Литография высокого разрешения в технологии полупроводников

электронов или других частиц, попавших на элемент изображения нанометрового

размера, может оказаться недостаточным для формирования изображения. Если

на 1 см2 падает 6*1011 электронов, то в пятно размером 0.1(0.1 мкм2

попадает только 60 электронов с неопределенностью дробового шума (N) в

интервале ((N)1/2 . Разрешение, согласно статистике Пуассона, есть простая

функция дозы:

Предел разрешения = Доза-1/2

Чтобы достичь нанометрового разрешения, для малых элементов изображения

требуется большая доза, соответствующая паспортной чувствительности

резиста, но экспонирование излучением высокой энергии требует более

чувствительных резистов для достижения хотя бы минимально приемлемого

выхода продукции. При малых дозах (меньше 1 мкКл/см2) размер

экспонированных элементов (пятен) настолько мал, что полимер не

проявляется. Для изолированных линий недостает обратно рассеянных

электронов, и для компенсации этого дефицита (внутреннего эффекта близости)

требуется избыточная доза. Для полимерных резистов, в которых нужно

экспонировать только поверхностный слой (как в случае ПММА, обрабатываемого

мономером), а не всю толщу резиста, ряд ограничений, обусловленных дробовым

шумом, может быть снят, поскольку образующиеся при экспонировании

захваченные радикалы служат инициаторами изотропной поверхностной

полимеризации.

Из трех видов экспонирования (ЭЛ, рентгеновское и ионно-лучевое) ионный

пучек имеет самую высокую эффективность, поскольку большая часть его

энергии (90 %) может поглотиться пленкой толщиной 1 мкм без искажений,

обусловленных обратным рассеянием, которое свойственно ЭЛ-экспонированию.

При электронном или рентгеновском экспонировании пленка поглощает только 1-

10 % падающей дозы.

Оборудование для ЭЛ экспонирования.

К любой литографической системе предъявляются следующие принципиальные

требования:

1) контроль критического размера;

2) точность совмещения;

3) эффективность затрат;

4) технологическая гибкость;

5) совместимость с другими экспонирующими системами.

Существует несколько вариантов построения сканирующих установок ЭЛ

экспонирования:

1. Гауссов пучек либо пучек переменной формы.

2. Пошаговое либо непрерывное перемещение столика.

3. Источник электронов: вольфрамовая нить, эмиттер из гексаборида лантана,

полевой эмиссионный катод (острие), простой либо составной источник.

4. Коррекция эффектов близости варьированием дозы, размеров экспонируемых

областей либо и того и другого.

5. Ускоряющее напряжение (5-10 кэВ).

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 тоже 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 все пластины.

6. Вакуумная система.

В растровой схеме топологический рисунок обычно делится на подобласти,

каждая из которых сканируется растром, подобно телевизионному. Вдоль своего

серпантинообразного пути электронный луч периодически банкируется. Круглый

гауссов луч, диаметр которого составляет примерно четверть минимального

размера элементов изображения, сканирует с перекрытием (рис. 17). При этом

наблюдается некоторая волнистость контура элементов, обусловленная

внутренним эффектом близости.

[pic]

Рис. 17. Формирование отдельной линии при прекрытии гауссовых лучей.

Другой тип установок с гауссовым лучом работает в режиме векторного скани-

рования. Электронный луч адресуется только в области, подлежащие экспони-

рованию (рис. 18). При формировании топологических рисунков с низкой

плотностью элементов, к примеру контактных окон, этот метод существенно

ускоряет процесс экспонирования. В таб. 3 проведено сравнение векторной и

растровой сканирующих систем экспонирования.

Таблица 3. Сравнение растровой и векторной

сканирующих систем (круглый гауссов луч).

Растровая Векторная

Используется как позитивный, так и негативный резист

Относительно низкая стоимость

Возможно применение луча диаметром 1нм

Низкое быстродействие

Коррекция эффектов близости затруднена

Необходимо применять быстродействующие ЦАП

Преимущественно позитивный резист

Необходимы высококачественные отклоняющие системы

Диаметр пятна ограничен

Большее быстродействие, возможно прямое экспонирование на пластине

Коррекция эффектов близости относительно проста

Компактное представление данных

[pic]

Рис. 18. Путь луча при растровом (слева) и векторном (справа) ЭЛ-

экспонировании.

Гауссовы лучи недостаточно интенсивны и требуют перекрытия 4-5 малых пятен

для формирования квадрата. Использования луча с сечением фикси-рованной

либо переменной прямоугольной формы повышает произво-дительность (рис. 19).

Еще большая производительность может быть достигнута проецированием целых

фигур в комбинированном растрово-векторном режиме (рис. 20).

.

[pic]

Рис. 19. Экспонирующая ЭЛ-система с прямоугольным лучем переменной формы. 1

- пластины, управляющие формой луча; 2 - вторая квадратная диафрагма; 3 -

полученное пятно.

Рис. 20. Символьная проекционная ЭЛ-печать. 1 - отклоняющие пластины; 2 -

фокус; 3 - символьные апертурные отверстия; 4 - символьная диафрагма; 5 -

полученное изображение (сечение луча).

Сокращение времени обработки в случае проекции фигур переменной формы

показано на рис. 21, где сравнивается экспонирование гауссовом лучом,

лучами постоянной и переменной форм и проецированием фигур. Чем больше

одновременно проецируемая область, тем выше производительность. Время

переноса изображения в системах с лучом переменной формы в 16-100 раз

короче, чем в системах, использующих гауссов луч.

[pic]

Рис. 21. Число точек изображения, формируемых круглым гауссовым лучем (а),

лучем фиксированной квад-ратной формы (б), лучем переменной формы (в) и

проецированием фигур (г).

Для топологического рисунка малой плотности, с изреженными окнами, обычно

используют позитивный ЭЛ резист, негатив-ный же предпочтительнее, если

доминируют области, подлежащие вскрытию.

Литографический прием, позволя-ющий избежать влияния фактора плотности

элементов, состоит в контурном экспонировании фигур рисунка с последующим

осажде-нием металла, излишки которого удаляются посредством электро-лиза.

Эта технология образно названа “каньонной” литографией в связи с

очерчиванием некоторых областей рисунка и истреблением промежутков между

ними.

Производительность ЭЛ установок складывается из производительности

процессов экспонирования, совмещения, перемещения и подготовки

топологической информации.

Время прорисовки изображения электронным лучом T равно сумме времени

экспонирования te и ожидания tw:

T= te+ tw. (27)

Время tw включает в себя время численных преобразований, передвижения

столика, регулировки позиционирования и т.д. Хотя tw не всегда пренебрежимо

мало, мы сосредоточимся на главным образом на рассмотрении te. Если луч с

плотностью тока j за время t засвечивает одновременно площадь a, то время,

необходимое для экспонирования области площадью A, равно:

te=k(S/j)(A/a), (28)

где k отношение фактически сканируемой области к А, S чувствительность

резиста.

Величина k определяется характером топологии и схемой сканирования (k=1 в

растровой и k=0.2-0.4 в векторной). Таким образом, для сокращения времени

экспонирования необходимо увеличить плотность тока луча j либо общий ток

ja. Время ожидания состоит из времени обработки данных и времени установки

подобласти экспонирования и столика.

При использовании луча переменной формы основными проблемами являются

формирование элементов непрямоугольной формы и коррекция эффектов близости

посредством разбиения фигур на области равной дозы. Такой способ коррекции

связан с проблемами управления большими объемами данных и потерей

производительности.

Резистный материал может взаимодействовать с компонентами ЭЛ систем,

порождая такие проблемы, как загрязнение, накопление заряда, плохое

совмещение и низкий срок службы оборудования, приводящий к росту затрат

времени на ремонт.

Таблица 4. Сравнение ЭЛ-систем

различного типа.

| |Системы с круглым |Многолучевые системы|Системы с лучем |

| |гауссовым лучом | |переменной формы |

| | | | |

|Преиму-|Простота |Параллельная |Параллельная |

| |Гибкость |обра-ботка (высокая |обра-ботка (высокая |

|щества |Пригодность к |эффек-тивность |эффек-тивность |

| |изгото- |экспонирова-ния) |экспонирова-ния) |

| |влению фотошаблонов |Малый ток в пучке |Гибкость, |

| | |Не требуется |переменная форма |

| | |быстро-действующих |луча |

| | |элек-тронных схем |Пригодность для |

| | | |пря-мого |

| | | |экспонирования на |

| | | |пластине и |

| | | |изготов-ления |

| | | |фотошаблонов (EL-3) |

| | |Сложность | |

|Недо-ст|Одновременно экспо- |перенаст-ройки | |

|атки |нируется лишь одна| |Техническая |

| |точка |Сложность |слож-ность |

| |Высокая яркость |совмеще-ния |(высокая стои-мость)|

| |ис-точника |Использование малых | |

| |Необходимость быстро|токов луча | |

| |действующих | |Разрешение зависит |

| |аналоговых | |от размера луча |

| |электрон-ных схем | | |

Совмещение.

Послойное совмещение и совмещение рабочего поля в шаговых повторителях

составляют часть проблемы точности совмещения топологий. Проектный допуск

на точность совмещения предполагает такое размещение рисунка одного слоя

приборной структуры над другим, что в приборе реализуются все его целевые

характеристики. Общим для всех экспонирующих систем являются послойное

совмещение и контроль ширины линии.

Метки для ЭЛ совмещения обычно изготавливаются в виде канавок или выступов

в кремнии, а для повышения уровня сигнала обратнорассеянных электронов - из

металлов большой атомной массы. В момент прохождения электронного луча над

меткой регистрируется изменение количество обратнорассеянных электронов и

размеры поля сканирования корректируются до полного совпадения с размерами

кристалла. Сигнал совмещения сильно зависит от характеристик подложки,

энергии электронного луча, композиции резиста и рельефа резистного покрытия

над меткой.

В качестве детекторов могут использоваться микроканальные умножители,

сцинцилляторы или диффузионные диоды; важно удовлетворить следующим

требованиям:

1) чувствительность и точное позиционирование;

2) рассеяние и вобуляция луча должны быть меньше, чем размеры метки

совмещения;

3) согласование размера и формы меток с толщиной резиста;

4) применение корректора данных с высоким отношением сигнал/ шум и петлей

обратной связи, позволяющего менять поле сканирования для точного

совмещения с кристаллом.

Эффекты близости.

Эффекты близости - основная проблема ЭЛ литографии. При энергии луча 25 кэВ

и диаметре 1 мкм полуширина области обратного рассеивания электронов

составляет 5 мкм, а при энергии 50 кэВ достигает 15 мкм. Длина пробега в

обратном рассеянии пропорциональна Е1.7, где Е- энергия электронов

падающего луча. Эффекты близости приводят к нежелательному экспонированию

областей, в которые луч непосредственно не направлялся. В зависимости от

отсутствия или наличия ближайших “соседей” наблюдается соответственно

внутренний или взаимный эффект близости. Внутренний эффект близости,

обусловленный обратным рассеянием электронов за пределы непосредственно

экспонируемой области, приводит к тому, что уединенные мелкие элементы

топологии приходится экспонировать с дозой Q, заметно большей Q0,

необходимой для больших фигур.

Если экспонировать линии шириной 0.5 мкм и 2 мкм в одинаковых условиях, то

первая из них проявится лишь частично, что невозможно исправить даже ценой

перепроявления второй линии. Линия шириной 0.5 мкм требует примерно вдвое

большей дозы, чем 2 мкм линия, если необходимо соблюсти одинаковую величину

ухода размеров элементов и степень утоньшения неэкспонированных областей

резиста. Внутренний эффект близости обусловлен снижением вклада в

экспозицию обратнорассеянных из глубины подложки электронов и меньшим

поглощением резистом энергии впередрассеянных электронов, поскольку их

энергия еще велика. Если энергия электронного пучка мала (1-10 кэВ), то

экспонирование ведется преимущественно впередрассеянными электронами и

размытие изображения минимально, но при высоких энергиях доминирует

экспонирование обратнорассеянными электронами.

Если подложка изготовлена не из кремния или на кремний нанесены пленки

тяжелых металлов, например, золота или вольфрама, то экспозиция окрестности

пятна увеличивается. Это объясняется большим коэффициентом обратного

рассеяния электронов, присущим подложкам с большей атомной массой.

Соответственно, увеличивается доза, полученная резистом (кажущееся

увеличение чувствительности), и частично компенсируется внутренний эффект

близости. В резисте при дозе, вдвое большей нормальной используя эффекты

обратного рассеяния, можно получить профили с отрицательным наклоном,

пригодные для взрывной литографии.

Для компенсации внутреннего эффекта близости должна быть задана избыточная

доза (и, следовательно, большее время экспонирования). Чем толще резист,

тем больше доза, необходимая для уменьшения ухода размеров (возникающего

при попытке скомпенсировать недоэкспонирование перепроявлением). Чем тоньше

резист, ем слабее внутренний эффект близости, что наблюдается, например, в

многослойных резистах.

Другой вид эффекта близости - взаимный - заключается в экспонировании

ближайшими соседями друг друга и пространства между ними. Неэкспонированные

области между линиями засвечиваются обратнорассеянными электронами.

Взаимный эффект близости вызывает утоньшение непосредственно

неэкспонированных областей позитивных резистов. В негативных резистах

неэкспонированные области заполняются остатками резиста.

Особенности ЭЛ-экспонирования электронами высокой энергии (50-100 кэВ)

обусловлены главным образом боковым размытием распределения

обратнорассеянных электронов на границе раздела резиста и кремниевой

подложки. В частности, это приводит к тому, что не подлежащий

экспонированию малый островок внутри большой экспонируемой области все

равно подвергается сильному фоновому экспонированию обратнорассеянными

электронами из окружающей области. Фоновое экспонирование приводит к

утоньшению резистной пленки в этих островках и в конечном итоге к их

исчезновению (вымыванию). Отношение величины фоновой экспозиции в

неэкспонированном острове выражается как (е/((e+1) в соответствии с

принципом взаимности, введенным Чангом. Здесь (e - отношение вкладов

обратно- и впередрассеянных электронов в энергию, поглощенную резистом. При

(e=1 значение (е/((e+1) составляет 0.5, т.е. величина энергии, поглощенной

в малых неэкспонированных областях, вдвое меньше, чем в больших

экспонированных. Величина (е/((e+1) зависит от ускоряющего напряжения,

поскольку от него зависит (e, однако эта связь еще недостаточно хорошо

исследована.

Существенное ослабление влияния эффектов обратного рассеивания особенно в

нанометровой литографии в случае применения как позитивных, так и

негативных резистов может быть достигнуто при использовании в качестве

подложки мембраны в 5-10 раз более тонкой, чем наименьший размер элементов

формируемого изображения. Коррекция эффектов близости, которая сводится к

разбиению фигур рисунка на части, со своей дозой в каждой, либо к изменению

размеров элементов рисунка, для некоторых топологий может быть

формализована.

[pic]

Рис. 22. Влияние толщины резиста на величину взаимного эффекта близости в

периодической структуре из линий и промежутков шириной 1.0 мкм (кремниевая

подложка, позитивный резист, энергия пучка 25 кэВ).

Поскольку проявление эффекта близости возрастает почти прямо

пропорционально с толщиной резиста как однослойного, так и многослойного

(рис. 22), то уменьшение толщины ослабляет эффект близости. Многослойные

резисты - практическое решение проблемы эффекта близости.

Радиационные повреждения приборов.

Пучки электронов , рентгеновское излучение и ионы высокой энер-гии

проникают в активные облас-ти кремниевых приборов на глу-бину 5-10 мкм.

Нарушение работы МОП прибо-ров обусловлено генерацией элект-ронно-дырочных

пар, поверхност-

ных состояний на границе раздела Si-SiO2 и дополнительными нейтральными

ловушками в окисле.

Если положительный заряд оксида и поверхностные состояния на границе

раздела Si-SiO2 можно ликвидировать отжигом при температуре от 300 до 450

0С, то от радиционно-индуцированных нейтральных ловушек избавиться таким

способом нельзя.

Поскольку степень радиционных повреждений пропорциональна поглощенной дозе,

то использование резистов большей чувствительности и пучков низкой энергии

(< 10 кэВ) позволило бы ее снизить. Применение позитивного ЭЛ резиста и

удаление металла посредством травления ( а не взрывным способом) на этапе

формирования металлизации будет ослаблять прямое облучение критических

областей прибора.

Другой проблемой ЭЛ- экспонирования (особенно с кварцевым шаблоном)

является нагрев резиста, вызывающий искажение изображения, газовыделение из

резиста, загрязняющее катод из LaB6, и появление пузырьков в резисте над

метками совмещения, искажающих сигнал совмещения. Степень ЭЛ-нагрева

кремниевых и стеклянных подложек зависит от мгновенной мощности пучка,

теплопроводности резиста и подложки. Для снижения дозы и уменьшения нагрева

нужны чувствительные (1 мкКл/см2) резисты. Нагрев способных к деструкции

резистов, таких, как полисульфоны и полиальдегид, может вызвать повышение

чувствительности, но всегда с риском появления искажений на углах рисунка и

периодических структурах (линия+промежуток) с шагом менее 2 мкм.

Перспективы.

При изготовлении малых партий (большой номенклатуры) заказных логических

схем из базового кристалла прямое рисование электронным лучем экономичнее,

чем фотопечать через шаблон. Благодаря высокой разрешающей способности ЭЛ-

литография будет и дальше использоваться при изготовлении шаблонов для

световых, рентгеновских и ионных пучков. Кроме того, точность совмещения на

каждом кристалле при ЭЛ-экспонировании составляет (0.1 мкм, что является

решающим преимуществом перед всеми остальными видами экспонирования.

Рентгеновское и ионно-лучевое экспонирование.

Рентгеновское излучение.

В простейшем случае в рентгеновской (рис. 23) и ионно-лучевой литографии

используется теневой шаблон. Недостатки такой схемы связаны с

возникновением полутени, обусловленной размерами (неточностью) источника и

зазором между шаблоном и пластиной; аналогичные эффекты наблюдаются при

использовании диффузного оптического источника в фотолитографии.

Качественная печать обеспечивается при наличии четырех составляющих:

1) высокоинтенсивного коллимированного источника;

2) механического, электрического, оптического или ЭЛ совмещения шаблона с

заданной точностью;

3) прецизионного контроля зазора;

4) недорогого мембранного либо трафаретного шаблона.

Искажение, возникающие при облучении шаблона расходящимся пучком (рис. 23),

равно (r/r=(d/l, где l расстояние между шаблоном и источником, (d зазор

между пластиной и шаблоном (рис. 24). Субмикронная печать обеспечивается

при зазоре шаблон пластина порядка 1 мкм. Искривления пластины, возникающие

в ходе многих стандартных технологических процессов, делает такой зазор

трудно достижимым.

.

[pic]

Рис. 23. Эффект полутени в рентгеновской теневой печати, обусловленный

недостаточной коллимацией пучка,

Ошибки, связанные с зазором, можно отчасти устранить, если перейти к

пошаговому экспонированию либо повысить чувствительность резиста до 1

мДж/см2, что позволит удалить источник излучения от пластины. Главные

трудности связаны с термостабильностью шаблона, так как нагрев шаблона

экспонирующем излучением приводит к изменению размеров элементов в плане и

ошибкам совмещения.

Из-за малого поглощения время рентгеновского экспонирования чрезвычайно

велико. Первыми шагами к совершенствованию рентгеновской печати (с зазором)

является создание:

1) высокочувствительных резистов;

2) интенсивного источника;

3) точной и надежной системы совмещения;

4) прозрачного и стабильного шаблонов.

[pic]

Рис. 24. Зависимость ширины проявленной линии от расстояния между

поверхностью резиста и рентгеновским шаблоном.

В рентгеновской литографии шаблон при совмещении помещается над пластиной с

зазором 10 мкм для увеличения его срока службы. Поскольку длина волны

рентгеновского излучения мала, можно пренебречь дифракционными эффектами и

оперировать простыми геометрическими представлениями при формировании

рисунка на шаблоне. Непрозрачные участки шаблона затеняют пластину под

шаблоном, но край тени получается не совсем резким из-за конечных размеров

(S) источника рентгеновского излучения (диаметр пятна сфокусированных на

аноде электронов),

находящегося на расстоянии D от шаблона. Если зазор между шаблоном и

пластиной обозначить через g, то ширина области полутени равна :

(=g(S/D) (29)

Типичные значения: g=20 мкм, S=3 мм, D=30 см. При этом разрешающая

способность определяется (1) шириной области полутени (, (2) минимально

возможной шириной линии на шаблоне и (3) контрастностью резиста. В

высококонтрастных резистах края изображения могут быть существенно более

резкими, чем это задается значением (. При увеличении зазора между шаблоном

и пластиной уход размера изображения на пластине и время экспонирования

возрастают. Чтобы уменьшить боковые искажения в случае точечного источника,

использовался шаблон с наклоненными к его центру поглощающими элементами.

Мощность обычных источников сравнительно мала:

Источники обычного типа 0.1-1.0 мВт/см2

Импульсные 10-100 мВт/см2

Синхротрон 100-1000 мВт/см2

Поскольку в качестве шаблона используется сплошная полупрозрачная мембрана,

то, по крайней мере, 50% излучения поглощается шаблоном. Для

сбалансированности между контрастностью проходящего пучка и временем

экспонирования (интенсивность) лишь малая часть рентгеновского излучения

должна проходить сквозь непрозрачные участки шаблона. Минимальный контраст

между прозрачным и непрозрачным участками шаблона для экспонирования

резиста составляет 4:1 (модуляция 60%). Вторичные электроны, испускаемые

поглощающими элементами из золота, могут вызывать “размывание” края

изображения. Для ослабления эмиссии вторичных электронов применяется

покрытие из полиимида поверх золотого рисунка, поглощающее выбитые

фотоэлектроны, иначе уход размера может достигать 0.2-0.4 мкм. При

взаимодействии рентгеновского излучения с подложкой вторичные

фотоэлектроны, имеющие небольшую длину пробега, рассеиваются в обратном

направлении, что может вызывать уширение основания изображения в позитивном

резисте.

Для того чтобы рентгеновская литография стала технологичной, нужно решить

ряд важных проблем. Для достижения хотя бы минимальной приемлемой

производительности 2-5 пластин диаметром 125 мм в час требуется резист с

чувствительностью не хуже 1 мДж/ см2 для обычных (возбуждаемых электронным

пучком) рентгеновских источников.

Ионные пучки.

Литографическое применение ионных пучков возможно: в установках пошаговой

печати; в системах, использующих фокусированные пучки протонов, ионов Si+,

В, Р.

Главным достоинством ионных пучков по сравнению с электронными является

малое обратное рассеяние и, следовательно, минимальный эффект близости.

В ионно-лучевой литографии используются шаблоны типа металл на кремний или

трафаретные. В случае применения последних произвольный рисунок можно

воспроизвести, используя взаимодополняющие трафаретные шаблоны.

Для того чтобы ионная литография могла конкурировать с рентгеновской

литографией, необходимо создать компактный источник ионов. Здесь пригодны

схемы совмещения, разработанные для установок рентгеновской литографии. Из-

за эффектов полутени и коробления пластины следует избегать экспонирования

больших областей.

Фокусированные ионные пучки можно использовать для экспонирования резистов,

исправления дефектов фотошаблонов, а также в безрезистной литографии и

непосредственного травления оксида кремния.

Сущность ионной литографии состоит в экспонировании пластины широким пучком

ионов Н+, Не2+ или Ar+ через шаблон из золота на кремниевой мембране или

поточечного экспонирования сканирующим пучком из жидкометаллического (Ga)

источника. Зазор между шаблоном и пластиной составляет около 20 мкм, но для

субмикронных процессов требуется контакт, так как изолированные элементы

изображения не могут быть экспонированы через сквозной шаблон, а составные

шаблоны разделяются на две взаимодополняющие части.

Поскольку ионы поглощаются в 10-100 раз эффективнее, чем электроны, то и

требуется их в 10-100 раз меньше (1010-1012 ионов/cм2 ли 0.01-1 мкКл/см2).

Хорошая корреляция между экспонированием протонами и электронами была

продемонстрирована Бро и Миллером. Так как источник протонов может давать

пучок с плотностью мощности более 100 мВт/см2 ((1 А(см2), то малое время

экспонирования (в микросекундах на кристалл или секундах на пластину)

обеспечивает стабильность шаблона и субмикронное совмещение. Изображения с

вертикальным профилем края (искажение края профиля (0.1 мкм, обусловленное

отклонениями при изготовлении шаблона) могут быть сформированы как в

негативных, так и в позитивных резистах. Даже десятикратное

переэкспонирование не вызывает изменения ширины линий. Взаимный эффект

близости ярко выраженный при ЭЛ-экспонировании, не наблюдается благодаря

малости обратного рассеяния протонов.

Сфокусированные ионные пучки для прямого (без шаблона) экспонирования

резистов имеют ограниченное применение, так как размер поля экспонирования

не превышает 1 мм2. При сканировании ионного пучка его отклонение

происходит медленнее по сравнению с электронным пучком, а разрешающая

способность объектива (МПФ) оказывается не лучше 1 мкм в кристалле 5(5 мм.

В настоящее время ионные пучки используются в основном для ретуширования

фотошаблонов. Другая область применения металлических ионных источников

(таких, как Si или Ga) - имплантация в поверхностный слой ПММА толщиной

всего 100 нм. Поскольку ионно-имплантированный резист устойчив к травлению

в кислородной плазме, то изображение обращается и переносится в ПММА с

помощью РИТ.

При исследовании разрешающей способности позитивных резистов в случае ионно-

лучевого экспонирования понятие контрастности ( используется для оценки

характеристик скрытого изображения в резисте:

(=dR/dZ=(dR/dE)(dE/dZ) (30)

Первый сомножитель в правой части характеризует скорость проявления пленки,

а второй - описывает распределение энергии Е по глубине Z. Хотя боковое

рассеяние мало, контрастность ПММА не выше, чем при ЭЛ-экспонировании. Бро

и Миллер установили, что (=2.2 как для протонов, поглощенных в ПММА, так и

для электронов с энергией 20 кэВ. Пробег вторичных частиц составляет всего

около 10 нм для 100-кэВ Н+ и около 500 нм для 20-кэВ электронов.

Дополнительная область применения ионно-лучевого экспонирования -

отверждение резистов ДХН и ПММА для реактивного ионного травления или

других применений в качестве маски. При ионной имплантации В, Р или As

резист со скрытым изображением работает как барьерный слой.

Ионно-лучевое экспонирование является идеальным в том смысле, что для него

прямое и обратное рассеяния пренебрежимо малы, а радиационные повреждения в

кремниевой подложке практически отсутствуют, так как ионы в основном не

проходят сквозь слой резиста. Поскольку ионы очень эффективно передают в

резист энергию, то чувствительность резиста не является решающим фактором

для производительности, которую в данном случае обеспечивают подбором

подходящего высокоинтенсивного источника ионов, термостабильного шаблона и

высокой точностью совмещения (( 0.1 мкм).

Заключение.

В табл. 5 приведены результаты сравнения всех типов экспонирующего

оборудования и используемых в нем шаблонов. Доминирующим является УФ-

экспонирование, за ним следует электронно-лучевое. Для рентгеновского и

ионно-лучевого экспонирования необходим еще один этап усовершенствования.

Реально ширина экспонируемой линии примерно в 4 раза превышает точность

совмещения.

Если размер элементов рисунка превышает 1 мкм и требуется большой объем

производства однотипных изделий, то пригодны 1(-зеркальные сканеры, имеющие

высокую производительность и достаточную точность совмещения. Ниже 1-мкм

барьера и примерно до 0.6 мкм конкурируют установки пошагового

экспонирования с преломляющей оптикой (5(-объектив для экспонирования на

длине волны 365 нм) и установки пошагового экспонирования со сканированием.

При изготовлении 1(-шаблонов возникают серьезные проблемы, такие, как

дефектность и невозможность выдержать размеры на всей поверхности (250(250

мм) стеклянной пластины. Сделана попытка расширить возможности оптической

литографии на диапазон размеров 0.6-0.3 мкм с помощью отражательных

установок пошагового ДУФ-экспонирования с 3-5(-уменьшением. Что касается

размеров менее 0.3 мкм, то массовое производство схем памяти обеспечивается

печатью с зазором с применением либо рентгеновских, либо электронных

пучков. Электронные пучки применяются для изготовления традиционных

заказных схем и комплектов шаблонов для всех остальных видов

экспонирования.

Таблица 5. Сравнение экспонирующего оборудования

и соответствующих ему шаблонов и резистов.

| |I |II |III|IV |V |VI |VII|VII|IX |

| | | | | | | | |I | |

|Минимальный размер |1 |2 |3 |4 |4 |5 |4 |3 |3 |

|Регистрация |1 |2 |3 |3 |3 |4 |3 |2 |4 |

|Производительность |4 |5 |3 |3 |2 |1 |1 |1 |3 |

|Стоимость и простота шаблона |2 |2 |3 |4 |4 |3 |1 |1 |1 |

|Чувствительность к рельефу |2 |3 |3 |3 |2 |4 |4 |4 |3 |

|Простота резиста и его |4 |2 |2 |3 |3 |1 |1 |2 |3 |

|стоимость | | | | | | | | | |

|Стоимость оборудования |5 |3 |2 |3 |3 |1 |2 |2 |1 |

|Простота управления |5 |4 |3 |3 |3 |4 |3 |2 |3 |

|Восприимчивость к дефектам |1 |3 |4 |4 |5 |4 |4 |4 |3 |

|Перспективы развития для |1 |2 |4 |3 |3 |5 |3 |2 |2 |

|субмикронной литографии | | | | | | | | | |

|Общий балл |26 |28 |30 |33 |32 |32 |26 |23 |26 |

|Место |4 |3 |2 |1 |1 |1 |4 |5 |4 |

Условные обозначения к табл. 5.

|I |Контакт с зазором |

|II |1/1 УФ-сканер |

|III |4/1 УФ-сканер/степпер |

|IV |5/1 УФ-степпер |

|V |10/1 УФ-степпер |

|VI |Электронный луч |

|VII |Рентгеновское излучение |

|VIII |Ионный луч |

|IX |Электронный пучек с зазором |

Ключем к высокопроизводительной литографии являются высококачественные

стойкие шаблоны, которые способны выдерживать термические и механические

напряжения. Выбор вида излучения (широкие пучки УФ-излучения,

рентгеновского излучения, электронов или ионов) для экспонирования через

шаблон, зависит в основном от трех факторов:

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

воспроизводимого размера;

2) обеспечивается ли достаточная плоскостность шаблона и сохраняются ли

она, а также рисунок неизменными во время экспонирования:

3) может ли быть разработана такая схема совмещения, в которой различались

бы длины волн экспонирования и совмещения.

Техника изготовления шаблонов даст толчек развитию новых резистов и

процессов.

Уменьшение глубины фокуса в оптической литографии требует применения более

плоских пластин, автофокусировки и автосовмещения. Для уменьшения ошибок

совмещения и фокусировки необходимо применять низкотемпературные процессы,

в которых меньше коробление пластин, и планировать конструкцию

изготовляемых приборов. Для субмикронной литографии необходимо

последовательное совмещение от кристалла к кристаллу. Установки, в которых

совмещены принципы сканирования и пошагового экспонирования, будут

развиваться исходя из требования на совмещение.

Основными проблемами оптического и ионно-лучевого экспонирования Si-пластин

являются многослойные резисты.

Величина К=0.3 в случае записи рисунка в верхний поверхностный слой, 0.5- в

верхний промежуточный слой (многослойные резисты), 0.8- во всей толщине

однослойной резистной пленки. Основные направления увеличения разрешения

заключается в уменьшении толщины чувствительного слоя, по крайней мере, до

четверти величины минимального требуемого размера (разрешения).

Производительность любого экспонирующего оборудования лимитирована

интенсивностью источника и чувствительностью резиста. При оптическом

экспонировании, исключая ДУФ-диапазон, эти величины соответствуют друг

другу. Для электронно- и ионно-лучевого экспонирования желательно повысить

чувствительность. Особенно это относится к новолачным резистам. Для

рентгеновского экспонирования требуются хорошие однослойные пленки резиста,

чтобы реализовать возможности получения высокого разрешения и устранить

низкую производительность. С помощью рентгеновского экспонирования можно

также избежать дополнительных затрат, связанных с внедрением многослойных

резистов, требуемых в будущем для оптической и электронно-лучевой

литографии.

Список литературы.

1. Александров Ю. М., Валиев К. А., Великов Л. В., Душенков С. Д.,

Махмутов Р. Х., Якименко М. Н. Применение трафаретных шаб- лонов в

рентгенолитографии // Микроэлектроника.- 1986.- Т. 15,

№ 1.-С. 66-69.

2. Александров Ю. М., Валиев К. А., Великов Л. В. и др. Рентгено-

чувствительные резисты для субмикронной литографии. Микро- электроника,

1983, т. 12, с.3-10.

3. Березин Г. Н., Никитин А. В., Сурис Р. А. Оптические основы

контактной фотолитографии.- М.: Радио и связь, 1982.- 104 с.

4. Боков Ю. С. Фото-, электроно- и рентгенорезисты. - М.: Радио и

связь, 1982.-136 с.

5. Борн М., Вольф Э. Основы оптики: Пер. с англ. - М.: Наука,

1970.- 855 с.

6. Броудай И., Мерей Дж. Физические основы микротехнологии /

Пер. с англ. В. А. Володина, В. С. Першенкова, Б. И. Подле-

пецкого под ред. А. В. Шальнова.- М.: Мир, 1985.- 496 с.

7. Валиев К. А., Великов Л. В., Вернер В, Д., Раков

А. В. Субмикронная контактная литография с трафаретными шабло-

нами.- Электронная промышленность, 1983, № 1, с. 36-38.

8. Валиев К. А., Великов Л. В., Душенков С. Д. и др. Эффект фото-

травления полимеров под действием вакуумного ультрафиолета. - Письма в

ЖТФ, 1982, т. 8, вып. 1, с. 33-36.

9. Валиев К. А., Великов Л. В., Душенков С. Д., Махмутов Р. Х.,

Устинов Н. Ю. Новый метод исследования разрешающей способ- ности

электроно - резистов с помощью субмикронной маски- шаблона,

находящейся в контакте с резистом // Микроэлектро- ника.- 1982.-Т.II.-

Вып. 5.-С.447-450.

10. Валиев К. А., Кириллов А. Н., Ковтун Б. Н., Махвиладзе Т. М.,

Мкртчян М. М. Оптимизационный метод коррекции эффекта близости

в электронной литографии // Микроэлектроника.- 1987, - Т.6, - С.122-

130.

11. Валиев К. А., Махвиладзе Т. М., Раков А. В. Кинетика процесса

безрезистной литографии// Микроэлектроника.- 1986.- Т. 15, вып.

5.- С. 392-397.

12. Виноградов А. В., Зорев Н. Н. Проекционная рентгеновская

литография.-Препринт / ФИАН СССР.-М., 1987.- № 104.- С. 1-35.

13. Деркач В. П., Кухарчук М. С. Электронная литография как

эффективное средство для освоения субмикронных размеров

элементов БИС. -Микроэлектроника, 1980, т. 9, вып. 6, с. 498-516.

14. Деркач В. П., Мержвинский А. А., Старикова Л. В. Метод коррек- ции

эффекта близости в электронной литографии // Микро-

электроника.- 1985 .-Т.14, вып. 6.-С.467-477.

15. Котлецов Б. Н. Микроизображения. Оптические методы получе- ния

и контроля.- Л.: Машиностроение, 1985.- 240 с.

16. Никитин А. В., Никитина М. А., Сурис Р. А. Формирование

изображения оптической системой в проекционной фотолитогра- фии. -

Электронная промышленность, 1980, № 5, с. 27-32.

17. Попов В. К., Ячменев С. Н. Расчет и проектирование устройств

электронной и ионной литографии.-М.:Радио и связь,1985. -128 с.

18. Селиванов Г. К., Мозжухин Д. Д., Грибов Б. Г. Электронно- и

рентгеночувствительные резисты в современной микроэлектро- нике //

Микроэлектроника.- 1980 .-Т. 9, вып. 6.-С. 517-539.

19. Тернов И. М., Михайлин В. В., Халилов В. Р. Синхронное излу-

чение и его применение. - М.: Изд-во МГУ, 1980.- 276 с.

20. Уорд Р. Электронно-лучевая проекционная установка для созда- ния

кристаллов СБИС с субмикронными элементами. - Электро- ника, 1981, т.

54, № 22, с. 52-60.

Страницы: 1, 2