книги / Наноструктуры и наноматериалы. Синтез, свойства и применение

ми. В общем случае, если используется сравнительно высокая числовая апертура (обычно более 0,5), то минимальные размеры элемента, который можно воспро­ извести, практически равны или чуть меньше длины волны света, используемого для экспозиции. В таких широкоапертурных линзовых системах фокус очень мал и процесс экспонирования становится чувствительным к малейшим вариациям толщины и абсолютного положения слоя резиста [8].

У литографии глубокого ультрафиолета (ГУФ, DUV), основанной на экспози­ ции излучением с длинами волн меньшими 300 нм, намного больше технических проблем. Классические ультрафиолетовые источники имеют низкую выходную мощность в глубоком ультрафиолете. Эксимерный лазер может обеспечить от 10 до 20 ватт мощности на любой из нескольких рабочих длин волн в глубоком уль­ трафиолете. Особый интерес представляют эксимерные лазеры на КгС1 и KrF с длиной волны излучения 222 и 249 нм соответственно. Высокоинтенсивные СВЧисточники излучения обеспечивают заметно большую выходную мощность глу­ бокого ультрафиолетового излучения, чем классические ртутные газоразрядные лампы [9]. К источникам излучения с более короткими длинами волн, исполь­ зуемым в оптической литографии, относятся эксимерные лазеры на основе KrF с длиной волны 248 нм, на основе ArF с длиной волны 193 нм, и на основе F2 с длиной волны 157 нм. Оптическая литография глубокого ультрафиолета позволя­ ет получать топографические рисунки с минимальным размером ~100 нм [10,11]. Литография жесткого ультрафиолета (EUV) на длинах волн диапазона 110-130 нм также используется для изготовления элементов еще меньших размеров и яв­ ляется серьезным кандидатом на достижение критических размеров в 70 нм и ниже [12, 13]. Однако литография жесткого ультрафиолета наталкивается на дру­ гие препятствия. Поглощение света на этой длине очень велико, что не позволяет применять линзовые преломляющие системы. Отражение от зеркал невелико и, таким образом, число отражающих зеркал должно быть по возможности малым, не больше шести. Кроме того, для практического осуществления этой технологии требуется прецизионная метрологическая система [12].

Экспериментально обнаружено, что когда ширина щели меньше длины свето­ вой волны, излучение рассредотачивается или дифрагирует. Два края, расположен­ ные близко друг к другу, образуют щель, дающую очень четкую дифракционную картину при освещении монохроматическим светом. Конкретное наблюдаемое распределение интенсивности зависит от расстояния между щелью и экраном. На малых расстояниях дифракция является дифракцией Френеля, что имеет место в теневой печати. На больших расстояниях, которые используются в проекционной печати, дифракция является дифракцией Фраунгофера.

В дополнение к обычным полимерным фоторезистам в фотолитографии в ка­ честве резистов используются пленки Ленгмюра-Блоджетт и самособирающиеся монослои [14,15]. В этих случаях для переноса изображений с маски на монослои используются фотохимическое окисление, сшивка или формирование химически активных групп [16, 17].

7.2.3. Электронно-лучевая литография

Остросфокусированный электронный пучок можно аккуратно и с высокой точностью отклонять вдоль поверхности. Если поверхность покрыта радиацион­ но-чувствительным полимерным материалом, электронный пучок можно исполь­ зовать для записи топографических изображений с очень высокой разрешающей способностью [26-29]. Первые экспериментальные электронно-лучевые систе­ мы записи изображений были сконструированы, для того чтобы воспользоваться преимуществом высокой разрешающей способности, еще в конце шестидесятых годов XX века [30]. Электронные пучки можно фокусировать до диаметра в не­ сколько нанометров и быстро отклонять с помощью электромагнитных или элек­ тростатических линз. Электроны обладают свойствами частицы и волны, однако длина волны электрона имеет порядок нескольких десятков ангстрем и, следо­ вательно, разрешение не ограничивается дифракцией. Разрешение в электронно­ лучевой литографии, однако, ограничивается прямым рассеянием электронов в слое резиста и обратным рассеянием от нижележащей подложки. Тем не менее, электронно-лучевая литография является наиболее мощным средством изготовле­ ния элементов размерами в 3-5 нм [31, 32].

Когда электронный пучок проникает в полимерную пленку или в любой твер­ дый материал, он теряет свою энергию за счет упругих и неупругих соударений, называемых электронным рассеянием. Упругие соударения приводят только к из­ менению направления движения электрона, в то время как неупругие соударения ведут к потере энергии. Эти процессы рассеяния приводят к уширению пучка, так как электроны уходят в стороны по мере распространения электронного пучка в твердом теле, формируя поперечный или боковой поток электронов в направле­ нии, перпендикулярном падающему электронному пучку, и вызывают экспониро­ вание резиста в точках, удаленных от точки исходного падения пучка, что, в свою очередь, приводит к уширению изображения на резисте по сравнению с ожидав­ шимся. Величина рассеяния электронов зависит от атомного номера элементов и плотности материалов резиста и подложки, а также от скорости электронов или ускоряющего напряжения.

Экспонирование резиста электронами, рассеянными в прямом и обратном направлениях, зависит от энергии пучка, толщины пленки и атомного номера элементов материала подложки. С увеличением энергии пучка потери энергии на единицу длины пути и сечения рассеяния уменьшаются. Таким образом, ла­ теральный транспорт электронов, рассеянных в прямом направлении, и энергия, теряемая в пересчете на один электрон, уменьшаются, в то время как латеральное распространение обратнорассеянных электронов увеличивается благодаря уве­ личившейся длине пробега электронов. С увеличением толщины пленки резиста кумулятивный эффект малоугловых соударений электронов, рассеянных в прямом направлении, увеличивается. Таким образом, площадь, экспонированная рассеян­ ными электронами на границе раздела резист-подложка, больше в толстых плен­ ках, чем в тонких. Для обеспечения экспонирования резиста на границе раздела

336 Глава 7

необходимо, чтобы глубина проникновения электронов в полимерную пленку была больше толщины пленки. С увеличением атомного номера элементов мате­ риала подложки увеличивается коэффициент отражения электронов, что в свою очередь увеличивает вклад обратного рассеяния.

Электронно-лучевые системы удобно разделить на два вида: системы, ис­ пользующие сканирование сфокусированными электронными лучами, в кото­ рых последовательно экспонируются отдельные участки подложки, и системы, проецирующие весь рисунок шаблона на подложку одновременно. Сканирующие лучевые системы можно разделить далее на системы с гауссовым или крутым сечением луча и с сечением определенной формы. Все сканирующие лучевые си­ стемы имеют обычно четыре подсистемы: (1) источник электронов (электронную пушку), (2) электронную колонну (систему, формирующую луч), (3) столик с ме­ ханическим перемещением и (4) управляющий компьютер, который используется для управления различными подсистемами и передачи параметров рисунка ша­ блона на отклоняющую систему.

В электронно-лучевой литографии используются такие же источники электро­ нов, как и в обычных электронных микроскопах. Эти источники можно разделить на две группы: термоионные и работающие на основе полевой эмиссии. Термо­ ионные пушки основаны на эмиссии электронов из материала, нагретого выше критической температуры, начиная с которой электроны эмитируются с поверх­ ности. Эти источники изготавливают из таких материалов, как вольфрам, тари­ рованный вольфрам или гексаборид лантана. В источниках с полевой эмиссией вблизи вольфрамового острия формируется электрическое поле высокой напря­ женности. Электрическое поле извлекает электроны с острия источника, форми­ руя гауссово пятно диаметром в несколько десятков ангстрем.

Электронный луч невозможно сильно отклонить, для того чтобы охватить им большую площадь поверхности; в типичных электронно-лучевых литографиче­ ских системах применяются механические столики для перемещения подложки в отклоняющем поле электронно-лучевой колонны. Столики могут перемещать­ ся в пошаговом режиме, в котором столик останавливается для записи отдель­ ной части рисунка, после чего перемещается в следующее положение, в котором экспонируется соседний участок рисунка. В альтернативном случае столики мо­ гут перемещаются в непрерывном режиме, в котором топографический рисунок прописывается на подложке во время движения столика. На рис. 7.4 изображена СЭМ-микрофотография колоннообразной решетки с шагом 40 нм, образовавшей­ ся в результате взрывного удаления никеля при ультразвуковой обработке [31].

7.2.4. Рентгеновская литография

Рентгеновские лучи с длиной волны, лежащей в диапазоне от 0,04 до 0,5 нм, представляют собой альтернативное излучение, способное воспроизводить топо­ логический рисунок высокого разрешения в полимерных материалах резиста [33].

Поглощение рентгеновского излучения приводит к возникновению фото­ электронов, которые претерпевают упругие и неупругие соударения внутри по­ глощающего материала, генерируя вторичные электроны, которые ответственны за химические реакции в пленке резиста. Длины волн первичных фотоэлектронов лежат в диапазоне 100-200 нм. Основное ограничение заключается в полутеневом размытии, так как рентгеновский источник имеет конечные размеры и удален от маски и край маски не отбрасывает резкой тени. Низкий контраст маски являет­ ся другим фактором, ухудшающим разрешение топографического изображения. Чрезвычайно важно ограничивать размеры источника для минимизации полутеневого размытия и стремиться к максимальной интенсивности рентгеновских лучей для уменьшения времени экспонирования. Известно, что рентгеновская бесконтактная литография может обеспечить реплику деталей, изображенных на маске-шаблоне, без изменения размеров, а предел разрешения рентгеновской литографии ~25 нм [35,36]. На рис. 7.5 изображены СЭМ-микрофотографии по­ лосок золота шириной 35 нм и точек вольфрама размером 20 нм, изготовленных гальваностегией и реактивным ионным травлением в сочетании с рентгеновской литографией [35].

7.2.5. Литография с использованием сфокусированного ионного пучка

После разработки жидкометаллических источников ионов (LM-sources) в 1975 г. [37] сфокусированные ионные пучки (СИП, FIB) стремительно превратились в чрезвычайно привлекательный инструмент, использующийся в литографии, трав­ лении, осаждении и легировании [38]. Так как рассеяние ионов в диапазоне от одного до трех МэВ на несколько порядков меньше, чем электронное рассеяние, давно уже признано, что ионно-лучевая литография обеспечивает лучшее разре­ шение [39,40]. Широко используемые сфокусированные ионные пучки обеспечи­ вают жидкометаллические источники ионов на основе Ga и сплава Au-Si-Be бла­ годаря их большому времени жизни и высокой стабильности [41,42]. Литография с использованием сфокусированного ионного пучка (F/B-литография) способна формировать электронные устройства субмикронных размеров [43]. Преимуще­ ства литографии с использованием сфокусированного ионного пучка заключают­ ся в высокой чувствительности резиста к экспонированию, которая на два или бо­ лее порядков выше, чем в электронно-лучевой литографии, пренебрежимо малое угловое рассеяние ионов в резисте и низкое обратное рассеяние от подложки [44]. Однако литография с использованием сфокусированного ионного пучка страда­ ет и от некоторых недостатков, среди которых меньшая производительность и большие повреждения подложки. Следовательно, литография с использованием сфокусированного ионного пучка скорее всего найдет себе применение в изготов­ лении устройств, в которых повреждения подложки не критичны.

Травление сфокусированным ионным пучком осуществляется посредством фи­ зического распылительного травления и химически-стимулированного травления.

тур по сравнению с электронно-лучевой литографией. Ионы существенно тяже­ лее электронов, поэтому на сфокусированный ионный пучок магнитные свойства вещества оказывают меньшее влияние. Другим преимуществом является способ­ ность осуществлять непосредственное травление и/или осаждение без исполь­ зования дополнительных стадий формирования изображения. В работе [46] маг­ нитные наноструктуры были изготовлены посредством травления и осаждения с использованием сфокусированного ионного пучка. Наномагнитная головка коль­ цевого типа была изготовлена посредством F /5 -травления, сопровождавшегося F/5-осаждением немагнитного вольфрама в протравленные бороздки. Магнит­ ные наконечники сечением 140x60 нм2 и длиной 500 нм каждый были защищены и закреплены со всех сторон и обладали требуемыми магнитными свойствами. Легирование с использованием сфокусированного ионного пучка может рассма­ триваться как обычная ионная имплантация. Сфокусированные ионные пучки можно комбинировать с химическим осаждением из газовой фазы (CVD) для син­ теза наноструктур. Этот метод, сокращенно называемый FIB-CVD, особо легко применим для изготовления трехмерных наноструктур. На установке FIB-CVD были изготовлены наноструктуры с оптическими характеристиками, аналогичны­ ми имеющимся у бабочки Морфо и глаза моли [47]. С помощью такой схемы были также получены покрытия из алмазоподобного аморфного углерода [48]. Потен­ циальные применения FIB-CVD-метода - изготовление оптических, электронных

ибиологических материалов.

7.2.6.Литография на нейтральных атомных пучках

При использовании нейтральных атомных пучков никакие эффекты простран­ ственного заряда не заставляют пучок расходиться и, следовательно, не требуются высокие кинетические энергии частиц. Дифракция не является строгим ограниче­ нием разрешения, так как волна де Бройля тепловых атомов меньше 1 ангстрема. В технологии, использующей такие атомные пучки, либо осуществляется прямое формирование изображения за счет световых сил, действующих на атомы, кото­ рые прилипают к поверхности [49-52], либо топографический рисунок наносится на специальный резист [53-55].

Было исследовано взаимодействие между нейтральными атомами и лазерным излучением, находящее различные применения, например, лазерное охлаждение атомов до температуры порядка нанокельвинов, захват атомов в малых областях пространства или манипулирование траекториями атомов с целью фокусировки и формирования изображения [56-58].

Основные принципы атомной литографии с использованием световых сил мо­ гут быть поняты на примере следующей классической модели [59]. Индуцирован­ ный электрический дипольный момент атома в электромагнитной волне может быть резонансно усилен за счет подстройки частоты световой волны coL к частоте атом­ ного дипольного перехода юА. В зависимости от знака рассогласования д = coL - соА,