© ۱۳۹۳
کلیه حقوق این سایت متعلق به ستاد توسعه فناوری نانو می باشد و هر گونه استفاده از مطالب آن بدون ذکر نام منبع ممنوع است.
نانو
nano
پيشوندي به معناي يک بيليونم يا (000،000،000،1/1). در متون فناورينانو، معمولا براي مشخص کردن يک واحد اندازهگيري برابر با 10 به توان منفي 9 متر استفاده ميشود.
لیتوگرافی باریکه الکترونی
در لیتوگرافی نوری از امواج الکترومغناطیس با طول موج مشخص استفاده میشود، به همین دلیل این روش وضوح محدودی داشته و برای لیتوگرافی در مقیاس نانو مناسب نیست. در صورتیکه از باریکه الکترونی به جای امواج الکترومغناطیس استفاده شود، امکان دستیابی به وضوح عالی با تنظیم انرژی پرتوی الکترونی وجود دارد؛ چرا که در این شرایط میتوان طول موج حرکت الکترونها را کاهش داد. در این مقاله، به طور اجمالی به معرفی روش لیتوگرافی با باریکه الکترونی پرداخته شده و عوامل مؤثر بر آن مورد بحث و بررسی قرار میگیرد. سپس انواع روشهای لیتوگرافی با باریکه الکترونی، مانند روش حکاکی مستقیم و روش تابش غیرمستقیم و نیز کاربردها و محدودیتهای این روشها به طور مفصل مورد مطالعه قرار خواهد گرفت.
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.
منابـــع و مراجــــع
1. Mongillo, J. “Nanotechnology 101”, UK, GreenWood Press, (2007).
2. Ventra, M.D., Evoy, S., Heflin‚ J.R. “Introduction to Nanoscale Science and Technology”, USA, Kluwer Academic Publishers, (2004).
3. Wiederrecht, J.P. “Handbook Of Nanofabrication”, Netherlands, Elsevier, (2010).
4. Ko¨hler, M., Fritzsche, W. “Nanotechnology An Introduction to Nanostructuring Techniques”, Second Edition, Germany, Wiley-VCH, (2007).
5. Hannink, R. H. J., Hill, A.J. “Nanostructure control of materials”, USA, CRC press, (2006).
6. Zhang, J.Z., Wang, Z.L., Liu, J., Chen, S., Liu, G.Y. “Self-Assembled Nanostructures”, USA, Kluwer Academic Publishers, (2004).
7. Edelstein, A.S., Cammarata, R.C. “Nanomaterials:Synthesis, Properties and Applications”, USA, Institute of Physics Publishing, (1996).
8. Levinson, H.J. “Principles of Lithography”, Third Edition, USA, SPIE Press, (2010).