روش نانو لیتوگرافی جلسه ۲

روش نانو لیتوگرافی جلسه ۲Reviewed by جلالی on Aug 24Rating:

روش نانو لیتوگرافی جلسه 2روش نانو لیتوگرافی جلسه ۲
۱- مقدمه:


یکی از تکنولوژی‌های جدید در حوزه لیتوگرافی، استفاده از میکروسکوپ‌های الکتریکی جهت تولید باریکه الکترونی می‌باشد [۱]. شاید بتوان اولین تفکر در زمینه کاربرد میکروسکوپ الکترونی در ساخت ابزار نانو مقیاس را به صحبت‌های ریچارد فایمن در سال ۱۹۵۰ ارتباط داد که اظهار کرد “فضای زیادی در پایین وجود دارد” [۳و۲]. لیتوگرافی باریکه الکترونی (EBL= Electron Beam Lithography) یک روش بسیار دقیق با رزولوشن بسیار بالا برای ایجاد طرح می باشد. در این روش از یک باریکه الکترونی به خوبی متمرکز شده با انرژی ۳۰۰-۲ کیلوالکترون ولت، تولید شده توسط میکروسکوپ الکترونی روبشی و عبوری، برای ایجاد طرح های خطی ظریف بر روی ماده نیمه هادی پوشش داده شده با ماده مقاوم، استفاده می شود [۷-۳].

با وجود جرم بسیارکم الکترون ها و وجود نسبت بالای بار به جرم آنها، امکان متمرکز کردن و هدایت آنها با استفاده از میدان های نسبتاً کم مغناطیسی و الکتریکی فراهم شده است [۴و۳]. هرچه انرژی باریکه افزایش یابد، طول موج آن کاهش پیدا می¬کند. این موضوع سبب بهبود در میزان رزولوشن نهایی می شود. با این حال رزولوشن یا همان ابعاد ساختار قابل دستیابی با روش باریکه الکترونی، به حدود چند نانومتر محدود می شود، که بیشتر به علت محدودیت ماده مقاوم می باشد. به عنوان مثال اگر امکان متمرکز کردن باریکه الکترونی برای رسیدن به رزولوشنی در حدود ۰.۵ نانومتر میسر شود، ماده مقاوم به تنهایی رزولوشن نهایی را به حدود ۵ نانومتر محدود می کند [۵و۴]. یک خصوصیت مهم ماده مقاوم برای ایجاد طرح با رزولوشن بالا، کنتراست می باشد؛ زیرا امکان ایجاد تغیرات کوچک در ضخامت نواحی تحت تابش، با استفاده از مواد مقاوم با کنتراست بالا (مثبت) فراهم می شود [۳].

۲- انواع لیتوگرافی باریکه الکترونی:


نانولیتوگرافی باریکه الکترونی اغلب به دو صورت روش تابش غیر مستقیم و انتقال طرح؛ و روش حکاکی مستقیم (DWEB= Direct Writing Electron Beam) به کار می رود [۵و۱].


۲-۱- روش حکاکی مستقیم:


حالت حکاکی مستقیم امکان ایجاد طرح را با استفاده از یک فایل داده فراهم می کند و به عنوان روشی برای ساخت ماسک های مورد استفاده در لیتوگرافی به کار می رود [۵و۳]. اولین شکل از روش حکاکی مستقیم با باریکه الکترونی، توسط میکروسکوپ الکترونی روبشی تحت کنترل کامپیوتر یا پوینده نقطه ای تندرو ( Flying Spot Scanner) برای انتقال اطلاعات طرح انجام گرفت. شکل ۱ و چندرسانه ای ۲ تصویر شماتیک از این روش را بر پایه میکروسکوپ الکترونی روبشی نشان می دهد [۶و۵و۲].

 
filereader.php?p1=main_cd1a7e0e4b6b3e13c
شکل ۱ – تصویر شماتیکی از سیستم لیتوگرافی باریکه الکترونی بر پایه میکروسکوپ الکترونی روبشی [۵].

امروزه با پیشرفت میکروسکوپ های الکترونی، باریکه های الکترونی با شعاع کمتر از ۱۰ نانومتر تولید می شوند که به ماده مقاوم حساس به الکترون تابیده می شوند. این سیستم ها، به علت شدت پروفایل باریکه، معمولاً تحت عنوان سیستم های باریکه گوسین شناخته می شوند. الکترون های نشر یافته از منبع، متمرکز می شوند و با استفاده از لنزهای مغناطیسی و دریچه ها، بر اساس پروفایل گوسین، به شکل یک نقطه درمی آیند، که مشخصات آن وابسته به جریان و تعداد دریچه ها و لنزها می باشد. همچنین در این سیستم از صفحات الکترواستاتیک و یا سیم-پیچ های مغناطیسی انکساری برای منحرف کردن باریکه استفاده می شود. معمولاٌ یک منحرف کننده  در زمان های مناسب، فاصله ای را به صورت خاموش و روشن کردن باریکه در ستون الکترونی ایجاد می کند، در حالی که سایر منحرف کننده ها برای روبش الکترون در امتداد نمونه استفاده می شوند [۳و۲].

محدوده روبش باریکه الکترونی به علت انحراف و اعواج ایجاد شده توسط میدان های انکساری، به فواصل کوچکی محدود می شود. بنابراین برای پوشش دادن کل نمونه، نیاز به ترکیبی از حرکت مکانیکی نمونه و انکسار باریکه الکترونی می باشد. از لنزهای مغناطیسی به عنوان اپتیک های الکترونی، برای متمرکز کردن و شکل دادن باریکه الکترونی جهت لیتوگرافی استفاده می شود. قطر نهایی باریکه تحت تأثیر منبع تولید الکترون، عیوب انکساری لنزها، عیوب هندسی و اثرات بار فضایی ناشی از دفع الکترون ها می باشد [۲].

سیستم های باریکه الکترونی شکل گرفته، در ۱۹۷۰ برای بهبود خروجی DWEB توسعه داده شدند. در این سیستم، جریان از منبع به یک دریچه شکل دهی وارد می شود. سپس از یک منحرف کننده باریکه عبور کرده و بر روی دریچه شکل دهی دوم تصویر می شود و بدون هیچ گونه انحرافی، باریکه شکل گرفته با جریان نسبتاً بالا بر روی ویفر قرار می گیرد. در این روش، طرح های پیچیده تر با قرار دادن ساختارهای بزرگتر در زمان کوتاهتری ایجاد می شوند. با این حال رزولوشن بدست آمده از سیستم باریکه شکل گرفته، کمتر از سیستم گوسین است. بنابراین برای نانولیتوگرافی بیشتر از سیستم گوسین استفاده می شود، ولی برای تولید صنعتی با قیمت کمتر، از سیستم باریکه شکل گرفته استفاده می شود [۳و۲].

توسعه لیتوگرافی باریکه شکل گرفته، منجر به ایجاد سیستم های باریکه تصویری ساختاری یا سلولی گردید. در این مورد، دریچه ها به شکل الگوهای مداری تکرارشونده (سلول) ساخته می شوند. این سیستم برای تولید طرح های پیشرفته با ابعاد بزرگتر از ۱۰۰ نانومتر و بازده متوسط به کار می رود. در سیستم تک باریکه الکترونی برای حکاکی مستقیم، دقت و توانایی زیادی برای تولید مدار مجتمع و ساختارهایی با اندازه کوچک وجود دارد ولی روشی پر هزینه و زمان بر می باشد [۸]. شکل ۲ و چندرسانه ای ۳ و ۴ نمایی از این سیستم ها و توسعه آنها را نشان می دهد [۲].

 
 
filereader.php?p1=main_b397befae33fc895a
شکل ۲ – تصویر شماتیکی از باریکه گوسین، باریکه شکل گرفته و تصویر سلولی در حکاکی مستقیم [۲].


۲-۲- روش غیرمستقیم:
روش دیگر لیتوگرافی باریکه الکترونی، روش غیر مستقیم یا چاپ تصویر (EPL= Electron Projection Lithography) می باشد. تکنیک های تک باریکه متمرکزشده گوسین و باریکه شکل گرفته، برای تبدیل داده های ساختارهای زیرمیکرونی و نانومتری به ساختارهای دو بعدی، ایده آل هستند. هر دو تکنیک نیاز به زمان مشخصی برای پر کردن سطوح بزرگ با اجزای کوچک دارند. برای رفع مشکل زمان، روش های تابش موازی توسعه داده شدند که از ماسک هایی با طرح های مشخص با ابعاد ساختاری زیرمیکرونی تا نانومتری استفاده می کنند [۸و۵و۴]. با این حال تولید باریکه های چند تایی نیاز به استفاده از ابزار دقیقی دارد و ساخت ماسک های مورد نیاز برای تولید چنین باریکه هایی هزینه بر است [۸].
در تکنیک غیر مستقیم، باریکه الکترونی بر روی زیرلایه پوشش داده شده با ماده مقاوم در یک محیط خلأ (۵-۱۰ torr) متمرکز می شود. در این روش از یک ماسک برای انتقال کامل یا بخش اعظم یک طرح استفاده می-شود. این ماسک یک غشای جامد با حفرات مشخص است که طرح مورد نظر را ایجاد می کند (شابلون). باریکه در حالتی که طرح را منتقل می کند از حفرات ماسک عبور می کند. پس از انتقال طرح تعریف شده بر روی ماده مقاوم، این ماده از سیستم خارج شده و مابقی فرآیند مانند لیتوگرافی متداول ادامه می یابد. در این روش، دانسیته جریان کمتری نسبت به باریکه گوسین و باریکه شکل داده شده استفاده می شود. هرچه عمق نفوذ الکترون ها کاهش یابد، کاربر ناگزیر می شود تا از ماسک های غشایی بسیار نازک و یا شابلون هایی به صورت چند تکه، که باریکه می تواند از میان آنها عبور کند، استفاده کند [۵ و۲].
روش های متعددی برای تولید باریکه های چندنایی توسط Vistec، IMS و MAPPER پیشنهاد شدند که از تکنیک ماشین کاری میکرونی برای تولید باریکه هایی با اندازه قابل قبول استفاده کردند. در روش های Vistec و IMS از یک تک باریکه الکترونی برای تولید چند باریکه الکترونی ۵۰ کیلوالکترون ولتی استفاده می شود. نمای شماتیکی از این روش در تصویر۳ نشان داده شده است. یک دریچه آرایه ای برای جدا کردن باریکه های الکترونی استفاده می شود. برای جلوگیری از گرم شدن بیش از اندازه صفحه دریچه، انرژی الکترون های در حال عبور از دریچه کمتر از انرژی الکترون های متمرکز شده بر روی ویفر می باشد [۸]. 
 
filereader.php?p1=main_0d066a30564bec11b
شکل ۳- نمای شکاتیکی از تولید باریکه های الکترونی چندتایی از یک تک باریکه الکترونی [۸].
در سیستم MAPPER باریکه چند تایی با استفاده از چیدمانی از دریچه ها، از یک تک باریکه الکترونی تشکیل شده و سپس این باریکه ها موازی می شوند. یک آرایه انکساری برای خاموش و روشن کردن باریکه ها و روبش آنها برای ایجاد طرح استفاده می شود. شکل ۴ و چند رسانه ای ۵ شماتیکی از این روش را نشان می دهند.
 
 
 
filereader.php?p1=main_efe6b4a75ef490986
شکل ۴ – تصویر شماتیکی از سیستم  MAPPER از [۸]
۳- کاربرد:

از تکنیک EBL برای ساخت انواع مدار مجتمع با رزولوشن بالا استفاده می شود. همچنین از این روش در ساخت ابزار فوتونیک نظیر موج برهای نوری با پراکندگی نوری کم، اپتیک اشعه X ، ابزار الکترونیکی با قابلیت کار در فرکانس های بالا، نانولوله ها، نانوفیبرها و نانوسیم ها استفاده می شود [۳]. 
 

 

 
filereader.php?p1=main_ed92eff813a02a31a
شکل ۵ – گیت کمربندی با عرض ۳۰۰ نانومتر در تماس با نانوسیم های ۲۸ نانومتری (IBM) از [۳].


یکی از کاربردهای اصلی این تکنیک ساخت ماسک های نوری می باشد. این ماسک ها معمولاً با استفاده از باریکه شکل گرفته و بر روی یک زیرلایه کوارتزی ساخته می شوند که شفافیت خوبی در ناحیه فرابنفش از خود نشان می‌دهد. این همان ناحیه مورد استفاده برای لیتوگرافی نوری می باشد. ماسک ها با قرارگیری یک لایه کروم بر روی صفحه شیشه کوارتزی ساخته می شوند. لایه حساس به باریکه الکترونی پوشش داده شده در معرض تابش باریکه قرار گرفته و طرح مورد نظر روی آن ایجاد می شود. در نهایت لایه کروم به صورت انتخابی، در نواحی طرح گذاری شده برای تولید ماسک، اچ می شود [۵].

 

 
filereader.php?p1=main_f280c97cbfc8f6cb4
شکل ۶-ساخت ماسک های لیتوگرافی 

از این تکنیک همچنین برای تولید ماسک های مورد نیاز برای لیتوگرافی اشعه X و روش های لیتوگرافی غیر متداول مانند چاپ تماس میکرونی و مهر نانو نیز استفاده می شود [۶].

۴- محدودیت:


پدیده پراکندگی الکترون ها، هنگام ورود آنها به ماده مقاوم و زیرلایه در زوایای کوچک (غیر الاستیک یا پراکنش رو به جلو) و زوایای بزرگ (الاستیک یا پراکنش بازگشتی) و در نزدیکی محل برخورد باریکه به ماده اتفاق می افتد [۳]. مهمترین محدودیت لیتوگرافی باریکه الکترونی ناشی از اثر مجاورت ایجاد شده به علت حجم بالای الکترون‌های پراکنده شده با انرژی بالا در ماده مقاوم می باشد. این موضوع سبب می شود طرح محو به نظر رسیده و پروفایل تحت تابش، اندازه بزرگتری از پروب الکترون برخوردی پیدا کند. [۷-۵و۳] این بدان دلیل است که باریکه پراکنده شده با زوایای الاستیک کوچک، در ماده مقاوم پهن می شود. همچنین، ماده مقاوم در معرض تابش الکترون های پراکنده بازگشتی به صورت الاستیک از زیرلایه نیز می باشد. به علاوه الکترون های ایجاد شده بواسطه فرآیندهای غیرالاستیک نیز نقش مهمی را بازی می کنند. الکترون های ناشی از پراکندگی رو به جلو و الکترون های زیرلایه روی ابعاد ساختار و رزولوشن اثر می گذارند. پراکندگی رو به جلو در ماده مقاوم می تواند با به کارگیری لایه نازکی از ماده مقاوم و افزایش ولتاژ الکترون ها به حاقل برسد. در کاربرد عملی، ایجاد طرح روی بالک زیرلایه مطلوبتر از ماده مقاوم نازک می باشد. مینیمم کردن مشکلات ناشی از تابش الکترون های پراکنده شده از زیرلایه به ماده مقاوم، به آسانی صورت نمی پذیرد، که در مورد زیرلایه هایی با وزن اتمی بیشتر این مشکل پیچیده تر می شود [۷و۴].

دو راه کلی جهت حل این مشکل وجود دارد. را حل اول استفاده از باریکه های الکترونی با انرژی بالا (بیشتر از ۵۰ کیلوالکترون ولت) می باشد تا بتواند به عمق زیرلایه نفوذ کند. این در حالی است که در روش دوم باریکه های الکترونی با انرژی بسیار کم استفاده می‌شود. که امکان پراکندگی در مسافت طولانی فراهم نمی شود. نکات کلیدی در زمینه استفاده از باریکه الکترونی با ولتاژ بالا عبارتست از الکترون های پراکنده شده، آسیب وارد شده به زیرلایه نیمه هادی در اثر برخورد الکترون های تابشی، پیچیدگی و قیمت بالای ستون های ولتاژ بالا. در زمینه استفاده از باریکه الکترونی با ولتاژ کم، نکات اصلی عبارتند از اپتیک الکترونی (ساختار لنزهای مغناطیسی و ..)، حساسیت ستون نوری الکترون به نویز و نیاز به لایه های نازک از ماده مقاوم [۷].

نتیجه گیری :


با استفاده از روش لیتوگرافی باریکه الکترونی قابلیت تولید طرح ها و ساختارهایی در ابعاد نانو با رزولوشن بالا فراهم می شود. انتخاب نوع ماده مقاوم در کنتراست و کیفیت طرح های تولیدی اهمیت بسزایی دارد. روش حکاکی مستقیم از این تکنیک، کاربردهای زیادی دارد و برای تولید ماسک  برای انواع روش های لیتوگرافی استفاده می‌شود. نکته مهم در این روش، استفاده از تک باریکه الکترونی می باشد که در کنار ایجاد رزولوشن بالا، به خصوص درمورد طرح های بزرگ و تولید انبوه ساختارها هزینه بر و زمان بر می باشد. از این رو روش ایجاد طرح با استفاده از باریکه های الکترونی چندتایی گسترش پیدا کرد. این روش رزولوشن پایینتری نسبت به روش مستقیم دارد ولی تولید ماسک های موردنیاز در این روش هزینه بر می باشد. محدودیت اصلی تکنیک لیتوگرافی با باریکه الکترونی ایجاد ناحیه ای اطراف محل برخورد باریکه با ماده مقاوم می باشد که از برهمکنش های مختلف الکترون‌های برخوردی با مقاوم و زیرلایه نشأت می گیرد و طرح تولیدی را مبهم می سازد. برای کاهش این ناحیه و بهبود طرح های تولیدی، استفاده از باریکه هایی با انرژی بالا و یا با ولتاژهای کم پیشنهاد شده است که هر کدام از این روش ها نیز محدودیت هایی را برای سیستم ایجاد می کنند.



سایتی به وسعت همه چیز که در اون سعی میکنم تجربیات و مطالب در خور توجه رو که دوستشون دارم قرار بدم و امیدوارم با پیشنهادات و انتقادات خودتون من رو راهنمایی کنید. با تشکر


پاسخ دهید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

دوست داری سایت خودتو داشته باشی همین الان این کار رو بکن
امتیاز دهید:
به این صفحه

به این سایت
برای محبوب کردن سایت روی 1+ کلیک کنید