Глава 7. Элионные методы литографических процессов

Процессы литографии при изготовлении ИС достигли в настоящее время высокой степени совершенства. До недавнего времени широко применялась фотолитография (ФЛ), которая, к сожалению, уже достигла предела линии в 0,81 мкм. Поскольку основной концепцией микроэлектроники является дальнейшее уменьшение элементов и компонентов ИС, то вполне понятно, что для достижения указанной цели необходимо переходить к другим методам облучения резистов, используя частицы и кванты с меньшей дебройлевской длиной волны. Для этого используют электроны, протоны, ионы, другие частицы, рентгеновские кванты.

Все эти методы объединяются под одним общим названием – элионная литография.

Элионная литография позволяет расширить пределы методов литографии за счет более высокой разрешающей способности. Кроме того, за счет уменьшения длин волн по сравнению с ФЛ в элионной литографии пренебрежимо малы дифракционные и интерференционные эффекты.

7.1. Электронно-лучевая литография

Известны две принципиально различные системы электронно-лучевой литографии (ЭЛЛ): проекционная и сканирующая.

Проекционная электронно-лучевая литография

Для производства ИС разработаны и успешно применяются два типа проекционных систем:

• с сохранением размеров изображения;

• с уменьшением (или редуктированием) размеров изображения.

В системах первого типа используется фотокатод, маскируемый тонким металлическим рисунком. Фотоэлектроны, эмитируемые катодом перед попаданием на образец (анод), ускоряются приложенным между катодом и образцом напряжением (~20 кВ). Однородное магнитное поле фокусирует эти электроны на образец без изменения размеров изображения. Погрешность размещения изображения в этом случае составляет ~ 0,1 мкм. Теоретическая оценка минимальной ширины линии дает для этой системы значение примерно 0,5–1 мкм.

Основным жестким требованием при проецировании является плоскостность пластины ИС, поскольку эта пластина является частью системы формирования изображения, и в случае неплоскостности происходят сильные искажения ″снимка″. Поэтому для выполнения данного требования осуществляется дополнительный электростатический прижим пластины.

Еще один источник погрешностей возникает из-за того, что рассеянные образцом электроны ускоряются и вновь попадают на пластину, что приводит к появлению фона, снижающего эффективную контрастность изображения.

Проекционная система редукционного типа представляет собой электронно-оптическую разновидность проекционной оптической системы. Специальное электронно-оптическое устройство освещает свободно подвешенную маску и формирует ее резко уменьшенное изображение на пластине. При десятикратном уменьшении диаметр обрабатываемого поля составляет 3 мм, а минимальная ширина линии – 0,25 мкм. Основным недостатком данной системы является необходимость изготовления высокоточных масок.

Сканирующая электронно-лучевая литография

Сканирующая ЭЛЛ является методом непосредственного вычерчивания электронным лучом рисунка ИМС с высокой разрешающей способностью. Ходом луча управляет ЭВМ. Заметим, что сканирующие системы менее производительны, чем проекционные. Выбор того или иного метода ЭЛЛ зависит только от требований, предъявляемых к размерам ИС и от экономических показателей процесса.

Технология электронно-лучевой литографии

Целью электронно-лучевой литографии является изготовление шаблона или непосредственное получение рисунка на пластине из полупроводникового или другого материала. В случае, когда для создания ИС требуется всего один литографический процесс (например, для изготовления ПЗС-матриц), целесообразнее использовать прямое сканирование луча по пластине, покрытой резистом. Если же необходимо применять несколько литографий для формирования структуры ИС, то обычно используются шаблоны, изготовленные электронным методом. Обычно рисунки экспонируются через такие шаблоны, либо электронным пучком, либо пучком рентгеновского излучения, либо светом ультрафиолетового диапазона. В принципе процесс ЭЛЛ аналогичен технологическому процессу обычной фотолитографии. Разница заключается в том, что экспонирование светом заменяется экспонированием электронным лучом во всех операциях. Резисты наносятся теми же способами, что и в ФЛ: в основном центрифугированием или же пульверизацией.

Особенность электронно-лучевой литографии состоит в технике и режимах экспонирования, природе резиста, а также в методах и условиях травления резиста. Поэтому наиболее важными операциями являются экспонирование и травление.

Производительность систем со сканирующим электронным лучом зависит от скоростей вычерчивания рисунка и движения стола, на котором фиксирована пластина-заготовка. Время вычерчивания рисунка определяется выражением: ,где n – число ″адресов″ для электронного луча на данной структуре; f – частота шагов.

Частота шагов зависит как от быстродействия отклоняющей системы, так и от совместного влияния плотности тока луча и чувствительности резиста. В свою очередь быстродействие отклоняющей системы определяется шириной полосы частот и шумовыми характеристиками, скоростью цифроаналогового преобразования, полным сопротивлением отклоняющей системы и др. Частота шагов, плотность тока луча и чувствительность резиста связаны соотношением: , где f – частота шагов; j_л – плотность тока; χ – чувствительность резиста.

Плотность тока луча зависит от таких параметров электронно-оптической системы, как яркость электронной пушки, аберрации линз и отклоняющей системы, эффектов взаимодействия между электронами в луче.

Недостаточное быстродействие отклоняющей системы пока является основной причиной малой скорости вычерчивания рисунка. Кроме того, не достигла предельных возможностей и чувствительность резистов. Тем не менее, производительность технологических процессов ЭЛЛ не уступает ФЛ при значительно большей разрешающей способности. Следует также отметить, что сканирующая ЭЛЛ пока дороже в производстве, чем ФЛ.