電子ビームリソグラフィー

電子ビームリソグラフィー（e-beam lithographyまたはEBLと略されることが多い）は、電子の集束ビームをスキャンして、レジストと呼ばれる電子に敏感なフィルムで覆われた表面にカスタム形状を描画する手法です（露光）。^[1]電子ビームはレジストの溶解性を変化させ、レジストを溶剤に浸すことで（現像）、レジストの露光された領域または露光されていない領域を選択的に除去することができます。その目的は、フォトリソグラフィーと同様に、レジストに非常に小さな構造を作成し、その後、エッチングによって基板材料に転写することです。

電子ビームリソグラフィーの主な利点は、 10nm未満の解像度でカスタムパターン（直接描画）を描画できることです 。この形式のマスクレスリソグラフィーは解像度は高いもののスループットが低いため、フォトマスクの製造、半導体デバイスの少量生産、研究開発などに限定して使用されています。

商業用途で使用されている電子ビーム リソグラフィー システムは、非常に高価な (> 100 万米ドル) 専用の電子ビーム描画システムです。研究用途では、比較的低コストのアクセサリ (< 10 万米ドル) を使用して電子顕微鏡を電子ビーム リソグラフィー システムに改造することが非常に一般的です。このような改造システムは、少なくとも 1990 年以降、約 20 nm の線幅を実現していますが、現在の専用システムでは、10 nm 以下の線幅しか実現していません。

電子ビーム リソグラフィー システムは、ビームの形状とビーム偏向戦略の両方によって分類できます。古いシステムでは、ガウス形状のビームを使用して、これらのビームをラスター方式でスキャンしていました。新しいシステムでは、書き込みフィールド内のさまざまな位置に偏向できる形状ビームを使用します (ベクター スキャンとも呼ばれます)。

解像度の低いシステムでは、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。ただし、高解像度が求められるシステムでは、エネルギー拡散を抑えて輝度を高めるために、加熱された W/ZrO ₂などの電界電子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、数時間という通常の書き込み時間にわたって安定性が優れているため、冷電子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を使用できます。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使用されません。現在^{[いつ? ]}色消し電子ビームレンズを作成するメカニズムがないため、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です。^{[引用が必要] [更新が必要]}

通常、非常に小さなビーム偏向には静電偏向「レンズ」が使用され、より大きなビーム偏向には電磁スキャンが必要です。不正確さと露光グリッドのステップ数が限られているため、書き込みフィールドは 100 マイクロメートル～ 1 mm 程度です。より大きなパターン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 (書き込みフィールドを互いに正確に並べる) とパターン オーバーレイ (以前に作成したパターンにパターンを合わせる) に不可欠です。

特定の領域に特定の線量を照射するために必要な最小時間は、次の式で与えられます。^[2]

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

ここで、はオブジェクトを露光する時間（露光時間/ステップ サイズに分けることができます）、はビーム電流、は線量、は露光される領域です。 ${\displaystyle T}$${\displaystyle I}$${\displaystyle D}$${\displaystyle A}$

たとえば、露光面積が 1 cm ²、線量が 10 ⁻³ クーロン/cm ²、ビーム電流が 10 ⁻⁹ アンペアであると仮定すると、最小書き込み時間は 10 ⁶秒 (約 12 日)になります。この最小書き込み時間には、ステージが前後に移動する時間、ビームがブランキングされる時間 (偏向中にウェーハからブロックされる時間)、および書き込みの途中で発生する可能性のあるその他のビームの修正や調整の時間は含まれません。300 mm シリコン ウェーハの700 cm ^{2 の表面積をカバーするには、最小書き込み時間は 7*10 8}秒、つまり約 22 年に延長されます。これは、現在の光リソグラフィー ツールの約 1,000 万倍遅いです。スループットが電子ビーム リソグラフィーの重大な制限であることは明らかであり、特に大面積に高密度のパターンを書き込む場合はなおさらです。

電子ビーム リソグラフィーは、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。電子ビーム書き込みのフィールドが小さいため、フォトリソグラフィー (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 (電子ビームの場合は≤mm ^{2、光マスク投影スキャナの場合は ≥40 mm 2} )。ステージは、フィールド スキャンの合間に動きます。電子ビーム フィールドは十分に小さいため、たとえば 26 mm X 33 mm の領域をパターン化するには、ラスターまたは蛇行ステージ モーションが必要ですが、フォトリソグラフィー スキャナでは、26 mm X 2 mm のスリット フィールドの 1 次元モーションのみが必要です。

現在、光学マスクレスリソグラフィーツール^[3]は、フォトマスクのパターン形成に同じ解像度で使用される電子ビームツールよりもはるかに高速です。

フィーチャのサイズが小さくなると、固定線量での入射電子数も小さくなります。その数が約 10000 に達すると、ショット ノイズ効果が顕著になり、大きなフィーチャ ポピュレーション内で大幅な自然線量変動が生じます。各プロセス ノードでフィーチャ領域が半分になると、同じノイズ レベルを維持するには最小線量を 2 倍にする必要があります。その結果、ツールのスループットは各プロセス ノードで半分になります。

注:人口の1 ppmは平均投与量から約 5 標準偏差離れています。

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。例えば、FEP-171のような市販のマスク電子ビームレジストは10μC/cm2未満の線量を使用しますが^、 [ ^{4] [5]、}これにより、マスク上のターゲットの臨界寸法（CD）が約200nmであっても、顕著なショットノイズが発生します。 ^{[6] [7]} CDの変動は、20nm未満のフィーチャでは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 リソグラフィーの高解像度にもかかわらず、電子ビーム リソグラフィー中の欠陥の発生は、ユーザーによって考慮されないことがよくあります。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。ブランキングエラーまたは偏向エラーは、電子ビームが適切に偏向されない場合に発生します。一方、成形エラーは、可変成形ビーム システムでサンプルに誤った形状が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出力された入力データのいずれかから発生する可能性があります。予想どおり、データ ファイルが大きいほど、データ関連の欠陥の影響を受けやすくなります。

物理的欠陥はより多様で、サンプルの帯電 (負または正)、後方散乱計算エラー、線量エラー、曇り (後方散乱電子の長距離反射)、ガス放出、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ーの書き込み時間は 1 日を超えることが多いため、「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、欠陥が発生する可能性が高くなります。

フォトマスクの欠陥は、主にパターン定義に使用される電子ビームリソグラフィー中に発生します。

入射ビーム内の一次電子は、物質に入ると非弾性散乱または他の電子との衝突によりエネルギーを失います。このような衝突では、入射電子から原子電子への運動量の移動は^[10] で表すことができます。ここで、bは電子間の最接近距離、vは入射電子の速度です。衝突によって伝達されるエネルギーは で与えられます。ここで、mは電子の質量、E は入射電子エネルギーで、 で与えられます。最低結合エネルギーE ₀と入射エネルギーの間のTのすべての値にわたって積分すると、衝突の全断面積は入射エネルギー に反比例し、1/E ₀ – 1/Eに比例するという結果が得られます。一般に、E >> E ₀なので、結果は基本的に結合エネルギーに反比例します。 ${\displaystyle dp=2e^{2}/bv}$${\displaystyle T=(dp)^{2}/2m=e^{4}/Eb^{2}}$${\displaystyle E=(1/2)mv^{2}}$${\displaystyle E}$

同じ積分アプローチを2E ₀からEの範囲で使用して断面積を比較すると、入射電子の非弾性衝突の半分で運動エネルギーがE ₀を超える電子が生成されることがわかります。これらの二次電子は、元の衝突から少し離れた場所で結合を切断することができます (結合エネルギーはE ₀ )。さらに、より低エネルギーの電子をさらに生成して、電子カスケードを引き起こすこともあります。したがって、エネルギー付与の広がりに対する二次電子の重要な寄与を認識することが重要です。

一般的に、分子ABの場合: ^[11]

e ⁻ + AB → AB ⁻ → A + B ⁻

この反応は「電子付着」または「解離性電子付着」としても知られ、電子が本質的に減速して停止した後に最も起こりやすい。なぜなら、その時点で電子を捕獲するのが最も簡単だからである。電子付着の断面積は、高エネルギーでは電子エネルギーに反比例するが、ゼロエネルギーでは最大限界値に近づく。^[12]一方、最低エネルギー（解離性付着が顕著な数eVから数eV以下）での平均自由行程は10nmをはるかに超えることが既に知られており、^{[13] [14]}そのため、このスケールで一貫して解像度を達成する能力が制限される。

今日の電子光学では、電子ビームの幅は通常、数ナノメートルまで狭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、特徴の解像度の限界はビームサイズではなく、レジスト内での前方散乱（または有効ビーム広がり）によって決まり、ピッチの解像度の限界はレジスト内での二次電子の移動によって決まります。^{[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ーを使用したダブルパターニングの2007年のデモンストレーション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の散乱のため、30 nmの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と、特徴間の間隔を十分に広くして、二次電子の散乱を大幅に減らすことができます。

前方散乱は、高エネルギー電子やより薄いレジストを使用することで減少させることができますが、二次電子の発生は避けられません。現在では、PMMAなどの絶縁材料では、低エネルギー電子がかなりの距離（数nmの可能性あり）を移動できることが認識されています。これは、イオン化ポテンシャル以下では、エネルギー損失のメカニズムが主にフォノンとポーラロンのみによるためです。ポーラロン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まで広がることがあります。^[19]二次電子の移動距離は、根本的に導き出された物理的値ではなく、多くの実験やモンテカルロシミュレーションから1 eV未満まで決定される統計パラメータです。二次電子のエネルギー分布は10 eVをはるかに下回る値でピークに達するため、これが必要です。^[20]したがって、解像度の限界は、光学回折限界システムの場合のように、十分に固定された数値として引用されることはありません。^[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が必要になることが多い。

2013年のEUVLワークショップで発表されたナノスケール科学工学部（CNSE）の研究では、電子ぼかしの尺度として、50～100 eVの電子はPMMAまたは市販のレジストの10 nmのレジスト厚を超えて容易に浸透することが示されています。さらに、絶縁破壊放電も可能です。^[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）で浸透する可能性があり、20 nm未満のハーフピッチ電子ビームリソグラフィーではすでにダブルパターニングが必要である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は、約20nmの解像度を達成している。^{[24] [25]}

二次電子の生成に加えて、レジストを貫通するのに十分なエネルギーを持つ入射ビームからの一次電子は、下層のフィルムや基板から遠く離れた場所まで多重散乱される可能性があります。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ます。レジストが厚い場合、一次電子が前方に移動するにつれて、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。一次電子は 90 度を超える角度で散乱される場合もあります。つまり、レジスト内にそれ以上進まなくなります。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。後方散乱電子の量が十分大きいと、ビームスポットで定義された領域よりもはるかに広い領域でレジストが完全に露光される可能性があります。

電子ビームリソグラフィーで生成される最小の特徴は、一般的に孤立した特徴である。なぜなら、ネストされた特徴は近接効果を悪化させるからである。近接効果とは、隣接する領域の露光からの電子が現在描画されている特徴の露光に溢れ出し、そのイメージを効果的に拡大し、コントラスト、すなわち最大強度と最小強度の差を減少させるものである。したがって、ネストされた特徴の解像度は制御が困難である。ほとんどのレジストでは、25 nmのラインとスペースを下回ることは困難であり、20 nmのラインとスペースが限界であることがわかっている。^[26]しかし、実際には、二次電子の散乱範囲はかなり広く、時には100 nmを超えるが^[27]、30 nmを下回ると非常に顕著になる。^[28]

近接効果は、二次電子がレジストの上面から出て数十ナノメートル離れたところに戻ってくることでも現れる。^[29]

近接効果（電子散乱による）は、逆問題を解き、散乱分布点広がり関数PSF(x,y)を畳み込んだときに、望ましい線量D(x,y)に可能な限り近い線量分布をもたらす露光関数 E(x,y) を計算することによって対処できます。ただし、適用された線量の誤差（ショットノイズなど）により、近接効果補正が失敗する可能性があることを覚えておく必要があります。

電子は荷電粒子であるため、すぐに接地経路にアクセスできない限り、基板を負に帯電する傾向があります。シリコン ウェーハに入射する高エネルギー ビームの場合、事実上すべての電子はウェーハ内で停止し、接地経路をたどることができます。ただし、フォトマスクなどの石英基板の場合、埋め込まれた電子が接地に移動するには、はるかに長い時間がかかります。多くの場合、基板が獲得した負電荷は、真空への二次電子放出により表面が正電荷になることで相殺されるか、またはそれを超えることがあります。レジストの上または下に薄い導電層が存在することは、高エネルギー (50 keV 以上) の電子ビームでは通常、ほとんどの電子がその層を通過して基板に入るため、あまり役に立ちません。電荷消散層は、レジストが薄く、ほとんどの電子がレジスト内で停止するか、導電層の近くで停止するため、通常、10 keV 前後またはそれ以下でのみ役立ちます。ただし、シート抵抗が高いため、接地が効果的でない可能性があるため、用途が限られます。

帯電に寄与する低エネルギー二次電子（レジスト基板システムにおける自由電子集団の最大の構成要素）の範囲は固定数ではなく、0 から最大 50 nm まで変化する可能性があります（「新境地と極端紫外線リソグラフィー」のセクションを参照）。したがって、レジスト基板の帯電は再現性がなく、一貫して補正することが困難です。負の帯電は電子ビームを帯電領域から遠ざけ、正の帯電は電子ビームを帯電領域に向けます。

切断効率は一般に架橋効率よりも一桁高いため、ポジ型電子線リソグラフィーに使用されるほとんどのポリマーは、ポジ型露光でポリマーを切断するのに使用される線量よりも一桁高い線量で架橋（したがってネガ型になる）する。PMMAの場合、1000 μC/cm ²を超える電子の露光では、グラデーション曲線は「通常の」ポジ型プロセスの曲線に対応する。2000 μC/cm ²を超えると、再結合架橋プロセスが優勢になり、約7000 μC/cm ²で層は完全に架橋され、層は露光されていない最初の層よりも不溶性になる。ネガティブPMMA構造を使用する場合は、ポジ型プロセスよりも強力な現像液が必要である。^[30]ショットノイズ効果を回避するために、このような大きな線量増加が必要になる場合がある。^{[31] [32] [33]}

海軍研究所^[34]で行われた研究では、低エネルギー（10～50eV）の電子が厚さ約30nmのPMMAフィルムに損傷を与える可能性があることが示されました。損傷は材料の損失として現れました。

• 一般的な電子ビームレジストZEP-520では、厚さやビームエネルギーに関係なく、ピッチ解像度の限界は60nm（30nmの線とスペース）であることがわかりました。^[35]
• 3nm 100keV電子ビームとPMMAレジストを使用することで、20nmの解像度も実証されています。^[36]露光された線の間にある20nmの未露光のギャップは、二次電子による意図しない露光を示しています。
• 水素シルセスキオキサン（HSQ）は、非常に薄い層に孤立した2nm幅の線と10nm周期のドットアレイ（10nmピッチ）を形成できるネガ型レジストです。^{[37] HSQ自体は多孔質の水素化SiO} ₂に似ています。シリコンのエッチングには使用できますが、二酸化ケイ素やその他の同様の誘電体には使用できません。

2018年には、ネイティブな反応性表面基を特徴とするチオール-エンレジストが開発され、これによりレジスト表面を生体分子で直接機能化することが可能になった。^[38]

二次電子の発生を回避するには、レジストを露光するための一次放射線として低エネルギー電子を使用することが必須となる。理想的には、これらの電子は、十分な余剰エネルギーを持たないため、二次電子を生成せずにレジストを露光するために、数eVを少し超える程度のエネルギーを持つべきである。このような露光は、電子ビーム源として走査トンネル顕微鏡を使用して実証されている。 ^[39]データによると、12 eV ほどの低エネルギーの電子でも 50 nm 厚のポリマー レジストを貫通できる。低エネルギー電子を使用することの欠点は、レジスト内での電子ビームの拡散を防ぐのが難しいことである。^[40]低エネルギー電子光学系は、高解像度用に設計することも難しい。^[41]クーロン電子間反発は、電子エネルギーが低いほど常に激しくなる。

電子ビームリソグラフィーのもう一つの代替手段は、極めて高い電子エネルギー（少なくとも100 keV）を使用して、本質的に材料を「ドリル」またはスパッタリングすることです。この現象は、透過型電子顕微鏡で頻繁に観察されています。^[42]しかし、これは、電子ビームから材料への運動量の伝達が非効率的であるため、非常に非効率的なプロセスです。その結果、これは遅いプロセスであり、従来の電子ビームリソグラフィーよりもはるかに長い露光時間が必要です。また、高エネルギービームは常に基板の損傷の懸念を引き起こします。

電子ビームを使用した干渉リソグラフィーは、ナノメートル スケールの周期を持つアレイをパターン化するもう 1 つの方法です。干渉法で光子ではなく電子を使用する主な利点は、同じエネルギーに対して波長がはるかに短いことです。

電子ビームリソグラフィーは、さまざまなエネルギーでさまざまな複雑さと微妙さを伴いますが、最大のエネルギーを最小の領域に集中させる最も実用的な方法です。

スループットを向上させるために、リソグラフィーへの複数の電子ビームアプローチの開発に大きな関心が寄せられています。この研究は、SEMATECHやMultibeam Corporation、^[43]、 Mapper ^{[44] 、IMS [ 45]}などの新興企業によってサポートされています。IMS Nanofabricationは、マルチビームマスクライターを商品化し、2016年に展開を開始しました。^[46]

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