Оптическая литография

Оптическая литография получила наиболее широкое распространение ввиду ее широкого использования для изготовления полупроводниковой вычисли­тельной техники. Этот метод основывается на облучении резиста квантами света с длиной волны от 1 до -1000 нм. По энергетическому диапазону используемого излучения оптическая литография условно делится на следующие области:

• литография оптического диапазона (> 400 нм),

• литография УФ-области (UV: 395-436 нм),

• литография глубокого УФ-излучения (Deep UV - DUV: 190-250 нм),

• литография вакуумного УФ-излучения (Vacuum UV - VUV: 150-190 нм),

• литография жесткого ультрафиолета (Extreme UV - EUV: 10-15 нм),

• рентгеновская литография (<10 нм).

Необходимость уменьшения размеров элементов микроэлектроники накла­дывает ограничение на длину волны используемого излучения. Так, еще недавно широко используемые в производстве микросхем источники на основе ртутных ламп (длина волны 436 нм) сегодня заменены ArF-лазерами (X = 193 нм). Рассма­тривается возможность промышленного применения синхротронного излучения и снижения длины волны вплоть до нескольких нанометров, что соответствует литографии жесткого ультрафиолета и рентгеновской литографии.

Схема контроля освещенности, проекционная литография

Методы оптической литографии также классифицируют по применяемой схеме контроля освещенности: различают схемы с различным взаимным расположением маски и резиста, а также схемы проецирования с использова­нием дополнительных оптических систем. Таким образом, выделяют схемы контактной (рис. 2,а), бесконтактной (рис. 2,б) и проекционной (рис. 2,в) литографии.

Рис. 2.

Контактная литография: маска непосредственно контактирует с резистом. Разрешающая способность велика (R=600 нм при λ=400 нм и толщине резиста d=1 мкм).

Бесконтактная литография: между маской и резистом есть зазор h. Разрешающая способность ниже (R=2 мкм при λ=400 нм и толщине резиста d=1 мкм, h=10 мкм).

Проекционная литография: рисунок проектируется на резист с помощью фокусирующей оптической схемы. Достоинства метода – увеличивается срок службы маски в сравнении с контактной схемой и разрешающая способность выше бесконтактной схемы.

Маски микро- и нанолитографии

Простейшие маски, используемые в оптической литографии, представляют собой пластину из непрозрачного для используемого диапазона длин волн материала, в которой «прорезан» прообраз наносимого рисунка, определя­ющий области подложки, подвергаемые экспонированию. Однако при умень­шении линейных размеров рисунка большую роль начинают играть эффекты рассеяния излучения на границах раздела фаз, что приводит к необходимости учета этих явлений на стадии создания шаблона. Например, для нанесения отображения на резисте в форме квадрата (рис. 3,а), на маске необходимо сформировать дополнительные прорези в его вершинах (рис. 3,б). Однако и в этом случае отображение оказывается несколько "размытым" (рис.3,в). На рис. 3,г и 3,д показано соответствие формы прорезей в маске и отображения на резисте. Видно, что даже применение масок со специальной формой прорези не позволяет достигнуть полного соответствия нанесенного и требуемого рисунков.

Рис. 3.

Фазосдвигающие маски

LcrJ

<г регулятор фазы

Одним из возможных методов увеличения разрешающей способности оптической литографии является использование фазосдвигающих масок. На рис. 4 показано распределение интенсивности освещения и амплитуды фронта световой волны для масок без фазового сдвига и фазосдвигающей маски. Для обычных масок фронт волны после прохождения двух соседних отвер­стий маски может быть представлен условным набором амплитуд +1, 0, +1 (рис. 4). Однако ввиду дифракционных эффектов наблюдается рассеяние излучения и "размытие" максимумов. В результате интенсивность светового потока в каждой точке подложки определяется как сумма световых потоков, прошедших через каждую из щелей, и представляет собой систему частично перекрывающихся максимумов. Освещенность точки между соседними щелями зависит от расстояния между ними, толщины маски, расстояния между маской и подложкой, когерентности излучения и т.д. Эти параметры и определяют разрешающую способность системы в целом (т.е. минимальное расстояние между соседними наносимыми элементами).

Рис. 4.

Увеличения разрешающей способ­ности можно добиться с использованием фазосдвигающих масок (рис. 4). Часть щелей таких масок покрывают веществом, сдвигающим фазу волны пропущенного излучения на л. Благодаря этому два потока квантов, прошедшие через соседние щели, находятся в противофазе, а фронт волны выражается условным набором амплитуд+ 1,0,-1. При этом, несмотря на рассеяние излучения, суммарная амплитуда волн, прошедших через соседние отверстия, и, соответственно, интенсивность облучения подложки между соседними максимумами проходит через ноль. Таким образом, использование фазо­сдвигающих масок позволяет более четко разделить элементы микросхемы, что, в конечном счете, сказывается на разрешающей способности метода и, как следствие, минимальных размерах элементов.

Внеосевая литография

Помимо использования фазосдвигающих масок и уменьшения длины волны излучения разрешающую способность литографических процессов можно увеличить с помощью внеосевого освещения. Этот метод широко известен как способ увеличения контраста в оптических микроскопах. В обычных схемах вследствие дифракции при прохождении щели маски формируется расходя­щийся пучок, причем только не изме­нившие направления кванты несут информацию о ее реальной структуре (рис. 5, а). При внеосевом освещении луч проходит не через центр линзы, а под некоторым углом, в результате чего на фокусирующую линзу, расположенную за маской, попадает не весь пучок, а только его часть (рис. 5, 6). Таким образом, «вырезая» часть расходящегося пучка, метод внеосевой литографии позволяет снизить интенсивность рассеяния и «увидеть» более мелкие элементы.

Рис. 5.

Материалы резистов

Непременным атрибутом оптической литографии является наличие резиста. В большинстве случаев в качестве резиста выступают полимеры, претерпевающие изменения под действием света. Как упоминалось ранее, в зависимости от реакции на излучение резисты делятся на «позитивные» и «негативные». Любые резисты состоят из трех частей: смолы, которая выступает в качестве связующей компоненты и определяет механические свойства резиста, фотоактивной компо­ненты и растворителя.

Необходимым условием получения высокого контраста с помощью подбора резиста является резкий скачок раство­римости в зависимости от времени/ интенсивности освещения участка. Для «негативного» резиста толщина пленки резиста, оставшейся после ее растворения, зависит от дозы облучения таким образом, что резист полностьюрастворяется при облучении дозой меньшей, чем D_u, и остается практически неизменной относительно исходной толщины пленки t_d при облучении дозой, большей D_d (рис. 6). Для позитивного резиста наблюдается обратная ситуация. Наличие такого скачка растворимости облученного резиста позволяет получать достаточно четкий рельеф поверхности, тогда как в случае линейной зависимости растворимости от дозы облучения наблюдается размытие рельефа поверхности, что сильно понижает разрешающую способность.

Рис. 6.

Для литографии на G- и I-линиях ртути в качестве «позитивного» резиста исполь­зуется система новолак/диазонафтокинон (novolac/diazonaphthoquinones(DNQ)). Новолак выступает в качестве «смолы», взаимодействующей с водными растворами оснований. DNQ является фотоактивной компонентой и ингиби­тором растворения. В процессе взаимодействия с квантами света происходит реакция, приводящая к разрушению DNQ и образованию продукта, который растворяется в щелочах более чем в 100 раз быстрее, чем исходная смесь. Это позволяет быстро растворить освещенные части резиста, таким образом формируя рисунок на поверхности подложки. «Негативный» фоторезист обычно содержит бис-арилазид (bys-arylazide) в качестве фотоактивного компонента и полимер, который не подвержен действию света и хорошо растворяется в неполярных растворителях.

При облучении фото­активный компонент образует радикал, способный вступать в реакцию с полимером и образующий мостики между полимерными цепями, что значительно уменьшает их растворимость. Таким образом, растворяются в первую очередь неосвещенные участки резиста, содержащие неразветвленные и несшитые молекулы.

2. Электронно-лучевая литография (ЭЛЛ)

В качестве фактора, модифицирующего поверхность подложки или резиста, может быть использован поток заряженных частиц - электронов или ионов. Общая схема установок проекционной электронно-лучевой литографии вклю­чает источник электронов, электростатические линзы, формирующие нерасходящийся пучок, маску и подложку, свободно перемещаемую в плоскости, перпендикулярной направлению пучка.

Основными преимуществами метода электронно-лучевой литографии явля­ется высокая разрешающая способность (-1 нм) и возможность варьировать энергию элементарных частиц в широких пределах. Так, поток электронов может быть легко сфокусирован в пучок с размером "пятна" менее нанометра, а ускоряющее напряжение может достигать сотен кВ. В отличие от оптических методов, использование электронно-лучевой литографии позво­ляет применять как классическую литографическую схему с использованием масок (проекционная литография), так и непосредственно формировать рисунок направленным электронным пучком (безмасочная литография). Кроме того, ввиду схожести механизмов химической модификации резиста под действием жесткого УФ-излучения и пучка электронов, материалы для оптической лито­графии могут использоваться в методе ЭЛЛ.

Недостатки метода ЭЛЛ:

• высокая глубина проникновения электронов в облучаемый материал,

• процессы генерации вторичных электронов в объеме резиста, что приводит к размытию экспонированных областей (рис. 7).

Рис. 7.

3. SCALPEL

Указанные недостатки можно устранить путем применения специальных рассеивающих масок. В этом случае области маски с высокой рассеивающей способностью соответствуют затемненным участкам поверхности, а области, не рассеивающие электронный пучок, - освещенным участкам. Избыточный фон, образованный рассеянными электронами, можно исключить, расположив диафрагму в фокальной плоскости собирающей линзы (рис. 8, а).

Электронная литография с ограничением угла проекции (SCALPEL) – метод применения рассеивающих масок: области маски с высокой R cоответствуют затемненным участкам поверхности, области, не рассеивающие электронный пучок-освещенным участкам. Для исключения избыточного фона, образованного рассеянными электронами, диафрагму располагают в фокальной плоскости собирающей линзы. Принципиальная структура масок для технологии SCALPEL пред­ставлена на рис. 8, б.

4. Ионно-лучевая литография (ИЛЛ)

Альтернативой методу ЭЛЛ является ионно-лучевая литография. Несмотря на более сложную схему генерации и фокусировки ионного пучка, а также его меньшую интенсивность, этот метод обладает несомненным преимуществом по сравнению с электронно-лучевой литографией ввиду малой глубины проникно­вения ионов в резист и практически полного отсутствия генерации вторичных ионов. Поскольку ионный пучок фактически является потоком вещества, то изменяя энергию ионов, можно добиться не только направленной модификации резиста, но и внедрения ионов в приповерхностный слой подложки или создания планарных структур на ее поверхности.

Рис. 8.

Схема проекционной ионно-лучевой литографии полностью аналогична установкам ЭЛЛ. Поскольку глубина проникновения ионов в материал отно­сительно невелика и даже тонкая мембрана способна значительно снизить интенсивность проходящего пучка, необходимым требованием к маскам ИЛЛ является отсутствие вещества в прорезях. Такая структура маски не позволяет получать циклические структуры на поверхности подложки (например, кольцо). Поэтому в большинстве случаев проекционная ионно-лучевая литография требует применения системы масок для каждого фрагмента рисунка.

В настоящее время проекционная ионно-лучевая литография позволяет достигать разрешения до 50 нм. Поскольку такое разрешение не является теоре­тическим пределом метода, а дальнейшее его увеличение связано в основном со сложностью технической реализации, предполагается, что в ближайшем будущем минимальные размеры получаемых структур будут планомерно уменьшаться. Помимо применения в микроэлектронике (микросхемы, процессоры, модули оперативной памяти) ионно-лучевая литография является перспективным методом для производства устройств хранения информации со сверхвысокой плотностью записи. Уже создан прообраз такого устройства - для получения поверхности с упорядоченным расположением магнитных доменов заданного размера была использована многослойная структура, содержащая кобальт и платину, бомбардировка которой тяжелыми ионами приводила к смешению слоев в экспонированных областях и образованию магнитного сплава CoPt, что позволило контролируемо изменять магнитные свойства подложки.

Другим подходом к формированию заданной структуры на поверхности подложки является непосредственное облучение выбранных областей с исполь­зованием сфокусированного пучка ионов.

5. Безмасочная литография (direct writing)

Методы безмасочной литографии представляют особый интерес для создания прототипов микро- и наноустройств и, главное, масок для классической литографии. Эти методы не требуют заранее подготовленного «шаблона», а структура поверхности подложки полностью определяется программой, управ­ляющей процессом модификации поверхности. Специфика метода состоит в последовательном «прорисовывании» каждого элемента, аналогично письму пером по бумаге (отсюда и англ. название метода - «direct writing»). В качестве подобного нанометрового «пера» могут выступать направленные пучки заря­женных частиц (электроны или ионы) или зонды атомно-силового микроскопа. Заряженный пучок или зонд АСМ скользит по поверхности образца, оставляя след на резисте, после чего материал подвергается обработке, позволяющей растворить модифицированный резист и получить заданный рельеф поверх­ности. Использование метода безмасочной литографии предполагает большие затраты времени и наличие сложных установок как для нанесения рисунка на поверхность, так и для управления «пером». Поэтому данная методика не получает широкого распространения для изготовления планарных схем в промышленных масштабах. Тем не менее, она находит широкое применение для решения научно-исследовательских задач.

Методы безмасочной литографии можно условно разделить по типу воздей­ствия на резист:

• воздействие потоком заряженных частиц (электронов или ионов),

• механическое воздействие (зонд атомно-силового микроскопа),

• пространственно ограниченное химическое воздействие (локальное окисление подложек с помощью зонда сканирующей туннельной микроскопии).

6. Воздействие сфокусированным пучком заряженных частиц, FIB-литография

В целом схема литографической установки с применением фокусированных потоков ионов схожа с устройством просвечивающего электронного микро­скопа. Заряженные частицы проходят систему фокусирующих линз и попадают на образец. В целях упрощения установки обычно перемещается не пучок, а подложка под ним. Положение образца и его перемещения задаются с предельно возможной точностью (часто с помощью пьезодвигателей). Во избежание влияния внешнего воздействия систему оснащают защитой от вибраций. Для независимого контроля поверхности систему часто оснащают сканирующим микроскопом.

На рис. 9 показаны структуры, полученные литографией с применением сфокусированного электронного (разложение пленки A1F₃) и ионного (травление кремния ионами Ga⁺) пучка.

Рис. 9.

Ионно-лучевая литография оказывается более предпочтительным методом по сравнению с ЭЛЛ из-за меньшего размытия границ освещенной области ивозможности непосредственного использования ионного пучка для направлен­ного переноса вещества от источника к подложке. Литографические установки с использованием сфокусированного ионного пучка позволяют работать в нескольких режимах (нанесение вещества, "допирование" подложки, воздей­ствие на резист, вытравливание подложки быстрыми ионами), которые пере­ключаются путем изменения ускоряющего напряжения.

Одной из сфер применения литографии с использованием направленного ионного пучка является изготовление и исправление дефектов масок для клас­сических литографических процессов. Так как производство масок сопряжено с технологическими трудностями, а также большими временными и финансовыми затратами, незначительные дефекты маски, полученные в ходе ее использования, выгодно исправлять с помощью FIB-литографии (Focused Ion Beam), нежели менять маску полностью. В отличие от других типов воздействия на наноуровне, литография с применением сфокусированного ионного пучка позволяет использовать несколько модифицирующих поверхность методов. Кроме того, установка подобного рода обычно оснащается уникальной системой контроля поверхности, что дает возможность направленно и локально изменять свойства образца. Литография фокусированным ионным пучком часто применяется для создания прототипов наноустройств, наноактюаторов, подвода контактов к единичным углеродным нанотрубкам и т.д. На сегодняшний день максимальная разрешающая способность метода составляет около 8 нм.

7. Механическое воздействие зондом СЗМ

Локальное воздействие на поверхность подложки зондом сканирующего зондового микроскопа можно производить в нескольких режимах: механическая модификация поверхности, перенос материала зонда на образец и перенос материала образца на зонд. Механическое воздействие в свою очередь также подразделяется на 2 группы: статическое (наногравировка) и динамическое (наночеканка). При осуществлении наногравировки с использованием методики обычной контактной силовой микроскопии зонд микроскопа перемещается по поверхности подложки с достаточно большой силой прижима, так что на подложке (резисте) формируется рисунок в виде царапин. Преимуществом метода наногравировки по сравнению с электронно- и ионно-лучевой литографией является простота реализации, а также отсутствие глубокого воздействия на подложку. К недостаткам метода следует отнести возможность случайных торсионных изгибов кантилевера, приводящих к краевым неоднородностям рисунка.

В случае динамической нанолитографии (наночеканки) модификация поверхности происходит за счет формирования углублений на поверхности колеблющимся зондом (полуконтактный метод сканирования). Такой метод нанолитографии свободен от сдвиговых и торсионных искажений и позволяет производить визуализацию сформированного рисунка без серьезного воздей­ствия на поверхность подложки или резиста.

8. Нанооксидирование

Альтернативой непосредственному механическому воздействию зондом СЗМ на подложку или нанесенный резист является модификация поверхности с помощью электрических импульсов. Это становится возможным благодаря приложению разности потенциалов между зондом и проводящей подложкой. В результате такого воздействия, изменяя потенциал, можно направленно менять структуру и химический состав поверхности. Примером подобного воздействия на подложку может служить «рисунок», полученный анодным окислением пленки аморфного титана с помощью СЗМ (рис. 10). На подложке были сформированы полосы диоксида титана шириной -8 нм.

Рис. 10.

Помимо непосредственного изме­нения химического состава проводящей подложки возможно электрохимическое воздействие кантилевером на материал резиста. Как и в классической литографии, после модификации резист может бытьудален дополнительной химической обработкой (вытравливанием).

кремний

Возможность контролируемой химической модификации поверх­ностных адсорбционных слоев позволяет несколько модифицировать методику эксперимента и получать более сложные и разнообразные наноструктуры Так, если молекулярную пленку углеводорода, химически связанного с поверхностью кремниевой подложки, окислить до образования (СООН)-групп, заменить ионы водорода на катионы металла и провести восстановление, то обра­зующийся металлический слой будет в точности повторять траекторию движения кантилевера (рис. 11).

Рис. 11.

Дата добавления: 2014-01-07