Рис. 19 Общий вид рентгеновской установки экспонирования.
Рентгеновская литография. Принципиальная схема установки для рентгеновской литографии. Резисты и шаблоны для рентгеновской литографии.
Рентгеновская литография является разновидностью оптической бесконтактной печати, в которой длина волны экспонирующего облучения лежит в диапазоне 0.4 - 5 нм. Несмотря на то, что при рентгеновской литографии используется бесконтактная экспонирующая система, проявление дифракционных эффектов уменьшено за счет малой длины волны рентгеновского излучения.
Основная причина разработки метода рентгеновской литографии заключалась в возможности получения высокого разрешения и в то же время высокой производительности оборудования. Кроме того, за счет малой величины энергии мягкого рентгеновского излучения уменьшается проявление эффектов рассеяния в резистах и подложке, следовательно, нет необходимости в коррекции эффектов близости.
Поскольку рентгеновские лучи практически не поглощаются загрязнениями, состоящими из компонентов с малым атомным номером, то наличие загрязнений на шаблоне не приводит к возникновению дефектов рисунка на резисте. Кроме того, вследствие низкого поглощения рентгеновского излучения рентгеновский резист большой толщины может быть однородно экспонирован на всю толщину, в результате чего в его объеме у окон формируются вертикальные стенки, точно повторяющие рисунок шаблона.
Так как изготовление рентгеновских оптических элементов связано с определенными трудностями, применение рентгеновской литографии ограничено теневой печатью. Разрешение, получаемое при использовании метода рентгеновской литографии, ограничено геометрическими эффектами.
Рентгеновская литография обеспечивает наилучшие условия для достижения субмикронного разрешения при высокой производительности обработки пластин. При использовании существующих резистов и рентгеновских источников пластины полностью могут быть экспонированы за 1 минуту с разрешением <0.5 мкм.
В будущем возможно осуществление экспонирования резистов методом мультиплицирования с помощью коллимированного рентгеновского излучения синхротрона. Однако прежде чем рентгеновская литография найдет широкое промышленное применение, должны быть усовершенствованы методы автоматического совмещения и изготовления рентгеновских шаблонов.
Рис. 19 Общий вид рентгеновской установки экспонирования.
На рис. 19показан общий вид рентгеновской установки экспонирования. Электронная пушка генерирует электронный пучок, фокусируемый на охлаждаемой водой мишени (часто используется палладиевая мишень). Напряжение на аноде составляет 25 кВ, потребляемая мощность 4-6 кВт. В результате анод испускает рентгеновские лучи с длиной волны 0.437 нм, которые через бериллиевое окно попадают в камеру экспонирования.
Рис. 20Схема работы рентгеновской установки экспонирования.
Образец (подложка) вместе с шаблоном загружаются в камеру экспонирования (шлюзовую камеру), заполненную гелием, имеющим малое значение коэффициента поглощения рентгеновского излучения. По мере необходимости образец извлекается из камеры для проведения процессов совмещения с шаблоном. Между шаблоном и подложкой устанавливается зазор около 40 мкм.
Описанная выше схема, не позволяет достичь максимально возможного разрешения ввиду геометрических ограничений (рис. 20 Рассмотрим ситуацию, когда источник рентгеновских лучей диаметром Ф расположен на расстоянии L от рентгеновского шаблона, который в свою очередь отстоит на расстояние g от покрытой резистом пластины. Протяженность источника приводит к размытию края изображения на резисте на величину d= h(g/L). Для типичных величин h= З мм, g= 40 мкм и L= 50 см размытие изображения составляет величину порядка 0.2 мкм.
Другим геометрическим эффектом, проиллюстрированным на рис. 20является погрешность, связанная с увеличением размеров элемента в боковом направлении, которая вызвана расходимостью рентгеновского луча от точечного источника и существованием зазора конечной величины между шаблоном и пластиной. Изображение шаблона сдвигается в боковом направлении на величину d, определяемую из соотношения d= r(g/L), где r - расстояние, измеренное в радиальном направлении от центра пластины. Погрешность равна нулю в центре пластины и линейно возрастает к краям пластины. Эта погрешность ухода изображения может достигать величины 5 мкм на краю пластины диаметром 125 мм при величинах g= 40 мкм и L= 50 см.
В принципе ошибка может быть скомпенсирована во время процесса изготовления шаблона. Однако отклонения величины зазора между шаблоном и пластиной, как вдоль пластины, так и от уровня к уровню шаблона вносят значительные погрешности ухода изображения. В связи с этим может возникнуть необходимость регулировки зазора перед каждым экспонированием.
Рентгеновские лучи с длиной волны в диапазоне 0.1 - 5 нм (энергия фотонов в диапазоне 10 - 0.25 кэВ) испытывают незначительное рассеяние при прохождении через материал резиста. Рентгеновский луч движется по прямой траектории до тех пор, пока не захватится атомом, который испускает при этом фотоэлектрон. Энергия фотоэлектрона равна энергии фотона рентгеновского излучения за вычетом энергии связи в несколько электрон-вольт, необходимой для удаления электрона из электронной оболочки атома. Наиболее вероятным направлением движения электрона является направление, перпендикулярное движению фотона рентгеновского луча, т. е. в плоскости резиста. Поскольку все процессы заканчиваются эмиссией электронов, поглощение рентгеновского излучения материалом резиста может быть представлено как испускание потока вторичных электронов. Эти электроны экспонируют резист, разрывая молекулярные цепи полимера или образуя между ними поперечные связи в зависимости от типа резиста. Все электронные резисты являются так же и рентгеновскими.
Одним из путей повышения чувствительности является увеличение поглощения резистом рентгеновского излучения. Поглощение рентгеновских лучей описывается уравнением:
I= I0exp(-kt),
где t - толщина слоя резиста, k - линейный коэффициент поглощения, I0 и I - интенсивность излучения до и после поглощения соответственно.
Поглощение может повышаться с увеличением коэффициента поглощения, который связан с атомным поперечным сечением захвата рентгеновского излучения компонентами резиста. Поперечное сечение захвата рентгеновского излучения электронами в данной электронной оболочке атома изменяется с длиной волны излучения и резко увеличивается при определенных критических величинах длин волн.
Чувствительность рентгеновских резистов повышается при включении в их состав компонентов, у которых край поглощения лежит вблизи резонанса с длиной волны экспонирующего облучения.
Несмотря на высокую чувствительность и возможность обеспечения большой производительности установок экспонирования, негативные резисты имеют ограниченную разрешающую способность из-за его разбухания и уплотнения во время процесса проявления. Сухое проявление путем плазменной обработки позволяет избежать разбухания. В последнее время было разработано несколько типов негативных резистов, проявляемых в плазме.
Эти резисты состоят 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. Они могут быть полностью экспонированы в течение 1 минуты и проявлены в кислородной плазме. Разрешающая способность резиста составляет величину <0.5 мкм.
Резист состоит из основного полимерного вещества и металлоорганического мономера. Излучение, падающее на резист, полимеризует мономер и основной полимер, включая в состав основного вещества металлоорганическую компоненту. После экспозиции пленка резиста высушивается в вакууме для удаления неполимеризованного мономера.
Изображение на резисте проявляется с использованием кислородной плазмы. Основным предполагаемым механизмом проявления является механизм, основанный на превращении металлоорганического мономера в окисел металла, который предохраняет остающийся резист от воздействия кислородной плазмы. Этот защитный слой далее увеличивает разницу в скорости удаления в плазме экспонированного и неэкспонированного резиста, и, таким образом, происходит проявление изображения.
Рентгеновские шаблоны состоят из поглощающих рентгеновское излучение металлических пленок с нанесенным на них рисунком и тонкой мембраны, пропускающей рентгеновские лучи. Толщина поглощающего материала определяется длиной волны рентгеновского излучения, коэффициентом поглощения материала и величиной контраста, необходимой для формирования изображения на резисте. Наиболее широко применяемым в настоящее время поглощающим материалом является золото.
Рисунок на шаблоне обычно формируют с использованием электронно-лучевой литографии в сочетании с методами сухого травления. Для сохранения высокого разрешения и точного управления размерами элементов рисунок, сформированный в золотой пленке, должен иметь вертикальные стенки окон. Это требование легче всего выполняется при формировании рисунка в тонкой пленке золота, которая используется при большой длине волны экспонирующего облучения.
Мембрана, служащая подложкой для шаблона, должна обладать высокой прозрачностью для рентгеновских лучей, чтобы свести время экспонирования к минимуму. Она должна иметь стабильные размеры и достаточную прочность для многократного использования в технологическом процессе и быть прозрачной для видимого света, если применяется методика оптического совмещения. Для изготовления мембран используют такие материалы, как полиимид, Si, SiC, Si3N4, Al2O3 и многослойные структуры Si3N4/SiO2/Si3N4.
Рис.
21. Структура рентгеновского шаблона.
На рис. 21 показана структура рентгеновского шаблона, который успешно используют при изготовлении ИС. Он представляет собой многослойную структуру из нитрида бора и полиимида с пленкой золота толщиной 0.6 мкм, поглощающей рентгеновское излучение, в которой сформирован топологический рисунок схемы.
Изготовление шаблона начинают осаждением пленки нитрида бора толщиной 6 мкм на кремниевую подложку. После осаждения центрифугированием наносят пленку полиимида толщиной 6 мкм на пленку нитрида бора для дополнительного упрочнения структуры. Затем на мембрану осаждают пленку Та, пленку золота толщиной 0,6 мкм и еще одну тонкую пленку Та. Вся структура покрывается пленкой электронного резиста, в которой методом электронно-лучевой литографии создают топологический рисунок схемы.
Изображение, сформированное на резисте, переносят на пленку Та, которая впоследствии действует в качестве маскирующего слоя при травлении золота. После формирования рисунка в слое золота пленки Та удаляют и наносят другое защитное полиимидное покрытие. Пластину с рисунком присоединяют к кольцу из пирекса и с обратной стороны стравливают кремний, что приводит к образованию структуры мембраны.
Технология изготовления рентгеновского шаблона разработана не окончательно. Еще предстоит решить ряд проблем: улучшение долгосрочной стабильности рисунка шаблона, исключение нерезкости краев элементов рисунка, ухудшающей разрешающую способность шаблона, и уменьшение плотности дефектов шаблона. От решения этих проблем зависит развитие субмикронной рентгеновской литографии.