книги / Методы повышения параметров БИС

мым чаще всего на обрабатываемую поверхность пластины (если для совмещения используется второй электронный луч, то метка наносится на обратной стороне пластины). Положение юстировочных знаков регистрируется по сигналу адсорбированных или отраженных электронов, по вторично-эмиссионному току и т. д. Момент пересечения знака электронным пучком фиксируется соответствующим детектором электронов, устанавливаемым вблизи пластины. Котировочные знаки, как правило, размеща­ ются на каждом поле сканирования. Если юстировочный знак на­ ходится за пределами поля, его периодически выводят в поле сканирования быстрым перемещением стола.

В большинстве случаев котировочные знаки представляют со­ бой прямоугольники или кресты из элемента с большим атом­ ным номером, чем у элемента, из которого выполнен подслой (ббычло из золота, платины, тантала), а также рельефные струк­ туры (вытравленные в кремнии полоски, V-образные канавки, ступеньки в слое S i02).

Широко используемые аналоговые методы усиления и обра­ ботки сигналов и ручного совмещения не обеспечивают требуе­ мой для субмикронной электронолитографии точности (погреш­ ность совмещения должна быть 0,05...0,1 мкм). Поэтому наме­ тился переход к автоматизированным системам совмещения и более прогрессивным методам обработки сигналов (цифровым, спектральным и корреляционным, с помощью микропроцессо­ ров).

Основными ограничениями метода последовательной электро­ нолитографии являются низкая производительность, определяе­ мая временем вычерчивания рисунка, совмещения фрагментов ри­ сунка и перемещение стола. Время вычерчивания рисунка, завися­ щее от отношения числа адресов для луча к частоте шагов, мо-. жет быть сокращено за счет повышения плотности тока в луче, использования более чувствительных резистов и увеличения ^быстродействия управляющей системы. Производительность процесса экспонирования может быть повышена также за счет оптимизации математического обеспечения. Например, если в. случае круглой пластины исключить экспонирование модулей, расположенных по углам квадрата со стороной, равной ее диа­ метру, то затраты времени на экспонирование снижаются на 30 %. Время экспонирования рисунка сокращается и в том слу­ чае, если для вычерчивания контуров используется луч с малым сечением, а для экспонирования внутренних участков рисунка - луч с большим сечением.

Одним из путей повышения эффективности процесса электро­ нолитографии является использование многолучевых установок,

'9 1

в которых сочетаются преимущества групповой обработки с вы­ соким разрешением и большой глубиной резкости электронного луча.

Проекционная электронолитография по сравнению с последо­ вательной значительно сокращает время экспонирования рисунка при незначительном уменьшении разрешающей способности. При проекционной электронолитография широкий пучок электронов проходит через шаблон и воспроизводит его изображение на пок­ рытой слоем резиста пластине. Существуют два варианта элект­ ронно-лучевых проекционных систем: с сохранением размеров шаблона и редукционные.

В проекционных системах с сохранением размеров использу­ ется перенос изображения с катода, эмиттирующая поверхность которого является тем оригиналом, который нужно воспроиз­ вести на обрабатываемой поверхности (рис. 43).

Чаще всего в качестве эмиттирующего шаблона используется фотокатод, маскируемый тонким металлическим рисунком. Фо­ тоэлектроны, эмиттируемые фотокатодом при освещении его ультрафиолетовым излучением, после ускорения однородным Электрическим полем фокусируются однородным магнитным полем на пластине с увеличением 1:1 [137].

Наиболее подходящим материалом для изготовления преци­ зионных эмиттирующих рисунков признан палладиевый фото­ электронный катод в сочетании с маской из двуокиси титана,

возбуждаемый излучением с X = 253 нм (резонансная линия ртут­ ной лампы низкого давления).'Применяется также катод из иодида цезия, эмиттирующий электроны под действием УФ-излу- чения с X = 184,9 нм. Он имеет большой срок службы и высокую сопротивляемость к отравлению, обеспечивает при ускоряющем напряжении 20 кВ плотность тока эмиссии около 10“5 А/см1.

Экспонируемая пластина является одним из элементов элект* ронноюптичейкой системы проекционной установки — анодом, поэтому от ее плоскостности зависит качество изображения. Именно допустимая степень искажения изображений и опреде­ ляет требования к плоскости пластины. Размеры ее.принципиально могут быть любыми.

Разрешающая способность такой установки, определяемая распределением испускаемых электронов по энергиям (которое определяет и глубину фокусировки) и оптической дифракцией ионизирующего УФ-излучения, оценивается величшюй 50 нм. На практике разрешающая способность ограничивается эффектом близости, обусловленным рассеянием электронов в резисте й подложке, и эффектом обратного рассеяния, происходящим под действием электрического поля, возвращающего рассеянные

92

	Магнитное полег	Злектронный	Отражение
		пучок	электрическим
			п о л е м

Рис. 43. Электронно-лучевая про­ екционная система с сохранени­ ем размера изображения:

1 —кварцевая пластина; 2 - пог­ лощающий слой хрома; 3 - цезие­ вый фотокагод; 4 - резист; 5 - кремниевая пластина; 6 - детек­ торы рентгеновского излучения

	^ste-йеа И				В
	/	\		1
			/	L	/ i
/ / /	1 \ \ \ \	\	1
______ / / П	\ \ \ w	\	|

%Первое рассеяние Второерассеяние

Рис. 44. Схематическое изображение рассеяния первичных электронов в резисте и подложке (слева) и обрат­ ного рассеяния под действием элект­ рического поля (справа) в проекци­ онной системе с сохранением размера изображения:

1 - резист; 2 - подложка

электроны к подложке. Первый эффект проявляется на рассто­ янии нескольких микрометров, второй —несколько миллимет­ ров (рис. 44).

Для проекционных установок радиус пятна рассеяния рассчи­ тывают по формуле

где Е0 - энергия эмиттированных электронов, эВ; U }d- напря­ женность электрического поля, В/см [155].

Эффект близости может быть ослаблен путем повышения ра­ бочего напряжения (например, до 50 кэВ), путем использования многослойных резистов или изменением размеров элементов на шаблоне [137]. Для размеров менее 04 мкм рекомендуют при­ менять двухтоновые маски, позволяющие осуществлять разные уровни экспонирования для малых и больших размеров (для малых размеров применяют более светлую маску); для разме­ ров между 0,5 и 1 мкм —двухтоновую маску, обеспечивающую одинаковый уровень экспозиции для всех элементов, за исклю-

[ чением изолированных. Чтобы уменьшить влияние обратных электронов, возвращаемых полем на пластину, необходимо использовать шаблоны с относительной прозрачностью свыше 50% [154].

Для компенсации искажений, вызванных технологической об­ работкой, применяется коррекция искажения изображения на

93

этапе совмещения. Неоднородность магнитных полей при пра­ вильной конструкции системы не превышает 0,1 мкм, а искаже­ ния эа счет краевых эффектов можно сделать одинаковыми дня всех экспозиций, если обеспечить прижатие пластины к большой плоской поверхности, например, с помощью электростатическо­ го присоса.

Сложность совмещения рисунка с ранее сформированным изображением считается одним из основных недостатков метода. Неоднородности фокусирующего и отклоняющего магнитных полей, краевые эффекты на периферии шаблона и у держателей пластины, изгиб пластины при ее технологической обработке создают искажения. Поэтому необходимо контролировать сов­ мещение не только в местах расположения юстировочных зна­ ков, но и по всей пластине.

Одним из методов электронного совмещения является совме­ щение метки фотокатода с такой же меткой на пластине, нане­ сенной при первичной обработке. Во время процедуры совмеще­ ния фотокатод маскируется так, что освещенными остаются толь­ ко метки. Информацию о положении пластины можно получить, определяя интенсивность характеристического рентгеновского излучения от меток при их облучении, измеряя зависящий от толщины облучаемой области ток индуцированной проводимо­ сти (метка вытравливается в слое двуокиси кремния).

Редукционная система представляет собой электронно-опти­ ческий аналог проекционной оптической камеры с уменьшением изображения (рис. 45, а) [159]. Основной принцип ее работы зак­ лючается в том, что специальная электронно-оптическая система облучает свободно подвешенную маску из фольги и образует сильно уменьшенное ее изображение на пластине. Размер поля обработки обычно ограничен несколькими миллиметрами, и для экспонирования очередного участка производится шаговое пере­ мещение с помощью стола. Достоинствами данной системы явля­ ется большая глубина резкости (до 1 мм), кратковременность экспонирования (до десятых долей секунды), возможность ис­ пользования масок сразмерами элементов в десятки микрометров.

иполучения уменьшенного в десятки и сотни раз изображения.

Впроекционных системах редукционного типа для совмеще­ ния используют сканирующий режим работы, при котором осве­ щающий л.,гч фокусируют на маске и производят его сканирова­ ние. При этом изображение сфокусированного луча сканирует пластину. Определение положения изображения и его корректи­ ровка осуществляются по сигналам вторичных и обратно рассе­ янных электронов (рис. 45, б).

Получены экспериментальные данные о возможности реализа­ ции „контактной” электронной литографии через контактную

94

Рис. 45. Электронно­ лучевая редукцион­ ная система в режи­ мах экспонирования пластины (о) и сов­ мещения- (б):

I -электронная душ­ ка; 2 - электроды гашения' луча; 3 — конденсорная линза; 4 «- конденсорная линза; 5 — конден­ сорная линза; б — маска; 7 —проекци­ онная линза; 8 - апертура и катушки совмещения; 9 — проекционная линза; W —пластина

а

б

маску-шабдон (120]. Пучок электронов может быть остросфокусированным сканирующим или широким, как в электронно­ оптических системах просвечивающего типа. Данный метод поз­ воляет воспроизводить рисунки субмикронных размеров.

24. РЕНТГЕНОЛИТОГРАФИЯ

В последние годы все большее внимание технологов привле­ кает метод рентгенолитографии как весьма перспективный для изготовления СБИС с размерами элементов 1 мкм и меньше.

Воснове метода лежит использование для переноса изображений

сшаблона на резист излучения с длиной волны Л = 0,2...5 нм, При котором не возникают проблемы, связанные с отражением

ирассеянием [17,97].

Достоинствами рентгенолитографии являются высокая разре­ шающая способность (< 0,1 мкм), большая глубина резкости изображения, нечувствительность к частицам пыли и другим заг­ рязнениям, а также то, что для проведения процесса не нужен вакуум.

Рентгенолучевая система напоминает обычную систему для ультрафиолетовой фотолитографии, включающую источник излу­ чения, шаблон и пластину, покрытую резистом (рис. 46) [17].Ис­ пускаемое источником, помещенным в вакуумной камере, рент­ геновское излучение проходит в камеру образца через окно из слабопоглощающего материала. С целью предотвращения ослаб-

95

Рис. 47. Зависимость коэффициента поглощения различных материалов от длины волны рентгеновского излучения _

пения излучения камера для экспонирования наполняется гвлием при нормальном давлении или откачивается до вакуума 1,33 Па. В ней размещены шаблоны из прозрачного для рентге­ новского излучения материала с рисунком из сильнопоглощающего материала. Обычно, чтобы не повредить шаблон или пласти­ ну, их располагают на некотором расстоянии друг от друга (3..:25 мкм). Существуют, однако, системы, в которых с целью уменьшения геометрических искажений при формировании ри­ сунка используются конформные шаблоны, находящиеся в непо­ средственном контакте с пластиной. Разрабатываются также многолучевые рентгенолитографические установки с мультипли­ цированием рисунков.

Для выполнения вакуумных окон применяются Be, Si, майлар, отличающиеся достаточной вакуумной плотностью и проз­ рачностью в используемом для литографии диапазоне рентгенов­ скою излучения (рис. 47) [97]. Как видно из рисунка, Si имеет ска­ чок поглощения при X = 0,674 нм и поэтому его применимость ограничивается диапазоном более длинных волн. Лучшими ха­ рактеристиками обладает Be, у которого отсутствуют скачки поглощения при X < 5 нм, а прозрачность выше, чем у Si.

Источник излучения должен иметь такие параметры, при ко­ торых обеспечивались бы условия минимальных потерь потока

96

излучения на пути от источника до резиста и большого поглощения в резисте при сохранении требований высокого разрешения н контрастности, необходимых для получения изображения с субмикронными размерами элементов.

В рентгенолитографии источником рентгеновского излучения служат как традиционные рентгеновские трубки, в которых дйя генерирования излучения используется электронная бомбарди­ ровка Си-, А1-, Si-, Mo-, Rh-, Pd-, С-мишени, так и кольцевые накопители и синхротроны. Разрабатываются также источники, в которых рентгеновское излучение генерируется при нагреве ми­ шени до температуры выше 10®°Свспышкой лазера или при горе­ нии искрового разряда, в который для усиления интенсивности рентгеновских лучей инжектируется пучок электронов [190J. Плазменные источники дают чрезвычайно мощную вспышку из­ лучения небольшой продолжительности с интервалами в не­ сколько минут.

Известно, что в рентгеновских трубках возбуждается рентге­ новское излучение двух видов - характеристическое и тормоз­ ное. Характеристическое излучение изотропно, а тормозное - анизотропно и имеет максимальную интенсивность в направле­ нии падения бомбардирующих электронов. Анизотропия тор­ мозного излучения уменьшается с увеличением атомного номера материала мишени.

Как показывают теоретические оценки и эксперименты, в ре­ зультате воздействия на резист тормозного излучения ухудша­ ется контраст изображения*. Этот эффект особенно проявляется При использовании коротковолновых источников рентгеновско­ го излучения. Например, если в случае А1д:-источника (X = = 0,834 нм) мощность излучения тормозного спектра, поглощае­ мая в полимерной пленке, составляет только 1% поглощаемой мощности характеристического спектра, то при Rh^ -источнике (X = 0,46 нм) эта величина составляет уже 14 %. При этом золо­ том ослабляется 90% тормозного излучения алюминия более, чем на 17 дБ/мКм, и только 60% тормозного излучения Шцисточника более чем на 15 дБ/мкм [47].

Чтобы повысить отношение интенсивности характеристичес­ кого излучения мишени к интенсивности тормозного излучения, рекомендуется увеличивать рабочее напряжение. При этом длина волны максимума тормозного излучения сдвигается в коротко­ волновую часть диапазона, длина же волны характеристического

* Контраст изображения определяют как отношение общей дозы рентге­ новского излучения, полученной экспонированным участком резиста, к общей Дозе, полученной неэкспонированными участками.

97

излучения остается неизменной. Поскольку коротковолновое жесткое рентгеновское излучение имеет большую энергию Е\ ,

чем дпиноволновое мягкое (X-------- ) и слабее поглощается ве-

ЕХ

ществом, то при повышении напряжения доза энергии тормоз* ного излучения, поглощенная резистом, будет уменьшаться, а следовательно, его влияние ослабеет [97].

Рентгеновское излученйё7 возбуждаемое в глубине мишени, частично самопоглощается ею. Для устранения этого нежелатель­ ного эффекта необходимо, чтобы направление электронного пучка и рентгеновского излучения было близко к нормали

к мишени.

Источники рентгеновского излучения должны обладать высо­ кой яркостью, что может быть достигнуто при использовании ин­ тенсивных электронных пучков. Чтобы рассеять большую мощ­ ность и избежать расплавления мишени, ее обычно или охлажда­ ют водой и/ипи непрерывно вращают, выводя нагретое пятно изпод пучка электронов. Полезная мощность, рассеиваемая в уста­ новках с неподвижным анодом, намного меньше, чем в установ­ ках с вращающимся анодом. В производстве СБИС с элементами субмикронных размеров использование мощных вращающихся анодов из-за создаваемых ими выбраций нежелательно.

При использовании источников мягкого рентгеновского излу­ чения возникают трудности, связанные с сильным ослаблением пучка элементами рентгенолитографической системы, а также с тем, что излучение поглощается уже верхним слоем фоторезис­ та. Коротковолновое излучение незначительно ослабляется ок­ ном вакуумной камеры и шаблоном, но из-за слабого поглоще­ ния его веществом для удовлетворительного экспонирования ре­ зиста требуется достаточно интенсивное рентгеновское излуче­ ние. Кроме того, при взаимодействии коротковолнового излуче­ ния с маской к подложкой генерируются фотоэлектроны и Ожеэлектроны с энергией в несколько килоэлектронвольт, отрица­ тельно влияющие на характер экспонирования резиста.

Существует оптимальная длина волны ХоПХ, при которой доля энергии, прошедшей через газ, материал окна и шаблона и поглощенной резистом, максимальна, а время экспонирования - минимально. Рентгеновское излучение реальных источников имеет определенную длину волны, обычно отличающуюся от оп­ тимальной для данной системы. Установлено, что если длина вол­ ны экспонирования отличается от ХрПт не более чем на 40%, то вре-. мя экспонирования увеличивается не более чем в два раза [971-

Недостатком рентгеновских трубок как источника излучения для целей литографии является то, что создаваемые ими рентге-

98

Рентгеновские

Рис. 48. Искажения; обуслдвленные конечными размерами источника (а) и расхождением пучка (б ); 1 - шаблон; 2 —резист; 3 - подложка

новские лучкц необходимо дополнительно коллимировать. Как известно, степень преломления электромагнитных лучей зависит от длины волны и природы вещества. Запаздывание и преломле­ ние волнового фронта мягких рентгеновских лучей во многих веществах пренебрежимо малы. Только очень толстые линзы из некоторых веществ смогли бы нужным образом задерживать и преломлять мягкие рентгеновские лучи, но в таких линзах рентгеновские волны полностью поглотились бы. Жесткое рентгеновское излучение слабо отклоняется даже самыми толстыми линзами. Поэтому единственно возможным способом получения коллимированных пучков остается использование „ точечного” (удаленного) источника. Необходимость удалить источник от пластины вступает в противоречие с требованием обеспечить вы­ сокую производительность процесса, так как интенсивность об­ лучения обратно пропорциональна квадрату расстояния между источником и пластиной.

Конечные размеры реальных источников и расхождение пучка приводит к возникновению полутеней (рис. .48, а) и геометри­ ческих искажений (рис. 48, б). Размытость изображения, обус­ ловленная конечными размерами источника, характеризуется шириной края

Я3.и

гДе Лэ п —зазор между шаблоном и пластиной; dp n - диаметр v 99

источника рентгеновского излучения; Яз и - расстояние между шаблоном и источником. Обычно параметры рентгенолитогра­ фических установок подбираются так, чтобы А] лежала в преде­ лах 0,1 мкм.

Геометрические искажения Д2, возникающие при проектиро­ вании шаблона на пластину, зависят от радиального удаления

от центра:
со	>
А» = ^з.п "
#э.„

где со - расстояние от данной точки пластины до перпендикуляр­ ной проекции источника рентгеновского излучения на пластину [17]. Влияние геометрических искажений особенно существенно, если технологический процесс предусматривает нанесение нес­ кольких слоев изображений, так как практически трудно сохра­ нить постоянным' зазор при смене шаблонов. Допустимая по­ грешность dA может составлять не более 0,1 мкм. Для поддер­ жания постоянного зазора при разных шаблонах могут быть при­ менены специальные держатели или другие приспособления.

Высококачественными источниками излучения для рентгенолитографии считаются синхротроны и электронные накопитель­ ные кольца, генерирующие синхротронное излучение. Это излу­ чение возникает при центростремительном ускорении быстрых электронов, движущихся по криволинейным траекториям п ма­ гнитных полях, и испускается в направлении их мгновенной ско­ рости. Оно отличается сильнойнаправленностью, что связано с его релятивистским происхождением. Расходимость синхротронного излучения зависит только от энергии и уже при сотнях мегаэлект­ ронвольт составляет всего доли миллиметра на 1 м расстояния. Высокая направленность излучения приводит к тому, что вся мощность синхротронного излучения сосредоточена в области узкого диска, диаметр которого слегка увеличивается по мере удаления от электронной орбиты.

Современные установки, применяемые в качестве источников синхротронного излучения для рентгенолитографии, имеют мак­ симальную энергию электронов 0,5...10 ГэВ, а их характерная длина волны лежит в диапазоне от 0,042 до 3,5 нм. Яркость ис­ точников синхротронного излучения на несколько порядков превышает величины, достигаемые в рентгеновских трубках с мощными вращающимися анодами [3].

При использовании синхротронного излучения из-за малого диаметра пучка экспонирование пластин большого диаметра приходится осуществлять поэтапно, участок за участком, пере­

100