستم گوسین کمتر است، برای نانولیتوگرافی معمولاً از سیستم گوسین استفاده می‌شود. البته برای لیتوگرافی در مقیاس صنعتی که کاهش هزینه‌های سنتز در اولویت است، تمایل زیادی برای استفاده از سیستم باریکه شکل‌یافته وجود دارد.

توسعه لیتوگرافی با باریکه شکل‌یافته باعث ایجاد سیستم‎­های باریکه ساختاری یا سلولی شده است. در این سیستم‌ها، دریچه‌­ها به شکل الگوهای مداری تکرارشونده (سلول) ساخته می‌شوند. می‌توان با استفاده از این سیستم‌ها به طرح‎­های پیشرفته با ابعاد بزرگ‌تر از 100 نانومتر با بازده متوسط دست یافت. استفاده از سیستم تک باریکه الکترونی در حکاکی مستقیم، موجب افزایش دقت و کارآیی در ساخت مدار‌های مجتمع و ساختارهای کوچک می‌شود. با این وجود، روش حکاکی مستقیم روشی پر‌هزینه و زمان­‎بر است. شمایی از باریکه گوسین، باریکه شکل‌یافته و تصویر سلولی در روش حکاکی مستقیم در شکل 2 نشان داده شده است.

شکل 2- شمایی از (الف) باریکه گوسین، (ب) باریکه شکل‌یافته و (پ) تصویر سلولی در روش حکاکی مستقیم.

2-2- روش تابش غیرمستقیم و انتقال طرح

روش دیگر لیتوگرافی با باریکه الکترونی، روش غیرمستقیم یا چاپ تصویر است. روش‌های لیتوگرافی با استفاده از باریکه متمرکزشده گوسین و باریکه شکل‌یافته برای تبدیل داده­‌های مربوط به ساختارهای زیرمیکرونی و نانومتری به ساختارهای دو بعدی مناسب هستند و برای پُر‌کردن سطوح بزرگ با اجزای کوچک نیازمند زمان نسبتاً زیادی دارند. برای کاهش زمان لیتوگرافی، روش‎­های تابش موازی ابداع شدند که در آن‌ها از ماسک‌هایی با طرح‌های مشخص و با ابعاد ساختاری زیرمیکرونی تا نانومتری استفاده می‌شود. البته تولید باریکه‌های چندتایی نیاز به ابزار دقیقی داشته و ساخت ماسک‎­های مناسب برای تولید چنین باریکه‌­هایی هزینه‌بر است.

در روش لیتوگرافی غیرمستقیم، از یک ماسک برای انتقال کامل یا انتقال بخش اعظمی از یک طرح استفاده می‌شود. همچنین، در این روش باریکه الکترونی در یک محیط خلأ با فشار ^5-10 تور (torr) روی زیرلایه پوشش‌دهی شده با ماده مقاوم، تابانیده شده و در نهایت، طرح مورد نظر توسط ماسک غشایی جامدی با حفرات مشخص (شابلون) ایجاد می‌شود. باریکه الکترونی از حفرات ماسک عبور کرده و طرح را منتقل می‌کند. پس از انتقال طرح روی ماده مقاوم، این ماده از سیستم خارج شده و فرآیند مشابه روش لیتوگرافی متداول ادامه می‌­یابد. دانسیته جریان در این روش نسبت به باریکه گوسین و باریکه شکل‌یافته کمتر است. برای جبران کاهش عمق نفوذ الکترون‌­ها بایستی ماسک‎­ها را نازک‌تر کرده یا از شابلون‌های چند تکه استفاده کرد تا امکان عبور باریکه از میان آن‌ها فراهم شود.

برای تولید باریکه­‎های چندتایی، روش‎­های متعددی توسط Vistec، IMS و MAPPER پیشنهاد شده است که در تمامی آن‌ها از روش‌های ماشین­کاری میکرونی برای تولید باریکه‎­هایی با اندازه قابل قبول استفاده می‌شود. در روش‌های Vistec و IMS، از یک تک‌باریکه الکترونی برای تولید چند باریکه الکترونی پرانرژی با انرژی 50 کیلوالکترون ولت استفاده می‌شود. شمایی از نحوه تولید باریکه­‎های الکترونی چندتایی با استفاده از یک تک‌باریکه الکترونی در شکل 3 نشان داده شده است.

شکل 3- شمایی از تولید باریکه­‎های الکترونی چندتایی با استفاده از یک تک‌باریکه الکترونی توسط روش‌های Vistec و IMS.

برای تبدیل تک‌باریکه الکترونی به باریکه‌های­ چندتایی، از دریچه‌ای با چیدمان مشخص استفاده می‌شود. برای جلوگیری از گرم‌شدن دریچه بایستی انرژی الکترون‌های عبوری از آن کمتر از انرژی الکترون­‌های متمرکز‌شده بر روی نمونه (ویفر) باشد.

در سیستم MAPPER، باریکه چندتایی از طریق عبور یک تک‌باریکه الکترونی از چیدمانی از دریچه‎­ها تشکیل می‌شود. سپس این باریکه‎­های چندتایی با استفاده از لنزهای موازی‌کننده، موازی می­‌شوند. از آرایه‌ای از لنزهای قطع‌کننده باریکه، انکساری و تصویرساز برای روشن و خاموش‌کردن باریکه‎­ها و همچنین روبش آن‌ها برای ایجاد طرح استفاده می­‎شود. شمایی از نحوه تولید باریکه­‌های الکترونی چندتایی در سیستم MAPPER با استفاده از یک تک‌باریکه الکترونی در شکل 4 آمده است.

شکل 4- شمایی از تولید باریکه­‎های الکترونی چندتایی با استفاده از یک تک‌باریکه الکترونی در سیستم MAPPER.

3- کاربردهای روش لیتوگرافی با باریکه الکترونی

در سال‌های اخیر، روش لیتوگرافی با باریکه الکترونی (EBL) به طور گسترده‌ای در کاربردهای مختلف مورد استفاده قرار گرفته است که از مهم‌ترین آن‌ها می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

· سنتز انواع مدار‌های مجتمع با وضوح بالا

· سنتز ادوات فوتونیک مانند موج‌­برهای نوری با پراکندگی نوری کم

· اپتیک اشعه X

· ادوات الکترونیکی فرکانس­ بالا

· سنتز نانولوله‎­ها، نانوفیبرها و نانوسیم­‎ها

شکل 5 تصویر SEM از دریچه کمربندی با عرض 300 نانومتر در تماس با نانوسیم‌­های 28 نانومتری سنتز‌شده توسط روش لیتوگرافی با باریکه الکترونی را نشان می‌دهد.

شکل 5 – تصویر SEM از گیت کمربندی با عرض 300 نانومتر در تماس با نانوسیم­‎های 28 نانومتری (IBM) سنتز‌شده توسط روش لیتوگرافی با باریکه الکترونی.  

یکی از کاربردهای برجسته روش لیتوگرافی با باریکه الکترونی، سنتز ماسک­‌های نوری است. این ماسک­‎ها معمولاً با استفاده از باریکه شکل‌یافته روی زیرلایه‌ای از جنس کوارتز ساخته می­‎شوند. این زیرلایه‌ها در ناحیه فرابنفش (که همان ناحیه مورد استفاده برای لیتوگرافی نوری است) شفاف هستند. ماسک‎­ها با پوشش لایه‌ای از فلز کروم روی زیرلایه کوارتزی تهیه می­‎شوند. لایه حساس به باریکه الکترونی که روی زیرلایه پوشش‌دهی شده است، در معرض تابش باریکه الکترونی قرار گرفته و طرح مورد نظر روی آن ایجاد می­‌شود. سپس لایه کروم در نواحی طرح‌گذاری‌شده برای تولید ماسک، اچ می­‎شود. شمایی از مراحل تهیه ماسک‎­های نوری توسط لیتوگرافی با باریکه الکترونی در شکل 6 نشان داده شده است.

شکل 6- شمایی از مراحل سنتز ماسک‎­های نوری توسط لیتوگرافی با باریکه الکترونی.

از دیگر کاربردهای این روش می‌توان به سنتز ماسک‌­هایی که در لیتوگرافی اشعه X و روش‎­های لیتوگرافی غیرمتداول مانند چاپ تماسی میکرونی و مهر نانویی به کار می‌روند، اشاره کرد.

4- محدودیت‌های روش لیتوگرافی با باریکه الکترونی

همان‌طوری که اشاره شد، الکترون‎­ها ابتدا با ماده مقاوم پوشش‌دهی شده روی زیرلایه و سپس با زیرلایه برخورد می‌کنند. باریکه الکترونی در نزدیکی محل برخورد دچار پراکندگی در زوایای کوچک (برهم‌کنش غیر الاستیک یا پراکنش رو به جلو) و پراکندگی در زوایای بزرگ (برهم‌کنش الاستیک یا پراکنش بازگشتی) می‌شود. بنابراین، پراکندگی الکترون‌ها چه در زوایای کوچک و چه در زوایای بزرگ، مهم‌ترین محدودیت روش لیتوگرافی با باریکه الکترونی به‌شمار می‌رود. این محدودیت ناشی از حجم بالای الکترون‌های پرانرژی پراکنده‌شده در ماده مقاوم است. این پدیده باعث مبهم و حتی محو‌شدن طرح مورد نظر می‌شود. باریکه پراکنده‌شده با زوایای الاستیک کوچک در ماده مقاوم پهن می­‎شود. به همین دلیل، پروفیل تابش حاصل دارای اندازه بزرگ‌تری نسبت به پروب الکترون برخوردی (پروب واقعی) است. ماده مقاوم، علاوه بر باریکه الکترونی، در معرض تابش الکترون­‎های بازگشتی از زیرلایه با پراکنش الاستیک قرار دارد. الکترون­‎های تولید‌شده طی فرآیندهای غیرالاستیک، نقش مهمی در مبهم‌شدن طرح مورد نظر ایفا می­‌کنند. بنابراین، هم الکترون­‌های ناشی از پراکندگی باریکه الکترونی فرودی و هم الکترون­‌های بازگشتی از زیرلایه تأثیر به‌سزایی روی ابعاد ساختار و وضوح نهایی خواهند داشت. یک راهکار برای کمینه‌کردن پراکندگی رو‌به‌جلو در ماده مقاوم، استفاده از لایه نازکی از ماده مقاوم و افزایش ولتاژ الکترون­‌ها است. در عمل، ایجاد طرح روی خود زیرلایه مطلوب‌تر از لایه نازک مقاوم است. مشکلات ناشی از تابش الکترون‌های پراکنده‌شده از زیرلایه به ماده مقاوم به‌آسانی قابل حل نبوده و با افزایش وزن اتمی زیرلایه پیچیده‌­تر خواهند شد. شمایی از برهم‌کنش باریکه الکترونی با ماده مقاوم و زیرلایه در شکل 7 نشان داده شده است.

شکل 7- شمایی از برهم‌کنش باریکه الکترونی با ماده مقاوم و زیرلایه.

دو راه برای غلبه بر چالش موجود در لیتوگرافی با باریکه الکترونی وجود دارد:

(1) استفاده از باریکه الکترونی پر‌انرژی با ولتاژی بیش از 50 کیلوالکترون ولت به منظور نفوذ به عمق زیرلایه

(2) استفاده از باریکه الکترونی با انرژی بسیار کم برای جلوگیری از پراکندگی در مسافت‌های طولانی

لازم به ذکر است که هر کدام از راه‌حل‌های فوق، خود باعث ایجاد محدودیت‌هایی می‌شوند. به عنوان مثال، استفاده از باریکه الکترونی با انرژی بالا باعث ایجاد حجم زیادی از الکترون­‌های پراکنده‌شده می‌شود. از محدودیت‌های دیگر این رویکرد می‌توان به امکان آسیب‌دیدن زیرلایه نیمه‌رسانا در اثر برخورد الکترون­‌های پرانرژی و نیز پیچیدگی و هزینه‌بر‌ بودن تجهیزات این روش اشاره کرد. استفاده از باریکه الکترونی با ولتاژ کم باعث ایجاد محدودیت‌هایی مانند اپتیک الکترونی (ساختار لنزهای مغناطیسی)، حساسیت ستون الکترون به نویز و نیز نیاز به لایه‌نشانی لایه­‎های نازک از ماده مقاوم خواهد شد.

نتیجه­‌گیری

استفاده از باریکه الکترونی به جای امواج الکترومغناطیس، به دلیل کاهش طول موج حرکت الکترون­‌ها امکان دست‌یابی به وضوح عالی را فراهم می‌کند. این مقاله به بررسی لیتوگرافی با باریکه الکترونی و معرفی دو روش مرسوم لیتوگرافی با باریکه الکترونی، یعنی روش حکاکی مستقیم و روش تابش غیرمستقیم می‌پردازد و کاربردها، مزایا و محدودیت‌های این روش‌ها را بیان می‌کند. در روش حکاکی مستقیم، طرح مورد نظر با استفاده از فایلی از داده‌ها ایجاد شده و به‌عنوان روشی برای ساخت ماسک‌های لیتوگرافی به‌کار می‎­رود. برای بهبود لیتوگرافی به روش حکاکی مستقیم از سیستم‌­های باریکه الکترونی شکل‌یافته استفاده شده است. در این سیستم‌ها، جریان الکترون‌ها از منبع به یک دریچه شکل‌­دهی وارد شده و پس از عبور از منحرف‌کننده، روی دریچه شکل­‌دهی دوم تصویر می‌شود و به این ترتیب، باریکه شکل‌یافته بدون هیچ­گونه انحرافی روی نمونه می‌تابد. در این روش، دستیابی به طرح‎­های پیچیده­‎تر در زمان کوتاه‌تر، با استفاده از ساختارهای بزرگ‌تر امکان‌پذیر است. توسعه لیتوگرافی با باریکه شکل‌یافته موجب ایجاد سیستم‌­های باریکه ساختاری یا سلولی شده است. در این سیستم‌ها، دریچه‌­ها به شکل الگوهای مداری تکرارشونده (سلول) ساخته می‌شوند. با استفاده از این سیستم‌ها می‌توان به طرح­‎های پیشرفته با ابعاد بزرگ‌تر از 100 نانومتر با بازده متوسط دست یافت. در ادامه، روش غیرمستقیم یا چاپ تصویر به عنوان زیرمجموعه‌ای از روش لیتوگرافی با باریکه الکترونی معرفی شد. در این روش از یک ماسک برای انتقال کامل یا انتقال بخش اعظمی از یک طرح استفاده می‎­شود. باریکه الکترونی در یک محیط خلأ با فشار ^5-10 تور روی زیرلایه پوشش‌دهی شده با ماده مقاوم، تابانیده شده و طرح مورد نظر توسط ماسک غشایی جامدی با حفرات مشخص (شابلون) ایجاد می‌شود. در نهایت، کاربردهای مهم روش لیتوگرافی با باریکه الکترونی و مهم‌ترین محدودیت‌های آن به همراه راه‌های غلبه بر آن‌ها مورد بحث و بررسی قرار گرفته است.