Die Elektronenstrahllithografie (kurz ESL; , oft als abgekürzt) ist in der Mikro- und Halbleitertechnik ein spezielles Verfahren zur Strukturierung einer Elektronenstrahl-empfindlichen Schicht (engl. , in Analogie zur Fotolithografie auch Fotolack genannt). Das Verfahren gehört zur Gruppe der Next-Generation-Lithografie und ist eng verwandt mit der Ionenstrahllithografie. Durch die „Belichtung“ mit einem Elektronenstrahl wird der Resist chemisch geändert, so dass er lokal gelöst werden kann (Entwicklung) und eine strukturierte Resistschicht entsteht. Die Struktur kann anschließend auf eine Schicht aus einem anderen Material übertragen werden, z. B. durch Ätzen einer darunterliegenden Schicht oder durch selektive Abscheidung eines Materials auf dem Resist. Der wesentliche Vorteil des Verfahrens ist, dass Strukturen mit deutlich geringeren Abmessungen (im Nanometerbereich) als bei der Fotolithografie hergestellt werden können.
Das Verfahren besitzt große Bedeutung bei der Herstellung von mikroelektronischen Schaltkreisen für moderne elektronische Geräte und wird vor allem bei der Herstellung der bei der Fotolithografie eingesetzten Fotomasken verwendet. Es kann aber auch als maskenloses Lithografieverfahren für die Strukturierung von Schichten bzw. Wafern in der Prototypen- oder Kleinserienherstellung eingesetzt werden. Die Elektronenstrahllithografie wird auch in der Großserienproduktion als Nachfolgeverfahren für heutige (Stand 2011) Fotolithografie auf Basis von Excimerlasern gehandelt. Die langen Prozesszeiten aktueller Techniken, bei denen der Elektronenstrahl beispielsweise über das Substrat gerastert wird, sind jedoch nicht wirtschaftlich und führen auch zu technischen Problemen, z. B. Instabilitäten beim Elektronenstrahl.
Energieabgabe von Elektronen in Materie Streuung Elektronen sind Teilchen mit einer relativ geringen Masse im Vergleich mit den Atomkernen. Treffen Elektronen aus einem einfallenden Strahl (Primärelektronen) mit hoher Energie (typischerweise 10–50 keV) auf den Resist, erfahren diese im Material sowohl eine Vorwärts- als auch eine Rückstreuung. Unter der Vorwärtsstreuung versteht man eine Ablenkung der Elektronen von weniger als 90° in Einfallsrichtung. Die Streuung bewirkt unter anderem eine Aufweitung des Strahldurchmessers und führt somit zu einer effektiven Verschlechterung des Auflösungsvermögens, diese ist aber geringer als durch die Erzeugung von Sekundärelektronen. Manchmal werden die Primärelektronen in einem Winkel von mehr als 90 Grad gestreut, das heißt, sie werden nicht weiter im Substrat gestreut. Diese Elektronen werden rückgestreute Elektronen (engl. ) genannt und haben die gleiche Wirkung wie langreichweitige Linsenstreueffekte (engl. ) von optischen Projektionssystemen. Eine ausreichend große Dosis von rückgestreuten Elektronen kann zu einer vollständigen Belichtung eines Bereichs deutlich größer als der Strahlquerschnitt im Fokus führen.
Erzeugung von Sekundärelektronen Neben der elastischen Streuung im Resist bzw. Substrat erfahren die Primärelektronen beim Eintritt bzw. Durchqueren eines Materials wie dem Resist inelastische Streuung oder Kollisionen mit anderen Elektronen (z. B. den Elektronen der Gitteratome). Bei einem solchen Zusammenstoß verlieren die Primärelektronen Energie durch eine Impulsübertragung vom einfallenden Elektron auf das andere Elektron und kann über den Zusammenhang beschrieben werden, wobei der Abstand der größte Annäherung zwischen den Elektronen, und die Geschwindigkeit des einfallenden Elektrons ist. Die Energie, die durch die Kollision übertragen wird, kann über den Zusammenhang beschrieben werden, wobei die Masse des Elektrons, die Elementarladung und die Elektronenenergie, entspricht , ist. Durch die Integration über alle Werte von zwischen der niedrigsten Bindungsenergie und der einfallenden Energie erhält man als Ergebnis, dass der Gesamtquerschnitt eines Zusammenstoßes umgekehrt proportional zur einfallenden Energie und proportional zu ist. Im Allgemeinen gilt , so ist das Ergebnis im Wesentlichen umgekehrt proportional zur Bindungsenergie.
Durch Verwendung des gleichen Integrationsansatzes, aber über den Bereich bis erhält man durch Vergleich der Querschnitte, dass die Hälfte der inelastischen Kollisionen der einfallenden Elektronen weitere Elektronen mit einer kinetischen Energie größer als erzeugen. Diese Sekundärelektronen genannten Elektronen sind ebenfalls in der Lage chemische Bindungen (mit einer Bindungsenergie ) aufzubrechen, auch in einiger Entfernung von der ursprünglichen Kollision. Darüber hinaus können sie Elektronen mit geringerer Energie erzeugen, das heißt, es entsteht einer Elektronenkaskade. Es ist daher wichtig, den Beitrag der Sekundärelektronen bei der Ausbreitung des Energieeintrags zu beachten.
Auflösungsvermögen Anders als bei der optischen Lithografie ist die Elektronenstrahllithografie praktisch nicht durch die Wellenlänge der verwendeten Teilchen begrenzt. So liegt die Wellenlänge von Elektronen mit einer Energie von ca. 25 keV bei ungefähr 8 Pikometern, was ungefähr einem Zwölftel des Wasserstoffatomdurchmessers entspricht. Das Auflösungsvermögen hängt daher eher vom verwendeten Strahldurchmesser ab, der wiederum durch die Elektronenquelle, der Aberration der Elektronenoptik und den Wechselwirkungen in einem hochkollimierten Elektronenstrahl begrenzt wird. Mit heutigen Elektronenoptiken können Elektronenstrahlen mit Querschnitten von wenigen Nanometern erzeugt werden. Allerdings wird die praktische Auflösungsgrenze nicht ausschließlich durch den Strahldurchmesser bestimmt, sondern auch durch Vorwärtsstreuung im Resist und vor allem den Sekundärelektronen, die sich im Resist bewegen. Die Vorwärtsstreuung kann durch die Nutzung von höheren Elektronenenergien oder dünner Resistschichten verringert werden, die Erzeugung von Sekundärelektronen ist jedoch unvermeidlich. Die Wegstrecke eines Sekundärelektrons ist kein allgemein berechenbarer Wert, sondern ein statistischer Parameter, der anhand von vielen Experimenten oder Monte-Carlo-Simulationen mit Energie kleiner 1 eV bestimmt werden kann. Dies ist notwendig, da der Spitzenwert in der Energieverteilung der Sekundärelektronen deutlich unter 10 eV liegt.Wiederholbarkeit und Kontrolle bei der praktischen Auflösungsgrenze erfordern oft die Berücksichtigung von Einflüssen, die nicht mit der Bildentstehung im Zusammenhang stehen, z. B. Resistentwicklung und zwischenmolekulare Kräfte.
Schreibzeit Die minimale Belichtungszeit für einen bestimmten Bereich bei einer gegebenen Bestrahlungsdosis wird durch die folgende Formel beschrieben:
Zum Beispiel beträgt die minimale Belichtungszeit für eine Fläche von 1 cm², einer Dosis von 10−3 C/cm² und einem Strahlstrom von 10−9 A ca. 106 s (ca. 12 Tage). Diese minimale Schreibzeit beinhaltet nicht die Zeit für Bewegung der Substrathalterung, der Strahl ausgeblendet ist sowie weitere mögliche technische Korrekturen und Anpassungen während des Schreibens. Um die 700 cm² große Oberfläche eines 300-mm-Silizium-Wafers abzudecken, würde sich die minimale Schreibzeit auf 7·108 Sekunden, etwa 22 Jahre, verlängern. Es ist klar, dass hierbei der Durchsatz eine ernsthafte Einschränkung für Elektronenstrahllithografie darstellt, vor allem beim Belichten von dichten Strukturen auf einer großen Fläche. Direktschreibverfahren mit nur einem Strahl sind daher für die Hochvolumenproduktion nicht geeignet. Denn um einem einzigen Wafer ein Muster mit einer Sub-100-nm-Auflösung mit der Elektronenstrahllithografie zu belichten, wären in der Regel mehrere Tage notwendig, im Vergleich dazu benötigen heutige 193-nm-Fotolithografiesysteme weniger als eine Minute für dieselbe Aufgabe.
Proximity-Effekt Die kleinsten durch Elektronenstrahllithografie hergestellten Strukturen sind in der Regel isolierte Strukturen, da die Herstellung von dicht zusammenstehenden Strukturen (meist Linien) durch den Proximity-Effekt (eingedeutscht von engl. : dt. ‚Nachbarschaft-Effekt‘) erschwert wird. Der Proximity-Effekt beschreibt das Übersprechen von Elektronen bei der Belichtung, das heißt, Elektronen, die zur Belichtung einer bestimmten Struktur „vorgesehen“ waren, überstrahlen den vorgesehenen Bereich und tragen zur Belichtung angrenzender Bereiche bei. Dies führt zu einer Vergrößerung der geschriebenen Strukturen, erweitert effektiv ihr Bild und führt zu einer Verringerung des Kontrasts, d. h. der Differenz zwischen maximaler und minimaler Intensität in einem Bereich. Daher ist die Belichtung bzw. Auflösung von dichten Strukturen schwerer zu kontrollieren. Mit den meisten Resisten ist es daher schwierig Linien und Gräben kleiner 25 nm herzustellen; die untere Grenze liegt derzeit bei 20 nm.
Die Hauptursache für die Proximity-Effekte ist die Streuung von Elektronen aufgrund der elektrischen Wechselwirkung der negativ geladenen Elektronen untereinander. Das Problem kann aber durch eine zuvor berechnete Korrektur der Belichtungsfunktion verringert werden. Sie ermöglicht eine Dosisverteilung so nah wie möglich an der gewünschten Dosis
Elektrostatische Aufladung durch Elektronen Trifft ein hochenergetischer Elektronenstrahl auf ein Substrat, stoppt dieses einen Teil der Elektronen. Da Elektronen geladene Teilchen sind, neigen sie dazu, das Substrat negativ aufzuladen, wenn sie nicht schnell in Richtung Masse abgeführt werden. Für gering leitfähige Substrate wie einem Silizium-Wafer stellt dies meist kein Problem dar. Anders liegt der Fall bei nicht oder schlecht leitenden Substraten, wie den für Fotomasken eingesetzten Quarz-Substraten. Oft geht eine negative Aufladung innerhalb des Substrats mit einer positiven Gegenaufladung an der Oberfläche einher, die vor allem durch Sekundärelektronenemission ins Vakuum bewirkt wird. Der Bereich für die Emission von niederenergetischen Sekundärelektronen (die größte Komponente von freien Elektronen im Resist-Substrat-System), der zur Aufladung beitragen kann, liegt zwischen 0 und 50 nm unterhalb der Oberfläche. Die Aufladung des Resists bzw. des Substrats ist Allgemein nicht wiederholbar und daher schwer zu kompensieren. Positive Aufladungen sind hierbei weniger schlimm als negative Aufladung, da letztere den Elektronenstrahl bei der Belichtung von der gewünschten Lage ablenken kann.
Ähnliche Effekte treten auch bei der Rasterelektronenmikroskopie auf, wo sie zu einem Kontrastverlust und geringeren Auflösungsvermögen führen. Dort behilft man sich mit dem Auftrag von einer dünnen leitfähigen Schicht auf die Probe. Bei der ESL sind solche leitfähigen Schicht über oder unter dem Resist in der Regel nur von begrenztem Nutzen, da hochenergetische (50 keV oder mehr) Elektronenstrahlen meisten die Schichten relativ ungehindert passieren und sich weiterhin im Substrat ansammeln können. Bei niederenergetischen Strahlen ist der Einsatz hingegen durchaus effektiv und sinnvoll.
Elektronenstrahllithografiesysteme Elektronenstrahllithografiesysteme bestehen im Wesentlichen aus einer Elektronenquelle, einem elektronenoptischen System und der Ablenkungs- bzw. Projektionseinheit (Fokussierung). Aufgrund der linearen Anordnung der Bauteile wird der gesamte Aufbau auch als Säule bezeichnet.
Systeme mit niedriger Auflösung können Glühkathoden nutzen, meist auf Basis von Lanthanhexaborid (LaB6). Systeme mit höherer Auflösung erfordern hingegen Feldemissionsquellen, wie beheizte W/ZrO2, für einen geringeren Energieverbrauch und verbesserte Intensität. Hierbei werden thermische Feldemissionsquellen trotz ihrer etwas größeren Strahlgröße gegenüber kalten Emissionsquellen bevorzugt, denn sie bieten bessere Stabilität beim Schreiben über längere Zeit (mehreren Stunden).