Раздел 3. Развитие литографических методов

1. 
   Ограничения фотолитографии
   

Разрешающая способность процесса фотолитографии всегда ниже разрешающей способности фоторезиста. При экспонировании (освещении) имеет место паразитное облучение слоя фоторезиста за счет дифракции света на краю непрозрачного элемента (участка) фотошаблона, диффузного рассеяния в слое и частичного отражения от подложки (см. рис. 8). Разрешающая способность процесса фотолитографии также снижается из-за бокового подтравливания (см. рис. 27) под слоем фоторезиста на границах защитного рельефа при травлении материала подложки.

Как было показано выше, разрешение фотолитографического процесса, использующего для экспонирования излучение ближнего ультрафиолета (БУФ), ограничено размерами, близкими к одному микрометру. Для производства приборов с меньшими технологическими размерами элементов были разработаны новые технологические процессы, оборудование и материалы.

Разрешение ФЛ ограничивают принципиальные и технические факторы.

Дифракцией света называется явление отклонения света от прямолинейного направления распространения при прохождении вблизи препятствий. Как показывает опыт, свет при определенных условиях может заходить в область геометрической тени. Если на пути параллельного светового пучка расположено круглое препятствие (круглый диск, шарик или круглое отверстие в непрозрачном экране), то на экране, расположенном на достаточно большом расстоянии от препятствия, появляется дифракционная картина – система чередующихся светлых и темных колец. Если препятствие имеет линейный характер (щель, нить, край экрана), то на экране возникает система параллельных дифракционных полос.

При контактной литографии фотошаблон и подложка, которая подвергается экспонированию, находятся в непосредственном контакте друг с другом. Принципиально при контактной литографии минимальная толщина линии в точности равна ее толщине на шаблоне. Однако из-за неплоскостности пластины и в меньшей степени шаблона плотный контакт между ними осуществим только в ограниченном числе точек. На остальной площади между ними имеется зазор переменной величины, который может достигать значения в 20 - 30 мкм. На практике контактная литография позволяет получить разрешение порядка 1 мкм. В литографии с зазором между маской и подложкой за счет дифракции светового излучения на маске происходит частичное размытие краев рисунка на величину от 2 до 5 мкм, что сильно ограничивает разрешающую способность литографии.

Проекционная ФЛ основана на проецировании изображения промежуточного ФШ на поверхность пластины с помощью высококачественного объектива. Изображение точечного источника в фокальной плоскости идеального объектива никогда не бывает истинной точкой, а распределяется в дифракционную картину диска Эйри (рис. 36).

Разрешение проекционной фотолитографии определяется дифракционным пределом. Предельно малое расстояние между двумя ближайшими разрешаемыми (видимыми раздельно) точками рисунка будет определяться соответственно критерию Релея:
R = k₁ λ / NA,
где k₁ – коэффициент пропорциональности (зависит от применяемого резиста и технологического процесса); λ – длина волны излучения; NA<1 – числовая апертура объектива.

Числовая апертура объектива проекционной установки в простейшем случае с одной линзой (рис. 37) определяется по формуле:

Рис. 36. Дифракция света в отверстии малого диаметра

Из формулы для разрешающей способности оптической литографии следует, что лучшее разрешение можно получить за счет увеличения числовой апертуры NA проекционной установки, перехода к источникам излучения с более короткой длиной волны λ и уменьшения коэффициента k₁.

Прогресс в достижении значения числовой апертуры объектива NA показан на рис. 38.


Рис. 38. Значения числовой апертуры объективов установок проекционной литографии

Если говорить об источниках излучения, то в современной литографии используется коротковолновое ультрафиолетовое излучение с длиной волны 248 нм (технологический процесс 350, 250 и 180 нм) и 193 нм (технологический процесс 180, 130, 90 и 65 нм).

Коэффициент k₁ является комплексным фактором, отражающим целый ряд характеристик литографического процесса, таких как качество фоторезиста и его разрешающую способность, качество фотошаблона, системы освещения и др. (рис. 39). Практическим ограничением значения k₁ является величина, равная 0,25.

Другой, не менее важной характеристикой оптической литографии наравне с разрешающей способностью является глубина фокуса (резкости). Если разрешающая способность определяет характерный поперечный размер фокусировки, то глубина резкости определяет характерное расстояние фокусировки в продольном (осевом) направлении. Глубина фокуса находится по формуле

Рис. 39. Динамика

изменения коэффициента k₁
Для объектива с числовой апертурой NA = 0.35 при экспонировании на длине волны 300 нм глубина фокуса DF составляет менее 1.5 мкм. В этом случае неплоскостность пластин, неровный топографический рельеф, а также сама толщина резиста могут привести к невозможности получения субмикронных структур. Увеличение апертуры, к сожалению, ведет к уменьшению поля изображения, в этом случае за одну экспозицию возможно формирование лишь одного кристалла.

Сравнение формул для разрешающей способности и глубины резкости показывает, что при увеличении числовой апертуры происходит улучшение разрешения, что приводит к уменьшению минимально возможной толщины линии, а также к уменьшению глубины резкости, что отрицательно сказывается на литографическом процессе, поскольку требует более прецизионного контроля точности. К примеру, чем меньше глубина резкости, тем большую точность необходимо обеспечить при размещении пластины в проекционной установке, чтобы выдержать ее параллельность фокальной плоскости (плоскости фокуса) с точностью до долей микрометра. Так, до недавнего времени глубина резкости, используемая в оптической литографии, составляла 0,5 мкм, что обеспечивало необходимый уровень контроля точности производственного процесса.

Значение коэффициента пропорциональности k₂ не превышает 1 и в случае ограниченного дифракцией изображения k₂ = 1/2.

К принципиальным ограничениям ФЛ относятся также геометрические погрешности (аберрации) оптики при передаче изображения на фоторезист, которые подразделяются на две группы. К первой группе относятся астигматизм, искривление поля изображения и искажение рисунка. Эти погрешности снижаются в квадратной зависимости с уменьшением диаметра отверстия объектива D.

Вторая группа включает такие явления, как сферическая аберрация и кома, вызывающие наибольшие искажения при малом диаметре отверстия объектива.

К техническим факторам, ограничивающим оптическую передачу изображения на фоторезист, относятся неточности рисунков ФШ, ошибки, возникающие при операциях совмещения и размножения изображений, проявления и травления и пр.

В процессе изготовления ИС на подложке формируются топологические слои, которые должны быть последовательно воспроизведены в заданных относительно друг друга позициях, определяемых разработчиком ИС. Для большинства ИС требования на допуск при совмещении составляют примерно 1/5 минимального разрешаемого размера элемента.

В проекционных системах используется два основных метода совмещения: отделенное от проекционного объектива (глобальное) и совмещение через проекционный объектив (локальное). Глобальное совмещение включает в себя вращательное и поступательное совмещение пластины и шаблона. Позиционирование осуществляется с использованием лазерных интерферометров или при помощи визуального определения положения пластины через контрольный объектив перед началом экспонирования.

Совмещение зависит от оптических свойств системы, плоскостности поверхностей фотошаблона и подложки, а также вида меток совмещения и способов обработки сигнала рассовмещения.

2. 
   Развитие теневых методов литографии
   

1. 
   Литография глубокого ультрафиолетового
   

Как было показано выше, пространственное разрешение R проекционной литографической установки определяется как R = k₁λ / NA, где k₁ - коэффициент пропорциональности, λ - длина волны света, NА= п sin φ - числовая апертура объектива, п - показатель преломления среды. Очевидно, что повысить пространственное разрешение литографического оборудования можно, если уменьшить рабочую длину волны, увеличить числовую апертуру объектива, а также уменьшить коэффициент k₁. Именно развитие этих направлений является основой высокой технической и экономической эффективности метода и возможности достижения уровня интеграции, характеризуемого количеством в 10⁷-10¹⁰ элементов (транзисторов) на «чип». По уровню достигаемого R фотолитография пересекла размер в 100 нм в направлении меньших размеров и может далее называться «нанотехнологией» уже с 2000-2005 годов. Это обстоятельство можно проиллюстрировать графиком, приводимым на рис.40.

Рис. 40. Изменение по годам технологического размера ИМС

К настоящему времени лучшие результаты получены с эксимерными ArF-лазерами, у которых рабочая длина волны 193 нм. Оптимизация фоторезистов, фазовая коррекция масок в современных установках позволили уменьшить коэффициент k₁ с традиционных 0.61 до 0.25.

Для того чтобы увеличить разрешающую способность литографического процесса при использовании коротковолнового ультрафиолетового излучения с длиной волны 193 нм, применяют различные технологии улучшения разрешающей способности, например маски-шаблоны с фазовым сдвигом. В таких масках, которые, по сути, представляют собой голограммы, на одну из двух соседних прозрачных линий накладывается фазовый фильтр, сдвигающий фазу проходящей волны на 180°. В результате интерференции волн в противофазе происходит их взаимное ослабление в области между двумя экспонируемыми линиями, что делает их хорошо различимыми и повышает разрешающую способность.

Таблица 3. Используемые в литографии источники излучения и

соответствующие длины волн

В 2007 г. ведущие зарубежные компании начали серийное производство литографических сканеров с рабочей длиной волны 193 нм, обеспечивающих производство интегральных схем по технологии 40-45 нм на пластинах диаметром 300 мм с производительностью до 130 пластин/час. Возможности такой литографии ограничены технологией 32 нм.

2. 
   Иммерсионая литография
   

Идея иммерсионной литографии заключается в том, что между маской-шаблоном и кремниевой подложкой находится дополнительная среда — жидкость. Дело в том, что скорость распространения света в веществе всегда меньше скорости распространения света в вакууме и зависит от коэффициента преломления этого вещества. Фактически это равносильно тому, что свет, проходящий через материал с высоким коэффициентом преломления, имеет меньшую длину волны (эффективная длина волны уменьшается в n раз, где n — коэффициент преломления среды), поэтому может быть сфокусирован более точно.

Методика иммерсионной литографии подразумевает погружение кремниевых пластин в очищенную воду. Применение воды в этом процессе объясняется тем, что она имеет более высокий коэффициент преломления, чем воздух, что, в свою очередь, позволяет добиться увеличения разрешающей способности литографии без изменения длины волны источника излучения (рис. 41).

Коэффициент преломления воды n = 1,47. Следовательно, для современных объективов с NA=0,95 и k1 = 0,25 разрешение системы будет равно

В иммерсионной литографии есть свои технологические проблемы. Главная из них — это получение жидкости с высоким коэффициентом преломления. При этом жидкость не должна вступать в химическую реакцию с кремниевой подложкой и слоем фоторезиста. Кроме того, при применении иммерсионной литографии приходится учитывать такие негативные явления, как температурные флуктуации жидкости, что приводит к ее неоднородности и, как следствие, к рассеиванию проходящего излучения. Существуют и другие специфические проблемы.

литографии

В 32-нм техпроцессе производства в качестве жидкости в иммерсионной литографии используется вода с коэффициентом преломления 1,47. Для того чтобы обеспечить нужный уровень фильтрации жидкости и освободить ее от микроскопических пузырьков (произвести дегазацию), применяется специальная установка. Проблема взаимодействия жидкости с фоторезистом решается за счет нанесения на слой фоторезиста специального покрытия, препятствующего проникновению образующейся при облучении фоторезиста кислоты в воду.

Уже сейчас созданы жидкости с коэффициентом преломления 1,8. Естественно, что применение жидкости с коэффициентом преломления 1,8 требует использования других типов фоторезиста.

3. 
   Литография экстремального УФ (EUV).
   

Наличие коротковолновой границы (около 100 нм) пропускания света любыми материалами делает невозможным применение в экстремальном ультрафиолетовом диапазоне (λ < 100 нм) привычной преломляющей оптики. Литограф в этом диапазоне может быть создан только на основе зеркальной (отражающей) оптики, причём зеркальная оптика должна быть многослойной для повышения коэффициента ее отражения.

Выбор спектрального диапазона для ЭУФ-литографии определяется возможностью получения в перспективе пространственного разрешения до 10-15 нм и наличием высокоотражающих многослойных покрытий. В качестве рабочей была выбрана длина волны 13,5 нм, для которой многослойная интерференционная структура на основе молибдена и кремния обеспечивает в настоящее время коэффициенты отражения до 70%. В типичных схемах проекционной литографии на длине волны 13,5 нм применяется 10-11 многослойных зеркал, включая шестизеркальный объектив, систему освещения маски и саму многослойную зеркальную маску. Спектральная полоса пропускания схемы обычно составляет около 2% от длины волны (δλ ~ 0.27 нм). Кроме того, вся система должна находиться в вакууме, так как световые волны диапазона EUV поглощаются воздухом.

Источниками излучения в ЭУФ-литографии на первом этапе развития подобных систем служило синхротронное излучение. Однако позже был разработан малогабаритный источник предельного ультрафиолета, принцип работы которого основан на использовании излучении из лазерной плазмы. Излучение стандартного Nd:YAG лазера (1063 нм длина волны, 40 Вт мощность, 100 Гц частота, 5 нс длительность) фокусируется на импульсной газовой струе ксенона. Образующаяся лазерная плазма содержит широкую спектральную полосу предельного ультрафиолета с ~10-25нм. Оптическая система (один из вариантов) содержит набор зеркал между источником света и маской. Набор зеркал между маской и подложкой обеспечивает уменьшение размера изображения в 4 раза. Схема установки приведена на рис. 42. Все отражательные оптические системы должны быть асферическими с размером неоднородностей ~10 Å. Каждое зеркало содержит до 80 отдельных металлических слоев с толщиной каждого слоя ~ /4 (примерно в 12 атомов). Такое же сложное строение имеет маска для EUV литографии, которая схематично представлена на рис 43.

Переход к ЭУФ- литографии позволил пересечь 100 нм рубеж, оставаясь в рамках традиционной фотолитографии. Однако сложная зеркальная оптика и технология изготовления фотошаблонов делает такой подход исключительно дорогим, оставляя место для разработки литографических процессов, основанных на иных физических принципах.

Рис. 42. Схема ЭУФ-литографии

Рис. 43. Структура маски для ЭУФ-литографии

3. 
   Литография высоких энергий
   

Литография высоких энергий делится на проекционную (рентгеновская, ионная, электронная) и сканирующую (электронная, ионная).

1. 
   Рентгеновская литография
   

Основная причина разработки метода рентгеновской литографии заключалась в возможности получения высокого разрешения и в то же время высокой производительности оборудования. Кроме того, за счет малой величины энергии мягкого рентгеновского излучения уменьшается проявление эффектов рассеяния в резистах и подложке.

Поскольку рентгеновские лучи практически не поглощаются загрязнениями, состоящими из компонентов с малым атомным номером, то наличие загрязнений на шаблоне не приводит к возникновению дефектов рисунка на резисте. Кроме того, вследствие низкого поглощения рентгеновского излучения рентгеновский резист большой толщины может быть однородно экспонирован на всю толщину, в результате чего в его объеме у окон формируются вертикальные стенки, точно повторяющие рисунок шаблона.

Так как изготовление рентгеновских оптических элементов (фокусирующих систем) связано с определенными трудностями, применение рентгеновской литографии ограничено теневой печатью. Разрешение, получаемое при использовании метода рентгеновской литографии, ограничено геометрическими эффектами.

Источником рентгеновского излучения являются рентгеновские трубки, в которых металлический анод подвергается бомбардировке интенсивным электронным пучком. В результате взаимодействия электронов пучка с материалом анода генерируется два типа рентгеновского излучения – тормозное и характеристическое.

Тормозное излучение образуется при уменьшении кинетической энергии (торможении, рассеянии) быстрых электронов пучка при бомбардировке материала анода. Интенсивность тормозных рентгеновских лучей распределена по всем частотам до высокочастотной границы ν₀, на которой энергия фотонов hν₀ (h - постоянная Планка) равна энергии eU бомбардирующих электронов (е - заряд электрона, U - разность потенциалов ускоряющего поля, пройденная ими). Этой частоте соответствует коротковолновая граница спектра λ₀ = hc / eU (с — скорость света).

Характеристическое излучение, имеющее линейчатый спектр, возникает после ионизации атома мишени с выбрасыванием электрона одной из его внутренних оболочек. Такая ионизация является результатом столкновения атома с быстрой частицей, например электроном (электроны пучка), или поглощения атомом фотона (флуоресцентные рентгеновские). Ионизованный атом оказывается в начальном квантовом состоянии на одном из высоких уровней энергии и через 10^-16 -10^-15 секунды переходит в конечное состояние с меньшей энергией (переход электронов с верхних оболочек атома на более близко расположенные к ядру K-, L-, M-, N – оболочки). При этом избыток энергии атом может испустить в виде фотона определённой частоты. Частоты линий спектра такого излучения характерны для атомов каждого элемента, поэтому линейчатый рентгеновский спектр называется характеристическим. Зависимость частоты линий этого спектра от атомного номера Z определяется законом Мозли: = A(Z – B), где А и В — величины, постоянные для каждой линии спектра.

Обычный рентгеновский спектр состоит из непрерывного спектра (континуума) и характеристических линий (острые пики). Линии K_β и K_α возникают вследствие взаимодействий ускоренных электронов с электронами внутренней К-оболочки (рис.44).

Рис. 44. Спектр рентгеновского излучения

На рис. 45 показана схема рентгеновской установки экспонирования. Электронная пушка генерирует электронный пучок, фокусируемый на охлаждаемой водой мишени (часто используется палладиевая мишень). Напряжение на аноде составляет 25 кВ, потребляемая мощность 4-6 кВт. В результате анод испускает рентгеновские лучи с длиной волны 0.437 нм, которые через бериллиевое окно попадают в камеру экспонирования.

Таблица 4. Характеристические длины волн излучения некоторых материалов

Материал	Длина волны, нм	Энергия рентгеновских квантов, кэВ
Pd	0,437	2,83
Mo	0,54	2,29
Al	0,83	1,49
Cu	1,33	0,93

Подложка вместе с шаблоном загружаются в камеру экспонирования (шлюзовую камеру), заполненную гелием, имеющим малое значение коэффициента поглощения рентгеновского излучения.  По мере необходимости образец извлекается из камеры для проведения процессов совмещения с шаблоном. Между шаблоном и подложкой устанавливается зазор около 40 мкм.

Создать достаточно равномерное облучение всей пластины не просто, так как для коллимирования рентгеновских лучей нет ни зеркал, ни линз. Поэтому, чтобы обеспечить параллельность лучей, необходимо иметь большое расстояние от источника до подложки. Обычно оно составляет 20 – 50 см. Поскольку интенсивность облучения подложки обратно пропорциональна квадрату этого расстояния, то находят оптимум между расхождением лучей и интенсивностью облучения.

Рис.45. Схема установки рентгеновской литографии

Рис. 46. Геометрические искажения в системе рентгеновского

экспонирования

Другим геометрическим эффектом, проиллюстрированным на рис. 46, является погрешность, связанная с увеличением размеров элемента в боковом направлении, которая вызвана расходимостью рентгеновского луча от точечного источника и существованием зазора конечной величины между шаблоном и пластиной. Изображение шаблона сдвигается в боковом направлении на величину h, определяемую из соотношения h = r (s/L), где r - расстояние, измеренное в радиальном направлении от центра пластины. Погрешность равна нулю в центре пластины и линейно возрастает к краям пластины. Эта погрешность ухода изображения может достигать величины 5 мкм на краю пластины диаметром 125 мм при величинах s = 40 мкм и L= 50 см.

В принципе ошибка может быть скомпенсирована во время процесса изготовления шаблона. Однако отклонения величины зазора между шаблоном и пластиной вносят значительные погрешности ухода изображения. В связи с этим может возникнуть необходимость регулировки зазора перед каждым экспонированием.
Рентгеновские резисты. Рентгеновские лучи с длиной волны в диапазоне 0.1 - 5 нм (энергия фотонов в диапазоне 10 - 0.25 кэВ) испытывают незначительное рассеяние при прохождении через материал резиста. Рентгеновский фотон движется по прямой траектории до тех пор, пока не поглотится атомом, который испускает при этом фотоэлектрон. Энергия фотоэлектрона Е равна энергии фотона рентгеновского излучения за вычетом энергии связи в несколько электрон-вольт, необходимой для удаления электрона из электронной оболочки атома Е = hν – Q, где Q – энергия связи электрона на его орбитали. Наиболее вероятным направлением движения электрона является направление, перпендикулярное движению фотона рентгеновского луча, т. е. в плоскости резиста.

Возбужденный атом возвращается в свое основное состояние, испуская флуоресцентное рентгеновское излучение, или оже-электроны. Флуоресцентное рентгеновское излучение поглощается другим атомом, и процесс повторяется. Поскольку все процессы заканчиваются эмиссией электронов, поглощение рентгеновского излучения материалом резиста может быть представлено как испускание потока вторичных электронов. Эти электроны экспонируют резист, разрывая молекулярные цепи полимера или образуя между ними поперечные связи, в зависимости от типа резиста.

Одним из путей повышения чувствительности резиста является увеличение поглощения им рентгеновского излучения. Поглощение рентгеновских лучей описывается уравнением

I = I₀ exp (-t),

где t - толщина слоя резиста,  - линейный коэффициент поглощения, I₀ и I - интенсивность излучения до и после поглощения соответственно.

Чувствительность рентгеновских резистов повышается при включении в их состав компонент, которые достаточно хорошо поглощают экспонирующее рентгеновское излучение. Например, хлор имеет длину волны характеристического К - излучения 0.44 нм и, следовательно, сильно поглощает излучение Рd L с длиной волны 0.437 нм. Соответственно резисты состоят из поглощающего основного полимерного материала и полимеризуемой мономерной металлоорганической добавки, вводимой в структуру основного материала.

Изображение на резисте проявляется с использованием кислородной плазмы. Основным предполагаемым механизмом проявления является механизм, основанный на превращении металлоорганического мономера в окисел металла, который предохраняет остающийся резист от воздействия кислородной плазмы. Этот защитный слой далее увеличивает разницу в скорости удаления в плазме экспонированного и неэкспонированного резиста, и, таким образом, происходит проявление изображения.

Выбор резистов для рентгеновской литографии довольно ограничен. На первых стадиях развития метода использовались те же резисты, что и для электронной литографии, например, полиметилметакрилат (ПММА), полибутенсульфон (PSB) и другие. В последние годы предложен ряд резистов специально для рентгеновской литографии, обладающих большей поглощательной способностью, что заметно уменьшает время их экспонирования.
Рентгеновские шаблоны. Рентгеновские шаблоны состоят из поглощающих рентгеновское излучение металлических пленок с нанесенным на них рисунком и тонкой мембраны, пропускающей рентгеновские лучи. Толщина поглощающего материала определяется длиной волны рентгеновского излучения, коэффициентом поглощения материала и величиной контраста, необходимой для формирования изображения на резисте. Наиболее широко применяемым в настоящее время поглощающим материалом является золото.

Рисунок на шаблоне обычно формируют с использованием электронно-лучевой литографии в сочетании с методами сухого травления. Для сохранения высокого разрешения и точного управления размерами элементов рисунок, сформированный в золотой пленке, должен иметь вертикальные стенки окон.

Мембрана, служащая подложкой для шаблона, должна обладать высокой прозрачностью для рентгеновских лучей, чтобы свести время экспонирования к минимуму. Она должна иметь стабильные размеры и достаточную прочность для многократного использования в технологическом процессе и быть прозрачной для видимого света, если применяется методика оптического совмещения. Для изготовления мембран используют такие материалы, как полиимид, Si, SiC, Si3N4, Al2O3 и многослойные структуры, например, Si3N4/SiO2/Si3N4.

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

На рис. 47 показана структура рентгеновского шаблона, который успешно используют при изготовлении ИС. Он представляет собой многослойную структуру из нитрида бора и полиимида с пленкой золота толщиной 0.6 мкм, поглощающей рентгеновское излучение, в которой сформирован топологический рисунок схемы. Экспонирующим излучением при использовании этого шаблона служит характеристическое излучение РdLа с длиной волны 0.437 нм.


Рис. 47. Структура рентгеновского шаблона
Технология изготовления рентгеновского шаблона разработана не окончательно. Еще предстоит решить ряд проблем: улучшение долгосрочной стабильности рисунка шаблона, исключение нерезкости краев элементов рисунка, ухудшающей разрешающую способность шаблона, и уменьшение плотности дефектов шаблона. От решения этих проблем зависит развитие субмикронной рентгеновской литографии.

Рентгеновская литография обеспечивает наилучшие условия для достижения субмикронного разрешения при высокой производительности обработки пластин. При использовании существующих резистов и рентгеновских источников пластины полностью могут быть экспонированы за 1 минуту с разрешением < 0.5 мкм.

В будущем возможно осуществление экспонирования резистов методом мультиплицирования с помощью коллимированного рентгеновского излучения синхротрона. Однако прежде чем рентгеновская литография найдет широкое промышленное применение, должны быть усовершенствованы методы автоматического совмещения и изготовления рентгеновских шаблонов.

2. 
   Электронная литография
   

В отличие от оптического и рентгеновского излучений поток электронов не является электромагнитным излучением. Электрон несет заряд, что позволяет формировать (фокусировать) и отклонять пучок электронов с помощью электрических и магнитных полей.

При попадании быстродвижущихся электронов в слой электронорезиста они теряют часть своей кинетической энергии за счет электростатического взаимодействия с электронами, входящими в состав молекулы полимера. При этом происходит выбивание этих электронов из молекул:

АВ + е_{падающий} → АВ⁺ + е_{падающий} + е_{освобожденный}

либо переход электронов на более высокую орбиту (возбуждение молекул):

АВ + е_{падающий} → АВ* + е_{падающий.}

Таким образом, первичное воздействие электронов на полимер проявляется в образовании ионов и свободных радикалов. Эти активные группы в дальнейшем вступают в реакцию в зависимости от структуры полимера. В негативных электронорезистах активные группы (свободные радикалы), принадлежащие различным цепям полимера, объединяются между собой и образуют поперечные связи между этими цепями. В позитивных электронорезистах активные группы оказываются неустойчивыми и распадаются на n частей.

Существуют две основные возможности использования электронных пучков для облучения поверхности пластины с целью нанесения рисунка. Это одновременное экспонирование всего изображения целиком (проекционные системы) и последовательное экспонирование отдельных участков рисунка (сканирующие системы).

Проекционные системы, как правило, имеют высокую производительность и более просты, чем сканирующие системы. Носителем информации об изображении является маска (шаблон). Изображение с шаблона передается на пластину пучком электронов.

Сканирующие системы управляются вычислительной машиной, которая задает программу перемещения сфокусированного луча электронов по пластине с резистом, исправляет эффекты дисторсии и расширения пучка и определяет положение пластины.  Информация об изображении хранится в памяти ЭВМ.

Непосредственное нанесение рисунка с помощью ЭВМ позволяет обойтись без шаблона. Поэтому электронно-лучевые сканирующие системы могут быть использованы как для изготовления шаблонов, так и для непосредственной прорисовки на пластине. Эти установки имеют высокое пространственное разрешение и точность совмещения, приближающиеся к 0,1 мкм.

Электронно-лучевая проекционная литография основана на экспонировании одиночного изображения больших размеров для получения копий шаблона с линиями субмикронной толщины. Шаблон изготавливается заранее методом сканирующей электронной литографии.

Электронные проекторы, служащие для переноса изображения на пластину, занимают особое место в электронолитографии. Существует два типа электронных проекторов: для переноса изображения с шаблона на пластину в масштабе 1 : 1 и для создания уменьшенного изображения перфорированной маски на пластине.

Работа электронного проектора, предназначенного для переноса изображения в масштабе 1:1, основана на фотоэффекте и переносе эмитируемых шаблоном электронов на пластину. Используемый шаблон аналогичен фотошаблону. Его рисунок выполняется на слое хрома, нанесенного на кварцевую подложку. Удаленные участки слоя образуют рисунок заданной структуры. Поверх слоя (маски) наносят сплошное покрытие из материала, обладающего фотоэмиссионной способностью (например, из палладия или йодида цезия). При ультрафиолетовом облучении обратной стороны шаблона фотоэмиссионный слой эмитирует электроны только с тех участков, которые соответствуют просветам в хромовой маске. Таким образом, шаблон выполняет роль фотокатода.

При работе с фотокатодами вакуум в прикатодном пространстве должен быть 10^-5 Па при полном отсутствии паров масла и органических веществ. В таких случаях с одного слоя фотоэмиттера можно получить до пятидесяти экспозиций. Одним из положительных качеств проекционных систем является большая глубина резкости, составляющая примерно 100 мкм. Это компенсирует неплоскостность поверхности пластин, перекрывает ступеньки на оксидных пленках, позволяет использовать слои резиста различной толщины.

Принципиальная схема электронного проектора показана на рис. 48.

Рис. 48. Принципиальная схема электронного проектора: 1,2 - отклоняющая и фокусирующая катушки,

3 – УФ-излучение,

4 – фотокатод, 5 – пленка хрома, 6 - фотоэмиссионный слой, 7 – электроны,

8 – подложкодержатель,

9 - подложка
Подложкодержатель 8 является анодом проектора. Между фотокатодом и анодом создают электростатическое ускоряющее поле напряжением порядка 20 кВ, на которое накладывают однородное фокусирующее магнитное поле того же направления с помощью электромагнитной катушки 2. В пространстве между анодом и фотокатодом создается вакуум. При освещении фотокатода ультрафиолетовым излучением 3 происходит эмиссия электронов с тех участков фотоэмиссионного слоя 6, которые не закрыты непрозрачным хромовым покрытием 5. Электроны 7 ускоряются в электростатическом поле и фокусируются электромагнитным полем. Напряженность магнитного поля выбрана такой, чтобы плоскость катода отображалась на плоскость анода (подложки). Катушки 1, окружающие фокусирующий соленоид, позволяют отклонять изображение и представляют собой часть системы совмещения.

В системе с уменьшением изображения в качестве маски используется свободно подвешенная перфорированная металлическая фольга. Поток электронов, сфокусированный специальной электронооптической системой, проходит через маску и формирует на пластине ее четкое изображение меньших размеров. При десятикратном уменьшении маски могут быть сформированы поля диаметром 3 мм и получена ширина линий до 0,25 мкм. Схема установки приведена на рис. 49.

Эти системы обеспечивают очень малые искажения и высокое разрешение по сравнению с системой 1:1, где достижение соответствующих высоких параметров является проблемой.

Рис. 49. Проекционная система с уменьшением изображения

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

Установки сканирующей ЭЛ называют генераторами изображений. Существует несколько систем формирования пучка – с круглым сечением и с прямоугольным сечением. Общая схема сканирующей системы ЭЛ приведена на рис. 50.

С помощью двух или более линз электроны пучка, сформированного электронной пушкой, фокусируются на поверхность пластины так, что первоначальные размеры пучка, идущего от источника электронов, уменьшаются. Система обладает достаточной гибкостью, поскольку размеры сформированного пучка могут варьироваться в широких пределах путем изменения фокусного расстояния электронных линз.

Рис. 50. Схема установки сканирующей электронной литографии

Электронный пучок формируется и ускоряется электронной пушкой. За ее пределами электроны движутся в эквипотенциальном поле с постоянной скоростью. Электромагнитные линзы позволяют сфокусировать электронный пучок в узкий зонд, попадающий на пластину, закрепленную на координатном столе. Фокусное расстояние оконечной линзы составляет 80- 150 мм, что позволяет отклонять (сканировать) электронный зонд с помощью отклоняющей системы.

Блок управления установкой, включающий ЭВМ, воздействует на отклоняющую систему, электронную пушку для «отпирания—запирания» пучка и управляет механизмом точного перемещения координатного стола.

Особенность генератора изображений заключается в том, что прецизионное экспонирование резиста электронным зондом возможно при малых его отклонениях, в лучшем случае на одном кристалле. Это ограничение связано с аберрационными явлениями, присущими электронно-оптическим системам, которые вызывают нежелательные искажения размера и формы электронного зонда. С учетом возможностей электронного экспонирования разработаны способы обработки пластин, основанные на использовании различных сочетаний электрического отклонения зонда и механического перемещения пластин.

Перемещение (сканирование) луча по пластине осуществляется двумя способами – растровым и векторным (рис. 51).

Рис. 51. Способы сканирования луча: а) растровый, б) векторный,

в) лучом прямоугольного сечения
При растровом методе луч круглой формы последовательно (строка за строкой) сканирует по всей обрабатываемой площади пластины, включаясь и выключаясь в соответствии с топологией рисунка (рис. 51, а). При векторном методе электронный луч сканирует только в тех местах, где требуется экспонирование (рис. 51, б).

Для ускорения обработки пластины используют экспонирование зондом изменяющегося прямоугольного формата (рис. 51, в). Для этого в состав установки вводят устройство, обеспечивающее формирование луча прямоугольной формы. Квадратная апертура, состоящая из двух пар перемещающихся пластин, встраивается в первую линзу установки. После экспонирования одного прямоугольного поля пластину механически перемещают так, чтобы центр новой области совпадал с оптической осью системы.

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

Чувствительность резиста (Кл/см²) зависит от величины минимального электрического заряда, приходящегося на единицу площади, необходимого для полного проявления резиста. В качестве позитивных широко используют резисты на основе полиметилметакрилата (ПММА) и полибутенсульфона (ПБС), а в качестве негативных — на основе полиглецидилметакрилата (ПГМА).

Разрешающая способность электронорезистов определяется рассеянием электронов в резисте, их отражением от поверхности полупроводниковой пластины и вторичными электронами, испускаемыми атомами подложки. Фактическая разрешающая способность ЭЛ оценивается минимальной шириной линии, полученной после проявления электронорезиста. Экспонированная линия расширяется примерно на толщину слоя резиста h, т. е. L_min =d_n + h, где d_n — диаметр пучка электронов.

Одним из ограничений разрешающей способности ЭЛ является «эффект близости», усиливающийся с ростом энергии луча. При увеличении энергии электронов растет пробег электронов в резисте и, следовательно, усиливается взаимодействие близко расположенных элементов рисунка структуры.

Практически установлено, что для субмикронной литографии необходимо, чтобы диаметр электронного луча был в пределах 0,01 – 0,05 мкм при плотности тока в нем 10 – 100 А/см². В этом случае необходимо время для экспонирования каждой точки рисунка 10^-6 – 10^-7 с.

Возможности применения электронно-лучевой техники в производстве микросхем весьма широки. Ограничения на ширину линий и плотность упаковки определяются не столько работой электронного пучка, сколько разрешающей способностью резиста и возможной точностью совмещения шаблона с пластиной.

Изготовление шаблонов для фото- и рентгенолитографии с применением ЭЛ имеет явные преимущества перед другими методами. ЭЛ обеспечивает превосходное разрешение линий оригинала, давая возможность улучшить качество шаблона. Время, которое уходит на кодирование чертежа шаблона в цифровой вид и последующее его изготовление под управлением ЭВМ, значительно меньше времени, которое требуется для процесса изготовления шаблонов методом фотоуменьшения. Дополнительным преимуществом является то, что при изменении чертежа достаточно просто модифицировать программу ЭВМ.

3. 
   Ионная литография
   

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 (рис. 52) 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.

Вследствие большого тока пучка протонов и высокой чувствительности ряда резистов к протонам, превышающей в 100 – 1000 раз чувствительность к электронам, экспонирование происходит за доли секунды, что говорит о потенциально высокой производительности таких систем. 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.

Рис. 52 . Схема экспонирования коллимированным ионным пучком

При формировании на поверхности резиста рисунка с размерами порядка 0,1 мкм требуется остросфокусированный ионный луч, диаметр которого был бы меньше 0,1 мкм. Для формирования такого луча, требуется ионный источник с высокой яркостью. Источники протонов Н⁺ и ионов гелия He⁺, которые используются в установках с коллимированным ионным пучком, не обеспечивают требуемую яркость ионного пучка. Значительно лучшие результаты получены для «жидкостных» источников тяжелых ионов Sn⁺ и Ga⁺, у которых яркость достигает значения В ≥ 10¹⁰ А/(м² ∙ ср) (источники протонов имеют яркость порядка 10⁶ - 2∙10⁶ А/(м² ∙ ср)). С помощью жидкостных источников удается сформировать ионный луч диаметром менее 0,1 мкм.

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.

Схема устройства со сканирующим ионным зондом показана на рис. 53.

Рис. 53. Схема сканирующего ионного зонда с U=57 кВ:

1 – ионный источник (жидкий галлий), 2 – вытягивающий электрод (экстрактор), 3 – диафрагма, 4 – ускоряющая электростатическая линза, 5 - электростатическая отклоняющая система,

6 – подложка

Как и в электронной литографии, ширина экспонируемой области в резисте будет больше диаметра ионного пучка. Основными причинами уширения экспонируемых линий являются боковое рассеяние ионов при торможении в материале резиста, выбивание ионами пучка атомов материала резиста, которые, обладая значительной энергией, сталкиваются с молекулами резиста, и воздействие на резист вторичных частиц, электронов и рентгеновских квантов, возникающих при торможении ионов в материале резиста.

При получении элементов с размерами 0,1 – 0,2 мкм энергия тяжелых ионов Е₀ ≈ 100 кэВ. Для галлиевых пучков ток эмиссии может достигать 1 – 10 мкА. При этом полное время обработки поверхности с размерами 0,5х0,5 мм составляет 5∙10^-2 с.

Остросфокусированные ионные пучки используют для: локальной засветки резиста; создания локальных зон нарушения кристаллической структуры материала (металл, SiO₂ ) с последующим его травлением (без применения резиста); локального удаления пленки физическим распылением ионами аргона; локального нанесения металлических пленок осаждением ионов металлов.