35412

ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВАЯ ЛИТОГРАФИЯ

Реферат

Физика

Плотность тока при экспозиции составляет около 105 А см2 в случае использования фотокатодов из йодида цезия имеющего наибольший срок службы. В этом случае освещающий луч фокусируется на маске а не проходит через нее освещая ее целиком как это имеет место в проекционной системе. Ходом луча управляет специальный микропроцессор или ЭВМ. Результаты этого пооцесса получаются удовлетворительными только в том случае если отверстия в резисте имеют подтравленные стенки.

Русский

2013-09-09

331.82 KB

130 чел.

                                                            ВВЕДЕНИЕ

Процесс фотолитографии достиг в настоящее время высокой степени совершенства. На современных автоматических линиях пластины кремния обрабатываются без участия человека. Однако разрешающая способность ФЛ достигла теоретического предела, равного ширине линии в 0,8 ... 1 мкм. Для создания субмикронных размеров линий необходимо переходить к другим методам облучения резистов, используя другие длины волн излучения, например облучение электронами, рентгеновскими квантами и ионами. Эти методы объединяются под одним общим названием элионной литографии.

Элионная литография (ЭЛ) позволяет расширить пределы ФЛ за счет более высокой разрешающей способности. Поскольку длина волны электронов при энергии 10 ... 25 кэВ меньше 10-4 мкм, а длина волны рентгеновского излучения 2 ... 10 им, то дифракционные и интерференционные эффекты пренебрежимо малы. Разрешающая способность ЭЛ ограничивается аберрациями отклоняющих систем и взаимодействием частиц друг с другом.

                                ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВАЯ ЛИТОГРАФИЯ

Известны две принципиально различные системы ЭЛЛ: проекционная и сканирующая.

Для производства ИМС разработаны два типа проекционных систем: с сохранением размеров изображения (рис..1,а) и уменьшением (редуцированном) его (рис.1,6). В системе первого типа используется фотокатод, маскируемый топким металлическим рисунком. Фотоэлектроны, эмитируемые катодом, попаданием на образец (анод) ускоряются приложенным между катодом и образцом напряжением порядка 20 кВ. Однородное магнитное поле фокусирует эти электроны на образец без увеличения размеров изображения.

Положение изображения детектируется путем собирания характеристического рентгеновского излучения от меток на пластине детекторами рентгеновских лучей. Во время этой процедуры фотокатод маскируют так, что освещенными остаются только метки совмещения. Посредством магнитной отклоняющей системы изображение помещается в заданное место  с погрешностью 0,1 мкм. Плотность тока при экспозиции составляет около 10-5 А/см2 в случае использования фотокатодов из йодида цезия, имеющего наибольший срок службы. Время экспозиции для резиста с чувствительностью 10-5  Кл/см2 равно 1 с. Основной аберрацией, ограничивающей разрешающую способность системы, является хроматическая аберрация. Теоретическая оценка минимальной ширины линий дает для этой системы значение 0,5 ... ... 1 мкм.

Поскольку пластина—часть системы, формирующей изображение, то нарушение ее плоскостности приводит к искажению изображения. Для удовлетворительной работы системы осуществляют электростатический прижим пластины. Еще один источник погрешностей возникает из-за того, что рассеянные образцом электроны ускоряются и опять попадают на пластину, что приводит к появлению фона, снижающего эффективную контрастность изображения. Проекционная система редукционного типа (см. рис.1,6) представляет собой электронно-оптический вариант проекционной редукционной оптической камеры. Специальное электронно-оптическое устройство освещает свободно подвешенную маску и формирует ее резко уменьшенное изображение на пластине. При десятикратном уменьшении диаметр обрабатываемого поля составляет 3 мм, а минимальная ширина линии—0,25 мкм.

      Для совмещения рисунков используется сканирующий режим работы установки. В этом случае освещающий луч фокусируется на маске, а не проходит через нее, освещая ее целиком, как это имеет место в проекционной системе. Сфокусированный луч сканирует маску, а его изображение сканирует образец. Для детектирования положения изображения собираются электроны, рассеянные от образца, и затем проводится коррекция сдвигом проектируемого изображения отклоняющими катушками, расположенными между двумя проекционными линзами.

          Необходимость изготовления масок сдерживает развитие проекционного редукционного метода в производстве ИМС.

         Сканирующая ЭЛЛ является методом непосредственного вычерчивания электронным лучом рисунка ИМС с высокой разрешающей способностью. Ходом луча управляет специальный микропроцессор или ЭВМ. Сканирующие системы менее производительны, чем проекционные. Выбор того или иного метода ЭЛЛ зависит только от требований, предъявляемых к размерам ИМС, и от экономических показателей процесса.

РЕЗИСТЫ ДЛЯ ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОЙ   

                     ЛИТОГРАФИИ

Полностью реализовать потенциальные возможности ЭЛЛ можно лишь при использовании специальных “электронных” резистов—электронорезистов. Эти резисты подобно фоторезистам представляют собой растворы электроночувствительных веществ в полимерах. Качество электронорезистов определяется их чувствительностью, разрешающей способностью, совместимостью с процессами изготовления рисунка.

Чувствительность резиста (Кл/см2) зависит от величины минимального электрического заряда, приходящегося на единицу площади, необходимого для полного проявления резиста. Полное проявление должно достигаться без заметного изменения толщины экспонированных (для негативных) или неэкспонированных областей (для позитивных резнстов).

   Таблица 2. Основные характеристики электронных резистов

Совместимость с процессами формирования рисунка включает такие характеристики резиста, как химическую стойкость, адгезию к подложке, температурную стабильность изображения на резисте, стойкость к ионно-плазменным или плазмо.химическим методам травления и т. п.

Основные характеристики некоторых материалов, применяемых в качестве электронных резистов, представлены в табл.1.

Негативный резист обладает более высокой чувствительностью. Однако рисунок, проявленный в нем, имеет наклонные боковые стенки, что препятствует использованию негативных резистов для процессов, где требуются крутые или “нависающие” подтравленные стенки.

Для обоих типов резистов разрешающая способность определяется рассeянием электронов в слое резиста и обратным рассеянием от подложки, а не самим материалом резиста. Если требуется получить большое значение отношения толщины к ширине линии, то лучшую разрешающую способность обеспечивает применение позитивного резиста в сочетании с “взрывным” или “отслаивающим” травлением.

При взрывной литографии на поверхность кремниевой пластины через отверстия в слое резиста наносят слой нужного материала. Часть его при этом осаждается поверх резиста. Впоследствии эту часть удаляют путем погружения пластины в травитель, предназначенный для снятия резиста. Результаты этого пооцесса получаются удовлетворительными только в том случае, если отверстия в резисте имеют подтравленные стенки.

При жидкостном, ионном или ионно-плазменном травлении часто используют негативный резист с характерными для него пологими стенками рельефа рисунка. В этом случае можно реализовать более высокую чувствительность резистов. Резист с проявленным рисунком защищает лежащую под ним пленку нужного материала.

Исследования в области резистов ведутся очень активно. Основное внимание уделяется повышению чувствительности резистов, контрастности и резкости  края.

При экспонировании резистов электронным лучом с энергией 15 ... 20 кэВ электроны, проходя слой резиста, разрывают химические связи молекул, и молекулы полностью перестраиваются. Электроны разной энергии имеют разную эффективность воздействия на резисты. Например, электроны с энергией 15 кэВ более эффективны, чем электроны с энергией 20 кэВ. Объясняется это тем, что электроны с высокой энергией при прохождении через пленку резиста теряют в соударениях с ее молекулами энергию, недостаточную для химических превращений молекул резиста. Они как бы перескакивают электронорезист.

Потеря энергии движущимся электроном при неупругих столкновениях определяется по уравнению

(1)

где Е, х, е — энергия, текущие пробег в резисте и заряд электрона соответственно; Ne концентрация электронов в резисте; Еион — энергия, необходимая для создания ионизированной пары в резисте и равная 78,2 эВ для газообразного этилена, облучаемого электронами; для различных углеводородных резистов значение этой величины колеблется в пределах 73,5 ... 80,3 эВ и не зависит от их агрегатного состояния.

Интегрируя уравнение (1) в пределах от 0 до R, получаем

Отсюда конечный пробег электрона в резисте

                                                    (2)

Расчет пробега электронов в резисте по уравнению (2) дает результаты, удовлетворительно совпадающие с экспериментальными данными для негативных резистов, что видно из табл.2.

Существенную роль при экспонировании резиста играют коэффициенты вторичной электронной эмиссии и неупруго отраженных электронов от подложки.

Таблица 2. Сравнение расчетных и экспериментальных данных пробега электрона в резисте

Неупругие соударения электронов с молекулами резиста способствуют возбуждению и ионизации последних. В отличие от фотонов, которые возбуждают молекулу фоторезиста лишь в том случае, когда энергия кванта равна энергии возбуждения данного уровня, электрон возбуждает молекулу, имея любую энергию, превышающую энергию возбуждения данного уровня. Эти возбуждения приводят к последующей полимеризации молекул резиста. Затраты энергии на полимеризацию электронным пучком в 3 раза меньше энергии, необходимой для экспонирования светом.

Внутреннее облучение слоя резиста и вторичная электронная эмиссия вызывают увеличение ширины линии рисунка, формируемого на резисте. В последние годы были, однако, разработаны электронорезисты. мало чувствительные к внутреннему облучению.

Одним из основных параметров, ограничивающих разрешающую способность ЭЛЛ, остается толщина пленки резиста. Как правило, минимальная ширина линии, получаемая после проявления, складывается из толщины резиста и диаметра пятна луча. Например, при толщине слоя резиста 0,2 мкм и диаметре пятна луча 0,4 мкм можно получить ширину линии 0,6 мкм.

Выбор более тонких слоев резиста ограничен его маскирующими свойствами (отсутствием проколов, химической стойкостью к травителю и др.). Таким образом, разрешающая способность ЭЛЛ во многом зависит от минимальной толщины пленки резиста, обеспечивающей удовлетворительное маскирование для данного ТП формирования структуры ИМС, и от диаметра электронного луча.

                         ОСНОВНЫЕ СИСТЕМЫ ЭКСПОНИРОВАНИЯ ПРИ

                                ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОЙ ЛИТОГРАФИИ

Экспонирование при ЭЛЛ осуществляется электронно-лучевой установкой (ЭЛУ) (рис. 2). В состав ЭЛУ входят: электронно-оптическая колонна; система управления лучом; устройства ввода и обработки данных; вспомогательные системы для обслуживания колонны; интерфейс.

Электронно-оптическая колонна—главная часть ЭЛУ. Она состоит из: источника электронов (катода), одной или более электронных линз, устройства выключения (блокирования) луча, ограничивающих апертур и отклоняющей системы. Перечисленные элементы можно поразному размещать в колонне в зависимости от назначения установки и особенностей ее конструкции.

Линзы формируют круглый или квадратный луч, который независимо от формы сечения должен иметь оптимальное для данного процесса распределение интенсивности.

Радиус пятна вычисляется по формуле

R=(B/π)1/4(jл.β)3/8

где В—постоянная сферической аберрации последней конденсорной линзы; jл —плотность тока луча; ?=jэeU/(kT)- яркость луча (jэ—плотность катодного тока эмиссии; е—заряд электрона.

                 Рис.2. Функциональная схема электронно-лучевой установки:

1—источник электронов (электронная пушка); 2 — устройство формирования луча

колонна); 3 — электронный луч; 4 — приемная камера со столиком для подложки

Uускоряющее напряжение; kпостоянная Больцмана; Т— (температура катода).

При типичных величинах Jэ=5 А/см2; U=30 кВ; T=3000 К;

В=20 см  минимальный диаметр пятна луча составляет: ~0,3 мкм при i=l0-7 А; ~0,1 мкм при i=10-8 A; ~0,005 мкм при i=10~12 А. Однако реальный размер пятна экспонирования превышает эти значения из-за рассеивания электронов в материале, отражения их от подложки и вторичной электронной эмиссии. Все эти эффекты воздействуют на резист, ухудшая разрешающую способность процесса.

Поскольку длина волны электронного луча, нм,

λэл=           (4)

на несколько порядков величины меньше длины волны УФ-излучения (для U=30 кВ λэл=50 нм.уф =38300 нм), то явления дифракции и интерференции не влияют на разрешающую способность ЭЛЛ.

На рис.3 показаны два варианта формирования луча в колонне. На рис.3,а(формирование круглого луча) электронное изображение проецируется на мишень тремя уменьшающими линзами (конденсорами) с двумя промежуточными плоскостями изображения. Первая ограничивающая луч апертура помещена

                      Рис. 3.                                                                  Рис. 4.

Рис. 3. Оптические схемы формирования луча круглого (а) и квадратного (б) сечении:

1—источник электронов; 2апертура рассеяния; 3, 5 и 8—первая, вторая и третья уменьшающие линзы; 4—гашение луча; 6—апертура, ограничивающая луч; 7—отклоняющее устройство; 9 мишень; 10 конденсорная линза; 11—квадратная формирующая апертура; 12 оконечная линза

Рис. 4. Схемы сканирования лучей  круглого (а) н квадратного (б, в) сечений

сразу за электронной пушкой. Она задерживает периферийные электроны луча, с тем чтобы они не ударялись о стенки колонны и не создавали электронного облака с низкой плотностью носителей заряда вокруг основного электронного пятна на мишени. Назначение второй ограничивающей апертуры, расположенной после второго конденсора, аналогично—отсечь электроны на краях луча. Из-за поперечной составляющей теплового движения электронов распределение плотности тока в пятне будет гауссовским.

Топология ИМС складывается обычно из прямоугольников. Такой рисунок можно лучше сформировать, используя луч с квадратным сечением (рис. 3,6). Квадратная апертура встроена в первую линзу. Последующие линзы проецируют электронное изображение этой апертуры на мишень, формируя таким образом квадратное пятно. Под действием магнитных линз происходят фокусировка луча и поворот траекторий движения электронов. Для того чтобы предотвратить вращение пятна на мишени,

необходимо тщательно стабилизировать токи, текущие в катушках линз, расположенных после апертуры.

На рис. 4 схематически показано растровое сканирование лучей круглого и квадратного сечений.

Квадратное пятно шагами сканирует поле, разделенное сеткой, передвигаясь с помощью магнитного и электрического отклонений от одного узла сетки к другому (рис. 4,в). После завершения сканирования поля стол с пластиной перемещается так, чтобы в области отклонений луча оказывалось соседнее, еще не экспонировавшееся поле пластины. Данный способ сканирования позволяет получать изображение с той же резкостью края, что и резкость края луча. Эта резкость определяется расстоянием от края пятна, на котором интенсивность луча возрастает от 10 до 90% своего максимального значения (см. рис. 4,а).

Электронный луч фокусируется на поверхность образца двумя или более линзами, поэтому его размер можно регулировать изменением фокусных расстояний электронных линз. Чтобы получить хорошую четкость линий, диаметр луча выбирают обычно равным одной пятой минимальной ширины линии на рисунке, а размер квадратного сечения луча—минимальной ширине линии. Эквивалентная разрешающая способность экспонирования обеспечивается тем, что распределение интенсивности в луче квадратного сечения между точками, соответствующими 10 и 90 % интенсивности, выбирается эквивалентным гауссовскому распределению, определяемому по 50%-ной интенсивности.

Устройства сканирования луча круглого сечения несколько проще, чем квадратного, и обладают большей мобильностью. Однако производительность экспонирования этих устройств мала, так как для получения прямоугольных элементов рисунка ИМС требуется многократное движение луча  (рис. 4,а). Применение луча квадратного

сечения   (рис..4,6)  позволяет   достигать  большей   производительности.   Трудности использования   такого   луча   возникают   при   создании рисунков, содержащих углы, отличные от 90°, или некоторые линии, размеры которых не кратны размеру луча.

В качестве эмиттера электронов в источнике служит гексаборид лантана (LaBg) как наиболее эффективный для этой цели материал. Плотность тока луча при угле полусходимости, равном 10-2 рад, составляет 300 А/см2.

Отклоняющая система осуществляет электромагнитное отклонение электронного луча с шагом 0,025, 0,125 или 0,5 мкм при максимальном размере участка сканирования 5Х5 мм. Наиболее распространенные отклоняющие электромагнитные системы бывают трех типов: с двойным отклонением перед линзой и с однократным отклонением внутри линзы или после нее.

Отклоняющее поле взаимодействует с фокусирующим полем линзы. Поэтому в конструкции отклоняющей системы учитывается влияние поля линзы. Для создания оптимальных конфигураций отклоняющих систем и линз разработаны специальные машинные программы.

Наилучшими характеристиками обладает система с двойным отклонением перед линзой за исключением тех случаев, когда ток луча достаточно большой (более 1 мкА) и возникает необходимость учитывать межэлектронное взаимодействие в луче. Тогда отдается предпочтение отклонению внутри линзы

Рис. 5. Принцип электронно-лучевой литографии с растровым (a) и векторным (б) сканированием луча и шаговым передвижением стола с пластиной (в):

1—области экспонирования: 2—направление движения электронного луча; 3— электронный луч; 4—отклоняющая система; 5 — стол с пластиной; 6— структура; 7 — рисунок ИМС

Генерирование изображения и управление лучом производятся после его фокусировки и формирования. Перемещение (сканирование) луча по пластине осуществляют двумя способами:

растровым и векторным. При растровом методе луч сканирует по всей площади мишени, включаясь и выключаясь в соответствии с передаваемым рисунком (рис. 5,а). При векторном методе электронный пучок сканирует только в тех местах рисунка, где требуется экспонирование (рис. 5,6). Сканирование луча и шаговое передвижение стола с расположенной на нем пластиной (рис. 5,в) обеспечивают перенесение рисунка на всю пластину при отклонении луча в пределах одной структуры. Для нанесения изображения электронным лучом управляющий сигнал подается от микропроцессора к отклоняющей системе. По отклоняющим катушкам, расположенным под прямым углом друг к другу, протекает ток. Этот ток создает поле, отклоняющее луч с заданным шагом (от 0,1 до 0,5 мкм). Включение, сканирование и синхронизация луча осуществляются по сигналам от микропроцессора (или ЭВМ) в соответствии с закодированным на носителе информации рисунком, подлежащим экспонированию.

Рисунок экспонируется движением (отклонением) электронного пятна по полю структуры ИМС. По окончании экспонирования рабочий стол с образцом перемещается в новое положение, подставляя под луч новый участок пластины. И экспонирование начинается вновь. Этот процесс продолжается до тех пор, пока вся пластина не будет покрыта рисунками. Размер участка (5Х5 мм), экспонируемого лучом без перемещения стола, вполне достаточный для размещения БИС, насчитывающей более трех тысяч элементов (например, транзисторов).

Методы генерирования изображения применяются как для изготовления шаблонов, так и для непосредственного экспонирования пластин.

Приемная камера ЭЛУ содержит столик, на котором помещаются пластины (в случае изготовления шаблонов) или подложки в специальной кассете и датчики положения пластины для измерения перемещения подложки. В некоторых системах увеличенное изображение пластины выносится на экран.

Движение рабочего столика по осям х и у с шагом до 1 мкм и скоростью до 1 мм/с осуществляется с помощью шаговых двигателей и ходовых винтов.

Приемная камера через шлюзовую систему сообщается с загрузочным устройством. Благодаря небольшим размерам шлюзовая и загрузочная камеры откачиваются до 1,33*10-4 Па (10-6 мм рт. ст.) в течение нескольких секунд. Время откачки и загрузки не сказывается на производительности, поскольку эти процессы проводятся во время экспонирования пластины. Устройства загрузки и откачки так же, как и другие устройства ЭЛУ, управляются от микропроцессора или ЭВМ.

Вакуумная система — важная составная часть электронно-оптической   колонны — обеспечивает   разрежение не выше 10-4 Па. Она включает в себя масляно-механические и диффузионные насосы, высоковакуумные устройства безмасляной откачки и систему клапанов и затворов.

ТЕХНОЛОГИЯ ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОЙ ЛИТОГРАФИИ

Цель ЭЛЛ—изготовление шаблона или непосредственное получение рисунка на пластине из полупроводникового или другого материала. В случае, когда для создания ИМС требуется всего одна литография (ИМС на ЦМД, ПЗС и другие), целесообразно использовать прямое сканирование луча по пластине, покрытой резистом. Если же необходимо применять несколько литографий в процессе формирования структуры ИМС, то обычно используются шаблоны, изготовленные электронной литографией. Через такие шаблоны экспонируются рисунки либо электронным пучком, либо пучком рентгеновского излучения, либо ультрафиолетового.

Технологический процесс ЭЛЛ аналогичен ТП обычной ФЛ. Только экспонирование светом заменяется экспонированием электронным лучом во всех основных операциях: формировании рисунка на промежуточном ФШ, уменьшении и мультиплицировании, нанесении изображения на пластину. Резисты наносятся теми же способами, что и в ФЛ: в основном центрифугированием и реже пульверизацией или погружением.

Особенность ЭЛЛ состоит в технике и режимах экспонирования, природе резиста, а также методах и условиях травления резиста. Поэтому наиболее важными операциями ЭЛЛ являются экспонирование и травление.

Производительность систем со сканированием электронного луча зависит от скоростей вычерчивания рисунка и движения стола. В различных сканирующих системах на скорость вычерчивания рисунка влияют одни и те же основные факторы.

Время вычерчивания рисунка структуры

τ=n/f

где п—число адресов для электронного луча на этой структуре;

f—частота шагов.

Частота шагов зависит как от быстродействия отклоняющей системы, так и от совместного влияния плотности тока луча и чувствительности резиста. В свою очередь, быстродействие отклоняющей системы определяется шириной полосы частот и шумовыми характеристиками, скоростью цифроаналогового преобразования, полным сопротивлением отклоняющей системы и др.

Частота шагов, плотность тока луча и чувствительность резиста ? связаны выражением

f=jл

Плотность тока луча зависит от таких параметров электронно-оптической системы, как яркость электронной пушки, аберрации линз и отклоняющей системы, а также от эффектов взаимодействия между электронами в луче. Обычно значения jл составляют 10; 50 и 300 А/см2.

На рис. 6 показаны зависимости времени вычерчивания рисунка от плотности тока в луче, чувствительности резиста и частоты шагов. Соотношения между временем вычерчивания рисунка структуры и необходимой чувствительностью резиста следующие:

Недостаточное быстродействие отклоняющей системы является пока основной причиной малой скорости вычерчивания рисунка. Не достигла предельных возможностей и чувствительность резистов .Производительность современных технологических процессов ЭЛЛ не уступает ФЛ при значительно большей разрешающей способности. Технико-экономические показатели этих процессов также конкурентоспособны с ФЛ при изготовлении ФШ и устройств, где необходимо одно прецизионное маскирование: ЦМД, ПЗС, ПАВ.

В заключение следует отметить, что сканирующая ЭЛЛ для непосредственного экспонирования пластин пока дороже, чем ФЛ. Однако этот разрыв быстро сокращается с удешевлением оборудования и повышением производительности.

       ИСТОЧНИКИ ИЗЛУЧЕНИЯ В РЕНТГЕНОЛУЧЕВОЙ ЛИТОГРАФИИ

Рентгеновское излучение возникает в результате соударения электронов большой энергии с атомами материала мишени. При этом из атомов выбиваются прочно связанные с ними электроны и появляются вакансии. Вакансии заполняются другими связанными электронами. В результате этого перескока излучаются рентгеновские кванты. Энергия таких квантов зависит от разности энергий двух состояний электронов и от природы вещества мишени, с которой взаимодействуют электроны.

В табл. 3 приведен перечень материалов покрытий электрода и соответствующие им длины волн излучения.

Таблица 3. Характеристические длины волн излучения для некоторых материалов

                            Рис. 7                                                           Рис. 8.

Рис. 7. Зависимость интенсивности излучения от энергии рентгеновских квантов для излучения с анода, покрытого алюминием  (λ =0,83 нм), при энергии электронного пучка 20 кэВ:

1— характеристическое излучение с энергией квантов 1,5 кэВ; 2—фоновое тормозное излучение (около 10 % от энергии, экспонирующей резист)

Рис. 8. Конструкция рентгенолито-графической установки для экспонирования:

1— вращающийся   анод,   охлаждаемый водой;   2 — вакуумная   камера;   3 — электронная пушка; 4—тонкое бериллиевое окно; 5—рентгеновские лучи; 6—уст-ройство совмещения; 7— пластина, покрытая  рентгенорезнстом; 8 — шаблон; 9— микроскоп;   10 — патрубок для откачки;

В большинстве современных установок с мишенями из алюминия используется рентгеновское излучение со средней длиной волны ?==0,834 нм.

Характерным для рентгенолучевой литографии (РЛЛ) моментом, не встречающимся в описанных ранее методах ФЛ и ЭЛЛ, является возникновение фотоэлектронов в результате неупругих соударений c веществом. Обладая энергией того же порядка, что и падающие лучи, они не имеют определенного направления и поэтому вызывают размытие изображения при его переносе с шаблона. Размеры этого размытия имеют тот же порядок, что и длина пробега фотоэлектронов. Последняя меняется пропорционально квадрату энергии фотоэлектронов и зависит от материала шаблона. При использовании алюминиевой мишени длина пробега фотоэлектронов составляет 0,1 мкм. В таких установках окно вакуумной камеры обычно поглощает до 70 %. излучения первоначального потока. Большинство резистов поглощает до 5 % попадаю-щих на них лучей.

Электроны с энергией от 10 до 20 кэВ, бомбардируя мишень, разогревают ее. Для предотвращения испарения материала мишени она охлаждается за счет интенсивного вращения. Пучок электронов необходимо фокусировать в малое пятно, чтобы избежать искажений, связанных с полутенями, и обеспечить достаточно плотный поток рентгеновских лучей для уменьшения времени экспозиции. На рис. 7 показана типичная зависимость интенсивности рентгеновского излучения от энергии рентгеновских квантов. График   снят   для   характеристического   пика   интенсив-ности, экспонирующего резист и наложенного на фоновое тормозное излучение, при энергии падающих на анод электронов 20 кэВ.

ЭКСПОНИРОВАНИЕ В РЕНТГЕНОЛУЧЕВОЙ

                          ЛИТОГРАФИИ

Процесс экспонирования в РЛЛ описывается той же технологической схемой, что и обычное экспонирование. Здесь также имеется источник излучения, шаблон и. пластина, покрытая резистом, чувствительным к излучению. На рис. 8 показана установка для экспонирования рентгеновскими лучами. Разрешающая способность РЛЛ на несколько порядков выше, чем ФЛ, так как значение длины волны рентгеновского излучения находится в пределах 0,2 ... 5 нм. Поэтому РЛЛ заменяет ФЛ при изготовлении элементов ИМС субмикронных размеров.

Рентгеновские лучи должны быть достаточно мягкими, чтобы резист при экспозиции мог их поглотить, но в то же время и достаточно жесткими, чтобы не поглощаться входным окном источника и пластиной шаблона. С учетом этих факторов для окна ис-точника и пластин шаблонов подбираются материалы, пропускающие рентгеновские лучи. Эти лучи от мощного источника излучения, смонтированного в вакуумной камере, через тонкое (25 мкм) окно и шаблон направляются на пластину, экспонируя резист. Пространство между окном и пластиной заполняется инертным газом. Создать достаточно равномерное облучение всей пластины не просто, так как для коллимирования рентгеновских лучей нет ни зеркал, ни линз. Поэтому, чтобы обеспечить параллельность лучей, необходимо выбрать большое расстояние от источника до подложки. Обычно оно составляет 20 ... 50 см. Поскольку интен-сивность облучения подложки обратно пропорциональна квадрату этого расстояния, то находят оптимум между расхождением лучей и интенсивностью облучения.

Источник облучения не является идеально точечным. Конечность его размеров и расхождение лучей приводят к геометрическим искажениям и появлению полутеней, как показано на рис. 9. На этом рисунке даны все размеры, необходимые для расчета минимальной разрешающей способности системы ? и геометрических искажений ?:

δ=2sr/D             (7)

Δ=sx/D              (8)

Рис. 9. Геометрические искажения в системе теневого рентгеновского экспони рования:1— размер сечения рентгеновских лучей; 2 — окно вакуумной камеры; 3 —- рентгеновские лучи 4—подложка шаблона; 5—поглотитель рентгеновских лучей6 — зазор; 7 — резист;8 – пластина

где s— расстояние между поглощающими излучение покрытием на шаблоне и резистом на пластине; r—радиус сечения луча; Dрасстояние между шаблоном и источником; х—расстояние между нормалью от источника к поверхности пластины и изображением.

Геометрические искажения, возникающие из-за наличия зазора s между шаблоном и пластиной, приводят к ошибкам в передаче изображения с шаблона. В результате этих ошибок стенки экспонированных областей резиста получаются невертикальными, а размеры рисунка, образующегося при последующем травлении, имеют погрешность в определенных пределах. Для большинства РЛЛ установок эти пределы не превышают 0,1 мкм при размере источника 5 мм, диаметре пластин 76 мм и расстоянии между ис-точником и пластиной 20 см, а между пластиной и шаблоном 4 мкм.

При создании многослойных структур геометрические искажения создают серьезные трудности, которые определяются не столько самими искажениями, сколько их изменением при переходе от одного слоя к следующему из-за невозможности сохранить постоянный зазор между шаблоном и пластиной. Изменение зазора приводит к изменению геометрического искажения на

                                    (9)

На пластине диаметром 76 мм при D=20 см значение не превышает 0,1 мкм, если значение ds поддерживается равным не более 0,5 мкм, что находится на пределе современных возможностей

конструкций держателей шаблонов и пластин, а также достижимой плоскостности пластин в высокотемпературных процессах их обработки (диффузии, эпитаксии, окисления). Для ИМС с одним слоем рисунка (ПАВ, ЦМД, ПЗС и другие) ошибки изображения не оказывают заметного влияния на размеры их элементов.

В отличие от ЭЛЛ и ФЛ в РЛЛ почти не сталкиваются с погрешностями, возникающими в результате дифракции.

Существующие системы РЛЛ с вращающимися алюминиевыми анодами диаметром 10 см обеспечивают мощность в 15 кВт, а с кремниевыми анодами—25 кВт, так как температура плавления кремния значительно выше, чем алюминия. Время экспонирования резистов при входной мощности пучка 15 кВт и расстоянии от ис-точника до пластины 20 см составляет несколько минут.

Плотность мощности рентгеновского излучения на выходе из мишени достигает 100 мкВт.см2. Это позволяет уменьшить время экспонирования до 1 ... 2 мин при расстояниях шаблона от пластины 5 ... 10 мкм, выдерживаемых с точностью ±1мкм, и от мишени до пластины 35 см.

             ТЕХНОЛОГИЯ РЕНТГЕНОЛИТОГРАФИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

Технология рентгенолитографических процессов включает в себя изготовление шаблонов, нанесение резистов, совмещение рисунков отдельных слоев ИМС и шаблона, экспонирование и травление.

Изготовление шаблонов для РЛЛ—сложная задача, решение которой затрагивает тот же круг вопросов, что и при ФЛ. Подложка шаблона должна пропускать рентгеновские лучи, а пленка, образующая рисунок ИМС,—задерживать их.

Для формирования шаблонов используются как неорганические, так и органические материалы, перечень которых и основные характеристики представлены в табл. 4.

Пластины из неорганических материалов из-за их хрупкости изготовить намного сложнее, но они стабильнее сохраняют свои размеры при изменении температуры, влажности, механических воздействиях и др.

Ослабление рентгеновского излучения в типичных материалах подложки шаблона составляет 0,1 ... 10 дБ/мкм для рассматриваемого интервала длин волн, что соответствует толщинам подложки 0,5 ... 5 мкм. Во всем интервале длин волн можно использовать полиимидные мембраны, подбирая их толщину в соответствии с длиной волны излучения. Стабильность   размеров полиимидных мембран толщиной 0,25 мкм при диаметре 51 мм оказалась высокой. Долговременная стабильность и устойчивость тонких полиимидных мембран к воздействию рентгеновского излучения еще мало изучены. Для создания в поглощающем слое методом ЭЛЛ рисунка с очень высокой разрешающей способностью желательно применять особо тонкие мембраны из нитрида кремния, оксида алюминия или полиимида, поскольку в тонких подложках из материалов на основе элементов с малой относительной атомной массой обратное рас-сеяние электронов весьма мало.

Для литографии с размерами элементов до 1 мкм толщина слоя поглощающего материала должна быть не менее 1 мкм. Поглощение рентгеновского излучения веществом сильно зависит от длины волны, что иллюстрирует рис. 10. При длине волны 0,4 им поглощение настолько мало, что подходящего материала для создания поглощающего слоя нет, а при длине волны более 5 им поглощение настолько велико, что нет подходящего материала для основы (подложки) шаблона.

Общепринятый материал для поглощающего слоя—золото. Технология осаждения этого материала хорошо отработана, а поглощение золотом рентгеновского излучения в данном интервале длин волн примерно такое же, как у всех элементов с большой от-носительной атомной массой. Толщина слоя золота должна быть подобрана так, чтобы обеспечивалась приемлемая контрастность рисунка шаблона при выбранных рентгенорезисте и длине волны.

Рисунок шаблона создается следующим образом. На подложку из органической пленки наносится тонкая пленка хрома, обеспечивающая адгезию золота, которое осаждается на хромовую пленку. Толщина слоя золота зависит от длины волны поглощаемого рентгеновского излучения. Так, для излучения от алюминиевой мишени толщина слоя золота составляет 0,2 мкм, а для жесткого излучения от палладиевой мишени—0,7 мкм.

Сформировать рисунок поглощающего слоя золота на шаблоне можно разными способами в зависимости от толщины слоя. Применяют комбинацию литографии с электролитическим осаждением золота либо ионно-плазменное травление сплошного слоя золота через маску. Рельеф резиста создают с помощью ЭЛЛ.

Сформированный в тонкой пленке золота рисунок репродуцируют, экспонируя длинноволновым рентгеновским излучением (1,33 нм). В итоге получается шаблон на более толстой подложке, для которой непосредственное электроннолучевое экс-понирование неприемлемо из-за сильного  обратного рассеяния электронов.

Важной характеристикой процесса является контрастность, обеспечиваемая материалом поглощающего слоя. Даже для поглощения рентгеновского излучения с длиной волны менее 5 нм требуется приемлемая прозрачность шаблона. Поэтому подложка шаблона должна быть очень тонкой (1 ... 10 мкм). Толщина исходных пластин подбирается в зависимости от характера излучения. Она колеблется от 0,3 до 12 мм для мягих и жестких рентгеновских лучей соответственно. Например, для характеристического рентгеновского излучения от алюминиевой мишени типичная толщина пластины составляет 5 мм.

Рис. 10. Зависимость поглощения рентгеновского излучения в различных материалах от длины волны λ

Разрешающая способность шаблона ограничивается длиной волны рентгеновского излучения и контрастностью применяемого резиста. Использование рентгеновского излучения с большей длиной волны и высококонтрастных резистов улучшает разрешающую способность шаблона и позволяет уменьшить необходимую толщину поглощающего слоя.

Поскольку стабильность размеров шаблона является основным требованием, предъявляемым к шаблонам, то материалы и технология их изготовления выбираются с учетом анализа причин появления погрешностей.

Если совмещение рисунков ИМС должно проводиться с точностью 0,1 мкм, то стабильность размеров шаблонов должна быть лучше 0,05 мкм для типичных размеров элементов рисунка. Это значение соизмеримо с коэффициентом термического расширения

стекол.

Применяемые для работы с жестким рентгеновским излучением толстые шаблоны из кептона обладают стабильностью размеров 10-4 %, а шаблоны из полиимидной пленки— 10-3 %.

Технология изготовления органических шаблонов для РЛЛ отличается от технологии ФШ. В данном случае пленка органического материала шаблона наносится на совершенно плоскую поверхность промежуточной подложки из кремния или стекла и промежуточная подложка в нужных местах стравливается.

Таким образом, современный ТП литографии должен включать в себя все ее разновидности: фото-, электроно- и рентгенолитографию. Последовательность операций изготовления шаблонов для рентгенолитографии показана на рис. 11.

Выбор резистов для РЛЛ довольно ограничен. На первых стадиях развития метода РЛЛ использовались те же резисты, что и для ЭЛЛ, например полиметилметакрилат (ПММА). Механизм превращений в резисте при экспонировании рентгеновскими лучами состоит в поглощении их с возбуждением электронов, которые приобретают энергию падающих квантов. Поэтому резист, чувствительный к потоку электронов, чувствителен и к рентгеновским лучам.

Чувствительность рентгенорезиста выражается энергией, поглощенной единицей площади (Дж/см2). Однако скорость растворения резиста при проявлении определяется энергией, поглощенной единицей объема (Дж/см3) и зависящей от поглощающих свойств резиста. При слабом поглощении она равна произведению энергии падающего потока на линейный коэффициент поглощения рентгеновского излучения (на 1 см). С увеличением длины волны поглощение усиливается и чувствительность резиста к излучению повышается. Можно повысить чувствительность резиста и к рент-геновскому излучению с малой длиной волны за счет введения в него добавок, улучшающих поглощение. Так, введение хлора в негативный резист позволяет увеличить чувствительность к излучению с длиной волны 0,44 нм (линия спектра палладия) до 10 мДж/см2.

Резисты для ЭЛЛ, среди которых есть как позитивные (PBS— полибутенсульфон), так и негативные (PGMA-EA—полиглицидил-метакрилат-ко-этилакрилат), могут использоваться при изготовлении шаблонов для РЛЛ. Эти же резисты применяют в рентгено-литографических процессах.

В последние годы предложен ряд резистов специально для РЛЛ. Для жесткого рентгеновского излучения служит DCPA (по-ли-2,3-дихлор-1-пропилакрилат), который на порядок чувствительнее PGMA-EA. Так, при жестком рентгеновском излучении от палладиевой мишени слой DCPA толщиной 1 мкм поглощает 12 % из-лучения, тогда как такой же слой PGMA-EA поглощает только 2%.

В табл. 5 приведены основные характеристики резистов, применяемых для РЛЛ.

Время экспонирования большинства резистов для РЛЛ составляет до 1 мин, что ненамного выше, чем при ФЛ. Поэтому производительность установок РЛЛ близка к производительности фотолитографических установок.

Для травления служат те же растворители, что и в ФЛ. Однако более целесообразно в данном случае применять сухое ионно-плазменное или плазмохимическое травление, обеспечивающее высокие разрешающую способность и точность, присущие РЛЛ.

Таблица 5. Характеристики рентгенорезистов и параметры процесса рентгенолучевои литографии

Процессы совмещения, как и при ФЛ, используют при формировании сложных структур ИМС и МП. В случае изготовления ИМС с применением одного шаблона (ЦМД, ПАВ и другие) проблема совмещения вообще отпадает. Для большинства же ИМС, особенно БИС и микропроцессоров на одном кристалле (МП), требуется не менее двух совмещений, выполняемых с высокой точностью. В рентгенолитографии используются четыре метода совмещения: оптический (под микроскопом), фотометрический (по принципу отражения или прохождения света), совмещение по муаровым рисункам и интерферометрический.

Оптический и фотометрический методы ничем не отличаются от применяемых в ФЛ. Обычно фотометрическое совмещение по принципу отражения более предпочтительно, так как оно осуществляется с помощью фотоэлектрического детектора края, имеющего большую глубину резкости и позволяющего автоматизировать процесс. При этом получают достаточно высокую точность совме-щения—до 0,2 мкм. С помощью детекторов системы совмещения можно установить пластину так, чтобы метки совмещения совпадали на пластине и шаблоне.

Фотометрическое совмещение по принципу прохождения лучей обеспечивает более высокую точность совмещения за счет лучшей контрастности изображения на пластине. Предел точности совмещения данного метода составляет 0,05 мкм.

Широкое распространение получил интерферометрический метод благодаря простоте и возможности автоматизации процесса. Основной принцип этого метода заключается в том, что при дифракции пучка монохроматического света на решетке могут возникать симметричные отраженные лучи. Если решетки имеются на шаблоне и на пластине, то возникают две системы дифракционных лучей, которые интерферируют друг с другом. Интерференционная картина зависит от интенсивности симметричных отраженных лучей двух систем, которая получается различной при отсутствии совмещения пластины и шаблона и одинаковой в случае их точного совмещения. Таким образом, о степени совмещения можно судить по виду интерференционной картины. Состояния системы совмещения определяются фотоэлектрическими датчиками.

Метод обеспечивает точность совмещения около 1 % от ширины линии. При этом максимальная точность составляет 0,02 мкм.

        АНАЛИЗ РАЗЛИЧНЫХ ЛИТОГРАФИЧЕСКИХ МЕТОДОВ

Фотолитография в течение уже трех десятилетий является основным технологическим методом создания рисунка в технологии ИМС. Наиболее распространены три варианта этого метода: с плотным контактом ФШ и пластины, с мягким прижимом ФШ к пластине (контактная ФЛ) и с зазором между ФШ и пластиной (проекционная ФЛ). Наибольшая разрешающая способность достигается в случае плотного контакта ФШ и пластины. Однако при этом появляются многочисленные дефекты как на пластине, так и на шаблоне: царапины от частиц пыли, отслаивание или сморщивание пленок резиста, проколы в резисте и т. п. При мягком прижиме ФШ к пластине или при наличии зазора число таких дефектов уменьшается, но разрешающая способность ухудшается за счет искажения элементов рисунка вследствие дифракции света, проходящего через шаблон. Степень этого искажения зависит от величины зазора и его неравномерности по площади пластины. Стремление преодолеть трудности контактной ФЛ привело к разработке проекционной ФЛ, промышленное освоение которой началось в 1973 г.

Проекционная фотолитография позволяет формировать изображения, располагая пластину и шаблон на некотором расстоянии друг от друга. Между шаблоном и пластиной находится оптическая система, обеспечивающая одновременное экспонирование всей пластины.

Различают два варианта проекционной ФЛ: со сканированием через щель и с многократной шаговой репродукцией изображения фотошаблона на пластину. В первом варианте применяется зеркальная оптика, что позволило создать промышленные установки для обработки пластины диаметром до 150 мм и получить ширину линии 1 мкм с точностью 0,3 мкм. Шаблоны таких систем ничем не отличаются от применямых для контактной ФЛ.

Второй вариант основан на использовании преломляющей оптики. Шаблон изготавливается методом фотокомпозиции размером, превышающим изображение на пластине в 2, 4, 5 или 10 раз. Процесс репродукции повторяется столько раз, сколько необходимо для того, чтобы переносимые изображения покрыли всю поверхность пластины. Таким образом достигается разрешающая способность до 1 мкм. Однако производительность процесса экспонирования уменьшается.

Электронно-лучевая литография широко используется при изготовлении прецизионных ФШ для ФЛ с малыми размерами элементов рисунка. Применяются в основном три варианта метода:

с одновременным экспонированием шаблона, с растровым и векторным сканированием. Разрешающая способность ЭЛЛ составляет 1 ... 0,5 мкм с точностью 10%, т. е. 0,1 ... 0,5 мкм. Установки экспонирования для ЭЛЛ в несколько раз дороже, чем соответствующие установки для ФЛ, и поэтому используются только там, где необходимы очень высокие разрешающая способность и точность,—при изготовлении БИС и МП на одном кристалле с микронными и субмикронными размерами элементов.

Рентгенолитография основана на более простых, чем ЭЛЛ, процессах и после промышленного освоения, очевидно, станет конкурентоспособной ФЛ по технико-экономическим характеристикам.

                              Список используемой литературы

1.  В.Н.Черняев  ТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА ИНТЕГРАЛЬНЫХ

                               МИКРОСХЕМ И МИКРОПРОЦЕССОРОВ

2.  И.Е.Ефремов,И.Я.Козырь  ОСНОВЫ МИКРОЕЛЕКТРОНИКИ

3.  B.Д.Cоболев   ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОННОЙ ТЕХНИКИ


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

53727. По страницам Великой Отечественной войны 250 KB
  К конкурсу проводится предварительная подготовка. Вопросы даются заранее (кроме тех, которые имеют пометку “Кот в мешке”), но номера вопросов не называются. Многие вопросы предполагают, работу учащихся с дополнительной литературой, с источниками и документами. Учащиеся должны проявить эрудицию, находчивость смекалку
53728. Профессиональные интересы, склонности и способности 49.5 KB
  План урока: Проверка готовности к уроку 1 мин. Повторение изученного материала 5 мин. Сообщение темы и целей урока 2 мин. Изучение нового материала 27 мин.
53729. Открытка к празднику 8 марта 344.5 KB
  Ребята приближается первый весенний праздник – женский день 8 марта. Слайд 2 Какое слово здесь зашифровано подарок Конечно какой же праздник без подарка Вот мы сегодня и изготовим подарок своими руками. Слайд 3 Такой подарок дорогого стоит Какой вниманием будет удостоен И трудно сказать что приятнее – получать подарки или дарить их. Слайд 4 Чтобы сделать такую открытку нам понадобятся материалы: цветная бумага альбомный лист старые открытки; а также ножницы циркуль линейка...
53730. Art Exhibition 76.5 KB
  A rich American went to Paris and (buy-1) a picture by a modern artist. He( pay-2) a lot of money for the picture, so he thought the picture was very good. He came to the hotel where he (stay-3) and wanted to hang the picture. To his surprise he (cannot tell-4) what was the top and what was the bottom. So he (think-5) of a plan and invited the artist to dinner. The artist looked at the picture many times.
53731. Технология приготовления блинов, оладьев, блинчиков. Выпечка блинов 855 KB
  Такие блины как губка впитывают в себя растопленное масло, сметану, отчего делаются сочными, лоснящимися и вкусными. Блины различают и называют по тому виду муки или крупы, которые идут на их изготовление: ржаные, гречневые, гречнево-пшеничные, пшеничные, пшенные, манные. Таким образом, разнообразной может быть сама основа блинов. Но этого мало. Отличны по технологии, например, заварные блины. Кроме того, разнообразие в ассортимент блинов вносят и различные способы употребления их.
53732. Оригами с аппликацией 285 KB
  Цели занятия: выполнить поделку кленовый лист с аппликацией в технике оригами Задачи: Обучить: выполнять поделки в стиле оригами видами оригами приёмам складывания фактуре бумаги технике безопасности при использовании ножниц клее. Для учителя: ПТК поделки оригами с аппликацией фотографии оригами шаблоны конспект урока презентация Для учеников : ножницы цветная бумага картон клей.
53733. РАКЕТА. День космонавтики-52 года 42.5 KB
  ЦЕЛИ УРОКА: Предметные: Отрабатывать умения детей выполнять макет ракеты по заданному образцу; Формировать представления об окружающем мире; закрепить знания о том что первым космонавтом был Ю. гудок ракеты Физкультминутка : Космонавты сильные смелые здоровые. Хотите быть такими же Выполняем зарядку для глаз: берём в руки маленький макет ракеты и по команде учителя выполняем несколько упражнений для глаз. ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ...
53734. Расы человека 79.5 KB
  Цель: создать условия для осознания и осмысления блока информации о расах и причинах их появления. Задачи: помочь в раскрытии понятия «раса» и основных характеристик существующих рас; научить обосновывать единство и полноценность человеческих рас; создать условия для развития у детей умения самостоятельно добывать знания, критически, творчески и продуктивно оценивать информацию; учить объяснять, аргументировать;
53735. Религия древних греков 167 KB
  Оргмомент Учитель: Здравствуйте ребята садитесь. Учитель проверяет готовность к уроку. Переход к изучению новой темы Учитель: Сегодняшний урок мне хотелось бы начать с крылатых выражений которые возникли из древнегреческой мифологии. В: Кто помогает либо наоборот мешает героям в поэмах О: Боги В: Какие боги встречались в тексте поэм О: Фетида Гефест Посейдон Афина Учитель: Хорошо.