電子ビームリソグラフィー

低解像度システムでは、通常六ホウ化ランタンから形成される熱電子源（陰極）を使用できます。しかし、高解像度が求められるシステムでは、エネルギーの広がりを抑え、輝度を高めるために、加熱されたW/ZrO₂などの電界放出源を使用する必要があります_。熱電界放出源は、ビームサイズがわずかに大きいにもかかわらず、数時間に及ぶ一般的な書き込み時間においてより優れた安定性を提供するため、冷電界放出源よりも好まれます。

静電レンズと磁気レンズの両方が使用可能です。ただし、静電レンズは収差が大きいため、精密な焦点合わせには適していません。現在、色収差のない電子ビームレンズを作製する機構は存在しないため、極めて精密な焦点合わせには、電子ビームエネルギーの極めて狭い分散が必要となります。

通常、ごくわずかなビーム偏向には静電偏向レンズが用いられ、より大きなビーム偏向には電磁走査が必要となります。露光グリッドのステップ数が有限であることと、その精度の低さから、描画領域は100マイクロメートル～1 ミリメートル程度となります。より大きなパターンを描画するには、ステージの移動が必要です。正確なステージは、ステッチング（描画領域を互いに正確に重ね合わせること）やパターンオーバーレイ（既に作成したパターンに新しいパターンを合わせること）において非常に重要です。

特定の領域に特定の線量（クーロン/cm²^で測定）を照射するための最小時間は、次の式で与えられます。^{[ 2 ]}

${\displaystyle D\cdot A=T\cdot I\,}$

どこ${\displaystyle T}$は被写体を露光する時間（露光時間/ステップサイズに分割可能）であり、${\displaystyle I}$はビーム電流（アンペア単位で測定）です。${\displaystyle D}$投与量であり、${\displaystyle A}$露出面積（cm² ^）です。

電子ビームリソグラフィはスループットが限られているため、大量生産には適していません。電子ビーム描画のフィールドが小さいため、フォトリソグラフィ（現在の標準）と比較してパターン生成が非常に遅くなります。これは、最終的なパターン領域を形成するために、より多くの露光フィールドをスキャンする必要があるためです（電子ビームでは^{≤mm² 、} 光学マスク投影スキャナでは≥40mm² ）。ステージはフィールドスキャンの間に移動します。電子ビームフィールドは非常に小さいため、たとえば26mm ×33mmの領域をパターニングするには、ラスタースキャンまたは蛇行スキャンによるステージ移動が必要ですが、フォトリソグラフィスキャナでは、26mm × 2mmのスリットフィールドの1次元移動のみで済みます。    

現在、光学マスクレスリソグラフィ装置^{[ 3 ]}は、フォトマスクパターニングに同じ解像度で使用される電子ビーム装置よりもはるかに高速です。

パターンサイズが縮小するにつれて、一定線量での入射電子数も減少します。入射電子数が約10,000に達すると、ショットノイズの影響が顕著になり、多数のパターン内で線量のばらつきが大きくなります。パターン領域が半分になるにつれて、同じノイズレベルを維持するためには、プロセスノードごとに最小線量を2倍にする必要があります。結果として、プロセスノードごとに装置のスループットは半分になります。

注：人口の1ppmは、平均線量から約5標準偏差離れた値です。

参照：SPIE Proc. 8683-36 (2013)

ショットノイズはマスク製造においても重要な考慮事項です。たとえば、FEP-171のような市販のマスク用電子ビームレジストは10 μC/cm ²未満の線量を使用しますが、^{[ 4 ] [ 5 ]}マスク上のターゲット臨界寸法（CD）が約200 nmのオーダーであっても、ショットノイズが顕著になります 。^{[ 6 ] [ 7 ]} CDの変動は、20 nm以下の特徴で15～20%のオーダーになる可能性があります 。^{[ 8 ] [ 9 ]}

電子ビームリソグラフィは高解像度であるにもかかわらず、その過程で発生する欠陥は、ユーザーによってしばしば見過ごされがちです。欠陥は、データ関連の欠陥と物理的な欠陥の2つのカテゴリに分類できます。

データ関連の欠陥は、さらに2つのサブカテゴリに分類できます。「ブランキング」または「偏向エラー」は、電子ビームが本来偏向されるべきときに正しく偏向されない場合に発生し、「シェーピングエラー」は、可変形状ビームシステムにおいて、誤った形状のビームが試料に投影された場合に発生します。これらのエラーは、電子光学制御ハードウェアまたはテープアウトされた入力データのいずれかに起因する可能性があります。当然のことながら、データファイルが大きいほど、データ関連の欠陥が発生しやすくなります。

物理的な欠陥は多岐にわたり、試料の帯電（負または正）、後方散乱計算誤差、線量誤差、フォギング（後方散乱電子の長距離反射）、アウトガス、汚染、ビームドリフト、粒子などが含まれます。電子ビームリソグラフィの書き込み時間は容易に1日を超えるため、「ランダムに発生する」欠陥が発生する可能性が高くなります。ここでも、データファイルが大きいほど、欠陥が発生する機会が増える可能性があります。

フォトマスクの欠陥は、主にパターン形成に用いられる電子ビームリソグラフィーの過程で発生する。

今日の電子光学では、電子ビームの幅は日常的に数ナノメートルまで小さくすることができます。これは主に収差と空間電荷によって制限されます。しかし、特徴解像度の限界はビームサイズではなくレジスト内の前方散乱（または実効ビーム広がり）によって決定され、ピッチ解像度の限界はレジスト内の二次電子の移動によって決定されます。^{[ 15 ] [ 16 ]}この点は、15 nmハーフピッチゾーンプレートの製造に電子ビームリソグラフィを使用したダブルパターニングの2007年の実証によって強調されました。 ^{[ 17 ]} 15 nmの特徴は解像されましたが、隣接する特徴からの二次電子散乱のために、30 nmピッチは依然として困難でした。ダブルパターニングを使用することで、特徴間の間隔を十分に広くすることができ、二次電子散乱を大幅に低減することができました。   

前方散乱は、高エネルギー電子またはより薄いレジストを使用することで低減できますが、二次電子の生成は避けられません。PMMA のような絶縁材料の場合、低エネルギー電子はかなり遠くまで移動できることが現在では認識されています(数 nm も可能)。これは、イオン化ポテンシャル以下では、唯一のエネルギー損失メカニズムが主にフォノンとポーラロンによるものであるためです。後者は基本的にイオン格子効果ですが、^{[ 18 ]}ポーラロンホッピングは 20 nm まで及ぶ可能性があります 。^{[ 19 ]}二次電子の移動距離は、根本的に導出された物理値ではなく、多くの場合、1 eV 未満まで多数の実験またはモンテカルロシミュレーション から決定される統計パラメータです。これは、二次電子ピークのエネルギー分布が 10  eV をはるかに下回っているため必要です。^{[ 20 ]}したがって、分解能限界は、光学回折限界システムの場合のように、明確に固定された数値として引用されることは通常ありません。^{[ 15 ]}実用的な解像度限界での再現性と制御には、レジスト現像や分子間力など、画像形成とは関係のない考慮事項が必要になることが多い。

ナノテクノロジー、科学、工学部による研究が2013年のEUVLワークショップで発表したところによると、電子ぼけの尺度として、50～100 eVの電子は PMMAまたは市販のレジストの10 nmの厚さを超えて容易に侵入することが示されました。さらに、誘電破壊放電も起こり得ます。^{[ 21 ]}最近の研究では、20  nmのレジスト厚は低エネルギー電子（十分な線量）によって貫通される可能性があり、20  nm未満のハーフピッチ電子ビームリソグラフィではすでにダブルパターニングが必要であったことが示されています。^{[ 22 ] [ 23 ]}

2022年現在最先端の電子マルチビーム描画装置では、約20  nmの解像度が達成される。^{[ 24 ] [ 25 ]}

入射ビームから発生する、レジストを透過するのに十分なエネルギーを持つ一次電子は、二次電子を生成するだけでなく、下層のフィルムや基板から遠くまで多重散乱されることがあります。これにより、目的の露光位置からかなり離れた領域が露光されてしまいます。レジストが厚い場合、一次電子が前進するにつれて、ビームで定義された位置から横方向に散乱する機会が増えます。この散乱は「前方散乱」と呼ばれます。一次電子が90度を超える角度で散乱され、レジスト内部にそれ以上進まなくなる場合もあります。これらの電子は「後方散乱電子」と呼ばれ、光学投影システムにおける長距離フレアと同じ効果があります。十分な量の後方散乱電子が照射されると、ビームスポットで定義された領域よりもはるかに広い範囲のレジストが完全に露光されてしまう可能性があります。

電子ビームリソグラフィによって生成される最小の特徴は、一般的に孤立した特徴です。入れ子構造の特徴は近接効果を悪化させます。近接効果とは、隣接領域の露光からの電子が現在書き込まれている特徴の露光に漏れ込み、その画像を効果的に拡大し、コントラスト、つまり最大強度と最小強度の差を減少させる効果です。したがって、入れ子構造の特徴の解像度を制御するのは困難です。ほとんどのレジストでは、25  nm ラインとスペースを下回ることは難しく、20 nm ラインとスペースが限界で あることがわかっています。^{[ 26 ]}しかし実際には、二次電子散乱の範囲はかなり広く、100  nmを超えることもありますが、30 nm を下回ると非常に顕著になります。^{[ 27 ] [ 28 ]} 

近接効果は、レジストの上面から放出された二次電子が数十ナノメートル離れた場所に戻ってくることによっても現れる。^{[ 29 ]}

近接効果（電子散乱によるもの）は、逆問題を解いて、散乱分布点広がり関数PSF(x,y)で畳み込んだときに、所望の線量D(x,y)にできるだけ近い線量分布となるような照射関数E(x,y)を計算することで対処できます。ただし、照射線量に誤差（例えば、ショットノイズによるもの）があると、近接効果補正が失敗する可能性があることに注意が必要です。