Формирующееся электромагнитное поле в ближней волновой зоне на выходе из волокна будет препятствовать расхождению наноструи. Для организации пространственного сканирования струи по подложке необходимо использовать два или четыре лазера с небольшой растройкой по частоте. За счет фазовой или амплитудной модуляции можно сформировать несимметричное поле, отклоняющее струю.
Сущность изобретения заключается в следующем. Согласно одному из вариантов изобретения сканирующий струйный нанолитограф, содержит электрически управляемые узкополосные источники оптического излучения и одно или более сопел для создания управляемой струи из химически и/или физически активного вещества. Струя формирует рисунок на подложке и/или осуществляет профильную резку обрабатываемого материала. Сопло является оптическим резонатором. Оно выполнено из оптически прозрачного капилляра, в стенки которого предусмотрено введение электрически управляемого узкополосного оптического излучения. Длина сопла выбирается кратной половине длины волны оптического излучения, причем длина волны оптического излучения выбирается такой, чтобы обеспечить максимальное симметричное и/или несимметричное световое давление на прокачиваемое через капилляр вещество. Внешний размер сопла (резонатора) выбирается не менее длины волны используемого оптического излучения.
В этом изобретении прокачиваемое внутри капилляра вещество может быть газообразным, жидкостным, радикальным, плазменным или их комбинаций. Внутренний профиль сечения капилляра сопла имеет заданную форму или в простейшем случае выполнен с внутренним диаметром не менее 5 нм.
Капилляр сужается к соплу и покрыт светоотражающим покрытием, за исключением внутренней части капилляра сопла, которое является оптическим резонатором. Взаимодействие оптического излучения и прокачиваемого вещества осуществляется внутри сопла (резонатора).
Для проведения технологических операций предусмотрена возможность относительного перемещения по крайней мере одного сопла и подложки в нанолитографе.
Способ работы сканирующего струйного нанолитографа заключается в пространственном управлении струей, которое осуществляется путем создания в капилляре сопла неоднородного светового давления на струю. Это приводит к заданному отклонению струи от центральной оси на выходе из капилляра сопла. Прерывая по времени световое давление можно задавать длину струи или делать ее в виде капель, что улучшает устойчивость струи при приближении к критическим скоростям.
Одним из способов работы нанолитографа является то, что неоднородное световое давление на струю в капилляре формируется за счет пространственного фазового или амплитудного сдвига оптического излучения от по крайней мере одного электрически управляемого узкополосного источника.
Другой способ работы нанолитографа заключается в возможности пространственного прерывания струи путем выключением оптического излучения.
Для того, чтобы капилляр не блокировался кластерными образованиями жидкости – бабстонами, давление подаваемой к капилляру жидкости должно превышать давление образования бабстонов для этой жидкости. Однако оно должно быть меньше капиллярного давления на выходе из сопла для того, чтобы при выключении оптического излучения движение струи прерывалось.
Другим способом работы нанолитографа является то, что при резке обрабатываемого материала пространственное управление процессом резки осуществляют, по крайней мере, как оптическим управлением струи или струй, так и механическим перемещением обрабатываемого материала и/или сопла или сопел.
Вариантом изобретения нанолитографа является то, что в него дополнительно встроена широкоапертурная оптическая система с детекторами для сбора оптического излучения в диапазоне от инфракрасного до ультрафиолетового, возникающего в зоне контакта струи с объектом.
Способ работы такого нанолитографа является то, что для контроля процесса формирования топологического рисунка на подложке или процесса резки обрабатываемого материала используют широкоапертурную оптическую систему с детекторами для сбора оптического излучения в диапазоне от инфракрасного до ультрафиолетового, возникающего в зоне контакта струи с объектом с последующим преобразованием его в электрический сигнал для обработки в компьютере.
Перечень рисунков, указанных на чертежах
Рис.1. Схема сканирующего струйного нанолитографа.
Рис.2. Устройство капиллярного сопла.
Рис.3. Схема резки кремниевого буля с помощью наноструй.
Рис. 4. Схема атомарного шлифования и нанесения монослоев при создании ультрафиолетовой зеркальной оптики с помощью наноструй.
Краткое описание чертежей
На рис.1 представлена схема сканирующего струйного нанолитографа. Здесь 1 – резервуар с жидкостью под давлением. Жидкость поступает по сужающемуся капилляру 2 к соплу, которое формирует наноразмерную струю 3. Одновременно к соплу по световодам 4,5 подводятся два оптических сигнала, формируемых электрически управляемыми узкополосными источниками излучения 6,7. Путем электрической модуляции оптических сигналов, поступающих из 6,7 на выходе из сопла осуществляется формирование пространственно-неоднородного электромагнитное поля, которое осуществляет точное пространственное сканирование в плоскости x,y струи 3 по подложке. Подложка расположена на механически перемещаемом столе 9, с помощью которого осуществляется более грубое перемещение подложки в плоскости x,y. Струя 3 осуществляет травление и/или нанесение литографического рисунка на подложку 8. Контроль за процессом литографии осуществляется в разных энергетических диапазонах от звукового до ультрафиолетового. Сигнал возникает в зоне контакта струи с подложкой в результате механического соударения и протекания химических реакций. Сигнал в диапазоне от инфракрасного до ультрафиолетового снимается с помощью зеркальной оптики 10 и соответствующему этому диапазону детектору 11 или в оптическом диапазоне с помощью широкоапертурного объектива (система линз) 12 и соответствующего детектора 13. Для сбора акустического сигнала используется акустический преобразователь 14, соединенный акустически с подложкой, сигнал с которого поступает на акустический детектор 15. Информация с детекторов обрабатывается компьютерным образом и выводится на дисплей.
На рис.2 показано устройство капиллярного сопла. Здесь показано формирование струи 16 в зоне капиллярного сопла 17. Сопло 17 является оптическим резонатором, длина которого кратна половине длины волны оптического излучения, заводимого в стенки сопла. Оптическое излучение создает всестороннее световое давление на струю 16, которая отжимается от стенок сопла 17 и образует изолирующий от стенок промежуток 18. Сужающийся оптически прозрачный капилляр 19 покрыт металлическим светоотражающим слоем 20, который одновременно выполняет химическую защиту капилляра. В капилляр заводится модулируемое оптическое излучение 21,22 и под давлением подается активное вещество 23.
На рис. 3 показана схема резки кремниевого буля с помощью наноструй. Здесь с помощью параллельного набора капиллярных сопел 24 подаются струи активного вещества на обрабатываемый материал 26. Это может быть, например, кремниевый буль, стекло и др. Вещество струи выбирается таким, чтобы оно осуществляло травление обрабатываемого материала с образованием газообразных отходов. Для устранения вибраций обрабатываемый образец 26 помещается на специальном профильном столе 27 на газовую подушку 28. Газовая подушка 28 формируется таким образом, чтобы создавать вращающий момент.
На рис. 4 показана схема атомарного шлифования и нанесения монослоев при создании ультрафиолетовой зеркальной оптики с помощью наноструй. Здесь с помощью набора сопел 29 последовательно подаются струи различных активных веществ для профильной обработки подложки 30. Сначала производится травление, затем атомарная полировка с последующим нанесением атомарных слоев.
Примеры осуществления изобретения. Заявляемое изобретение открывает возможность увеличения площади сканирования до 1-10 см2 при увеличении производительности до 1-10 мин на создание одного слоя топологического рисунка интегральной схемы с предельным разрешением 5-7 нм. При этом осуществляется возможность наблюдения и контроля за процессом изготовления в реальном режиме времени.
Однако встает вопрос, можно ли использовать существующие в настоящее время технологии для производства предлагаемого струйного нанолитографа и будут ли он рентабелен при массовом производстве интегральных схем с предельным разрешением 5-7 нм.
Рассмотрим возможности технической реализации.
Рассчитаем возможную производительность нанолитографической установки на основе наноструй. Для примера в качестве рабочей жидкости рассмотрим углеводород. Скорость течения струи – 50 м/с. Диаметр струи – 14,5 нм. Расстояние между элементами топологического рисунка на подложке – 7,25 нм. Топологически рисунок представим в виде строк длиной 1 см, шириной 14, 5 нм и расстоянием между строками 7,25 нм. Тогда предельная плотность пикселей размером 14,5 нм на 1 см2 будет 3,17×1011 штук на см2. Предельная частота модуляции струи по времени – 3,45×109 Гц, предельная частота строк в кадре – 4,6×105 Гц. Скорость развертки кадра или скорость движения подложки относительно струи Время нанесения рисунка на 1 см2 составит 1,5 мин. Тогда кремниевая пластина диаметром 30 см будет обрабатываться в течение 17 часов.
Для существующих серийных установок 65 нм литографии Twinscan XT:1250 скорость обработки составляет 114 пластин в час.
Учитывая, что у нас разрешение на порядок выше, соответственно, плотность упаковки выше на два порядка. Если сравнивать количество элементов, расположенных на поверхности, то проигрыш по производительности составляет порядка 20 раз. По числу же обрабатываемых пластин проигрыш составляет порядка 2000 раз. Однако себестоимость самой установки будет меньше в 20-100 раз.