Рентгенолитография в интегральных микросхемах

СУМСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ФАКУЛЬТЕТ ЕЛЕКТРОНІКИ ТА ІНФОРМАЦІЙНИХ ТЕХНОЛОГІЙ Кафедра прикладної фізики Курсова робота з дисципліни «Технологічні основи електроніки»

на тему:

РЕНТГЕНО ЛІТОГРАФІЯ В ІНТЕГРАЛЬНИХ МІКРОСХЕМАХ студента групи ЕС-72 М.М. Клімов Керівник:

доцент О.П. Кульментьєва

Суми 2009

СОДЕРЖАНИЕ Введение

1 Технология ренгенолитографических процессов

2 Источник излучения

3 Экспонирование в ренгенолитографии

Выводы

Рентгеновское излучение возникает в результате соударения электронов большой энергии с атомами материала мишени. При этом из атомов выбиваются прочно связанные с ними электроны и появляются вакансии. Вакансии заполняются другими связанными электронами. В результате этого перескока излучаются рентгеновские кванты. Энергия таких квантов зависит от разности энергий двух состояний электронов и от природы вещества мишени, с которой взаимодействуют электроны.

В табл. 1 приведен перечень материалов покрытий электрода и соответствующие им длины волн излучения.

Таблица 1 — Характеристические длины волн излучения некоторых материалов [2]

Рентгенолитиграфия — способ перенесения рисунка с шаблона, называемого рентгеношаблоном, с помощью мягкого рентгеновского излучения. При рентгенолитографии изображение на полупроводниковую подложку «переносится с шаблона, называемого рентгеношаблоном, с помощью мягкого рентгеновского излучения, длина волны которого? = 0,5…2 нм. Разрешающая способност рентгенолитографии 0,2 — 0,3 мкм.

В настоящее время рентгенолитография не нашла широкого применения в серийном производстве полупроводниковых приборов и ИМС из-за сложности технологии и используемого оборудования. Для реализации рентгенолитографии необходимы:

Мощный источник рентгеновского излучения с малой расходимостью пучка;

рентгеношаблоны, обладающие высокой прочностью, контрастностью и малым температурным коэффициентом линейного расширения;

рентгенорезисты высокой разрешающей способности и чувствительности;

системы мультипликации изображения, погрешность совмещения которых не превышает 0,03 — 0,05 мкм.

1. ТЕХНОЛОГИЯ РЕНТГЕНОЛИТОГРАФИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

рентгенолитография излучение волна изображение

Технология ренгенолитографических процессов включает в себя изготовление шаблонов, нанесение резистов, совмещение рисунков отдельных слоев ИМС и шаблона, экспонирование и травление.

Изготовление шаблонов для ренгенолитиграфии — сложная задача, решение которой затрагивает тот же круг вопросов, что и при фотолитографии. Подложка шаблона должна пропускать рентгеновские лучи, а пленка, образующая рисунок ИМС, — задерживает.

Для формирования шаблонов используются как неорганические, так и органические материалы, перечень которых и основные характеристики представлены в табл. 2.

Пластины из неорганических материалов из-за их хрупкости изготовить намного сложнее, но они стабильнее сохраняют свои размеры при изменении температуры, влажности, механических воздействия и др.

Ослабление рентгеновского излучения в типичных материалах подложки шаблона составляет 0,1 … 10 дБ/мкм для рассматриваемого интервала длин волн, что соответствует толщинам подложки 0,5 … 5 мкм. Во всем интервале длин волн можно использовать полиимидные мембраны, подбирая их толщину в соответствии с длиной волны излучения. Стабильность размеров иолинмидных мембран толщиной 0,25 мкм при диаметре 51 мм оказалась высокой. Долговременная стабильность и устойчивость тонких полиимидных мембран к воздействию рентгеновского излучении еще мало изучены[2].

Для создания в поглощающем слое методом электронно-лучевой литографии рисунка с очень высокой разрешающей способностью желательно применять особо тонкие мембраны из нитрида кремния, оксида алюминия или полиимида, поскольку в тонких подложках из материалов на основе элементов с малой относительной атомной массой обратное рассеяние электронов весьма мало [1−2].

Таблица 2 — Материалы и основные характеристики шаблонов для рентгенолитограф [2]

Для литографии с размерами элементов до 1 мкм толщине слоя поглощающего материала должна быть не менее 1 мкм. Поглощение рентгеновского излучения веществом сильно зависит oт длины волны, При длине волны 0,4 нм поглощение настолько мало, что подходящего материала для создания поглощающего слоя нет, а при длине волны боле 5 нм поглощение настолько велико, что нет подходящего материала для основы (подложки) шаблона.

Общепринятый материал для поглощающего слоя — золото. Технология осаждения этого материала хорошо отработана, а поглощение золотом рентгеновского излучения в данном интервал длин волн примерно такое же, как у всех элементов с большой относительной атомной массой. Толщина слоя золота должна быт подобрана так, чтобы обеспечивалась приемлемая контрастность рисунка шаблона при выбранных рентгенорезисте и длине волны.

Рисунок шаблона создается следующим образом. На подложи из органической пленки наносится тонкая пленка хрома, обеспечивающая адгезию золота, которое осаждается на хромовую пленку. Толщина слоя золота зависит от длины волны поглощаемого рентгеновского излучения. Так, для излучения от алюминиевой мишени толщина слоя золота составляет 0,2 мкм, а для жесткого излучения от палладиевой мишени — 0,7 мкм.

Сформировать рисунок поглощающего слоя золота на шаблон можно разными способами в зависимости от толщины слоя. Применяют комбинацию литографии с электролитическим осаждением золота либо ионно-плазменное травление сплошного слоя лота через маску. Рельеф резиста создают с помощью электронно-лучевой литографии.

Сформированный в тонкой пленке золота рисунок репродуцируют, экспонируя длинноволновым рентгеновским излучением (1,33 нм). В итоге получается шаблон на более толстой подложке, для которой непосредственное электроннолучевое экспонирование неприемлемо из-за сильного обратного рассеяния электронов.

Важной характеристикой промесса является контрастность, обеспечиваемая материалом поглощающего слоя. Даже для поглощения рентгеновского излучении с длиной волны менее 5 нм требуется приемлемая прозрачность шаблона. Поэтому подложки шаблона должна быть очень тонкой (1 … 10 мкм). Толщина исходных пластин подбирается в зависимости от характера излучения. Она колеблется от 0,3 до 12 мм для мягких и жестких рентгеновских лучей соответственно. Например, для характеристического рентгеновского излучения от алюминиевой мишени типичная толщина пластины составляет 5 мм.

Разрешающая способность шаблона ограничивается длиной волны рентгеновского излучения и контрастностью применяемого резиста. Использование рентгеновского излучения с большей длиной волны и высококонтрастных резистов улучшает разрешающую Способность шаблона и позволяет уменьшить необходимую толщину поглощающего слоя.

Поскольку стабильность размеров шаблона является основным требованием, предъявляемым к шаблонам, то материалы и технология их изготовления выбираются с учетом анализа причин появлении погрешностей.

Если совмещение рисунков ИМС должно проводиться с точностью 0,1 мкм, то стабильность размеров шаблонов должна быть лучше 0,05 мкм для типичных размеров элементов рисунка. Это значение соизмеримо с коэффициентом термического расширения стекол.

Применяемые для работы с жестким рентгеновским излучением толстые шаблоны из кептона обладают стабильностью размеров.

Технология изготовления органических шаблонов для ренгенолитиграфии отличается от технологии фотошаблона. В данном случае пленка органического материала шаблона наносится на совершенно плоскую поверхность промежуточной подложки из кремния или стекла и промежуточная подложка в нужных местах стравливается.

Таким образом, современный технологический процесс литографии должен включать в себя все ее разновидности: фото-, электронои рентгенолитографию.

Выбор резистов для ренгенолитиграфии довольно ограничен. На первых стадиях развития метода ренгенолитиграфии использовались те же резисты, что для электронно-лучевой литографии, например полиметилметакрилат (ПММА). Механизм превращений в резисте при экспонировании рентгеновскими, лучаи состоит в поглощении их с возбуждением электронов, которые приобретают энергию падающих квантов. Поэтому резнет, чувствительный к потоку электронов, чувствителен и к рентгеновским лучам [3−4].

Чувствительность рентгенорезиста выражается энергией, поглощенной единицей площади (Дж/см2). Однако скорость растворения резиста при проявлении определяется энергией, поглощеня единицей объема (Дж/см3) и зависящей от поглощающих свойств резиста. При слабом поглощении она равна произведению энергии падающего потока на линейный коэффициент поглощения рентгеновского излучения (на 1 см). С увеличением длины волны поглощение усиливается и чувствительность резиста к излучению повышается. Можно повысить чувствительность резиста и к рентгеновскому излучению с малой длиной волны за счет введения в него добавок, улучшающих поглощение. Так, введение хлора в и негативный резист позволяет увеличить чувствительность к излучению с длиной волны 0,44 нм.

Резисты для электронно-лучевой литографии, среди которых есть как позитивные (PBS — полибутенсульфон), так и негативные (PGMA-EA — полиглнцидилметакрилат-ко-этилакрилат), могут использоваться при изготовлении шаблонов для ренгенолитиграфии. Эти же резисты применяют в рентгенолиографических процессах.

В последние годы предложен ряд резистов специально для ренгенолитиграфии. Для жесткого рентгеновского излучения служит DCPA (поли 2,3-дихлор-1-пропилакрилат), который на порядок чувствительние PGMA-EA. Так, при жестком рентгеновском излучении от палладиевой мишени слой DCPA толщиной 1 мкм поглощает 12% излучения, тогда как такой же слой PGMA-EA поглощает только 2%

В табл. 3 приведены основные характеристики резистов применяемых для ренгенолитиграфии.

Время экспонирования большинства резистов для ренгенолитиграфии состовляет до 1 мин, что ненамного выше, чем при фотолитографии. Поэтому производительность установок ренгенолитиграфии близка к производительности фотолитографических установок.

Для травления служат те же растворители, что и в фотолитографии. Однако более целесообразно в данном случае применять сухое ионно-плазменное или плазмохимическое травление, обеспечивающее высокую разрешающую способность и точность, присущую ренгенолитиграфии.

Таблица 3 — Характеристики рентгенорезистов и параметры процесса рентгенолучевой литографии [2]

Процессы совмещения, как и при фотолитографии, используют при формировании сложных структур ИМС и микропроцесаров. В случае изготовления ИМС с применением одного шаблона (ЦМД, ПАВ и другие) проблема совмещения вообще отпадает. Для большинства же ИМС, особенно БИС и микропроцессоров на одном кристалле (МП), требуется не менее двух совмещений, выполняемых с высокой точностью. В рентгенолитографии используются четыре метода совмещения: оптический (под микроскопом), фотометрический (по принципу отражения или прохождения света), совмещение по муаровым рисункам и интерферометрический.

Оптический и фотометрический методы ничем не отличаются от применяемых в фотолитографии. Обычно фотометрическое совмещение по принципу отражения более предпочтительно, так как оно осуществляется с помощью фотоэлектрического детектора края, имеющего большую глубину резкости и позволяющего автоматизировать процесс. При этом получают достаточно высокую точность совмещения — до 0,2 мкм. С помощью детекторов системы совмещения можно установить пластину так, чтобы метки совмещения совпадали на пластине и шаблоне.

Фотометрическое совмещение по принципу прохождения луч обеспечивает более высокую точность совмещения за счет лучшей контрастности изображения на пластине. Предел точности совмещения данного метода составляет 0,05 мкм.

Широкое распространение получил интерферометрический метод благодаря простоте и возможности автоматизации процесса. Основной принцип этого метода заключается в том, что при дифракции пучка монохроматического света па решетке могут возникать симметричные отраженные лучи. Если решетки имеются на шаблоне и на пластине, то возникают две системы дифракционных лучей, которые интерферируют друг с другом. Интерференционная картина зависит от интенсивности симметричных отраженных лучей двух систем, которая получается различной при отсутствии совмещения пластины и шаблона и одинаковой в случае их тов ного совмещения. Таким образом, о степени совмещения можно судить по виду интерференционной картины. Состояния системы совмещения определяются фотоэлектрическими датчиками.

Метод обеспечивает точность совмещения около 1% от ширины линии. При этом максимальная точность составляет 0,02 мкм [1−3].

2. ИСТОЧНИК ИЗЛУЧЕНИЯ

Упрощенная схема экспонирования при рентгенолитографии показана на рисунке 1.

При рентгенолитографии используют два способа переноса изображения с рентгеношаблона на рабочую площадь подложек: полностью и мультипликацией.

В обоих случаях совмещение выполняют по специальным меткам на рентгеношаблоне и подложках при освещении монохроматическим излучением видимого диапазона, а экспонирование — рентгеновским.

Рисунок 1 — Схема экспонирования рентгенолитографии [4]:

1 — поток рентгеновских лучей, 2 — канал совмещения, 3 — опорная рамка рентгеношаблона, 4 — область экспонирования (окно в опорной рамке), 5 -рисунок на слое, непрозрачном для рентгеновских лучей, 6 — окно для совмещения рентгеношаблона и подложки, 7 — пленка, несущая рисунок и прозрачная для рентгеновских лучей, 8 — метка совмещения на подложке, 9 — слой рентгенорезиста, 10 — подложка

Плотность потока рентгеновский лучей, падающих на подложку, обратно пропорциональна расстоянию от их источника. Поэтому это расстояние, чтобы уменьшить время экспонирования, с одной стороны, должно быть небольшим, а с другой, для уменьшения размытости изображения из-за расходимости рентгеновского луча — большим. Кроме того, необходимо устанавливать с высокой точностью (не хуже 0,5 мкм) зазор между поверхностями рентгеношаблона и подложки, для чего их закрепляют в специальном устройстве.

Как известно, при облучении поверхности потоком ускоренных электронов она излучает рентгеновские лучи. Для создания высокоинтенсивного потока рентгеновского излучения необходимо использовать электронные пучки высокой плотности тока. В качестве материалов, используемых для изготовления мишеней, способных излучать рентгеновские лучи требуемых длин волн, обычно служат Сu, Al, Mo, Pd. В большинстве современных установок с мишенями из алюминия используется рентгеновское излучение со средней длиной волны 0,834 нм.

Характерным для рентгенолучевой литографии моментом, не встречающимся в описанных ранее методах фотолитографии является возникновение фотоэлектронов в результате неупругих соударений с веществом. Обладая энергией того же порядка, что и падающие лучи, они не имеют определенного направления и по — этому вызывают размытие изображения при его переносе с шаблона. Размеры этого размытия имеют тот же порядок, что и длинна пробега фотоэлектронов. Последняя меняется пропорциона квадрату энергии фотоэлектронов и зависит от материала шаблона. При использовании алюминиевой мишени длина пробег" фотоэлектронов составляет 0,1 мкм. В таких установках окно умной камеры обычно поглощает до 70% излучения первоначального потока. Большинство резистов поглощает до 5% попадающих на них лучей.

Электроны с энергией от 10 до 20 кэВ, бомбардируя мишень разогревают ее. Для предотвращения испарения материала мишени она охлаждается за счет интенсивного вращения. Пучок электронов необходимо фокусировать в малое пятно, чтобы избежать искажений, связанных с полутенями, и обеспечить достаточно плотный поток рентгеновских лучей для уменьшения времени экспозиции.

Основной характеристикой источника рентгеновского излучения является длина волны и способность материала мишени выдерживать электронный поток высокой интенсивности. Мишень при облучении мощными потока электронов сильно нагревается, плавится и испаряется, поэтому отвод теплоты является основной задачей при создании высокоинтенсивных источников излучения. Так как электроны и рентгеновские лучи достаточно легко рассеиваются в воздухе, необходимо рентгеновский источник помещать в высокий вакуум. По этой же причине систему совмещения и экспонирования также располагают в низковакуумной рабочей камере или заполняют камеру гелием.

3. ЭКСПОНИРОВАНИЕ В РЕНГЕНОЛИТОГРАФИИ

Процесс экспонирования в ренгенолитографии описывается той же технологий схемой, что и обычное экспонирование. Здесь также имеется источник излучения, шаблон и пластина, покрытая резистом, чувствительным к излучению. На рис. 2 показана установка для жирования рентгеновскими лучами. Разрешающая способность ренгенолитографии на несколько порядков выше, чем фотолитографии, так как значение длины волны рентгеновского излучения находится в пределах 5 нм. Поэтому ренгенолитография заменяет фотолитографию при изготовлении элементов ИМС субмикронных размеров.

Рисунок 2 — Конструкция ренгененографической установки для экспонирования [2]:

I — вращающийся анод, охлаждаемый водой; 2 — вакуумная камера; 3 — электронная пушка; 4 — тонкое бериллиевое окно; 5 — рентгеновские лучи; 6 — устройство совмещения; 7— пластина, покрытая рентгенорезистом; 8 — шаблон; 9— микроскоп; 10 — патрубок для откачки; 11 — система вращения анода

Рентгеновские лучи должны быть достаточно мягкими, чтобы резист при экспозиции мог их поглотить, но в то же время и достаточно жесткими, чтобы не поглощаться входным окном источника и пластиной шаблона. С учетом этих факторов для окна источника и пластин шаблонов подбираются материалы, пропускающие рентгеновские лучи. Эти лучи от мощного источника излучения, смонтированного в вакуумной камере, через тонкое (25 мкм) окто и шаблон направляются на пластину, экспонируя резист. Пространство между окном и пластиной заполняется инертным газом. Создать достаточно равномерное облучение всей пластины не просто, так как для коллимирования рентгеновских лучей нет ни зеркал, ни линз. Поэтому, чтобы обеспечить параллельность лучей, необходимо выбрать большое расстояние от источника до подложки. Обычно оно составляет 20 … 50 см. Поскольку интенсивность облучения подложки обратно пропорциональна квадрату этого расстояния, то находят оптимум между расхождением лучей и интенсивностью облучения.

Источник облучения не является идеально точечным. Конечность его размеров и расхождение лучей приводят к геометрическим искажениям и появлению полутеней, как показано на рис. 2 даны все размеры, необходимые для расчета минимальной разрешающей способности системы б и геометрических и геометрических искажений.

Геометрические искажения, возникающие из-за наличия зазора s между шаблоном и пластиной, приводят к ошибкам в передаче изображения с шаблона. В результате этих ошибок стенки экспонированных областей резиста получаются невертикальными, а размеры рисунка, образующегося при последующем травлении, имеют погрешность в определенных пределах. Для большинства ренгенолитографических установок эти пределы не превышают 0,1 мкм при размере источника 5 мм, диаметре пластин 76 мм и расстоянии между источником и пластиной 20 см, а между пластиной и шаблоном 4 мкм.

При создании многослойных структур геометрические искажения создают серьезные трудности, которые определяются не столько самими искажениями, сколько их изменением при переходе от одного слоя к следующему из-за невозможности сохранить постоянный зазор между шаблоном и пластиной. Изменение зазора приводит к изменению геометрического искажения на пластине диаметром 76 мм при D=20 см значение dA не превышает 0,1 мкм, если значение ds поддерживается равным не; более 0,5 мкм, что находится на пределе современных возможностей конструкций держателей шаблонов и пластин, а также достижимой плоскостности пластин в высокотемпературных процессах обработки (диффузии, эпитаксии, окисления). Для ИМС с одним слоем рисунка (ПАВ, ЦМД, ПЗС и другие) ошибки изображения не оказывают заметного влияния на размеры их элементов.

В отличие от электронолитографии и фотолитографии в рентгенолитографии почти не сталкиваются с погрешностями, возникающими в результате дифракции.

В настоящее время в рентгенолитографии используют точечные источники мягкого рентгеновского излучения, в которых электронный пучок фокусируется на вращающейся с большой частотой (10 000 об/мин и более) мишени, охлаждаемой проточной водой.

Наиболее перспективным источником рентгеновского излучения является синхротронное излучение, создаваемое ускорителем электронов в магнитном поле при движении их по криволинейным траекториям. Синхротронное излучение имеет непрерывный спектр, максимум которого при достаточно большой энергии (до 1 ГэВ) приходится на область мягкого рентгеновского излучения.

Использование синхротронного излучения в рентгенолитографии обусловлено его сильной природной коллимацией, т. е. малой расходимостью потока. В каждой точке криволинейного участка орбиты поток синхротронного излучения сосредоточен в пределах очень узкого конуса с углом вертикальной расходимости порядка нескольких угловых секунд. В результате этого при экспонировании геометрические искажения переносимого изображения оказываются незначительными.

Синхротронное излучение обладает высокой интенсивностью и превосходит в тысячи раз рентгеновское излучение, создаваемое мишенями. Благодаря этому экспонирование синхротронным излучением составляет единицы секунд, что обеспечивает высокую производительность рентгенолитографии.

Стоимость синхротронов очень велика, поэтому необходимо использовать их на множество каналов экспонирования.

Следует отметить, что при использовании синхротронного излучения плоскости рентгеношаблона и подложки должны располагаться по вертикали. Это надо учитывать при проектировании установок совмещения и мультипликации, так как подложки должны точно перемещаться в вертикальной плоскости.

Рентгенорезисты не являются особым классом органических соединений и не отличаются по механизму работы от электронорезистов. Особенность состоит лишь в том, что поглощение слоем резиста рентгеновского излучения меньше, чем электронного, поэтому и эффективность экспонирования рентгеновскими лучами ниже. В результате поглощения кванта энергии рентгеновского излучения в резисте возникают фотоэлектроны которые, взаимодействуя с полимерной основой позитивны: или негативных резйстов, приводят к ее деструкции или объем ной полимеризации.

Кроме того, следует учитывать, что в результате поглощения рентгеновского излучения подложка также излучает электроны, которые производят дополнительное экспонирование. Именно вторичное электронное излучение ограничивает разрушающую способность рентгенолитографии.

Важной проблемой рентгенолитографии является разработка технологии изготовления рентгеношаблонов, которые должны отвечал определенным требованиям. Маска рентгеношаблона, нанесенная на тон кую мембрану, должна хорошо поглощать рентгеновское излучение, а мембрана должна обладать малым коэффициентом поглощения, достаточной механической прочностью и не давать усадок и искажение при изменении внешних условий.

Исходя из этих требований, маски формируют в виде тонких пленок Аu, Pt, W, Mo, а мембраны изготовляют в виде тонких слоев Be, Si, SiO2, Si3N4, A12O3, их сочетаний или специальных безусадочных полимерных пленок.

Как правило, рентгеношаблоны выполняют на жестком каркасе (обычно — это селективно вытравленные кремниевые подложки), на который наносят мембрану. Изображения элементов на рентгеношаблоне создают электронолитографией.

При рентгенолитографии следует учитывать также радиационные дефекты, которые возникают как в экспонируемых Полупроводниковых подложках, так и в рентгеношаблонах. Дефекты, возникающие в формируемых в подложках транзисторных структурах, устраняют термическим отжигом. Высокие дозы рентгеновского излучения приводят к тому, что сроки использования рентгеношаблонов невелики.

Одним из достоинств рентгенолитографии является возможность получения структур субмикронных размеров с низким уровнем дефектности. Это объясняется тем, что загрязняющие частицы, как правило, органические, существенно не ослабляют рентгеновское излучение при экспонировании, вследствие чего дефекты рентгеношаблона не переносятся на слой рентгенорезиста на подложке.

Рентгенолитография рассматривается как один из наиболее перспективных методов литографии при изготовлении сверхбыстродействующих полупроводниковых приборов и ИМС.

ВЫВОДЫ

В ходе изучения курсовой работы я ознакомился с процессом рентгенолитографии и сделал выводы:

Ш Рентгенолитография — это процесс переноса изображения шаблона с помощью рентгеновского излучения.

Ш Процесс рентгенолитографии позволяет производить операции на микро и нано уровнях.

Ш Рентгенолитография имеет высокое качество изделий.

Но помимо положительных сторон, рентгенолитография имеет и отрицательные.

Ш Высокая стоимость самого процесса рентгенолитографии

Ш Несовершенность охлаждающей системы

Ш Потребность в специальных условиях

1. Достанко А. П., Баранов В. В., Шаталов В. В. Пленочные токопроводящие системы СБИС.-Мн.: Выш.шк., 2000.-238 с.

2. Черняев В. Н. Технология производства интегральных микросхем и микропроцессоров. — М; Радио и связь, 2007 — 464 .

3. Технология СБИС. В 2 кн. Пер. с англ./Под ред. С. Зи, — М.: Мир, 2006.-786 с.

4. Готра З. Ю. Технология микроэлектронных устройств. — М.: Радио и связь, 2001.-528 с.