Lithographie par faisceau(x) d ’électrons (EBL)

Afin de remplacer la lithographie optique, l’écriture directe par faisceaux d’électrons est aussi considérée par l’ITRS. Puisque la longueur d’onde des électrons est très courte (des énergies supérieures à 2 keV sont généralement utilisées), la limite de diffraction de ces systèmes n’est plus un obstacle. Un grand avantage de cette technologie est qu’elle ne nécessite pas de masques : le coût de fabrication de ces masques et le délai nécessaire entre le design du masque et leur réception est ainsi évité. Par contre, étant donné que l’écriture se fait en exposant la résine point par point, la lithographie est beaucoup plus longue : plusieurs heures sont nécessaires pour exposer seulement un circuit électronique. Afin de réduire le temps d’exposition, des faisceaux formés {shaped beam) ont aussi été développés : au lieu d’utiliser un faisceau gaussien, le faisceau prend la forme de différentes structures répétitives du circuit. Mais le débit de production de l’EBL demeure un obstacle majeur et doit être amélioré substantiellement pour que l ’industrie adopte cette technologie. Pour ce faire, plusieurs initiatives ont proposé des systèmes EBL à plusieurs faisceaux d’électrons permettant l’écriture parallèle. (Pease & Chou 2008)

Le système ultime que souhaite fabriquer MapperLithography utilise 13 000 faisceaux parallèles qui sont générés à partir d’une source d’électrons uniques au sein d’une seule colonne. Une matrice de trous {apertures) permet de séparer et former les faisceaux. Chacun

(microe/ecfromechanical systems) qui obéit à un signal optique transmis par des lasers.

Chaque faisceau couvre une plage de 2 pm, l’ensemble pouvant écrire sur une bande de 26 mm de large. Une des particularités du MAPPER est qu’il accélère les électrons à 5 keV seulement. Ce choix a été fait pour éviter de chauffer la gaufre exposée, ceci aux dépens des effets de proximité. MAPPER vise un débit de production de 10WPH, un groupe de dix systèmes permettant d’atteindre une production de 100 WPH pour un espace comparable à un scanneur ArF à immersion. A ce jour, trois prototypes ont été fabriqués avec chacun 110 faisceaux. L’IMS Nanofabrication présente une approche similaire à celle de MAPPER mais accélère les électrons à une énergie de 50 keV. Leur prototype utilise 2 500 faisceaux d’électrons, mais le groupe vise ultimement l’implémentation de 250 000 ou 500 000 faisceaux. L’approche multifaisceaux de Vistec est basée sur une technologie existante qu’elle commercialise et qui permet de donner une forme variable à un faisceau. Leur nouveau prototype utilise plusieurs faisceaux formés qui sont placés parallèlement. Chaque faisceau peut être formé différemment. (Martin 2011; Ronse 2010; Wieland et al. 2010)

Les différents prototypes ont permis d’atteindre des résolutions comparables au nœud 11 nm dans le cas de F IMS avec une résine non amplifiée chimiquement, tandis que MAPPER et Vistec ont atteint 45 nm et 40 nm respectivement avec une résine amplifiée chimiquement. Fondamentalement, l’EBL devrait permettre d’atteindre des résolutions bien supérieures étant donné la longueur d’onde des électrons. La résolution de ces systèmes est plutôt limitée par la résine et par les effets de proximité. Les problèmes relatifs à la résine seront traités plus loin, car ils sont communs avec l’EUVL. Les effets de proximités proviennent de la dispersion naturelle des électrons incidents dans la matière. Lorsque les électrons pénètrent la matière, ceux-ci interagissent avec les atomes : ils peuvent être déviés de leur trajectoire (diffusé), ils peuvent être rétrodiffusés et revenir insoler la résine à nouveau à quelques microns du point d’impact et ils peuvent entrer en collision avec d’autres électrons (secondaires) qui peuvent à leur tour insoler la résine à proximité. L’ensemble des contributions de chaque électron qui remonte dans la résine viendra parasiter l’insolation des motifs voisins. Les motifs plus denses recevront une dose plus importante que les motifs moins denses à cause de leur proximité. Différents algorithmes doivent donc être programmés afin de corriger les effets de proximité lors de l’exposition. Ceux-ci consistent entre autres à moduler la dose des motifs en fonction

de leur densité ou à altérer légèrement le motif à écrire en tenant compte de ces effets de manière à obtenir le motif désiré après insolation. (Martin 2011; Ronse 2010)

Les prototypes des différentes initiatives n’ont pas encore été équipés de systèmes d’alignement, leur performance au niveau du recouvrement des motifs et de l’alignement n’a donc pu être mesurée. Le positionnement et l’alignement des faisceaux les uns par rapport aux autres risquent d’être un enjeu de taille pour les chercheurs afin de rencontrer les contraintes sur le recouvrement. Les débits de production escomptés non plus n’ont pas été démontrés sur ces prototypes, car ceux-ci ont un système de télécommunication limité. En effet, compte tenu de la pixellisation des motifs et du nombre de faisceaux à commander parallèlement, quelques téraoctets de données doivent être transmis au système EBL à chaque seconde. C’est donc l’électronique de communication nécessaire pour lithographier plusieurs gaufres par heure qui causera des problèmes et l’équipement requis risque d’être dispendieux. (Martin 2011; Ronse 2010)

L ’EBL vise une insertion dans l’industrie à partir du nœud 16 nm seulement, c ’est-à-dire pour 2016. Par contre, les récents développements et la poursuite des recherches demeurent utiles à court terme pour l’écriture des masques. Même si les masques pour la lithographie à 193 nm ou pour l’EUVL sont écrits avec un facteur 4X, la correction optique de proximité (OPC) nécessitera une résolution élevée près de celle nécessaire pour une écriture directe. De même pour la NIL qui nécessite des masques IX, la fabrication du masque doit être optimisée afin d’écrire des motifs à haute résolution. L ’avantage de concentrer le développement à court terme de l’EBL pour l’écriture de masque permet d’alléger certaines contraintes : l’alignement n’est pas nécessaire et un débit de production inférieur est très acceptable. De plus, un système à plusieurs faisceaux dix fois plus rapide qu’un système à faisceau unique permettrait de réduire significativement les coûts de fabrication des masques même si un tel système était deux fois plus coûteux. (Ronse 2010)

8.3.3Résines

Que ce soit pour l’EUVL ou l’EBL, plusieurs défis doivent être surmontés concernant la résine afin de suivre les exigences de l’ITRS et de l’industrie. La résine idéale doit être très sensible, ce qui permet de réduire les doses d’expositions et ainsi d’accélérer le débit de

de lignes (line edge roughness - LER) ou la rugosité de la largeur des lignes (Une width

roughness - LWR). Finalement, la résine doit être en mesure de supporter un rapport d’aspect

(AR) élevé afin de résister aux différentes étapes de gravure. L ’ITRS spécifie que le LWR doit être inférieur à 1.2 nm 3a pour le nœud 22 nm et un AR de 2.5 est généralement nécessaire en production, c’est-à-dire une épaisseur de 55 nm pour le nœud 22 nm. (Stefan Wurm 2009) Avec des résines standards (PMMA, HSQ), des résolutions d’environ 10 nm ont été démontrées, par contre ces résines sont peu sensibles et ne permettent pas d’atteindre un débit de 100WPH en EUVL et EBL. Des résines chimiquement amplifiées (CAR) permettent d’augmenter la sensibilité de la résine au détriment de la résolution : une résolution de 2 0 nm a

tout de même récemment été démontrée avec ce type de résine. Par contre, ces résines présentent un LWR de 5-6 nm, ce qui est trop élevé par rapport au requis de l’ITRS. Le problème ici est que le LWR est directement lié à la sensibilité de la résine : plus une résine est sensible, plus elle présente généralement un LWR élevé. L ’explication proviendrait de la nature discrète des photons ou des électrons. Pour une longueur d’onde de 193 nm, l’énergie des photons est de 6 eV, mais elle passe à 93 eV pour l’EUV et elle est de 5-50 keV dans le

cas des électrons pour l ’EBL. Pour une même énergie ou dose d’expositions, chaque pixel exposé comporte moins de photons/électrons par unité, mais chaque photon/électron a plus d’énergie. Du bruit de grenaille (shot noise) en résulte. De plus, une résine CAR, étant plus sensible, nécessite moins de photons/électrons pour être insolée. Combiné au bruit de grenaille, il en résulte un LWR plus élevé. Une meilleure compréhension du processus de transfert de l’énergie dans la résine est donc nécessaire afin de développer de nouvelles chimies qui permettront une distribution moléculaire plus uniforme au niveau nanométrique et une localisation de l’exposition. (Stefan Wurm 2009; Wu & Kumar 2007; Martin 2011; S Wurm 2009)