इलेक्ट्रॉन किरण अश्मलेखन

इलेक्ट्रॉन किरण अश्मलेखन (e-beam lithography) एक ऐसी पक्रिया है जिसमें इलेक्ट्रानों के किरण पुंज को रैसिस्ट से लिपे सतह पर एक सांचे (पैटर्न) के अनुसार क्रमवीक्षित (स्कैन) किया जाता है।^[1]

इसका प्रमुख लाभ यह है कि इसकी सहायता से दृष्य प्रकाश के विवर्तन सीमा को लांघना सम्भव हो पाता है। जिससे नैनोमीटर स्तर तक के गुणादि (फीचर) देखे जा सकते हैं, अन्यथा यह सम्भव नहीं होता | प्रकाशिक अश्मलेखन में प्रयुक्त होने वाली मास्क के निर्माण में, कम मात्रा में अर्धचालक युक्तिओं के उत्पादन में तथा अनुसंधान और विकास में इसका प्रचुर मात्रा में उपयोग होने लगा है।

वाणिज्यिक रूप में प्रयोग होने वाले इलेक्ट्रॉन किरण अश्मलेखन तंत्र काफी महंगे होते हैं ओर ये Archived 2023-07-29 at the वेबैक मशीन सबी (रु. १६ करोड से ज्यादा)। अधिकांश अनुसंधान प्रयोगों के लिये इलैक्ट्रॉन सूक्ष्मदर्शी को बदल कर इस कार्य के लिये उपयोगित किया जाता है (करीब रु. ४० लाख)। ऐसे तंत्र १० नैनोमीटर या उससे कम तक की रेखाएं बना पाती हैं।

इलेक्ट्रॉन किरण अश्मलेखन तंत्र को उनके किरण पुंज के आकार और पुंज के विक्षेपण या मोड़ने की शैली के अनुसार वर्गीकृत किया जाता है। पुराने तंत्रों में रेखापुंज प्रणाली का प्रयोग होता था, पर अब सदिश पद्वति को अपनाया जा रहा है।

निम्न विभेदन तंत्रों में तापायनिक स्रोतों का प्रयोग होता है। ये स्रोत LaB₆ से बनाये जाते हैं। पर उच्च विभेदन के लिये क्षेत्र उद्गार स्रोत, जैसे तप्त W/ZrO₂, जिसमें निम्न ऊर्जा फैलाव और अधिक द्युति होती है, का प्रयोग होता है।

स्थिरविद्युत और चुम्बकीय लेंसों, दोनों का ही प्रयोग होता है। परंतु स्थिरविद्युत लेंसों में त्रुटी अधिक होती है, इसलिये इनका प्रयोग सूक्ष्म फोकस/केंद्रकरण के लिये नहीं होता।

सामान्यतः, निम्न विक्षेपण के लिये स्थिरविद्युत लैन्सों का प्रयोग होता है और बड़े विक्षेपण के लिये विद्युत चुम्बकीय लैन्सों का प्रयोग होता है। त्रुटियों के कारण छापे मारने की सूक्ष्मता १०० से १ मैक्रॉन तक ही होती है। इसलिये बड़े ढांचों की बनावट में वेदिका को चलाया जाता है। छोटे-छोटे वर्गों में ढांचा बनाकर उन्हे जोड़ दिया जाता है। इस प्रणाली में अत्यन्त ही सूक्ष्म नियन्त्रण की जरूरत पडती है।

इलेक्ट्रॉन किरण लेखन की दृष्टि से वाणिज्यिक उत्पादन के लिये बहुत धीमा पड़ता है। उदाहरण के लिये, 700 cm² के सिलिकॉन वेफर के अभिमुखीकरण के लिये 7000 सैकंड तक लग जाता है। इसका मुख्य कारण है इस प्रणाली का क्रमिक होना। प्रकाशिक अश्मलेखन इसकी तुलना में कई गुना तेज होता है, क्योंकि यह सारे सतह पर समांतर कार्य करता है।

इलेक्ट्रॉन-बीम लिथोग्राफी के उच्च रिज़ॉल्यूशन के बावजूद, इलेक्ट्रॉन-बीम लिथोग्राफी के दौरान दोषों की उत्पत्ति पर अक्सर उपयोगकर्ताओं द्वारा विचार नहीं किया जाता है। दोषों को दो श्रेणियों में वर्गीकृत किया जा सकता है: डेटा-संबंधी दोष, और भौतिक दोष।

डेटा-संबंधी दोषों को आगे दो उप-श्रेणियों में वर्गीकृत किया जा सकता है। ब्लैंकिंग विक्षेपण त्रुटियां तब होती हैं जब इलेक्ट्रॉन किरण को उचित तरीके से विक्षेपित नहीं किया जाता है जबकि ऐसा होना चाहिए, जबकि आकार देने संबंधी त्रुटियां चर-आकार वाले बीम सिस्टम में तब होती हैं जब गलत होता है आकृति को नमूने पर प्रक्षेपित किया जाता है। ये त्रुटियाँ या तो इलेक्ट्रॉन ऑप्टिकल नियंत्रण हार्डवेयर या टेप किए गए इनपुट डेटा से उत्पन्न हो सकती हैं। जैसा कि उम्मीद की जा सकती है, बड़ी डेटा फ़ाइलें डेटा-संबंधित दोषों के प्रति अधिक संवेदनशील होती हैं।

भौतिक दोष अधिक विविध हैं, और इसमें नमूना चार्जिंग (या तो नकारात्मक या सकारात्मक), बैकस्कैटरिंग गणना त्रुटियां, खुराक त्रुटियां, फॉगिंग (बैकस्कैटर इलेक्ट्रॉनों का लंबी दूरी का प्रतिबिंब), आउटगैसिंग, संदूषण, बीम बहाव और कण शामिल हो सकते हैं। चूँकि इलेक्ट्रॉन बीम लिथोग्राफी के लिए लिखने का समय आसानी से एक दिन से अधिक हो सकता है, "यादृच्छिक रूप से होने वाली" खराबी होने की संभावना अधिक होती है। यहां फिर से, बड़ी डेटा फ़ाइलें दोषों के लिए अधिक अवसर प्रस्तुत कर सकती हैं।

The primary electrons in the incident beam lose energy upon entering a material through inelastic scattering or collisions with other electrons. In such a collision the momentum transfer from the incident electron to an atomic electron can be expressed as^[3] ${\displaystyle dp=2e^{2}/bv}$, where ${\displaystyle b}$ is the distance of closest approach between the electrons, and ${\displaystyle v}$ is the incident electron velocity. The energy transferred by the collision is given by ${\displaystyle T=(dp)^{2}/2m=e^{4}/Eb^{2}}$, where ${\displaystyle m}$ is the electron mass and ${\displaystyle E}$ is the incident electron energy, given by ${\displaystyle E=(1/2)mv^{2}}$. By integrating over all values of ${\displaystyle T}$ between the lowest binding energy, ${\displaystyle Eo,}$ and the incident energy, one obtains the result that the total cross section for collision is inversely proportional to the incident energy ${\displaystyle E}$, and proportional to ${\displaystyle 1/Eo-1/E}$. Generally, ${\displaystyle E>>Eo}$, so the result is essentially inversely proportional to the binding energy.

By using the same integration approach, but over the range ${\displaystyle 2Eo}$ to ${\displaystyle E}$, one obtains by comparing cross-sections that half of the inelastic collisions of the incident electrons produce electrons with kinetic energy greater than ${\displaystyle Eo}$. These secondary electrons are capable of breaking bonds (with binding energy ${\displaystyle Eo}$) at some distance away from the original collision. Additionally, they can generate additional, lower energy electrons, resulting in an electron cascade. Hence, it is important to recognize the significant contribution of secondary electrons to the spread of the energy deposition.

आज के इलेक्ट्रॉन प्रकाशिकी के साथ, इलेक्ट्रॉन बीम की चौड़ाई नियमित रूप से कुछ एनएम तक कम हो सकती है। यह मुख्य रूप से विपथनएस और स्पेस चार्ज द्वारा सीमित है। हालाँकि, व्यावहारिक रिज़ॉल्यूशन सीमा बीम के आकार से नहीं बल्कि फोटोरेसिस्ट और सेकेंडरी इलेक्ट्रॉन यात्रा में फोटोरेसिस्ट में आगे बिखरने से निर्धारित होती है।^[4]. उच्च ऊर्जा इलेक्ट्रॉनों या पतले फोटोरेसिस्ट का उपयोग करके आगे के बिखरने को कम किया जा सकता है, लेकिन द्वितीयक इलेक्ट्रॉनों की पीढ़ी अपरिहार्य है। द्वितीयक इलेक्ट्रॉन की यात्रा दूरी मौलिक रूप से व्युत्पन्न भौतिक मूल्य नहीं है, बल्कि एक सांख्यिकीय पैरामीटर है जो अक्सर कई प्रयोगों या मोंटे कार्लो सिमुलेशन से <1 eV तक निर्धारित होता है। यह आवश्यक है क्योंकि द्वितीयक इलेक्ट्रॉनों का ऊर्जा वितरण 10 eV से काफी नीचे होता है^[5]. इसलिए, ऑप्टिकल विवर्तन-सीमित प्रणाली की तरह रिज़ॉल्यूशन सीमा को आमतौर पर एक अच्छी तरह से तय संख्या के रूप में उद्धृत नहीं किया जाता है^[4]. व्यावहारिक रिज़ॉल्यूशन सीमा पर पुनरावृत्ति और नियंत्रण के लिए अक्सर उन विचारों की आवश्यकता होती है जो छवि निर्माण से संबंधित नहीं होते हैं, उदाहरण के लिए, फोटोरेसिस्ट विकास और अंतर-आणविक बल।

द्वितीयक इलेक्ट्रॉनों के अलावा, फोटोरेसिस्ट को भेदने के लिए पर्याप्त ऊर्जा वाले आपतित किरण से प्राथमिक इलेक्ट्रॉनों को अंतर्निहित फिल्मों और/या सब्सट्रेट से बड़ी दूरी पर गुणा किया जा सकता है। इससे वांछित एक्सपोज़र स्थान से काफी दूरी पर स्थित क्षेत्र उजागर हो जाते हैं। इन इलेक्ट्रॉनों को बैकस्कैटरड इलेक्ट्रॉन कहा जाता है और ऑप्टिकल प्रक्षेपण प्रणालियों में लंबी दूरी के फ्लेयर के समान प्रभाव होता है। बैकस्कैटर इलेक्ट्रॉनों की एक बड़ी पर्याप्त खुराक वांछित पैटर्न क्षेत्र में फोटोरेसिस्ट को पूरी तरह से हटाने का कारण बन सकती है।

इलेक्ट्रॉन बीम लिथोग्राफी द्वारा उत्पादित सबसे छोटी विशेषताएं आम तौर पर अलग-अलग विशेषताएं होती हैं, क्योंकि नेस्टेड विशेषताएं निकटता प्रभाव को बढ़ाती हैं, जिससे आसन्न क्षेत्र के एक्सपोजर से इलेक्ट्रॉन वर्तमान के एक्सपोजर में फैल जाते हैं लिखित विशेषता, इसकी छवि को प्रभावी ढंग से बड़ा करती है, और इसके कंट्रास्ट को कम करती है, यानी अधिकतम और न्यूनतम तीव्रता के बीच का अंतर। इसलिए, नेस्टेड फीचर रिज़ॉल्यूशन को नियंत्रित करना कठिन है। अधिकांश प्रतिरोधों के लिए, 25 एनएम रेखाओं और स्थानों से नीचे जाना मुश्किल है, और 20 एनएम रेखाओं और स्थानों की एक सीमा पाई गई है|^[6].

उलटा समस्या को हल करके और एक्सपोज़र फ़ंक्शन की गणना करके निकटता प्रभाव (इलेक्ट्रॉन बिखरने के कारण) को कम किया जा सकता है| ${\displaystyle E(x,y)}$ इससे वांछित खुराक के जितना संभव हो उतना करीब खुराक वितरण होता है ${\displaystyle D(x,y)}$ जब कन्वॉल्व्ड प्रकीर्णन वितरण द्वारा बिंदु प्रसार फ़ंक्शन ${\displaystyle PSF(x,y).}$

चूँकि इलेक्ट्रॉन आवेशित कण होते हैं, इसलिए वे सब्सट्रेट को नकारात्मक रूप से चार्ज करते हैं जब तक कि वे जल्दी से जमीन तक पहुंचने के मार्ग तक पहुंच प्राप्त नहीं कर लेते। सिलिकॉन वेफर पर आपतित उच्च-ऊर्जा किरण के लिए, वस्तुतः सभी इलेक्ट्रॉन वेफर में रुकते हैं जहां वे जमीन पर जाने के मार्ग का अनुसरण कर सकते हैं। हालाँकि, फोटोमास्क जैसे क्वार्ट्ज सब्सट्रेट के लिए, एम्बेडेड इलेक्ट्रॉनों को जमीन पर जाने में बहुत अधिक समय लगेगा। अक्सर वैक्यूम में द्वितीयक इलेक्ट्रॉन उत्सर्जन के कारण सब्सट्रेट द्वारा प्राप्त नकारात्मक चार्ज की भरपाई सतह पर सकारात्मक चार्ज से भी की जा सकती है या उससे भी अधिक हो सकती है। प्रतिरोध के ऊपर या नीचे एक पतली संवाहक परत की उपस्थिति आम तौर पर उच्च ऊर्जा (50 केवी या अधिक) इलेक्ट्रॉन बीम के लिए सीमित उपयोग की होती है, क्योंकि अधिकांश इलेक्ट्रॉन परत के माध्यम से सब्सट्रेट में गुजरते हैं। चार्ज अपव्यय परत आम तौर पर केवल 10 केवी के आसपास या नीचे ही उपयोगी होती है, क्योंकि प्रतिरोध पतला होता है और अधिकांश इलेक्ट्रॉन या तो प्रतिरोध में रुक जाते हैं या संचालन परत के करीब रुक जाते हैं।

कम ऊर्जा वाले माध्यमिक इलेक्ट्रॉनों की सीमा (प्रतिरोध-सब्सट्रेट प्रणाली में मुक्त इलेक्ट्रॉन आबादी का सबसे बड़ा घटक) जो चार्जिंग में योगदान दे सकती है, एक निश्चित संख्या नहीं है, लेकिन 0 से लेकर 50 एनएम तक भिन्न हो सकती है।^[7] इसलिए, प्रतिरोध-सब्सट्रेट चार्जिंग दोहराई जाने योग्य नहीं है और लगातार क्षतिपूर्ति करना मुश्किल है। सकारात्मक चार्जिंग नकारात्मक चार्जिंग की तुलना में अधिक सहनीय है, क्योंकि नकारात्मक चार्जिंग इलेक्ट्रॉन बीम को वांछित एक्सपोज़र स्थान से दूर विक्षेपित कर सकती है।

• लोकप्रिय इलेक्ट्रॉन-बीम प्रतिरोध ZEP-520 के लिए, मोटाई और बीम ऊर्जा से स्वतंत्र, 60 एनएम (30 एनएम लाइनें और रिक्त स्थान) की एक पिच रिज़ॉल्यूशन सीमा पाई गई थी।^[8]
• 3 एनएम 100 केवी इलेक्ट्रॉन बीम और पीएमएमए प्रतिरोध का उपयोग करके 20 एनएम रिज़ॉल्यूशन का भी प्रदर्शन किया गया था।^[9] उजागर रेखाओं के बीच 20 एनएम अनएक्सपोज़्ड अंतराल ने द्वितीयक इलेक्ट्रॉनों द्वारा अनजाने एक्सपोज़र को दिखाया।

द्वितीयक इलेक्ट्रॉन उत्पादन से बचने के लिए, फोटोरेसिस्ट को उजागर करने के लिए प्राथमिक विकिरण के रूप में कम ऊर्जा वाले इलेक्ट्रॉनों का उपयोग करना अनिवार्य होगा। आदर्श रूप से, इन इलेक्ट्रॉनों में कई ईवी से अधिक के क्रम में ऊर्जा नहीं होनी चाहिए, ताकि बिना कोई द्वितीयक इलेक्ट्रॉन उत्पन्न किए फोटोरेसिस्ट को उजागर किया जा सके, क्योंकि उनके पास पर्याप्त अतिरिक्त ऊर्जा नहीं होगी। इस तरह के एक्सपोज़र को इलेक्ट्रॉन बीम स्रोत के रूप में स्कैनिंग टनलिंग माइक्रोस्कोप का उपयोग करके प्रदर्शित किया गया है^[10]. आंकड़ों से पता चलता है कि 12 ईवी जितनी कम ऊर्जा वाले इलेक्ट्रॉन 50 एनएम मोटे पॉलिमर फोटोरेसिस्ट में प्रवेश कर सकते हैं। कम ऊर्जा वाले इलेक्ट्रॉनों का उपयोग करने का दोष यह है कि फोटोरेसिस्ट में इलेक्ट्रॉन बीम के प्रसार को रोकना कठिन है|^[11]. Low energy electron optical systems are also hard to design for high resolution^[12] कम इलेक्ट्रॉन ऊर्जा के लिए कूलम्ब अंतर-इलेक्ट्रॉन प्रतिकर्षण हमेशा अधिक गंभीर हो जाता है।

इलेक्ट्रॉन-बीम लिथोग्राफी में एक अन्य विकल्प अनिवार्य रूप से सामग्री को "ड्रिल" या स्पटर करने के लिए अत्यधिक उच्च इलेक्ट्रॉन ऊर्जा (कम से कम 100 केवी) का उपयोग करना है। यह घटना अक्सर ट्रांसमिशन इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी में देखी गई है^[13]. हालाँकि, इलेक्ट्रॉन किरण से सामग्री तक गति के अकुशल हस्तांतरण के कारण यह एक बहुत ही अकुशल प्रक्रिया है। परिणामस्वरूप यह एक धीमी प्रक्रिया है, जिसमें पारंपरिक इलेक्ट्रॉन बीम लिथोग्राफी की तुलना में अधिक लंबे एक्सपोज़र समय की आवश्यकता होती है। इसके अलावा उच्च ऊर्जा किरणें हमेशा सब्सट्रेट क्षति की चिंता पैदा करती हैं।

हस्तक्षेप लिथोग्राफी इलेक्ट्रॉन बीम का उपयोग नैनोमीटर-स्केल अवधि के साथ पैटर्निंग सरणियों के लिए एक और संभावित मार्ग है। इंटरफेरोमेट्री में फोटॉन की तुलना में इलेक्ट्रॉनों का उपयोग करने का एक प्रमुख लाभ समान ऊर्जा के लिए बहुत कम तरंग दैर्ध्य है।

विभिन्न ऊर्जाओं पर इलेक्ट्रॉन बीम लिथोग्राफी की विभिन्न जटिलताओं और सूक्ष्मताओं के बावजूद, यह सबसे छोटे क्षेत्र में सबसे अधिक ऊर्जा को केंद्रित करने का सबसे व्यावहारिक तरीका है।

Photolithography

• Carnegie Mellon Nanofabrication Facility
• Electron-beam lithography at ETH Zurich
• Nanolithography at Georgia Tech
• Electron-beam lithography at Cornell (0.5 MB PDF)
• NPGS for SEM or FIB Lithography
• Penn State NNIN Facilites
• UCLA Nanoelectronics Research Facility
• CASINO - program to simulate trajectories of electrons in solids

साँचा:Nanolith