Электронно-лучевая литография

Электронно-лучевая литография

Размеры элементов ИС не менее 1. 1,5 мкм выполняются методами оптической литографии. С переходом к элементам с субмикронного диапазона возникает ряд ограничений в использовании оптической литографии, основными из которых является дифракция световых волн. Использование ускоренных электронов в замен световых потоков привело к рождению электронной литографии, которая имеет ряд преимуществ перед оптической:

  • — толщина резита может быть менее 1 мкм;
  • — топология схемы может быть сформирована непосредственно на кремниевой пластине без применения шаблонов;
  • — высокая точность межуровневого совмещения;
  • — высокая автоматизация технологического процесса.

Глубина проникновения электронов 1е (мкм) в резист зависит от энергии электронов Е (кэВ) и его плотности р (г/см 2 ) как:

Для создания субмикронной топологии на резисте электронный луч должен быть сфокусирован в пятно диаметром 0,01 . 0,5 мкм с плотностью тока в несколько ампер на квадратный сантиметр.

В электронно-лучевой литографии применяются два способа экспонирования:

  • — одновременное экспонирование всего изображения целиком через шаблон;
  • — последовательное экспонирование путем сканирования лучом отдельных участков заданного рисунка.

На Рис. 4.11 представлена схема электронно-лучевой литографии с использованием шаблона.

Рис. 4.11. Схема электронно-лучевой литографии с шаблоном: I — электронная пушка; 2 — управляющий электрод; 3 — конденсорные линзы; 4 — шаблон; 5 — проекционные линзы; 6 — регистрирующая апертура; 7 — пластина со слоем резиста; 8 — рабочий столик

Испускаемые электронной пушкой 1 электроны формируются в луч конденсорными линзами 3, затем модулируется при прохождении через шаблон 4 и проецируется линзами 5 на резисте кремниевой подложки 7 в заданный рисунок микрорельефа.

На Рис. 4.12 представлена схема устройства электроннолучевой литографии со сканирующим электронным лучом.

Рис. 4.12. Схема электронно-лучевой литографии со сканирующим лучом: 1 — вакуумная камера; 2 — электронная пушка; 3 — электронный луч; 4 — ускоряющий электрод-модулятор (коммутатор) луча; 5, 6 — система отклонения луча; 7 — слой резиста на подложке 8; 8 — подложка на рабочем столике; 9 — блок механического перемещения рабочего столика с регистратором положения; 10 — блок управления ЭВМ; 11 — блок управления X-Y координатами топологии рисунка шаблона; 12- источник высокого напряжения

В растровой системе устройства (Рис. 4.12) для того чтобы создать требуемый рисунок, электронный луч 3 модулируется соответствующим образом по интенсивности электродом 4 и построчно с помощью отклоняющей системы 5 проходит по всей поверхности кремниевой пластины 6. Управление электронным лучом осуществляется с помощью ЭВМ 9 согласно пе-

реметения координатного столика 6 с подложкой исполнительным механизмом перемещения 7.

Подложка 8 с слоем резиста 7 перемещается под электронный луч в плоскости перемещения X- У рабочего столика. Сканирование электронным лучом осуществляется с помощью электростатических и магнитных линз 4, 5, 6.

При растровом сканировании электронный луч перемещается построчно по заданной всей области сканирования согласно программы управления от ЭВМ блока 10.

Остро сфокусированный электронный луч включается только в тех местах резиста подложки, которые соответствуют заданным элементам рисунка Рис. 4.13.

Рис. 4.13. Пошаговое а) и непрерывное б) перемещение образца

Для получения рисунка в резисте на поверхности подложки производится её перемещение с помощью механического привода рабочего столика в пошаговом Рис. 4.13, а или непрерывном режимах Рис. 4.13, б.

Для того чтобы получить четкий рисунок, пучок электронов управляется и отклоняется посредством магнитных и электростатических полей.

Так сканирующий электронный луч позволяет создавать рисунки в резисте с высоким разрешением (с шириной линии менее 0,1 мкм).

Основными узлами установок электронно-лучевой литографии являются:

  • — электронно-оптическая система (ЭОС);
  • — координатный стол с лазерным интерферометром;
  • — рабочая камера с вакуумной системой, устройством загрузки и выгрузки пластин, системой виброизоляции;
  • — устройство электропитания и система управления.

Электронно-оптическая система. ЭОС служит для создания, фокусировки и управляемого отклонения электронного луча в пределах поля обработки при формировании рисунка на пластине. Требования к точности работы ЭОС чрезвычайно высоки. Типичные значения погрешности позиционирования электронного луча при его отклонении составляет 10′ 5 от полной величины. Обычно требуется, чтобы погрешности позиционирования элементов рисунка и совмещения слоёв не превышала ± 10 % от минимального размера элемента.

Каждый электрик должен знать:  Установка конденсаторная для компенсации реактивной мощности УККРМ-7 напряжением 6-10 кВ

Источником электронов, как правило, служит короткофокусная трехэлектродная пушка с накалённым катодом из гекса- борида лантана. Они требуют более высокого вакуума (10‘ 6 Па), чем вольфрамовые катоды. Долговечность катодов из гексабо- рида лантана в 100. 200 раз дольше, чем у вольфрамовых катодов при одинаковой или выше плотности эмиссионного тока.

Выходящий из электронной пушки расходящийся электронный луч проходит через диафрагму и вырезается его небольшая центральная часть с наиболее равномерным распределением плотности тока электронного луча. Запирание и отпирание луча осуществляется отклонением его от оси ЭОС с помощью бланкирующего устройства, представляющего собой быстродействующий электростатический дефлектор.

Ток электронного луча стабилизируется, а распределение плотности тока в луче поддерживается равномерным с тем, чтобы обеспечить одинаковую экспозицию всех элементов рисунка.

Для фокусировки электронного луча и переноса изображения используются магнитные линзы в виде бронированных катушек с кольцевым магнитным зазором на внутренней поверхности.

Помимо основной своей задачи — экспонирования резиста, ЭОС выполняет функцию измерительного инструмента, с помощью которого определяются координаты ранее нанесённого на пластину слоя относительно оптической оси ЭОС. Для этой цели проводят сканирование электронным зондом участка пластины, содержащего «метки совмещений».

Высокие требования к точности работы ЭОС накладывают на её конструкцию ряд дополнительных условий: термостатиро- вание корпуса ЭОС и всех её элементов; изоляция ЭОС от вибраций; экранирование ЭОС от внешних магнитных полей; защита системы электропитания и управления от помех в электрической сети.

Координатный стол. На координатном столе размещают обрабатываемую кремниевую пластину. Назначение координатного стола состоит в том, чтобы максимально быстро и точно подставлять под электронный луч подлежащие экспонированию участки пластины.

Различают два вида работы литографической установки при экспонировании:

  • — на неподвижную пластину;
  • — с непрерывным движением стола.

Второй способ применяется чаще. При этом контроль положения координатного стола ведется с помощью лазерного интерферометра.

Координатный стол обеспечивает плоскопараллельное перемещение пластины в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Отклонение от плоскости на всем ходе стола не превышает нескольких мкм, разворот пластины в плоскости перемещения Г. 2′ (угловые секунды). Точность изготовления деталей опор координатного стола измеряется микрометрами.

У координатного стола должны отсутствовать вибрации и электромагнитные помехи, которые могут возникать при его движении.

Современные координатные столы приводят в движение электродвигателями постоянного тока или гидроприводом.

Для измерения координат стола используют интерферометр, источником света служит гелий — неоновый лазер со стабилизированной частотой.

Рабочая камера. Рабочая камера является конструктивной основой литографической установки. К рабочей камере присоединено шлюзовое устройство для загрузки и выгрузки пластин, а также вакуумная система. Камера вместе с ЭОС изолирована от вибраций помещения с помощью специальной виброгасящей подвески и имеет экран от внешних электромагнитных полей.

Пластина из кассеты последовательно перекладываются механизмом перегрузки на координационный стол, и по окончании обработки снимаются с него и докладываются в кассету, предназначенную к выгрузке. Загрузочное устройство обеспечивает воспроизводимое положение пластин на координатном столе с точностью до нескольких десятков микрометров и ориентацию по углу разворота пластины на столе с точностью до Г. 2′.

Вакуумная система. В литографической установке различают три области по требованию к уровню вакуума: ЭОС с рабочей камерой, электронную пушку и шлюзовое устройство.

Область ЭОС откачивается до вакуума 10* 4 Па безмасля- ными средствами откачки. Однако, даже при использовании без- масляных средств откачки не удаётся полностью исключить образование проводящих плёнок на стенках канала прохождения электронного луча. Поэтому литографические установки периодически проходят очистку с заменой загрязненных деталей.

Каждый электрик должен знать:  Электронный термостат W1209 с Алиэкспресс

Область камеры электронной пушки откачивается до давления

1 О* 6 Па безмасляными насосами, а область шлюзового устройства откачивается до давления

Устройства электропитания и управления. Данные устройства отличаются высокой сложностью и разнообразностью. Они включают в себя стабилизированные источники питания постоянного напряжения и тока для питания электронной пушки, магнитных линз и юстирующих катушек, а также быстродействующие источники питания отклоняющих систем, управляющих от ЭВМ. Уровень стабилизации напряжения и тока составляет 10 .. 10” 4 %.

Современные литографические установки способны автоматически по заданной программе обрабатывать партии пластин с момента загрузки кассеты с пластинами в установку и до выгрузки из нее.

Управление работой литографической установки осуществляется управляющим комплексом, состоящим из ряда ЭВМ и микропроцессоров.

Электронные резисты. Электронные полимерные резисты чувствительны к воздействию ускоренных электронов, вследствие чего в них протекают процессы деструкции или сшивания. В результате изменяются физические свойства полимера. При разрыве химических связей молекулярный вес полимера уменьшается, и он становится растворимым в растворителе. Такие резисты называются позитивными. Типичным позитивным электронным резистом является резист, получаемый на основе полиметилметакрилата (ПММА). В качестве растворителя используется смесь мстилизобутилового кетона (МИБК) и изопропилового спирта в соотношении 1:1. При сшивании химических связей молекулярный вес полимера увеличивается, а его растворимость уменьшается. Такие резисты называются негативными. В качестве такого электронного резиста может быть использован полиметилциклосилоксан, который после облучения также образует прочную защитную маску.

На Рис. 4.14 приведены типичные кривые экспонирования негативного и позитивного электронных резистов. Данные кривые показывают зависимость остаточной толщины плёнки резиста от дозы облучения. Обычно толщина слоя электронных резистов находится в диапазоне (0,25. 1,0) мкм.

Рис. 4.14. Характеристики экспонирования негативного (1)

и позитивного (2) электронных резистов: 1 -ПГМА — КЭА (-); 2 -ПММА (+)

Чувствительность S (Кл/см 2 ) электронных резистов определяется дозой электронного облучения, необходимой для полного проявления 1 см площади позитивного резиста и соответствует 50 % остаточной толщины плёнки негативного резиста.

Из Рис. 4.14 видно, что чувствительность позитивного резиста на три порядка меньше чувствительности негативного. Следовательно, для формирования изображения на позитивном резисте необходимо в 1000 раз большее время облучения. Как правило, резисты с большим временем экспонирования позволяют получить более высокое разрешение. Разрешение определяется минимальным размером элемента, который может быть перенесён на резист толщиной /. не менее 1 мкм.

Рассеяние электронов и эффект близости. При проникновении электронов луча в резист на глубину 1е и расположенную под ним подложку, электроны подвергаются упругому и неупругому рассеянию, что сопровождается потерей их энергии и изменению направления движения. Электроны, обратнорассеянные из подложки одного штриха воздействуют на соседние штрихи. Это явление называют эффектом близости (Рис. 4.15).

Рис. 4.15. Схема эффекта рассеяния электронов в подложке покрытой резистом: 1 — электронный луч; 2 — направление сканирования; 3 — формируемая полоса; 4 — действительное изображение резиста; 5 — подложка; 6 — резист

Длина пробега в обратном рассеянии пропорциональна значению энергии Е 1,7 первичных электронов луча 1.

На Рис. 4.16 показаны внешние и внутренние эффекты близости при экспонировании электронным лучом, вызванные рассеянием электронов.

Эффект близости проявляется как искажение изображения, получаемого на подложке вследствие воздействия на резист упругого и нсупругого рассеяния электронов. Это приводит к размытию профиля распределения энергии экспонирования и изображение в резисте, будет иметь размеры, большие по сравнению с размерами, определяемыми прямым падающим электронным лучом.

Явление рассеяния шраничивает минимальную воспроизводимую ширину линий, т.е. суммарная поглощенная резистом энергия зависит от близости соседних экспонируемых областей. В экспонирование центральной области элемента большого размера (точка А на Рис. 4.16) вносится вклад всех электронов, экспонирующих соседние области.

Каждый электрик должен знать:  Электрик не прошел аттестацию — возможные последствия

Рис. 4.16. Внешние и внутренние эффекты близости при экспонировании электронным лучом, вызванные рассеянием электронов

Резист в точке В получает, однако, только половину энергии экспонирования точки Ау а резист в точке С (в углу элемента) — только 1/4 энергии экспонирования точки А. Изображение на резисте обычно проявляется до тех пор, пока ширина элемента рисунка не станет равной ширине, заложенной в конструкции схемы, т.е. до точки В. Заштрихованная область на рисунке представляет собой проявленное изображение элемента схемы. Из-за эффектов близости углы элемента не проявляются до положений определенных конструкций элемента. Такое явление называют внутренним эффектом близости.

Кроме того, при экспонировании резиста проявляются эффекты, связанные с тем, что обратно рассеянные электроны проходят большие расстояния, так что элементы топологии, расположенные относительно близко друг к другу, подвергаются воздействию экспонирующего излучения соседних областей. Это гак называемые внешние эффекты близости.

Для введения поправки на действие эффектов близости топологический рисунок может быть разбит на меньшие элемен-

ты. Доза экспонирования малых элементов подбирается такой, чтобы средняя доза каждого топологического рисунка соответствовала величине, определенной при конструировании схемы. Недостатком этого метода является уменьшение производительности электронно-лучевого оборудования.

Технологические операции электронно-лучевой литографии. Для воспроизведения элементов топологии резиста минимальных размеров с малым отклонением от номинальных значений (менее ±10%) обычно требуется несколько перемещений электронного луча. Как правило, число перемещений электронного луча с гауссовым распределением интенсивности равно четырем и более, при этом промежутки между положениями луча равны половине ширины линии луча. При формировании топологии используют два основных метода:

  • — векторное сканирование;
  • — растровое сканирование.

В типичной электронно-лучевой литографической системе с векторным сканированием цифровые данные, определяющие размеры элементов и их местоположение, используются для:

  • — направления луча в определенное положение на схеме; запуска электронного луча;
  • — выявления топологического рисунка путем перемещения луча в пределах очертания элемента;
  • — выключения электронного луча;
  • — направления луча в местоположение следующего элемента схемы и повторения операции формирования изображения.

По окончании сканирования определенного участка перемещением столика в плоскости X-Y под луч помещают новое поле сканирования. Этот метод приемлем только при формировании изображения незначительного числа топологических элементов, имеющих одинаковые размеры, например при создании изображения контактных окон. В противном случае операция экспонирования кремниевых пластин диаметром 125 мм может протекать в течение нескольких часов.

В системе растрового сканирования электронный луч непрерывно сканирует вперед и назад но полю малого размера (обычно 256 мкм), тогда как столик перемещается в плоскости X-Y под прямым углом к направлению сканирования электронного луча. При формировании топологического рисунка производят включение и выключение электронного луча. После первого воспроизведения полос топологии схемы на всей пластине столик возвращается в исходное положение и начинается сканирование следующей серии полос. В системах этого типа может быть использована менее сложная электронная оптика, чем в векторных системах, но управление перемещением столика в плоскости X-Y должно быть прецизионным. Растровые сканирующие системы используются, прежде всего, для изготовления фотошаблонов, их производительность равна одному фотошаблону (со стороной 125 мм) в час.

Электронно-лучевая литография имеет ряд достоинств:

  • — высокое разрешение в субмикронном диапазоне топологических размеров;
  • — высокая точность совмещения по сравнению с другими методами литографии;
  • — безмасочная технология.

Следует отметить, что электронно-лучевая литография может быть использована как для производства шаблонов, так и для непосредственного формирования рисунка на пластине, легко перестраивается для выполнения различных литографических операций.

Недостатком электронно-лучевой литографии является малая производительность и высокая стоимость оборудования. Примерно, 5 пластин/час при разрешении

Основной задачей, стоящей перед электронно-лучевой литографией является — обеспечение субмикронного разрешения при экономически приемлемой производительности. Разработка эталонных фотошаблонов.

Добавить комментарий