Электронолитография

Электронолитография - это комплекс технологических процессов для получения прецизионных рисунков на поверхности. Она является одним из возможных и перспективных способов формирования элемен­тов субмикронных размеров.

Известно, что в оптических системах длина световой волны опре­деляет предел разрешения. Поэтому использование потока частиц с ма­лой длиной волны для получения изображения позволит уменьшить пре­дел разрешения. Длина волны движущегося электрона равна

(4.5)

где h = 6,625*10^-34 Дж*с - постоянная Планка; m- масса движущегося электрона, кг; v - его скорость, см/c.

Ограничиваясь случаем медленных электронов:

v= 5, 93*10⁷ (4.6)

где U - ускоряющий потенциал, получим

(см).

Таким образом, длина волны электронов, например с энергией 15 кэВ, равна 10^-2 нм или в 50000 раз меньше длины волны средней части видимого спектра.

Собственная разрешающая способность электронного пучка при­мерно на четыре порядка выше, чем светового. Минимальный диаметр пучка электронов d при оптимальных условиях его фокусировки можно определить по формуле:

где I_n - ток пучка; I_э - ток эмиссии катода; с - коэффициент сфери­ческой аберрации; Т - температура катода; k - постоянная Больцмана.

Отметим еще одно важное преимущество электронолитографии - большую глубину фокуса. Она ограничивается главным образом явле­нием сферической аберрации. Сейчас технически возможно получить диаметр пучка электронов менее 0,1 мкм при токе более 10^-9 А с глубиной фокуса ±25 мкм, что невозможно достичь в световых опти­ческих системах.Управление перемещением и включением - выключением пучка осу­ществляют с помощью ЭВМ (рис.4.8). Обычно луч отклоняют на неболь­шое расстояние (около 2 мм), а увеличение площади обработки дости­гается механическим перемещением подложки (сканирующая электронолитография­

Рис.4.8. Блок-схема установки для электронно-лучевой литографии: I - электронная пушка; 2 - электронные линзы; 3 - отклоняющее устройство; 4 - обрабатывае­мая пластина; 5 - экран; 6 - детектор муаровых полос; 7 - двигатель.

Для совмещения при электронно-лучевой литографии требуется создание на подложке реперных знаков. Реперный знак может быть получен напылением пленки металла, например молибдена. Когда электронный пучок попадает на край знака, сигнал на детекторе от­раженных электронов меняется. Информация о несовмещении вводится в ЭВМ, управляющую перемещением пучка, и создаваемое изображение совмещается с имевшимися на подложке.

Реальная разрешающая способность электронно-лучевой литографии во многом определяется рассеянием и диффузией электронов в резисте и подложке. На рис.4.9 показано, насколько отличаются раз­меры линий, полученных при одинаковых условиях на медных и алю­миниевых пленках. Большую роль играет толщина слоя резиста. Для того чтобы получить размеры линии примерно 0,5 мкм, приходится снижать толщину слоя резиста до 0,1 - 0,2 мкм. Защитные свойства у тонких слоев резко ухудшаются.

Серьезным недостатком сканирующей электронолитографии являет­ся ее малая производительность. Вследствие низкой чувствитель­ности резистов и ограниченной возможности увеличения плотности тока в луча приходится затрачивать на обработку площади пластины I см² около I мин, т.е. на одну пластину диаметром 100 мм потребу­ется 80 мин.

Рис.4.9. Влияние материала подложки на размеры изображения при электронно-лучевой литографии.

Повысить производительность процесса позволяет метод проекци­онной электронолитографии, в котором миллионы элементов рисунка проецируются на пластину одновременно. Проекционные электронно­лучевые системы и конструктивно проще, так как данные о рисунке хранятся не в электронном устройстве с преобразованием и подачей их в управляющее устройство при каждой экспозиции, а заложены в маске.

Принципиальными трудностями при создании эффективной проекцион­ной системы электронолитографии остаются проблемы изготовления электроношаблона и уменьшения искажения проецируемого изображения.

Сложность изготовления электроношаблона связана с тем, что для его подложки не найдено материала, достаточно прозрачного для электронов. В связи с этим исследуется применение свободной (само­поддерживающейся) маски и маскированного фотокатода. Самоподдер­живающиеся маски из металлической фольги пока не обеспечивают до­статочной размерной стабильности. Кроме того, еще не удалось изготовить маски, позволяющие создать рисунок, соответствующий по сложности технологии больших интегральных микросхем.

Схема на рис.4.10 поясняет принцип проекционной элвктронолитографии с маскированным фотокатодом. Для изготовления фотокатода применяется кварцевая пластина, покрытая тонким слоем титана. В слое титана вытравливается требуемое изображение; свободные от

титана области служат в дальнейшем источником фотоэлектронов. Титан окисляется до окиси титана, поглощающей ультрафиолетовое излучение, и затем на всю поверхность напыляется слой палладия толщиной 4 нм. При освещении обратной стороны кварцевой пластинки ультрафиолетовым излучением палладий эмитирует фотоэлектроны с энергией 0,1 эВ. Плотность потока электронов составляет 100 мкА/см . Ускоряющее электрическое поле и коаксиальное магнитное поле пере­носят в масштабе 1:1 электронное изображение на кремниевую под­ложку. Подобные системы позволяют получать рисунок с размерами элементов менее I мкм на рабочем поле около 25 мм, при этом время экспонирования до превышает 4 с (однако общее время обработки определяется скоростью откачки системы до давления 1,3 10^-3 Па и составляет примерно 20 мин).

Методу проекционной электронолитографии свойственны два су­щественных недостатка:

1) сложность изготовления реперных знаков;

2) сложность получения фотокатодов с высоким разрешением.

Эти недостатки серьезно ограничивают практическое использо­вание метода.

Сканирующая электронолитография применяется в настоящее время значительно чаще, несмотря на высокую стоимость оборудования и низкую производительность. Ее применение связано главным образом с изготовлением фотошаблонов для контактной или оптической проек­ционной литографии с высоким разрешением.