Micro e nanotecnologia/Microtecnologia/Tecniche litografiche/Litografia a raggi X

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La litografia a raggi X è una tecnica litografica di prossima generazione, che è candidata a succedere alla litografia ottica per la fabbricazione dei dispositivi elettrici con dimensioni inferiori ai 45 nm; è una tecnica ancora in via di perfezionamento anche se alcuni prototipi di microprocessori sono già stati prodotti facendo uso di tale tecnica. Resta tuttavia una tecnica litografica che difficilmente verrà adottata con successo nei processi di produzione industriale, in quanto complessivamente presenta dei costi di realizzazione troppo elevati.

Il punto di forza della litografia a raggi X è quello di utilizzare raggi con lunghezza d’onda fino a 0.5 nm, permettendo di superare i limiti dovuti alla diffrazione della luce presenti nella litografia ottica. Per poter collimare il raggio, non si possono adoperare lenti in quanto qualsiasi materiale ha indice di diffrazione unitario rispetto ai raggi X; si utilizza quindi un sistema di specchi speciali, specifico per questa tecnica.




Sorgenti di raggi X

I raggi X utilizzati in questa tecnica litografica, possono essere prodotti da diverse sorgenti; quelle maggiormente usate sono:


  • sorgente a bombardamento elettronico
  • Sincrotoni


Sorgente a bombardamento elettronico


schema di una sorgente a bombardamento elettronico

Questa è la tecnica più tradizionale per produrre raggi X. In un tubo sotto vuoto un catodo emette elettroni ed un anodo li riceve. Una grande differenza di potenziale (per dare un ordine di grandezza tra 40 e 120 KV) tra i due elettrodi accelera gli elettroni che bombardono il catodo. La radiazione X viene prodotta sia nel processo di frenamento degli elettroni che produce uno spettro continuo e sia dalla florescenza X che produce uno spettro discreto fortemente dipendente dal materiale dell'anodo. Vi è da aggiungere che i raggi X prodotti in questa maniera hanno una intensità considerata troppo bassa per potere essere utilizata nei processi industriali di microelettronica.


Sincrotone

Il Sincrotrone è un tipo di acceleratore di particelle circolare e ciclico, in cui opportuni elettromagneti disposti lungo la traiettoria curvano in maniera opportuna la traiettoria degli elettroni. Gli elettroni vengono inseriti nell'anello in a pacchetti (bunches). La accelerazione viene fornita da un campo elettrico, che non ha una frequenza costante, ma sincronizzata con la massa variabile degli elettroni. Infatti a causa delle elevate energie cinetiche raggiunte, gli effetti relativistici sulla massa degli elettroni sono molto marcati ed quindi è necessaria una sincronizzazione per avere una elevata efficienza di accelerazione. L'effetto che qui viene sfruttato è il fatto che una particella carica accelerata genera onde elettromagnetiche. Per aumentare l'efficienza di produzione di raggi X, degli opportuni magneti rendono il cammino degli elettroni molto tortuoso in maniera da aumentare l'efficienza di emissione. Si sta studiando la possibilità di costruire sincrotroni compatti per uso industriale. Normalmente i sincrotroni sono delle apparecchiature complesse che si estendono su superfici di centinaia di metri quadrati.

Le potenzialità del litografia a raggi X mediante luce di sincrotrone sono:


  • grande larghezza di banda, che si estende a fotoni UV e X
  • accordabilità
  • elevata intensità
  • elevata polarizzazione



Descrizione del processo

La litografia a raggi X usa un metodo di incisione simile alla litografia a prossimità. Immaginando di avere dei raggi X di lunghezza d'onda di frazioni di nm e che la stampa avvenga attraverso una maschera (eguale al disegno da stampare 1X) molto vicina (tipicamente 10-40 ) al wafer. Poiché l'assorbimento dei raggi X dipende essenzialmente dal numero atomico del materiale, il supporto del materiale deve essere fatto da una sottile membrana di basso numero atomico (il più comune materiale usato è il nitruro di silicio). Mentre il disegno viene realizzato con materiali con alto numero atomico: oro, tantalio, tungsteno o loro leghe.

Fabbricare maschere per la litografia a raggi X è molto più complicato che fabbricare quelle per la litografia ottica. Inoltre i raggi X sono assorbiti dai gas e in genere nel cammino a pressione atmosferica dei raggi X usati, va usato Elio, che presenta il minimo assorbimento ai raggi X. Una finestra di Berillio (il metallo rigido con il più basso numero atomico) separa la regione di vuoto in cui sono prodotti i raggi X dal cammino in Elio.

Le maschere vanno termalizzate, in quanto una gran parte dei raggi X, molto energetici, viene assorbita semplicemente dalla maschera e trasformata in calore. Al contrario della litografia ottica la riflessione dei raggi X è sempre trascurabile, a praticamente qualsiasi angolo di incidenza essendo in tutti i materiali l'indice di rifrazione eguale ad uno: non è necessario quindi nessuno stato antiriflettente.

I resist usati sono gli stessi della litografia elettronica, infatti i raggi X quando sono assorbiti producono elettroni secondari energetici che quindi impressionano il resist nella stessa maniera degli elettroni usati nella litografia elettronica. Anzi un singolo raggio X può produrre una cascata di un numero elevato di elettroni secondari, per cui in genere è sufficiente una dose di raggi X bassa per impressionare in maniera significativa il resist elettronico.