Electron Beam Lithography e le
sue applicazioni
A.A. 2010 - 2011
RIPARTIZIONE IV STUDENTI
SETTORE PROGRAMMI INTERNAZIONALI
Laurea in Ingegneria delle Nanotecnologie
Esame: Microscopie e Tecniche di Nanocaratterizzazione
Docente: Marco Rossi
Studente: Stefano Gay
SOMMARIO
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Introduzione
Caratteristiche Generali
Tecniche EBL
Tecniche Litografiche per la Micro/Nano Tecnologia
Interfacciamento EBL/PC
Esempi di Applicazioni
Bibliografia e link utili
Sommario
Pagina 2
INTRODUZIONE
Introduzione
Pagina 3
Obiettivi
 Obiettivi:
1. Creare strutture di spessore anche 1/100 della lunghezza d’onda della luce
visibile, migliorando lo stato dell’arte ottenibile con la fotolitografia
2. Mantenere sugli standard attuali la produttività
3. Abbassare possibilmente tempi e costi
 Idea: utilizzo di una lunghezza d’onda molto inferiore rispetto a quella usata
oggi in litografia: sfruttare gli elettroni al posto dei fotoni
 Chiave del problema/soluzione: Gli elettroni sono particelle cariche con poca
massa!
Introduzione
Pagina 4
Obiettivi
 L’E-beam lithography è una tecnica litografica dove per impressionare un
film di resist questo viene esposto a un sottile fascio di elettroni con
determinata energia.
 Gli elettroni avviano una serie di reazioni chimiche all’interno del resist
(esattamente come avviene oggi nella fotolitografia attraverso i fotoni) che
ne modificano le proprietà chimiche, permettendo un etching selettivo delle
parti esposte o non esposte (resist positivo o negativo)
Introduzione
Pagina 5
Gli elettroni sono particelle cariche con poca massa!
• Pregi:
–
–
–
–
l’alto rapporto carica/massa permette di
focalizzarli con modesti campi elettrici e
magnetici
Possono penetrare sottili layer di materiale
senza rovinare il reticolo atomico (molto più
pesante) o lasciare sulla superficie elementi
indesiderati
L’elettrone arriva sulla superficie, deposita la
propria energia, e si allontana verso zone a
potenziale più positivo del wafer, lasciando una
superficie esposta ma per il resto imperturbata
La lunghezza d’onda nella litografia ottica (UV)
usata correntemente è tipicamente 193-436 nm
mentre quella di un elettrone a 100 keV è circa
4 pm, e permette quindi una risoluzione molto
superiore
Pagina scritta in un quadrato di
6 µm tramite EBL [5]
Introduzione
Pagina 6
Gli elettroni sono particelle cariche con poca massa!
• Difetti:
–
–
–
–
Avendo gli elettroni una massa molto bassa è
necessario lavorare in vuoto per evitare lo
scattering causato dai gas presenti in aria
Inoltre bisogna evitare qualsiasi tipo di disturbo
elettromagnetico all’interno della camera che
piegherebbe il fascio verso direzione indesiderate
È possibile usare solo lenti elettrostatiche o
magnetiche a causa della diffrazione che
causerebbe il passaggio attraverso un solido (ad
esempio vetro)
Gli elettroni sono sottoposti a scattering (elastico
o inelastico) quando entrano nel resist o nel
substrato, che causa un’esposizione del resist
ben oltre le parti dove il raggio incide
Introduzione
Pagina 7
CARATTERISTICHE GENERALI
Caratteristiche generali
Pagina 8
Sorgenti elettroniche
• Emettitori a effetto termoionico, a effetto di campo a freddo (CFE) e Schottky gun
1. Per modellare le sorgenti termoioniche si può utilizzare l’equazione di Richardson
Con EA funzione lavoro; come si vede convengono punte con
bassa funzione lavoro e alta temperatura di fusione
2. Per le sorgenti di tipo field emission si usa il modello di Fowler-Nordheim dove
l’equazione può essere scritta, in forma generale come
[2]
L’emissione è indipendente dalla temperatura, richiede un alto vuoto, le punte hanno
lunga vita e ottime prestazioni
3. Gli emettitori Schottky hanno una funzione lavoro che dipende sia dal campo applicato
che dalla temperatura. Il catodo può essere modellato in modo simile alle sorgenti
termoioniche considerando l’abbassamento ∆W della barriera di potenziale dovuta al
campo applicato
Con F dimensione della punta, W funzione lavoro, ε
costante dielettrica nel vuoto [1]. Possono produrre
correnti superiori comparati ai sistemi FEG.
Caratteristiche generali
Pagina 9
Beam Blanker
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•
È un bias DC (42V tra due elettrodi piani paralleli) perpendicolare alla direzione del
fascio elettronico, in modo che gli elettroni siano deviati dall’asse e quindi “bloccati”
dall’apertura sottostante.
Il fascio deve essere bloccato per non esporre il resist durante il movimento verso la
zona successiva del pattern
Non tutti gli EBL dispongono di questo stage, in questo caso il fascio viene
semplicemente diretto verso una zona “neutra” del campione (dove non ha importanza
se e quanto il wafer viene esposto)
I moderni blanker lavorano con un tempo di switch intorno ai 50 ns e sono ottimizzati
per ottimizzare l’efficienza con beam tra 1 e 40 kV [20]
Caratteristiche generali
Pagina 10
Ottiche elettroniche avanzate
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Gli elettrodi di allineamento permettono di piegare e
ruotare il fascio lungo l’asse della colonna
Il condensatore di zoom permette all’utente di
cambiare la corrente del fascio senza modificare il
piano focale
Lo stigmatore aiuta a correggere le asimmetrie delle
lenti elettroniche
Il focus e lo stigmatore dinamici permettono
correzioni real time
Il deflettore, costituito da più stage, con 2 digital to
analog converter uno ottimizzato per indirizzi a
pochi bit (per il sub field), uno per il main field con
un indirizzamento più ampio.
Le ottiche elettroniche permettono all’EBL di
scrivere aree di circa 2 mm. I pattern maggiori
richiedono parti meccaniche (per spostare il fascio)
e un controllo per far si che i vari pattern siano
allineati. Il controllo accurato viene fatto tramite
interferometro laser che risolve cambiamenti di
posizione fino a 0.3-0.6 nm [3]
Caratteristiche generali
Pagina 11
Effetto di prossimità
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•
•
Gli elettroni soffrono due scattering, elastico
(back-scattering) e inelastico (forwardscattering)
Questo dipende in misura importante
dall’energia dell’elettrone all’arrivo sulla
superficie del campione
Per energie molto basse lo scattering è molto
elevato e l’elettrone poco penetrante
Aumentando l’energia la traiettoria
dell’elettrone risulta più lineare e l’elettrone
penetra molto più in profondità
Per campi molto elevati (>250 kV) il fascio può
causare danni a livello atomico al substrato.
Questo è un limite pratico all’aumento
eccessivo di campo
In figura una simulazione montecarlo delle
situazioni descritte [4]
Caratteristiche generali
Pagina 12
Effetto di prossimità
•
Distribuzione dell’energia di un fascio di
elettroni incidente (con r distanza radiale dal
punto di incisione, a e b costanti di profondita
del forward e back scattering e n la frazione
dell’energia totale che subisce backscattering)
[6]
•
Modello approssimato per il forward scattering
con σ e t entrambi misurati in micron e E in
keV.
•
Nb: A causa del forward scattering è
necessario un resist sottile e elettroni a alta
energia
In figura una simulazione montecarlo delle
situazioni descritte [4]
Caratteristiche generali
Pagina 13
PMMA
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Il Polymethyl methacrylato (PMMA (C5O2H8)n) è lo
standard resist di tipo positivo usato nella EBL
Commercialmente in vendita disciolto in un solvente tipo
clorobenzene o anisole (meno velenoso)
È un materiale plastico formato da polimeri del
metacrilato di metile, estere dell'acido metacrilico
Permette elevata risoluzione con l’EBL
È un resist di tipo positivo, ma può essere usato come
negativo aumentando le dosi di esposizione [7]
Ha bassa sensitività e bassa resistenza a etching di tipo
secco (es RIE)
Ha inoltre un’ottima compatibilità e aderenza con quasi
qualunque tipo di superficie, e una volta aderito rimane
sul campione fintanto che non viene rimosso
Non è sensibile alla luce bianca
Permette risultati ben riproducibili
L’esposizione al fascio elettronico rompe il polimero in
segmenti come si vede in figura
Caratteristiche generali
Pagina 14
Gaussian round e variable shaped beam
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Due sono le geometrie di fascio più comunemente usate: Gaussian round
beam e variable-shaped beam
Gaussian round beam
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–
–
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Simmetria circolare
L’intensità è approssimabile a una distribuzione gaussiana
Necessita una dimensione molto inferiore alla risoluzione richiesta, in particolare sugli angoli
di figure rettangolari
Essendo in genere di diametro molto piccolo è utilizzato quando si necessita di alta
risoluzione
Variable-shaped beam
–
–
–
–
Forma generalmente rettangolare
Ideale per disegnare spigoli e angoli rettangolari.
Fasci di dimensioni più ampia rispetto alla prima tipologia
Maggiore Throughput
Caratteristiche generali
Pagina 15
Sistemi Raster e Vector
•
2 possibili approcci allo scanning: Raster e Vector
•
Raster
–
–
•
Viene fatto scorrere lo scan su e giù lungo tutta la maschera (parti bianche comprese) e dei
controlli elettronici accendono e spengono il fascio
È stata la prima tecnica a essere sviluppata, ed è più semplice da realizzare a livello software
Vector
–
–
–
Il fascio è diretto solo sulle aree da esporre
Viene scannerizzata un’area molto minore, quindi vengono impiegati tempi inferiori
È la tecnica oggi più usata
Schema di sistema raster (b) e vector (c)
Caratteristiche generali
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Implementare un sistema Vector
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Modifica di un SEM per ottenere un sistema di EBL con Vector
Scanning
L’elemento fondamentale sono i DACs (digital to analog converter),
che vanno in genere da 12 a 16 bit, usati per guidare le bobine per lo
scan dell’apparecchio
Il fascio viene acceso e spento tramite un blanker elettrostatico o
magnetico
In figura vediamo un tipico schema della tecnica Vector:
–
–
–
–
–
•
Il pattern viene scritto tramite raster in una singola zona
Il fascio viene spento
Tramite schede dedicate (anche se recentemente si affermano sempre di più i sistemi
software, grazie all’aumento delle prestazioni dei PC [21]) vengono calcolate le
coordinate della zona successiva da lavorare, e inviate al DAC
Si sposta il campione tramite un vettore verso una seconda zona da scrivere
Il fascio viene riacceso e si stampa una seconda parte di pattern
In genere si usano due tipi di DAC:
–
–
Uno a 16 bit che dirige il fascio tra una zona e l’altra
Uno a 12 bit che dirige il fascio all’interno di una singola zona. Da notare che quest’ultimo
è ovviamente molto più veloce del precedente [13]
Caratteristiche generali
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Un esempio: l’NPGS
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La conversione del SEM realizzata società J.C.NABITY si basa su una scheda a 16 bit usata
per generare la deviazione del fascio lungo x e y, e per controllare una seconda scheda per
l’accensione/spegnimento del fascio. La scheda è guidata via software tramite un sistema
Windows
La particolarità di questo sistema è che il raster può essere interamente definito dall’utente,
permettendo di stampare lungo linee ad esempio parallele al lato di un poligono
È possibile lavorare anche in coordinate polari
L’allineamento viene fatto calcolando la correlazione tra il marker misurato e mark pattern
definito dall’utente, ed è quindi completamente automatizzato
È possibile importare formati GDSII, CIF e vari DXF (file CAD) [13, 21]
Caratteristiche generali
Pagina 18
Il movimento del fascio
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Il fascio viene mosso tramite una combinazione di deflettori elettromagnetici
e meccanici
I primi possono muovere il fascio fino a circa 1 mm di distanza
Le parti meccaniche spostano il fascio per distanze superiori
Se il set up non è corretto possono causarsi errori visibili in figura
Due tipologie di errore
Patterning di una maschera
Caratteristiche generali
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Noise Problem
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La frequenza della linea che alimenta il microscopio è il problema principale sentito dal
microscopio/EBL
Tipiche interferenze sono quelle causate da disturbi sulla linea elettrica, ma anche luci a
fluorescenza, frequenza di refresh dei monitor PC, e altri apparati elettrici
Le soluzioni sono, oltre a spostare la sorgente del problema ove possibile, schermare
l’apparecchio con schermature passive per la frequenza problematica, o installare una
schermatura magnetica attiva per compensare il campo indesiderato
L’analisi delle frequenze presenti per localizzare la sorgente può essere fatta con un digital gauss
meter
Anche il rumore acustico può essere in alcuni casi problematico, soprattutto quando si lavora a
bassa velocità di scan e alte risoluzioni
La soluzione è porre lo strumento in camera ragionevolmente silenziosa e in caso ricoprire le pareti
della camera (o circondare lo strumento) con pannelli fonoassorbenti (ad es neoprene)[21]
Caratteristiche generali
Pagina 20
Costi
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EBL è attraente per prodotti con basso volume di produzione
Le maschere, usate ad esempio per la fotolitografia, la tecnica più usata attualmente,
hanno costi e tempi elevati che incidono pesantemente sul costo finale dei prodotti
con basso volume di produzione (<1000 wafers/set di maschere)
Per questo tipo di prodotti l’EBL essendo una litografia a scrittura diretta appare
l’ideale
Di contro non è performante se il volume di produzione è elevato. La fotolitografia
infatti riesce a trasferire contemporaneamente ampie parti di maschera in parallelo,
mentre l’EBL è un processo, per così dire, in serie
Un esempio: considerando una tecnologia a 22nm lavorata con tecnica raster per far
si che le linee siano tutte visibili, occorre che i pixel con cui si lavora abbiano
dimensioni non superiori a 11x11nm, che significano 8.26x10^11 pixel in un quadrato
di un centimetro. Scrivendo alla velocità di un miliardo di pixel al secondo per scrivere
completamente un singolo wafer da 300 mm di diametro ci vorrebbe circa una
settimana [6]
Caratteristiche generali
Pagina 21
Le opportunità per l’industria dei semiconduttori
•
La litografia oggi incide circa il 40% sui costi dei prodotti di nuova generazione con
half pitch a 130 nm. Questo è causato sia dagli espositori legati alla lunghezza d’onda,
che divengono a ogni passo esponenzialmente più complessi, e quindi costosi, sia
all’aumento di tempo di produzione e costo delle maschere. Le figure in basso
mostrano proprio questo trend, illustrando che prezzo e tempi delle maschere si sono
moltiplicati di un fattore 4.2 e 6 dalla generazione a half pitch 150 verso quella a 60
nm
•
Prendendo in considerazione produzione e costi è possibile fare una stima. In tabella
è presentato un caso di esempio usando EBL (ML2, “maskless”) per tecnologia a 45
nm.
Caratteristiche generali
Pagina 22
Le opportunità per l’industria dei semiconduttori
•
Si prevede l’uso dell’EBL solo per i pattern critici, ed è limitato solo a un 10% della
capacità della fab per applicazione di prototipo. Basandosi su queste ipotesi in figura
vediamo i costi per wafer in funzione del numero di prototipi iniziati a settimana.
•
Fino al 66% dei costi di litografia possono essere risparmiati. A destra la riduzione dei
costi con l’EBL rispetto al risparmio su varie maschere. Aumentando il budget previsto
per le maschere, la tecnica diventa più attrattiva. Questo vale soprattutto nei primi
anni di un nuovo passo tecnologico dove le maschere sono più costose.
•
Simili studi sono stati condotti e pubblicati negli ultimi anni da diverse organizzazioni e
compagnie [16,17], con conclusioni molto simili a quelle presentate, confermando che
questa litografia non è più solo una soluzione da “Ricerca e Sviluppo”, ma anche
un’opzione economica per il mercato dei semiconduttori [15]
Caratteristiche generali
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TECNICHE EBL
Tecniche EBL
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Tecniche EBL
Per risolvere il problema del basso throughput, e quindi dei costi. Oltre alla scrittura
tramite singolo fascio, vista finora, sono stati considerati altri approcci che
implementano un certo livello di parallelismo:
1. Scrittura diretta con fasci multipli
2. Projection cell lithography
3. Scattering-mask electron-projection lithography
Tecniche EBL
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Sistemi Multi Fascio
L’idea è quella di lavorare con più fasci in parallelo per aumentare la produzione
Due tipologie:
1. Fasci multipli
I fasci sono proiettati lungo una singola colonna. Una matrice è usata per generare fasci
separati
Per evitare un eccessivo riscaldamento della matrice gli elettroni che arrivano sul piatto
hanno energia inferiore rispetto a quella con cui arriveranno sui wafer
Tecniche EBL
Pagina 26
Sistemi Multi Fascio
2. Fasci separati usando una serie di aperture per formare singoli fasci uniformi e
collimati
Una matrice di deflettori è usata per bloccare selettivamente il fascio
Per minimizzare il riscaldamento del wafer si usando fasci di elettroni da 5keV
generalmente, che portano però un notevole forward scattering a meno di usare strati
di fotoresist molto sottoili
Per raggiungere una produzione di oltre 10 wafer l’ora sono stati proposti sistemi di
questo tipo con 10000 fasci, che implementano anche la ridondanza in caso che
alcuni raggi non funzionino correttamente.
Tecniche EBL
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Sistemi Multi Fascio
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•
•
Uno dei problemi nell’uso delle tecnologie multifascio è l’aumento della temperatura
sul wafer, che risulta in un aumento di espansione termica del wafer stesso, creando
errori di scrittura
La temperatura aumenta di un ΔT su un’area A di Silicio esposta per un tempo t con
una legge del tipo
Con h spessore del wafer, ρ e c densità e calore specifico del Silicio e P il flusso di
potenza sulla sezione esposta (l’energia che non viene portata via sotto forma di
calore)
In figura vediamo l’analisi di due casi limite: substrato in Silicio completamente isolato
termicamente e substrato sempre in Silicio al di sotto del quale il calore viene
trasportato via istantaneamente
Ovviamente è possibile, almeno in parte,
compensare questo problema tramite
opportuno apparato software che faccia
deflettere il raggio opportunamente
Tecniche EBL
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Cell Projection Lithography
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•
•
•
Un secondo modo di diminuire i tempi di processo è quello di usare delle maschere
Il fascio è nell’ordine dei µm (5X5 ad esempio)
Si aumenta la produzione di un fattore oltre 2500
La maschera viene posta sull’apertura più vicina al campione
Tramite le ottiche elettroniche è possibile anche ridurre la dimensione del pattern
rispetto alla maschera usata
È una tecnica particolarmente usata quando si hanno molte parti ripetitive ad esempio
nelle celle di memoria
Questa tecnica ha le potenzialità di aumentare il throughput fino al limite del
riscaldamento del wafer come discusso in precedenza
Tecniche EBL
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Scattering mask electron projection
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Uno dei problemi della tecnica cell projection è il limite della dimensione del fascio.
Aumentando le dimensioni infatti aumenta la superficie esposta, mentre non varia
l’energia con cui gli elettroni devono arrivare sul wafer. Di conseguenza una quantità
di energia sempre più elevata arriva e viene trattenuta sulla maschera causandone il
riscaldamento
Questa tecnica propone una soluzione al problema
Quasi tutti gli elettroni passano attraverso la maschera
Invece di essere assorbiti, nelle zone dove la maschera non deve lasciar passare
elettroni, gli elettroni subiscono lo scattering da materiali con alto numero atomico
come il tungsteno, il tantalio ecc
Sul piano focale dove si trova l’apertura, alcuni
elettroni passano e arrivano sul substrato, ma solo
una piccola frazione degli elettroni iniziali
Nelle regioni dove la maschera è “aperta” gli
elettroni passano praticamente senza scattering
Tecniche EBL
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INTERFACCIAMENTO EBL/PC
Interfacciamento EBL/PC
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Realizzazione di un sistema software per allineamento
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•
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È possibile modificare un SEM (Scanning Electron Microscope) per usarlo anche
come EBL
Lo strumento è così in grado sia di fabbricare i dispositivi sia di ispezionarli
Particolarmente importante è lo stage da aggiungere al microscopio per l’allineamento
alla nanoscala. Questo si compone di un PC e un DSP (processatore di segnali
digitali) in modo da far interagire il software direttamente con routines dedicate per il
DSP, implementando diverse funzioni per la fotografia e la litografia
Inoltre sono necessari convertitori Analogico/Digitale e Digitale/Analogico per
processare i dati I/O tra PC e SEM, e amplificatori per il segnale
Lo stage di allineamento controlla sia i movimenti dello stage che la direzione del
fascio:
–
–
–
l’allineamento comincia muovendo lo stage sul campione
Lo strumento acquisisce l’immagine e la compara con un’immagine acquisita precedentemente usando una
crosscorrelazione per determinare l’offset relativo tra le due immagini, in base al quale viene regolata l’ottica
elettronica
Per minimizzare la dose a cui è esposto il resist l’allineamento viene fatto campionando il campione con una
matrice sparsa di numeri
Interfacciamento EBL/PC
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Realizzazione di un sistema software per allineamento
Alcuni dispositivi
realizzati
•
•
•
•
Lo strumento realizza sia spessori che allineamento con accuratezza nanometrica
Questo sistema compensa agli errori nel posizionamento dello stage, evitando la
necessità di stage costosi
Evita, ovviamente, errori causati dalle tolleranze delle maschere, in quanto non sono
presenti
Usando l’immagine del campione stesso per allineare, non servono ulteriori marks per
l’allineamento come nella fotolitografia [12]
Interfacciamento EBL/PC
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Acquisizione immagine e controllo scan digitale
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1.
2.
3.
4.
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Un’altra idea interessante è quella di utilizzare un microcontroller per controllare automaticamente
un sistema SEM/EBL tramite PC
Vediamo i problemi:
I vecchi SEM acquisivano e inviavano i dati in analogico piuttosto che in digitale
Il controllo della direzione del fascio
L’integrazione con il PC che sia il più possibile versatile
Costi ridotti mantenendo performance elevate
Il sistema proposto prevede un interconnessione tramite porta USB, ormai uno standard sui PC
Tra PC e SEM vi è un’interface unit (IU) che permette le conversioni Analogico/Digitale
Tutte le funzionalità critiche a livello di tempo (es i tempi di esposizione) sono attuate dal software
del microcontroller che garantisce il corretto
funzionamento
Interfacciamento EBL/PC
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Acquisizione immagine e controllo scan digitale
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Il cuore dell’unità è il data acquisition system ADuC912 (Analog Device) a 12 bit che incorpora un
ADC (convertitore Analogico/Digitale) a 8 canali, un doppio DAC, un instruction set a 8 bit e una
memoria da 8kb Flash/EE, oltre a vari altri blocchi funzionali
8 canali dell’ADC vengono usati per l’input del SEM
2 DAC per controllare nelle due direzioni x e y il fascio elettronico
32 kb di memoria addizionale sono usati per il buffering delle coordinate x e y per la posizione del
fascio e per il tempo di stazionamento del fascio sul campione (ad es il tempo di esposizione
nell’EBL)
È necessario un condizionamento dei segnali analogici perché l’ADC input voltage (nel range di 0 :
2.5V) sia compatibile con il range dei segnali del detector (-12V : +12V nel caso specifico, ma
dipende ovviamente dal SEM usato); stessa cosa per il segnale di output del DAC.Questo compito
viene delegato a circuiti amplificatori come in figura a) e b)
A destra lo schema circuitale della IU
Interfacciamento EBL/PC
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Acquisizione immagine e controllo scan digitale
•
•
•
La parte software comprende due parti: un applicazione per PC e un programma a basso livello
integrato su microcontroller che comunica tramite USB
I compiti con criticità temporali sono tutti gestiti da questo secondo software, mentre i controlli a
alto livello e l’interfaccia con l’utente è gestita dall’applicazione PC
Il programma per microcontroller è scritto in assembler e permette diverse modalità di utilizzo:
–
–
–
–
•
•
•
•
Single point mode, viene posizionato il fascio in un punto e inviata l’informazione al pc tramite un singolo canale
Fast raster scan mode, per osservazioni rapide e a bassa risoluzione
Scan mode, risoluzione a 12 bit D/A (max 4096 x 4096 in D/A units) con parametri l’angolo in alto a sinistra e in basso a destra della
zona da analizzare
EBL mode, con parametri la posizione del beam (2 x 12 bit) il tempo di pausa sul punto (16 bit) e i bit di controllo (8 bit); totale 6
bytes per punto. Il microcontroller legge uno dopo l’altro i dati su RAM e attua l’azione corrispondente. L’ultimo bit è da
implementare per lo switch on/off del fascio
La comunicazione dei dati con il PC avviene ancora una volta tramite USB attraverso driver free
(D2XX) che permette di scrivere in diversi linguaggi di programmazione come C, Delphi, Visual
Basic, ecc, per diversi sistemi operativi (Windows, Linux, Mac, ecc), garantendo ampia versatilità
L’applicazione non richiede un numero elevato di risporse (2GHz/256MB PC)
I dati acquisiti tramite microscopio (12-bit per pixel) possono essere convertiti praticamente in ogni
formato immagine, mentre i file per EBL possono essere CAD ma anche semplici BMP con
intensità di pixel usata per controllare il tempo di esposizione.
Per evitare perdita di informazione nella conversione da 12 bit RAW data verso BMP o JPG a 8 bit
ogni intensità di pixel viene trasformata come segue (con floor intero più vicino a x < di x) [14]
Interfacciamento EBL/PC
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Acquisizione immagine e controllo scan digitale
Interfacciamento EBL/PC
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TECNICHE LITOGRAFICHE PER LA
MICRO/NANO TECNOLOGIA
Tecniche Litografiche per la Micro/Nano
Tecnologia
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Fotolitografia
•
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•
•
E’ la tecnica oggi più comunemente usata
Utilizza la luce per trasferire un pattern da una maschera su un prodotto chimico
sensibile alla luce (fotoresist)
Una volta rimosso il resist (impressionato o non impressionato a seconda del tipo
positivo o negativo) il pattern viene trasferito sul substrato
In generale segue i passi in tabella:
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–
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–
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Pregi:
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•
Viene depositato uno strato omogeneo di resist
Tramite riscaldamento viene fatto evaporare il solvente presente nel resist
Tramite un espositore il resist viene esposto a luce in genere ultravioletta
Più stretta è la lunghezza d’onda usata, maggiore sarà la risoluzione
Infine il resist viene rimosso tramite uno sviluppo specifico
Alta produzione (anche 180 wafer all’ora)
Alta versatilità
Possibilità di ridurre le dimensioni del pattern da trasferire tramite
l’ottica
Difetti
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–
–
Limiti di risoluzione legati alla lunghezza d’onda usata
Costi aggiuntivi dovuti alle maschere
Difficile ottenere bordi ben definiti
Tecniche Litografiche per la Micro/Nano
Tecnologia
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Extreme Ultraviolet Lithography
•
•
•
•
Per scendere sotto la lunghezza d’onda della luce visibile si può usare l’alto UV
Le sorgenti per queste lunghezze d’onda sono tuttora un problema. Si va dai
Sincrotroni, che però non rendono un sufficiente ammontare energetico per
un’industria a alto volume di produzione (rimanendo a costi contenuti) oppure sorgenti
più compatte come le sorgenti al plasma LPP
Queste ultime sono concettualmente laser pulsati a alta intensità focalizzati su un
materiale che creano un plasma contenente ioni fortemente carichi. Quando gli
elettroni si ricombinano con gli ioni vengono emessi fotoni ad alta energia
Pregi
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•
Risoluzione fino a 20nm
Difetti
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–
–
–
–
Per ottenere una lunghezza d’onda di 13,5 nm occorrono laser per
generare il plasma con potenza elevatissima, nell’ordine di
10^11 W/cm^2
Circa 4 wafer all’ora
Solo in vuoto e particolare attenzione all’ottica visto che ogni strato di
materiale assorbe una notevole quantità di energia (le ottiche di oggi
assorbono il 96% della luce emessa dalla sorgente)
Il plasma danneggia la parte di ottica a contatto
A causa dell’alto assorbimento del resist nell’EUV c’è un riscaldamento molto superiore della superficie
Tecniche Litografiche per la Micro/Nano
Tecnologia
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Proximity X-ray Lithography
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•
•
•
•
•
•
Questa litografia usa raggi x sempre allo scopo di utilizzare fotoni con una lunghezza
d’onda corta
Non esistono materiali usabili per costruire lenti o specchi per i raggi x quindi la
litografia è inevitabilmente 1:1
Le maschere hanno spessori < 2µm e sono formate da una membrana che sostiene il
pattern vero e proprio
Tipici materiali per le parti scure sono Carburo di Silicio e Nitruro di Silicio mentre per
le parti trasparenti TaN o Ta4B
Per anni un problema è stato la mancanza di sorgenti puntiformi di raggi e quindi il
sorgere di shift del pattern in funzione della posizione sulla maschera e della distanza
dalla sorgente
Oggi questo problema si risolve usando come sorgente di fascio un sincrotrone
Siccome oltre ai raggi x le sorgenti emettono anche a
lunghezze d’onda superiori, è necessario un filtro,
tipicamente in Berillio, che lascia passare solo
lunghezze d’onda inferiori ai 15 A
Per evitare fenomeni di diffrazione il gap tra maschera
e wafer deve essere tipicamente inferiore ai 100nm
Tecniche Litografiche per la Micro/Nano
Tecnologia
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Proximity X-ray Lithography
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Pregi:
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–
–
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Lunghezza d’onda ridotta
Possibile risoluzione intorno ai 20nm
Produzione fino a 50 wafer all’ora
Nessun bisogno di ottica
Difetti
–
–
–
Pattern solo 1:1
Maschere complicate e che necessitano di un bassissimo numero di difetti
Sorgenti costose
Tecniche Litografiche per la Micro/Nano
Tecnologia
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Ion projection
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•
•
•
•
•
L’idea di questa tecnica è usare un fascio di ioni al posto di uno elettronico
Gli ioni subiscono uno scatter inferiore rispetto agli elettroni nei solidi, e questo
significa maggiore risoluzione
Di contro, avendo massa notevolmente superiore (circa tre ordini di grandezza),
necessitano una forza molto superiore per essere accelerati
Gli ioni vengono prodotti da una sorgente e resi uniformi su tutta la maschera tramite
un sistema di lenti
L’energia del raggio è tipicamente >250keV
Le uniche maschere usabili sono a
stencil, al contrario del caso elettronico
Inoltre avendo gli ioni energia elevata
sulla maschera si deposita una grande quantità
di energia
Pregi:
–
•
Buona risoluzione e penetrazione attraverso il resist
Difetti
–
–
Alta energia richiesta per accelerare gli ioni
Riscaldamento e danneggiamento della maschera
Tecniche Litografiche per la Micro/Nano
Tecnologia
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Imprint Lithography
•
•
È una tecnica senza proiezione del pattern dalla maschera al substrato
Fondamentalmente è un processo di microstampaggio:
Una base di materiale liquido viene stesa sul wafer e il template è premuto sul liquido
per imprimere il pattern. Per far solidificare il resist si può esporre a luce ultravioletta
(SFIL) o aumentare temperatura e pressione (NIL la tecnica più usata oggi)
•
Pregi:
–
–
–
•
Risoluzione estremamente alta (strutture a 20 nm sono state realizzate con ottimo controllo sui difetti)
Costi ridotti dalla mancanza totale di ottica rispetto alle tecniche step and scan
Maschere non eccessivamente sottili (in genere in vetro rigido)
Difetti
–
–
La produzione è molto lenta rispetto alle altre tecniche a causa della natura
prettamente meccanica della tecnica
Maschere necessariamente 1X
Tecniche Litografiche per la Micro/Nano
Tecnologia
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Directed Self-Assembly
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Il principio sfruttato è quello di usare alcune molecole che tendono spontaneamente
ad assemblarsi in pattern regolari
Si basa sull’uso di catene polimeriche composte di blocchi immiscibili legati tra loro
Ad esempio un blocco può contenere Silicio mentre l’altro essere puro idrocarburo.
Tramite plasma si rimuove l’idrocarburo lasciando solo il materiale contenente Silicio
Volendo usare due idrocarburi si possono usare poliestere e polimetilmetacrilato
Per fare in modo che il processo di auto assemblamento segua un pattern
preesistente sul wafer si può stendere sul wafer un materiale che attira uno dei blocchi
Successivamente si attacca questo materiale tramite un processo litografico standard
L’uso di un film sottostante per guidare l’assemblamento viene chiamato chemical
epitaxy
È possibile creare array di forme molto diverse usando blocchi di differenti forme e
dimensioni [6]
Tecniche Litografiche per la Micro/Nano
Tecnologia
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ESEMPI DI APPLICAZIONI
Esempi di Applicazioni
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Quantum Magnetic Disk (QMD)
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In questo tipo di memorie ogni bit è rappresentato da un cilindro a singolo dominio
magnetico di dimensioni nanometriche immerso in una matrice non magnetica, su un
disco
Questa applicazione si basa su cilindri di nickel in una matrice si SiO2
È molto importante che i cilindri abbiano distanze tra loro costanti, dimensioni
assolutamente uniformi e predefinite, e soprattutto il più possibile ridotte per
aumentare la densità di bit a disposizione
I cilindri, a causa delle dimensioni nanometriche e di un alto valore di aspect ratio, si
magnetizzano in modo quantizzato lungo l’asse e hanno solo due stati stabili, uguali in
modulo ma opposti in direzione
Le dimensioni, l’aspect ratio e il materiale di cilindri e matrice ne definiscono le
proprietà magnetiche, e quindi il campo necessario da applicare per invertire (flip) lo
stato magnetico (e quindi il corrispondente bit) [7]
Esempi di Applicazioni
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Quantum Magnetic Disk (QMD)
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•
•
•
La realizzazione di questi nanopillar con diametro di 50 nm è stata possibile, almeno
inizialmente, solo attraverso l’EBL
Dopo aver evaporato su un substrato di Si
10 nm di Ti e 50 di Au e 10 di Cr (come
etch stop layer) si depositano 200nm di
SiO2 tramite PECVD
Ancora 25nm di Cr da usare come maschera
per il dry etch e 70nm di PMMA 950K
A questo punto si utilizza l’EBL per effettuare il
pattern (puntiforme) sul PMMA
Il fascio usato ha diametro di 4 nm
Si sviluppa il PMMA in cellosolve:metanolo(3:7) e si effettua l’etch finale per trasferire
il pattern sullo strato di Cr
Il PMMA si rimuove tramite plasma a ossigeno e infine si utilizza un RIE per
raggiungere le dimensioni volute dei pillar
Il Nickel riempie i pori tramite elettrodeposizione [8]
Esempi di Applicazioni
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Quantum Magnetic Disk (QMD)
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L’uso dell’EBL è fondamentale per l’alta risoluzione e bassa difettosità che permette.
Queste qualità sono infatti fondamentali per le proprietà magnetiche dei dipoli
magnetici
La densità raggiunta è 65 Gbit/in^2 (circa 10,4 Gbit/cm^2)
Lavori più recenti riportano buoni risultati usando al posto dell’EBL
la NanoImprint Lithography (figure in basso)
Il motivo è l’elevato aumento di produzione, nonostante si mantenga
un buon controllo su dimensioni e errori, avvicinando
quindi la possibilità di produrre su larga scala [9,10]
Esempi di Applicazioni
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Isole Nanometriche Semiconduttrici per SED
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Un altro recente uso della litografia EBL è nella realizzazione di nanoisole per
dispositivi a singolo elettrone (SED)
Questi dispositivi si basando sul trasferimento controllato di singoli elettroni tra isole
conduttive di dimensioni nanometriche
Dispositivi SED vengono oggi studiati per realizzare transistor, elettrometri, detector di
singolo fotone, ecc
A questa scala gli effetti di quantizzazione dell’energia aumentano di importanza,
aumentando l’energia richiesta per portare un nuovo elettrone su un’isola. La somma
dell’energia di caricamento e dell’energia cinetica quantizzata deve essere diverse
volte superiore a kT, per rendere il dispositivo poco sensibile al rumore termico (la
barriera di potenziale a queste scale è legata essenzialmente all’effetto del Coulomb
Blockade, ovvero l’aumento della resistenza differenziale per tensioni applicate
tendenti a zero)
Esempi di Applicazioni
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Isole Nanometriche Semiconduttrici per SED
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Le isole di semiconduttore vengono fabbricate su un’interfaccia cresciuta
epitassialmente di AlGaAs/AlAs/GaAs, usando un EBL a alta risoluzione e
ossidazione selettiva di livelli di AlGaAs ricchi di Al
Tramite EBL viene stampato il pattern sul substrato. L’energia di lavoro è di 2,5kV
In questo modo vengono realizzate isole e fili con dimensioni tra i 50 e i 300 nm su
PMMA
La rimozione del PMMA viene effettuata tramite wet etching facendo attenzione a non
attaccare gli strati sottostanti
Successivamente si effettua l’ossidazione selettiva in vapore d’acqua a 300°C che
selettivamente assida l’Al
La differente velocità di ossidazione per concentrazioni diverse di Al permette di
produrre isole con dimensioni inferiori a quelle dell’EBL
Si ottengono isole con un interno semiconduttivo circondato da uno strato di allumina
Esempi di Applicazioni
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Isole Nanometriche Semiconduttrici per SED
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In figura a) e b) vediamo isole puntiformi
e filiformi
In figura c) e d) vediamo due sezioni di
nanofili, dove l’area scura mostra l’area
attaccata dall’etching (la regione AlGaAs)
La selettività dell’etching, a seconda del
contenuto di Al, permette velocità anche
di 1nm/min, permettendo quindi la realizzazione
di isole di dimensioni e spessori ridotti [11]
Esempi di Applicazioni
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Realizzazione di maschere per la NIL
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La Nano Imprint Lithography si sta rivelando sempre più interessante
come tecnica litografica per sviluppare a livello industriale applicazioni
con dimensioni estremamente ridotte.
Recentemente è stato dimostrato che è possibile realizzare tramite NIL
memorie RAM con half pitch a 20 nm. L’uso della NIL rende queste
strutture già appetibili industrialmente in quanto, una volta realizzata la
maschera, è possibile realizzare una produzione massiva.
Il problema principale della NIL in particolare per strutture così ridotte è
proprio la maschera. La forma complessa di questi pattern richiede l’uso
di litografia convenzionale ed è vicino ai limiti di risoluzione dei moderni
EBL. Come resist (negativo) è necessario usare il polistirene in quanto il
PMMA non resiste altrettanto bene ai processi RIE, necessari a trasferire
la maschera sugli strati sottostanti (Cr).
Una volta preparata la maschera risulta delle dimensioni previste e
pressoché priva di difetti. può essere stampata su PMMA e curata tramite
ultravioletto per stampare il pattern su substrato. Il pattern ottenuto dopo il
processo di stampaggio (in figura) ha un’area di cella 14 volte inferiore di
quella che si realizza allo stato dell’arte con la fotolitografia [18].
Esempi di Applicazioni
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Proximity Effect Correction per realizzare nanoantenne
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L’avanzare della nanotecnologia porta alla necessità di ridurre sempre più le dimensioni
controllate. Uno degli ambiti di ricerca dove questo tema è più sentito sono i dispositivi a
nanoantenna
Questi dispositivi, ispirati alle classiche antenne a radio-frequenza, sono realizzati in dimensioni
ridotte per avere frequenze risonanti nel visibile o nell’infrarosso
Le antenne a farfalla “bow-tie” sono tra le più indicate perché sono relativamente a banda larga,
sono poco dipendenti dalla polarizzazione e permettono di inserire un rettificatore all’interno
dell’antenna stessa (diodo Metallo-Isolante-Metallo, l’elettrone passa per effetto tunnel attraverso
la giunzione rettificando l’onda elettronica)
Di contro l’architettura del dispositivo richiede grande accuratezza, in particolare la giunzione che
deve avere dimensioni < 5nm per rettificare in modo efficiente
Esempi di Applicazioni
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Proximity Effect Correction per realizzare nanoantenne
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Si sceglie di utilizzare un Proximity Effect Correction PEC basandosi sulla modulazione del fascio
per migliorare la risoluzione de pattern. In questa tecnica viene controllata la “dose” di elettroni su
ogni pixel in modo che il fattore di contrasto di esposizione per ogni punto lungo un bordo sia non
eccedente un certo valore e il totale della dose della parte interna deve essere maggiore di un
valore prefissato rispetto alla dose della parte esterna
Per fare questo bisogna controllare l’effetto di prossimità. Come funzione da inserire nell’algoritmo
viene usata la distribuzione di energia vista in precedenza dove si tiene conto sia del forward che
del backscattering
La dose assorbita viene approssimata come la convoluzione della distribuzione dell’energia dovuta
allo scattering e la matrice di dose applicata (esposizione voluta)
Lo scopo non è tanto di avere una esposizione ideale, quanto di superare una certa soglia di livello
di contrasto ai margini del pattern. Questo viene fatto assicurando una certa soglia di esposizione
lungo i bordi
Essendo quindi i bordi il punto cruciale del processo il problema dell’effetto di prossimità viene
ridefinito come un problema di ottimizzazione lineare con vincoli su cui è possibile applicare
algoritmi classici, come l’algoritmo del Simplesso, arrivando a calcolare la matrice di esposizione
ideale
Esempi di Applicazioni
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Proximity Effect Correction per realizzare nanoantenne
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Dalle simulazioni (a sinistra senza PEC a destra con) notiamo che viene aumentata la dose lungo i
margini e gli angoli e i bordi più ripidi (figure d)
Esempi di Applicazioni
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Proximity Effect Correction per realizzare nanoantenne
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Infine il dispositivo viene realizzato. La scelta dei parametri del PEC viene
fatta procedendo per raffinamenti successivi nonostante esistano anche
metodi analitici (come le simulazioni Monte Carlo) e sperimentali
Il processo di fabbricazione è schematizzato in figura
Il problema principale non usando il PEC è la formazione di ponti
all’interno del gap. Lo stesso problema, anche se in misura ridotta, si
presenta usando PEC presenti commercialmente (RAITH)
Ottimi risultati si ottengono applicando invece gli algoritmi visti in
precedenza (figure a destra in basso; da notare la prima struttura con gap
di appena 2 nm) [19]
Esempi di Applicazioni
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Il futuro della Litografia
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Le tecniche litografiche descritte sono ancora in larga parte allo stadio sperimentale e
richiedono del tempo per vedere se saranno usabili per produzioni in larga scala
Gli obiettivi principali sono:
1. Raggiungere e superare il livello di produttività che la fotolitografia permette
oggi
2. Abbattere i costi che oggi questa propone nelle sue forme più avanzate, e
specialmente per produzioni di basso volume dove i costi delle maschere
risultano proibitivi
3. Abbassare i limiti di risoluzione
4. Controllo dei difetti
Esempi di Applicazioni
Pagina 58
Alcuni dispositivi realizzati tramite EBL
Esempi di Applicazioni
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BIBLIOGRAFIA E LINK UTILI
Bibliografia e link utili
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Bibliografia
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Bibliografia e link utili
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