Ионная, рентгеновская и электронная литография

Введение

Литография –  процесс  формирования на технологическом (функциональном) слое резистовой маски соответствующей топологии данного слоя с определённым уровнем прецизионности размеров элементов и совмещения с другими функциональными слоями.

Требуемые размеры элементов  в резистовой маске (РМ) должны выполняться с учётом технологии последующих обработок РМ и технологической коррекции,  которая учитывает уход размера в процессе переноса изображения и процессов травления и легирования через сформированную резистовую маску. В процессе травления и легирования технологическим трансформациям подверга-ется не только технологический слой, но и резистовая маска, что приводит к необходимости учёта трёхмерной конфигурации маски как при ее получении,  так и учитывать ее стойкость к соответствующим физикохимическим факторам, действующим в процессах травления и легирования.

Основная отличительная  особенность процесса литографии –  селективное воздействие на смежные  участки кремниевой подложки.  Поэтому  перед выполнением очередной  технологической операции литографии необходимо формировать защитную маску для предохранения смежных участков пластины от воздействия активного фактора. Литография служит инструментом для формирования планарной топологической структуры интегральной схемы  (ИС),  и от ее разрешающей способности во многом зависят предельные размеры элементов получаемых изделий.  От этого, в свою очередь, зависят такие важные потребительские качества ИС, как быстродействие и степень интеграции.

Наиболее быстрыми темпами  литография стала развиваться с 70-х годов прошлого века.  Толчком  к этому послужили первые статьи с математическим описанием процессов  литографии. В начале 1970-х годов в исследовательском центре фирмы «IBM» в Йорктауне Рик Дилл начал работы по созданию основных математических уравнений, описывающих процесс литографии. В то время работы такого рода воспринимались с большой долей скептицизма, поскольку результаты интуитивной подгонки параметров процесса давали вполне приемлемые результаты для того уровня развития технологии. Несмотря на такую оценку, результаты этих работ были опубликованы в 1975  г.  и сейчас широко известны под названием «Dill papers». Таким образом,  эти материалы явились первой серьезной попыткой описать литографию с научной точки зрения. Кроме того,  опубликованные в этой работе математические зависимости послужили толчком к использованию моделирования в технологии литографии. Работа Дилла содержала описание простой модели формирования изображения в приближении некогерентного источника освещения, кинетическую модель экспонирования первого порядка и эмпирическую модель проявления с алгоритмом для построения профиля проявленного резиста.  До настоящего времени эта работа не утратила актуальности, и ссылки на нее встречаются в большинстве литературы, посвященной литографии. В 1992 г. в микроэлектронике был преодолен барьер в получении элементов с минимальными размерами 0,35 мкм.  Для этого в качестве экспонирующего излучения использовалось излучение ртутной лампы высокого давления (i-линия)  с длиной волны 365 нм.  Дальнейшее уменьшение критических размеров на пластине происходило за счет использования источников излучения  с меньшей длиной волны.  В 1996–98  гг.  в качестве источников экспонирующего излучения стали использовать излучение эксимерных лазеров на газовой смеси KrF и ArF, что позволило сократить длину волны излучения до 248 нм и 193 нм соответственно.

Рентгеновская литография.

Рентгеновская литогра́фия — технология изготовления электронных микросхем; вариант фотолитографии, использующий экспонирование (облучение) резиста с помощью рентгеновских лучей, длиной волны ~ 0,4-5 нм

Маска изготовляется из стойкого к технологическим воздействиям материала - полимерного резиста; необходимый рисунок формируется с помощью рентгеношаблона. Поток рентгеновского излучения направляют на рентгеношаблон, который этот поток пространственно модулирует. Резист поглощает попавшее на него излучение, и т. о. в нём формируется скрытое изображение рентгеношаблона: под действием излучения в резисте образуются высокоэнергетичные (с энергией  ~ 1 кэВ) фото- и оже-электроны, которые вызывают сшивание молекул резиста или их деструкцию. В зависимости от того, какой из процессов преобладает, при проявлении на подложке остаются либо облучённые, либо необлучённые участки, т. е. получается негативное или позитивное изображение рисунка шаблона. Соответственно резисты делятся на негативные и позитивные.

1. Фотография тестовой структуры с шириной линий 0,3 мкм, сформированной методом рентгеновской литографии в позитивном резисте толщиной 3 мкм

Схема рентгеновской литографииБлагодаря малой длине волны  рентгеновского излучения методы рентгеновской литогра́фии  обладают высокой разрешающей способностью (~ 10 нм). По сравнению с электроно- и ионо-литографией в рентгеновской литогра́фии малы радиационные повреждения формируемых структур и высока производительность благодаря возможности одновременной обработки больших площадей образца. Рентгеновская литогра́фия  отличается большой глубиной резкости и малым влиянием материала подложки и её топографии на разрешающую способность.

Разрешающая способность  рентгеновской литогра́фии  определяется несколькими факторами. Основные из них: дифракционное; полутеневое   и фотоэлектронное  размытия границ скрытого изображения. Величинаопределяется длиной пробега фото- и оже-электронов в резисте и зависит от состава резиста Полутеневое размытие можно в достаточной степени уменьшить подбором значений S, d и L. Теоретически предельная разрешающая способность рентгеновской литогра́фии  (контактное экспонирование; S - Н₀, где Н₀ - толщина резиста) достигается при 5 нм и составляет около 5 нм. Разрешение, близкое к предельному (17,5 нм), получено при экспонировании позитивного резиста - полиметилметакрилата (ПММА) излучением  ( 4,48 нм). Для того чтобы электрофизические характеристики элементов интегральных схем имели разброс в допустимых пределах, необходимо, чтобы точность воспроизведения размеров элементов составляла не менее 10% от их ширины, т. е. разрешающая способность метода должна превышать минимальные размеры элементов.

Рентгеновская литогра́фия  предъявляет высокие требования к рентгено-шаблонам. Мембрана шаблона при достаточно высокой механической прочности и стабильности должна пропускать не менее 50% излучения (что возможно при толщинах ~ 1 мкм), а нанесённое на неё маскирующее покрытие быть высококонтрастным - сильно (на порядок) ослаблять поток излучения, толщина же покрытия не должна.

Для излучения с λ< 0,3 нм отсутствуют материалы для изготовления высококонтрастного маскирующего покрытия, а при λ> 1,5 нм поглощение мембраны шаблонов слишком сильно. Исключение составляют лишь полимерные пленки в диапазоне длин волн 4,2-6 нм. Наибольгее распространение получили мембраны из кремния и его соединений - карбида, нитрида и оксинитрида. Используются также мембраны из нитрида бора, бериллия, полимеров - полиимида, а также комбинированные (нитрид бора - полимер и др.).

Резистивные плёнки для рентгеновской литогра́фии  формируют на подложке из раствора полимера методом центрифугирования. После сушки, в процессе которой удаляется растворитель, плёнку облучают и обрабатывают в жидкостном проявителе. Основные характеристики резиста - чувствительность, контрастность, разрешающая способность и стойкость к последующим технологическим процессам, в частности к плазмохимическому травлению. Возможны и "сухие" методы нанесения резистов (плазменная полимеризация, термическое напыление) и проявления изображения в них (плазмохимическое и УФ-травление, сублимация в вакууме). Рассматривается возможность применения и неорганических материалов, халькогенидных стёкол.

В установках рентгеновской литогра́фии  1-го поколения в качестве источников излучения служат рентгеновские трубки с неподвижным либо вращающимся водоохлаждаемым анодом мощностью в несколько кВт. Материалы анодов (λ) - Си (1,33 нм), А1 (0,834), Мо (0,54 нм), Pd (0,434 нм). Экспонирование осуществляется в вакуумной камере либо в атмосфере гелия.

Недостаток таких источников - низкая производительность, обусловленная  малым коэф. преобразования энергии электронного пучка в мягкое рентгеновское излучение (~10^-5). Более производительны установки 2-го поколения, в которых точечными источниками излучения являются плазма, возбуждаемая лазерным излучением, или сильноточный разряд в газе.

Широкие возможности для  рентгеновской литогра́фии  предоставляет использование синхротронного излучения накопительных колец на энергию 0,6-1 ГэВ с расположенными на них литографическими станциями.

Высокая интенсивность и  хорошая коллимация синхротронного излучения позволяют создавать промышленные системы с разрешением ~ 0,1 мкм при малых временах экспозиции и упрощают проведение операции совмещения маркерных знаков с точностью ~0,02 мкм и рисунков (с точностью ~0,1 мкм) на больших площадях. Дальнейший прогресс в области источников излучения для рентгеновской литогра́фии  связан с разработкой компактных синхротронов с электромагнитами из сверхпроводящих материалов.

Электронная литография.

Электронно-лучевым методом  можно легко получать линии шириной 0,25 мкм. Возможности электронно-лучевых систем очень высоки: точность совмещения 0,03 мкм, минимальный размер – 1 мкм. В отличие от других методов литографии электронно-лучевой метод не требует масок или шаблонов, позволяет быстро перестраивать производство без существенных капитальных затрат, так как не надо изготавливать фотошаблоны, а изменения в топологию ИМС можно вносить путём изменения программы управления от ЭВМ. Электронно-лучевой метод содержит меньшее число технологических операций, что снижает трудоёмкость процесса в целом, однако, трудоёмкость некоторых операций высока. На пример, время, затрачиваемое на экспонирование одной пластины 100 мм диаметром, составляет порядка10-15 мин.

Электронно-лучевое экспонирование выполняется в вакуумных установках и основано на нетермическом взаимодействии ускоренных электронов с электронорезистом. В качестве последнего применяют различные полимерные материалы, в том числе и Фоторезисты. Предпочтение отдаётся специальным электронорезистам, нечувствительным к видимому и УФ - излучениям. Электронорезист также должен иметь низкое давление собственных паров и не должен образовывать химических соединений, загрязняющих вакуумную камеру установки.

Принципиальная схема  установки электронной литографииОстросфокусированный электронный пучок, отклоняемый магнитной системой, прорисовывает нужные конфигурации на поверхности чувствительного к электронному облучению резиста, нанесенного на подложку. Управление электронным пучком производится изменением токов в отклоняющих магнитных системах, управляемых компьютером.

Формирование элементов  топологии заданных размеров, как  правило, требует нескольких перемещений электронного луча, при этом промежутки между двумя соседними положениями луча равны половине ширины луча. Луч в электроннолучевой литографии имеет обычно гауссово распределение интенсивности. Различают два основных метода формирования электронным лучом топологии ИС — векторное и растровое сканирование.

При векторном сканировании луч направляется в заданное по программе  место на схеме, он включается и выключается. После окончания сканирования одного участка пластины происходит перемещение координатного столика в плоскости XY так, чтобы в поле действия электронного луча попал следующий участок. В системе векторного сканирования необходимо использование сложной электронной оптики, позволяющей с субмикронной точностью осуществлять перемещение электронного пучка.

Растровое сканирование, наоборот, требует прецизионного перемещения  координатного столика, поскольку  в этом методе электронный луч  непрерывно сканирует по полю малого размера (обычно несколько десятков микрон).

Векторная сканирующая система  позволяет формировать топологию  ИС при помощи электронного луча изменяемой формы. Электронному лучу, проходящему  через апертуру, придается определенная форма. Вторая апертура, встречающаяся на пути луча, формирует электронный пучок определенной геометрической формы в плоскости его сечения. Этот способ позволяет значительно увеличить производительность метода электронно-лучевой литографии и довести время формирования изображения на пластине диаметром 125 мкм до нескольких минут, т. е. увеличить его на порядок. Повышение производительности может быть достигнуто с помощью одновременной обработки пластин несколькими электронными лучами.

Электронорезисты подразделяют на позитивные и негативные в зависимости от того разрывает поток падающих электронов химические связи в их структуре или, наоборот, укрепляет (структурирует) молекулы электронорезиста. В каждом конкретном полимере преобладает тот или другой эффект. Степень структурирования и деструкции позитивных элетронорезистов прямо пропорциональна дозе облучения, т.е. величине заряда электронов на единицу площади. Структурные изменения в электронорезисте произойдут полностью, если длина свободного пробега электронов будет больше толщины слоя электронорезиста.

Установки электронно-лучевой  литографии обеспечивают ускоряющее напряжение порядка 10⁴В, что соответствует длине волны 50-100 нм. Чем больше ускоряющее напряжение, тем меньше длина волны и меньше минимальный размер элемента. Технически считается возможным получение потока электронов с длиной волны менее 0,1 нм, т.е. возможна разрешающая способность, близкая к 10^-4 мкм.

Используют два метода электронно-лучевой литографии: сканирующую  и проекционную литографию.

Сканирующая электронно-лучевая  литография – это обработка сфокусированным единичным пучком поверхности пластины, покрытой электронорезистом. Для экспонирования в этом случае применяют растровые электронные микроскопы (РЭМ) или электронно-лучевые ускорители (ЭЛУ). РЭМ позволяет получать линии рисунка шириной 0,1 мкм. При управлении лучом от ЭВМ применяют векторное сканирование. В этом случае электронный луч сканирует только запрограммированный участок, выключаясь в местах перехода от одного элемента к другому. Для увеличения площади экспонирования наряду с перемещением луча осуществляют управляемое от ЭВМ перемещение столика, на котором расположена пластина с электронорезистом. Совмещение топологических слоёв ИМС выполняется автоматически с помощью реперных меток, отражаясь от которых с отклонением, электронный луч даёт сигнал ЭВМ о несовмещении, в результате ЭВМ изменяет положение пучка. Точность совмещения составляет ±0,5 мкм.