книги / Физические основы микро- и нанотехнологий

вне зоны обработки, возникающее за счет процессов рассеяния, отражения и переотражения первичного активного излучения недостаточно. Поэтому получаемый на резисте рисунок полностью соответствует рисунку шаблона. При неидеальной, но реальной КЧХ вторичные процессы также приводят к энерговыделению вне зоны действия первичного активного излучения. Однако если в этом случае доза облучения будет меньше критической, но больше пороговой, то это приведет к образованию пленки, меньшей по толщине первоначальной, но приводящей к искажению первоначального рисунка.

Важнейшим параметром является разрешающая способность, которая оценивается по числу раздельно воспроизводимых параллельных линий на 1 мм. Естественно, что именно эта величина определяет минимальные размеры отдельных структур и областей в кристалле, которые можно сформировать в процессе изготовления ИС. Разрешающая способность ограничивается дифракцией излучения, используемого в литографическом процессе, и может быть уменьшена применением излучения с меньшей длиной волны.

4.3.2.Фотолитография, рентгеновская

иэлектронная литография

Литография, использующая в качестве активного излучения электромагнитные волны видимой, ультрафиолетовой и дальней (глубокой) ультрафиолетовой области, называется фотолитографией. Несмотря на свои недостатки она до сих пор остается самым распространенным литографическим процессом. Рассмотрим методы реализации процесса фотолитографии.

1.Контактная печать. При использовании этого метода шаблон

срисунком накладывается на подложку, покрытую фоторезистом, и экспонируется электромагнитным излучением в оптическом или ультрафиолетовом диапазоне, в результате чего в пленке резиста происходят соответствующие физико-химические и структурные изменения и создается скрытое изображение. Это скрытое изображение проявляется с помощью проявителя, удаляющего засвеченные участки в случае позитивного резиста и незасвеченные участки в случае

241

негативного резиста. Подложка установлена на держателе, который поднимает ее до тех пор, пока подложка и шаблон не соприкоснутся. Шаблон и пластину совмещают механическим перемещением и вращением вакуумного держателя до полного совпадения топологических рисунков шаблона и подложки.

Вследствие тесного контакта между резистом и шаблоном при контактной печати достигается разрешение порядка 1 мкм. Основные недостатки контактной печати заключаются в быстрой изнашиваемости шаблона и механических повреждениях рабочего слоя, накоплении дефектов и посторонних частиц, прилипающих к рабочему слою. Проблемы, возникающие при контактной печати, связаны с наличием загрязнений на поверхности кремниевой пластины. Любая пылинка на поверхности пластины может привести к повреждению поверхности шаблона в момент его соприкосновения с пластиной. Поврежденный участок шаблона затем воспроизводится как дефектный топологический рисунок на всех других пластинах, при экспонировании которых использован этот шаблон. Каждая пластина добавляет свои собственные повреждения поверхности шаблона.

2.Бесконтактная печать. Этот метод является развитием метода контактной печати и заключается в пространственном разделении подложки и шаблона, что уменьшает число возникающих дефектов и исключает истирание шаблона при контакте. Однако наличие зазора повышает влияние дифракции света, что уменьшает разрешающую способность и ухудшает четкость изображения несмотря на небольшую

величину зазора (10–25 мкм). Реализуемое разрешение пропорционально (λδ)1/2, где λ – длина волны активного излучения; δ – ширина зазора между шаблоном и пластиной. При малых зазорах неровности поверхности подложки играют определяющую роль. Контактный и бесконтактный методы позволяют осуществлять перенос изображения только

вмасштабе 1:1, что требует высокоточных прецизионных шаблонов, изготовление которых является технической проблемой.

3.Проекционная печать. Изображение топологического рисунка при этом методе проецируется с фотошаблона на подложку с помощью специальной оптической системы. Примерным аналогом явля-

242

ется метод проекционной фотопечати, но в отличие от него получаемое на подложке изображение существенно меньше шаблонаоригинала (обычно в масштабе 1:10), который может использоваться неограниченное количество раз.

Глубина резкости оптической системы должна быть больше допуска на неплоскостность подложки (10–15 мкм). Этот метод предъявляет очень высокие требования к оптическим системам, которые не могут быть выполнены для обеспечения одновременной засветки всей пластины, особенно при современных размерах подложки (порядка 300 мм). Шаблон в таком случае должен иметь размер порядка 3 м с разрешением по всему полю порядка 1 мкм, что нереально. Поэтому за один акт экспонирования изображение шаблона или его небольшой части проецируется на небольшой участок подложки. Эта небольшая область сканируется или перемещается по поверхности пластины. В сканирующих проекционных устройствах печати шаблон и пластина синхронно перемещаются. С помощью этого метода достигается разрешение порядка 1,0 мкм ширины линий и расстояния между ними.

В большинстве современных проекционных систем печати оптические элементы являются настолько совершенными, что их характеристики точности отображения ограничены дифракционными эффектами, а не аберрацией линз. Эти устройства печати называются системами с дифракционным ограничением. Разрешение проекционных устройств печати с дифракционным ограничением может быть приближенно оценено величиной 0,5(λ / NA), где λ – длина волны экспонирующего излучения; NA – числовая апертура проекционной оптики.

Проекционные устройства печати имеют ограниченное фокусное расстояние, превышение которого приводит к ухудшению качества изображения. Фокусное расстояние равно примерно ± λ /2(NA)2. Высокое разрешение (большая величина числовой апертуры) достигается при уменьшении фокусного расстояния. Например, проекционная система с длиной волны экспонирующего облучения порядка 400 нм будет иметь предельное значение разрешения примерно 1,2 мкм и фокусное расстояние примерно ± 7 мкм.

243

Весь процесс пошагового дискретного экспонирования получил название мультиплицирования. Он приводит к необходимости перемещения рисунка по поверхности изображения и высокоточного совмещения отдельных фрагментов общего рисунка. После экспонирования одного элемента подложки она сдвигается на один шаг экспонирования, и процесс повторяется. В обычной фотолитографии используется ультрафиолетовое излучение с длиной волны 330–400 нм, что и является дифракционным пределом в плане достижимого разрешения.

Для повышения разрешения применяют более коротковолновое ультрафиолетовое излучение (так называемый дальний, или глубокий, ультрафиолет). Это порождает множество технических проблем: необходимость использования высокоточной кварцевой оптики, проблемы совмещения, неплоскостности пластин, применения специальных резистов и т.д. Несмотря на свои недостатки фотолитография является самым распространенным способом создания рисунка в микротехнологии, однако для увеличения разрешающей способности в настоящее время начали применять еще более коротковолновое излучение.

Рентгеновская литография. Уход от ультрафиолетового электромагнитного излучения в область более коротких волн привел к необходимости экспериментирования с рентгеновским излучением. Основу рентгеновской литографии составляют принципы контактной и бесконтактной печати, так как до последнего времени считалось невозможным создание рентгеновских оптических систем вследствие отсутствия материалов, в которых рентгеновские лучи испытывали бы преломление или отражение. Ввиду того что жесткое рентгеновское излучение чрезвычайно плохо поглощается материалом резиста (следовательно, требуется длительное время для экспонирования), в качестве активного излучения применяется низкоэнергетическое (1–10 кэВ) мягкое (0,4–5,0 нм) рентгеновское излучение (МРИ), хорошо поглощающееся материалом резиста (настолько хорошо, что не существует материалов, прозрачных для МРИ, что вызывает некоторые трудности при создании шаблонов).

244

Шаблон с рисунком, поглощающим рентгеновское излучение, и подложка с рентгенорезистом устанавливаются на подвижной платформе с вакуумным присосом для фиксации подложки. Между шаблоном и пластиной выдерживается зазор 30–50 мкм, что приводит к искажениям рисунка за счет эффекта полутени (рис. 4.9). Квазиточечный источник рентгеновского излучения размером S, находящийся на расстоянии d от шаблона, расположенного с зазором I от пластины-подложки, генерирует рентгеновское излучение.

Рис. 4.9. Эффект полутени в рентгеновской литографии: 1 – шаблон; 2 – пластина

На расстоянии r от центра пластины искажение за счет геометрии составляет величину ∆, а за счет неточечности источника – δ. График зависимости реализуемой минимальной ширины линии L от зазора I шаблон – подложка представлен на рис. 4.10. Для получения субмикронного разрешения необходимо иметь зазор порядка 1 мкм (при допуске на неплоскостность подложки 10 мкм), что является очень сложной задачей.

245

Для генерации МРИ используются различные устройства. Элек- тронно-лучевые установки, использующие явление генерации рентгеновского излучения, при торможении электронов в твердом теле дают квазиточечный источник и расходящийся в конусе поток рентгеновского излучения. Энергия электронов составляет 10–15 кэВ, допустимая мощность источника – примерно 1 кВт.

Другим источником МРИ является лазерная плазма, образующаяся при взаимодействии луча лазера с высокой плотностью мощности (около 1014 Вт/см2) с мишенью из железа или алюминия. Процесс образования плазмы начинается с испарения верхнего слоя мишени. Энергия лазера, поглощаемая плазмой, почти целиком расходуется на процессы нагрева и ионизации образовавшегося парового облака. Нагретая плазма излучает МРИ за счет процессов взаимодействия свободных электронов, захвата возбужденных электронов на свободные уровни и дискретного перехода электронов с уровня на уровень.

Наиболее перспективным с технологической точки зрения источником МРИ является электронный ускоритель, называемый синхротроном (или накопительным кольцом), который устроен по принципу ускорения электронов – период обращения электронов по орбите накопительного кольца совпадает с периодом высокочастотного ускоряющего электрического поля. Электроны в таких устройствах на круговой орбите удерживаются магнитным полем поворотных магнитов и ускоряются до энергий порядка единиц гигаэлектронвольт. Отношение такой энергии к собственной энергии электрона, определяемой соотношением Эйнштейна E = mС2 , называется сте-

пенью релятивизма электронов. Для энергии 1 ГэВ она составляет

2·103, что намного больше единицы. Такие электроны называются

ультрарелятивистскими.

Синхротронное излучение в любой точке криволинейной траектории сконцентрировано в расходящемся конусе с углом φ, определяемым выражением

ϕ ≈ mCE 2 = 0,5E ,

где φ выражено в мрад, а Е– в ГэВ.

247

Таким образом, расходимость синхротронного излучения ничтожна, и его можно считать коллимированным, что почти полностью избавляет от геометрических искажений при переносе рисунка с шаблона на подложку. Спектр синхротронного излучения охватывает область микроволнового, инфракрасного, видимого, ультрафиолетового и рентгеновского электромагнитного излучения. Полное отсутствие эффекта полутеней и геометрических искажений позволяет существенно увеличить зазор между шаблоном и пластиной без потери в разрешении. Основным недостатком синхротрона является его высокая стоимость – не менее 15 млн долл.

Невозможность создания рентгеновской оптики до последнего времени существенно ограничивала применение рентгеновской литографии, но сейчас созданы многослойные короткопериодические структуры типа рентгеновских зеркал из сверхтонких пленок толщиной порядка 1 нм. Это дает возможность построения многозеркальных оптических схем для рентгеновской литографии. Пока еще рано говорить о промышленном применении, но перспективы открываются большие.

Фото- и рентгенолитография относятся к групповым методам литографии, при которых за один цикл обрабатывается либо вся подложка, либо ее часть методами переноса рисунка с шаблона. Для реализации этих методов необходимо создать шаблон, что возможно лишь индивидуальным методом обработки, при котором изображение создается рабочим инструментом от точки к точке. В субмикронной технологии в качестве такого рабочего инструмента выступает поток заряженных частиц – электронов или ионов. Соответственно процесс называется электронной или ионной литографией.

Электронная литография. Имеются два основных пути использования электронных пучков для генерации рисунка на подложке: одновременное экспонирование всего изображения (или его фрагмента) целиком (проекционная литография) и последовательное экспонирование остросфокусированным лучом (сканирование) отдельных участков подложки от точки к точке (сканирующая литография).

248

В сканирующей электронной литографии по поверхности, покрытой резистом, перемещается электронный луч, включающийся по заданной программе. Это позволяет формировать на подложке структуры с минимальным размером до 0,1 мкм, ограничивающимся наименьшим диаметром пучка.

Проекционная электронолитография (ЭЛГ) основана на экспонировании изображения электроношаблона больших размеров и является аналогом фото- и рентгенолитографии. Используется широкий расфокусированный пучок электронов с диаметром, большим диаметра подложки, и П-образным распределением плотности тока по сечению пучка. В качестве оригиналов, с которых необходимо перенести изображение на резист, используются либо электроношаблоны, либо эмиссионные катоды.

Другое направление проекционной ЭЛГ связано с применением эмиссионных катодов. Перспективными эмиссионными катодами являются фотокатоды, представляющие собой прозрачную для ультрафиолетового излучения шаблон (пластину), на которую нанесен слой фотоэмиттера и создан соответствующий рисунок. В качестве фотоэмиттера чаще всего используется палладий, обладающий хорошей фотоэмиссией. При облучении фотокатода ультрафиолетовым излучением от квазиточечного источника палладий эмиттирует электроны с энергией, составляющей несколько электрон-вольт. Приложенное электрическое поле Е ускоряет их до требуемых энергий, а электронно-оптическая система формирует на подложке, покрытой резистом, соответствующий рисунок.

Процесс происходит при комнатной температуре. Недостатком этого способа является материал фотоэмиттера, очень чувствительный к загрязнениям, неизбежно возникающим при работе. Катод из CsL, например, после 5–10 экспозиций «отравляется», и его необходимо регенерировать.

Сканирующая электронная литография. Для непосредственного создания рисунка на шаблоне или подложке используются сканирующие системы, управляемые ЭВМ, которая задает программу перемещения остросфокусированного пучка электронов по поверхности подложки, управляет электронно-оптической системой формирования и на-

249

стройки луча и обеспечивает прецизионное совмещение фрагментов изображения. Перемещение сфокусированного электронного пучка может осуществляться либо растровым способом (полная развертка луча по плоскости с тушением луча в необходимых местах), либо векторным способом (луч передвигается только в пределах экспонируемых участков, перескакивая с одного на другой). Однако в этом случае точность отклоняющей системы ограничена и необходимо пользоваться компьютерной коррекцией местоположения пучка. Для формирования электронного луча используется электронно-оптическая система, конструктивно выполненная в виде электронно-оптической колонны. Для создания электронного потока используются либо термоэмиссионные, либо автоэмиссионные катоды.

Термоэмиссионные катоды представляют собой либо V-образную вольфрамовую проволочку (термокатод), нагреваемую протекающим через нее электрическим током до температуры, обеспечивающей термоэмиссию электронов, либо остро заточенный стержень из специального материала (чаще всего – гексаборида лантана), нагреваемый каким-либо способом до температуры эмиссии. Автоэмиссионные катоды представляют собой металлический монокристалл, выполненный в виде заостренного цилиндра, с поверхности острия которого при приложении электрического поля соответствующей напряженности осуществляется автоэмиссия электронов.

Формируемый электронный пучок может иметь различную форму (самая простая – круглый с гауссовским распределением плотности тока по сечению). При перемещении его от точки к точке необходимо учитывать коэффициент заполнения, поэтому стараются использовать либо квадратные пучки с П-образным распределением плотности тока по сечению пучка, либо прыгающие пучки с изменяемой геометрией.

4.3.3. Нанолитография

Принцип литографии оказался очень удобным при массовом производстве микросхем с отдельными элементами меньше 1 мкм. Развитие метода сегодня ориентировано на создание топологическо-

250