Так, при масштабе 1 : 1 изображение с фотошаблона пере­носится с помощью проекционной системы на подложку без изменения размеров элементов (Рисунок 7.4.1). Экспонирование мо­жет осуществляться сразу всего рабочего поля подложки или последовательным его сканированием.

При проекционной фотолитографии с уменьшением мас­штаба (обычно 10 : 1 или 5 : 1) единичное изображение перено­сится с фотошаблона на рабочее поле подложки последователь­ной мультипликацией.

При проекционной фотолитографии, как и при контакт­ной, необходимо точно совмещать фотошаблон с подложкой, для чего служат специальные фигуры ЎЄметки совмещения.

В проекционных системах операция совмещения, как пра­вило, выполняется автоматически с помощью фотоэлектричес­кого микроскопа, который регистрирует сигнал, поступающий от метки совмещения на подложке, и сравнивает его с сигналом, поступающим от такой же метки на фотошаблоне. Для сов­мещения меток координатная система перемещает подложку и фотошаблон, а также поворачивает фотошаблон относитель­но оси проекции.

При совмещении меток сигналы равны, а при их смещении возникает разностный сигнал, который поступает в исполнитель­ный механизм системы совмещения, обеспечивающий взаимные перемещения фотошаблона и подложки.

Для совмещения элементов изображений на подложку наносят две группы меток совмещения (Рисунок 7.4.2), одна из которых х и у1 определяет взаимное положение фотошаблона и подложки по координатам, а вторая уг служит для коррекции угловой ошибки разворота фотошаблона относительно коор­динатных осей подложки. Из Рисунок 7.4.2 видно, что метки на под­ложке как бы рассматриваются фотоэлектрическим микроско­пом через соответствующие окна в фотошаблоне. Положению точного совмещения соответствует симметричное располо­жение всех меток на подложке относительно окон на фотошаб­лоне.

Рисунок 7.4.2. Метки автоматического совмеще­ния:

4, 6 ЎЄ метки х, у1 и уг на подложке 1,3, 5 ЎЄ считывающие окна
Процесс совмещения начинается с "захвата" меток систе­мой наблюдения фотоэлектрического микроскопа, при котором их изображение на подложке попадает в окна фотошаблона и возникает разностный сигнал в каналах совмещения. При этом система совмещения предварительно совмещает фотошаблон и подложку по координатам в соответствии с метками, а затем, выполняя угловую коррекцию по метке у2, поворачивает фото­шаблон относительно меток х и у1.

Наиболее совершенным и перспективным вариантом метода проекционной фотолитографии является помодульный перенос изображения на подложки с промежуточных фотошаблонов (Рисунок 7.4.3). Совмещение модулей проводится по меткам, пред­варительно нанесенным на подложку, что обеспечивает высо­кую точность (ошибка совмещения не превышает 0,1 ЎЄ 0,2 мкм). При помодульном совмещении уменьшается влияние изменения температуры и геометрических искажений подложки на точность передаваемого изображения.

Помодульный перенос изображения наряду с повышением точности передаваемого рисунка элементов обеспечивает сниже­ние плотности дефектов, вносимых в формируемую на слое фоторезиста маску. Это в первую очередь обусловлено тем, что исключается контакт фотошаблона с подложкой. Кроме того, дефекты и загрязнения, значительно меньшие элементов изображения, не переносятся с промежуточного фотошаблона на слой фоторезиста, как это происходит при переносе изоб­ражения с сохранением масштаба.

Основной задачей проекционной фотолитографии является обеспе­чение автоматического совмещения, которое осуществляется нанесением специальных меток совмещения на подложки.

Рисунок 7.4.3. Схема установки мультипликации с совмещением:

1, 15 - приводы стола по осям х и у, 2, 14 - лазерные интер­ферометры по осям х и у, 3 - координатный стол, 4, 5 ЎЄ по­лупроводниковая подложка и упоры для ее ориентации, 6 -система фокусировки, 7 - проекционный объектив, 8 -столик с промежуточным фотошаблоном, 9 - источник света, 10 - затвор, 11 - актиничное излучение, 12 - устройство совмещения меток промежуточного фотошаблона и подлож­ки, 13 - управляющая ЭВМ

Обычно эти метки имеют форму в виде канавок травле­ния, на которых рассеивается (поглощается) падающий пучок света и создается их оптический контраст по отношению к ок­ружающему полю.

Если исходная полупроводниковая подложка ориентиро­вана в плоскости (100), метки в виде V-образных канавок (Рисунок 7.4.4, а) получают селективным травлением кремния в 5 %-ном растворе КОН через маску диоксида кремния. При травлении канавка ограняется плоскостями (111), которые го сравнению с другими кристаллографическими плоскостям обладают очень малой скоростью травления. При другой ориентации полупроводниковой подложки, например (111), мета совмещения заданного профиля (Рисунок 7.4.4, б) получают плазме химическим травлением при специальных режимах.

Сохранение во всем цикле создания ИМС оптического контраст метки, определяемого в основном ее формой, является важнейшей задачей проекционной фотолитографии.

Рисунок 7.4.4. Метки совмещения:

а - V-образная, б - бочкообразная; I, II - области рассеяния и отражения пучка света
После завершения операции совмещения выполняются ав тофокусировка, а также экспонирование, при котором открыва ется затвор и изображение с промежуточного фотошаблона чере: проекционный объектив переносится на слой фоторезист; полупроводниковой подложки. Затем координатный стол i полупроводниковой подложкой перемещается в новое положе ние на шаг по оси х или у и начинается новый цикл.

При работе установки по программе, введенной в блоь управления ЭВМ, осуществляется "опрос" всех меток совме щения на полупроводниковой подложке и впечатывание изоб ражения единичного модуля, т. е. его размножение ЎЄ мульти гашкация по рабочему полю.

Достоинство проекционной литографии по сравнению с контакт ной состоит прежде всего в том, что исключается контакт фотошаблон: и полупроводниковой подложки, приводящий к образованию в них де фектов, кроме того, обеспечивается более низкая плотность дефекте! в формируемой маске фоторезиста.

В современной проекционной фотолитографии используют ся оптические системы, работающие в условиях дифракцион ных ограничений. Это означает, что конструкция и технологи* изготовления проекционных объективов настолько совершен ны, что их характеристики (разрешающая способность, точ ность воспроизведения размеров элементов) в основном опре-деляются дифракционными эффектами, обусловленными зна­чениями апертур, а не аберрациями.

Важнейшим параметром, характеризующим фотолитографи ческие характеристики проекционного объектива, является числовая апертура NA = л sin а (где п ЎЄ коэффициент преломле­ния среды в пространстве изображения; в воздухе и ЎЄ 1; а ЎЄ половина максимального угла расходимости лучей, прихо­дящих в точку изображения на оптической оси проекционной системы).

Для устранения хроматических аберраций используют мощный источник монохроматического актиничного света, в качестве которого может служить ртутная лампа сверхвысо­кого давления ДРШ-350 или ДРШ-500 (буквы обозначают Д -дуговая, Р - ртутная, Ш ЎЄ шаровая, а цифры указывают номи­нальную электрическую мощность). Создают монохроматичес­кое излучение с помощью специальных монохроматических полосовых фильтров и избирательно отражающих зеркал.

Схема осветительной системы проекционной установки показана на рисунке 7.4.5. Сотовый конденсор 4 значительно увели­чивает равномерность освещенности по полю, так как каждая его линзочка проецирует попадающий на нее световой поток на все поле засветки. Таким образом неравномерный световой поток от лампы усредняется и выравнивается. Зеркало 5 е селективно отражающим покрытием пропускает тепловые лучи, но эффективно отражает ультрафиолетовое излучение, что способствует защите проекционной системы от мощного тепло­вого потока, выделяемого лампой.

В условиях монохроматического и когерентного освеще­ния разрешающая способность проекционной системы 6min = 31 X/(2NA), где X - длина волны актиничного излучения. Из этой формулы видно, что чем меньше длина волны актинич­ного излучения и больше числовая апертура объектива, тем выше его разрешающая способность, т. е. меньше размер пере­даваемого элемента изображения.

Существует еще один параметр проекционной системы ЎЄ ее глубина резкости. Для компенсации аберраций оптической системы, искривления поверхности полупроводниковых под­ложек и изменения толщины слоя фоторезиста на их поверх­ности из-за сформированного технологического рельефа необ­ходима вполне определенная (по возможности наибольшая) глубина резкости 5 = X/ [2(NA)2] . Из этой формулы видно, что чем больше числовая апертура, а это необходимо для увели­чения разрешающей способности проекционной системы, тем меньше ее глубина резкости.

Рисунок 7.4.5. Схема осветительной системы проекционной установки:

1 - эллиптический отражатель, 2 - источник УФ-излучения, 3 - защитное стекло, 4 ЎЄ сотовый конденсор типа "мушиный глаз", 5 - селективно отражающее зеркало, 6 - полосовой фильтр, 7 - конденсорная линза
Неправильная фокусировка может существенно влиять на качество передачи изображения проекционным методом. Поэтому проекционные установки снабжают высокоточными устройствами автофокусировки с точностью установки фокус­ного расстояния не хуже ± 0,2 мкм.

Правильная фокусировка, а также точная доза экспозиции - обя­зательные условия прецизионного переноса изображения на слой фото­резиста при проекционной фотолитографии.

Таким образом, видно, что необходим компромисс между разрешающей способностью, глубиной резкости, полем изоб­ражения и выбором числовой апертуры объектива.

7.5 Электрополитография

Электронолитография основана на непосредственном создании или проекционном переносе изображения с помощью пучка электронов.

Этот метод наиболее перспективен для формирования эле­ментов изображения, размеры которых составляют менее мик­рометра, и имеет несколько существенных отличий от фото­литографии.

Электронный пучок, ускоренный электрическим полем при разности потенциалов U (В), характеризуется длиной волны (нм) актиничного излучения

µ § (7.5.1)

Так, при разности потенциалов 15 000 В длина волны сос­тавит 0,01 нм, что более чем в десять тысяч раз меньше длины волны актиничного излучения, используемого в фотолитогра­фии. Следовательно, даже при формировании элементов раз­мером менее 1 мкм дифракционные явления не будет оказывать существенного влияния.

Энергия кванта светаЕ у = hcfh, а при прохождении ускоря­ющей разности потенциалов U энергия электрона

Ее = тес + е U (7.5.2)

где h =6,62 • 10-34 Вт • с - постоянная Планка; т = 9,1 х 10-28 г - масса электрона; с = 3 • 108 м/с ЎЄскорость света в вакууме; е=1,6•10-19Кл- заряд электрона.

Таким образом, при л = 0,4 мкм энергия кванта света Еу = = 5 • 10"19 Дж, а при U=15 000 В энергия электрона Ее = 8,33 х10-14 Дж.

Столь высокая энергия актиничного излучения (в сто тысяч раз большая энергии кванта света) позволяет применять в электронолитографии специальные чувствительные полимерные сос­тавы, называемые электронорезистами. Электронорезисты ха­рактеризуются коэффициентом чувствительности, который оп­ределяется зарядом, образующимся при их экспонировании пучком электронов на единицу площади (Кл/см2).

Сравнительные характеристики фото- и электронорезистов при экспонировании их электронным пучком приведены В таблице 4.

Характеристики экспонирования резистов Табли ц а 7.5.1.

Актиночувствительная Разрешающая способ- Коэффициент чувст-
композиция ность, линий/мм вительности при U=

= 15 000 В, Кл/см2

Фоторезисты:

позитивные 600 6 • 10-4

негативные 300 (5ЎK8) • 10-5

Электронорезисты на

основе:

метакрилатов 1000 10-s - 5 • 10-6

При попадании электрон­ного пучка в тонкий полимер­ный слой электроны при упру­гих и неупругих столкновениях теряют свою энергию. Эти процессы и называют рассеянием электронов. При таком рассея­нии возникает поперечный поток электронов в направлении, перпендикулярном направлению падающего пучка. При прохож­дении пучка электронов в подложку в ней также происходят рассеяние и отражение электронов (обратное рассеяние).

Характеристики рассеяния зависят от энергии, тока и гео­метрии электронного пучка, толщины слоя электронорезиста и материала подложки. Обратное рассеяние оказывает влияние на экспонирование электронорезиста. Поэтому участки слоя электронорезиста, нанесенные на различные по составу слои, получают разные дозы облучения и будут проявляться по-разному.

Характеристиками рассеяния электронов в слое электронорезиста определяется форма клина проявления, которая зависит также от энер­гии воздействующих электронов, типа электронорезиста (позитивный или негативный), его толщины и состава слоев осажденных на подложку.

1 ЎЄ первичный пучок электро­нов, 2 - слой электронорезиста, 3 - подложка, 4 ЎЄ область прямо­го и обратного рассеяния электронов

Рисунок 7.5.2. Формы клина проявления на тонком слое по­зитивного электронорезиста (а) и на толстых слоях позитивного (б) и негативного (в):

1 ЎЄ пучок электронов, 2 - слой электронорезиста, 3 ЎЄ подложка, 4 - область рассеяния и поглощения электронов, 5 - клин проявления

Формы клипа проявления электронорезиста в зависимости от толщины его слоя показаны на рисунке 7.5.2, а - в. Если пучок 1 электронов проходит через слой 2 злектронорезиста и не успевает рассеяться, так как его толщина мала, а энергия элек­тронов велика, формы клина 5 проявления близка к вертикаль­ной (Рисунок 7.5.2, а). Когда рассеяние электронов происходит в основном в объеме слоя электронорезиста большой толщины, после проявления форма его клина повторяет форму и облас­ти рассеяния электронов (Рисунок 7.5.2, б, в). На позитивных электронорезистах в этом случае получают "отрицательный" клин проявления, а на негативных ЎЄ "тянутый".

Рассеяние электронов в слое электронорезиста влияет не только на форму клина проявления, но и существенным обра­зом определяет возможность формирования малых элементов изображения. Так, на рисунке 7.5.1 была пунктиром показана граница области проявления при экспонировании электронным пуч­ком. На самом деле область рассеяния электронов намного больше. Если элементы изображения лежат в непосредствен­ной близости друг к другу, то дозы, полученные от рассеян­ных при экспонировании электронов, складываются и могут вызвать существенное искажение геометрии элементов после проявления.

Рисунок 7.5.3. Проявление "эффекта близости" при экс­понировании в случаях отсутствия (а) и наличия (б) рассеяния электронов:

ЎЄ распределение первичного пучка электронов, 2 ЎЄ уровень облучения, необходимый для полного проявления, 3 ЎЄ полученное изображение, 4 ЎЄ реаль­ное (рассеянное) распределение электронов при экспонировании, 5 - суммарное распределение до­зы облучения с учетом рассеяния (эффект близости)
Рассмотрим, как "хвосты" рассеяния от экспонированных областей складываются и приводят к проявлению областей, в которые не проходило прямое экспонирование электронным пучком, но которые получили суммарную дозу, достаточную для их проявления. При малом рассеянии (тонкий слой электро-норезиста ЎЄ Рисунок 7.5.3, а) область проявления соответствует об­ласти экспонирования, поэтому можно получить изображение малых экспонируемых областей d при их близком взаимном расположении. Сильное рассеяние электронов (Рисунок 7.5.3, б) ис­кажает не только размеры проявленных областей, но и вызы­вает взаимное влияние близко расположенных элементов изо­бражения. Такое влияние называют эффектом близости.

Эффект близости является самым значительным ограниче­нием в электронолитографии по точности переноса изображения и формирования элементов малых размеров. На рисунке 7.5.4, а, б показано, как исходная геометрия элементов искажается из-за эффекта близости. Причем геометрия элементов может настолько исказиться, что произойдет полное их слияние.

Уменьшением дозы экспонирования площади элемента искажения устранить нельзя, так как это приведет к его недопроявлению. Поэтому для компенсации эффекта близости пред­варительно устанавливают определенную дозу экспонирования и выбирают необходимую геометрию элементов изображения. Только так удается избежать влияния эффекта близости.

В электронолитографии применяют два способа непосредственно­го формирования элементов изображения на полупроводниковых под­ложках: последовательной экспозицией тонким сфокусированным элек­тронным пучком круглого сечения (сканирующий способ) и последо­вательным экспонированием прямоугольным пучком переменного сече­ния (электронно-наборный способ). Оба эти способа отличаются только операцией экспонирования.

По сравнению с фотолитографией электронолитография обладает следующими преимуществами:

Рисунок 7.5.4. Перенос изоб­ражения элементов без влияния "эффекта бли­зости" (д) и искажение их геометрии под его влиянием (б): 1 ЎЄ смыкание элемен­тов, 2, 3 - допустимое и не допустимое час­тичное искажение фор­мы элементов

Рисунок 7.5.5. Структурная схема электронно-лучевой установки экспони­рования :

1 ЎЄ электронно-оптическая система, 2 - электронная пушка, 3, 7 ЎЄ формирующая первичный электронный пучок и промежуточная диаф­рагмы, 4 - магнитная линза, формирующая электронный пучок, 5 -отклоняющая пластина, б, 8 - промежуточная фокусирующая и умень­шающая магнитные линзы, 9 - система электродов отклонения и отключения электронного пучка, 10 - магнитная система отклонения электронного пучка, 11 - проекционная магнитная линза, 12 -экспо­нируемая подложка, 13 - координатный стол, 14 ЎЄ шлюзовая система загрузки и смены подложек, 15 - вакуумная система с безмасляны­ми средствами откачки, 16 - система привода координатного стола, 17 - блок контроля и управления вакуумной системы, 18 - систе­ма управления координатным столом и загрузкой - выгрузкой под­ложек, 19 - блок питания и контроля магнитной системы, 20, 25 -блок и система контроля электронно-оптической системы, 21 - высо­ковольтный блок, 22 ЎЄ буферное быстродействующее запоминающее устройство, 23 - арифметический блок расчета коррекций, 24 -система контроля изображения и совмещения, 26 - интерфейс, 27 ЎЄ быстродействующая суперЭВМ, 28 - магнитная лента с топологичес­кой информацией, 29 - система управления

во-вторых, пучок электронов можно отклонять и за­пирать с большими скоростями с помощью электрических или магнитных полей и управлять им по программе, заложенной в ЭВМ;

в-третьих, электронный пучок можно фокусировать с помощью магнитных линз в тонкий луч однородной плотности или формировать с помощью диафрагм в прямоугольный пучок переменного сечения;

в -четвертых, глубина резкости электронно-оптичес­ких систем значительно больше, чем оптических проекционных, что существенно снижает требования к геометрии полупровод­никовых подложек;

в-пятых, так как электронно-лучевые системы разме­щаются в вакуумной рабочей камере, подложки в процессе экспонирования не загрязняются.

7.6 Рентгенолитиграфия

При рентгенолитографии изображение на полупроводниковую под­ложку "переносится с шаблона, называемого рентгеношаблоном, с по­мощью мягкого рентгеновского излучения, длина волны которого л = 0,5ЎK2 нм. Разрешающая способность рентгенолитографии 0,2 - 0,3 мкм.

В настоящее время рентгенолитография не нашла широко­го применения в серийном производстве полупроводниковых приборов и ИМС из-за сложности технологии и используемого оборудования. Для реализации рентгенолитографии необходимы:

мощный источник рентгеновского излучения с малой расходимостью пучка;

рентгеношаблоны, обладающие высокой прочностью, контрастностью и малым температурным коэффициентом линейного расширения;

рентгенорезисты высокой разрешающей способности и чувствительности;

системы мультипликации изображения, погрешность совмещения которых не превышает 0,03 - 0,05 мкм.

Упрощенная схема экспонирования при рентгенолитографии показана на рисунке 7.6.1.

При рентгенолитографии используют два способа переноса изображения с рентгеношаблона на рабочую площадь подложек: полностью и мультипликацией.

В обоих случаях совмещение выполняют по специальным меткам на рентгеношаблоне и подложках при освещении монохроматическим излучением видимого диапазона, а экспонирование ЎЄ рентгеновским.

Рисунок 7.6.1. Схема экспонирова­ния рентгенолитографии:

1 ЎЄ поток рентгеновских лучей, 2 - канал совмеще­ния, 3 ЎЄ опорная рамка рентгеношаблона, 4 ЎЄ об­ласть экспонирования (ок­но в опорной рамке), 5 -рисунок на слое, непрозрач­ном для рентгеновских лу­чей, б ЎЄ окно для совме­щения рентгеношаблона и подложки, 7 - пленка, несу­щая рисунок и прозрачная для рентгеновских лучей, 8 ЎЄ метка совмещения на подложке, 9 ЎЄ слой рент-генорезиста, 10 ЎЄ подложка

Плотность потока рентгеновский лучей, падающих на под­ложку, обратно пропорциональна расстоянию от их источника. Поэтому это расстояние, чтобы уменьшить время экспониро­вания, с одной стороны, должно быть небольшим, а с другой, для уменьшения размытости изображения из-за расходимости рентгеновского луча ЎЄ большим. Кроме того, необходимо устанавливать с высокой точностью (не хуже 0,5 мкм) зазор между поверхностями рентгеношаблона и подложки, для чего их закрепляют в специальном устройстве.

Как известно, при облучении поверхности потоком ускоренных электронов она излучает рентгеновские лучи. Для создания высокоинтенсивного потока рентгеновского излу­чения необходимо использовать электронные пучки высокой плотности тока. В качестве материалов, используемых для изготовления мишеней, способных излучать рентгеновские лучи требуемых длин волн, обычно служат Сu, Al, Mo, Pd.

Основной характеристикой источника рентгеновского излу­чения является длина волны и способность материала мишени выдерживать электронный поток высокой интенсивности. Ми­шень при облучении мощными потока электронов сильно на­гревается, плавится и испаряется, поэтому отвод теплоты явля­ется основной задачей при создании высокоинтенсивных источ­ников излучения. Так как электроны и рентгеновские лучи достаточно легко рассеиваются в воздухе, необходимо рентге­новский источник помещать в высокий вакуум. По этой же причине систему совмещения и экспонирования также распола­гают в низковакуумной рабочей камере или заполняют камеру гелием.

Высоковакуумная часть установки рентгенолитографии отделяется от низковакуумной вакуумно-плотным окном, прозрачным для мягкого рентгеновского излучения. Этим требованиям отвечают окна из бериллия или прочных орга­нических пленок толщиной до 7 ЎЄ 8 мкм, которые, кроме того, обладают незначительным поглощением рентгеновского излучения и обеспечивают надежную изоляцию объемов источ­ника и рабочей камеры.

В настоящее время в рентгенолитографии используют точечные источники мягкого рентгеновского излучения, в ко­торых электронный пучок фокусируется на вращающейся с большой частотой (10 000 об/мин и более) мишени, охлаждае­мой проточной водой.

Наиболее перспективным источником рентгеновского излу­чения является синхротронное излучение, создаваемое ускори­телем электронов в магнитном поле при движении их по криво­линейным траекториям. Синхротронное излучение имеет непре­рывный спектр, максимум которого при достаточно большой энергии (до 1 ГэВ) приходится на область мягкого рентгенов­ского излучения.

Использование синхротронного излучения в рентгенолито­графии обусловлено его сильной природной коллимацией, т. е. малой расходимостью потока. В каждой точке криволинейного участка орбиты поток синхротронного излучения сосредоточен в пределах очень узкого конуса с углом вертикальной расходи­мости порядка нескольких угловых секунд. В результате этого при экспонировании геометрические искажения переносимого изображения оказываются незначительными.

Синхротронное излучение обладает высокой интенсивностью и превосходит в тысячи раз рентгеновское излучение, создаваемое мише­нями. Благодаря этому экспонирование синхротронным излучением составляет единицы секунд, что обеспечивает высокую производитель­ность рентгенолитографии.

Стоимость синхротронов очень велика, поэтому необходи­мо использовать их на множество каналов экспонирования.

Следует отметить, что при использовании синхротронного излучения плоскости рентгеношаблона и подложки должны располагаться по вертикали. Это надо учитывать при проектиро­вании установок совмещения и мультипликации, так как под­ложки должны точно перемещаться в вертикальной плоскости.