Рентгеновская литография. РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

Рентгеновская литография - метод микроэлектронной технологии, заключающийся в формировании с субмикронным разрешением защитной маски заданного профиля на поверхности подложки; осуществляется при помощи рентг. излучения длиной волны l ~ 0,4-5 нм; один из методов микролитографии. Маска изготовляется из стойкого к технол. воздействиям материала - полимерного резиста; необходимый рисунок формируется с помощью рентгеношаблона. Поток рентг. излучения направляют на рентгеношаб-лон (рис. 1), к-рый этот поток пространственно модулирует. Резист поглощает попавшее на него излучение, и т. о. в нём формируется скрытое изображение рентгеношаблона: под действием излучения в резисте образуются высокоэнергетичные (с энергией

~ 1 кэВ) фото- и оже-электроны, к-рые вызывают сшивание молекул резиста или их деструкцию. В зависимости от того, какой из процессов преобладает, при проявлении на подложке остаются либо облучённые, либо необлучённые участки, т. е. получается негативное или позитивное изображение рисунка шаблона (рис. 2). Соответственно резисты делятся на негативные и позитивные.

Рис. 1. 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 н-ром 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.

Благодаря малой длине волны l рентг. излучения методы Р. л. обладают высокой разрешающей способностью (~ 10 нм). По сравнению с электроне- и ионо-литографией в Р. л. малы радиац. повреждения формируемых структур и высока производительность благодаря возможности одноврем. обработки больших площадей образца. Р. л. отличается большой глубиной резкости и малым влиянием материала подложки и её топографии на разрешающую способность.

Разрешающая способность Р. л. определяется неск. факторами. Основные из них: дифракционное

полутеневое

(обозначения см. на рис. 1) и фотоэлектронное

размытия границ скрытого изображения. Величина

определяется длиной пробега фото- и оже-электронов в резисте и зависит от состава резиста и l (рис. 3). Полутеневое размытие можно в достаточной степени уменьшить подбором значений S, d и L. Теоретически предельная разрешающая способность Р. л. (контактное экспонирование; S - Н₀, где Н₀ - толщина резиста) достигается при l ! 5 нм и составляет ок. 5 нм. Разрешение, близкое к предельному (17,5 нм), получено при экспонировании позитивного резиста - полиметилметакрилата (ПММА) излучением

(l = 4,48 нм). Для того чтобы электрофиз. 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 мин. размеры элементов.

Рис. 2. Фотография тестовой структуры с шириной линий 0,3 мкм, сформированной методом рентгеновской литографии в позитивном резисте толщиной 3 мкм, полученная в растровом электронном микроскопе (РЭМ-фотография).

Рис. 3. Зависимость дифракционного и фотоэлектронного пределов разрешения от l. Дифракционное размытие приведено для величин зазоров 1 и 25 мкм, а также для случая контактного экспонирования - прямые 1, 2 и 3 соответственно; 4 - зависимость эффективного пробега фотоэлектронов в органическом резисте; пунктирная кривая - участок аналогичной зависимости для рези-ета, в состав которого для увеличения поглощения излучения введены атомы кремния. Вблизи скачков поглощения ход зависимости немонотонен, что связано с резким изменением энергетического спектра фото- и оже-электронов.

Р. л. предъявляет высокие требования к рентгено-шаблонам. Мембрана шаблона при достаточно высокой механич. прочности и стабильности должна пропускать не менее 50% излучения (что возможно при толщинах ~ 1 мкм), а нанесённое на неё маскирующее покрытие быть высококонтрастным - сильно (на порядок) ослаблять поток излучения, толщина же покрытия не должна

Рис. 4. Зависимость коэффициента поглещения рентгеновского излучения материалами, используемыми для изготовления рентгеношаблонов, и стандартного резиста (ПММА) от l. превышать 1 мкм, т. к. в более толстом маскирующем покрытии затруднено формирование рисунка с субмикронными размерами.

Для излучения с l < 0,3 нм отсутствуют материалы для изготовления высококонтрастного маскирующего покрытия, а при l > 1,5 нм поглощение мембраны шаблонов слишком сильно (рис. 4). Исключение составляют лишь полимерные пленки в диапазоне длин волн 4,2-6 нм. Наиб. распространение получили мембраны из кремния и его соединений - карбида, нитрида и оксинитрида. Используются также мембраны из нитрида бора, бериллия, полимеров - полиимида и париле-на, а также комбинированные (нитрид бора - полимер и др.).

Резистивные плёнки для Р. л. формируют на подложке из раствора полимера методом центрифугирования. После сушки, в процессе к-рой удаляется растворитель, плёнку облучают и обрабатывают в жидкостном проявителе. Осн. характеристики резиста - чувствительность, контрастность, разрешающая способность и стойкость к последующим технол. процессам, в частности к плазмохим. травлению. Возможны и "сухие" методы нанесения резистов (плазменная полимеризация, термич. напыление) и проявления изображения в них (плазмохим. и УФ-травление, сублимация в вакууме). Рассматривается возможность применения и неор-ганич. материалов, напр. халькогенидных стёкол.

Рис. 5. РЭМ-фотографии структур с различным профилем края, сформированных в позитивном резисте.

Благодаря большой проникающей способности рентг. излучения, малости эффектов рассеяния и высокого контраста при экспонировании Р. л. позволяет формировать в резистах субмикронные структуры с большим отношением высоты к ширине, а также формировать в однослойных резистах структуры со сложным профилем края (рис. 5), напр. нависающим. Последнее достигается за счёт дополнит. экспозиции тонких слоев резиста фотоэлектронами из подложки либо из шаблона. Перспективно применение двухслойных и трёхслойных резистов, значительно расширяющих возможности формирования структур со сложным профилем (рис. 6).

В установках Р. л. 1-го поколения в качестве источников излучения сужат рентг. трубки с неподвижным либо вращающимся водоохлаждаемым анодом мощностью в неск. кВт. Материалы анодов (и их l) - Си (1,33 нм), А1 (0,834), Мо (0,54 нм), Pd (0,434 нм). Экспонирование осуществляется в вакуумной камере либо в атмосфере гелия. Недостаток таких источников - низкая производительность, обусловленная малым коэф. преобразования энергии электронного пучка в мягкое рентг. излучение (~10^-5). Более производительны установки 2-го поколения, в к-рых точечными источниками излучения являются плазма, возбуждаемая лазерным излучением, или сильноточный разряд в газе.

Широкие возможности для Р. л. предоставляет использование синхротронного излучения накопит. колец на энергию 0,6-1 ГэВ с расположенными на них литографич. станциями (св. 10 на каждом накопит. кольце).

Рис. 6. РЭМ-фотографии структур со сложным профилем края, сформированных в двух- и трехслойном рентгенорезистах.

Высокая интенсивность и хорошая коллимация синхротронного излучения позволяют создавать пром. 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 Р. л. связан с разработкой компактных синхротронов с электромагнитами из сверхпроводящих материалов.

Литература по рентгеновской литографии

Знаете ли Вы, что релятивистское объяснение феномену CMB (космическому микроволновому излучению) придумал человек выдающейся фантазии Иосиф Шкловский (помните книжку миллионного тиража "Вселенная, жизнь, разум"?). Он выдвинул совершенно абсурдную идею, заключавшуюся в том, что это есть "реликтовое" излучение, оставшееся после "Большого Взрыва", то есть от момента "рождения" Вселенной. Хотя из простой логики следует, что Вселенная есть всё, а значит, у нее нет ни начала, ни конца... Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.