Над чем я сейчас всё больше и больше думаю, как инженер:
3.3.1. Рентгеновская литография
Рентгеновская литография является разновидностью оптической бесконтактной печати, в которой для экспонирования используют «мягкие» рентгеновские лучи длиной волны 0,4 - 12 нм, возбуждаемые с помощью интенсивных электронных лучей. Несмотря на то, что при рентгеновской литографии используется бесконтактная экспонирующая система, проявление дифракционных эффектов уменьшено за счет малой длины волны рентгеновского излучения.
Основная причина разработки метода рентгеновской литографии заключалась в возможности получения высокого разрешения и в то же время высокой производительности оборудования. Кроме того, за счет малой величины энергии мягкого рентгеновского излучения уменьшается проявление эффектов рассеяния в резистах и подложке.
Поскольку рентгеновские лучи практически не поглощаются загрязнениями, состоящими из компонентов с малым атомным номером, то наличие загрязнений на шаблоне не приводит к возникновению дефектов рисунка на резисте. Кроме того, вследствие низкого поглощения рентгеновского излучения рентгеновский резист большой толщины может быть однородно экспонирован на всю толщину, в результате чего в его объеме у окон формируются вертикальные стенки, точно повторяющие рисунок шаблона.
Так как изготовление рентгеновских оптических элементов (фокусирующих систем) связано с определенными трудностями, применение рентгеновской литографии ограничено теневой печатью.
Разрешение, получаемое при использовании метода рентгеновской литографии, ограничено геометрическими эффектами.
Источником рентгеновского излучения являются рентгеновские трубки, в которых металлический анод подвергается бомбардировке интенсивным электронным пучком. В результате взаимодействия электронов пучка с материалом анода генерируется два типа рентгеновского излучения - тормозное и характеристическое.
Тормозное излучение образуется при уменьшении кинетической энергии (торможении, рассеянии) быстрых электронов пучка при бомбардировке материала анода. Интенсивность тормозных рентгеновских лучей распределена по всем частотам до высокочастотной границы ν0, на которой энергия фотонов hν0 (h - постоянная Планка) равна энергии eU бомбардирующих электронов (е - заряд электрона, U - разность потенциалов ускоряющего поля, пройденная ими). Этой частоте соответствует коротковолновая граница спектра λ0 = hc / eU (с - скорость света).
Характеристическое излучение, имеющее линейчатый спектр, возникает после ионизации атома мишени с выбрасыванием электрона одной из его внутренних оболочек. Такая ионизация является результатом столкновения атома с быстрой частицей, например электроном (электроны пучка), или поглощения атомом фотона (флуоресцентные рентгеновские). Ионизованный атом оказывается в начальном квантовом состоянии на одном из высоких уровней энергии и через 1Е-16 - 1Е-15 секунды переходит в конечное состояние с меньшей энергией (переход электронов с верхних оболочек атома на более близко расположенные к ядру K-, L-, M-, N - оболочки). При этом избыток энергии атом может испустить в виде фотона определённой частоты. Частоты линий спектра такого излучения характерны для атомов каждого элемента, поэтому линейчатый рентгеновский спектр называется характеристическим. Зависимость частоты линий этого спектра от атомного номера Z определяется законом Мозли: √ = A(Z - B), где А и В - величины, постоянные для каждой линии спектра.
Обычный рентгеновский спектр состоит из непрерывного спектра (континуума) и характеристических линий (острые пики). Линии Kβ и Kα возникают вследствие взаимодействий ускоренных электронов с электронами внутренней К-оболочки (рис.44).
На рис. 45 показана схема рентгеновской установки экспонирования. Электронная пушка генерирует электронный пучок, фокусируемый на охлаждаемой водой мишени (часто используется палладиевая мишень). Напряжение на аноде составляет 25 кВ, потребляемая мощность 4-6 кВт. В результате анод испускает рентгеновские лучи с длиной волны 0.437 нм, которые через бериллиевое окно попадают в камеру экспонирования.
Подложка вместе с шаблоном загружаются в камеру экспонирования (шлюзовую камеру), заполненную гелием, имеющим малое значение коэффициента поглощения рентгеновского излучения.
По мере необходимости образец извлекается из камеры для проведения процессов совмещения с шаблоном. Между шаблоном и подложкой устанавливается зазор около 40 мкм.
Создать достаточно равномерное облучение всей пластины не просто, так как для коллимирования рентгеновских лучей нет ни зеркал, ни линз. Поэтому, чтобы обеспечить параллельность лучей, необходимо иметь большое расстояние от источника до подложки. Обычно оно составляет 20 - 50 см. Поскольку интенсивность облучения подложки обратно пропорциональна квадрату этого расстояния, то находят оптимум между расхождением лучей и интенсивностью облучения.
Описанная выше схема не позволяет достичь максимально возможного разрешения ввиду геометрических ограничений (рис. 46). Рассмотрим ситуацию, когда источник рентгеновских лучей диаметром dрасположен на расстоянии L от рентгеновского шаблона, который в свою очередь отстоит на расстояние s от покрытой резистом пластины. Протяженность источника приводит к размытию края изображения на резисте на величину δ = d (s/L). Для типичных величин d = З мм, s = 40 мкм и L= 50 см размытие изображения составляет величину порядка 0,2 мкм.
Другим геометрическим эффектом, проиллюстрированным на рис. 46, является погрешность, связанная с увеличением размеров элемента в боковом направлении, которая вызвана расходимостью рентгеновского луча от точечного источника и существованием зазора конечной величины между шаблоном и пластиной. Изображение шаблона сдвигается в боковом направлении на величину h, определяемую из соотношения h = r (s/L), где r - расстояние, измеренное в радиальном направлении от центра пластины. Погрешность равна нулю в центре пластины и линейно возрастает к краям пластины. Эта погрешность ухода изображения может достигать величины 5 мкм на краю пластины диаметром 125 мм при величинах s = 40 мкм и L= 50 см.
В принципе ошибка может быть скомпенсирована во время процесса изготовления шаблона. Однако отклонения величины зазора между шаблоном и пластиной вносят значительные погрешности ухода изображения. В связи с этим может возникнуть необходимость регулировки зазора перед каждым экспонированием.
Рентгеновские резисты. Рентгеновские лучи с длиной волны в диапазоне 0.1 - 5 нм (энергия фотонов в диапазоне 10 - 0.25 кэВ) испытывают незначительное рассеяние при прохождении через материал резиста. Рентгеновский фотон движется по прямой траектории до тех пор, пока не поглотится атомом, который испускает при этом фотоэлектрон.
Энергия фотоэлектрона Е равна энергии фотона рентгеновского излучения за вычетом энергии связи в несколько электрон-вольт, необходимой для удаления электрона из электронной оболочки атома Е = hν - Q, где Q - энергия связи электрона на его орбитали. Наиболее вероятным направлением движения электрона является направление, перпендикулярное движению фотона рентгеновского луча, т. е. в плоскости резиста.Возбужденный атом возвращается в свое основное состояние, испуская флуоресцентное рентгеновское излучение, или оже-электроны. Флуоресцентное рентгеновское излучение поглощается другим атомом, и процесс повторяется. Поскольку все процессы заканчиваются эмиссией электронов, поглощение рентгеновского излучения материалом резиста может быть представлено как испускание потока вторичных электронов. Эти электроны экспонируют резист, разрывая молекулярные цепи полимера или образуя между ними поперечные связи, в зависимости от типа резиста.
Одним из путей повышения чувствительности резиста является увеличение поглощения им рентгеновского излучения. Поглощение рентгеновских лучей описывается уравнением
I = I0 exp (- t),
где t - толщина слоя резиста, - линейный коэффициент поглощения, I0 и I - интенсивность излучения до и после поглощения соответственно.
Чувствительность рентгеновских резистов повышается при включении в их состав компонент, которые достаточно хорошо поглощают экспонирующее рентгеновское излучение. Например, хлор имеет длину волны характеристического К - излучения 0.44 нм и, следовательно, сильно поглощает излучение Рd L с длиной волны 0.437 нм. Соответственно резисты состоят из поглощающего основного полимерного материала и полимеризуемой мономерной металлоорганической добавки, вводимой в структуру основного материала.
Изображение на резисте проявляется с использованием кислородной плазмы. Основным предполагаемым механизмом проявления является механизм, основанный на превращении металлоорганического мономера в окисел металла, который предохраняет остающийся резист от воздействия кислородной плазмы. Этот защитный слой далее увеличивает разницу в скорости удаления в плазме экспонированного и неэкспонированного резиста, и, таким образом, происходит проявление изображения.
Выбор резистов для рентгеновской литографии довольно ограничен. На первых стадиях развития метода использовались те же резисты, что и для электронной литографии, например, полиметилметакрилат (ПММА), полибутенсульфон (PSB) и другие. В последние годы предложен ряд резистов специально для рентгеновской литографии, обладающих большей поглощательной способностью, что заметно уменьшает время их экспонирования.
Рентгеновские шаблоны. Рентгеновские шаблоны состоят из поглощающих рентгеновское излучение металлических пленок с нанесенным на них рисунком и тонкой мембраны, пропускающей рентгеновские лучи. Толщина поглощающего материала определяется длиной волны рентгеновского излучения, коэффициентом поглощения материала и величиной контраста, необходимой для формирования изображения на резисте. Наиболее широко применяемым в настоящее время поглощающим материалом является золото.
Рисунок на шаблоне обычно формируют с использованием электронно-лучевой литографии в сочетании с методами сухого травления. Для сохранения высокого разрешения и точного управления размерами элементов рисунок, сформированный в золотой пленке, должен иметь вертикальные стенки окон.
Мембрана, служащая подложкой для шаблона, должна обладать высокой прозрачностью для рентгеновских лучей, чтобы свести времяэкспонирования к минимуму. Она должна иметь стабильные размеры и достаточную прочность для многократного использования в технологическом процессе и быть прозрачной для видимого света, если применяется методика оптического совмещения. Для изготовления мембран используют такие материалы, как полиимид, Si, SiC, Si3N4, Al2O3 и многослойные структуры, например, Si3N4/SiO2/Si3N4. Мембраны из неорганических материалов из-за их хрупкости изготовить намного сложнее, но они стабильнее сохраняют свои размеры при изменении температуры, влажности, механических воздействий и пр.
На рис. 47 показана структура рентгеновского шаблона, который успешно используют при изготовлении ИС. Он представляет собой многослойную структуру из нитрида бора и полиимида с пленкой золота толщиной 0.6 мкм, поглощающей рентгеновское излучение, в которой сформирован топологический рисунок схемы. Экспонирующим излучением при использовании этого шаблона служит характеристическое излучение РdLа с длиной волны 0.437 нм.
Технология изготовления рентгеновского шаблона разработана не окончательно. Еще предстоит решить ряд проблем: улучшение долгосрочной стабильности рисунка шаблона, исключение нерезкости краев элементов рисунка, ухудшающей разрешающую способность шаблона, и уменьшение плотности дефектов шаблона. От решения этих проблем зависит развитие субмикронной рентгеновской литографии.
Рентгеновская литография обеспечивает наилучшие условия для достижения субмикронного разрешения при высокойпроизводительности обработки пластин. При использовании существующих резистов и рентгеновских источников пластины полностью могут быть экспонированы за 1 минуту с разрешением < 0.5 мкм.
В будущем возможно осуществление экспонирования резистов методом мультиплицирования с помощью коллимированного рентгеновского излучения синхротрона. Однако прежде чем рентгеновская литография найдет широкое промышленное применение, должны быть усовершенствованы методы автоматического совмещения и изготовления рентгеновских шаблонов.
(спасибо Лапшинов Б.А. Л 24 Технология литографических процессов. Учебное пособие -Московский государственный институт электроники и математики. М., 2011.-95 с.)