Ионная, рентгеновская и электронная литография

Проекционная  электронно-лучевая литография – это электронная проекция всего изображения, в результате которой на электронорезист передаётся одновременно весь рисунок фотошаблона. В качестве последнего используют трёхслойный катод, который выполняет роль шаблона и одновременно является источником электронов. Рисунок шаблона в масштабе М 1:1 выполняют на слое диоксида титана, который непрозрачен для УФ - излучения. Поверх рисунка наносят плёнку палладия, обладающую высокими фотоэмиссионными свойствами. Фотокатод со стороны основы, выполненной из кварца, облучают УФ - излучением. Участки поверхности, покрытые плёнкой палладия, под действием УФ - излучения эмитируют электроны, которые ускоряясь в электрическом поле с помощью фокусирующей системы, проецируют изображение без искажения. Отклоняющая система установки позволяет смещать изображение и, тем самым, проводить совмещение с точностью ±0,25 мкм.

Проекционный метод имеет  хорошее разрешение, позволяющее  получать линии шириной 1 мкм, большую до ±50 мкм глубину резкости. Производительность метода сравнима с фотолитографией.

К недостаткам метода можно  отнести сложность изготовления фотокатодов и сложность подсоединения  детекторов для совмещения.

Системы электронной литографии для коммерческих применений имеют  стоимость порядка $4 млн и выше. Для научных исследований обычно используют электронный микроскоп, переделанный в систему электронной литографии при помощи относительно дешевых аксессуаров (< $100 тыс.). Такие переделанные системы позволяли создавать линии с шириной около 20 нм уже в 1990-х годах. Между тем, современное специализированное оборудование позволят получать разрешение порядка 10 нм.

Системы электронно-лучевой  литографии можно классифицировать по форме луча и по стратегии отклонения луча. Старые системы использовали гауссовские пучки, и сканирование производилось растровым методом. Более новые системы используют как гауссовские пучки, так и сформированную форму луча, которые могут быть отклонены в различные положения в поле записи. Этот способ также называется векторным сканированием (vector scan).

Ионная литография

Близко к электронолитографии стоит ионно-лучевая литография. Широкие ионные пучки, имеющие сечение порядка 1–2 см, могут экспонировать резист через маску;  узкие хорошо сфокусированные пучки диаметром порядка 0,1 нм могут использоваться для последовательного формирования изображений.  Ионы обладают большей массой по сравнению с электронами и поэтому передают свою энергию более эффективно,  а рассеяние пучка при этом меньше. Полное распределение интенсивности,  включая прямое и обратное рассеяние ионного пучка высокой плотности, обычно имеет сечение менее 10  нм. Ионное облучение приводит также к образованию вторичных электронов, но их энергии намного ниже, чем при электронном облучении. Также необходимая для экспонирования доза ионного излучения составляет примерно 

1–10% от соответствующей  дозы электронного излучения. В качестве ионорезиста может использоваться хорошо известный резист на базе ПММА, который поглощает большую часть ионного излучения.  Поэтому возможные радиационные повреждения чувствительных слоев, лежащих под резистом, намного меньше, чем при использовании электронно-лучевой и рентгенолитографии.  В результате становится возможным получить очень высокие разрешения и чувствительность при минимальном влиянии эффектов близости и разогрева подложки.  Так,  при использовании ускоряющего напряжения 10–100 кэВ и протонов H длина волны де Бройля составляет 0,28–0,9 пм. Влияние дифракции незначительно и при использовании масочных установок достижимы размеры до 65  нм. При этом глубина фокуса, как правило, более 10 мкм. Столь большая глубина фокуса делает эту технологию особенно привлекательной для литографии по сильно рельефным слоям, таким, какие требуются для производства TFT-дисплеев

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 (10¹⁰-10¹²ионов/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 Асм²), 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.

Принципиальная схема  установки ионной литографииСфокусированные 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 55 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)        

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).

В современной полупроводниковой промышленности сфокусированный ионный луч

используется для реставрации  шаблонов и коррекции участков топологии,  поскольку производительность установок все еще мала. Основной причиной этого является ограниченная интенсивность доступных ионных источников.

Особенности различных  видов литографии

Содержание:

1. Введение
2. Рентгеновская литография
3. Электронная литография
4. Ионная литография
5. Особенности различных видов литографии