4. Электронная литография.

Электронная литография (электронолитография) является способом формирования задан­ного рельефа или топологии с помощью электронного луча.

Известно, что длина электронной волны определяется соотноше­нием де Бройля λ = h/(mv), где h — постоянная Планка, т — мас­са электрона, v — скорость электрона.

В свою очередь, скорость электрона зависит от ускоряющего на­пряжения U (v= (2qU/m)^0.5, здесь q — заряд электрона). Оценки да­ют значение длины волны электронов порядка 0,01 нм при ускоря­ющем потенциале 20 - 50 кВ. При таком зна­чении λ разрешение может достичь теоретической величины близкой к 0,1 нм. В научных исследованиях удавалось вытравливать линии шириной 1,3 нм при использовании луча диаметром 0,5 нм.

В настоящее время применяются два метода электронолитогра­фии: проекционный с использованием шаблонов и сканирующий путем обработки электронного резиста сфокусированным электрон­ным лучом. В обоих случаях процессы проводят в вакуумной камере.

При проекционной электронолитографии на электронорезист пе­редается одновременно весь рисунок шаблона. Высокоинтенсивные источники электронов называют фотокатодами. В зависимости от значения коэффициента увеличения изображения эти системы под­разделяются на проекционные с сохранением масштаба и проекци­онные с уменьшением изображения.

Среди недостатков установок с фотокатодами отметим снижение разрешающей способности вследствие рассеяния электронов в обрат­ном направлении, а также нагрев резиста падающими на него элек­тронами. Все это приводит к искажению изображении, газовыделению из резиста, загрязняющему катод. В резисте появляются пу­зырьки над метками совмещения, искажающие сигнал совмещения. Степень нагрева резиста и подложки зависит от мгновенной мощно­сти пучка, теплопроводности резиста и подложки.

Для снижения дозы и уменьшения нагрева нужны чувствитель­ные резисты (1 мкКл/см²). Тем не менее, установки с фотокатодами являются высокопроизводительными, прецизионными и надежными установками для получения рисунков с субмикронными размерами. При втором методе электронолитографии экспонирование электронорезиста осуществляется сфокусированным сканирующим элект­ронным лучом — прямое экспонирование (рис. 2.21). К любой литографической системе электронно-лучевого экспонирования предъ­являются следующие принципиальные требования:

контроль критического размера;

точность совмещения;

эффективность затрат;

технологическая гибкость;

совместимость с другими экспонирующими системами.

Подложку, на которой необходимо сформировать топологию, по­мешают под электронный луч на столике с интерферометрическим контролем положения в плоскости XY. Фокусирование и сканирова­ние электронного луча по обрабатываемой области достигается с по­мощью комбинации электростатических и электромагнитных линз и дефлекторов, управляемых с помощью ЭВМ.

Существует несколько вариантов построения сканирующих уста­новок электронно-лучевого экспонирования. В них могут использо­ваться круглый гауссов луч либо луч с сечением фиксированной или переменной прямоугольной формы в режиме растрового или вектор­ного сканирования или в комбинированном растрово-векторном ре­жиме, пошаговое либо непрерывное перемещение столика. Источни­ком электронов служат вольфрамовая нить, эмиттер из гексаборида лантана, полевой эмиссионный катод (острие), простой либо состав­ной источник. Коррекция эффектов близости, как правило, осуще­ствляется варьированием дозы, размеров экспонируемых областей либо сочетанием того и другого. Ускоряющее напряжение составля­ет от 5 до 10 кэВ.

Главными элементами экспонирующей электронно-лучевой сис­темы являются источник электронов, системы фокусировки и бланки­рования луча, устройство контроля совмещения и отклонения, элект­ромеханический стол и компьютерный интерфейс. Блок бланкирова­ния электростатического или электромагнитного типа служит для «выключения» электронного луча путем отклонения его за пределы отверстия коллимирующей диафрагмы. Блок отклонения может быть электростатическим или электромагнитным, предпочтение обычно отлается последнему по причинам меньших аберраций и лучшей за­щищенности от влияния поверхностного заряда. Блок динамической фокусировки корректирует аберрации, вносимые отклонением луча от оптической оси. Система детектирования электронов сигнализиру­ет об обнаружении меток совмещения и других деталей рельефа ми­шени. Прецизионный рабочий стол с механическим приводом обеспе­чивает перемещение подложки для обработки всей ее поверхности. Все операции осуществляются в вакуумной системе.

Экспонирование можно проводить двумя способами: растровым или векторным сканированием луча. При растровом сканировании луч перемещается построчно (как в телевизионном кинескопе) по всей области сканирования, называемой полем, включаясь только в тех местах, которые соответствуют элементам рисунка. В случае векторного сканирования, являющегося более производительным, элект­ронный луч адресуется только в те места, которые соответствуют эле­ментам рисунка, выключаясь на участках перехода от одного элемен­та к другому. Поле, в пределах которого можно с высокой точностью сформировать

Рис.2.22. Способы сканирования электронным лучом:

а) пошаговое; б) – непрерывное перемещение образца.

рисунок, имеет форму квадрата со стороной, не превы­шающей несколько миллиметров. Для получения рисунка на всей по­верхности подложки подложку необходимо перемещать.

Существует два способа перемещения. При первом способе пере­мещение осуществляется в режиме мультиплицирования (пошаго­вое перемещение), когда после завершения формирования рисунка в пределах одного поля подложка перемещается в положение, соот­ветствующее следующему полю (рис, 2.22а).

При втором способе подложка перемешается в непрерывном ре­жиме, при этом электронный луч, отклоняясь в направлении, пер­пендикулярном направлению движения подложки, выписывает на резисте полоску определенной ширины, прорисовывая встречающи­еся на ней элементы.

Когда луч достигает края подложки, подложка смещается в пер­пендикулярном направлении с шагом, соответствующим ширине следующей полоски, посте чего непрерывное движение подложки продолжается, но в направлении, противоположном первоначально­му, и т. д, (рис. 2.22б). Столик, на котором укреплена подложка, может перемещаться в двух взаимно перпендикулярных направле­ниях с высокой точностью. Система крепления столика обеспечива­ет высокую жесткость по отношению к двум взаимно перпендику­лярным направлениям перемещения.

На предельное разрешение электронно-лучевых систем помимо факторов, отмеченных выше, влияют также форма сечения элект­ронного луча, его энергия, взаимодействие электронов с материалом резиста и подложки и величина области простирания обратного рас­сеяния электронов, чувствительность резиста, электрон-электронное взаимодействие в самом луче.

Электронное облучение резиста вызывает образование или раз­рыв межмолекулирных связей. Падающие на пластину электроны рассеиваются по мере их проникновения в резист и расположенную под ним подложку до тех пор, пока не потеряют свою энергию или не покинут подложку в результате столкновений, приводящих к об­ратному рассеянию. Обратно рассеянные из подложки электроны могут продолжать экспонировать резист на некотором расстоянии от точки падения луча. При энергии луча 25 кэВ и диаметре 1 мкм полуширина области обратного рассеяния электронов составляет 5 мкм, а при энергии 50 кэВ достигает 15 мкм. Кроме того, падаю­щие электроны, взаимодействуя с резистом, приводят к образова­нию вторичных электронов, также способных дополнительно экспо­нировать резист. Поскольку резист суммирует вклады энергии от всех окружающих областей, доза экспонирования, полученная од­ним фрагментом элемента, воздействует на процесс экспонирования соседних фрагментов и элементов. Другими словами, суммарная по­глощенная резистом энергия зависит от близости соседних экспони­руемых областей. Это явление называют эффектом близости.

Эффекты близости являются основной проблемой электронно­лучевой литографии. Они приводят к нежелательному экспонирова­нию областей, в которые луч непосредственно не направлялся.

Для уменьшения эффекта близости разработаны различные ме­тоды: коррекция дозой облучения, коррекция формой рисунка, ис­пользование многослойного резиста с барьерным слоем из металла и толщиной чувствительного слоя 0,1 - 0,2 мкм, использование высо­коконтрастных резистов и др.

Изображение, которое должно быть сформировано на подложке электронным лучом, состоит из штрихов (pixel). Штрих представ­ляет собой элемент, имеющий минимальные ограниченные разреша­ющей способностью устройства экспонирования размеры. Мини­мально различимым топологическим рисунком является один экспо­нированный и один неэкспонированный штрих. Для формирования необходимого изображения некоторое минимальное суммарное чис­ло электронов –N_min должно бомбардировать каждый экспонируемый штрих. При данной чувствительности резиста S минимальная вели­чина N_min равна

(2-10)

где L_p (см) — минимальный размер штриха, S (Кл/см²) — чувст­вительность резиста, q (Кл) — заряд электрона. Лимитирующая до­за экспонирования в этом случае определяется выражением

Эмиссия электронов с катода электронной пушки является сту­чайным процессом, т. е. носит статистический характер, и число электронов, бомбардирующих данный элемент штриха в течение времени t, статистически переменно. Можно показать, что вследст­вие статистической природы явления электронной эмиссии мини­мальное число электронов N_min, необходимое для экспонирования штриха, ограничено снизу пределом допустимого дробового шума и составляет примерно 200 электронов. C учетом этого из уравнения (2.10) можно записать:

(2-12)

Это уравнение определяет основное соотношение между чувстви­тельностью резиста и разрешением при предельно допустимом дро­бовом шуме; чем выше чувствительность резиста, тем лучшее раз­решение можно получить.

Так как при уменьшении размеров экспонируемых областей ток луча из-за электрон-электронных взаимодействий приходится умень­шать, то может оказаться, что число электронов, попавших на эле­мент нанометрового изображения (штрих) при заданной чувствительности резиста, будет недостаточным для формирования этого изобра­жении. Если на 1 см² падает 6∙10¹¹ электронов, то в пятно размером (0.1 х 0,1) мкм² попадет только 60 электронов с неопределенностью дробового шума. Разрешение, согласно статистике Пуассона и как следует из соотношения (2.12), есть простая функция дозы

Чтобы достичь нанометрового разрешения, для малых элементов изображения требуется большая доза, чем соответствующая паспор­тной чувствительности резиста. При малых дозах (меньше 1 мкКл/см²) размер экспонированных пятен настолько мал, что ре­зист не проявляется. Для изолированных линий недостает обратно рассеянных электронов, и для компенсации этого дефицита (внут­реннего эффекта близости) требуется избыточная доза. Повышен­ные дозы, требуемые в нанолитографии, приводят к непомерно вы­сокому времени экспонирования, если не использовать резисты, способные к усилению изображения, чувствительностью около 0.01 мкКл/см². Однако следует помнить, что в электронной оптике, рентгеновской технике и других областях существуют фундаментальные физические ограничения, в частности, на размер экспони­руемой области, дозу, время облучения, рабочее поле и др., которые ставят предел на минимизацию этих параметров.

Фактически разрешение при электронно-лучевом экспонирова­нии оценивается минимальной шириной линии а_мин , полученной после проявления электронорезиста. Практически установлено, что экспонированная линия шириной b после проявления уширяется примерно на толщину слоя резиста h, т. е. а_мин= b+ h. Уменьше­нию толщины резиста препятствует снижение стойкости защитной маски при последующем травлении. В связи с этим в электроноли­тографии возрастают требования к качеству выполнения процессов нанесения резиста и плазменного травления.

Эффект близости в электронной литографии. Марголин с.293.

Вследствие рассеяния первичных и обратноотраженных от под­ложки электронов в слое резиста на внешних границах зоны, соответствующей зоне геометрического пучка, происходит энерго­выделение и инициируемые им процессы физико-химических и структурных изменений в резисте. При проявлении резиста фор­мирование рисунка осуществляется в соответствии с этой выде­лившейся энергией и могут возникнуть непредсказуемые искаже­ния. Если при генерации изображения одного фрагмента, энергия, выделившаяся вне зоны пучка на некотором расстоянии от него, меньше удельной критической энергии, то при проявлении рези­ста изменения зоны обработки на этом участке не произойдет, но если рядом будет располагаться другой фрагмент, который тоже даст энергетический вклад на этом участке, то их совместное воз­действие приведет к образованию после проявления паразитного изображения. Возникновение искажений, обусловленных взаим­ным влиянием близко расположенных элементов изображения, называется эффектом близости.

Эффекты близости подразделяются на два типа: внешний эф­фект близости — эффект, вызванный взаимным влиянием рядом расположенных отдельных элементов рисунка; внутренний эффект близости — эффект, обусловленный взаимным влиянием отдель­ных элементов изображения друг на друга внутри самого изобра­жения (рис. 5.14).

Поскольку эффект близости связан с энерговыделением по всей толщине резиста на некотором удалении от границ пучка, мето­дов аналитического моделирования недостаточно, приходится сочетать их с машинными методами, использующими ЭВМ. При этом резист разбивается на ячейки и определяется средняя выде­лившаяся энергия в каждой ячейке. В случае превышения удель­ной критической энергии эта ячейка считается структурирован­ной. Современная вычислительная техника позволяет разбивать реальные технологические слои на ячейки сколь угодно малого размера. При этом вводятся некоторые особые понятия.

Рис. 5.14. Внешний (1) и внутрен­ний (2) эффекты близости

Зона формирования скрытого изображения — зона, которая оп­ределяет минимальное расстояние между элементами изображе­ния, полностью исключающее возможность появления нежелательных элементов рисунка, возникающих за счет перекрытия зон формирования скрытого изображения. Она определяет максимально возможное, при самых неблагоприятных условиях экспозиции и самых плохих характеристиках используемых материалов, распрос­транение как первичных электронов, так и веера обратноотра­женных электронов в слое резиста за пределами зоны, соответ­ствующей геометрии электронного пучка.

Зона эффекта близости — часть зоны геометрической тени, в которой выделившаяся энергия превышает удельную критическую энергию, что приводит к уширению рисунка. При этом толщина образовавшейся пленки вследствие неидеальности КЧХ в зоне эффекта близости может быть меньше предварительно нанесен­ной, что приводит к сложному профилю получаемой линии. Гра­ница зоны эффекта близости может смещаться до границ зоны формирования скрытого изображения, но ни при каких условиях не может выйти за ее пределы.

При экспонировании электронным лучом поверхности подлож­ки, на которой в процессе изготовления образовалась ступенька, характер эффекта близости меняется, что является причиной ис­кажения размеров рисунка и появления разорванных линий. Для компенсации и коррекции эффекта близости применяют различ­ные методы. Компенсация внутреннего эффекта близости осуще­ствляется обычно посредством изменения интенсивности облуче­ния при соответствующем разбиении рисунка и применения ме­тода коррекции интенсивности облучения одного рисунка.

При этом в случае крупных рисунков необходимо обеспечить высокую скорость обработки данных ЭВМ. Возможно также изме­нение скорости сканирования рисунка электронным лучом, изме­нение размеров луча во время экспонирования или изменение плот­ности тока по сечению луча. Для использования методов коррек­ции эффекта близости необходима мощная вычислительная база.

Добавить из других книг.