МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего образования
«ИВАНОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»
Институт информационных технологий и
естественно – гуманитарных наук
Кафедра естественных наук и техносферной безопасности
РЕФЕРАТ
На тему «Методы литографии в наноинженерии».
Работу подготовила:
студент группы НИ – 41
Трифонова Анастасия Александровна
Проверила:
канд. техн. наук, доцент
Бондаренко Людмила Ивановна
г. Иваново
2021
Оглавление
Введение. 3
1.Контактные, бесконтактные и проекционные методы фотолитографии. 6
2. Электронная литография. 9
3.Ионная литография 11
4. Наноимпринтная литография. 12
Заключение. 14
Список литературы. 15
Введение.
Одной из основных задач микроэлектроники и наноэлектроники является уменьшение линейных размеров элементов интегральных микросхем (ИМС). Уже несколько десятилетий тому назад развитие технологий изготовления структур в этой области достигло субмикронных размеров элементов ИМС, а в настоящее время происходит переход уже в нанометровый диапазон. Ввиду довольно малых размеров элементов изменяются уже и физические основы их работы-теперь они преимущественно связаны с квантомеханическими явлениями. Создание интегральных наноэлектронных квантовых схем, по существу, является конечной целью литографических нанотехнологий. Кроме того, литография является одним из основных инструментов изготовления образцов для исследования квантовых когерентных эффектов, поверхностных явлений, связанных с увеличением соотношения поверхность/объем, эффектов в низкоразмерных системах, таких как квантовые точки, нанопроволоки. Ниже будут изложены общие принципы структурирования при помощи литографии
Литография (от греческих «lithos» - камень и «grapho» - пишу, рисую) - одна из наиболее широко распространенных технологий для получения наноструктур. Первоначально литографией называли способ печати, при котором оттиски получаются переносом краски под давлением с плоской (нерельефной) печатной формы непосредственно на гладкую поверхность. Литография в микро- и наноэлектронике - это формирование в специальном чувствительном слое (резисте), нанесенном на поверхность подложки, рельефного рисунка, повторяющего топологию микросхемы, с последующим переносом этого рисунка на подложки.
Процессы литографии можно разделить на три этапа, каждый из которых включает ряд последовательно выполняемых операций:
Этап 1. Формирование сплошного равномерного слоя резиста на поверхности подложки. Этап включает следующие операции:
а) подготовка поверхности подложки;
б) нанесение слоя резиста;
в) термическая сушка резиста.
Этап 2. Создание рельефной структуры (маски) резиста. Операции этапа:
а) экспонирование резиста;
б) проявление резиста;
в) термическая сушка (задубливание) резиста.
Этап 3. Перенос рельефа резиста на технологический слой, имеющийся на подложке. Операции этапа:
а) травление технологического слоя;
б) удаление резистивной маски;
в) очистка поверхности подложки.
Теоретические основы выполнения этих этапов включают три основных раздела:
1) прикладную оптику, формирующую заданное изображение в резистивном слое;
2) прикладную фотохимию, определяющую закономерности поведения резиста в различных ситуациях;
3) прикладную теорию травления (растворимости или распыления) различных материалов в жидкостных и плазмохимических средах.
Последовательность выполнения отдельных операций всех методов литографии является практически одинаковой. Различие состоит только в способе воздействия на слой резистивного материала при выполнении операции экспонирования.
Центральное место в современной технологии изготовления изделий микроэлектроники и наноэлектронике занимает фотолитография. Фотолитография (оптическая литография) - процесс избирательного травления поверхностного слоя с использованием защитной фотомаски.
Основными составляющими процесса фотолитографии, определяющими её уровень, являются фоторезист, фотошаблон и конкретная схема реализации технологического процесса, связанная с техническими характеристиками используемого оборудования.
 Упрощенная оптическая схема установки для фотолитографии показана на рис.1. Ртутная лампа (ДРШ-350, например) помещается внутри металлического водоохлаждаемого корпуса с эллиптическим отражателем (1). Свет от лампы проходит сквозь блок растров (5), отражается зеркалами (3) и фокусируется конденсорной линзой (6) на шаблоне с подложкой (7). Затвор (4) служит для регулирования времени экспонирования. В качестве источника излучения используют ртутные лампы, характеризующиеся высокой интенсивностью излучения, параллельностью светового пучка и его равномерностью.
Рис.-1. Оптическая схема установки совмещения и экспонирования
Спектр излучения этих источников лежит в трех основных спектральных диапазонах:
дальний УФ от 100 до 200-300 нм; -
средний УФ 300-360 нм; -
ближний УФ от 360-450.
Длины волн, используемые для экспонирования резистов: -
365нм. (J линия) Hg;
Hg; - 405нм (H линия)
Hg; - 435нм (G линия)
Hg; - 248нм-KrF, 13нм-
Хе (разрешение 10нм); - 198нм-
ArF, 157нм-F2.
Очень важно обеспечить параллельность светового пучка, для чего используют конденсорные линзы. Размер изображения и свойства резистивной маски определяются и ограничиваются следующими основными физическими свойствами света и всей проекционной системы: - когерентность; дифракция; интерференция; астигматизм; 12 - хроматические аберрации.
1.Контактные, бесконтактные и проекционные методы фотолитографии.
При контактном методе фотошаблон и пластина с нанесенным фоторезистом соприкасаются. Пластина устанавливается на вакуумном держателе, который поднимает ее до тех пор, пока пластина и шаблон не придут в соприкосновение друг с другом. Чтобы провести совмещение топологического рисунка фотошаблона с предыдущим, топологическим рисунком, шаблон и пластину разводят на 25 мкм, а пару объективов с сильным увеличением помещают сзади от шаблона для одновременного наблюдения рисунков шаблона и пластины из двух точек. Объективы принадлежат микроскопу с разведенным полем зрения, так что правый глаз видит точку на правой стороне шаблона и пластины, а левый - точку слева. Шаблон и пластину совмещают механическим перемещением и вращением вакуумного держателя (столика) до совпадения топологических рисунков шаблона и пластины. В этом положении пластина приводится в соприкосновение с шаблоном и проводится еще одна проверка на точность совмещения. При экспонировании микроскоп автоматически отводится, и луч ультрафиолетового (УФ) облучения освещает весь шаблон в течение определенного времени экспонирования. Время экспонирования подбирают экспериментально, обычно в пределах 15-20 с.
Интенсивность экспонирования на поверхность пластины, умноженная на время экспонирования, дает энергию экспонирования или дозу облучения, получаемого резистом.
Вследствие тесного контакта между резистом и шаблоном при контактной печати значения разрешения ( 0.1 мкм) выше, чем при использовании других методов литографии.
Некоторые недостатки этого метода заключаются в следующем. Реальная поверхность пластины не является абсолютно ровной, поэтому между ней и фотошаблоном существуют микро - зазоры, толщина которых по поверхности изменяется случайным образом. Наличие зазора приводит к тому, что размеры и форма элементов искажаются из-за расходимости светового пучка. Поскольку плотный контакт между пластиной и фотошаблоном невозможен, воздушные зазоры приводят к появлению дифракционных эффектов и увеличению размеров изображения.
Этому же способствуют дифракция света на краях элементов, рассеяние света в толще фоторезиста и многократное отражение от контактирующих поверхностей, приводящее к тому, что свет заходит в область геометрической тени. К искажению рисунка слоя приводят механические и температурные деформации пластины, вызывающие смещение рисунков различных топологических слоев.
Проблемы, возникающие при контактной печати, связаны также с изнашиванием фотошаблона при его многократном использовании. Соприкосновение фотошаблона с резистом приводит к возникновению дефектов на нем, и к накоплению дефектов и частиц фоторезиста, прилипающих к фотошаблону при многократном экспонировании. Кремниевая пылинка на пластине 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.
Если при изготовлении ИМС не обеспечивается необходимая чистота процесса и окружающей среды, то лишь некоторые элементы схем не будут иметь дефектов. Для обеспечения высокого выхода годных изделий плотность дефектов (число дефектов на 1 см2) должна быть минимальна для каждого процесса литографического переноса.
Интерференция проходящего через слой фоторезиста светового потока и его отражения от границы с подложкой, а также рассеяние света, создают нерезкую зону по краю изображения, которая после проявления даёт "ореол", что ухудшает контрастность и изменяет геометрические размеры рисунка. Для ослабления этого эффекта применяют антиотражающие покрытия, например, плёнки оксида хрома, которые осаждают на поверхность пластины перед нанесением фоторезиста.
Метод бесконтактного экспонирования схож с методом контактной печати, за исключением того, что во время экспонирования между пластиной и шаблоном поддерживается небольшой зазор шириной 10-25 мкм. Этот зазор уменьшает возможность повреждения поверхности шаблона. Однако дифракция света уменьшает разрешающую способность и ухудшает четкость изображения. При бесконтактной печати величина разрешения составляет 2-4 мкм.
При проекционном способе фотолитографии контакта фотошаблона с подложкой нет, что исключает возможные его повреждения. Кроме этого, проекционный метод упрощает 14 процесс совмещения фотошаблона и позволяет осуществить совмещение точнее, чем при использовании контактного метода.
Проекционную фотолитографию можно осуществить одновременной передачей всех элементов топологического слоя на пластину, поэлементным (шаговым) проецированием отдельных фрагментов или модулей на пластину, вычерчиванием рисунка в слое фоторезиста подложки при помощи сфокусированного до определенных размеров светового луча, управляемого от компьютера.
Для достижения высокого разрешения отображается только небольшая часть рисунка шаблона. Это небольшая отображаемая область сканируется или перемещается по поверхности пластины. В сканирующих проекционных устройствах печати шаблон и пластина синхронно перемещаются. С помощью этого метода достигается разрешение около 1,5 мкм для ширины линий и расстояния между ними.
Проекционные устройства печати, в которых изображение на шаблоне перемещается над поверхностью пластины, называют системами с непосредственным перемещением по пластине или фотоштампами. При использовании этих устройств печати шаблон содержит топологию одного кристалла большого размера или нескольких кристаллов малых размеров, которые увеличены в несколько раз (до десяти). Изображение этой топологии или структуры уменьшается и проецируется на поверхность пластины. После экспонирования одного элемента кристалла пластина сдвигается или перемещается на столике с интерферометрическим управлением по осям XY к следующему элементу одного кристалла, и процесс повторяется. С помощью уменьшающих проекционных фотоштампов можно получить разрешение 1 мкм.
В большинстве современных проекционных систем печати оптические элементы являются достаточно совершенными, и их характеристики точности отображения ограничены дифракционными эффектами, а не аберрацией линз. Эти устройства печати называют системами с дифракционным ограничением.
2. Электронная литография.
Электронно-лучевая литография (ЭЛ) - метод изготовления субмикронных и наноразмерных топологических элементов посредством экспонирования электронным лучом электрически чувствительных поверхностей. Метод схож с фотолитографией, но использует электроны вместо фотонов. В настоящее время электронная литография осваивает размеры из интервала 0.04 - 0.08 мкм.
Основные элементы сканирующих систем экспонирования – электронные пучки появились в 60-х годах прошлого века и стали использоваться для записи телевизионного изображения в электроннолучевых трубках.
Первые действующие приборы были созданы в 1939 (Арденне) и в 1942 (Зворыкин) годах. Однако широкое использование растровых электронных микроскопов (РЭМ) в науке и технике стало возможно лишь в 70-е годы, когда появились высоконадежные приборы, созданные на основе достижений микроэлектроники и вычислительной техники. В 1942 году русский физик и инженер Владимир Зворыкин, работавший в то время в лаборатории Radio Corporation of America в Принстоне (США), опубликовал сообщение о первом сканирующем электроннм микроскопе, позволяющем проанализировать не только тонкий образец на просвет, но и поверхность массивного образца. Электронная пушка с вольфрамовым катодом эмитировала электроны, которые затем ускорялись напряжением 10 киловольт. В 1948 году Дэннис МакМиллан и Чарльзом Отли построили первый РЭМ (SEM или Scanning Electron Microscope), и в 1952 году этот инструмент достиг разрешения 50 нанометров и, что наиболее важно, обеспечил трехмерный эффект воспроизведения рельефа образца-характерную особенность всех современных РЭМ. В 1960 году Томас Эверхарт и Ричард Торнли, изобретя новый детектор («детектор Эверхарта-Торнли»), ускорили развитие растрового электронного микроскопа. Этот детектор, крайне эффективный для сбора как вторичных, так и отражённых электронов, очень популярен и встречается сейчас на многих РЭМ. Работы, которые велись в Кембриджском университете группой Чарльза Отли в 60-е годы, весьма способствовали развитию РЭМ, и в 1965 году фирмой «Cambridge Instrument Co.» был выпущен первый коммерческий сканирующий электронный микроскоп - Stereoscan. Вскоре электронно-лучевое экспонирование стали использовать для получения фотошаблонов и экспонирования резистов.
Главные элементы экспонирующей ЭЛ системы - источник электронов, системы фокусировки и бланкирования луча, устройство контроля совмещения и отклонения, электромеханический стол и компьютерный интерфейс.
1. Блок бланкирования электростатического либо электронно-магнитного типа, который “выключает” электронный луч, отклоняя его за пределы отверстия коллимирующей диафрагмы.
2. Блок отклонения - либо совмещенный с оконечной линзой, либо помешенный после нее. Блоки отклонения делятся на электронно - статические и электронно- магнитные, но предпочтение обычно отдается последним (по причинам меньших аберраций и лучшей защищенности от влияния поверхностного заряда).
3. Блок динамической фокусировки, корректирующий аберрации, вносимые отклонением луча от оптической оси системы.
4. Система детектирования электронов, сигнализирующая об обнаружении меток совмещения и других деталей рельефа мишени.
5. Прецизионный рабочий стол с механическим приводом, обеспечивающим обработку всей пластины.
6. Вакуумная система.
3.Ионная литография
Разрешающая способность ионной литографии (ИЛ) выше, чем электронной. Вследствие большой массы иона дифракционные ограничения практически отсутствуют, так как длина волны де-Бройля для ионов при сравнимых энергиях значительно меньше, чем для электронов. Для ИЛ не существует эффектов близости. Боковое рассеяние ионов при их проникновении в вещество незначительно, вторичные электроны имеют малую энергию и тормозятся на расстояниях, меньше сотой доли микрометра. Резисты обладают значительно большей чувствительностью к ионам, чем к электронам, так как удельные потери энергии ионов в десятки раз больше.
ИЛ развивается в следующих направлениях: сканирование остросфокусированного ионного пучка по поверхности подложки с резистом и обработка резиста коллимированным управляемым ионным пучком.
При экспонировании коллимированным ионным пучком используют широкие пучки протонов Н +. Шаблон изготовляется на сплошной тонкой основе ( 0,5 мкм) аморфного материала с нанесенной на него пленкой (0,5 – 1,0 мкм) тяжелого металла, поглощающего протонное излучение, или в виде маски с отверстиями, конфигурация которых соответствует создаваемой топологии на подложке.
Подложка, покрытая слоем резиста, экспонируется через шаблон, помещенный в непосредственной близости от нее, путем сканирования коллимированным протонным пучком, сечением около 1 см2. Энергия протонов в пучке составляет 150 – 250 кэВ, ток пучка 1 мкА.
Такие системы находят применение при создании элементов с размерами 0,5 мкм. Недостатком метода является сложность изготовления шаблонов и создания систем их совмещения с подложками.
В ионной литографии необходимо выбирать такую энергию ионов Е0, чтобы толщина пленки резиста была близка к проецированному пробегу ионов в материале резиста. При энергиях ионов меньше Е0 резист не будет проэкспонирован на всю глубину, а при энергиях больше Е0 произойдет внедрение ионов луча в подложку и появление в ее поверхностном слое радиационных дефектов.
4. Наноимпринтная литография.
Наноимпринт-литография (НИЛ) предлагает необычную альтернативу для производства наноструктур. Этот метод был разработан около 15 лет назад и сегодня широко используется как академическими учёными, так и в исследовательских центрах компаний. В 2003 году Массачусетский технологический институт включил НИЛ в список десяти недавно появившихся технологий, которые в будущем способны изменить мир. Уже сегодня целый ряд компаний использует НИЛ в промышленном производстве.
Ключевые преимущества НИЛ-технологии – минимальный размер получаемых структур, высокие точность и воспроизводимость при переходе от пластины к пластине и повторяемость по всей их площади. Наиболее широко распространены три метода НИЛ – термоконтактная литография, УФ-наноимпринтная фотолитография и микроконтактная печать. Все эти три метода могут быть использованы для получения элемента размером менее 100 нм.
Концепция наноимпринтинта очень проста и во многом напоминает классическую технику горячего тиснения полимеров. При термоконтактной литографии резист из термопластичного полимера наносится на плоскую поверхность подложки и нагревается выше его температуры стеклования (Тс). Затем сверху под давлением опускается жёсткий штамп (шаблон) с микро- или наноразмерным рельефным рисунком. Образец охлаждается ниже Тс полимера, после чего давление снимается. Подвергшаяся такому воздействию полимерная плёнка запечатлевает полную реплику печати.
При другом подходе используются резист, отверждающийся под действием УФ-излучения, и прозрачный для УФ кварцевый шаблон, что даёт возможность осуществлять процесс «запечатления» (импринтинга) при комнатной температуре.
Тоже самое происходит при микроконтактной печати, однако технологический рисунок в этом случае формируется методом переноса вещества с мягкого штампа на пластину или подложку.
Заключение.
Изученные нами способы литографии, используемые в нанотехнологии – одни из перспективных, но пока ещё достаточно сложных и дорогостоящих для коммерческого применения методы создания и промышленного производства самых различных устройств и компонентов устройств, позволяющий достигнуть разрешения в 1 нм.
Список литературы.
1.Лапшинов Б.А. Л 24 Технология литографических процессов. Учебное пособие – Московский государственный институт электроники и математики. М., 2011. –95 с.
2. Процессы и модели нано/микроструктурирования: http://ftn-mipt.itp.ac.ru/index.php?option=com_content&view=category&layout=blog&id=47&Itemid=69
3. «Микролитография. Принципы, методы, материалы» У.Моро // "Мир", Т 1-2 (1990).
4. «Современная фотолитография. Новые материалы электроники и оптоэлектроники для информационно-телекоммуникационных систем». С.В. Зеленцов, Н.В. Зеленцова. Нижний Новгород 2006 |
Скачать 88.94 Kb.