Электронно-лучевая обработка

Таблица 4 - Применения размерной термической электронно-лучевой обработки

2.2 Использование в промышленности

В разработке устройств для размерной электронно-лучевой обработки достигнут значительный прогресс. Имеющиеся в настоящее время установки в высокой степени отвечают требованиям промышленного производства. Результаты многочисленных технологических исследований позволяют сделать вывод о разнообразии возможностей рассматриваемого способа. Промышленное же его внедрение определяется в первую очередь исходя из экономических оценок.

  Электронные пушки и источники их питания  дороги. Но и производительность электронно-лучевой обработки, как правило, высока и зачастую намного превосходит производительность других способов микрообработки. В полной мере это достоинство можно использовать, применяя устройства-автоматы, специально предназначенные для конкретной цели обработки. Такие автоматы, кроме собственно устройства электронно-лучевой обработки, включают в себя приспособления для транспортировки, шлюзования заготовок и других манипуляций с ними, соответствующие задаче обработки и типу изделий, а также устройства программированного управления пучком во времени и пространстве, координации работы узлов перемещения, обработки деталей и блоков управления применительно к специфике обработки. В общем случае стоимость этих элементов установки намного выше стоимости собственно обрабатывающего устройства. Поскольку такие автоматы часто могут быть использованы только для определенной узкой задачи обработки, их применение допустимо лишь в условиях высокой концентрации и специализации производства. Достаточным основанием для такого применения может служить только необходимость обработки больших количеств заготовок со схожими параметрами. Число же типов структур, получаемых в результате обработки, напротив, почти не ограничено благодаря широким возможностям программирования процесса.

Наиболее  серьезным конкурентом размерной  электронно-лучевой обработки следует считать лазерную размерную обработку. Лазерная техника также позволяет получать высокую удельную поверхностную мощность, так что значительную часть задач размерной обработки можно решать средствами как электронно-лучевой, так и лазерной обработки. Затраты на создание установки, генерирующей лазерный луч с необходимыми для микрообработки показателями, гораздо меньше, чем затраты на соответствующую электронно-лучевую установку. В частности, поэтому в отличие от электронно-лучевых способов проводить исследования технологических возможностей лазеров и даже использовать их в мелкосерийном производстве можно при сравнительно небольших затратах. В противоположность этому при высокой производительности лазерных электронно-лучевых автоматов по стоимости они отличаются друг от друга весьма мало. Различия между этими двумя способами по технике обработки вытекают из различия физической природы электронного пучка и луча лазера. Из-за специфического характера поглощения энергии размерная обработка электронным пучком и лучом лазера при прочих равных условиях может привести к разным результатам. Средства управления электронным пучком разработаны гораздо совершеннее, чем средства управления лазерным лучом. Лазерная размерная обработка обладает тем преимуществом, что ее проводят на открытом воздухе или при нормальном давлении.

  Несмотря  на многообразие возможностей техники электронно-лучевой размерной обработки по указанным причинам ее промышленное внедрение происходит довольно медленно. В качестве специального способа обработки она, по-видимому, найдет себе применение там, где нужна настолько высокая производительность, что она окупит все издержки, или там, где решить возникшие задачи обработки другими средствами окажется невозможно. 

2.3 Обзор применений нетермической обработки

Характерным применением нетермической электронно-лучевой  обработки является формирование микроскопических и субмикроскопических структур размерами до 0,1 мкм и даже менее. Размеры же поверхностей, на которых формируются эти структуры, могут в отдельных случаях достигать нескольких квадратных дециметров, например при производстве пластин воспроизведения телепрограмм.

  Нетермическая обработка расширяет возможности  прежде всего тех областей техники  создания микроструктур, которые используют процессы фотографии и фотолитографии. При этом обеспечивается:

1. уменьшение минимальных размеров структур, поддающихся реализации, в 10 раз по сравнению с теми, которые возможно получать светооптическими способами вследствие присущих им границ;
2. формирование с помощью программирования процесса структуры сразу в окончательном масштабе, что исключает необходимость иметь очень точно выполненный оригинал рисунка структуры и необходимость в ступенях фотографического уменьшения;
3. автоматизируемость процесса обработки, в том числе и операции позиционирования;
4. высокая скорость обработки благодаря малой инерционности систем управления и прямому использованию энергии электронного пучка.

  Применение  эффектов нетермической обработки  стимулировалось в первую очередь потребностями микроэлектроники и информационной техники. В табл. 5 представлен обзор применений эффектов нетермической обработки.

  Эффект  потемнения пленок, чувствительных к  воздействию электронов (в том  числе и пленок изо всех фотоматериалов) и родственные ему эффекты  используются преимущественно для записи информации. Степень разрешения здесь ограничивается рассеянием электронов (и в еще большей мере — размерами зерна слоя) приблизительно до 1 мкм. Для решения задач подобного рода вполне можно использовать эффект обособления зарядов на термопластичных электроизоляционных пленках с последующим преобразованием зарядовой структуры в рельеф поверхности. Записанную таким путем информацию можно считывать также с помощью сканирования рельефа электронным пучком, используя зависимость вторичной эмиссии электронов от структуры поверхности. Нагревая однажды использованную пластину в незаряженном состоянии до температуры размягчения, можно ликвидировать деформацию поверхности и снова осуществлять на ней «запись».

Таблица 5 - Применения нетермической электронно-лучевой обработки 

Гораздо более высокие разрешения достигаются  в наиболее обширной области применения — электронно-резистивной технике. Здесь рассматриваемые способы используются в первую очередь для создания лаковых масок, предназначенных для структурированного удаления или нанесения покрытий. Таким образом изготавливают шаблоны для пластин с изображением сверхтонких (до 0,25 мкм) структур.

  Тончайшие структуры получают в свободно несущих  пленках, толщина которых соизмерима с глубиной проникновения электронов. В таких пленках удается в основном избежать рассеяния электронов. В коллоидных пленках таким путем были получены линейные структуры с толщиной линий в несколько нанометров. Такие пленки, на которые затем под малым углом к поверхности напылены тяжелые металлы, используются, например, в качестве масштабных элементов в электронной микроскопии. 

2.4 Промышленное внедрение нетермической обработки

В настоящее  время нетермическая электронно-лучевая обработка находится в стадии перехода от лабораторных исследований к промышленному использованию. Ее первыми практическими применениями являются изготовление пластин с изображениями и создание запоминающих устройств. Однако наиболее перспективны многообразные возможные применения в микроэлектронике. Внедрение нетермических электронно-лучевых способов по принципиальным и экономическим соображениям представляется необходимым условием дальнейшего прогресса технологии производства микроэлектронных элементов.

  Возможность уменьшить линейные размеры структур на порядок по сравнению с фотолитографическими способами означает возможность повысить плотность схем «а два порядка. Это ведет в свою очередь к увеличению быстродействия микроэлектронных узлов при сохранении мощности потерь с единицы поверхности узла на прежнем уровне. Следует также иметь в виду, что затраты на изготовление единицы поверхности узла сравнимы с такими же затратами при обычной технологии. Поэтому если считать, что необходимо использовать по возможности большую комплексность схем (как это имеет место, в первую очередь, в технике обработки информации), то оказывается, что применение нетермической электронно-лучевой технологии позволяет также приблизительно на порядок снизить технологические затраты, приходящиеся на каждую отдельную электронную функцию.

  С технологической точки зрения программирование процесса обработки дает значительные преимущества, сокращая время разработки от проекта до первых образцов схем и позволяя быстро исправлять ошибки проектирования. Другие преимущества вытекают из автоматизируемого процесса, включая и автоматизируемость позиционирования, и из большей глубины резкости по сравнению с фотолитографией.

   По мере развития других процессов,  которые сочетаются с нетермической обработкой — таких вакуумных процессов и процессов направленного лучевого переноса зарядов, как ионно-лучевое травление и ионная имплантация, отмечается сдвиг процессов промышленного производства в сторону вакуумной технологии. Это обстоятельство одновременно создает предпосылки к тому, чтобы переносить на окончательную структуру элемента все тонкости рисунка заданных структур, которые позволяет получать электронно-лучевая обработка.

  Если  исключить из рассмотрения специальные  случаи, то из всех эффектов нетермической  обработки наибольшее значение приобретает электронно-резистивный, как способный обеспечить наивысшую производительность. Внедрение электронно-резистивных способов в технологию производства микроэлектронных элементов целесообразнее всего осуществлять в три этапа. Этапы отличаются друг от друга прежде всего размерами наименьших реализуемых структур, объемами потребностей в новой технике для внедрения и типами тех электронно-лучевых приборов и устройств, применение которых на данном этапе наиболее целесообразно. На первом этапе внедрение электронно-резистивных способов ограничивается рационализацией разработок схем, изготовлением образцов и масок; технологию серийного производства оставляют прежней. На втором этапе электронно-лучевые способы внедряются в серийную технологию в виде устройств, репродуцирующих изображение с помощью электронных пучков с фигурными пятнами или рентгеновских теневых способов. Выигрыш, который позволяют получить эти способы, зависит еще и от технологии последующей обработки. И лишь на третьем этапе последовательное, применение направленного лучевого переноса зарядов создает предпосылки получения наименьших возможных структур схем в области 0,1 мкм. Промышленное внедрение на уровнях первого и второго этапов уже началось. Говорить же о внедрении третьего этапа пока еще не приходится, так как чувствительность обычно применяемых сегодня резистивных лаков и нынешние схемы установок, за исключением весьма специальных случаев, очень сильно ограничивают производительность процесса. В целом же нынешнее состояние развития позволяет сделать вывод, что в будущем электронно-резистивные способы займут прочное место в технологии производства элементов микроэлектроники.