Сущность ионной литографии состоит в экспонировании пластины широким пучком ионов Н+, Не2+ или Ar+ через шаблон из золота на кремниевой мембране или поточечного экспонирования сканирующим пучком из жидкометаллического (Ga) источника. Зазор между шаблоном и пластиной составляет около 20 мкм, но для субмикронных процессов требуется контакт, так как изолированные элементы изображения не могут быть экспонированы через сквозной шаблон, а составные шаблоны разделяются на две взаимодополняющие части.
Поскольку ионы поглощаются в 10-100 раз эффективнее, чем электроны, то и требуется их в 10-100 раз меньше (1010-1012 ионов/cм2 ли 0.01-1 мкКл/см2). Хорошая корреляция между экспонированием протонами и электронами была продемонстрирована Бро и Миллером. Так как источник протонов может давать пучок с плотностью мощности более 100 мВт/см2 (>1 А/см2), то малое время экспонирования (в микросекундах на кристалл или секундах на пластину) обеспечивает стабильность шаблона и субмикронное совмещение. Изображения с вертикальным профилем края (искажение края профиля <0.1 мкм, обусловленное отклонениями при изготовлении шаблона) могут быть сформированы как в негативных, так и в позитивных резистах. Даже десятикратное переэкспонирование не вызывает изменения ширины линий. Взаимный эффект близости ярко выраженный при ЭЛ-экспонировании, не наблюдается благодаря малости обратного рассеяния протонов.
Сфокусированные ионные пучки для прямого (без шаблона) экспонирования резистов имеют ограниченное применение, так как размер поля экспонирования не превышает 1 мм2. При сканировании ионного пучка его отклонение происходит медленнее по сравнению с электронным пучком, а разрешающая способность объектива (МПФ) оказывается не лучше 1 мкм в кристалле 5ґ5 мм. В настоящее время ионные пучки используются в основном для ретуширования фотошаблонов. Другая область применения металлических ионных источников (таких, как Si или Ga) - имплантация в поверхностный слой ПММА толщиной всего 100 нм. Поскольку ионно-имплантированный резист устойчив к травлению в кислородной плазме, то изображение обращается и переносится в ПММА с помощью РИТ.
При исследовании разрешающей способности позитивных резистов в случае ионно-лучевого экспонирования понятие контрастности g используется для оценки характеристик скрытого изображения в резисте:
g=dR/dZ=(dR/dE)(dE/dZ) (30)
Первый сомножитель в правой части характеризует скорость проявления пленки, а второй - описывает распределение энергии Е по глубине Z. Хотя боковое рассеяние мало, контрастность ПММА не выше, чем при ЭЛ-экспонировании. Бро и Миллер установили, что g=2.2 как для протонов, поглощенных в ПММА, так и для электронов с энергией 20 кэВ. Пробег вторичных частиц составляет всего около 10 нм для 100-кэВ Н+ и около 500 нм для 20-кэВ электронов.
Дополнительная область применения ионно-лучевого экспонирования - отверждение резистов ДХН и ПММА для реактивного ионного травления или других применений в качестве маски. При ионной имплантации В, Р или As резист со скрытым изображением работает как барьерный слой.
Ионно-лучевое экспонирование является идеальным в том смысле, что для него прямое и обратное рассеяния пренебрежимо малы, а радиационные повреждения в кремниевой подложке практически отсутствуют, так как ионы в основном не проходят сквозь слой резиста. Поскольку ионы очень эффективно передают в резист энергию, то чувствительность резиста не является решающим фактором для производительности, которую в данном случае обеспечивают подбором подходящего высокоинтенсивного источника ионов, термостабильного шаблона и высокой точностью совмещения (± 0.1 мкм).
Заключение.
В табл. 5 приведены результаты сравнения всех типов экспонирующего оборудования и используемых в нем шаблонов. Доминирующим является УФ-экспонирование, за ним следует электронно-лучевое. Для рентгеновского и ионно-лучевого экспонирования необходим еще один этап усовершенствования. Реально ширина экспонируемой линии примерно в 4 раза превышает точность совмещения.
Если размер элементов рисунка превышает 1 мкм и требуется большой объем производства однотипных изделий, то пригодны 1ґ-зеркальные сканеры, имеющие высокую производительность и достаточную точность совмещения. Ниже 1-мкм барьера и примерно до 0.6 мкм конкурируют установки пошагового экспонирования с преломляющей оптикой (5ґ-объектив для экспонирования на длине волны 365 нм) и установки пошагового экспонирования со сканированием. При изготовлении 1ґ-шаблонов возникают серьезные проблемы, такие, как дефектность и невозможность выдержать размеры на всей поверхности (250ґ250 мм) стеклянной пластины. Сделана попытка расширить возможности оптической литографии на диапазон размеров 0.6-0.3 мкм с помощью отражательных установок пошагового ДУФ-экспонирования с 3-5ґ-уменьшением. Что касается размеров менее 0.3 мкм, то массовое производство схем памяти обеспечивается печатью с зазором с применением либо рентгеновских, либо электронных пучков. Электронные пучки применяются для изготовления традиционных заказных схем и комплектов шаблонов для всех остальных видов экспонирования.
Таблица 5. Сравнение экспонирующего оборудования
и соответствующих ему шаблонов и резистов.
| I | II | III | IV | V | VI | VII | VIII | IX | |
| Минимальный размер | 1 | 2 | 3 | 4 | 4 | 5 | 4 | 3 | 3 |
| Регистрация | 1 | 2 | 3 | 3 | 3 | 4 | 3 | 2 | 4 |
| Производительность | 4 | 5 | 3 | 3 | 2 | 1 | 1 | 1 | 3 |
| Стоимость и простота шаблона | 2 | 2 | 3 | 4 | 4 | 3 | 1 | 1 | 1 |
| Чувствительность к рельефу | 2 | 3 | 3 | 3 | 2 | 4 | 4 | 4 | 3 |
| Простота резиста и его стоимость | 4 | 2 | 2 | 3 | 3 | 1 | 1 | 2 | 3 |
| Стоимость оборудования | 5 | 3 | 2 | 3 | 3 | 1 | 2 | 2 | 1 |
| Простота управления | 5 | 4 | 3 | 3 | 3 | 4 | 3 | 2 | 3 |
| Восприимчивость к дефектам | 1 | 3 | 4 | 4 | 5 | 4 | 4 | 4 | 3 |
| Перспективы развития для субмикронной литографии | 1 | 2 | 4 | 3 | 3 | 5 | 3 | 2 | 2 |
| Общий балл | 26 | 28 | 30 | 33 | 32 | 32 | 26 | 23 | 26 |
| Место | 4 | 3 | 2 | 1 | 1 | 1 | 4 | 5 | 4 |
Условные обозначения к табл. 5.
| I | Контакт с зазором |
| II | 1/1 УФ-сканер |
| III | 4/1 УФ-сканер/степпер |
| IV | 5/1 УФ-степпер |
| V | 10/1 УФ-степпер |
| VI | Электронный луч |
| VII | Рентгеновское излучение |
| VIII | Ионный луч |
| IX | Электронный пучек с зазором |
Ключем к высокопроизводительной литографии являются высококачественные стойкие шаблоны, которые способны выдерживать термические и механические напряжения. Выбор вида излучения (широкие пучки УФ-излучения, рентгеновского излучения, электронов или ионов) для экспонирования через шаблон, зависит в основном от трех факторов:
1) может ли быть изготовлена маска с резкостью края лучше чем 1/10 воспроизводимого размера;
2) обеспечивается ли достаточная плоскостность шаблона и сохраняются ли она, а также рисунок неизменными во время экспонирования:
3) может ли быть разработана такая схема совмещения, в которой различались бы длины волн экспонирования и совмещения.
Техника изготовления шаблонов даст толчек развитию новых резистов и процессов.
Уменьшение глубины фокуса в оптической литографии требует применения более плоских пластин, автофокусировки и автосовмещения. Для уменьшения ошибок совмещения и фокусировки необходимо применять низкотемпературные процессы, в которых меньше коробление пластин, и планировать конструкцию изготовляемых приборов. Для субмикронной литографии необходимо последовательное совмещение от кристалла к кристаллу. Установки, в которых совмещены принципы сканирования и пошагового экспонирования, будут развиваться исходя из требования на совмещение.
Основными проблемами оптического и ионно-лучевого экспонирования Si-пластин являются многослойные резисты.
Величина К=0.3 в случае записи рисунка в верхний поверхностный слой, 0.5- в верхний промежуточный слой (многослойные резисты), 0.8- во всей толщине однослойной резистной пленки. Основные направления увеличения разрешения заключается в уменьшении толщины чувствительного слоя, по крайней мере, до четверти величины минимального требуемого размера (разрешения).
Производительность любого экспонирующего оборудования лимитирована интенсивностью источника и чувствительностью резиста. При оптическом экспонировании, исключая ДУФ-диапазон, эти величины соответствуют друг другу. Для электронно- и ионно-лучевого экспонирования желательно повысить чувствительность. Особенно это относится к новолачным резистам. Для рентгеновского экспонирования требуются хорошие однослойные пленки резиста, чтобы реализовать возможности получения высокого разрешения и устранить низкую производительность. С помощью рентгеновского экспонирования можно также избежать дополнительных затрат, связанных с внедрением многослойных резистов, требуемых в будущем для оптической и электронно-лучевой литографии.