Курс лекций НЭ_ч4-ч5_Богач_2013. Курс лекций " Основы наноэлектроники"

• Название: Курс лекций " Основы наноэлектроники"
• Анкор: Курс лекций НЭ_ч4-ч5_Богач_2013.doc
• Дата: 26.04.2018
• Размер: 3.44 Mb.
• Имя файла: Курс лекций НЭ_ч4-ч5_Богач_2013.doc
• Тип: Курс лекций; #18523
• страница: 4 из 17

4.3.2.Оптическая литография.

Оптическая литография явля­ется способом формирования заданного рельефа или топологии с помощью пучков света.

Оптическая литография была первым методом создания интег­ральных схем. В настоящее время она сохранила свои позиции основ­ного высокопроизводительного метода создания сверхбольших интег­ральных схем. Это произошло прежде всего потому, что на протяже­нии десятилетий совершенствовались источники актиничного оптического излучения, удалось обеспечить точность совмещения, не­обходимые минимальные оптические зазоры, разработать новые пер­спективные материалы резистивных масок, обеспечить необходимую чистоту материалов от микровключений, а также ряд других ноу-хау.

В современной оптической литографии используется глубокое ультрафиолетовое излучение (λ= 0,2 мкм - 0,3 мкм), источником кото­рого служат эксимерные лазеры или ртутно-ксеноновые лампы.

Стандартные ртутно-ксеноновые дуговые лампы высокого давле­ния излучают из малого объема светящегося тела и имеют мощность излучения до 2000 Вт. Большая часть излучения приходится на теп­ловую составляющую. Для фотолитографии используется одна из полос линейчатого спектра лампы: g-линия (435,83 нм), h-линия (404,65 нм) или i-линия (365,48 нм). В каждой из них находится около двух процентов общей мощности энергии дуговой лампы.

В основе работы эксимерных газовых лазеров лежат электронные переходы эксимерных молекул (см. ч. 3). Эти молекулы состоят из двух атомов инертного газа и галогена, которые могут существовать только в возбужденном состоянии. Наиболее широкое использование получили эксимерные молекулы KrF* — 248 нм, ArF* — 193 нм и F* — 157 нм. Лазеры на этих молекулах дают импульсы длительно­стью 5 - 20 нс с частотой повторения 4 кГц и мощностью до 50 Вт.

В качестве фоторезистов используют материалы, чувствитель­ные к глубокому УФ-излучению. Фоторезисторы для ультрафиолета имеют чувствительность порядка 100 мДж/см² и поэтому плот­ность излучения в процессе экспонирования должна составлять порядка 200 мВт/см². Лазеры вполне обеспечивают такую мощ­ность излучения.

Операции оптической литографии проводятся на современном оборудовании, каким является установка проекционного переноса изображения с одновременным совмещением. Такая установка по­лучила название степпер (stepper). В основе ее работы лежат после­довательные операции переноса топологии с шаблона на пластину кремния в акте единичного экспонирования шаблона через проекци­онный объектив. При этом происходит уменьшение масштаба и строго контролируются процессы совмещения меток на пластине и соответствующих меток на шаблоне. Экспонирование осуществляет­ся по команде микропроцессора после шагового перемещения коор­динатного стола с учетом коррекции координатных ошибок.

Для формирования топологии на пластине помимо степперов ис­пользуются сканеры. Они обеспечивают перенос изображения в режиме сканирования после пошагового перемещения пластины. Та­кой перенос осуществляется засветкой через щелевую апертурную диафрагму при одновременном синхронизированном движении шаб­лона и пластины относительно проекционной системы. Скорость пе­ремещения пластины больше скорости перемещения шаблона в та­кое число раз, при котором обеспечивается соответствующее масш­табирование. В этой системе накладываются жесткие требования по прецизионности при работе в динамическом режиме.

Степперы и сканеры являются самыми сложными и дорогостоя­щими из оборудования для производства современных интегральных схем. В настоящее время стоимость степпера составляет в среднем 5 млн долларов, стоимость сканера вдвое больше. При переходе на топологические нормы меньше 60 нм стоимость возрастет до 500 млн долларов. Производительность таких установок для пластин диаметром от 200 мм до 300 мм составляет 70 - 160 шт/час.

Дальнейшее развитие оптической литографии связывается с экс­тремальной ультрафиолетовой литографией (EUV — литография). В ней используются эксимерные лазеры на длине излучения 13.5 нм, позволяющие получить разрешение 0,1 -0,04 мкм. В качестве мощных источников света могут использоваться синхротроны или плазма, разогреваемая импульсом лазера или газового разряда. В отличии от литографии на эксимерных лазерах и эмерсионных средах установки с EUV работают только на отражении. Например, источник – отражение от размерного шаблона, последовательное отражение от двух параболических зеркал, уменьшающих изображение размерного шаблона, подложка с резистом. При каждом отражении теряется 30 % -70 % мощности излучения.

4.3.3.Рентгеновская литография.

Рентгеновская литография является высокоразрешающим способом формирования заданного рельефа или топологии с помощью рентгеновского излучения (пучка).

В рентгеновской литографии (x-ray) для экспонирования исполь­зуется мягкое (низкоэнергетическое) рентгеновское излучение (с энергией фотонов 0,5 кэВ – 10 кэВ), при поглощении которого в слое резиста образуются фотоэлектроны низкой энергии, вызывающие в свою очередь (в зависимости от типа используемого резиста) обра­зование или разрыв межмолекулярных связей. Рентгенолитография — практически то же, что и фотолитография с зазором, но рас­ширенная на область очень коротких длин волн порядка 1 нм. В этом диапазоне длин волн рентгеновские лучи переносят рисунок с шаблона на рентгенорезист методом теневой проекции.

Рентгенорезисты могут быть позитивными и негативными. Оба ти­па резиста имеют высокую разрешающую способность. В общем слу­чае требования, которым должны удовлетворять рентгенорезисты, следующие: высокая чувствительность к рентгеновскому излучению, высокое разрешение, стойкость к химическому, ионному и плазмен­ному травлению. В настоящее время нет резистов, удовлетворяющих всем этим требованиям. Чувствительность существующих рентгенорезистов лежит в диапазоне от 1 мДж/см² для экспериментальных ре­зистов до 2 Дж/см² для резиста на основе полиметилметакрилата (ПММА) на длине волны 0,834 нм. Чувствительность резиста на ос­нове полибутенсульфона (ПБС) составляет 94 мДж/см² на длине вол­ны 0,437 нм. Здесь следует заметить, что с помощью источников рентгеновских лучей, в которых мишень бомбардируется электронами, можно получить интенсивность рентгеновского излучения на поверхности подложки всего лишь от 1 до 10 мДж/(см²∙мин). Резисты ПММА и ПБС являются позитивными резистами, в которых рентгеновское излучение разрушает большие полимерные молекулы. Образующиеся в облученных областях меньшие молекулы быстро растворяются во время проявления. Разрешающая способность резистов ПММА и ПБС при их толщине порядка 0,2-0,7 мкм составляет соответственно 5000 лин/мм и 1000 лин/мм. Резист ПММА является базовым резистом для рентгеновской и электронной литографий. При этом стремятся минимизировать толщину пленок резиста, насколько позволяет рельеф поверхности подложки.

Шаблоны для рентгеновской литографии (РШ), имеют сложную структуру. Основная проблема состоит в изготовлении тонкой, но прочной основы, прозрачной для рентгеновского излучения. Для этих целей используются органические и неорганические мембраны. Органические мембраны изготавливаются на основе мулара, каптона, пиполена и полиимида, неорганические — из кремния, диоксида кремния, карбида кремния и других. Материал пленочного рисунка на шаблоне, наоборот, должен быть непрозрачен для рентгеновских лучей. В качестве такого материала используют золото.

Схема установки для экспонирования рентгеновскими лучами показана на рисунке 2.18.


Рис.2.18. Схема рентгенолитографии:

1 – электронная пушка; 2- поток электронов; 3-мишень; 4 – вакуумная камера; 5- окно из бериллиевой фольги; 6- поток рентгеновского излучения; 7- рентгеношаблон; 8 – пластина с рентгенорезистом.
Так как рентгеношаблон очень хрупок, то между ним и пластиной необходим зазор S = 3-10 мкм. Величину зазора находят из компромисса между желанием увеличить разрешающую способность и снизить уровень дефектов. На практике работают с зазором 3 мкм, поскольку размеры пылинок и других загрязнений составляют 1 - 2 мкм. Совмещение рисунков шаблона и на подложке можно осуществить обычным оптическим способом сквозь окна, вытравленные в шаблоне. Точность совмещения при этом невелика (около 1 мкм). Точность же совмещения с помощью рентгеновского детектора может достигать 0,1 мкм. В этом случае для совмещения используется исходное рентгеновское излучение, а на пластине изготавливается дополнительный элемент совмещения, который поглощает рентгеновские лучи, а также флуоресцирует или эмитирует электроны. Используется метод встроенного совмещения, в котором маркерные знаки размещаются непосредственно на шаблоне и пластине, а в ка­честве детектора рентгеновского излучения используется пропорци­ональный счетчик. При перекрытии рентгеновского луча маркерны­ми знаками детектор фиксирует нуль-сигнал, который свидетельст­вует о совмещении рисунков шаблона и пластины.

На рис. 2.18 (поз. 7) показан рентгеношаблон на основе кремни­евой мембраны с поглощающим рисунком из золота. При изготовле­нии такого рентгеношаблона в качестве исходной пластины берут пластину сильно легированного кремния (n+-Si), который сильно поглощает рентгеновские лучи. На ней выращивается высокоомный эпитаксиальный слой n-Si толщиной 3-5 мкм. Затем структуру ок­сидируют, в результате чего с обеих ее сторон образуется слой SiO₂. На слой Si0₂ со стороны эпитаксиального кремния наносят сначала тонкий слой хрома (5-10 нм), а затем слой золота (0,3 - 0,5 мкм). Хром наносят для улучшения адгезии золота к слою Si0₂. После этого с помощью электронолитографии из слоя зо­лота формируют необходимый рисунок рентгеношаблона. Затем проводят локальное травление n+-Si в соответствии с этим рисун­ком. Главные трудности при эксплуатации такого шаблона связаны с его термостабилизацией, так как нагрев шаблона экспонирующим излучением приводит к изменению параметров элементов в плане и ошибкам совмещения.


Источник электронов и мишень находятся в вакуумной камере. При облучении мишени потоком электронов образуется мягкое рен­тгеновское излучение с энергией фотонов 0,5 - 10 кэВ, которое, проходя через рентгеношаблон, облучает рентгенорезист, нанесен­ный на подложку. Далее процесс рентгеновской литографии прово­дят аналогично процессу фотолитографии.

Заметим, что длина волны рентгеновского излучения X зависит от материала мишени и ускоряющего напряжения U и имеет разное значение для разных электронных переходов в атомах мишени.

Из-за малого поглощения рентгеновского излучения резистом время экспонирования достаточно велико.

Качественная печать обеспечивается при наличии четырех со­ставляющих:

высокоинтенсивного коллимированного источника;

совмещения шаблона с подложкой с заданной точностью;

прецизионного контроля зазора;

недорогого мембранного либо трафаретного шаблона.

Рентгеновское излучение (Я. = 0,4 -г- 5,0 нм) очень трудно сфоку­сировать и коллимировать с помощью зеркал или линз.

Обший подход для реализации рентгеновской оптики основыва­ется на аналогии с оптикой видимого диапазона. Преломляющие рентгеновские линзы вносят в рентгеновское излучение сдвиг фазы, определяемый декрементом поглощения материала линзы и радиу­сом кривизны ее составного профиля (рис. 2.19). На этих принци­пах разработана оптика отражения, оптика преломления рентгено­вского излучения, рентгеновские волноводы.

Экспонирование на рентгеновских установках выполняется в расходящихся пучках, что при конечном размере источника излуче­ния и наличии зазора между шаблоном и подложкой приводит к искажению размеров и смещению элементов рисунка, передавае­мого в слой резиста.

Установки пошагового экспонирования имеют высокое разрешение и точность со­вмещения, но по сравнению с установками, позволяющими экспонировать всю подлож­ку целиком, их производительность втрое меньше.

При одновременном экспонировании всей подложки диаметром 150 мм, для кото­рой W = 15 мм, величина зазора S — L0 мкм и точность, с которой устанавливается за­зор, AS % 1 мкм, величина литографическо­го разрешения системы в 0,1 мкм достигает­ся при R = 750 мм и d = 3,8 мм. Для подло­жек большего диаметра при той же величине литографического разрешения расстояние от источника до рентгеношабло- на должно быть еще больше, что при сохра­нении скорости обработки подложек требует более интенсивного источника рентгено­вского излучения.

Для целей литографии существуют и разрабатываются различные источники мяг­кого рентгеновского излучения, в том числе с неподвижным или вращающимся анодом-мишенью, источники с горячей плазмой, обычные или компактные накопительные кольца и синхротроны.

Получение рентгеновских лучей электронной бомбардировкой анода-мишени — малоэффективный процесс, так как большая часть мощности электронов идет на нагрев анода, из-за чего анод необходи­мо охлаждать. Такие источники имеют низкий КПД. Так, для пучка электронов диаметром 1 мм, падающего на алюминиевую мишень с водяным охлаждением, типовая величина максимальной мощности равна 400 - 500 Вт. Мощность получаемого при этом рентгеновского излучения составляет порядка 10 мВт, причем излучение распределе­но по полусфере. Для получения рентгеновского излучения с большей интенсивностью используют вращающиеся аноды с водяным охлаждением. Это позволяет направить на анод более плотный электронный пучок, что повышает интенсивность рентгеновского излучения и со­кращает время экспонирования. Материал анода выбирается исходя из усталостных характеристик, теплоемкости и теплопроводности, а также в соответствии с характеристиками тормозного излучения. На­ибольшую мощность можно подвести к вращающейся мишени из Мо и Rh (вследствие их высокой плотности и высокой температуры плав­ления), а также из Cu (высокие плотность и теплопроводность).

В последнее время очень большое внимание уделяется источникам импульсного рентгеновского излучения. Таким источником является горячая плазма, генерируемая мощным лазерным излучением или электрическим разрядом. Плазменные источники имеют высокую эф­фективность преобразования (10- 25%) электрической энергии в мягкое рентгеновское излучение. Плотность энергии излучения этих источников составляет 10 мВт/см² по сравнению с 0,1 - 1,0 мВт/см² у обычных рентгеновских трубок, что выше более, чем на порядок. Энергия лазера, поглощаемая плазмой, практически полностью идет на ионизацию атомов рабо­чего вещества и нагрев образую­щихся электронов, тогда как теп­ловая энергия ионов пренебрежи­мо мала для плазмы с тяжелыми нонами (большим Z). Плазмен­ные источники могут сыграть важную рать в технологии мик­ро- и наноэлектроники.

Радикальными альтернатив­ными источниками мягкого рен­тгеновского излучения являются накопительные кольца и синх­ротроны (рис. 2.20). Полезный выход мягких рентгеновских лу­чей таких источников составля­ет несколько сотен мВт/см². На сегодняшний день они являются самыми яркими источниками мягкого рентгеновского излучения.

Рис.2.20. Схема генерации синхротронного излучения релятивистскими электронами.

Потоки рентгеновского излучения от большого синхротрона в 10⁴ раз больше, чем от рентгеновского источника с вращающимся анодом. Электронные накопительные кольца и синхротроны излу­чают узконаправленный поток, что позволяет существенно умень­шить время экспонирования (до секунд), повысить производитель­ность, снизить требования к параметрам резиста и упростить системы для совмешения. Вследствие малой угловой расходимости синхротронного излучения пространственное разрешение не огра­ничено эффектом полутени, поэтому зазор между шаблоном и подложкой может быть сделан довольно большим (около 1 мм для ширины линий 1 мкм).

Синхротронное излучение генерируется в накопительных коль­цах или синхротронах высокоэнергетическими релятивистскими электронами, ускоренными под действием магнитного поля в на­правлении, нормальном к направлению движения. Генерация излу­чения происходит в вакууме, а сам источник имеет небольшие раз­меры. Спектр синxротронного излучения охватывает области микро­волнового и инфракрасного излучений, видимый свет, ультрафиолет и рентгеновское излучение с критической длиной волны λ_с, соответ­ствующей критической энергии E_с начиная с которой происходит спад интенсивности излучения. Основными достоинствами синхрот­ронного излучения являются высокая интенсивность в широкой области спектра, идеальная коллимация, высокая поляризация и др.

К достоинствам рентгенолитографии относятся: высокая разрешающая способность независимо от типа резиста, минимальный размер может составлять 50 нм при использовании из­лучения медной мишени, для алюминиевой мишени — около 100 нм;

отсутствие контакта шаблона с резистом, что снижает уровень дефектов и повышает срок службы шаблонов;

нечувствительность к загрязнениям, так как они не поглощают рентгеновское излучение и не передаются на рисунок резиста.

Двумя наиболее критичными проблемами рентгеновской литогра­фии являются трудность изготовления шаблонов хорошего качества (шаблоны хрупкие к могут искажать изображение из-за наличия в них механических напряжений), а также относительно высокая сто­имость интенсивных источников мягкого рентгеновского излучения. Наибольшая привлекательность рентгеновской литографии — воз­можность сочетания высокого разрешения и высокой производительности. Рентгеновская литография позволяет получить разрешение 50 нм. В ближнеконтактном режиме получено разрешение 30 нм.

4.3.4.Электронная литография.

Электронная литография (электронолитография) является способом формирования задан­ного рельефа или топологии с помощью электронного луча.

Известно, что длина электронной волны определяется соотноше­нием де Бройля λ = h/(mv), где h — постоянная Планка, т — мас­са электрона, v — скорость электрона.

В свою очередь, скорость электрона зависит от ускоряющего на­пряжения U (v= (2qU/m)^0.5, здесь q — заряд электрона). Оценки да­ют значение длины волны электронов порядка 0,01 нм при ускоря­ющем потенциале 20 - 50 кВ. При таком зна­чении λ разрешение может достичь теоретической величины близкой к 0,1 нм. В научных исследованиях удавалось вытравливать линии шириной 1,3 нм при использовании луча диаметром 0,5 нм.

В настоящее время применяются два метода электронолитогра­фии: проекционный с использованием шаблонов и сканирующий путем обработки электронного резиста сфокусированным электрон­ным лучом. В обоих случаях процессы проводят в вакуумной камере.




При проекционной электронолитографии на электронорезист пе­редается одновременно весь рисунок шаблона. Высокоинтенсивные источники электронов называют фотокатодами. В зависимости от значения коэффициента увеличения изображения эти системы под­разделяются на проекционные с сохранением масштаба и проекци­онные с уменьшением изображения.

Среди недостатков установок с фотокатодами отметим снижение разрешающей способности вследствие рассеяния электронов в обрат­ном направлении, а также нагрев резиста падающими на него элек­тронами. Все это приводит к искажению изображении, газовыделению из резиста, загрязняющему катод. В резисте появляются пу­зырьки над метками совмещения, искажающие сигнал совмещения. Степень нагрева резиста и подложки зависит от мгновенной мощно­сти пучка, теплопроводности резиста и подложки.

Для снижения дозы и уменьшения нагрева нужны чувствитель­ные резисты (1 мкКл/см²). Тем не менее, установки с фотокатодами являются высокопроизводительными, прецизионными и надежными установками для получения рисунков с субмикронными размерами. При втором методе электронолитографии экспонирование электронорезиста осуществляется сфокусированным сканирующим элект­ронным лучом — прямое экспонирование (рис. 2.21). К любой литографической системе электронно-лучевого экспонирования предъ­являются следующие принципиальные требования:

контроль критического размера;

точность совмещения;

эффективность затрат;

технологическая гибкость;

совместимость с другими экспонирующими системами.

Подложку, на которой необходимо сформировать топологию, по­мешают под электронный луч на столике с интерферометрическим контролем положения в плоскости XY. Фокусирование и сканирова­ние электронного луча по обрабатываемой области достигается с по­мощью комбинации электростатических и электромагнитных линз и дефлекторов, управляемых с помощью ЭВМ.

Существует несколько вариантов построения сканирующих уста­новок электронно-лучевого экспонирования. В них могут использо­ваться круглый гауссов луч либо луч с сечением фиксированной или переменной прямоугольной формы в режиме растрового или вектор­ного сканирования или в комбинированном растрово-векторном ре­жиме, пошаговое либо непрерывное перемещение столика. Источни­ком электронов служат вольфрамовая нить, эмиттер из гексаборида лантана, полевой эмиссионный катод (острие), простой либо состав­ной источник. Коррекция эффектов близости, как правило, осуще­ствляется варьированием дозы, размеров экспонируемых областей либо сочетанием того и другого. Ускоряющее напряжение составля­ет от 5 до 10 кэВ.

Главными элементами экспонирующей электронно-лучевой сис­темы являются источник электронов, системы фокусировки и бланки­рования луча, устройство контроля совмещения и отклонения, элект­ромеханический стол и компьютерный интерфейс. Блок бланкирова­ния электростатического или электромагнитного типа служит для «выключения» электронного луча путем отклонения его за пределы отверстия коллимирующей диафрагмы. Блок отклонения может быть электростатическим или электромагнитным, предпочтение обычно отлается последнему по причинам меньших аберраций и лучшей за­щищенности от влияния поверхностного заряда. Блок динамической фокусировки корректирует аберрации, вносимые отклонением луча от оптической оси. Система детектирования электронов сигнализиру­ет об обнаружении меток совмещения и других деталей рельефа ми­шени. Прецизионный рабочий стол с механическим приводом обеспе­чивает перемещение подложки для обработки всей ее поверхности. Все операции осуществляются в вакуумной системе.

Экспонирование можно проводить двумя способами: растровым или векторным сканированием луча. При растровом сканировании луч перемещается построчно (как в телевизионном кинескопе) по всей области сканирования, называемой полем, включаясь только в тех местах, которые соответствуют элементам рисунка. В случае векторного сканирования, являющегося более производительным, элект­ронный луч адресуется только в те места, которые соответствуют эле­ментам рисунка, выключаясь на участках перехода от одного элемен­та к другому. Поле, в пределах которого можно с высокой точностью сформировать


Рис.2.22. Способы сканирования электронным лучом:

а) пошаговое; б) – непрерывное перемещение образца.
рисунок, имеет форму квадрата со стороной, не превы­шающей несколько миллиметров. Для получения рисунка на всей по­верхности подложки подложку необходимо перемещать.

Существует два способа перемещения. При первом способе пере­мещение осуществляется в режиме мультиплицирования (пошаго­вое перемещение), когда после завершения формирования рисунка в пределах одного поля подложка перемещается в положение, соот­ветствующее следующему полю (рис, 2.22а).

При втором способе подложка перемешается в непрерывном ре­жиме, при этом электронный луч, отклоняясь в направлении, пер­пендикулярном направлению движения подложки, выписывает на резисте полоску определенной ширины, прорисовывая встречающи­еся на ней элементы.

Когда луч достигает края подложки, подложка смещается в пер­пендикулярном направлении с шагом, соответствующим ширине следующей полоски, посте чего непрерывное движение подложки продолжается, но в направлении, противоположном первоначально­му, и т. д, (рис. 2.22б). Столик, на котором укреплена подложка, может перемещаться в двух взаимно перпендикулярных направле­ниях с высокой точностью. Система крепления столика обеспечива­ет высокую жесткость по отношению к двум взаимно перпендику­лярным направлениям перемещения.

На предельное разрешение электронно-лучевых систем помимо факторов, отмеченных выше, влияют также форма сечения элект­ронного луча, его энергия, взаимодействие электронов с материалом резиста и подложки и величина области простирания обратного рас­сеяния электронов, чувствительность резиста, электрон-электронное взаимодействие в самом луче.

Электронное облучение резиста вызывает образование или раз­рыв межмолекулирных связей. Падающие на пластину электроны рассеиваются по мере их проникновения в резист и расположенную под ним подложку до тех пор, пока не потеряют свою энергию или не покинут подложку в результате столкновений, приводящих к об­ратному рассеянию. Обратно рассеянные из подложки электроны могут продолжать экспонировать резист на некотором расстоянии от точки падения луча. При энергии луча 25 кэВ и диаметре 1 мкм полуширина области обратного рассеяния электронов составляет 5 мкм, а при энергии 50 кэВ достигает 15 мкм. Кроме того, падаю­щие электроны, взаимодействуя с резистом, приводят к образова­нию вторичных электронов, также способных дополнительно экспо­нировать резист. Поскольку резист суммирует вклады энергии от всех окружающих областей, доза экспонирования, полученная од­ним фрагментом элемента, воздействует на процесс экспонирования соседних фрагментов и элементов. Другими словами, суммарная по­глощенная резистом энергия зависит от близости соседних экспони­руемых областей. Это явление называют эффектом близости.

Эффекты близости являются основной проблемой электронно­лучевой литографии. Они приводят к нежелательному экспонирова­нию областей, в которые луч непосредственно не направлялся.

Для уменьшения эффекта близости разработаны различные ме­тоды: коррекция дозой облучения, коррекция формой рисунка, ис­пользование многослойного резиста с барьерным слоем из металла и толщиной чувствительного слоя 0,1 - 0,2 мкм, использование высо­коконтрастных резистов и др.

Изображение, которое должно быть сформировано на подложке электронным лучом, состоит из штрихов (pixel). Штрих представ­ляет собой элемент, имеющий минимальные ограниченные разреша­ющей способностью устройства экспонирования размеры. Мини­мально различимым топологическим рисунком является один экспо­нированный и один неэкспонированный штрих. Для формирования необходимого изображения некоторое минимальное суммарное чис­ло электронов –N_min должно бомбардировать каждый экспонируемый штрих. При данной чувствительности резиста S минимальная вели­чина N_min равна
(2-10)
где L_p (см) — минимальный размер штриха, S (Кл/см²) — чувст­вительность резиста, q (Кл) — заряд электрона. Лимитирующая до­за экспонирования в этом случае определяется выражением



Эмиссия электронов с катода электронной пушки является сту­чайным процессом, т. е. носит статистический характер, и число электронов, бомбардирующих данный элемент штриха в течение времени t, статистически переменно. Можно показать, что вследст­вие статистической природы явления электронной эмиссии мини­мальное число электронов N_min, необходимое для экспонирования штриха, ограничено снизу пределом допустимого дробового шума и составляет примерно 200 электронов. C учетом этого из уравнения (2.10) можно записать:

(2-12)

Это уравнение определяет основное соотношение между чувстви­тельностью резиста и разрешением при предельно допустимом дро­бовом шуме; чем выше чувствительность резиста, тем лучшее раз­решение можно получить.

Так как при уменьшении размеров экспонируемых областей ток луча из-за электрон-электронных взаимодействий приходится умень­шать, то может оказаться, что число электронов, попавших на эле­мент нанометрового изображения (штрих) при заданной чувствительности резиста, будет недостаточным для формирования этого изобра­жении. Если на 1 см² падает 6∙10¹¹ электронов, то в пятно размером (0.1 х 0,1) мкм² попадет только 60 электронов с неопределенностью дробового шума. Разрешение, согласно статистике Пуассона и как следует из соотношения (2.12), есть простая функция дозы



Чтобы достичь нанометрового разрешения, для малых элементов изображения требуется большая доза, чем соответствующая паспор­тной чувствительности резиста. При малых дозах (меньше 1 мкКл/см²) размер экспонированных пятен настолько мал, что ре­зист не проявляется. Для изолированных линий недостает обратно рассеянных электронов, и для компенсации этого дефицита (внут­реннего эффекта близости) требуется избыточная доза. Повышен­ные дозы, требуемые в нанолитографии, приводят к непомерно вы­сокому времени экспонирования, если не использовать резисты, способные к усилению изображения, чувствительностью около 0.01 мкКл/см². Однако следует помнить, что в электронной оптике, рентгеновской технике и других областях существуют фундаментальные физические ограничения, в частности, на размер экспони­руемой области, дозу, время облучения, рабочее поле и др., которые ставят предел на минимизацию этих параметров.

Фактически разрешение при электронно-лучевом экспонирова­нии оценивается минимальной шириной линии а_мин , полученной после проявления электронорезиста. Практически установлено, что экспонированная линия шириной b после проявления уширяется примерно на толщину слоя резиста h, т. е. а_мин= b+ h. Уменьше­нию толщины резиста препятствует снижение стойкости защитной маски при последующем травлении. В связи с этим в электроноли­тографии возрастают требования к качеству выполнения процессов нанесения резиста и плазменного травления.
Эффект близости в электронной литографии. Марголин с.293.

Вследствие рассеяния первичных и обратноотраженных от под­ложки электронов в слое резиста на внешних границах зоны, соответствующей зоне геометрического пучка, происходит энерго­выделение и инициируемые им процессы физико-химических и структурных изменений в резисте. При проявлении резиста фор­мирование рисунка осуществляется в соответствии с этой выде­лившейся энергией и могут возникнуть непредсказуемые искаже­ния. Если при генерации изображения одного фрагмента, энергия, выделившаяся вне зоны пучка на некотором расстоянии от него, меньше удельной критической энергии, то при проявлении рези­ста изменения зоны обработки на этом участке не произойдет, но если рядом будет располагаться другой фрагмент, который тоже даст энергетический вклад на этом участке, то их совместное воз­действие приведет к образованию после проявления паразитного изображения. Возникновение искажений, обусловленных взаим­ным влиянием близко расположенных элементов изображения, называется эффектом близости.

Эффекты близости подразделяются на два типа: внешний эф­фект близости — эффект, вызванный взаимным влиянием рядом расположенных отдельных элементов рисунка; внутренний эффект близости — эффект, обусловленный взаимным влиянием отдель­ных элементов изображения друг на друга внутри самого изобра­жения (рис. 5.14).

Поскольку эффект близости связан с энерговыделением по всей толщине резиста на некотором удалении от границ пучка, мето­дов аналитического моделирования недостаточно, приходится сочетать их с машинными методами, использующими ЭВМ. При этом резист разбивается на ячейки и определяется средняя выде­лившаяся энергия в каждой ячейке. В случае превышения удель­ной критической энергии эта ячейка считается структурирован­ной. Современная вычислительная техника позволяет разбивать реальные технологические слои на ячейки сколь угодно малого размера. При этом вводятся некоторые особые понятия.



Рис. 5.14. Внешний (1) и внутрен­ний (2) эффекты близости
Зона формирования скрытого изображения — зона, которая оп­ределяет минимальное расстояние между элементами изображе­ния, полностью исключающее возможность появления нежелательных элементов рисунка, возникающих за счет перекрытия зон формирования скрытого изображения. Она определяет максимально возможное, при самых неблагоприятных условиях экспозиции и самых плохих характеристиках используемых материалов, распрос­транение как первичных электронов, так и веера обратноотра­женных электронов в слое резиста за пределами зоны, соответ­ствующей геометрии электронного пучка.

Зона эффекта близости —часть зоны геометрической тени, в которой выделившаяся энергия превышает удельную критическую энергию, что приводит к уширению рисунка. При этом толщина образовавшейся пленки вследствие неидеальности КЧХ в зоне эффекта близости может быть меньше предварительно нанесен­ной, что приводит к сложному профилю получаемой линии. Гра­ница зоны эффекта близости может смещаться до границ зоны формирования скрытого изображения, но ни при каких условиях не может выйти за ее пределы.

При экспонировании электронным лучом поверхности подлож­ки, на которой в процессе изготовления образовалась ступенька, характер эффекта близости меняется, что является причиной ис­кажения размеров рисунка и появления разорванных линий. Для компенсации и коррекции эффекта близости применяют различ­ные методы. Компенсация внутреннего эффекта близости осуще­ствляется обычно посредством изменения интенсивности облуче­ния при соответствующем разбиении рисунка и применения ме­тода коррекции интенсивности облучения одного рисунка.

При этом в случае крупных рисунков необходимо обеспечить высокую скорость обработки данных ЭВМ. Возможно также изме­нение скорости сканирования рисунка электронным лучом, изме­нение размеров луча во время экспонирования или изменение плот­ности тока по сечению луча. Для использования методов коррек­ции эффекта близости необходима мощная вычислительная база.

Добавить из других книг.

4.3.5.Ионная литография.

Ионная литография является спо­собом формирования заданного рельефа или топологии с помощью ионного луча (пучки). По сравнению с электронами ионы такой же энергии более эф­фективно экспонируют резист, и, при этом, значительно уменьшает­ся эффект близости. Хотя ионы гораздо эффективнее создают вто­ричные электроны, средняя энергия вторичных электронов и, соот­ветственно, их диффузионная длина значительно меньше, чем в случае облучения электронами той же энергии. Поэтому эффект близости в ионно-лучевой литографии не является серьезной про­блемой. Поскольку ионы очень быстро теряют энергию, глубина их проникновения намного меньше, чем у электронов.

В ионно-лучевой литографии применяются легкие ионы, такие, как ион водорода (Н⁺ ) и ион гелия (Не⁺). Источником ионов в про­екционных системах обычно служит дуоплазмотрон на легких ионах (Н⁺ или Не⁺). Более тяжелые ионы обычно не применяются, так как их проникновение в резист ограничено намного сильнее, чем легких ионов.

Для создания рисунка в резисте используются три метода: использование коллимированных ионных пучков; использование сфокусированных ионных пучков; использование ионных проекционных систем.


Рис.2.23. Схема установок ионно-лучевой литографии с использованием ионно-проекционной системы (а) и коллимированных ионных пучков(б):

1-источник ионов; 2-ионный пучок;

3-шаблон; 4-коллимирующая система;

5- фокусирующая система; 6-пластина.


На рис. 2,23 приведены схемы установок ионно-лучевой литогра­фии. В ионно-лучевой литографии с маскированием коллимирован­ный пучок ионов направляется на покрытую резистом подложку че­рез шаблон-маску. Слабый эффект близости, высокая чувствитель­ность резиста к ионам и параллельный характер обработки позволяет создавать рисунки с высоким разрешением без потери производительности (рис. 2.23а).

Метод литографии остросфокусированным пучком напоминает сканирующую электронолитографию и характеризуется более точ­ным управлением пучком. Топология формируется непосредственно на резисте и позволяет исключить использование дорогостоящих шаблонов.

Большие потенциальные возможности имеют комбинированные системы с фокусированным ионным и электронным пучками. Напри­мер, с учетом взаимодополняющих свойств ионов и электронов ком­бинированная система могла бы использоваться в литографическом процессе, в котором небольшие элементы экспонировались бы ионным лучом, обеспечивающим минимальный эффект бли­зости, а большие области — бо­лее широким электронным пуч­ком. Исходя из большой глубины проникновения элект­ронов, остросфокусированный электронный пучок в такой сис­теме можно было бы применять для целей совмещения.

Ионно-лучевая литография может быть совмещена с про­цессами локального легирова­ния с целью направленного из­менения типа проводимости.

Система ионной проекцион­ной литографии с очень корот­кой эффективной длиной вол­ны частиц практически не ограничивает разрешающую способность системы. Получено разрешение лучше 100 нм в пределах поля раз­мером 3 мм. В таких системах достигается плотность ионного тока порядка 1 мА/см² по сравнению с плотностью 1 А/см² в системах острофокусной ионно-лучевой литографии. Благодаря параллельно­му характеру процесса ионной проекционной литографии экспони­рование одного чипа может составлять несколько секунд.
Добавить из других книг.

4.3.6.Возможности методов литографии в наноэлектронике.

Современная литография имеет возможность не­прерывно уменьшать приборы в поперечных размерах, что непосредственно ведет в область нанометровых размеров.

Важной характеристикой любого литографического оборудования является его производительность, которая лимитирована интенсив­ностью источника излучения и чувствительностью резиста. Кроме того, ключом к высокопроизводительной литографии являются вы­сококачественные стойкие шаблоны, которые способны выдерживать термические и механические напряжения.

Оптическая литография превзошла ранее предсказанные пределы по разрешающей способности за счет усовершенствования линз с более высокой числовой апертурой и за счет использования более короткой дли­ны волны для экспонирования фоторезиста. Для изготовления наноп­риборов может быть использована смешанная схема (mix-and-match) литографического оборудования, при которой критические участки тополо­гии «прорисовываются» электронно­лучевой или рентгеновской литогра­фиями, а некритические — оптиче­ской литографией.

Электронно-лучевая литография является ключевой для формирова­ния шаблонов в других методах ли­тографии. Однако проблема высокой производительности электроннолучевой литографии еще не решена. Даже по смешанной литографиче­ской схеме системы с гауссовым лу­чом неспособны прорисовывать 10¹¹ или более пикселей, необходимых для чипов приемлемого уровня сложности за разумное время.

Альтернативный метод, который недавно вызвал интерес — это электронно-лучевая проекционная лито­графия. Предложенные проекцион­ные системы используют 4-кратное оптическое уменьшение с маской из материала, поглощающего электро­ны, на подложке прозрачной для электронов, или на подложке, отра­жающей электроны. Такие электронно-оптические системы могут да­вать изображение до 10¹⁰ пикселей на экспонируемом поле с разрешени­ем около 50 нм, ограниченным кулоновским взаимодействием и геомет­рической аберрацией.

Проблема в осуществлении тех­ники рентгеновской литографии ле­жит главным образом в изготовлении маски.

Недавно появился другой вид рентгеновской литографии, иссле­дуемый для применений в области менее 100 нм, который известен как литография с крайним ультрафиолетом (EUV). Этот метод ис­пользует отражательную оптику на длине волны 13 нм с 4-кратным уменьшением изображения. Ключевыми проблемами в этой технолoгии являются источник излучения, многослойная тонкопленочная зеркальная оптика и изготовление маски.

Среди других методов литографии следует отметить метод наноимпритинга, лазерную интерференционную литографию.

Наноимпритинг в комбинации с интерференционной литографией является эффективным методом создания периодических нанострук­тур. Этим методом удается создать одномерные решетки, массивы на­ноструктур с треугольной или квадратной симметрией. На рис. 2.24 представлена схема получения решеток и массивов наноструктур в процессе интерференционного взаимодействия лазерных лучей. Период одномерных решеток определяется из соотношения


при φ= л, где λ* — период решетки, λ — длина волны лазерного излучения, θ— угол (рис. 2.24а),


Рис.2.24. Схема получения решеток и массивов наноструктур в процессе интерференционного взаимодействия лазерных лучей:

а - два луча и одномерные решетки;

б - три луча и структура с треугольной симметрией;

в - четыре луча и структура с квадратной симметрией.

При взаимодействии трех лучей период треугольной решетки определяется выражением (рис. 2.24б):



при φ = 2π/3.

Квадратная решетка может быть сформирована в результате вза­имодействия четырех лазерных лучей (рис. 2.24в):


при φ = π/2.

Анализ развитых методов литографии показывает, что создание дискретных наноэлементов пока что сдерживается нерешенными техническими и технологическими проблемами литографии. Среди них можно отметить следующее:

- обеспечение точности совмещения; поддержание необходимых зазоров; разработка материалов резистивных масок; исключение микровключений в материалах;

- разработка модели коллективных свойств массива наноструктур. В этой связи определенный интерес представляют разработки не­пучковых, альтернативных методов литографии.

Добавить из других книг.

4.3.7.Нанопечатная литография.

Метод ианопечатной лито­графии состоит в формировании изображения путем физической деформации резиста пресс-формой (шаблоном), несущей изображе­ние наноструктуры.

При этом не происходит модификации химической структуры резиста облучением, как в обычной литографии. Такой резист — это покрытие, достаточно мягкое для того, чтобы можно было нанести на него отпечаток более твердым штампом. Схема процесса изо­бражена на рис. 2.25.

Трафарет с изображением наноструктуры вдавливается в тонкий слои резиста, покрывающего подложку (рис. 2.25а), создавая контр­астное изображение на слое. После того как трафарет убран (рис. 2.256), для удаления стоя резиста в сжатых областях (участки резиста малой толщины) используется анизотропное реактивное ионное травление (рис. 2.25в). Таким образом осуществляется перенос изо­бражения с пресс-формы на резист. Ре­зистом является термопластичный пол­имер, размягчающийся при нагрева­нии. Для размягчения его обычно нагревают выше температуры стекло­вания в процессе формирования изо­бражения, облегчая точное воспроизве­дение шаблона. Трафаретом может быть штамп, изготовленный из метал­ла, диэлектрика или полупроводника методом высокоточной литографии.



Рис. 2.25. Схема этапов процесса литографической нанопечати.


Метод нанопечатной литографии свободен от многих проблем, присущих стандартным методам литографии и связанных с диффузионным пределом, рассеянием излучения и хи­мическими процессами. Этим методом можно недорого и с высоким выходом получать структуры размером менее 10 нм на больших площадях, что недоступно для всех существующих методов литогра­фии.

Этим методом была получена периодическая структура в полиметилметакрилате в виде сетки отверстий диаметром 10 мм, перио­дом 40 нм и глубиной 60 нм.

Нанопечатная литография (НПЛ) представляет собой новый вы­сокоэффективный подход к производству дешевой нанолитографической продукции с высокой скоростью, поскольку она не требует использования сложного облучающего оборудования. С методом НПЛ, возможно, будет связано развитие не только технологии со­здания наноструктур и интегральных схем, но и целых научных на­правлений (биология, химия, медицина, материаловедение и др.).

Добавить из других книг.