5. Ионно-лучевая литография
5.1. Введение
Ионные пучки в субмикронной литографии приобретают все большее значение. Они могут использоваться не только для непосредственной прорисовки рисунка на пластине, но и для изготовления шаблонов. При этом ионно-лучевые системы могут заменить соответствующие электроннолучевые устройства. Кроме того, они могут использоваться для ионной имплантации, прямого ионного распыления (травления) или для создания радиационных повреждений, ускоряющих последующие процессы распыления или травления. Формирование рисунка на оксидных слоях происходит вообще без какого-либо резиста, т.к. увеличение скорости травления связано с радиационными повреждениями. Дозовая зависимость скорости травления имеет насыщение, которое для SiO2 начинается с полного потока порядка 2х1016 протон/см2. Характер травления окисла SiO2 показан на рис. 14.9. Увеличение скорости окисления имплантированного кремния может использоваться для образования окисных слоев разной толщины (рис. 14.10). После имплантации ионов кремния и термического окисления толщина окисла оказывается больше в облученных областях. Имплантация окисла оказывается больше в облученных областях. Имплантация ионов азота в кремний уменьшает скорость окисления облученных областей; кроме того, внедренные в тонкие пленки ионы азота изменяют проводимость пленок.
Облучение ионами позволяет непосредственно формировать рисунки на тонких металлических (слоях Ni или Мо), которые затем могут использоваться в качестве металлических ионочувствительных резистов. Процесс нанесения рисунка с помощью такого металлического резиста показан на рис. 14.11.
Разрешающая способность ионно-лучевой литографии по своей природе очень высока, т.к. вторичные электроны, выбиваемые ионным пучком, имеют малую энергию, т.е. небольшой пробег, и поэтому практически исключается обратное рассеяние.
Ионно-лучевые проекционные системы (с уменьшением или без уменьшения размеров передаваемого изображения) могут использоваться в безрезистивной технологии для формирования рисунков на полупроводниках (Si, Ga, As, поликремний), изолирующих слоях (SiO2, Si3N4), металлах (Al, Ni, Mo, Au), а также для нанесения изображения на тонкие органические пленки (резисты). Другой возможный способ заключается в теневом нанесении рисунка через тонкопленочную маску, рисунок которой должен состоять из участков, поддерживаемых самой структурой. Использование таких масок ограничено случаями, когда в рисунке нет теневых участков, со всех сторон окруженных окном и как бы свободно висящих. Применение тонкой аморфной мембраны в качестве полностью прозрачного по отношению к легким ионам держателя позволяет решить эту проблему, однако, ценой значительного углового рассеяния ионов в мембране. Возникающая угловая дисперсия затрудняет точное копирование рисунка. Контактная печать также не лишена недостатков, т.к. приводит к уменьшению процента выхода и снижению надежности.
Рисунок 14.9 Формирование рисунка с помощью радиационного повреждения окисла SiO2 ионами Н, D, Не: а - экпонирование; б - после травления
Рисунок 14.10 Формирование рисунка на кремнии путем создания разной толщины пленки SiO2:
а - имплантация ионов кремния; б - увеличение скорости окисления облученной ионами области при термическом окислении (950°С)
Рисунок 14.11 Формирование рисунка на металлических резистивных слоях:
а - напыление слоя никеля на SiO2-Si и имплантация; б - травление имплантированной области; в - травление; г - удаление слоя никеля
Другой возможный способ маскирования заключается в использовании кремниевой мембраны с ориентацией <110> толщиной 3-6 мкм, на которую нанесен металлический рисунок (тонкая пленка золота толщиной 100 нм). Резистивная пленка экспонируется через эту монокристаллическую кремниевую фольгу в направлении каналирования коллимированным пучком с энергией 300-2000 кэВ. Способ маскирования основывается на эффекте деканалирования в тонком металлическом слое, а также на разнице потерь энергии для направления каналирования и случайных направлений (рис. 14.12).
Рисунок 14.12 Монно-лучевая печать, основанная на эффекте каналирования.
Тонкие сфокусированные пучки ионов могут использоваться для экспонирования резистов, обработки материалов в машиностроении и изменения электрических и механических свойств полупроводников при имплантации. Все эти операции могут выполняться непосредственно без применения маскирующих шаблонов.
Практическое применение всех рассмотренных литографических методов до настоящего времени сдерживалось из-за слабой интенсивности ионных источников, но разработка высокоинтенсивных и стабильных жидкометаллических источников ионов открывает широкие перспективы в этом направлении.