Tento rok uplynie presne 65 rokov od prvého demonštrovania, že elektróny možno využiť na kreslenie veľmi malých štruktúr s dovtedy nepredstaviteľnou presnosťou. V súčasnosti hrá litografia využívajúca elektrónový lúč nezastupiteľnú úlohu nielen pri výskume a vývoji nových typov súčiastok pre mikro- a nanoelektroniku, ale tiež pri výrobe optických masiek pre polovodičový priemysel.
S miernym nadsadením môžeme elektrónový lúč prirovnať k najmenšej a najjemnejšej ceruzke, ktorá je schopná kresliť ľubovoľné vzory s veľkosťou iba niekoľko nanometrov (1 nm = 10-9 m). Minimálna veľkosť a presnosť týchto vzorov závisí od viacerých faktorov, pričom kľúčovým je schopnosť sústrediť elektróny do čo najužšieho zväzku. Ďalej je podstatná energia, s akou elektróny dopadajú na vzorku, a tiež samotný materiál, do ktorého chceme vytvárať požadované vzory. Ale poďme na to postupne a najskôr si povedzme, čo vzniku elektrónovej litografie predchádzalo.
Začiatky elektrónovej litografie
Elektrónová litografia (EBL, z angl. electron-beam lithography) vznikla vďaka vynájdeniu skenovacieho elektrónového mikroskopu (SEM). Za jeho objavom stál v roku 1931 nemecký inžinier Ernst Ruska, ktorý najskôr preukázal, že magnetická cievka môže pôsobiť ako šošovka na usmernenie dráhy elektrónov.
Cieľom elektrónového mikroskopu bolo dosiahnuť omnoho väčšie zväčšenie, než dokáže poskytnúť optický mikroskop. Rozlíšenie mikroskopov totiž závisí od vlnovej dĺžky žiarenia, ktorým sa osvecuje pozorovaná vzorka, pričom platí, že čím je vlnová dĺžka kratšia, tým lepšie je rozlíšenie. E. Ruska s kolegami predpokladal, že ak dokáže urýchliť elektróny na vysokú rýchlosť a zároveň ich dostatočne sústrediť do úzkeho lúča, dosiahnu lepšie rozlíšenie ako optický mikroskop, ktorý využíva fotóny vo viditeľnom spektre.
Podľa de Broglieho teórie sa vedelo, že elektróny urýchlené napätím rádovo v desiatkach tisíc voltov majú vlnové dĺžky v rozsahu stotín až tisícin nanometra. A to je zásadný rozdiel v porovnaní s fotónmi s rozsahom 380 až 750 nm. Prvým prototypom síce dokázali svetu, že elektróny môžu byť použité na zobrazovanie hmoty, no sklamaním bolo iba 17-násobné zväčšenie. Nevzdali sa však a v roku 1933 dosiahli zväčšenie viac ako desaťtisíckrát, čo je 10-krát viac než poskytuje optický mikroskop. Tieto mikroskopy postupne zdokonaľovali viaceré výskumné pracoviská v Nemecku a začali sa aj komerčne predávať. V 50. rokoch vyrábali SEM mikroskopy iba tri štáty vrátane Československa. Súčasné SEM dokážu zväčšiť až miliónkrát a majú množstvo využití od biológie cez fyziku až po priemyselné aplikácie.
Rýchly rozvoj a využitie
Vráťme sa však k elektrónovej litografii. V roku 1958 publikovala dvojica vedcov Dudley A. Buck a Kenneth R. Shoulders prácu, v ktorej navrhli možnosť využiť elektróny ako nástroj pri výrobe integrovaných obvodov, pričom predpokladali šírku kreslenia na úrovni 100 nm. Vývoj integrovaných obvodov bol vtedy úplne na začiatku, pričom sa používala štandardná optická litografia. Tá na definovanie tranzistorov využívala sklené masky, cez ktoré sa požadovaný tvar prenášal na kremíkový substrát (wafer) osvetlením ortuťovou lampou vyžarujúcou modrofialové svetlo. V 60. rokoch obsahovali integrované obvody štruktúry na úrovni desiatok mikrometrov, takže myšlienka 100-násobného zmenšenia ich veľkosti bola lákavá. Vďaka predplatnému si ho však môžete dočítať už teraz a získať aj prístup k exkluzívnemu obsahu! Máte predplatné? Máte predplatné?
Celý článok nájdete v časopise Quark 6/2025.
Viac takýchto článkov a exkluzívneho obsahu môžete získať vďaka predplatnému.
Oddelenie fyziky a technológie nanoštruktúr
Elektrotechnický ústav SAV, v. v. i.
Pre viac informácií nás môžete kontaktovať prostredníctvom webovej stránky www.elu.sav.sk.
