Литография высокого разрешения в технологии полупроводников

Размещено на http://www.allbest.ru/

КАЛУЖСКИЙ ФИЛИАЛ МОСКОВСКОГО

ГОСУДАРСТВЕННОГО ТЕХНИЧЕСКОГО

УНИВЕРСИТЕТА ИМЕНИ Н.И. БАУМАНА

Курсовая работа

ЛИТОГРАФИЯ ВЫСОКОГО РАЗРЕШЕНИЯ В ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУПРОВОДНИКОВ

Выполнил : Тимофеев А.

гр. ФТМ-61

Руководитель: Головатый Ю.П.

г. Калуга, 1996 г.

Содержание.

1. Фотолитография

1.1 Ведение

1.2 Основы оптики

1.3 Контактная печать и печать с зазором

1.4 Проекционная печать

1.5 Совмещение

1.6 Фотошаблоны

1.7 Перспективы развития фотолитографии

2. Электронно-лучевое экспонирование

2.1 Введение

2.2 Характеристики электронно-лучевых установок

2.3 Поглощение излучения высоких энергий

2.4 Производительность систем ЭЛ экспонирования

2.5 Радиационные резисты

2.6 Оборудование для ЭЛ экспонирования

2.7 Совмещение

2.8 Эффекты близости

2.9 Радиационные повреждения приборов

2.10 Перспективы

3. Рентгеновское и ионно-лучевое экспонирование

3.1 Рентгеновское излучение

3.2 Ионные пучки

4. Заключение

5. Список литературы

1. Фотолитография

1.1 Введение

Оптическая литография объединяет в себе такие области науки, как оптика, механика и фотохимия. При любом типе печати ухудшается резкость края (рис. 1). Проецирование двумерного рисунка схемы ведет к уменьшению крутизны края, поэтому нужен специальный резист, в котором под воздействием синусоидально модулированной интенсивности пучка будет формироваться прямоугольная маска для последующего переноса изображения травлением или взрывной литографией.

Если две щели размещены на некотором расстоянии друг от друга, то неэкспонируемый участок частично экспонируется по следующим причинам:

1) дифракция;

2) глубина фокуса объектива;

3) низкоконтрастный резист;

4) стоячие волны (отражение от подложки);

5) преломление света в резисте.

фотолитография оптика электронный лучевой

Рис. 1. Профили распределения интенсивности в изображения для случаев контактной печати, печати с зазором и проекционной литографии.

Изображение неточечного источника в фокальной плоскости идеального объектива никогда не бывает истинной точкой, а распределяется в дифракционную картину диска Эйри. Таким образом, неэкспонируемый промежуток частично экспонируется дифрагировавшим и отраженным от подложки излучением. Из-за ограниченной селективности последующего процесса сухого травления резиста и подложки требуется получение рисунка с круглым профилем в относительно толстой пленке. Вследствие внутреннего эффекта близости (дифракционные потери) изолированные экспонируемые линии облучаются недостаточно и должны экспонироваться с большей дозой (ведет к искажению изображений линий размером более 3 мкм или неэкспонируемых промежутков размером менее 3 мкм) или проявляться с потерей толщины резиста в неэкспонируемых промежутках.

Таким образом, задача фотолитографии заключается в том, чтобы обеспечить совмещение и воспроизвести в резисте двумерный рисунок фотошаблона с точностью в пределах 15% от номинального размера его элементов и с 5%-ным допуском на требуемый наклон краев. Послойное совмещение приборных структур должно осуществляться с точностью не хуже 25% от размера минимального элемента. Оценка влияния проекционной оптики и системы совмещения определяется суммой среднеквадратичных ошибок переноса изображения и совмещения. Ширина минимально воспроизводимых линий при этом считается равной 4-кратной точности совмещения.

Используемые в фотолитографии источники экспонирующего излучения бывают как точечными (лазеры), так и протяженными (ртутные лампы). Спектр излучения этих источников лежит в трех основных спектральных диапазонах:

- Дальний УФ от 100 до 200-300 нм;

- Средний УФ 300-360 нм;

- Ближний УФ от 360-450.

Существует 3 типа фотолитографических устройств:

1) теневого экспонирования;

2) проекционные с преломляющей оптикой;

3) проекционные с отражательной оптикой.

При теневом экспонировании шаблон, выполненный в масштабе 1: 1, находится в физическом контакте с подложкой или отдален от нее на несколько микрометров в случае печати с зазором. Главными недостатками контактной печати являются повреждения шаблона и ограниченная совместимость.

В проекционных системах используются линзы или зеркала, позволяющие проецировать рисунок фотошаблона (масштаб 10:1, 5:1 или 1:1) на квадратное поле (20х20) или полоску (1,5 мм), которая затем сканируется по пластине.

В стандартной проекционной системе, осуществляющей перенос изображения, фокус объектива (f) является функцией диаметра его входного зрачка (D). Числовая апертура объектива (NA) в среде с показателем преломления n определяется как

NA=n sin = D / 2f. (1)

Разрешение (W) объектива, определяемое для двух непрозрачных объектов, которые едва различимы в диске Эйри, согласно критерию Рэлея, равно

W=K / NA (2).

Практическим разрешением считается 3- кратное значение разрешения, определенного по Рэлею, на длине волны экспонирования :

W=1.83 / NA (3).

Таким образом, разрешение улучшается при использовании более коротковолнового экспонирующего излучения (ДУФ) и объектива с большей числовой апертурой (за счет уменьшения размера экспонируемого поля). К сожалению, глубина фокуса (DF) также уменьшается с ростом NA, и определение место положения каждого кристалла требует дополнительного фокусирования:

DF= / 2 ( NA )2. (4)

Рис. 2. Зависимость числовой апертуры объектива от размера поля изображения

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 (рис. 2).

1.2 Основы оптики

Размер скрытого изображения и величина краевого градиента резистных профилей ограничивается следующими основными физическими свойствами света:

1) когерентность;

2) дифракция;

3)интерференция;

4) астигматизм;

5) хроматические аберрации.

В случае когерентного излучения цуги световых волн распространяются так, что их гребни и впадины согласованы по фазе друг с другом. Монохроматические световые волны, распространяющиеся случайным образом так, что их гребни и впадины не сфазированы (частично сфазированы), называют некогерентным (частично когерентным) светом.

Если освещение изменяется от когерентного к частично когерентному, то контраст в передаваемом объективом изображении, эффективное разрешение и глубина фокуса изображения уменьшаются. В проекционной системе с осветителем келеровского типа источник экспонирующего излучения проецируется во входной зрачок проекционного объектива и это изображение становится эффективным размером источника. Если размер источника во входном зрачке увеличивается, то в случае протяженного источника фазовая корреляция излучения в плоскости объекта ослабевает, а дифракционные порядки идущего от предмета света увеличиваются в размере (рис.3).



Рис. 3. Частично когерентное освещение и результирующее распределение интенсивности. Дифракционные порядки рассеянного на объекте света увеличиваются в размере

Техническое определение разрешающей способности объектива исходит из возможности объектива разрешать последовательность одинаковых прозрачных и непрозрачных полос (дифракционную решетку). Модуляционная передаточная функция (МПФ) выражает связь между объектом М1 и изображением М2:

МПФ=М1 / М2=( Макс - Мин) / ( Макс+Мин ). (5)

Коль скоро МПФ объектива определена, то могут быть сделаны предположения относительно размера функции рассеяния точки (диска Эйри), контроля ширины линии и чувствительности к условиям экспозиции. Модуляция в 60% соответствует Iмакс=80% и Iмин=20% интенсивности света, пропущенного дифракционными элементами объектива (рис.4). При минимальной МПФ 0.60 допускается 20%-ое недоэкспонирование резиста. МПФ проекционной системы, имеющий дифракционные ограничения и некогерентный источник, идентично преобразованию Фурье круглого входного зрачка объектива:МПФ= 2 / [ ( f / 2 fc - f / fc )(1 - ( f / 2 fc )2 )1/2] . (6)

где fc - (когерентная) пространственная частота отсечки:

fc=[М / ( 1 + M ) ] 1 / ( tg arcsin NA), (7)

где М - увеличение системы, - длина световой волны.

Рис. 4. Модуляционная передаточная функция

Толщина резиста учитывается посредством усреднения МПФ системы в фокусе на поверхности резиста (t=0) и вне фокуса на дне резиста (t). Дефокусировка рассматривается как аберрация. Дефокусированная МПФ есть произведение сфокусированной МПФ и фурье-преобразования диска Эйри:

F( f )=( 1 / R f ) J ( 2 R f ), (8)

где R- радиус диска, J- функция Бесселя первого порядка. Таким образом, для резиста заданной толщины t (рис.5):

МПФt=[(1+F)/2]МПФ0. (9)

МПФ оптических приборов резко спадает на пространственной частоте, которая ограничивает диапазон пространственных частот изображаемого предмета. При увеличении NA и уменьшении улучшается качество передачи изображения (рис. 6). Расфокусировка может рассматриваться как аберрация. Таким образом, использование тонких пленок в многослойном резисте или резисте с поверхностным переносом изображения позволяет увеличить разрешение, особенно в случае близко расположенных линий или элементов.

Рис. 5. МПФ при толщине резиста: 0.4 (А), 0.8 (В) и 1.2мкм (С)

Рис. 6. Зависимость МПФ от числовой апертуры.

При моделировании реальных резистных профилей неравномерность распределения интенсивности по краю пучка, взаимодействие проявителя с резистом (контраст) и МПФоб. оптической системы учитываются в следующем дифференциальном выражении для изменения ширины линии:

y/E)(E/x), (10)

где E - поглощенная резистом энергия. В случае слабопоглащающего резиста и слабо отражающей подложки первый сомножитель зависит от свойств конкретного резиста и процесса его обработки, а второй - только от свойств оптической системы. Величина E/x характеризует распределение интенсивности в изображении и зависит от длины волны экспонирования , числовой апертуры NA, отклонения (z) положения плоскости резиста от фокальной плоскости и однородности освещения:

E/x(2NA/)[1-k(z(NA)2/)]2. (11)

Параметр k равен единице или слегка отличается от нее для различных степеней частичной когерентности освещения. Контраст позитивного резиста определяется из выражения

=[lg(E0/ E1)]-1, (12)

где E1 - энергия экспозиции, ниже которой не происходит удаления резиста в проявителе, E0 - энергия экспозиции, при которой резист полностью удаляется при проявлении. Обычно E1 не зависит от толщины резиста t, в то время как значение E0 на глубине t зависит от поглощения в слое резиста толщиной t (E010t). С учетом этих предположений

=(+t)-1, (13)

где - постоянная, - коэффициент поглощения резиста. При =0.4 поглощение в резистной пленке однородно, а 2.5. Сомножитель, зависящий от процесса обработки резиста, в этом случае равен

y/E=/ E0. (14)

Изменение профиля резиста в определенных выше параметрах описывается следующим образом:

y/x=[NA/((+t) E0)][1-k(z(NA)2/)]2. (15)

Рис. 7. Влияние длины волны экспонирующего излучения на разрешение для сканера с отражательной оптикой: когерентность 75% , оптическая сила объектива F/3

Из (рис.7) видно, что использование высококонтрастных резистов с низким поглощением допускает больший произвол в выборе энергии экспозиции и большие вариации во времени интенсивности выходного излучения. Кроме того, моделирование двух объективов с разными NA дает более высокий краевой градиент и большие допуски на процесс проявления для систем с большей NA. Нерастворимость негативных резистов убывает с глубиной, поэтому их обычно переэкспонируют для обеспечения достаточной адгезии подложки.

1.3 Контактная печать и печать с зазором

В принципе сколь угодно высокое разрешение может быть получено при физическом контакте шаблона и подложки, а также методом прямого молекулярного осаждения. Однако на практике молекулярный контакт трудно осуществить, а шаблон после десятка проходов при совмещении и печати повреждается. Перемещения и шаблона, и пластины в процессе совмещения вызывают ошибки оператора и ограничивают точность совмещения примерно до 1 мкм. На ранних этапах развития литографии контактная печать служила основным методом для получения изображений с размерами 3-10 мкм. Поскольку для жидкостного травления важен не профиль изображения в резисте, а его ширина, уход размеров в пределах 1 мкм при жидкостном проявлении совместим с отклонениями 1 мкм при печати.

МПФ контактной печати очень высока (0.8), и при использовании соответствующего контактного шаблона или двухслойных резистов могут быть получены изображения размером вплоть до 0.1 мкм. При использовании ДУФ-излучения метод печати с зазором позволяет получать в ПММА рисунки с шириной лини 1 мкм. Если зазор Z между шаблоном и пластиной превышает френелевский предел (5%-ный допуск для интенсивности и 20%-ный допуск для ширины линии), предельное разрешение W составляет 1-2 мкм для зазора 5-10 мкм:

W0.7 Z . (16)

При дальнейшем увеличении зазора в изображении появляются вторые и третьи дифракционные порядки и результирующий профиль оказывается сужающимся книзу.

Близко расположенные линии при контактной печати или печати с зазором расплываются из-за конструктивной интерференции между волнами, дифрагировавшими на соответствующих отверстиях. Однако если на одно из соседних отверстий шаблона нанесено покрытие, изменяющее фазу проходящего через него излучения на 1800, то при толщине этого покрытия

t=(2n-1) (17)

между световыми потоками от различных отверстий происходит деструктивная интерференция.

Рис. 8. Изменение ширины линии в зависимости от величины зазора при печати с зазором

Она минимизирует дифрак-ционные эффекты и позволяет работать с двое большими зазорами. Максимальным удалением шаблона от пластины (или предельным размером посторонней частицы между шаблоном и резистом) является удаление при котором искажение изображения не превышает 10% (рис.8).

Использование более коротковолнового излучения в контактной печати и печати с зазором также позволяет работать с большими зазорами. Круглые отверстия воспроизводятся лучше, чем прямоугольные фигуры, в которых наблюдается закругление углов вследствие внутреннего эффекта близости.

Благодаря дифракции дефекты в виде точечных проколов не воспроизводится. Использование негативных фоторезистов в методе печати с зазором затруднено тем, что интенсивность дифрагировавшего на шаблоне света уменьшается при его распространении за шаблоном, и в резисте пропечатываются высокие порядки дифракции.

Практически метод печати с зазором является компромиссом между разрешением и себестоимостью интегральных схем за счет частой смены шаблонов (в контактной печати). Печать с зазором требует прецизионной установки зазора, должного совмещения и хорошей коллимации пучка.

Главные проблемы контактной печати связаны с неудовлетворительным контактом шаблон - пластина и накоплением дефектов. Плохой контакт между шаблоном и пластиной может быть вызван линейным или нелинейным искривлением пластины после нанесения эпитаксиальных слоев, частицами загрязнений или краевым валиком резистной пленки, образующимся при центрифуговании.

1.4 Проекционная печать

В сканирующих системах (сканерах) и устройствах пошагового совмещения (степперах) используется как отражательная, так и преломляющая оптика. При сканировании пластина экспонируется последовательностью проходов и возможностью пересовмещения по локальным меткам в середине пластины отсутствует. Если в первом поколении степперов перемещение осуществлялось перемещение на фиксированный шаг без обращения к локальным меткам совмещения в середине пластины, то в современных степперах проводится совмещение на каждое поле и достигается согласование по двум координатам, углу поворота, фокусу и наклону.

Степперы обладают лучшей точностью совмещения, в них используются более дешевые шаблоны и существующие позитивные резисты, экспонируемые в спектральном диапазоне 365-435 нм. Однако производительность степперов ниже производительности оптических сканеров. Главное преимущество степпера 10:1 заключается в уменьшении влияния неточности фотошаблона до несущественных значений и в более высоком разрешении по сравнению с объективами с 5- кратным уменьшением. С другой стороны, жертвуя разрешением в системе 5:1, получаем выигрыш в существенно большем размере поля изображения (рис. 9). Для кристаллов ИС небольших размеров метод проекционной печати позволяет воспроизводить элементы в резисте с минимальными размерами вплоть до 0.1 мкм.

Рис. 9. Зависимость предельного разре-шения от размера поля изображения для объективов 10Х и 5Х.

Считая характеристики степпера и сканера одинаковыми при воспроизведении 1,5-мкм линии, запишем выражение для производительности Т такой системы:

Т=3600/[tOH+N(talign+tprealign+tstep+texp)], (18)

где N - число шагов для степпера и N=0 для сканера; полное время tOH включает в себя время: экспозиции (texp); совмещения (talign); шагового сдвига (tstep); установки (tsetup); предсовмещения на длине волны 435 нм (tprealign).

Размеры экспонируемого поля определяет число шагов на единицу площади пластины. Время экспонирования texp зависит от:

- толщины резиста;

- длины волны излучения лампового источника ;

- коэффициента поглощения резиста;

- толщины остаточного резиста;

- коэффициента отражения подложки;

- наличия усиливающего контраст слоя;

- интенсивности источника.

Процессы пошагового сдвига и совмещения оказывают основное влияние на производительность степпера. Использование мощных ртутных ламп или лазеров для метода экспонирования “вспышка на лету” позволит уменьшить время экспонирования до значений, меньших времени перемещения и совмещения. Толщина резиста и его коэффициент поглощения также влияют на производительность проекционной системы. Величина коэффициента поглощения резиста очень важна, так как определяет разрешение и скорость растворения резиста. Для уменьшения интерференционных эффектов на поверхность резиста или под него наносятся противоореольные слои, а также вводятся специальные примеси к резистам. Однако любые добавки к резистам или нанесение покрытия неизбежно будут поглощать излучение, и для компенсации эффекта внутренней фильтрации потребуется увеличение времени экспонирования. Интерференционные и дифракционные эффекты вызывают модуляцию интенсивности, и, следовательно, влияют на время экспозиции и ширину воспроизводимых линий. Экспонирование монохроматическим светом уменьшает дифракции Френеля, но усиливает эффект стоячих волн, которые возникают, если оптический путь кратен длине световой волны. В случае печати с зазором подбором зазора можно уменьшить эффект стоячих волн. Это достигается при следующих условиях:

n2=(n1n3)1/2, (19)

h2=n2, (20)

где n1, n2, n3 - показатели преломления резиста вещества, заполняющего зазор, и подложки; h2 - величина зазора или толщина материала в зазоре.

Однако этот тип искажений гораздо сильнее проявляется при когерентном освещении.

В методе проекционной печати возможность контроля профиля и ширины воспроизводимых элементов рисунка фотошаблона определяется характеристиками проекционной оптики, контрастом резиста, коэффициентом отражения подложки и глубиной фокуса используемого объектива. Дифракция ведет к тому, что изображение полосок с промежутком 1.5 мкм подвержены сильному воздействию взаимного эффекта близости. Изменение профиля падающего пучка сильнее проявляется в искажении близко расположенных неэкспонируемых промежутков в позитивном резисте, нежели изолированной линии (рис.10).



Рис. 10. Изменение ширины линии в резисте при недо- и переэкспониро-вании.

В изображениях, находящихся вне фокуса из-за ступенчатого рельефа или искривлений пластины, тоже происходит уменьшение интенсивности экспонирующего излучения. Расфокусирование 1 мкм соответствует 20%-ым потерям интенсивности или отклонению ширины линии от требуемого значения на 2 мкм, в то время как для обеспечения изменения ширины линии в пределах 0.1 мкм возможное отклонение интенсивности излучения не должно превышать 5%.

При проекционной печати происходит накопление пыли на поверхности фотошаблона. Количество пропечатанных дефектов можно уменьшить применением пленочных покрытий (тонкая пленка полимера), которые дефокусируют изображение частиц пыли, оказывающихся в этом случае на некотором расстоянии от поверхности фотошаблона.

1.5 Совмещение

В процессе изготовления ИС на подложке формируются топологические слои, которые должны последовательно воспроизведены в заданных относительно друг друга позициях, определяемых разработчиком ИС. Для большинства ИС требования на допуск при совмещении составляют примерно 1/4 минимального разрешаемого размера элемента.

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

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

Для распознавания и коррекции ошибок совмещения проводят измерения плоскостности пластин, ширины линий и совмещений, используя нониусы:

1) электрический тест - создаются проводящие слои для образования делителей напряжения;

2) оптический тест - регистрация интерференционного сдвига. Измеряется амплитуда дифрагировавшего когерентного света;

3) тест на качество края - регистрация лазерного излучения, отраженного от края структур;

4) микроскопический тест - при помощи сканирующего электронного микроскопа.

1.6 Фотошаблоны

Процесс изготовления фотошаблонов важен для оптической литографии. В случае субмикронной оптической литографии с фотошаблоном 1х необходимо обеспечивать коррекцию размеров окон в сторону уменьшения на 0.5 мкм и контроль краев хромированных покрытий с точностью 0.005 мкм. В настоящее время оригинал фотошаблона изготавливается методом ЭЛ-литографии. При изготовлении непрозрачного слоя фотошаблона могут быть использованы следующие материалы:

1) серебряная эмульсия;

2) обработанный ионами резист;

3) диазидные полимеры;

4) оксид железа;

5) германий на стекле;

6) хром на стекле;

7) отожженный полиакрилонитрил;

8) оксид европия.

Изготовление рабочих (1х) фотошаблонов осуществляется фото-повторением промежуточного (10х) фотошаблона на прецизионном координатном столе. Точность подачи координатного стола чрезвычайно важна для достижения точного совмещения при фотоповторении. Необходимо отметить также важность точного совмещения промежуточного фотошаблона для предотвращения разворота рисунков отдельных кристаллов относительно друг друга на рабочих фотошаблонах.

1.7 Перспективы развития фотолитографии

Никакие другие системы экспонирования не могут соперничать с оптическими системами в производительности и высокой стабильности шаблонов. Развитие техники экспонирования от контактной печати и печати с зазором к проекционной фотолитографии обусловлено необходимостью снижению износа шаблонов, ведущего к дефектности, и обеспечения требуемой точности совмещения. Для того, чтобы снизить себестоимость СБИС с субмикронными размерами элементов, необходимо увеличить размер рабочего поля степперов, точность глобального совмещения сканеров и плоскостность поверхностей пластин после высокотемпературных процессов. Если число разрешаемых элементов внутри отдельного кристалла (>108) превосходит предел, определяемый глубиной фокуса, то поле каждого кристалла может быть разбито на более мелкие подобласти (для компенсации большей числовой апертуры) так, как это делается в системах пошагового экспонирования. По мере ужесточения допусков при производстве новых приборов потребуется дальнейшее совершенствование систем совмещения.

Внутренние и взаимные эффекты близости являются главными проблемами систем фотолитографии. Дифракционные и интерферен-ционные эффекты искажают структуры, воспроизводимые поверх уже сформированного рельефа. Высококонтрастный однослойный ДУФ резист способен значительно улучшить контроль размеров элементов и ослабить требования на технологические допуски. Используемый в субмикронной литографии процесс переноса изображения в поверхностный слой резиста или другого сильнопоглощающего материала нуждается в дальнейшем совершенствовании. Проблема поверхностного переноса изображения заключается в том, что нужно сделать толщину резистного слоя всего несколько нанометров. При этом можно будет использовать установки экспонирования с низкой оптической МПФ. Резисты, обладающие высокой чувствительностью (порядка 1 мДж/см2), позволили бы применять метод экспонирования типа “вспышка на лету” для существенно меньших полей и поставить производительность процесса в зависимость только от времени глобального совмещения и шага.

Существует ряд приборов, которые могут быть изготовлены только с помощью УФ литографии, поскольку применение высокоэнергетичных электронных пучков или рентгеновских лучей может нанести этим приборам необратимые повреждения. Фотолитография, как таковая, останется основным инструментом при массовом производстве СБИС.

2. Электронно-лучевое экспонирование

2.1 Введение

В традиционной фотолитографии резисты экспонируются незаряженными фотонами ультрафиолетового диапазона. Из теории дифракции и практической микроскопии известно, что разрешение ограниченно длинной волны используемого излучения. При использовании некоторых видов излучения высокой энергии шаблоны могут не применятся, что ведет, с одной стороны, к снятию ограничения по разрешению, с другой к снижению производительности процесса экспонирования и росту производственных затрат.

Рис. 11. Наименьшая воспроизводимая ширина линии : I - дифракционный предел (зазор 10 мкм); II - дифракционный предел (NA объектива равна 0.4); III - дифракционный предел (зазор 1 мкм); IV и V - предел рассеяния фотоэлектронов, теоретические значения и данные эксперимента соответственно; VI - предел, определяемый обратным рассеянием электронов

Для волны экспонирующего излучения высокой энергии измеряется сейчас не нанометрами, а ангстремами. Резистом может служить любой полимер либо неорганический пленкообразующий. Возможна даже безрезистивная литография, поскольку неорганические пленки могут быть подвергнуты травлению, испарению или превращен в полупроводники посредствам ионной имплантации. Энергии достаточно как для возбуждения атомов, так и для перестройки любых химических связей. Литографические процессы, применяющие излучения в диапазоне длин волн короче 100 нм, называется радиолитографией. Цена, за которую приходится платить за все достоинства радиолитографии - низкая производительность и соответственно высокая стоимость экспонирования. Радиационное экспонирование применяется в том случае, если характеристики систем оптической литографии не удовлетворяют требованием по точности совмещения и глубины фокуса.

Пространственное разрешение процесса экспонирования ограничивается длиной волны падающего или обратно рассеянного излучения (рис. 11), поэтому излучение высокой энергии с длиной волны порядка атомных размеров способно обеспечить разрешение до 5 нм. Однако на практике предел разрешения составляет около 50 нм. Если ослабить или совсем устранить обратное рассеяние, используя кремниевые мембран вместо толстых пластин, то можно будет изготовить приборы нанометровых размеров.

Литография высоких энергий делится на :

1) проекционную (рентгеновская, ионная, электронная);

2) сканирующую (электронная, ионная).

При экспонировании через шаблон излучение высокой энергии проецируется в большинстве случаев на поле размером в один кристалл. Несколько кристаллов можно экспонировать рентгеновским излучением или электронным пучком некоторых фотокатодных устройств, но только при размере элемента больше 2 мкм. Шаблоны изготавливаются из тяжелых металлов на полупрозрачных органических или неорганических мембранах. Кроме того, сам шаблон может служить источником энергии, как, например, фотокатод из TiO2, который при возбуждении УФ-излучением испускает электроны с энергией 10 кэВ.

Таблица 2. Стимулы развития литографических установок экспонирования разных типов

Фотолитография	Высокоэнергетичная литография
Хорошо изученные принципы Простые шаблоны Берет начало от фотографии Умеренная стоимость Стойкие резисты Отсутствие радиационных повре-ждений Хорошая производительность	Гибкость настройки Нанометровое разрешение Автоматизированный контроль Нанометровая точность совмеще-ния Более широкий выбор резистов Незаменима при изготовлении фотошаблонов

С помощью ЭЛ литографии создаются шаблоны для всех остальных видов литографии (с УФ, рентгеновским и ионным экспонированием). Не посредственное ЭЛ экспонирование пластин будет дополнять оптическую литографию и в будущем станет доминирующим в субмикронной технологии.

В настоящее время существует здоровое соперничество систем пошаговой проекционной и контактной УФ печати, но, возможно, в ближайшем будущем на рынке появится установки электронно-лучевого и рентгеновского экспонирования. Минимальный размер элементов изображения зависит от формы сечения входного пучка , его энергии и от области простирания обратно рассеянного излучения.

2.2 Характеристики электронно-лучевых установок

Разрешение зависит, в частности, от распределения интенсивности на краю луча еще до того, как он поглотится в резисте. Используются два типа пучков: гауссов пучок круглого сечения и пучок с квадратным или прямоугольным сечением. Для гауссова пучка пространственное разрешение d принимается равным ширине распределения интенсивности на полувысоте. Удовлетворительная точность передачи изображения получается, если величина d не превосходит по крайне мере 1/5 минимальной ширины линии. Таким образом, необходимо провести гораздо больше элементарных актов экспонирования, чем при использовании пучка квадратного сечения. Для такого пучка минимальная ширина линии рисунка равна размеру квадратного пятна. Для достижения одинакового разрешения ширина линии краевого спада распределения интенсивности (от 90 до 10%-ного уровня)должна быть равна полуширине гауссова луча. Ширина краевого спада квадратного 1,5 мкм луча составляет примерно 0.2 мкм.

Разрешение r должно превышать толщину резиста t, а точность совмещения должна быть лучше 1/5 разрешения. Для электронных пучков было достигнуто совмещение 0.1 мкм. В диапазоне энергий экспонирования 10-30 кэВ основным фактором, ограничивающим разрешение, является обратное рассеяние электронов от подложки. Использование гауссовых пучков или недостаточное перекрывание пятен может быть причиной появления неровностей на краю и размытости рисунка. С другой стороны, отсутствие обратного рассеяния от соседних экспонируемых элементов приводит к недоэкспонированию субмикронных изолированных линий. Узкие (<1 мкм) линии плохо экспонируются обратнорассеянными электронами по сравнению с широкими, поэтому для их качественного экспонирования требуется 2-3-кратное увеличение дозы или большее время проявления.

Близко расположенные элементы получают избыточную дозу из-за обратного рассеяния от соседних элементов (взаимный эффект близости), что вызывает сужение неэкспонированных участков. Если берется более тонкая кремниевая пластина для ослабления обратного рассеяния, то взаимный эффект близости практически не наблюдается. Вот основные методы ослабления взаимного эффекта близости:

а) коррекция дозы и размера пятна или применение мембран, протравленных с обратной стороны;

б) использование многослойного резиста с барьерным слоем из металла и толщиной чувствительного слоя 0.1-0.2 мкм;

в) использование электронных пучков с энергией 50-100 кэВ;

г) обработка верхнего слоя резиста (толщиной 100 нм), в котором сформировано изображение, кремний- или металло-держащим мономером и последующее сухое проявление;

д) использование высококонтрастных резистов.

Рис. 12. Распределение плотности поглощенной в резисте энергии и величины, используемые в определении контраста для ЭЛ-экспонирования

Для сравнения разрешающей способности фото- и электронно-лучевого экспонирования Стикел и Лангер предложили вместо МПФ использовать Скс-контраст краевого спада. В общем случае МПФ определяется как отношение разности максимальной и минимальной интенсивностей к их сумме. 60 %-ное значение МПФ принято считать приемлемым для литографического процесса, допускающего 25 %-ную засветку и соответствующее утоньшение после проявления областей резиста, не подлежавших экспонированию. Утоньшение резиста допускается при жидкостном травлении, но не при РИТ, в ходе которого может быть удалено до 50-% резистной пленки. 60 %-ное значение МПФ также предполагает использование фоторезиста с нелинейной характеристикой, обеспечивающей подавление нежелательной засветки:

Скс=(2/)arctg(W/E)МПФ, (21)

где W/E - наклон спада (рис. 12) от уровня 90 до 10 %.

Рис. 13. Краевой контраст для случаев УФ- и ЭЛ-экспонирования 0.5 мкм резиста на кремниевой пластине

Для сравнения на (рис. 13) показан зависимости краевого контраста от ширины линии в случаях экспонирования электронным лучем и УФ излучением (254 и 400 нм). Для того чтобы ширину краевого спада интенсивности, а, следовательно, и точность совмещения поддерживать на уровне четверти минимальной ширины линии, краевой контраст должен быть выше 70 % для электронно-лучевого и 83 % для оптического экспонирования.

Изображение такого же качества, какое обеспечивается при экспонировании 1 мкм лучом с постоянной или переменной формой сечения, можно получить лишь в системах экспонирования с когерентным источником ДУФ излучения (с учетом эффектов стоячих волн).

Для негативных резистов, слабо зависящих от скорости (длительности) появления, важен только краевой контраст поглощенной энергии; зависимость скорости проявления R от глубины Z, определяющая в конечном итоге профиль изображения, для позитивного резиста имеет вид:

dR/dZ=(dR/dE)(dE/dZ). (22)

Первый сомножитель правой части выражения (22) отражает взаимосвязь скорости растворения и поглощенной энергии E, а второй влияние краевого распределения E. Лишь при больших дозах, соответствующих максимальным значениям МПФ, влияние проявителя, зависящее от контраста и нелинейности резиста, мало. При умеренных же и малых дозах, проявитель существенно определяет форму профиля проявленного изображения. В случае тонкого резиста распределение поглощенной энергии можно считать однородным по глубине , но для резистных пленок толщиной более 1.5 мкм такое допущение неправомерно. В этом случае необходимо учитывать влияние процесса проявления, поскольку распределение поглощенной энергии в близи подложки определяет размеры проявленного элемента изображения. Сочетание низкоконтрастного резиста (=1-3) и электронного пучка с крутым краевым спадом интенсивности способно при умеренных дозах обеспечить такой же профиль изображения, как и высококонтрастный резист, при условии, что осуществляется очень жесткий контроль процесса.

Рис. 14. МПФ для ЭЛ-экспонирования на тонкой и толстой подложках

Устранение подложки (рис. 14) позволит избавиться от обратнорассеянных электронов, поскольку именно они снижают краевой контраст. С другой стороны, использование тонких резистных слоев, подобных тем, которые применяются в многослойных резистах, повышают МПФ и увеличивают разрешение ЭЛ систем. Применение многослойных резистов наиболее приемлемый способ ослабления эффектов близости и повышения разрешения. Другие технологические параметры ЭЛ-экспонирования, такие, как энергия экспонирования (кэВ), толщина резиста, температура сушки и тип проявителя, могут влиять на разрешающую способность и чувствительность позитивного резиста. В зависимости от дозы профиль стенок формируемого изображения может быть пологим или крутым. При больших дозах форма профиля изображения определяется пространственным распределением поглощенной дозы, тогда как при малых дозах формируется более пологий профиль, что обусловлено степенью активности проявителя в экспонированных и неэкспонированных областях.

2.3 Поглощение излучения высоких энергий

Поглощение излучения высоких энергий происходит в результате взаимодействия падающих лучей с электронами в атомах резиста или при столкновениях ядер в случае ионно-лучевого экспонирования. Электроны и рентгеновское излучение теряют энергию под действием фотоэффекта путем возбуждения атомных электронов. Электроны выбиваются из молекул резиста с кинетической энергией Е:

E=h-Q (23)

где Q- энергия связи электрона на его орбитали. Энергия кванта ионизирующего излучения h обычно превышает Q.

Электрон выбивается с орбитали с образованием положительного иона:

АВАВ++е (24)

При поглощении электронных пучков потери энергии электронов на торможение в твердом теле описываются соотношением Бете, полученным в приближении непрерывных потерь:

-dЕ/dS=7.9*104Z/E*ln(2E/j) [кэВ/см] (25),

где Z- средний атомный номер, j- средний потенциал ионизации и S- длина пробега электрона, которая для обратно рассеянных электронов с энергией > 1 кэВ может иметь величину порядка несколько микрометров. Поскольку больная часть падающих электронов остается в подложке, то чувствительность резиста и форма профиля изображения зависят от материала подложки.

2.4 Производительность систем ЭЛ экспонирования

Наряду с высоким разрешением достигнута приемлемая производитель-ность систем ЭЛ экспонирования. Важнейшие факторы, определяющие ее, приведены в табл 2. Стоимость ЭЛ экспонирования одной пластины по сравнению с оптическими оказывается примерно на порядок выше, что, однако, оправдывается возможностью перенастройки (поскольку не требуются фото шаблоны) и в тех случаях, когда для изготовления кристалла ИС необходимо многократное экспонирование.

Таблица 2. Факторы, определяющие производительность ЭЛ-экспонирования

Сечение луча (круглое, квадратное, переменной формы)
Плотность тока луча и его диаметр
Чувствительность резиста
Коррекция эффектов близости (доза, размер пятен)
Ожидание (перемещение и совмещение)

Размер кристалла и пластины
Плотность топологии
Тип сканирования (растровая либо векторная)
Нижний предел дозы, определяемый шумами (статический предел дозы)

Из-за аберраций и электрон-электронных взаимодействий, ток луча приходится понижать при экспонировании наименьших пятен (рис. 15), что ведет к увеличению времени экспонирования изображений с субмикронными элементами.

Время экспонирования t определяется выражением:

t=D/I[A/cm2], (23)

где доза D, требующаяся для экспонирования, находится в пределах от 1 мКл/см2 до 1 мкКл/см2.

Рис. 15. Зависимость между током электронного пучка и его диаметром

Время экспонирования единич-ного пятна от нескольких микро-секунд до 0.1 с типичны для систем с катодами как из вольфрама, так и гексаборида лантана (плотность тока эмиссии 0.1-50 А/см2). В автоэмиссионных катодах можно достичь плотность тока 106 А/см2, но они не достаточно стабильны. Электронно-оптические аберрации и эффекты объемного заряда не позволяют сфокусировать в пятно нанометрового размера весь ток источника (106 А/см2), вынуждая экспонировать пятна, площадь которых в 102-104 раз больше. В пятне как 1 мкм, так и 1 нм размера поддерживается примерно одинаковая плотность тока (1-100 А/см2) и соответственно требуется приблизительно равное время экспонирования пятна.

Нанолитография сталкивается со статическими проблемами при формировании дозы в нанометровом пятне. К примеру, располагая лучем (пятном) диаметром 100 нм, для повышения производительности желательно было бы использовать более чувствительный резист, а для увеличения разрешения сделать его по возможности тонким (порядка 100 нм).

Вследствие статической природы явления электронной эмиссии минимальное число электронов Nm, необходимое для экспонирования пятна, ограничено снизу пределом допустимого дробового шума (рис. 16) и составляет примерно 200 электронов. Лимитирующая доза определяется выражением

D= Nme/(линейный размер)2 (26)

Рис. 16. Статический шумовой предел дозы ЭЛ-экспонирования, необходимой для формирования элементов нанометровых размеров

Повышенные дозы, требуемые в нанолитографии, приводят к непомерно большому времени экспонирования, если не использовать автоэмиссионные катод либо резисты способные к усилению изображения, чувстви-тельностью около 0.01 мкКл/см2. К тому же в электронной оптике, схематехнике, в позиционирова-нии пучка и т.д. существуют фундаментальные физические ограничения на размер экспонируемой области, дозу, время облучения, рабочее поле. Эти факторы наряду с упомянутыми выше требованиями к интенсивности пучка и его краевому спаду устанавливают производительность на уровне 1-10 пластин в час (100-150 - мм пластины) для наиболее быстродействующих ЭЛ установок с лучем переменной формы.

2.5 Радиационные резисты

Главные задачи взаимодействия резиста с экспонирующим оборудованием состоят в обеспечении:

1) высокой чувствительности для приемлемой производительности;

2) высокого разрешения для формирования субмикронных изображений.

Кроме выполнения этих первоочередных задач, резистная маска должна иметь хорошую стойкость на этапе переноса изображения.

Снижение требуемой дозы при использовании источников излучения высокой энергии с уменьшением размера изображения (пятна или сечения пучка) приводит к дилемме статистического характера. Поскольку источник испускает частицы с высокой энергией из эмиттера случайным образом, то число 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 0.10.1 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.

2.6 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.

Рис. 17. Формирование отдельной линии при прикрытии гауссовых лучей

Другой тип установок с гауссовым лучом работает в режиме векторного сканирования. Электронный луч адресуется только в области, подлежащие экспонированию (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)

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).



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.

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

2.7 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:

...