Барбарош С.С. Реферат - Радиационные методы литографии - файл n1.doc

Барбарош С.С. Реферат - Радиационные методы литографии
скачать (111.5 kb.)
Доступные файлы (1):
n1.doc112kb.21.10.2012 12:16скачать

n1.doc

Введение


Литография — способ печати, при котором краска под давлением переносится с плоской печатной формы на бумагу. В основе литографии лежит физико-химический принцип, подразумевающий получение оттиска с совершенно гладкой поверхности (камня), которая, благодаря соответствующей обработке, приобретает свойство на отдельных своих участках принимать специальную литографскую краску.

Под литографией понимают:

Литография была создана в 1796 году Алоизием Зенефельдером в Богемии, и это была первая принципиально новая техника печати после изобретения гравюры в XV веке.

Планарная технология — совокупность технологических операций, используемая при изготовлении планарных (плоских, поверхностных) полупроводниковых приборов и интегральных микросхем.

На вход технологии поступают пластины, называемыми подложками. В ходе технологического процесса в приповерхностном слое полупроводникового материала, являющегося подложкой или нанесённого на подложку, создают области с различным типом или величиной проводимости, определяемой в конечном счёте различной концентрацией донорных и акцепторных примесей, а также материалом слоя. Поверх слоя полупроводникового материала, с использованием в нужных местах прослоек диэлектрического материала, наносятся слои проводящего материала, образующего контактные площадки и необходимые соединения между областями. Области и слои проводника, полупроводника и диэлектрика в совокупности образуют структуру полупроводникового прибора или интегральной микросхемы.

Особенность планарной технологии состоит в том, чтобы после завершения каждой технологической операции восстанавливается плоская (планарная) форма поверхности пластины, что позволяет создавать достаточно сложную структуру, используя конечный набор технологических операций.

Основные технологические операции, используемые в планарной технологии, основаны на процессе литографии (фотолитографии). Применяются следующие методы:

  1. оптическая фотолитография (стандартная), ?=310-450нм;

  2. фотолитография в глубоком ультрафиолете, ?=200-300нм;

  3. рентгеновская фотолитография, ?=0.1-10нм

  4. электронная литография методы радиационной литографии

  5. ионная литография

Радиационная литография применяется в том случае, если характеристики систем оптической литографии не удовлетворяют требованием по точности совмещения и глубины фокуса.

Радиационная литография


Одним из важнейших применений радиационной технологии яв­ляются новые литографические процессы: электронолитография, рентгенолитография и ионолитография.

Для изготовления полупроводнико­вых приборов и интегральных микросхем широко используется контактная фотолитография и фотолитография с зазорами, кото­рые не обеспечивают достаточно высокого уровня выхода годных структур. Успешно развивается проекционная фотолитография с сохранением масштаба фотошаблона. Существенным ограниче­нием всех оптических систем литографии является то, что пре­дельная разрешающая способность соответствует минимальной ширине изображаемого элемента 0,3—0,5 мкм. Возросшие требо­вания к разрешающей способности при изготовлении СБИС обус­ловили развитие других систем литографии: электронно-лучевой, рентгеновской и ионно-лучевой.

Электронно-лучевая литография


Электронная литография или электронно-лучевая литография — метод литографии с использованием электронного пучка. Электронный пучок сканирует поверхность электронного резиста, повторяя шаблон, заложенный в управляющий компьютер, и позволяя достигать разрешения 1 нм благодаря более короткой длине волны электронов по сравнению со светом.

Электронная литография используется для создания масок для фотолитографии, производстве штучных компонентов, где требуется нанометровое разрешение, в промышленности и научной деятельности. Фотошаблоны для оптической литографии также зачастую производятся с помощью электроннолучевой литографии.

В принципе, установка электронно-лучевой литографии подобна растровому электронному микроскопу. Но если в случае электронной микроскопии материалы лишь исследуются и не подвергаются изменениям, при литографии электронный пучок должен обладать плотностью энергии, достаточной для обработки материала. Требования к стабильности высокого напряжения сходны с требованиями в микроскопии.

В отличие от оптической литографии, электронный пучок способен создавать меньшие структуры, потому могут создаваться полупроводниковые приборы с более высокой плотностью упаковки.

Использование электронной оптики позволяет повысить разре­шающую способность процесса литографии, так как длина волны электрона зависит от его энергии:



Если U выражено в вольтах, то ? получают в нм. При изменении уско­ряющего напряжения от 102 до 104 В длина волны изменяется от 0,1 до 0,01 нм. Практически с помощью электронолитографии по­лучают элементы с минимальной шириной 0,2—1 мкм, а предель­ная ширина линии составляет 0,05 мкм. Достоинствами систем электронной литографии являются: практическое отсутствие ди­фракции, что обеспечивает высокую четкость изображения, значи­тельно более высокая глубина резкости, чем у оптических систем, и, как следствие, большая площадь изображения с предельным разрешением.

Развиваются две системы электронолитографии — проекцион­ная и сканирующая. Сканирующая используется в основном для изготовления рабочих и промежуточных шаблонов, применяемых для проекционной фотолитографии. Производительность сканирую­щих систем невелика, что затрудняет их использование для непо­средственного экспонирования резиста на пластинах без примене­ния шаблонов. Электронно-лучевые проекционные системы являются более производительными. Они аналогичны проекционной фотолитографии с сокращением масштаба, где вместо источника ультрафиолетового излучения используют электронные пучки большого диаметра.

При использовании сканирующей электронолитографии для непосредственного переноса изображения на полупроводниковую пластину минимально достижимые размеры определяются точ­ностью совмещения. Совмещение производят с помощью маркер­ных знаков — вытравленных канавок в кремнии или металличе­ской пленке. Вторичные электроны, эмиттированные под действи­ем электронного пучка, регистрируются детектором. Если луч попадает на маркерный знак, то в детекторе появляется соответст­вующий сигнал, поступающий в ЭВМ. Используют два типа мар­керных знаков: для вращения пластины и определения местополо­жения кристалла. Первые расположены диаметрально по пери­ферии пластины и служат для установления положения пластины относительно предметного стола. Вторые размещены в углах каж­дого кристалла и необходимы для корректировки области скани­рования. Точность совмещения такой системы 0,1 мкм, а время совмещения занимает 0,3—0,4 с.

В случае проекционной электронолитографии точность задания элементов определяется качеством изготовления шаблона, через который производят экспонирование. Шаблон изготовляют из пластины кремния диаметром 75 мм, на которой вначале вы­травливают квадратный участок размером 40x40 мм до толщины кремния 3—5 мкм, а затем в этой тонкой кремниевой пленке тра­вят микроизображения элементов ИМС. Помимо ограничений, присущих всем маскам подобного типа по конфигурации и соче­танию элементов, изготовление таких шаблонов весьма трудоемко и требует селективного травления.

Так как при изготовлении микросхем минимальные размеры необходимо передавать на очень ограниченном числе операций литографии, то широко используют гибридную литографию, соче­тающую электронную и обычную оптическую, что технологичнее и производительнее.

Производительность процесса электронолитографии во многом определяется длительностью экспонирования резиста, поэтому чув­ствительность электронорезистов и их разрешение должны быть высокими: доза экспонирования — не более 0,8 мкКл/см2, разре­шение— не хуже 0,5 мкм. В качестве электронорезистов применя­ют полиметилметакрилат, чувствительность которого составляет 300 мкКл/см2 при энергии электронов 20 кэВ, а также полихлор-метилстирол с чувствительностью 3 мкКл/см2.

Рентгеновская литография


Рентгенолитография – очень быстрый литографический процесс, использующий рентгеновские лучи для засвечивания резиста. Рентгенолитография требует специальную маску (шаблон) и резист, чувствительный к рентгеновскому излучению. Рентгенолитография позволяет получать более высокое разрешение вследствие более короткой длины волны излучения (осуществляется при помощи рентгеновского излучения длиной волны l ~ 0,4-5 нм). Маска изготовляется из стойкого к технол. воздействиям материала - полимерного резиста; необходимый рисунок формируется с помощью рентгеношаблона.

Схема рентгеновской литографии.

Излучение рентгеновского источника 1 с размером излучающей области а попадает на рентгеношаблон, расположенный на расстоянии L от него и состоящий из прозрачной для излучения мембраны 2 и сильнопоглощающего покрытия 3, в котором сформирован рисунок. Пройдя через свободные от маскирующего покрытия участки шаблона, излучение экспонирует плёнку резиста 4, покрывающую поверхность подложки 5. S - расстояние между шаблоном и подложкой.

Типовая рентгеновская литографическая установка состоит из следующих основных узлов:

  1. Кольцевая электронная пушка, сфокусированная на водоохлаждаемую палладиевую мишень, генерирует электронный пучок напряжением 25 кВ и мощностью 5-6 кВт. В результате этого мишень испускает рентгеновские лучи с длиной волны 0,437 нм, которые проходят через бериллиевое окно в камере экспонирования, заполненной гелием. Гелий предотвращает поглощение рентгеновских лучей воздухом.

  2. Рентгеновские резисты, состоящие из поглощающего основного полимерного материала и полимеризуемой мономерной добавки, вводимой в структуру основного материала под воздействием рентгеновского излучения. Негативные рентгеновские резисты получают введением кремнийсодержащих металлоорганических мономеров в хлорированное полимерное поглощающее вещество.

  3. Рентгеновские шаблоны, состоящие из поглощающих рентгеновское излучение металлических пленок (например, золото) и тонкой мембраны, пропускающей рентгеновские лучи. Для изготовления мембран используют такие материалы, как полиамид, Si, SiC, Si N и многослойные структуры Si N / SiO / Si N.

Благодаря малой длине волны ? рентгеновского излучения методы рентгено-литографии обладают высокой разрешающей способностью (~ 10 нм). По сравнению с электронно- и ионо-литографией в рентгено-литографии малы радиационные повреждения формируемых структур и высока производительность благодаря возможности одновременной обработки больших площадей образца. Рентгено-литография отличается большой глубиной резкости и малым влиянием материала подложки и её топографии на разрешающую способность.

Разрешающая способность рентгено-литографии определяется несколькими факторами. Основные из них: дифракционное полутеневое (обозначения на схеме) и фотоэлектронное размытия границ скрытого изображения. Величинаопределяется длиной пробега фото- и оже-электронов в резисте и зависит от состава резиста и ?. Полутеневое размытие можно в достаточной степени уменьшить подбором значений S, d и L. Теоретически предельная разрешающая способность рентгено-литографии (контактное экспонирование; S - Н0, где Н0 - толщина резиста) достигается при ? ~ 5 нм и составляет около 5 нм. Разрешение, близкое к предельному (17,5 нм), получено при экспонировании позитивного резиста - полиметилметакрилата (ПММА) излучением с ? = 4,48 нм.

Для того чтобы электрофизические характеристики элементов интегральных схем имели разброс в допустимых пределах, необходимо, чтобы точность воспроизведения размеров элементов составляла не менее 10% от их ширины, т. е. разрешающая способность метода должна превышать минимальные размеры элементов.

Использование рентгеновского из­лучения позволяет повысить разрешение процесса литографии. Практически получены линии шириной 20 нм, а на пластинах с резистом изготовляют изображения с разрешением до 0,1 мкм. В отличие от ультрафиолетовых лучей, поглощаемых атомными группами полимерных цепей фоторезистов, рентгенов­ские лучи поглощаются целыми молекулами. При этом происходит инжекция электронов с внутренних оболочек атомов. Под дейст­вием этих электронов совершается химическое изменение поли­мерной пленки резиста, причем разрешающая способность рези­ста зависит от расстояния, которое проходит в ней электрон. До­стоинством рентгенолитографии является то, что технологические установки для ее проведения дешевле и проще по конструкции, чем для электронно-лучевой.

В зависимости от размеров элементов ИМС, производительно­сти и типа систем совмещения рентгеновская литография развива­ется по двум направлениям. Первое включает использование из­лучения с Х=0,4—1,3 нм в рентгеновских установках с вращаю­щимся анодом. Применение относительно простых систем совмеще­ния и достаточно чувствительных (~5 Дж/см3) негативных резистов, обеспечивающих разрешение 0,5 мкм и длительность экспо­нирования не более 1 мин. Эти системы применяют для изготов­ления ИМС с размерами элементов 0,5—1 мкм. При втором ис­пользуются синхротронное излучение с ?=1-2,5 нм, более слож­ные системы совмещения, менее чувствительные, но обладающие высокой разрешающей способностью позитивные резисты, обеспе­чивающие изготовление многослойных структур с размерами эле­ментов 0,05—0,5 мкм. Синхротронное излучение возникает от цир­кулирующих по замкнутой орбите релятивистских электронов в синхротроне или электронном накопительном кольце. Высокая интенсивность и малая расходимость синхротронного излучения обеспечивают хорошую передачу изображения. В качестве рези­ста используют полиметилметакрилат.

Широкое распространение получили системы первого типа. Источник рентгеновского излучения — мишень (анод) из Си, Al, Mo, Si, Rh, Pd, Ag — помещают в вакуумную камеру и бомбардируют потоком электронов. Длина волны характеристиче­ского излучения определяется материалом мишени и составляет 0,44, 0,54, 0,83, 1,33 нм для Pd, Mo, Al, Си соответственно. Камера имеет выходное окно, закрытое тонкой мембраной (~50 мкм) из бериллия, обеспечивающей однородность экспонирования подло­жек большого диаметра. Подложки помещают в камеру, запол­ненную Не при давлении 1 Па или атмосферном давлении, что повышает производительность. Расстояние от мишени до шабло­на около 50 см. Шаблоны, через которые производят экспониро­вание, представляют собой несущее основание. Это, например, пластина из кремния или стекла, содержащая в центральной части мембрану — маску с микроизображениями, подобно шаблону для электронолитографии. Важным параметром мембраны является значение и характер механических напряжений в ней. В случае сжимающих напряжений мембрана стремится сжаться при страв­ливании кремния с обратной стороны пластины и провисает. В слу­чае больших растягивающих напряжений мембрана очень хрупкая, поэтому в ней должны существовать умеренные растягивающие напряжения, которые обеспечивают хорошее натяжение мембраны. Для этой цели применяют пленки нитрида кремния SixNy толщи­ной 1 мкм, осаждаемые на кремниевые пластины толщиной 400 мкм в плазме газового разряда, содержащей моносилан и ам­миак.

Пленки SixNy содержат растягивающие напряжения, равные 1—5 кН/см2. На пленку SixNy осаж­дают слой Ti толщиной ~5 нм, на него — слой Аu толщиной ~ 20нм. С помощью электронолитографии и плазмохимического травления слоев Ti—Au формируют топологический рисунок микросхемы. Затем гальва­ническим методом наращивают слой Аи до толщины 0,8 мкм. Этот слой необходим для поглощения рентге­новского излучения. Затем с обратной стороны пластины по пери­ферии наносят слой нитрида кремния Si3N4 толщиной 0,1 мкм и в кипящем 20—30%-ном растворе КОН ведут селективное травление кремния в центральной части пластины, вплоть до пленки SixNy. Сечение полученного шаблона показано на рисунке. Пленка SixNy оптически прозрачна, и совмещение шаблона с микроизобра­жениями на подложке производят традиционными оптическими способами. Зазор между шаблоном и подложкой составляет ~40 мкм.

Благодаря большой проникающей способности рентгеновского излучения, малости эффектов рассеяния и высокого контраста при экспонировании рентгеновская литография позволяет формировать в резистах субмикронные структуры с большим отношением высоты к ширине, а также формировать в однослойных резистах структуры со сложным профилем края. Широкие возможности для рентгено-литографии предоставляет использование синхротронного излучения накопителя колец на энергию 0,6-1 ГэВ с расположенными на них литографическими станциями. Высокая интенсивность и хорошая коллимация синхротронного излучения позволяют создавать промышленные системы с разрешением ~ 0,1 мкм при малых временах экспозиции и упрощают проведение операции совмещения маркерных знаков с точностью ~0,02 мкм и рисунков (с точностью ~0,1 мкм) на больших площадях. Дальнейший прогресс в области источников излучения для рентгено-литографии связан с разработкой компактных синхротронов с электромагнитами из сверхпроводящих материалов.

Ионно-лучевая литография


Появилась как результат поиска путей преодоления ограничений электронной и рентгеновской литографии. Возможны два способа формирования изображения на ионорезисте: сканирование с фокусированным лучом и проецирование топологии с шаблона в плоскость подложки. Сканирующая электронно-лучевая литография аналогична сканирующей электронной литографии. Ионы He+, H+, Ar+ образуемые в источнике ионов вытягиваются из источника, ускоряются и фокусируются в плоскость подложки электронно-оптической системы. Сканирование выполняют кадрами площадью 1 мм2 с пошаговым перемещением столика с подложкой и совмещением на каждом кадре. Сканирование с фокусированным ионным лучом предназначено для получения топологии с размерами элементов от 0,03–0,3 мкм. Проекционная ионно-лучевая литография выполняется широким коллимированным ионным пучком площадью 1 см2.

С помощью ионных пучков выпол­няются различные операции для создания ИМС, в том числе экс­понирование резистов при изготовлении шаблонов и обработке пластин. При использовании пучков протонов или других ионов исключаются проблемы, связанные с дифракцией в оптической фо­толитографии или с диффузным рассеянием электронов в электро­нолитографии. Ионно-лучевая литография обеспечивает разрешаю­щую способность не хуже 0,5 мкм, а минимальная ширина линии составляет 0,04 мкм. Для экспонирования требуются дозы облуче­ния, во много раз меньшие, чем в электронной литографии. В отли­чие от рентгеновской литографии экспонирование ускоренными ионами позволяет избавиться от полутеневых искажений микро­изображений, так как источники ионов обеспечивают хорошо коллимированные пучки.

Литографическое применение ионных пучков возможно: в установках пошаговой печати; в системах, использующих фокусированные пучки протонов, ионов Si+, В, Р.

Главным достоинством ионных пучков по сравнению с электронными является малое обратное рассеяние и, следовательно, минимальный эффект близости.

В ионно-лучевой литографии используются шаблоны типа металл на кремний или трафаретные. В случае применения последних произвольный рисунок можно воспроизвести, используя взаимодополняющие трафаретные шаблоны.

Для того чтобы ионная литография могла конкурировать с рентгеновской литографией, необходимо создать компактный источник ионов. Здесь пригодны схемы совмещения, разработанные для установок рентгеновской литографии. Из-за эффектов полутени и коробления пластины следует избегать экспонирования больших областей.

Фокусированные ионные пучки можно использовать для экспонирования резистов, исправления дефектов фотошаблонов, а также в безрезистной литографии и непосредственного травления оксида кремния.

Сущность ионной литографии состоит в экспонировании пластины широким пучком ионов Н+, Не2+ или Ar+ через шаблон из золота на кремниевой мембране или поточечного экспонирования сканирующим пучком из жидкометаллического (Ga) источника. Зазор между шаблоном и пластиной составляет около 20 мкм, но для субмикронных процессов требуется контакт, так как изолированные элементы изображения не могут быть экспонированы через сквозной шаблон, а составные шаблоны разделяются на две взаимодополняющие части.

Поскольку ионы поглощаются в 10-100 раз эффективнее, чем электроны, то и требуется их в 10-100 раз меньше. Хорошая корреляция между экспонированием протонами и электронами была продемонстрирована Бро и Миллером. Так как источник протонов может давать пучок с плотностью мощности более 100 мВт/см2 (> 1 А/ см2), то малое время экспонирования (в микросекундах на кристалл или секундах на пластину) обеспечивает стабильность шаблона и субмикронное совмещение. Изображения с вертикальным профилем края (искажение края профиля < 0.1 мкм, обусловленное отклонениями при изготовлении шаблона) могут быть сформированы как в негативных, так и в позитивных резистах. Даже десятикратное переэкспонирование не вызывает изменения ширины линий. Взаимный эффект близости ярко выраженный при ЭЛ-экспонировании, не наблюдается благодаря малости обратного рассеяния протонов.

Сфокусированные ионные пучки для прямого (без шаблона) экспонирования резистов имеют ограниченное применение, так как размер поля экспонирования не превышает 1 мм2. При сканировании ионного пучка его отклонение происходит медленнее по сравнению с электронным пучком, а разрешающая способность объектива (МПФ) оказывается не лучше 1 мкм в кристалле 5*5 мм. В настоящее время ионные пучки используются в основном для ретуширования фотошаблонов. Другая область применения металлических ионных источников (таких, как Si или Ga) - имплантация в поверхностный слой ПММА толщиной всего 100 нм. Поскольку ионно-имплантированный резист устойчив к травлению в кислородной плазме, то изображение обращается и переносится в ПММА с помощью РИТ. Дополнительная область применения ионно-лучевого экспонирования - отверждение резистов ДХН и ПММА для реактивного ионного травления или других применений в качестве маски. При ионной имплантации В, Р или As резист со скрытым изображением работает как барьерный слой.

Ионно-лучевое экспонирование является идеальным в том смысле, что для него прямое и обратное рассеяния пренебрежимо малы, а радиационные повреждения в кремниевой подложке практически отсутствуют, так как ионы в основном не проходят сквозь слой резиста. Поскольку ионы очень эффективно передают в резист энергию, то чувствительность резиста не является решающим фактором для производительности, которую в данном случае обеспечивают подбором подходящего высокоинтенсивного источника ионов, термостабильного шаблона и высокой точностью совмещения (± 0.1 мкм).


Заключение


Из всех методов радиационной литографии доминирующим является электронно-лучевая литография, для рентгеновского и ионно-лучевого экспонирования необходим еще один этап усовершенствования. Реально ширина экспонируемой линии примерно в 4 раза превышает точность совмещения.

Ключем к высокопроизводительной литографии являются высококачественные стойкие шаблоны, которые способны выдерживать термические и механические напряжения. Выбор вида излучения (широкие пучки рентгеновского излучения, электронов или ионов) для экспонирования через шаблон, зависит в основном от трех факторов:

1) может ли быть изготовлена маска с резкостью края лучше чем 1/10 воспроизводимого размера;

2) обеспечивается ли достаточная плоскостность шаблона и сохраняются ли она, а также рисунок неизменными во время экспонирования:

3) может ли быть разработана такая схема совмещения, в которой различались бы длины волн экспонирования и совмещения.

Производительность любого экспонирующего оборудования лимитирована интенсивностью источника и чувствительностью резиста. При оптическом экспонировании, исключая ДУФ-диапазон, эти величины соответствуют друг другу. Для электронно- и ионно-лучевого экспонирования желательно повысить чувствительность. Особенно это относится к новолачным резистам. Для рентгеновского экспонирования требуются хорошие однослойные пленки резиста, чтобы реализовать возможности получения высокого разрешения и устранить низкую производительность. С помощью рентгеновского экспонирования можно также избежать дополнительных затрат, связанных с внедрением многослойных резистов, требуемых в будущем для оптической и электронно-лучевой литографии.


Библиографический список

  1. Технология производства полупроводниковых приборов и интегральных схем. Курносов А.И., Юдин В.В. / Москва, Высшая школа – 1986г.

  2. Физико-технические принципы построения, разработка и применение высокоэнергетичных ионных имплантеров. Адиенко А.А. / Дисетртация; Москва, 2004г.

  3. Литография высокого разрешения в технологии полупроводников. / Курсовая работа; http://www.bestreferat.ru/referat-93448.html

  4. http://ru.wikipedia.org/wiki

  5. http://femto.com.ua/articles/part_2/3406.html


Учебный материал
© bib.convdocs.org
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации