Литография высокого разрешения в технологии полупроводников (стр. 5 из 9)
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) |
| Размер кристалла и пластины |
| Плотность топологии |
| Тип сканирования (растровая либо векторная) |
| Нижний предел дозы, определяемый шумами (статический предел дозы) |
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.
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)
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 0.1ґ0.1 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.
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
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). .