Elektronu kūļa litogrāfija (EKL; electron-beam lithography, EBL) ir fundamentāls nanotehnoloģiju process, kurā selektīvi tiek noņemts materiāls, izveidojot vēlamās struktūras. EKL izmanto fokusētu elektronu kūli, lai veidotu struktūras uz parauga, kas pārklāts ar elektronu jutīgu rezistu, izmantojot tiešās rakstīšanas metodi.

EKL sistēmas centrālā sastāvdaļa ir fokusēts elektronu kūlis, kura izmantojuma pirmsākumi meklējami 20. gs. sākumā, piemēram, katodstaru lampās, kas tika lietotas pirmo televizoru ekrānos. Taču būtiska loma litogrāfijas attīstībā bija skenējoša elektronu mikroskopa (SEM) parādīšanās 20. gs. 60. gados, jo tā uzbūve un darbības princips ir līdzīgs EKL iekārtām. Savukārt fokusētu elektronu staru izmantošana mikrostruktūru un nanostruktūru veidošanai sākās līdz ar elektronjūtīgu rezistu parādīšanos.

EKL attīstība sākās 20. gs. 60. gados, un tā ir cieši saistīta ar optisko litogrāfijas metožu attīstību. Nozīmīgākie atklājumi EKL attīstībā:

• 1958. gads – Masačūsetsas Tehnoloģiju institūta (Massachusetts Institute of Technology, MIT) zinātnieku pirmais pētījums, kurā izmantoti elektronu inducēta oglekļa piesārņojuma (kontaminācijas) izmantošana kodināšanas maskām ar augstu izšķirtspēju;

• 1965. gads – 100 nanometru [nm] struktūru izgatavošana ar elektronu kūli;

• 1968. gads – polimetilmetakrilāts (PMMA) tiek izmantots kā elektronjutīgs rezists;

• 1970. gads – izveidota 150 nm skaņas virsmas viļņu ierīce ar PMMA rezistu;

• 1972. gads – izveidotas 60 x 60 nm platas alumīnija līnijas uz silīcija virsmas ar EKL.

Neskatoties uz 20. gs. 80. gadu sākotnējām cerībām, ka EKL pārspēs optisko litogrāfiju, četras desmitgades vēlāk (21. gs. 20. gados) EKL nav pilnībā aizstājusi optisko litogrāfiju. Šobrīd abu metožu attīstība ir izveidojusi savstarpēji papildinošu modeli, un tiek izskatīts, ka tuvākajā nākotnē joprojām aktīvi tiks izmantotas abu veidu litogrāfijas.

EKL izmanto elektronu kūli, lai mainītu speciāla polimēra (rezista) īpašības, tajā veidojot mikrometru vai pat nanometru izmēra struktūras. Mazāko iespējamo struktūru izmēru jeb izšķirtspēju nosaka elektronu kūļa viļņa garums.

Elektronu staru kūlis būtībā var tikt uzskatīts par lādētu daļiņu, un, saskaņā ar viļņu un daļiņu dualitātes teoriju, tā viļņa garums ir

$$\lambda_{e}=\frac{hc}{E}=\frac{1226}{\sqrt{U}}nm.$$

Elektronu staru viļņa garums E: h = 6,626·10^-34 [J·s] – Planka konstante; c = 2,998·10⁸ [m/s] – gaismas ātrums vakuumā; E [J] – elektrona enerģija; U [V] – pievadītais spriegums voltos.

No tā var secināt, ka, palielinot elektronu staru paātrinošo spriegumu, elektronu kūļa viļņa garums kļūst mazāks, kas ir tieši saistīts ar iespējamo izšķirtspēju. Tāpēc elektronu viļņa garums pie 100 kilovatu [kV] paātrinošā sprieguma sistēmas ir 0,12 nm, kas ir pamatā litogrāfijas metodes augstajai izšķirtspējai. Tradicionālajā elektronu staru litogrāfijā izmanto tiešās rakstīšanas režīmu, kas arī ir svarīgs faktors pašreizējās elektronu staru litogrāfijas relatīvi zemajai efektivitātei. Tiešās rakstīšanas metode ir relatīvi vienkārša, un tai nav nepieciešamas iepriekš veidotas maskas.

Elektronu staru kūlis, mijiedarbojoties ar rezistu, izraisa polimēra (rezista) starpmolekulāro saišu pārrāvumu vai veido šķērssaites starp molekulām, lai pēc rezista attīstīšanas veidotu selektīvas struktūras. Tomēr elektronu kūļa izkliedes dēļ, kad tas iedarbojas uz materiālu, process ir daudz sarežģītāks nekā optiskās litogrāfijas gadījumā, tādējādi sasniegt teorētisko izšķirtspēju ir grūti un tiešās rakstīšanas procesā nepieciešams veikt vēl daudz korekciju.

EKL ir radusies no skenējošās elektronu mikroskopijas, un tās pamatā ir fokusēta elektronu kūļa skenēšanas princips. EKL sistēma sastāv no trim pamatkomponentēm: elektronu lielgabala, elektronu fokusēšanās sistēmas, elektronu kūļa novirzītāja un palīgkomponentēm, piemēram, vakuuma sistēmas, paraugu galdiņa vadības sistēmas u. c.

Elektronu lielgabalu izmanto, lai ģenerētu elektronus, ko var kontrolēt un fokusēt. Parasti izmanto lauka emisijas avotu, jo tas spēj nodrošināt augstu kūļa stabilitāti un salīdzinoši lielu strāvas stiprumu. Elektronu kūļa fokusēšana un novirzīšana tiek veikta kolonnā, kas sastāv no magnētiskajām lēcām, elektronu kūļa noliecēja, apertūras un citu komponenšu virknes, kas fokusē elektronus uz parauga ar rezista pārklājumu.

Rezists ir pret kodināšanu izturīgs materiāls (visbiežāk polimērs), kura šķīdība mainās pēc iedarbības ar ultravioleto gaismu, elektronu kūli, rentgenstariem vai citiem apstarošanas veidiem. Galvenie parametri, kas ir svarīgi, izvēloties rezistu, ir tā jutība, kontrasts, izšķirtspēja un izturība pret kodināšanu.

Jo lielāka rezista jutība, jo mazāka ir nepieciešamā ekspozīcijas deva (apstarošana). Ekspozīcijas devu ietekmē arī elektronu kūļa paātrinošais spriegums, substrāta materiāls un izmantotais attīstītājs. Savukārt kontrasts nosaka to, kādas būs struktūru malas, – vai tās būs pietiekami asas un stāvas, kas ir svarīgs faktors nelielu struktūru izveidei. Izšķirtspēja raksturo mazākās iegūstamās struktūras izmēru vai minimālo attālumu starp struktūrām. Izturība pret kodināšanu ir svarīga, lai gadījumos, kad pēc EKL procesa ir paredzēta slapjā vai sausā kodināšana, rezists savas īpašības nemainītu. Tāpat ir vēl citi parametri un rezista īpašības, kas var ietekmēt tā pielietojamību – adhēzija, blīvums, izplešanās efekti, uzglabāšanas laiks u. c.

EKL ir būtisks rīks pētniecības laboratorijās, lai raksturotu jaunus materiālus, ierīces un parādības mikromērogā un nanomērogā. Tā ļauj radīt pielāgotas struktūras, lai pētītu fundamentālas materiālu īpašības un parādības gan fizikā un ķīmijā, gan materiālzinātnē kopumā.

EKL ir plaši pielietota dažādās jomās – galvenokārt mikrostruktūru un nanostruktūru ražošanai ar augstu precizitāti. Dažas bieži sastopamas pielietojuma jomas ir:

• pusvadītāju ražošana – EKL tiek plaši izmantota pusvadītāju ražošanā, lai radītu sarežģītas struktūras un elementus silīcija pamatnēm, piemēram, precizitātes masku izgatavošanā integrālām shēmām, tās augstās izšķirtspējas un tiešās rakstīšanas veida dēļ;

• fotonika un optoelektronika – EKL fotonikā tiek izmantota, lai ražotu viļņu vadus, difrakcijas režģus un citas optiskās komponentes ar submikronu izšķirtspēju, kas ir būtiskas telekomunikācijās, medicīniskajā attēldiagnostikā un citās nozarēs;

• mikroelektromehāniskās sistēmas (MEMS) un nanoelektromehāniskās sistēmas (NEMS) – MEMS un NEMS balstās uz EKL, lai radītu miniatūras mehāniskās un elektromehāniskās ierīces, kā žiroskopus, akselometrus, rezonatorus.