MIT: passi avanti nella litografia e-beam

I ricercatori del Massachusetts Institute of Technology hanno annunciato di aver sviluppato una tecnica capace incrementare la risoluzione della litografia di tipo e-beam che può così arrivare ad incidere pattern a 9 nanometri, significativamente più piccoli rispetto a quanto possibile in precedenza.

Secondo quanto affermato dai ricercatori del MIT, gli strumenti di litografia e-beam sono stati in grado fino ad ora di spingersi fino alla risoluzione di 25 nanometri. Il progetto di ricerca del MIT potrebbe ora riportare questa tecnologia nel gruppo dei candidati per la produzione dei semiconduttori del futuro.

Da qualche anno è la tecnologia EUV - Extreme Ultraviolet Lithography ad essere considerata la favorita a succedere all'attuale litografia ottica. L'introduzione della tecnologia EUV per la produzione in volumi è però stata procrastinata più volte e attualmente sembra che possa essere adottata per la produzione half-pitch node a 22 nanometri nel corso del 2012 e del 2013 dalle principali realtà impegnate nella produzione di circuiti integrati. Restano comunque una serie di problemi che ostacolano l'adozione della tecnologia EUV: innanzitutto la necessità di una fonte di energia sufficientemente potente, ed in secondo luogo la mancanza di una membrana capace di proteggere la photomask dalla contaminazione.

I ricercatori stanno da tempo seguendo con attenzione lo sviluppo di una tecnologia alternativa, rappresentata appunto dalla litografia e-beam, che almeno sulla carta è caratterizzata da una serie di vantaggi rispetto alle altre tecnologie. Trattandosi di un processo di incisione diretta, inoltre, viene a cadere la necessità di un photomask che, nella litografia odierna, rappresenta un elemento piuttosto costoso. Nella litografia di tipo e-beam è un fascio di elettroni, che attraversa il photoresist (il substrato sensibile alla radiazione) linea per linea, ad incidere il pattern che rapresenterà la circuiteria del chip. Nell'attuale fotolitografia è invece un fascio di luce, schermato opportunamente da una maschera, che va a colpire la superficie del chip in una sola volta. Per questo motivo la litografia e-beam è un processo particolarmente lento rispetto ad altre tecnologie.

Una strada per migliorare l'efficienza della litografia e-beam è di usare più fasci di elettroni contemporaneamente, ma resta comunque il problema di determinare quanto a lungo un fascio deve permanere su ciascun punto della superficie del photoresist.

Affinché il raggio si possa muovere più velocemente attraverso la superficie del resist, è necessario impiegare un fascio a bassa energia, in maniera tale che si possa ridurre il numero di elettroni necessari ad esporre il resist. Gli elettroni a bassa energia hanno però la tendenza a soffrire del fenomeno dello scattering (deflessione dovuta ad urto) quando passano attraverso il resist e vengono colpiti da elettroni a più elevata energia, disperdendosi man mano attraversano il resist. Per ridurre lo scattering i sistemi di litografia e-beam usano di solito fasci ad elevata energia, ma questo richiede resist appositi che siano in grado di sopportare elevate dosi di elettroni.

I ricercatori del MIT hanno dichiarato di aver usato due strategemmi per migliorare la risoluzione della litografia e-beam ad elevata velocità. Innanzi tutto è stato impiegato uno strato di resist più sottile, per cercare di contenere il più possibile lo scattering elettronico, in secondo luogo è stata utilizzata una soluzione contenente cloruro di sodio per "sviluppare" il resist, indurendo solamente quelle regioni che ricevono più elettroni.

Pieter Kruit, professore di fisica alla Delft University of Technology nei Paesi Bassi e co-fondatore di Mapper, un'azienda che ha costruito un sistema litografico costituito da 110 e-beam paralleli, ha dichiarato che in aggiunta alla più veloce operatività, i sistemi e-beam che fanno uso di fasci di minor energia sono più semplici da costruire: maggiori sono le dosi di elettroni, maggiore è il consumo, oltre a rendersi necessario un maggiore isolamento tra gli elettrodi. "E' necessario così tanto spazio che è impossibile costruire uno strumento" ha dichiarato Kruit.

Kruit è inoltre dubbioso sul fatto che i produttori impiegheranno esattamente il resist che i ricercatori del MIT hanno usato nei loro esperimenti. Sebbene lo scopo primario dei ricercatori fosse quello di trovare un resist in grado di reagire a basse dosi di elettroni, quello che hanno realizzato è "un po' troppo sensibile" secondo Kruit. Il professore spiega: "La quantità di elettricità che un elettrodo porta alla superficie di un chip varierà leggermente e se il resist è troppo sensibile a queste variazioni, l'ampiezza delle caratteristiche del chip varierà di conseguenza. Ma si tratta di modificare leggermente il resist, ed è ciò che le compagnie impiegate nella produzione di questi elementi fanno sempre".

Si tratta pertanto di una tecnica di produzione piuttosto interessante, con particolari vantaggi rispetto alle tecniche di produzione attuale (basti pensare all'eliminazione della photomask), che tuttavia almeno ad ora sembra ferma ad una fase puramente concettuale: la ricerca dovrà lavorare parecchio per riuscire a rendere la tecnologia e-beam commercialmente appetibile.