L'utilisation d'un faisceau d'électrons pour tracer des motifs sur une surface est connue sous le nom de lithographie par faisceau d'électrons. On parle également de lithographie électronique. Par rapport à la photolithographie, l'avantage de cette technique est qu'elle permet de repousser les limites de la diffraction de la lumière et de dessiner des motifs avec une résolution pouvant aller jusqu'au nanomètre. Cette forme de lithographie a trouvé diverses formes d'application dans la recherche et l'industrie des semi-conducteurs et dans ce qu'il est convenu d'appeler les nanotechnologies.

Vue d'ensemble La lithographie électronique implique un faisceau d'électrons qui doit être adressé précisément dans la zone que l'on veut impressionner. Bien que des concepts de projection analogues à ce qui est pratiqué en photolithographie aient été explorés, il s'agit, en pratique, d'un procédé purement sériel, nécessairement long, comparé à une technique parallèle comme la projection de masque utilisée couramment en photolithographie et pour laquelle la surface entière est impressionnée simultanément M.A. McCord, M. J. Rooks, SPIE Handbook of Microlithography, Micromachining and Microfabrication, 2000, chapitre 2.

Si la lithographie par faisceau d'électrons souffre d'un handicap lorsqu'il s'agit de produire des circuits intégrés dans une unité de fabrication de semi-conducteurs, elle est au contraire devenue la technique de référence pour la génération, c'est-à-dire l'écriture, de masques pour la photolithographie. L'écriture sérielle par faisceau d'électrons est également couramment utilisée pour la réalisation de circuits prototypes pour lesquels la réalisation d'un masque destiné aux productions de grands volumes ne s'impose pas.

On peut faire de la lithographie électronique avec des systèmes spécialisés qui permettent d'obtenir un débit relativement élevé avec la possibilité de conserver une bonne résolution. Typiquement, elle permet de réaliser des lignes de 20 nanomètres sur une zone plus grande que le centimètre carré. S'il s'agit simplement de réaliser des dispositifs sur des zones modestes de quelques millimètres carrés, on peut utiliser un simple microscope électronique à balayage équipé d'un accessoire de lithographie qui permet de contrôler le balayage du faisceau pour réaliser des motifs.

Une difficulté à surmonter pour réaliser des circuits entiers dont la densité est aléatoire est l'« effet de proximité » qui limite pratiquement à les largeurs de ligne minimum que l'on peut obtenir avec la lithographie électronique.

Avec les derniers développements de l'optique électronique, ce n'est pas un problème de produire un faisceau d'électrons plus petit que . La limitation de la dimension des spots électroniques résulte des aberrations géométriques et des interactions coulombiennes dans le faisceau (voir cette partie de cet article). Cependant, la résolution pratique de la lithographie par faisceau d'électrons n'est pas déterminée par la taille du spot électronique, mais par l'élargissement du faisceau dans la résine sensible aux électrons du fait des interactions électron-matière N. Broers et al., Microelectronic Engineering, vol.32, 1996, p.131-142.

Histoire et concepts Les limites de la lumière Dès les débuts de l'industrie des semi-conducteurs et du procédé planar, il est clair que le progrès des circuits intégrés se fera en réduisant les dimensions des composants. Cette tendance sera exprimée par la fameuse Loi de Moore, en 1965. Mais cette réduction des dimensions semble limitée par la longueur d'onde des sources de lumière utilisées pour l'opération de photolithographie, essentielle dans la technologie planar.

De la même façon qu'une instrumentation très proche de la microscopie optique permet de réaliser l'impression d'images sur un substrat recouvert d'une couche photosensible, on parle alors de photolithographie, l'idée d'une lithographie à faisceau d'électrons a suivi de très près l'apparition des premiers microscopes électroniques. Dès 1958, un chercheur du Stanford Research Institute, K.R. Shoulders imaginait de réduire par des moyens de l'optique électronique l'image d'un masque disposé dans une colonne électronique et de projeter cette image sur un échantillon enduit par exemple d'une couche de triphénylsilanol. La zone impressionnée par le faisceau d'électrons se transforme en un masque de dioxyde de silicium lorsqu'elle est portée à Olivier C. Wells, Electron Beam in microelectronics, in Introduction to Electron Beam Technology, Robert Bakish editor, Wiley, 1962, p.371-72 P.R.Thornton, Scanning Electron Microscopy, Chapman and Hall, 1968, p.348. Dès 1962, Wells émet l'idée d'utiliser des résines photosensibles et de piloter directement le faisceau électronique d'un microscope à balayage Olivier C. Wells, Electron Beam in microelectronics, in Introduction to Electron Beam Technology, Robert Bakish editor, Wiley, 1962, p.374.

Le temps du « Flying spot »

À partir de 1965, les laboratoires d'un certain nombre de grandes sociétés réalisent des transistors dont la largeur de grille est égale ou inférieure au micromètre. En 1965, Beer aux Mullard Research Lab (Philips) de Redhill, en Angleterre, effectue dans une colonne électronique la réduction d'un masque, mettant en œuvre avec un faisceau d'électrons le même concept de projection d'une image d'un masque de la photolithographie A.F. Beer et al, The preparation of High Resolution Silica Diffusion Barriers by an Electron Stimulated Reaction, 2nd Int. Conf, El & Ion Beam Sci & Technol., New-York, 1966.

Beer et ses collègues voulaient montrer que la lithographie par faisceau d'électrons rendait possible la réalisation de transistor MOS à grille courte, mais la réduction d'un masque n'était pas la bonne voie. Assez vite, les ingénieurs vont tirer parti de l'avantage offert par les faisceaux d'électrons, leur sensibilité aux champs électriques ou magnétiques qui permet de les piloter assez facilement pour réaliser un dessin donné. C'est l'époque où les microscopes électroniques à balayage (MEB) se répandent de façon fulgurante dans les labos de recherche, et le faisceau d'électrons des MEB est le pinceau idéal pour dessiner des circuits.

Cependant, dans les années soixante, les MEB ne sont pas encore contrôlés par ordinateur, et la façon la plus simple de contrôler le faisceau d'électrons d'un MEB reste le procédé du « Flying Spot » qui nécessite encore la réalisation d'un masque. En 1966, un transistor bipolaire ayant un contact d'émetteur de est réalisé aux laboratoires de Westinghouse à Pittsburgh aux États-Unis M.W.Larkin et R.K.Matta, The Electron Beam Fabrication of Small Geometry Transistors, Solid State Electronics, Pergamon Press 1967, vol 10, p.491-496. La résine utilisée est l'AZ1350, la même que celle utilisée en photolithographie.

En 1968, les laboratoires Mullard présentent, toujours par la technique, la réalisation d'un transistor MOS dont la largeur de grille est de , et en 1969, T.H.P.Chang, de la société Cambridge Instruments, pionnière dans la microscopie à balayage, présente un système de « Flying Spot » comme accessoire de son célèbre MEB Stereoscan. Mais la même année, M.Hatzakis et A.N.Broers, du Thomas J. Watson Research Center d'IBM, présentent une machine à faisceau d'électrons conçue spécialement pour la lithographie. Le dessin à écrire sur le circuit est enregistré dans un ordinateur qui contrôle la déflexion du faisceau d'électrons, le temps du Flying Spot est terminé.

Broers et Chang sont tous les deux issus du laboratoire de l'Université de Cambridge où Charles Oatley avait mené ses travaux sur le MEB. Un autre étudiant de ce laboratoire, Fabian Pease, ira développer un instrument aux Bell labs.

Les machines à « faisceau gaussien » et « adressage vectoriel » (Vector scan) À la fin des années soixante, on compte déjà par dizaines le nombre de transistors présents sur un circuit intégré. La conception assistée par ordinateur (CAO) devient couramment utilisée dans l'industrie des semi-conducteurs et le codage du dessin d'un niveau de circuit est généré d'abord sous forme numérique. Les machines de lithographie à faisceau d'électrons qui sont développées sur le modèle de la machine de Broers sont toutes équipées d'un ordinateur. Leur optique électronique est également optimisée pour les besoins de la lithographie qui sont différents de ceux de la microscopie: en lithographie, il est nécessaire que les différentes « aberrations » soient minimisées sur un champ d'écriture si possible aussi grand que la taille du circuit. En fait, l'utilisation pour déplacer la tranche de silicium, de tables mécaniques contrôlées par interférométrie laser, va permettre de découper le dessin d'un circuit en plusieurs zones avec de très bonnes précisions de raccordement. La première machine de lithographie équipée d'une interférométrie laser a été conçue par Jacques Trotel, quand il travaillait sous la responsabilité d'Olivier Cahen, au Laboratoire central de recherches (LCR) de Thomson-CSF. La superposition précise des masques successifs sur le même support était réalisée grâce à des interféromètres laser, qui donnaient un signal sous forme de nombre de quarts d'onde, par lequel on compensait en boucle ouverte l'erreur de positionnement de l'échantillon par une déviation du faisceau électronique. Ce modèle d'équipement a été vendu trois fois à l'exportation.

Une deuxième version, par images électroniques à échelle réduite de fentes de dimensions variables, étudiée ultérieurement par la même équipe, à l'initiative et sous la responsabilité de Georges Pircher, a été un échec total.

Comme dans les microscopes électroniques, le spot que l'on projette sur l'échantillon est la réduction d'une source dont on présume qu'elle a un profil obéissant à une loi de Gauss. On appelle ces machines « à faisceau Gaussien ». Par définition, une machine à faisceau gaussien n'écrit qu'un pixel à la fois.

Dans le courant des années soixante-dix, la plupart des laboratoires de recherche impliquées dans le domaine des composants électroniques, electroacoustiques ou électro-optiques s'équipent en machines de lithographie de type « vector Scan » et sont donc en mesure de réaliser des dispositifs et des circuits « submicrométriques ». À cette époque, les largeurs de ligne dans les unités de fabrication de circuits intégrés sont de , alors qu'elles étaient de cinq ans auparavant. La croyance est répandue que les procédés basés sur la photolithographie ne pourront pas descendre en dessous du micromètre, ordre de grandeur de la longueur d'onde de la lumière visible qui correspond au spectre des illuminateurs dont sont équipées les machines de photolithographie. L'avenir serait radieux pour la lithographie électronique si le temps d'écriture nécessaire pour couvrir entièrement une tranche de silicium de trois pouces est largement supérieur à celui des machines optiques : là où les machines « vector scan » écrivent pixel par pixel, les machines optiques projettent l'image d'un masque unique sur toute la surface de la tranche.

Machines à balayage (Rasterscan)