La litografia por haz de electrones (Electron Beam Lithography, EBL) se ha consolidado como una de las tecnicas mas eficaces que permiten definir motivos en el rango nanometrico. Su implantacion ha permitido la nanofabricacion de estructuras y dispositivos para su uso en el campo de la nanotecnologia y la nanociencia. La EBL se basa en la definicion de motivos submicronicos mediante el rastreo de un haz energetico de electrones sobre una resina. La naturaleza de los electrones y el desarrollo the haces extremadamente finos y su control preciso establecen la plataforma ideal para los requerimientos de la Nanofabricacion. El uso de la EBL para el desarrollo de un gran numero de nanoestructuras, nanodispositivos y nanosistemas ha sido, y continua siendo, crucial para las aplicaciones de produccion de mascaras, prototipaje o dispositivos discretos para la investigacion fundamental. Su exito radica en la alta resolucion, flexibilidad y compatibilidad de la EBL con otros procesos de fabricacion convencionales. El objetivo de esta tesis es el avance en el conocimiento, desarrollo y aplicacion de la EBL en las areas de los micro/nanosistemas y la nanoelectronica. El presente documento refleja parte del trabajo realizado en el Laboratorio de Nanofabricacion del Instituto de Microelectronica de Barcelona IMB-CNM-CSIC durante los ultimos cinco anos. Debido a la falta de experiencia previa en el IMB en la utilizacion de la EBL, ha sido necesario el desarrollo y consolidacion de una serie de procesos, lo que ha condicionado parcialmente la investigacion, tal y como recoge la memoria. Entre los aspectos relevantes compilados en esta tesis, en cuanto a innovacion tecnologica, cabe destacar diversos avances en procesos tecnologicos basados en la EBL. Una nueva resina de tono negativo ha sido caracterizada y disponible para su uso en nanofabricacion. La optimizacion de la EBL se ha llevado a cabo mediante metodos de correccion del efecto de proximidad. Se ha establecido el proceso de integracion de estructuras nanomecanicas en circuitos CMOS, asi como la fabricacion de dispositivos basados en nanotubos de carbono. En concreto, el primer FET basado en un solo nanotubo de carbono fabricado en Espana. Finalmente, la compatibilidad y viabilidad de los metodos de fabricacion basados en haces de particulas se ha estudiado mediante el analisis del efecto de los haces de particulas cargadas sobre dispositivos. 	Por otro lado, esta memoria no solo contiene la descripcion de los principales resultados obtenidos, sino que pretende aportar informacion general sobre procesos de nanofabricacion basados en haces de electrones para ser utilizados en futuras investigaciones de este area.

Electron beam lithography for Nanofabrication

To create submicrometer patterns with high accuracy on thick single-layer negative resist, error factors that degrade pattern accuracy have been investigated. Pattern accuracy was analyzed using a new evaluation method based on the difference between the resist development energy and the exposure energy at points on the edge of each shape. By introducing a new evaluation parameter, we were able to clarify error factors from the exposure conditions, the proximity effect correction method, and the machine exposure fluctuation. The evaluation parameter K is Q/Q_{0} where Q is the exposure dose appropriate for the desired resist thickness and Q 0 is the interface gel dose. It was found that the resist resolution and the rounding error of the exposure dose were serious error factors, especially in delineation on submicrometer patterns. To achieve 0.5-µm patterns with ±0.1-µm accuracy on 1-µm-thick negative resist, the resist evaluation parameter K must be less than 2, the rounding error of the exposure dose must be less than 2.5 percent of the dose, and the beam addressing unit (LSB) must be less than 0.025 µm.

Analysis of pattern accuracy in submicrometer electron-beam direct writing

When applying a proximity-effect correction to VLSI patterning, the major challenge is to obtain a highly accurate pattern without excessive computation. A fast correction program that has two new techniques for the proximity effect has been developed for highly accurate VLSI patterning on a negative resist. The first technique is the effective definition of sample points where energy intensity is calculated to obtain a highly accurate pattern. The second is the use of the exposure-intensity reduction rate which corresponds to a change in the pattern dimensions to reduce the computation time. A pattern accuracy of ±0.1 µm and a uniform resist of the desired thickness were obtained. The computation time is proportional to the 1.2 power of pattern density.

N. Nakayama

Papers

Enhanced proximity-effect correction for VLSI patterns in electron-beam lithography