Литография высокого разрешения в технологии полупроводников

| Категория реферата: Рефераты по технологии
| Теги реферата: сестринские рефераты, сочинение 7
| Добавил(а) на сайт: Башкатов.

Предыдущая страница реферата | 1 2 3 4 5 | Следующая страница реферата

Электронно-лучевое экспонирование.
Введение.
В традиционной фотолитографии резисты экспонируются незаряженными фотонами ультрафиолетового диапазона. Из теории дифракции и практической микроскопии известно, что разрешение ограниченно длинной волны используемого излучения.
При использовании некоторых видов излучения высокой энергии шаблоны могут не применятся, что ведет, с одной стороны, к снятию ограничения по разрешению, с другой к снижению производительности процесса экспонирования и росту производственных затрат.

[pic]
Рис. 11. Наименьшая воспроизводимая ширина линии : I - дифракционный предел
(зазор 10 мкм); II - дифракционный предел (NA объектива равна 0.4); III - дифракционный предел (зазор 1 мкм); IV и V - предел рассеяния фотоэлектронов, теоретические значения и данные эксперимента соответственно; VI - предел, определяемый обратным рассеянием электронов.

Для волны экспонирующего излучения высокой энергии измеряется сейчас не нанометрами, а ангстремами. Резистом может служить любой полимер либо неорганический пленкообразующий. Возможна даже безрезистивная литография, поскольку неорганические пленки могут быть подвергнуты травлению, испарению или превращен в полупроводники посредствам ионной имплантации. Энергии достаточно как для возбуждения атомов, так и для перестройки любых химических связей. Литографические процессы, применяющие излучения в диапазоне длин волн короче 100 нм, называется радиолитографией. Цена, за которую приходится платить за все достоинства радиолитографии - низкая производительность и соответственно высокая стоимость экспонирования.
Радиационное экспонирование применяется в том случае, если характеристики систем оптической литографии не удовлетворяют требованием по точности совмещения и глубины фокуса.
Пространственное разрешение процесса экспонирования ограничивается длиной волны падающего или обратно рассеянного излучения (рис. 11), поэтому излучение высокой энергии с длиной волны порядка атомных размеров способно обеспечить разрешение до 5 нм. Однако на практике предел разрешения составляет около 50 нм. Если ослабить или совсем устранить обратное рассеяние, используя кремниевые мембран вместо толстых пластин, то можно будет изготовить приборы нанометровых размеров.
Литография высоких энергий делится на :
1) проекционную (рентгеновская, ионная, электронная);
2) сканирующую (электронная, ионная).
При экспонировании через шаблон излучение высокой энергии проецируется в большинстве случаев на поле размером в один кристалл. Несколько кристаллов можно экспонировать рентгеновским излучением или электронным пучком некоторых фотокатодных устройств, но только при размере элемента больше 2 мкм. Шаблоны изготавливаются из тяжелых металлов на полупрозрачных органических или неорганических мембранах. Кроме того, сам шаблон может служить источником энергии, как, например, фотокатод из TiO2, который при возбуждении УФ-излучением испускает электроны с энергией 10 кэВ.

С помощью ЭЛ литографии создаются шаблоны для всех остальных видов литографии (с УФ, рентгеновским и ионным экспонированием). Не посредственное ЭЛ экспонирование пластин будет дополнять оптическую литографию и в будущем станет доминирующим в субмикронной технологии.
В настоящее время существует здоровое соперничество систем пошаговой проекционной и контактной УФ печати, но, возможно, в ближайшем будущем на рынке появится установки электронно-лучевого и рентгеновского экспонирования. Минимальный размер элементов изображения зависит от формы сечения входного пучка , его энергии и от области простирания обратно рассеянного излучения.

Характеристики электронно-лучевых установок.
Разрешение зависит, в частности, от распределения интенсивности на краю луча еще до того, как он поглотится в резисте. Используются два типа пучков: гауссов пучок круглого сечения и пучок с квадратным или прямоугольным сечением. Для гауссова пучка пространственное разрешение d принимается равным ширине распределения интенсивности на полувысоте.
Удовлетворительная точность передачи изображения получается, если величина d не превосходит по крайне мере 1/5 минимальной ширины линии. Таким образом, необходимо провести гораздо больше элементарных актов экспонирования, чем при использовании пучка квадратного сечения. Для такого пучка минимальная ширина линии рисунка равна размеру квадратного пятна. Для достижения одинакового разрешения ширина линии краевого спада распределения интенсивности (от 90 до 10%-ного уровня)должна быть равна полуширине гауссова луча. Ширина краевого спада квадратного 1,5 мкм луча составляет примерно 0.2 мкм.
Разрешение r должно превышать толщину резиста t, а точность совмещения должна быть лучше 1/5 разрешения. Для электронных пучков было достигнуто совмещение (0.1 мкм. В диапазоне энергий экспонирования 10-30 кэВ основным фактором, ограничивающим разрешение, является обратное рассеяние электронов от подложки. Использование гауссовых пучков или недостаточное перекрывание пятен может быть причиной появления неровностей на краю и размытости рисунка. С другой стороны, отсутствие обратного рассеяния от соседних экспонируемых элементов приводит к недоэкспонированию субмикронных изолированных линий. Узкие ( 1 кэВ может иметь величину порядка несколько микрометров. Поскольку больная часть падающих электронов остается в подложке, то чувствительность резиста и форма профиля изображения зависят от материала подложки.

Производительность систем ЭЛ экспонирования.
Наряду с высоким разрешением достигнута приемлемая производитель-ность систем ЭЛ экспонирования. Важнейшие факторы, определяющие ее, приведены в табл 2. Стоимость ЭЛ экспонирования одной пластины по сравнению с оптическими оказывается примерно на порядок выше, что, однако, оправдывается возможностью перенастройки (поскольку не требуются фото шаблоны) и в тех случаях, когда для изготовления кристалла ИС необходимо многократное экспонирование.

Таблица 2. Факторы, определяющие производи- тельность ЭЛ-экспонирования.
| Сечение луча (круглое, квадратное, переменной формы) |
| Плотность тока луча и его диаметр |
| Чувствительность резиста |
| Коррекция эффектов близости (доза, размер пятен) |
| Ожидание (перемещение и совмещение) |

Из-за аберраций и электрон-электронных взаимодействий, ток луча приходится понижать при экспонировании наименьших пятен (рис. 15), что ведет к увеличению времени экспонирования изображений с субмикронными элементами.
Время экспонирования t определяется выражением: t=D/I[A/cm2], (23) где доза D, требующаяся для экспонирования, находится в пределах от 1 мКл/см2 до 1 мкКл/см2.
[pic]
Рис. 15. Зависимость между током электронного пучка и его диаметром.

Время экспонирования единич-ного пятна от нескольких микро-секунд до 0.1 с типичны для систем с катодами как из вольфрама, так и гексаборида лантана
(плотность тока эмиссии 0.1-50 А/см2). В автоэмиссионных катодах можно достичь плотность тока 106 А/см2, но они не достаточно стабильны.
Электронно-оптические аберрации и эффекты объемного заряда не позволяют сфокусировать в пятно нанометрового размера весь ток источника (106 А/см2), вынуждая экспонировать пятна, площадь которых в 102-104 раз больше.
В пятне как 1 мкм, так и 1 нм размера поддерживается примерно одинаковая плотность тока (1-100 А/см2) и соответственно требуется приблизительно равное время экспонирования пятна.
Нанолитография сталкивается со статическими проблемами при формировании дозы в нанометровом пятне. К примеру, располагая лучем (пятном) диаметром
100 нм, для повышения производительности желательно было бы использовать более чувствительный резист, а для увеличения разрешения сделать его по возможности тонким (порядка 100 нм).
Вследствие статической природы явления электронной эмиссии минимальное число электронов Nm, необходимое для экспонирования пятна, ограничено снизу пределом допустимого дробового шума (рис. 16) и составляет примерно 200 электронов. Лимитирующая доза определяется выражением

D= Nme/(линейный размер)2 (26)
[pic]
Рис. 16. Статический шумовой предел дозы ЭЛ-экспонирования, необходимой для формирования элементов нанометровых размеров.

Повышенные дозы, требуемые в нанолитографии, приводят к непомерно большому времени экспонирования, если не использовать автоэмиссионные катод либо резисты способные к усилению изображения, чувстви-тельностью около 0.01 мкКл/см2. К тому же в электронной оптике, схематехнике, в позиционирова-нии пучка и т.д. существуют фундаментальные физические ограничения на размер экспонируемой области, дозу, время облучения, рабочее поле.
Эти факторы наряду с упомянутыми выше требованиями к интенсивности пучка и его краевому спаду устанавливают производительность на уровне 1-10 пластин в час (100-150 - мм пластины) для наиболее быстродействующих ЭЛ установок с лучем переменной формы.

Радиационные резисты.
Главные задачи взаимодействия резиста с экспонирующим оборудованием состоят в обеспечении:
1) высокой чувствительности для приемлемой производительности;
2) высокого разрешения для формирования субмикронных изображений.
Кроме выполнения этих первоочередных задач, резистная маска должна иметь хорошую стойкость на этапе переноса изображения.
Снижение требуемой дозы при использовании источников излучения высокой энергии с уменьшением размера изображения (пятна или сечения пучка) приводит к дилемме статистического характера. Поскольку источник испускает частицы с высокой энергией из эмиттера случайным образом, то число электронов или других частиц, попавших на элемент изображения нанометрового размера, может оказаться недостаточным для формирования изображения. Если на 1 см2 падает 6*1011 электронов, то в пятно размером 0.1(0.1 мкм2 попадает только 60 электронов с неопределенностью дробового шума (N) в интервале ((N)1/2 . Разрешение, согласно статистике Пуассона, есть простая функция дозы:

Предел разрешения = Доза-1/2
Чтобы достичь нанометрового разрешения, для малых элементов изображения требуется большая доза, соответствующая паспортной чувствительности резиста, но экспонирование излучением высокой энергии требует более чувствительных резистов для достижения хотя бы минимально приемлемого выхода продукции. При малых дозах (меньше 1 мкКл/см2) размер экспонированных элементов (пятен) настолько мал, что полимер не проявляется. Для изолированных линий недостает обратно рассеянных электронов, и для компенсации этого дефицита (внутреннего эффекта близости) требуется избыточная доза. Для полимерных резистов, в которых нужно экспонировать только поверхностный слой (как в случае ПММА, обрабатываемого мономером), а не всю толщу резиста, ряд ограничений, обусловленных дробовым шумом, может быть снят, поскольку образующиеся при экспонировании захваченные радикалы служат инициаторами изотропной поверхностной полимеризации.
Из трех видов экспонирования (ЭЛ, рентгеновское и ионно-лучевое) ионный пучек имеет самую высокую эффективность, поскольку большая часть его энергии (90 %) может поглотиться пленкой толщиной 1 мкм без искажений, обусловленных обратным рассеянием, которое свойственно ЭЛ-экспонированию.
При электронном или рентгеновском экспонировании пленка поглощает только 1-
10 % падающей дозы.

Оборудование для ЭЛ экспонирования.
К любой литографической системе предъявляются следующие принципиальные требования:
1) контроль критического размера;
2) точность совмещения;
3) эффективность затрат;
4) технологическая гибкость;
5) совместимость с другими экспонирующими системами.
Существует несколько вариантов построения сканирующих установок ЭЛ экспонирования:
1. Гауссов пучек либо пучек переменной формы.
2. Пошаговое либо непрерывное перемещение столика.
3. Источник электронов: вольфрамовая нить, эмиттер из гексаборида лантана, полевой эмиссионный катод (острие), простой либо составной источник.
4. Коррекция эффектов близости варьированием дозы, размеров экспонируемых областей либо и того и другого.
5. Ускоряющее напряжение (5-10 кэВ).
Главные элементы экспонирующей ЭЛ системы- источник электронов, системы фокусировки и бланкирования луча, устройство контроля совмещения и отклонения, электромеханический стол и компьютерный интерфейс.
1. Блок бланкирования электростатического либо электронно-магнитного типа, который “выключает” электронный луч, отклоняя его за пределы отверстия коллимирующей диафрагмы.
2. Блок отклонения- либо совмещенный с оконечной линзой, либо помешенный после нее. Блоки отклонения тоже делятся на электронно-статические и электронно-магнитные, но предпочтение, обычно, отдается последним (по причинам меньших аберраций и лучшей защищенности от влияния поверхностного заряда).
3. Блок динамической фокусировки, корректирующий аберрации, вносимые отклонением луча от оптической оси системы.
4. Система детектирования электронов, сигнализирующая об обнаружении меток совмещения и других деталей рельефа мишени.
5. Прецизионный рабочий стол с механическим приводом, обеспечивающим обработку все пластины.
6. Вакуумная система.
В растровой схеме топологический рисунок обычно делится на подобласти, каждая из которых сканируется растром, подобно телевизионному. Вдоль своего серпантинообразного пути электронный луч периодически банкируется. Круглый гауссов луч, диаметр которого составляет примерно четверть минимального размера элементов изображения, сканирует с перекрытием (рис. 17). При этом наблюдается некоторая волнистость контура элементов, обусловленная внутренним эффектом близости.
[pic]
Рис. 17. Формирование отдельной линии при прекрытии гауссовых лучей.

Другой тип установок с гауссовым лучом работает в режиме векторного скани- рования. Электронный луч адресуется только в области, подлежащие экспони- рованию (рис. 18). При формировании топологических рисунков с низкой плотностью элементов, к примеру контактных окон, этот метод существенно ускоряет процесс экспонирования. В таб. 3 проведено сравнение векторной и растровой сканирующих систем экспонирования.

Таблица 3. Сравнение растровой и векторной сканирующих систем (круглый гауссов луч).

Растровая Векторная

Используется как позитивный, так и негативный резист
Относительно низкая стоимость
Возможно применение луча диаметром 1нм
Низкое быстродействие
Коррекция эффектов близости затруднена
Необходимо применять быстродействующие ЦАП
Преимущественно позитивный резист
Необходимы высококачественные отклоняющие системы
Диаметр пятна ограничен
Большее быстродействие, возможно прямое экспонирование на пластине
Коррекция эффектов близости относительно проста
Компактное представление данных

[pic]
Рис. 18. Путь луча при растровом (слева) и векторном (справа) ЭЛ- экспонировании.

Гауссовы лучи недостаточно интенсивны и требуют перекрытия 4-5 малых пятен для формирования квадрата. Использования луча с сечением фикси-рованной либо переменной прямоугольной формы повышает произво-дительность (рис. 19).
Еще большая производительность может быть достигнута проецированием целых фигур в комбинированном растрово-векторном режиме (рис. 20).
.
[pic]
Рис. 19. Экспонирующая ЭЛ-система с прямоугольным лучем переменной формы. 1
- пластины, управляющие формой луча; 2 - вторая квадратная диафрагма; 3 - полученное пятно.
Рис. 20. Символьная проекционная ЭЛ-печать. 1 - отклоняющие пластины; 2 - фокус; 3 - символьные апертурные отверстия; 4 - символьная диафрагма; 5 - полученное изображение (сечение луча).
Сокращение времени обработки в случае проекции фигур переменной формы показано на рис. 21, где сравнивается экспонирование гауссовом лучом, лучами постоянной и переменной форм и проецированием фигур. Чем больше одновременно проецируемая область, тем выше производительность. Время переноса изображения в системах с лучом переменной формы в 16-100 раз короче, чем в системах, использующих гауссов луч.
[pic]

Рис. 21. Число точек изображения, формируемых круглым гауссовым лучем (а), лучем фиксированной квад-ратной формы (б), лучем переменной формы (в) и проецированием фигур (г).
Для топологического рисунка малой плотности, с изреженными окнами, обычно используют позитивный ЭЛ резист, негатив-ный же предпочтительнее, если доминируют области, подлежащие вскрытию.
Литографический прием, позволя-ющий избежать влияния фактора плотности элементов, состоит в контурном экспонировании фигур рисунка с последующим осажде-нием металла, излишки которого удаляются посредством электро-лиза.
Эта технология образно названа “каньонной” литографией в связи с очерчиванием некоторых областей рисунка и истреблением промежутков между ними.
Производительность ЭЛ установок складывается из производительности процессов экспонирования, совмещения, перемещения и подготовки топологической информации.
Время прорисовки изображения электронным лучом T равно сумме времени экспонирования te и ожидания tw:

T= te+ tw. (27)
Время tw включает в себя время численных преобразований, передвижения столика, регулировки позиционирования и т.д. Хотя tw не всегда пренебрежимо мало, мы сосредоточимся на главным образом на рассмотрении te. Если луч с плотностью тока j за время t засвечивает одновременно площадь a, то время, необходимое для экспонирования области площадью A, равно: te=k(S/j)(A/a), (28) где k отношение фактически сканируемой области к А, S чувствительность резиста.
Величина k определяется характером топологии и схемой сканирования (k=1 в растровой и k=0.2-0.4 в векторной). Таким образом, для сокращения времени экспонирования необходимо увеличить плотность тока луча j либо общий ток ja. Время ожидания состоит из времени обработки данных и времени установки подобласти экспонирования и столика.
При использовании луча переменной формы основными проблемами являются формирование элементов непрямоугольной формы и коррекция эффектов близости посредством разбиения фигур на области равной дозы. Такой способ коррекции связан с проблемами управления большими объемами данных и потерей производительности.
Резистный материал может взаимодействовать с компонентами ЭЛ систем, порождая такие проблемы, как загрязнение, накопление заряда, плохое совмещение и низкий срок службы оборудования, приводящий к росту затрат времени на ремонт.

Таблица 4. Сравнение ЭЛ-систем различного типа.

Рекомендуем скачать другие рефераты по теме: quality assurance design patterns системный анализ, бесплатные конспекты, реферат.

Claw.ru | Рефераты по технологии | Литография высокого разрешения в технологии полупроводников

Литография высокого разрешения в технологии полупроводников

Категории:

Поделитесь этой записью или добавьте в закладки

Рефераты от А до Я

Полезные заметки