Рентгеновская литография. 
Наноэлектроника

Рентгеновская литогафия является высокоразрешающим способом формирования заданного рельефа или топологии с помощью рентгеновского излучения (пучка). В рентгеновской литографии для экспонирования используется мягкое (низкоэнергетическое) рентгеновское излучение (с энергией фотонов -0,5—10 кэВ), при поглощении которого в слое резиста образуются фотоэлектроны низкой энергии, вызывающие, в свою очередь, в зависимости от типа используемого резиста образование или разрыв межмолекулярных связей.

Рентгенолитография — практически то же, что и фотолитография с зазором, но она расширена на область очень коротких длин волн порядка 1 нм. В этом диапазоне длин волн рентгеновские лучи переносят рисунок с шаблона на ренггенорезист методом теневой проекции.

Рентгенорезисты могут быть позитивными и негативными. Оба типа резиста имеют высокую разрешающую способность В общем случае требования, которым должны удовлетворять рентгенорезисты, следующие: высокая чувствительность к рентгеновскому излучению, высокое разрешение, стойкость к химическому, ионному и плазменному травлению. В настоящее время нет резистов, удовлетворяющих всем этим требованиям.

Чувствительность существующих рентгенорезистов лежит в диапазоне от 1 мДж/см² для экспериментальных резистов до 2 Дж/см² для резиста на основе полиметилметакрилата (ПММА) на длине волны 0,834 нм. Чувствительность резиста на основе полибутенсульфона (ПБС) составляет 94 мДж/см² на длине волны 0,437 нм. Здесь следует заметить, что с помощью источников ренгеновских лучей, в которых мишень бомбардируется электронами, можно получить интенсивность рентгеновского излучения на поверхности подложки всего лишь от 1 до 10 мДж/(см²-мин).

Резисты ПММА и ПБС являются позитивными резистами, в которых рентгеновское излучение разрушает большие полимерные молекулы. Образующиеся в облученных областях меньшие молекулы быстро растворяются во время проявления. Разрешающая способность резистов ПММА и ПБС составляет соответственно 5000 и 1000 лин/мм. Резист ПММА является базовым резистом для рентгеновской и электронной литографии.

Шаблоны для рентгеновской литографии (РШ) имеют сложную структуру. Основная проблема состоит в изготовлении тонкой, но прочной основы, прозрачной для ренгеновского излучения. Для этих целей используются органические и неорганические мембраны. Органические мембраны изготавливаются на основе мулара, каптона, пиолена и полиимида, неорганические — из кремния, диоксида и карбида кремния и других материалов. Материал пленочного рисунка на шаблоне, наоборот, должен быть непрозрачен для рентгеновских лучей. В качестве такого материала используют золото.

Схема установки для экспонирования рентгеновскими лучами показана на рис. 4.18. Поскольку рентгеношаблон очень хрупок, то между ним и пластиной необходим зазор S = 3-М 0 мкм. Величину зазора находят из компромисса между желанием увеличить разрешающую способность и снизить уровень дефектов. На практике работают с зазором 3 мкм, поскольку размеры пылинок и других загрязнений составляют 1—2 мкм.

Рис. 4.18. Схема рентгенолитографии:

• 1 — электронная пушка; 2 — поток электронов; 3 — мишень; 4 — вакуумная камера; 5 — окно их бериллиевой фольги; 6 — поток рентгеновского излучения; 7 — рентгеношаблон;
• 8 — пластина с рентгенорезистом

Совмещение рисунков шаблона и на подложке можно осуществить обычным оптическим способом сквозь окна, вытравленные в шаблоне. Точность совмещения при этом невелика (около 1 мкм). Точность совмещения с помощью рентгеновского детектора может достигать ОД мкм. В этом случае для совмещения используется исходное рентгеновское излучение, а на пластине изготавливается дополнительный элемент совмещения, который поглощает рентгеновские лучи, а также флуоресцирует или эмиттирует электроны. Используется метод встроенного совмещения, в котором маркерные знаки размещаются непосредственно на шаблоне и пластине, а в качестве детектора рентгеновского излучения применяется пропорциональный счетчик. При перекрытии рентгеновского луча маркерными знаками детектор фиксирует нуль-сигнал, который свидетельствует о совмещении рисунков шаблона и пластины.

На рис. 4.18 (позиция 7) показан рентгеношаблон на основе кремниевой мембраны с поглощающим рисунком из золота. При изготовлении такого рентгеношаблона в качестве исходной пластины берут пластину сильнолегированного кремния (fl⁺-Si), который сильно поглощает рентгеновские лучи. На ней выращивается высокоомный эпитаксиальный слой п-Si толщиной —3—5 мкм. Затем структуру оксидируют, в результате чего с обеих ее сторон образуется слой Si0₂. На него со стороны эпитаксиального кремния наносят сначала тонкий слой хрома (-5—10 нм), а затем слой золота (0,3—0,5 мкм). Хром наносят для улучшения адгезии золота к слою Si0₂. После этого с помощью электронолитографии из слоя золота формируют необходимый рисунок рентгеношаблона. Затем проводят локальное травление rC-Si в соответствии с этим рисунком.

Главные трудности при эксплуатации такого шаблона связаны с его термостабильностью, так как нагрев шаблона экспонирующим излучением приводит к изменению параметров элементов в плане и ошибкам совмещения.

Источник электронов и мишень находятся в вакуумной камере. При облучении мишени потоком электронов образуется мягкое рентгеновское излучение с энергией фотонов -0,5—10 кэВ, которое, проходя через рентгеношаблон, облучает рентгенорезист, нанесенный на подложку. Далее процесс рентгеновской литографии проводят аналогично процессу фотолитографии.

Заметим, что длина волны рентгеновского излучения X зависит от материала мишени и ускоряющего напряжения U и имеет различное значение для разных электронных переходов в атомах мишени.

Из-за малого поглощения рентгеновского излучения резистом время экспонирования достаточно велико.

Качественная печать обеспечивается при наличии четырех составляющих:

• 1) высокоинтенсивного коллимированного источника;
• 2) совмещения шаблона с подложкой с заданной точностью;
• 3) прецизионного контроля зазора;
• 4) недорогого мембранного или трафаретного шаблона.

Рентгеновское излучение (X = 0,4-К5,0 нм) очень трудно сфокусировать и коллимировать с помощью зеркал или линз.

Общий подход для реализации рентгеновской оптики основывается на аналогии с оптикой видимого диапазона. С этой целью преломляющие рентгеновские линзы вносят в ренгеновское излучение сдвиг фазы, определяемый декрементом поглощения материала линзы и радиусом кривизны ее составного профиля. На этих принципах разработаны оптика отражения, оптика преломления, рентгеновские волноводы (рис. 4.19).

Экспонирование на рентгеновских установках выполняется в расходящихся пучках, что при конечном размере источника излучения и наличии зазора между шаблоном и подложкой приводит к искажению размеров и смещению элементов рисунка, передаваемого в слой резиста.

Установки пошагового экспонирования имеют высокое разрешение и точность совмещения, но по сравнению с установками, позволяющими экспонировать всю подложку целиком, их производительность втрое меньше.

При одновременном экспонировании всей подложки диаметром 150 мм, для которой XV = 75 мм, величина зазора 5=10 мкм и точность, с которой устанавливается зазор, AS ~ 1 мкм, величина литографического разрешения системы в 0,1 мкм достигается при R = 750 мм и cl = 3,8 мм. Для подложек большего диаметра при той же величине литографического разрешения расстояние от источника до рентгеношаблона должно быть еще больше, что при сохранении скорости обработки подложек требует более интенсивного источника рентгеновского излучения.

Для целей литографии существуют и разрабатываются различные источники мягкого рентгеновского излучения, в том числе с неподвижным.

Рис. 4.19. Рентгеновские параболические линзы:

а — матрица линз; б — профиль единичной линзы или вращающимся анодом-мишенью, источники с горячей плазмой, обычные или компактные накопительные кольца и синхротроны.

Получение рентгеновских лучей электронной бомбардировкой анодамишени — малоэффективный процесс, так как большая часть мощности электронов идет на нагрев анода, из-за чего анод необходимо охлаждать. Такие источники имеют низкий КПД. Так, для пучка электронов диаметром 1 мм, падающего на алюминиевую мишень с водяным охлаждением, типовая величина максимальной мощности равна 400—500 Вт. Мощность получаемого при этом рентгеновского излучения составляет порядка 10 мВт, причем излучение распределено по полусфере.

Для получения рентгеновского излучения с большей интенсивностью используют вращающиеся аноды с водяным охлаждением. Это позволяет направить на анод более плотный электронный пучок, что повышает интенсивность рентгеновского излучения и сокращает время экспонирования. Материал анода выбирается, исходя из усталостных характеристик, теплоемкости и теплопроводности, а также в соответствии с характеристиками тормозного излучения. Наибольшую мощность можно подвести к вращающейся мишени из Мо и Rh (вследствие их высоких плотности и температуры плавления), а также из Си (высокие плотность и теплопроводность).

В последнее время очень большое внимание уделяется источникам импульсного рентгеновского излучения. Таким источником является горячая плазма, генерируемая мощным лазерным излучением или электрическим разрядом. Плазменные источники имеют высокую эффективность преобразования (10—25%) электрической энергии в мягкое рентгеновское излучение. Плотность энергии излучения этих источников составляет 10 мВт/см² по сравнению с 0,1 —1,0 мВт/см² у обычных рентгеновских трубок, что выше более чем на порядок.

Энергия лазера, поглощаемая плазмой, практически полностью идет на ионизацию атомов рабочего вещества и нагрев образующихся электронов, тогда как тепловая энергия ионов пренебрежимо мала для плазмы с тяжелыми ионами (большим Z). Плазменные источники могут сыграть важную роль в технологии микрои наноэлектроники.

Радикальными альтернативными источниками мягкого рентгеновского излучения являются накопительные кольца и синхротроны (рис. 4.20). Полезный выход мягких рентгеновских лучей таких источников составляет несколько сотен мВт/см². На сегодняшний день они являются самыми яркими источниками мягкого рентгеновского излучения. Потоки рентгеновского излучения от большого синхротрона в 10⁴ раз больше, чем от рентгеновского источника с вращающимся анодом. Электронные накопительные кольца и синхротроны излучают узконаправленный поток, что позволяет существенно уменьшить время экспонирования (до секунд), повысить производительность, снизить требования к параметрам резиста и упростить системы для совмещения.

Синхротронное излучение генерируется в накопительных кольцах или синхротронах высокоэнергетическими релятивистскими электронами, под действием магнитного поля ускоренными в направлении, нормальном к направлению движения. Генерация излучения происходит в вакууме, а сам.

Рис. 4.20. Схема генерации синхротронного излучения релятивистскими электронами.

источник имеет небольшие размеры. Спектр синхротронного излучения охватывает области микроволнового и инфракрасного излучений, видимый свет, ультрафиолет и рентгеновское излучение с критической длиной волны Х_с, соответствующей критической энергии Е_с, начиная с которой происходит спад интенсивности излучения. Основными достоинствами синхротронного излучения являются высокая интенсивность в широкой области спектра, идеальная коллимация, высокая поляризация.

К достоинствам рентгенолитографии относятся:

• • высокая разрешающая способность независимо от типа резиста, минимальный размер может составлять 50 нм при использовании излучения медной мишени, для алюминиевой мишени — около 100 нм;
• • отсутствие контакта шаблона с резистом, это снижает уровень дефектов и повышает срок службы шаблонов;
• • нечувствительность к загрязнениям, так как они не поглощают рентгеновское излучение и не передаются на рисунок резиста.

Двумя наиболее критичными проблемами рентгеновской литографии являются изготовление шаблонов и их качество (шаблоны хрупкие и могут искажать изображение из-за наличия в них механических напряжений), а также потребность в дешевых и интенсивных источниках мягкого рентгеновского излучения.

Наибольшая привлекательность рентгеновской литографии — возможность сочетания высокого разрешения и большой производительности. Ренгеновская (х-гау) литография позволяет получить разрешение 50 нм. В ближнеконтактном режиме было получено разрешение 30 нм.