Методическое пособие 557

Точное воспроизведение изображения достигалось за счет контроля отклонения луча в сочетании с возвратнопоступательным движением платы, прикрепленной к координатному столу, обеспечивающему позиционирование.

Позднее после усовершенствования генераторов изображения для прорисовки печатных плат и фотошаблонов на покрытых резистом хромированных подложках стала доступной и электронно-лучевая литография непосредственно по кремнию. Электронные генераторы фотошаблонов, хотя и затрачивают до 8 часов на обработку одной заготовки, все-таки гораздо производительнее оптико-механических генераторов, требующих многих часов рабочего времени. В 1976 году фирма IBM впервые сообщила о промышленном применении прямой электронно-лучевой литографии (ЭЛ-литографии) по кремниевой пластине для формирования металлизированных межсоединений в биполярных ИС. Резистом может служить любой полимер, либо неорганический пленкообразующий материал. Возможна даже безрезистивная литография, поскольку неорганические пленки могут быть подвергнуты непосредственному травлению, испарению или превращению. С помощью ЭЛ-литографии создаются шаблоны для всех остальных видов литографии.

Основной целью электронной литографии является формирование рисунка требуемой структуры из материала резиста на подложке. Фиксация рисунка на резисте происходит в результате экспонирования заданных областей электронным лучом.

Электронные резисты. Одним из основных электронных резистов является полиметилметакрилат (ПММА). На основе ПММА и его аналогов было получено множество новых резистов. На примере ПММА было впервые продемонстрировано влияние молекулярного веса и дисперсности на чувствительность и разрешающую способность. ПММА и его производные имеют сравнительно низкую чувствительность, но обладают высоким разрешением. В основе других, более чувствительных, резистов использованы нестойкие в плазме и при

190

повышенной температуре полиальдегиды и полисульфоны, имеющие низкую температуру поликонденсации (табл. 6.2).

Примечание: Н - негативный резист , П - позитивный резист.

В электронной литографии, в основном, используются два метода экспонирования резиста электронным лучом: одновременное экспонирование всего изображения целиком и последовательное экспонирование отдельных точек сканированием луча. Оба этих метода обеспечивают высокую разрешающую способность, позволяющую формировать элементы с субмикронными размерами. Столь высокая разрешающая способность электронной литографии объясняется тем, что диаметр электронного луча можно сделать много меньше дифракционного предела, ограничивающего размеры фотолитографического изображения.

К параметрам, определяющим разрешающую способность метода, относятся энергия электронов и плотность тока луча, а также скорость сканирования электронного луча по поверхности резиста и толщина слоя резиста. Уменьшение размеров изображения в субмикронной технологии требует уменьшения толщины пленки резиста до размера 0,3 - 0,4 мкм.

Обычно для субмикронной электронной литографии выбирают энергию электронов такой, чтобы глубина пробега электронов в материале резиста была много больше толщины пленки резиста. В этом случае электроны проникают глубоко в

191

подложку. При движении в пленке резиста электроны испытывают упругое рассеяние, в результате чего сечение потока по мере углубления растет, то есть поток расширяется. Одновременно с упругим рассеянием электроны первичного потока будут передавать молекулам резиста энергию в процессе неупругих столкновений (ионизационные потери). На глубине раздела резист - подложка часть электронов первичного потока отразится от подложки и вернется обратно в слой резиста, сохраняя достаточную энергию для экспонирования молекул резиста. Оставшаяся же часть первичных электронов при движении в материале подложки в конце своего пути будет диффузно рассеиваться, вызывая обратный поток электронов из глубины подложки в слой резиста. Эти электроны также внесут свой вклад в экспонирование.

Электронно-лучевые системы литографии подразделяются на три класса: лучевые сканирующие, проекционные и гибридные.

В лучевых сканирующих установках литография может выполняться или одним лучем, или одновременно несколькими; при этом их развертка может проводиться по целому растру или же векторно. Развертка в растр предполагает включение и выключение луча при его движении вдоль каждой строчки в необходимых местах для последовательного формирования всей топологии рисунка, без изготовления предварительного шаблона. При векторном сканировании луч перемещается только по вырисовываемым элементам, поэтому такой способ производительнее.

Ещё большую производительность имеют проекционные системы, в которых получают копии заранее изготовленных шаблонов с одновременным перенесением всего рисунка шаблона на обрабатываемый объект. Такие копии можно получать с полной передачей размеров элементов в натуральную величину или же с их уменьшением. В проекционном методе требуется предварительное изготовление маски. Маски с линиями субмикронной ширины можно изготовить только на лучевых сканирующих установках. Разработанные в последние годы

192

многолинзовые проекционные системы используют одну маску, а размножение её рисунка происходит несколькими десятками электронных пучков, формируемых набором экранных линз с отверстиями.

В гибридных электронно-лучевых системах повышение производительности процесса литографии достигается благодаря применению профилированных электронных потоков или символьного проецирования. Векторная развертка позволяет впечатывать отдельные элементы рисунка в требуемые места на объекте обработки, а быстродействующие управляющие устройства - формировать сечение электронного потока. Если требуется многократное повторение геометрии элемента, то целесообразно изготовить шаблон в виде его символа и проецировать изображение профилированным электронным многолучевым потоком.

Отметим, что в субмикронной литографии имеются перспективы применения безрезистивной электронно-лучевой технологии, поскольку электронный луч легко фокусируется, совмещается и перемещается с точностью 0,05 мкм. Однако основным препятствием для практического использования является большая требуемая доза облучения (более 10-4 Кл/см2) и эффекты обратного рассеяния. Низкая производительность и радиационные дефекты остаются предметом забот с точки зрения экономичности и надежности.

Современные методы электронолитографии позволяют получать разрешение 1 нм, что на 1,5 – 2 порядка превышает предельное разрешение оптических методов. Разработано два метода электроннолучевой литографии: электронолитография со сканирующим сфокусированным пучком электронов и проекционная электронолитография (рис. 6.6). В первом случае используют растровые электронные микроскопы или специализированные электронно-лучевые установки.

Сканирование пучка осуществляют либо по всему растру с включением его в тех местах, которые должны быть проэкспонированы, либо перемещением пучка и экспонированием не по всей площади растра, а только по участкам, где необходимо

193

получить изображение. И в том, и другом варианте управление током и перемещением пучка осуществляется с помощью ЭВМ.

Рис. 6.6. Схема проекционной электронолитографии:

1 – отклоняющие катушки; 2 – фокусирующие катушки; 3 – УФ-лампы; 4 – кварцевая пластина; 5 – слой диоксида титана; 6 – слой палладия; 7 – 9 – окисленная пластина кремния с электронорезистом; 10 – траектория электронов

Внекоторых типах растровых электронных микроскопов

можно получать линии шириной до 0,1 мкм на площади до 20 см2. Основной недостаток систем электронолитографии со сканирующим пучком – большое время экспонирования, увеличивающееся с уменьшением ширины линии. Преимущества метода – отсутствие фотошаблонов и возможность автоматизации процесса.

Впроцессе проекционной электронолитографии экспонирование подложки с нанесенным на нее электроночувствительным слоем производят несфокусированным потоком электронов через свободную металлическую маску. Свободная маска не позволяет получать замкнутые кольцевые рисунки. Ввиду этого чаще используют потоки электронов с катодов заданной конфигурации.

194

Для создания фотокатодов на полированную пластину из плавленого кварца наносят слой титана, в котором формируют изображение.

Вытравленные в титановом слое участки в дальнейшем служат источником фотоэлектронов. Затем титан окисляют до диоксида титана, поглощающего УФ-излучение, после чего на всю поверхность напыляют слой палладия толщиной около 4 – 5 нм. При освещении обратной стороны кварцевой пластины УФ-светом палладий эмиттирует электроны с малой энергией около 0,1 эВ. Плотность потока электронов невелика и составляет 100 мкА/см2

Ускоряющее поле напряженностью 10 кВ/см, фокусирующее магнитное поле, обеспечивают перенос изображения на резист в масштабе 1:1.

Минимальная ширина линии 1 мкм, диаметр рабочего поля более 125 мм, время экспонирования составляет всего5 с.

Ограничениями метода проекционной электронолитографии являются трудность выполнения операции совмещения и необходимость создания сложных фотокатодов.

195

7. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ИОННО-ЛУЧЕВЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

7.1. Движение ускоренных ионов в веществе

При движении ионов в твердом теле происходит их торможение и рассеяние, сопровождающееся образованием дефектов. Теоретическое описание этого движения обычно проводится с учетом ряда упрощающих предположений. Вопервых, столкновения ионов с узлами решетки рассматриваются как парные, то есть влиянием кристаллической решетки на процесс столкновения пренебрегают. Во-вторых, вводится понятие потерь энергии dE/dx, формально соответствующее непрерывному рассеянию энергии, хотя реально процесс имеет дискретный характер.

Передача энергии от ионов к твердому телу осуществляется в результате упругих и неупругих столкновений. Столкновения ионов с узлами решетки рассматриваются как упругие, а соответствующий механизм рассеяния энергии называется ядерным торможением. Рассеяние энергии ионов на электронах твердого тела описывается моделью неупругих столкновений и соответствует электронному торможению.

При теоретическом описании движения ионов в веществе вводятся понятия ядерной и электронной тормозной способ-

ности, которые характеризуют потери энергии ионом на единице пути в пересчете на один атом твердого тела:

где N - концентрация атомов в твердом теле; Sn и Se - ядерная и электронная тормозные способности.

Ядерная тормозная способность может быть вычислена на основе теории столкновений. Основная проблема в этом случае состоит в выборе потенциала взаимодействия. Обычно он представляется в виде произведения кулоновского потенци-

196

ала на функцию экранирования, учитывающую частичное экранирование ядра атома электронами. Аналитические решения имеются только для отдельных частных случаев, и в общем виде задача обычно решается методами численного интегрирования. Для оценок ядерной тормозной способности могут быть использованы различные эмпирические формулы. В качестве примера приведем формулу, предложенную В.В. Юдиным:

где - безразмерная приведенная энергия:

где a = 0,885a0(Z12/3 + Z22/3)-1/2 - характерный радиус экранирования;

а0 = 5,29∙10-11 м - боровский радиус атома водорода. Электронная тормозная способность в первом приближе-

нии пропорциональна скорости первичного иона:

e = √ ,

Зависимость ядерной и электронной тормозной способности от энергии ионов показана на рис. 7.1. При малых энергиях ионов преобладающим является ядерное торможение, а при высоких - электронное (рис. 7.1). Масштаб величин виден из табл. 7.1.

197

Таблица 7.1 Характеристические энергии торможения ионов в кремнии

и потери энергии ионами с начальной энергией 100 кэВ

Рис. 7.1. Зависимость тормозной способности ионов

ввеществе от приведенной энергии ионов

7.2.Пробеги ионов в твердом теле и их распределение

Важной характеристикой процесса является пробег ионов, то есть расстояние, которое он пройдет в твердом теле до остановки. Для характеристики пути, пройденного ионом в твердом теле, вводят понятия истинного траекторного пробега

198

(траекторный пробег) и проекции пробега на направление первоначального движения (проекционный пробег). В общем случае траекторный пробег может быть найден из уравнения:

Современные теории позволяют рассчитывать пробег ионов в широком диапазоне энергий с точностью порядка 30 %. Задача обычно решается методами численного интегрирования. В общем случае пробег ионов является статистической величиной, и вводятся понятия средней проекции пробе-

га Rp и среднего нормального отклонения проекции пробега

Rp.

Последнее можно приближенно оценить как ∆ p =

0,7 p√ 2/ 1. Для расчета средней проекции пробега, если пренебречь электронным торможением, может быть использовано приближенное выражение:

где - плотность твердого тела.

Соответствующие величины для кремния приведены в табл. 7.2. Величина проекции пробега растет с увеличением энергии падающих ионов (при ядерном торможении по закону, близкому к линейному).

С увеличением массы падающих ионов и проекция пробега, и среднее нормальное отклонение проекции пробега уменьшаются.

При конструировании полупроводниковых приборов нужно знать распределение внедрённых ионов по глубине. Оно определяется, во-первых, величиной ускоряющего напряжения и направлением движения падающих ионов относительно кристаллографической оси мишени.

199