ИОННО ЛУЧЕВАЯ ЛИТОГРАФИЯ

Ио́нно-лучева́я литогра́фия (англ. ion beam lithography) — технология изготовления электронных микросхем, использующая литографический процесс с экспонированием (облучением) резиста ионными пучками нанометрового сечения.

Текущая версия страницы пока не проверялась опытными участниками и может значительно отличаться от версии, проверенной 24 декабря 2015 года; проверки требуют 42 правки.

Электро́нно-лучева́я литогра́фия — метод нанолитография с использованием электронного пучка.

Метод основан на взаимодействии характеристического рентгеновского излучения (l = 0,1¸10нм) с рентгенорезистом, приводящим к изменению их свойств — увеличение или уменьшение стойкости к проявителям.

Проекционный метод (1:1): шаблон состоит из кремниевой подложки, тонкой мембраны из, пропускающей рентгеновское излучения и слоя материала (хром, золото) хорошо поглощающего рентгеновское излучение. Зазор между шаблоном и пластиной составляет порядка 3¸10 мкм, время экспонирования – 1 сек ¸ 20 мин.

Достоинства — высокая разрешающая способность, отсутствие влияния загрязнений, большой срок службы шаблона, относительная простота оборудования.

Основана на использовании ионов гелия для экспонирования поверхности пластин, покрытых резистом.

сканирующая ИЛЛ (разрешающая способность – 0,3¸0,03мкм);

проекционная ИЛЛ с (разрешающая способность – 0,5мкм);

Для сравнения эффективности методов литографии используются обобщенные оценки. В качестве критерия выбран показатель качества, определяемый как:

(1+0,15´плотность дефектов) ´ стоимость оборудования ´ (ширина линий)

Сравнение эффективности методов литографии приведено в таблице 1.

Фотолитогра́фия — метод получения определённого рисунка на поверхности материала, широко используемый в микроэлектронике и других видах микротехнологий, а также в производстве печатных плат. Один из основных приёмов планарной технологии, используемой в производстве полупроводниковых приборов.

Суть процесса фотолитографии сводится к тому, что вначале на обрабатываемую поверхность наносится тонкая фоточувствительная полимерная плёнка (фоторезист). Затем эта плёнка засвечивается через фотошаблон с заданным рисунком. Далее проэкспонированные участки удаляются в проявителе. Получившийся на фоторезисте рисунок используется для таких технологических этапов планарной технологии, как травление, электроосаждение, вакуумное напыление и другие. После проведения одного из этих процессов оставшийся, не удалённый при проявлении, фоторезист также удаляется.

Принципиальное отличие фотолитографии от других видов литографии заключается в том, что экспонирование производится светом (видимым или ультрафиолетовым), тогда как в других видах литографии для этого используется рентгеновское излучение (рентгеновская литография), поток электронов (электронно-лучевая литография) или ионов (ионно-лучевая литография) и другое.

Для изготовления ИМ с субмикронными размерами элементов из-за нестабильности плоскостности подложек и шаблонов потребуются экспонирование в вакууме при пошаговом перемещении подложки относительно шаблона и высокая точность совмещения, около 0,05 мкм.

Достоинства и ограничения РЛГ. Применение излучения с малой длиной волны уменьшает дифракцию и позволяет получать малый размер элементов при значительном зазоре между шаблоном и подложкой; малая энергия излучения уменьшает его рассеяние в резисте, поэтому слой экспонируется равномерно по глубине независимо от его толщины и материала подложки, что способствует получению рисунка с вертикальными стенками, точно повторяющего топологию шаблона; частицы пыли из веществ с малым атомным весом пропускают рентгеновские лучи и, следовательно, не передаются на резист; РИ не чувствительно к электрическому заряду на шаблоне и подложке.

Недостаток метода – (рентгеновский источник, защита оператора от излучения), , фокусирующей рентгеновские лучи, малая интенсивность стандартных источников РИ, что уменьшает производительность экспонирования; сложность изготовления рентгеношаблонов, так как для прохождения РИ необходимы очень тонкие мембраны; малая чувствительность резистов; экспонирование РИ с длиной волны более 1 нм необходимо проводить в вакууме; для получения субмикронных размеров элементов необходимо пошаговое экспонирование, так как процесс становится чувствительным к стабильности плоскостности поверхностей подложек и геометрических размеров шаблонов.

Формирование рисунка на кремниевой пластине возможно также при помощи ионных пучков. Сущность ионной литографии состоит в экспонировании пластины широким пучком ионов Нчерез шаблон из золота на кремниевой мембране или поточечного экспонирования сканирующим пучком из жидкометаллического (Ga) источника. Поскольку ионы поглощаются в раз эффективнее, чем электроны, то и требуется их в

Особенности ИЛГ. И ЛГ появилась как результат поиска путей преодоления ограничений электронной в рентгеновской литографий и находится пока на начальной стадии развития. Применение лучей

ускоренных ионов имеет ряд преимуществ. Ионы обладают большой массой и, следовательно, в меньшей степени подвержены рассеянию в слое резиста.

этого метода являются меньшее рассеивание ионов

вследствие их массы и по сравнению с ЭЛГ ввиду отсутствия эффекта близости, когда рассеяние распространяется на близлежащие элементы рисунка. Генерируемые в резисте вторичные электроны имеют очень малую энергию, и их пробег не превосходит 10 нм.

В ионном луче значительно слабее взаимное отталкивание, чем в электронном луче. В отличие от РИ для ионов можно получать коллимированные пучки, что исключает геометрические эффекты, уменьшающие разрешение.

Как и рентгеновское излучение, ионы с большой энергией не подвержены дифракции, которая ограничивает разрешение.

Все это способствует получению топологического рисунка с размерами элементов не хуже 0,5 мкм.

Для ионно-лучевого экспонирования требуются дозы облучения во много раз меньшие, чем в ЭЛГ.

Фокусированные ионные пучки можно использовать для экспонирования резистов, исправления дефектов фотошаблонов, а также в безрезистной литографии и непосредственного травления оксида кремния.

Резисты для ИЛГ. Для формирования контактной маски с помощью ионного луча можно применять электронорезисты, причем некоторые из них к нонам более чувствительны, чем к электронам. Это объясняется большей ионизирующей способностью ионов по сравнению с электронами при энергиях, применяемых на практике. Все полимерные, а также и некоторые неорганические резисты, могут быть использованы в качестве негативных ионорезистов.

атомами кремния, при которых смещения ионов невелики. Большинство ионов сохраняют направление своего движения рассеяние мало.

Зазор между шаблоном и пластиной составляет около 20 мкм, но для субмикронных процессов требуется контакт, так как изолированные элементы изображения не могут быть экспонированы через сквозной шаблон, а составные шаблоны разделяются на две взаимодополняющие части.

. Возможны два способа формирования изображения на ионорезисте: сканирование сфокусированным лучом, проецирование топологии с шаблона в плоскость подложки.

аналогична сканирующей ЭЛГ. Ионы Не, Нили Аг, образуемые в источнике ионов, вытягиваются из источника, ускоряются и фокусируются в плоскость подложки электронно-оптической системой. Сканирование выполняют кадрами площадью 1 ммс пошаговым перемещением столика с подложкой и совмещением на каждом кадре. Сканирование сфокусированным ионным лучом предназначено для получения топологии с размерами элементов от 0,03 до 0,3 мкм. Сфокусированные ионные пучки для прямого (без шаблона) экспонирования резистов имеют ограниченное применение, так как размер поля экспонирования не превышает 1 мм. При сканировании ионного пучка его отклонение происходит медленнее по сравнению с электронным пучком, а разрешающая способность объектива оказывается не лучше 1 мкм в кристалле 5х5 мм. В настоящее время ионные пучки используются в основном для ретуширования фотошаблонов.

выполняется широким коллимированным ионным пучком площадью 1 см. Совмещение выполняется в режиме сканирования с помощью меток совмещения, путем регистрации изменения потенциала на краю металлической метки.

Так же как и ЭЛГ, ИЛГ легко автоматизируется. Особенностью ИЛГ является то, что с помощью ионного луча, наряду с экспонированием, можно выполнять технологические операция: очистку поверхности, травление, нанесение пленок; а также совмещать в одном технологическом оборудовании все эти операции с другими сухими процессами, например с проявлением.

сформированы как в негативных, так и в позитивных резистах. Даже десятикратное переэкспонирование не вызывает изменения ширины линий.

Дополнительная область применения ионно-лучевого экспонирования

– отверждение резистов ДХН и ПММА для реактивного ионного травления или других применений в качестве маски. При ионной имплантации В, Р или As резист со скрытым изображением работает как барьерный слой.

Ионно-лучевое экспонирование является идеальным в том смысле, что для него прямое и обратное рассеяния пренебрежимо малы, а радиационные повреждения в кремниевой подложке практически отсутствуют, так как ионы в основном не проходят сквозь слой резиста. Поскольку ионы очень эффективно передают в резист энергию, то чувствительность резиста не является решающим фактором для производительности, которую в данном случае обеспечивают подбором подходящего высокоинтенсивного источника ионов, термостабильного шаблона и высокой точностью совмещения (± 0.1 мкм).

• McCord, M. A.; M. J. Rooks. // SPIE Handbook of Microlithography, Micromachining and Microfabrication (англ.). — 2000.
• Applied scrambles to hold lead in e-beam photomask tools / EETimes, 2001-07-27

Очистка и подготовка поверхности

Первоначально подложка (при производстве монолитных микросхем это обычно пластина из монокристаллического кремния) очищается от загрязнений в ультразвуковой ванне в различных органических растворителях: ацетоне и метаноле и полосканием в изопропаноле. В случае значительных загрязнений поверхности, её обрабатывают смесью серной кислоты и пероксида водорода (H2SO4 + H2O2) с последующим применением процесса RCA очистки.

Различные материалы подложки имеют различное сцепление (адгезию) фоторезиста с ней. Например, такие металлы, как алюминий, хром и титан имеют высокую адгезию, в то время как благородные металлы — золото, серебро или платина — имеют очень плохую адгезию. В случае низкой адгезии перед нанесением фоторезиста рекомендуется наносить тонкий подслой адгезива, увеличивающий сцепление фоторезиста с поверхностью, например, гексаметилдисилазан (ГМДС). Кроме этого, иногда и поверх фоторезиста наносят антиотражающие покрытия.

Установки центрифугирования для нанесения фоторезиста

Наиболее широко распространённый метод нанесения фоторезистов на поверхность — это центрифугирование. Этот метод позволяет создавать однородную плёнку фоторезиста и контролировать её толщину скоростью вращения пластины (порядка нескольких тысяч оборотов в минуту). Как правило, используется при работе с большими круглыми пластинами.

При использовании не подходящих для центрифугирования поверхностей, например для покрытия небольших поверхностей, используется нанесение погружением в фоторезист. Недостатками этого метода являются большой расход фоторезиста и неоднородность получаемых плёнок.

При необходимости нанести фоторезист на сложные поверхности используется аэрозольное распыление, однако толщина плёнки при таком методе нанесения также не является однородной.

После нанесения фоторезиста необходимо провести его предварительную сушку (запекание). Для этого образец выдерживается несколько минут в печи, при температуре 100—120оС. Этот этап необходим для испарения растворителя, содержащегося в фоторезисте, что способствует улучшению адгезии, исключению прилипания к фотошаблону, возможности нанесения второго слоя фоторезиста и имеет положительное влияние в некоторых других аспектах.

Длины волн экспонирования в литографии

Схемы 4х различных видов экспонирования. Показаны контактный метод экспонирования, экспонирование с микрозазором и проекционные методы экспонирования

Процесс экспонирования заключается в засветке фоторезиста через фотошаблон, содержащий желаемый рисунок, светом видимого или ультрафиолетового диапазона, что и отличает процесс фотолитографии от других видов литографии. К примеру, в случае рентгеновской, ионно-лучевой и электронной литографии, для экспонирования используются рентгеновские лучи, ионы и электроны соответственно.

Наиболее стандартными длинами волны экспонирования в фотолитографии являются i-линия (365 нм), h-линия (405 нм) и g-линия (436 нм). Как бы то ни было, большинство фоторезистов могут быть проэкспонированы и широким спектром в ультрафиолетовом диапазоне (интегральное экспонирование), для чего обычно применяется ртутная лампа. В случае фотолитографии в глубоком (жёстком) ультрафиолете используются длины волн около 13,5 нм и специальные фоторезисты. Среди источников излучения, использующихся в фотолитографии, наиболее распространены:

Экспонирование может проводиться как с использованием фотошаблона, так и без него (безмасочная литография). В последнем случае рисунок на фоторезисте формируется непосредственно перемещающимся лазерным или электронным лучом или их группой, сфокусированным на поверхности фоторезиста. В случае же применения фотошаблонов чаще используются проекционные методы экспонирования, когда рисунок с фотошаблона переносится на фоторезист с использованием системы оптических линз. В некоторых вариантах литографии маска может находиться в контакте с фоторезистом, или в непосредственной близости, при наличии микрозазора.

Существуют технологии, позволяющие уменьшить искажения и изготовить микросхемы с меньшими проектными нормами:

При производстве полупроводниковых приборов для экспонирования больших по площади пластин (150, 200, 300 мм в диаметре) используют такие аппараты, как степперы и сканеры, в которых небольшой фотошаблон экспонируется на пластину многократно с помощью перемещения экспонируемой поверхности.

Основными параметрами экспонирования являются длина волны, время экспонирования и мощность источника излучения. Как правило, каждый фоторезист имеет определённое значение дозы (мДж/см2), необходимой для его экспонирования, поэтому важно правильно подобрать параметры экспонирования. При недостаточной дозе могут возникнуть проблемы с проявлением фоторезиста, а чрезмерное экспонирование может вызвать повреждения плёнки фоторезиста. От мощностных параметров зависит производительность фотолитографических установок, измеряемая в пластинах в час (wph).

Дополнительно стоит отметить такой метод фотолитографии, как «выжигание», при котором необходимые окна в полимерном слое выжигаются под воздействием на них мощного светового потока, испаряющего нанесённую на материал плёнку или прожигающего сам материал насквозь. Этот способ применяется для изготовления малотиражных офсетных форм и в некоторых системах ризографии.

Вторичное запекание производится непосредственно после экспонирования и не является обязательным шагом. Этот этап требуется лишь в случаях применения химически усиленных фоторезистов, применения обращаемого фоторезиста, потребности в релаксации толстых плёнок фоторезиста и в некоторых других ситуациях.

В процессе проявления части фоторезиста удаляются специальной жидкостью — проявителем (например гидроксид тетраметиламмония), формируя окна в плёнке фоторезиста. В случае использования позитивного фоторезиста удаляется проэкспонированная область, а в случае негативного — не проэкспонированная.

Определённые фоторезисты проявляются определённым проявителем и не проявляются другими. Как правило, проявитель разбавляется водой (1:2, 1:4), при этом степень разбавления контролирует скорость проявления, которая также зависит от полученной фоторезистом дозы при экспонировании.

Окончательное запекание фоторезиста также является не обязательным шагом, хотя нередко помогает улучшить его свойства. В частности, сушка при 130—140оС повышает химическую и температурную устойчивость проявленного фоторезиста для таких последующих этапов, как электроосаждение, сухое и жидкостное травление.

Как правило, фотолитография тесно связана с технологическим этапом, для которого собственно и требуется получаемый из фоторезиста рисунок. Наиболее распространённым процессом на этом этапе является травление, хотя нередко применяются и такие процессы как электроосаждение и напыление при проведении обратной фотолитографии.

Травление является наиболее часто используемым в совокупности с фотолитографией процессом при производстве печатных плат и полупроводниковых приборов для микроэлектроники. Существуют два основных вида травления: жидкостное (жидкое) и сухое травление. Сухое травление подразделяется на физическое распыление, ионное распыление; газофазное химическое травление; реактивное ионное травление. В зависимости от задач, применяют тот или иной тип травления. Жидкостное травление применяют в основном при изготовлении печатных плат, а также для вытравливания жертвенного слоя при изготовлении МЭМС, и других применений, где требуется изотропное травление (то есть травление во всех направлениях). Плазменное, и в особенности глубокое плазменное травление, применяют когда необходимо протравить структуру относительно глубоко, сохраняя при этом, как можно более вертикальный угол наклона стенок, то есть протравить анизотропно, только в вертикальном направлении. Результат травления тесно связан с параметрами фоторезиста, что во многом и определяет его выбор.

Схема основных этапов процесса фотолитографии

В процессе электроосаждения, окна в фоторезисте используются для осаждения в них материала из электролита.

Напыление. Обратная литография

В случаях, когда требуется получить рисунок из материала плохо подвергающегося травлению, используют процесс обратной (взрывной) литографии. В процессе обратной литографии на нанесённый и проявленный фоторезист напыляется тонкий слой материала (обычно металла), из которого требуется сформировать рисунок. На следующем этапе производится снятие фоторезиста, так что напылённый материал остаётся только в окнах, не защищённых фоторезистом, а плёнка, попавшая на фоторезист, уносится вместе с ним, то есть осуществляется так называемый «взрыв». Для обратной литографии, как правило, используются специальные LOR (lift-off-resist) фоторезисты. Существуют многочисленные модификации этого метода, например, когда используются два или даже три слоя фоторезистов с разной скоростью проявления. В целом, для аккуратного снятия фоторезиста требуется чтобы плёнка фоторезиста была в два и более раз толще, чем плёнка напылённого материала, а также чтобы стенки фоторезиста имели отрицательный наклон, что исключит возможность их покрытия напыляемым материалом.

Финальным этапом процесса фотолитографии является снятие фоторезиста. Для удаления фоторезиста с обработанной поверхности используют либо обработку в специальной жидкости — снимателе (например, диметилсульфоксид, N-метилпирролидон, смесь серной кислоты и перекиси водорода), либо обработку в кислородсодержащей плазме. Как правило, определённые сниматели подходят только к определённым группам фоторезистов. В процессах обратной фотолитографии, вместе с фоторезистом удаляется и покрывающая его плёнка материала. Если на предыдущих этапах применялись усилители адгезии или антиотражающие покрытия, они, как правило, также удаляются снимателем.

В настоящее время (2015 г.) запись скрытого изображения в плёнке резиста на поверхности образца может осуществляться тремя возможными методами:

Этот вид записи аналогичен считыванию (записи) изображения на экране телевизора, где электронный луч
последовательно (построчно) обегает каждую точку экрана. В местах где необходимо, луч экспонирует резист, остальных точках пучок электронов блокируется запиранием электронной пушки, хотя сканирование (изменение тока в системе отклонения) продолжается.

Электронный луч подаётся только на те места, где необходимо экспонирование, и не подаётся в места, не подлежащие экспозиции. Поэтому весь процесс экспозиции осуществляется значительно быстрее, чем при растровом способе записи.

Запись электронным пучком с изменяющимся размером и формой электронного пучка

В этом случае запись происходит «большим мазком», — по терминологии художников. Так как любой рисунок можно нарисовать с помощью прямоугольников, то нет необходимости растеризовать рисунок на элементарные пикселы, достаточно изменять форму и размер сфокусированного пучка, от маленького прямоугольника до большого. Запись при этом происходит ещё быстрее, чем в векторном способе.

• Лапшинов Б. А. Технология литографических процессов. Учебное пособие — МИЭМ, 2011
• Lithographic Challenges an ASML perspective. Boudewijn Sluijk, Intel ERIC, Dublin, 4 Oct. 2012

Электронный пучок, остросфокусированный с помощью магнитных линз на поверхность слоя полимера (резиста), чувствительного к электронному облучению, прорисовывает на нем изображение, которое обнаруживается после обработки резиста в проявителе. Обработка электронным пучком резиста меняет степень растворимости полимера в растворителе (проявителе). Участки поверхности, с записанным на них изображением, очищаются от резиста с помощью проявителя. Через полученные окна в плёнке резиста производится вакуумное напыление подходящего материала, например, нитрида титана или металлов или ионное травление. На последнем этапе технологического процесса неэкспонированный излучением резист также смывают другим растворителем.
Перемещение электронного пучка по поверхности осуществляется с помощью компьютера изменением токов в отклоняющих магнитных системах. В некоторых установках при этом меняется форма и размеры пятна электронного пучка.
На выходе многоступенчатого технологического процесса получается фотошаблон-маска для использования в фотолитографии и других нанотехнологических процессах, например, в технологии реактивного ионного травления.

Также электронная литография, имеющая невысокую производительность, используется при производстве единичных экземпляров электронных компонентов, в тех случаях, когда требуется нанометровое разрешение, в промышленности и в научных исследованиях.

Контрольные вопросы

Как производится процесс электронолитографии?

Соседние файлы в папке материалы по технологии

Ионно-лучевая литография

Развитие
ионно-лучевой техники, позволило
приступить к разра­ботке нового
метода литографии, основанного на
экспонировании топологии в резисте
потоком ионов.

Ионно-лучевая
литография развивается в трех
направлениях: с использованием
коллимированных управляемых пучков,
острофокуси­рованных пучков и
ионно-проенционяых систем. Первый метод
подобен рентгенолитографии с
синхротронным источником. Шаблон
изготовля­ется так же, как и
рентгеновский, но кремниевая мембрана
должна быть не толще 0,5 мкм, в противном
случае, возможно сильное погло­щение
конов. Целесообразнее использовать
металлическую маску с отверстиями,
однако при этом не обеспечивается
высокое разрешение. Для экспонирования
используют пучок протонов сечением
примерно I
см2
с энергией 150 — 250 кэВ и током пучка около
I
мкА. Элек-тронорезисты (полиметилметакрилат)
на 2 — 3 порядка более чув­ствительны
к ионам, чем к электронам, что снижает
время экспони­рования и обеспечивает
потенциально высокую производительность
метода.

Разрешающая
способность ионного экспонирования
велика, так как пучки протонов сильно
ноллимированы и полутеневке изображения
не возникают. Кроме того, в случае ионов
отсутствует эффект близко-действия
(как у электронов), а вторичные электроны,
генерируемые в резисте, имеют очень
малую энергию и их пробег не превышает
0,01 мкм. Для осуществления ионолитографии
коллимированными пуч­ками пригодны
типовые установки ионного легирования.

Достоинство
метода острофокусированного ионного
пучка состоит в возможности отказа от
резистов. Под действием протонов или
ионов гелия в облученных областях
кремния или двуокиси кремния происходит
локальное увеличение скорости травления
и окисления из-за возникновения большого
числа радиационных дефектов. Для
реализации пятикратного увеличения
скорости травления требуется доза
1014-
1016
см2
. Однако получить острофокусированные
пучки непросто. Источники, использующие
эмиссии из жидкой фазы, позво­ляют
получать приемлемую плотность тока
(примерно 10 -9А),
однако .диаметр ионного пучка в этом
случае достигает 0,25 мкм из-за большого
разброса энергий ионов в пучке. Энергия
ионов лежит на уровне 100 — 200 кэВ, при
таких больших энергиях растет боковое
рассеяние и,как результат, падает
разрешение.

В ионно-проекционной
установке ионы с энергией 30 — 100 кэВ при
плотности тока 0,5-1 мА/см проходят маску
из металлической фольги с отверстиями
требуемой конфигурации и электростатическую
линзу, формирующую на пластине уменьшенное
в 10 раз изображение рисунка маски; далее
изображение мультиплицируют, перемещая
сто­лик с пластиной. Если в маске
вытравить элементы размерами 3 мкм (что
вполне реально), то при уменьшении 10:1
получим разрешение на пластине 0,3 мкм
при размерах облучаемого участка 5×5
мм.

В
настоящее время ионолитография не
имеет широкого применения, так как
требуются новые мощные установки,
устойчивые к воздействию ионов шаблоны,
а также методы устранения дефектов,
возникающих в кремнии.

Ионно-лучевое
экспонирование является идеальным в
том смысле, что для него прямое и обратное
рассеяния пренебрежимо малы, а
радиационные повреждения в кремниевой
подложке практически отсутствуют, так
как ионы в основном не проходят сквозь
слой резиста. Поскольку ионы очень
эффективно передают в резист энергию,
то чувствительность резиста не является
решающим фактором для производительности,
которую в данном случае обеспечивают
подбором подходящего высокоинтенсивного
источника ионов, термостабильного
шаблона и высокой точностью совмещения
(0.1 мкм).

Резисты
для новых литографических методов.
Так как для проведе­ния электроне-
рентгено- и ионнс-лучевой литографии
в качестве ре-зиста используются одни
и те же растворы полимеров, их обычно
в литературе называют электронорезисты.

Значения
чув­ствительности резистов зависят
от многих факторов, в том числе от
молеку­лярного веса вещества, толщины
пленки резиста, состава проявите­ля,
времени и температуры проявления, и
уменьшаются при увеличе­нии энергии
электронов.

Обычно
негативные электронорезисты обладают
большей чувстви­тельностью, однако
у них ниже разрешающая способность. В
настоя­щее время в электронолитографии
наиболее распространен полиметил-метакрилат.

В табл.5 приведены
результаты сравнения всех типов
экспонирующего оборудования и
используемых в нем шаблонов. Доминирующим
является УФ-экспонирование, за ним
следует электронно-лучевое. Для
рентгеновского и ионно-лучевого
экспонирования необходим еще один этап
усовершенствования. Реально ширина
экспонируемой линии примерно в 4 раза
превышает точность совмещения.

Если
размер элементов рисунка превышает 1
мкм и требуется большой объем производства
однотипных изделий, то пригодны
1-зеркальные
сканеры, имеющие высокую производительность
и достаточную точность совмещения.
Ниже 1-мкм барьера и примерно до 0.6 мкм
конкурируют установки пошагового
экспонирования с преломляющей оптикой
(5-объектив
для экспонирования на длине волны 365
нм) и установки пошагового экспонирования
со сканированием. При изготовлении
1-шаблонов
возникают серьезные проблемы, такие,
как дефектность и невозможность
выдержать размеры на всей поверхности
(250250
мм) стеклянной пластины. Сделана попытка
расширить возможности оптической
литографии на диапазон размеров 0.6-0.3
мкм с помощью отражательных установок
пошагового ДУФ-экспонирования с
3-5-уменьшением.
Что касается размеров менее 0.3 мкм, то
массовое производство схем памяти
обеспечивается печатью с зазором с
применением либо рентгеновских, либо
электронных пучков. Электронные пучки
применяются для изготовления традиционных
заказных схем и комплектов шаблонов
для всех остальных видов экспонирования.

Таблица 5. Сравнение
экспонирующего оборудования

и соответствующих
ему шаблонов и резистов.

Условные
обозначения к табл. 5.

Ключем
к высокопроизводительной литографии
являются высококачественные стойкие
шаблоны, которые способны выдерживать
термические и механические напряжения.
Выбор вида излучения (широкие пучки
УФ-излучения, рентгеновского излучения,
электронов или ионов) для экспонирования
через шаблон, зависит в основном от
трех факторов:

1) может ли быть
изготовлена маска с резкостью края
лучше чем 1/10 воспроизводимого размера;

2) обеспечивается
ли достаточная плоскостность шаблона
и сохраняются ли она, а также рисунок
неизменными во время экспонирования:

3) может ли быть
разработана такая схема совмещения, в
которой различались бы длины волн
экспонирования и совмещения.

Техника изготовления
шаблонов даст толчек развитию новых
резистов и процессов.

Уменьшение глубины
фокуса в оптической литографии требует
применения более плоских пластин,
автофокусировки и автосовмещения. Для
уменьшения ошибок совмещения и
фокусировки необходимо применять
низкотемпературные процессы, в которых
меньше коробление пластин, и планировать
конструкцию изготовляемых приборов.
Для субмикронной литографии необходимо
последовательное совмещение от кристалла
к кристаллу. Установки, в которых
совмещены принципы сканирования и
пошагового экспонирования, будут
развиваться исходя из требования на
совмещение.

Основными проблемами
оптического и ионно-лучевого экспонирования
Si-пластин являются многослойные резисты.

Величина К=0.3 в
случае записи рисунка в верхний
поверхностный слой, 0.5- в верхний
промежуточный слой (многослойные
резисты), 0.8- во всей толщине однослойной
резистной пленки. Основные направления
увеличения разрешения заключается в
уменьшении толщины чувствительного
слоя, по крайней мере, до четверти
величины минимального требуемого
размера (разрешения).

Производительность
любого экспонирующего оборудования
лимитирована интенсивностью источника
и чувствительностью резиста. При
оптическом экспонировании, исключая
ДУФ-диапазон, эти величины соответствуют
друг другу. Для электронно- и ионно-лучевого
экспонирования желательно повысить
чувствительность. Особенно это относится
к новолачным резистам. Для рентгеновского
экспонирования требуются хорошие
однослойные пленки резиста, чтобы
реализовать возможности получения
высокого разрешения и устранить низкую
производительность. С помощью
рентгеновского экспонирования можно
также избежать дополнительных затрат,
связанных с внедрением многослойных
резистов, требуемых в будущем для
оптической и электронно-лучевой
литографии.

Соседние файлы в папке МБИС(курсач)

Развитие микроэлектроники требует
разработки методов формирования
элементов интегральных схем с размерами
меньше одного микрометра. Такие методы
являются основой нового направления
«субмикронной технологии», т.е. технологии
создания устройств с высокой плотностью
элементов, имеющих размеры до 0,1 мкм.
Электронная литография практически не
может удовлетворять этим требованиям
из-за сильного отражения электронов от
границы резист-подложка, приводящего
к размытию экспонируемой линии, а также
из-за низкой чувствительности и плохого
контраста электронных резистов, что
связано с увеличением времени экспозиции.

Указанные недостатки могут быть устранены
при использовании для экспонирования
ионных пучков. Процесс формирования
рисунка в слое резиста с помощью ионных
пучков получил название ионная
литография.

Процесс экспонирования ионорезиста
острофокусированным ионным пучком
является наиболее важным этапом при
ионной литографии. Это объясняется тем,
что именно процесс экспонирования
является основным, определяющим
необходимое разрешение и производительность.
Задачи же, связанные с последующей
обработкой экспонированных резистов,
увеличением рабочего поля экспонируемого
участка, травлением микроструктур,
аналогичны тем, что встречаются в любом
другом виде микролитографии.

Экспонирование резиста основано на
физико-химических процессах деструкции
или полимеризации материала резиста
под воздействием столкновений ионов с
молекулярными цепочками.

В ионной литографии для чувствительного
резиста желательно выбирать такую
энергию ионов, чтобы толщина пленки
резиста была близка к проецированному
пробегу ионов в материале резиста.

Как и в электронной литографии, ширина
экспонируемой области в резисте будет
больше диаметра ионного пучка по
следующим причинам:

Среди промышленных установок для ионной
литографии можно выделить три типа:
ионно-лучевые зондовые, проекционные
и проекционные с модульным переносом
изображения.

В ионно-лучевых зондовых установках
поток ионов должен быть сфокусирован
в пятно субмикронного размера, например
диаметром 30 нм, с малыми аберрациями.
Электростатическое сканирование по
поверхности мишени и периодическое
запирание пучка позволяют обрабатывать
резист, формируя требуемое изображение
элементов. Литографический рисунок
можно получать с шириной линии 40-70 нм.
Размеры поля сканирования не превышают
1 мм2, так как при больших углах
отклонения значительно изменяются
размеры сечения пучка. Для лучшей
фокусировки поток обычно диафрагмируют,
в результате чего ток в пучке снижается
в 106раз, поэтому основной проблемой
ионно-лучевой литографии являются
высокояркостные источники.

Широкое распространение
получили источники, основанные на
эмиссии ионов металла с острия иглы,
покрытой жидким расплавом этого металла,
в сильном электрическом поле, а также
источники с ионизацией молекул газа в
сильном электрическом поле вблизи
острия.

На рис. 15.14 схематически
изображено устройство, снабженное
источником ионов с жидкой металлической
пленкой и зондовой системой. Для создания
ионного пучка могут применяться расплавы
различных металлов (Ga,
In,
Au,
Al,
Cs,
Bi,
Si,
Ge,
Hg)
или их сплавов из Ge
(12%) и Au
(88%), имеющих рабочую температуру 356 0С.

По поверхности разогретой до рабочей
температуры иглы, материал которой
химически не взаимодействует с расплавом,
последний поступает на эмиссионное
острие. Игла имеет радиус закругления
5-10 мкм. Между иглой и экстрактором
(молибденовой диафрагмой с отверстием
диаметром 1,5-2 мкм) прикладывается высокий
потенциал Uвыт=5 — 7 кВ.

Сила электрического поля превосходит
силу поверхностного натяжения расплава,
в результате чего на конце иглы формируется
все время возобновляемый конус. Угол
при вершине конуса составляет 0,2 рад, а
радиус закругления уменьшается до 10-30
нм. Напряженность поля на острие конуса
достигает 108-109В/см, что
способствует испарению атомов, которые
ионизируются в зоне, примыкающей к
острию конуса.

При использовании
расплава галлия разброс ионов по энергиям
составляет 4,5 — 14 эВ. Такой разброс
ограничивает минимально достижимые
размеры сфокусированного пучка
несколькими десятками нанометров, а
сила тока в пучке диаметром 0,25 мкм
составляет 10-9
А.

Обработку всей площади пластины проводят,
периодически перемещая стол с закрепленным
на нем объектом. Положение прецизионного
стола в повторно-шаговом режиме
фиксируется с помощью лазерного
интерферометра.

Для экспонирования позитивных и
негативных резистов на всю их толщину
ионам необходимо сообщать энергию в
установке более 100 кэВ.

Повышение тока в пучке в зондовых
устройствах сопровождается возрастанием
влияния эффекта расталкивания заряда.
Поэтому при создании установок с высоким
разрешением надо решать задачи компенсации
зарядов пучков, их эффективной
транспортировки и фокусировки. Серьезным
ограничением производительности может
быть инерционность электростатической
отклоняющей системы.

В проекционных ионно-литографических
установкахприменяют потоки ионов с
площадью поперечного сечения около 1
см2, для генерации которых не
требуются точечные источники. Плазменный
источник – дуоплазматрон с двойным
контрагированием плазмы – обеспечивает
требуемый ток и необходимую яркость.
Так как в качестве рабочих газов обычно
используют гелий, водород, неон или
аргон, то целесообразно применять
дуоплазматрон с накаливаемым катодом.
Извлекаемый из него ионный пучок проходит
конденсорную электростатическую линзу,
а затем – коллимирующую линзу и попадает
на маску-шаблон. Прошедшие через шаблон
ионы формируют его изображение на
обрабатываемой мишени. При этом между
шаблоном и мишенью или оставляют
минимальный (порядка нескольких
микрометров) зазор, или устанавливают
линзы ускоряющей системы. С их помощью
изображение шаблона можно уменьшить в
несколько раз.

В проекционных установках используют
шаблоны трех типов: 1) трафареты со
сквозными отверстиями, 2) маски из
поглощающих ионы материалов на аморфной
поддерживающей мембране и 3) пленочные
маски на тонкой монокристаллической
основе.

Соседние файлы в папке Конспект лекций

Разрешение в электронной литографии

Влияние ахроматической, сферической аберраций и дифракции на размер электронного пучка

На диаметр электронного пучка влияют несколько факторов: размер источника электронов и коэффициент масштабирования электронной фокусирующей системы .
Эти параметры связаны между собой формулой:

Длина волны электрона зависит от ускоряющего потенциала и равна нм. Для ускоряющего напряжения 10 кВ длина волны электрона составляет 12,2 пм, и, соответственно, разрешение системы, ограниченное дифракцией, равно:

где  — половина угла фокусировки пучка.

В реальных системах магнитные линзы имеют сферическую и хроматическую аберрации. Сферическая аберрация возникает вследствие различного фокусноко расстояния для электронов движущих по оси и на периферии пучка. Разброс скоростей электронов в пучке приводит к хроматической аберрации — электроны с разной начальной скоростью фокусируются на разных расстояниях.

Для уменьшения сферической аберрации применяют апертурное ограничение пучка — диафрагмы, обрезающие периферийные электроны. Но при диафрагмировании пучка уменьшается его ток.

Таким образом, разрешение, определяемое свойствами электронного пучка, имеет вид:

На рисунке показана зависимость размера пучка от угла фокусировки с учётом всех видов искажения размеров пучка.

Ухудшение разрешения из-за нелинейных процессов при взаимодействии электронного пучка с резистом

Схема взаимодействия первичного электрона пучка с подложкой (слоем резиста). Вторичные выбитые электроны паразитно экспонируют близлежащие участки резиста.

Конечное разрешение электронной литографии определяется не только диаметром сфокусированного пучка, а ещё характером его взаимодействия со слоем резиста. Соударение электронов первичного, высокоэнергетического пучка электронов (красная линия) с атомами материала резиста порождает в нём затухающую лавину вторичных выбитых электронов (синии линии), вторичные электроны паразитно «засвечивают» резист. В результате экспонированное пятно в плёнке резиста оказывается в несколько раз больше по размеру относительно диаметра электронного пучка.

Для снижения энергии лавины вторичных электронов, и, соответственно, уменьшения размера экспозиционного пятна, необходимо уменьшать энергию электронов пучка, то есть — снижать ускоряющее напряжение электронной пушки. Но при снижении ускоряющего напряжения ухудшается фокусировка пучка. Поэтому практически выбирают компромиссную величину ускоряющего напряжения — для обеспечения наилучшего разрешения при применённой толщине слоя резиста и его свойствах.

Сравнение и тенденция развития процессов литографии

При проектировании технологических маршрутов изготовления ИМ, а также шаблонов, свободных масок, выбор метода для формирования рисунка осуществляется по трем основным параметрам: минимальная воспроизводимая ширина линии, точность совмещения, производительность процесса. При этом, конечно, учитывается экономическая целесообразность использования метода.

Оптическая литография обеспечивает высокую производительность и является основным методом формирования топологии ИМ при массовом производстве. Процессы оптической литографии отработаны и продолжают совершенствоваться без значительного увеличения затрат на производство.

Электронолитография обеспечивает высокое разрешение, но отличается сравнительно малой производительностью, высокой стоимостью оборудования и трудностями, связанными с использованием специальных резистов. В настоящее время метод используется в производстве прецизионных шаблонов, а также применяется при производстве сверхбольших ИМ.

Рентгеновская литография при условии усовершенствования систем мультиплицирования и технологии изготовления шаблонов будет промежуточной между оптической и электронной литографиями.

Для рентгеновского и ионно-лучевого экспонирования необходим еще один этап усовершенствования. Реально ширина экспонируемой линии примерно в 4 раза превышает точность совмещения.

Что касается размеров менее 0.3 мкм, то массовое производство схем памяти обеспечивается печатью с зазором с применением либо рентгеновских, либо электронных пучков.

Системы для электронной литографии

Системы электронной литографии для коммерческих применений имеют стоимость порядка $4 млн и выше. Для научных исследований обычно используют электронный микроскоп, переделанный в систему электронной литографии при помощи относительно дешевых дополнительных устройств (общая стоимость такой установки < $100 тыс.). Эти модифицированные системы позволяли прорисовывать линии с шириной около 20 нм уже с 1990-х годах. Между тем, современное специализированное оборудование позволят получать разрешение лучше 10 нм.