3.5. Технология и оборудование нетермической электронно-лучевой обработки

В нетермических процессах электронно-лучевой технологии используются явления радиационно-химических превращений в твердых телах. В результате изменяются состав или структура, механические и электрофизические свойства материалов.

При нетермическом воздействии возможны химические превращения, образование радиационных дефектов, электростатические воздействия, связанные с возникновением электрически заряженных областей и приводящие к появлению сил растяжения и сжатия.

Наиболее распространены в промышленности процессы, связанные с инициируемыми электронами химическими реакциями. В микроэлектронике это электронная литография, обработка электронно-чувствительных пленок для записи информации, обработка коллоидальных веществ для изготовления субмикронных масштабных элементов электронной микроскопии. Электронно-лучевая обработка используется также для разложения и синтеза металлоорганических соединений в производстве многослойных электропроводящих, полупроводниковых и диэлектрических структур и т. п. В других областях промышленности электронный луч применяют для полимеризации высокомолекулярных соединений (полиэтилен, полипропилен, полиамиды) в виде пленки и труб, для вулканизации каучука, отверждения лаковых пленок, разложения целлюлозы, стерилизации хирургических инструментов и пищевых продуктов.

По своей структуре полимеры подразделяются на линейные и пространственные (сетчатые). Линейные полимеры образуются последовательным присоединением мономеров в одном направлении. Линейной структурой обладают термопластичные полимеры (термопласты), они растворимы и могут существовать в жидком виде. При нагревании термопласты размягчаются, переходят в высокоэластичное, затем в вязкотекучее состояние, в этом состоянии термопластам придают определенную форму, далее охлаждают и таким образом получают изделия. К пространственным полимерам относятся реактопласты. Их молекулы соединены между собой поперечными химическими связями. При нагревании реактопласты не размягчаются, но термически разлагаются, поэтому формообразование изделий из реактопластов обычно совмещают с получением материала в ходе химической реакции между мономерами.

При воздействии потока быстрых электронов на полимеры возможны два основных процесса: полимеризация – реакция поперечного сшивания молекул мономера и деструкция полимерных цепей на более короткие. Оба процесса могут идти параллельно с преобладанием одного из них.

«Сшитый» полимер, который не растворяется в растворителях, называется гелем. Гель формируется не сразу, но лишь при получении полимером достаточной дозы облучения. Энергия облучения, при которой начинает образовываться нерастворимая сетка, называется дозой гелеобразования или гель-точкой. Оставшаяся растворимая фракция полимера называется золем.

В электронно-лучевой литографии полимерные материалы используются для изготовления электронорезистов, которые делят на позитивные и негативные. У позитивных резистов при проявлении удаляются за счет растворения экспонированные электронным лучом участки; у негативных удаляются не облученные электронами области резиста.

Электронно-лучевая литография – это процесс формирования рисунка требуемой структуры на подложке из материала резиста. Используются два метода экспонирования резиста электронным лучом: 1) одновременное экспонирования всего изображения, и 2) последовательное экспонирование отдельных точек сканированием луча. Оба метода обеспечивают высокую разрешающую способность, позволяющую формировать элементы с субмикронными размерами. Столь высокая разрешающая способность электронной литографии объясняется тем, что диаметр электронного луча можно сделать много меньше дифракционного предела, ограничивающего размеры фотолитографического изображения (порядка 2 мкм).

Электронно-лучевые системы литографии подразделяются на три класса: лучевые сканирующие, проекционные и гибридные. В лучевых сканирующих установках литография выполняется одним лучом или одновременно несколькими, при этом развертка осуществляется по всему растру либо векторно; в растровой литографии луч при движении по строке включается и выключается в зависимости от того, есть ли в этом месте строки рисунок. При векторном сканировании луч перемещается лишь по вырисовываемым элементам, поэтому такой метод производительнее. Еще большую производительность имеют проекционные системы, в которых получают копии заранее изготовленных шаблонов с одновременным перенесением всего рисунка шаблона на обрабатываемый объект, как в натуральную величину, так и с уменьшением. Шаблон (маску) можно изготовить только на растровой установке. В гибридных системах для повышения производительности применяют профилированные электронные потоки или проецирование символов, а также векторную развертку.

В растровых системах для формирования луча с поперечным размером порядка 0,1 мкм применяют точечные катоды: вольфрамовые V-образные с радиусом закругления 100 мкм, гексаборидлантановые с радиусом эмиссионной поверхности 10 мкм и автоэлектронные из нитевидных монокристаллов вольфрама с радиусом до 20 нм, однако последние нуждаются в более глубоком вакууме: до 10^-8 Па. На пути к объекту поперечный размер луча уменьшается расположенными последовательно двумя – тремя магнитными линзами. Угол расхождения потока уменьшают с помощью диафрагм, а также уменьшением силы тока луча. Например, при плотности тока катода 1 А/мм² и ускоряющем напряжении 15…30 кВ ток в сфокусированном пятне всего 10^-6 – 10^-10 А. Высокие требования предъявляются к качеству и точности систем отклонения и бланкирования (запирания) луча, из-за стремления уменьшить искажения площадь обработки ограничена размерами не более 2х2 мм². Типовые характеристики электронно-зондовых литографов: ускоряющее напряжение до 30 кВ, плотность тока луча 1…15 мА, минимальный размер элементов топологии 0,1…0.3 мкм, поле отклонения луча 1х1 мм², площадь обрабатываемых пластин 100х100 мм².