Данилина Т.И., Смирнова К.И. и др. Процессы Микро и Нанотехнологии

Подождите немного. Документ загружается.

Рис.3.2. Рассеяние пучка электронов в слое электронорезиста и

подложке:

1 - первичный пучок электронов; 2 - слой электронорезиста; 3 -

подложка; 4 - область прямого и обратного рассеяния электронов;

d диаметр падающего пучка электронов.

Разрешающая способность электронной литографии определяется

диаметром электронного луча и его уширением в слое резиста при

экспонировании. При непосредственном формировании рисунка ост-

росфокусированным электронным лучом минимальный размер экспо-

нируемой линии, т.е. разрешающая способность, оценивается

minmin

ydb D+=

где d

min

- минимальный диаметр электронного луча при оптимальном

значении угла сходимости;

y - уширение электронного луча в слое резиста.

Методика расчетов d

min

y приводится в /6/. Для обеспечения

требуемого размера элементов b

min

определяется d

min

при рассчитанном

уширении

y. Суммарное уширение складывается из

за счет упру-

гого рассеяния и

отр

за счет вторичных электронов, отраженных от

подложки. Обычно

меньше

отр

и его в оценочных расчетах мож-

но не учитывать, т.е.

minmin отр

ybd D-=

В расчетах

отр

все данные для электронорезиста ПММА выби-

раются из /6/.

Минимальный диаметр электронного луча рассчитывается в /6/

при оптимальном значении угла сходимости.

Ограничения электронно-лучевой литографии связаны с материа-

лом резиста, электронным лучом и системой управления электронно-

лучевой установки. Попадающий на мишень электронный луч создает

заряд

S , равный произведению плотности тока на время экспониро-

вания. Полезное действие луча на поверхность мишени можно выра-

зить через число электронов, приходящихся на единицу площади, ко-

торые необходимы для получения нужного эффекта. Время, необхо-

димое для экспонирования пятна диаметром d лучом с плотностью

тока

j на поверхности мишени, равно

t = Например, чтобы экс-

понировать резист с =

108

× Кл/

см

требуется

электро-

нов, т.е.

105× электрон/

см

. Чем меньше значение ,

S тем выше

чувствительность резиста, т.е. для достижения нужного эффекта в ре-

зисте требуется меньшее число электронов. Для резиста с

Кл/

см

требуется для обработки элемента разложения площадью

1,01,0

см

число электронов

= т.е.

106 × элетро-

нов. Однако, если

01,001,0

мкм

, то для того же резиста

6,0»

N электрона.

Для полной уверенности, что резист экспонирован должным об-

разом, минимальное число электронов, которые определенно попада-

ют на данный участок, составляет .200

min

=N Поэтому в областях с

малыми размерами минимальная ширина линии

min

b связана с дозой

выражением

()

min

= .

Из выражения видно, что очень чувствительные резисты не пригодны

для формирования структур с высокой разрешающей способностью,

если только на область с малыми размерами не попадает число элек-

тронов, существенно большее минимального.

Помимо ограничений, налагаемых чувствительностью и реальной

разрешающей способностью резиста, существует ряд ограничений,

связанных с электронно-лучевой установкой. Зависимость плотности

тока луча и, следовательно, времени экспонирования от параметров

электронно-оптической системы можно описать уравнением

94,1

min

опт

××

где -

S чувствительность фоторезиста;

опт

j плотность тока луча при оптимальном значении угла схо-

димости;

C коэффициент сферической аберрации электронно-

оптической линзы;

min

d минимальный диаметр электронного луча при оптималь-

ном значении угла сходимости;

яркость электронной пушки.

Из уравнения видно, что для получения заданной ширины линии

можно уменьшать t, варьируя чувствительность резиста ,

S яркость

источника B или коэффициент сферической аберрации линзы

C Время экспонирования больших участков равно ,tnT

где n —

полное число приходящихся на данный участок элементов разложе-

ния.

Таким образом, существуют четыре независимые соотношения,

определяющие связь времени экспонирования элемента разложения с

параметрами луча или свойствами резиста. Эти соотношения включа-

ют основные параметры — плотность тока луча, ширину линий, диа-

метр луча и чувствительность резиста. Фактически необходимое время

экспонирования определяют путем совместного решения этих четырех

уравнений [6].

Основное преимущество электронно-лучевой литографии со-

стоит в повышении разрешающей способности, однако, существуют

некоторые другие выигрышные факторы технического и экономиче-

ского характера. Так, возможно ускорение изготовления шаблонов для

фотолитографии с размерами элементов рисунка 1–5 мкм. Цикл изго-

товления шаблона может составить всего 1–2 дня по сравнению с ше-

стью неделями, которые обычно тратятся на вычерчивание, фотогра-

фирование с уменьшением, мультиплицирование и т.д. Возможность

создавать рисунки с высокой разрешающей способностью методом

последовательного электронно-лучевого экспонирования позволяет

решить проблемы, обусловленные искривлением (неплоскостностью)

пластин. Применение электронно-лучевой литографии позволяет

улучшить воспроизводимость ширины линий, точность размещения

элементов рисунка и точность совмещения нового рисунка с ранее

сформированными на пластине элементами, что весьма важно для уве-

личения плотности размещения компонентов в СБИС. Многие из дос-

тоинств обусловлены тем, что движение электронного луча програм-

мируется и управляется с помощью ЭВМ. Возможность создания то-

пологических рисунков с помощью ЭВМ и изменения их путем про-

стой модификации программ может сделать малосерийное производ-

ство интегральных схем более экономичным.

3.2. Рентгеновская литография

При рентгенолитографии изображение на полупроводниковую

подложку переносится с шаблона, называемого рентгеношаблоном, с

помощью мягкого рентгеновского излучения, длина волны которого

25,0

нм.

В настоящее время рентгенолитография не нашла широкого при-

менения в серийном производстве полупроводниковых приборов и

ИМС из-за сложности технологии и используемого оборудования. Для

реализации рентгенолитографии необходимы:

мощный источник рентгеновского излучения с малой расходимо-

стью пучка;

рентгеношаблоны, обладающие высокой прочностью, контраст-

ностью и малым температурным коэффициентом линейного расшире-

ния;

рентгенорезисты высокой разрешающей способности и чувстви-

тельности.

При экспонировании на специальной рентгеновской установке с

вращающейся мишенью (рис.3.3) вращение мишени обеспечивает бо-

лее эффективное ее охлаждение и позволяет направлять на нее более

плотный электронный пучок, что повышает интенсивность рентгенов-

ского излучения и сокращает время экспонирования. Поток электронов

из электронной пушки 5 фокусируется на поверхности мишени 6.

Рентгеновское излучение 4 выводится через окно 3 вакуумной камеры

7 и проходит через рентгеношаблон 2 на пластину 1, покрытую рент-

генорезистом. Экспонирование, таким образом, производится широ-

ким расходящимся пучком при неподвижных шаблоне и пластине.

Для предотвращения испарения материала мишени и улучшения

условий теплоотвода вакуумную камеру заполняют гелием (~1,3 Па),

слабо поглощающим рентгеновское излучение.

Материал и толщина вакуумного окна должны быть подобраны

так, чтобы не происходило заметного поглощения рентгеновского из-

лучения. Этому требованию отвечает бериллий толщиной 20-30 мкм и

некоторые другие материалы.

В отличие от фотолитографии, где экспонирование производится

широкими коллимированными световыми пучками, рентгенолитогра-

фия не располагает соответствующей "оптикой" и экспонирование на

рентгеновских установках приходится выполнять в пучках с большим

углом расходимости. При наличии зазора между шаблоном и подлож-

кой это приводит к искажению размеров и смещению элементов ри-

сунка, передаваемого в слой резиста. Максимальное смещение элемен-

та возникает на периферии пластины и равно ).2/(

max

RSD=D Кроме

того, конечные размеры пятна на поверхности мишени из-за низкой

степени фокусировки снижают контрастность изображения в слое ре-

зиста. Размытость изображения, т.е. ширина зоны полутени по контуру

Рис. 3.3. Схема экспонирования на рентгеновской установке с

вращающейся мишенью.

элемента,

./ RSd

Удовлетворительные результаты получают при

мм,

мкм и

см.

Плотность потока рентгеновских лучей, падающих на подложку,

обратно пропорциональна расстоянию от их источника. Поэтому это

расстояние, чтобы уменьшить время экспонирования, с одной сторо-

ны, должно быть небольшим, а с другой, для уменьшения размытости

изображения из-за расходимости рентгеновского луча ¾ большим.

Для изготовления подложек обычно используют кремний и его

соединения, а в качестве поглощающего материала - золото.

Этапы изготовления рентгеновского шаблона показаны на

рис.3.4. Пластину кремния ориентации (100) n- или p-типа проводимо-

сти подвергают химико-механическому полированию с рабочей сто-

роны и химическому полированию с обратной стороны до толщины

200 мкм. На рабочую сторону плазмохимическим методом при 800

в среде азота наносят слой Si

толщиной 0,5 мкм и на него - защит-

ный слой SiO

толщиной 0,2 мкм. Пластину термически окисляют с

обратной стороны для выращивания пленки SiO

толщиной 0,5 мкм.

Обе стороны пластины покрывают фоторезистом, и на обратной сто-

роне пластины в слое SiO

формируют окно. После удаления фоторе-

зиста на рабочую поверхность методом вакуумного напыления нано-

сят пленки хрома толщиной 0,005 мкм и золота толщиной 0,02 мкм

(хром является адгезионным подслоем для золота, а золото - основой

для рентгеновской маски), а затем ее покрывают электронорезистом и

подвергают электронно-лучевому экспонированию для формирования

рисунка. На следующем этапе на сформированный рисунок маски

электролитическим методом осаждают слой золота толщиной 1 мкм.

После удаления электронорезиста обратную сторону пластины травят

в селективном травителе до пленки Si

. Двухслойная мембрана

-SiO

прозрачна не только для рентгеновского излучения, но и

для видимого, что позволяет оптически совмещать маску с подложкой.

Рис.3.4. Этапы изготовления рентгеновского шаблона на основе

мембраны SiO

-Si

: 1 - кремний (100); 2 - слой нитрида кремния; 3,4

- слой оксида кремния; 5 - пленка хрома; 6 - пленка золота; 7 - отдель-

ные участки фоторезиста

При рентгенолитографии шаблон помещают в установку экспо-

нирования рентгеновскими лучами, где происходит перенос топологии

шаблона на подложку.

3.3. Ионная литография

При ионной литографии сохраняются принципы формирования

изображения элементов, применяемые при электронно-лучевой лито-

графии, но вместо пучка электронов используется ионный пучок. Раз-

решающая способность ионной литографии 0,1-0,2 мкм.

Ионная литография обладает рядом достоинств, которые обу-

словлены особенностями взаимодействия ионов с материалом резиста.

П е р в о е д о с т о и н с т в о состоит в том, что ионы, обладая

значительно большей массой, чем электроны, активно взаимодейству-

ют с материалом резиста, следовательно, больше тормозятся и имеют

малый пробег, а значит и меньше, чем электроны, рассеиваются. Та-

ким образом, эффект близости при ионной литографии проявляется

незначительно, что обусловливает ее высокую разрешающую способ-

ность.

В т о р о е д о с т о и н с т в о связано с сильным поглощением

ионов, поэтому перенос изображения можно проводить при меньших,

чем при электронолитографии, дозах.

Кроме того, пучком ионов можно непосредственно локально ле-

гировать структуру ИМС, т.е. формировать им соответствующие

структурные области (базы, эмиттеры, стоки, истоки и др.). При этом

пользуются узким прямоугольным пучком переменной формы, кото-

рым непосредственно сканируют соответствующие области или обра-

батывают их широким пучком через трафаретный шаблон. Остальные

элементы этих установок такие же, как в установках электронно-

лучевой литографии.

Таким образом, при формировании структур ИМС узким пучком

процесс литографии в обычном понимании заменяется процессом раз-

мерного легирования, называемым имплантографией.

Основными элементами установок ионной литографии, создание

которых вызывает наибольшие трудности, являются источники ионов

и системы фокусировки и развертки ионных пучков.

Источник ионов должен обеспечивать формирование ионного

пучка необходимой энергии и высокой плотности тока. Энергией ио-

нов, как и при ионном легировании, определяется глубина их проник-

новения в подложки.

Для определения минимального диаметра сфокусированного

ионного пучка можно воспользоваться соотношением

8/3

3/2

min

×=

где

яркость ионного источника, А/(м

×ср);

I сила тока луча, А;

C коэффициент сферической аберрации фокусирующей систе-

мы, м.

Яркость ионного источника

определяется плотностью тока

эмиссии ионов, их энергией

и разбросом ионов по энергиям

(немоноэнергетичностью). В основном величина

определяет

среднюю поперечную скорость ионов, которая и препятствует увели-

чению плотности ионного тока пучка, заключенного в данном телес-

ном угле. В существующих источниках протонов

и ионов гелия

He яркость невысока

10210 ×-=B А/(м

×ср). При требуемой

силе тока ионного луча )1010(

109

-»I А минимальный диаметр

составляет 3-5 мкм. Значительно лучшие результаты получены для

жидкостных источников тяжелых ионов олова и галлия, у которых

10³B А/(м

×ср). С помощью таких источников удается сформиро-

вать ионный луч, у которого диаметр луча менее 0,1 мкм.

В настоящее время развиваются два направления разработки

мощных ионных источников: с ионизацией паров жидких металлов

или газа в сильном электрическом поле. Ионизация в этих источниках

происходит вблизи острия электрода, на который подается потенциал.

При напряженности электрического поля до 10

-10

В/см в него вво-

дится капля расплавленного металла на подогреваемом электроде или

газ. В сильном поле ионы вырываются из жидкометаллической фазы

или газ, находящийся вблизи острия, притягивается к нему и ионизи-

руется. Образовавшиеся ионы вытягиваются из области ионизации

системой электродов и ускоряются до заданной энергии.

В последнее время созданы и исследуются возможности приме-

нения источников ионов H, He, Ar, Ga, Au, In, Si, Al, Ge. Можно пред-

полагать, что процессы имплантографии займут ведущее место в ав-

томатизированных технологических системах создания СБИС.

4. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПЛЕНОЧНОЙ

МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ

4.1. Термическое испарение в вакууме

4.1.1. Вакуумные напылительные установки

Суть метода заключается в нагреве вещества до температуры ис-

парения, его испарении и последующей конденсации в вакууме на

подложке. Получение пленок возможно только при низких давлениях

в вакуумных установках. Схема установки показана на рис.4.1.

Рис. 4.1. Схема установки вакуумного напыления

1 - испаритель; 2 - подложка; 3 - рабочая камера; 4 - заслонка;

5 - затвор; 6 - высоковакуумный насос; 7 - форбаллон;

8,9 - вакуумные вентили; 10 - форвакуумный насос

В условиях высокого вакуума материал, помещенный в испари-

тель 1, разогревается и испаряется, в результате чего молекулы веще-

ства движутся к подложке 2, где они конденсируются, образуя пленку.

Процесс осуществляется внутри камеры 3, связанной с непрерывно

работающей системой откачки воздуха.

Вакуумная система состоит из высоковакуумного паромасляного

насоса 6 и механического насоса 10. Подключение насосов к рабочей