С точки зрения литографии электронное излучение интересно главным образом тем, что его длина волны на несколько порядков меньше, чем УФ-излучения, поэтому с помощью пучка электронов можно в принципе сформировать изображение на несколько по­рядков меньшее, чем с помощью света. Электронным пучком легко управлять, его можно сфокусировать в пятно диаметром менее 10 нм. Такая фокусировка необходима для формирования тополо­гического рисунка с субмикронными размерами элементов.

33

Системы, использующие электронное излучение, можно разде­лить на две большие группы: системы фокусированного сканирую­щего по подложке электронного пучка и проекционные системы, экспонирующие подложку целиком. Последние изучались интен­сивнее, так как потенциально могут обеспечить более высокую про­изводительность, благодаря одновременному экспонированию боль-

2 Зак. 554
шего числа микросхем на подложке, по сравнению с последова­тельным экспонированием отдельных микросхем, даже и с относи­тельно более коротким временем экспонирования каждой [39].

Сканирующие системы делятся на: 1) работающие с точечным пучком круглого сечения и Гауссовым распределением интенсив­ности излучения в пучке и 2) работающие с электронным пучком определенной формы в сечении (рис. 1.13). Все сканирующие си-

а б Рнс. I. 13. Схематическое изображение систем, работающих с пучком электронов круглого сечення (а) н сечения определенной формы (б): / — точечный круглый пучок; 2 —диафрагма; 3 — линза; 4 — отклоняющая система; 5 — подложка; 6 — пучок электронов; 7 — формирующая сеченне маска.

стемы, вне зависимости от характера экспонирования, имеют об­щие черты. На рис. I. 14 приведена упрощенная схема ЭЛУ с ис­пользованием электронного пучка, которая состоит из источника электронов (электронной пушки), оптической части (формирую­щей электронный пучок), механической части и ЭВМ для управ­ления механической частью и электронным пучком. Электронная оптическая колонна — важнейшая часть ЭЛУ — состоит из источ­ника, одной или более линз (используемых для фокусировки и формирования пучка), приспособления, модулирующего пучок, диафрагмирующего и отклоняющего устройства, последнее может с высокой точностью изменять положение пучка на экспонируемой поверхности. Предельные возможности каждого из этих устройств вместе с ограничениями, обусловленными рассеянием электронов в резисте и подложке, определяют возможности системы в целом.

Предполагаем, что экспонируется поверхность площадью а. Электронная оптическая система образует на этой площади макси-

мальный ток i, который зависит от параметров электронной опти­ческой колонны. ЭВМ, управляющая электронным пучком, задает частоту, с которой управляется электронный пучок. Все в целом определяет максимальное вре­мя экспонирования t. Из этих данных находят максимальную дозу Dмакс, которая может быть получена резистом: £)ма кс =

Рнс. I. 14. Схема ЭЛУ:

/ — программирующее устройство; 2— управляющая ЭВМ; 3 — устройство для управления перемещением стола; 4 — ис­точник электронов; 5 — устройство для формирования пучка; 6 — отклоняющая си­стема; 7 — вакуумная камера; 8 — слой электронорезиста; 9—металлическая фоль­га; 10 — кремниевая подложка; 11 — стол;

12 — устройство для перемещения стола.

= it/a. Очевидно, что оптимальными параметрами по критериям экономичности обладают такие резисты, которые дозой £)макс бу­дут наилучшим образом экспонироваться, сшиваясь (негативное изображение) или приобретая растворимость (позитивное изображение).

ЭЛУ могут функционировать только с си­стемой движения стола. В отличие от экспози­ционных систем с пучком определенной фор­мы, которые используют дискретное движение (шаг - и -экспонирование), в ЭЛУ с пучком круглого сечения возможно как непрерывное, так и дискретное движение подложки. Сечение негауссова пучка имеет, как правило, квад­ратную или прямоугольную форму. Изме­нением размеров и формы сечения пучка можно свести к минимуму число экспонирова­ний, необходимых для образования данного изображения (рис. 1.15). При многократном экспонировании одинаковых геометрических структур [например, при создании системы

Рнс. I. 15. Схема системы, работающей с пучком электронов пе­ременного сечення н размеров:

/ — формирующая сечение маска; 2, 5 — лнизы; 3 — устройство, отклоняющее пучок для вторичного формирования; 4 — экспо­зиционная маска; 6 — устройство, отклоняющее пучок при экс­понировании; 7 — экспонируемая поверхность (слой резиста).

памяти на магнитных доменах или МДП (металл-диэлектрик-

проводник)-транзистор] удобно сразу придать пучку сложную

форму, соответствующую этим структурам. На рис. I. 16 схемати­чески изображены примеры экспонирования геометрически слож­ного рисунка.

2*

35

Проекционные ЭЛУ сконструированы для проекции отдельных схем или сразу всей пластины. ЭЛУ для экспонирования пластины

целиком созданы в нескольких лабораториях в начале 70-х годов [40]. Эти установки основаны на фотоэлектронной эмиссии с облу­чаемого УФ-светом катода (служащего одновременно маской) и

Ш////////Л

I

СЕ

. LJJ ,

<@)

'1 Л J LflTt®

1 25 150 450

Рис. I. 16. Сравнение приемов экспонирования разнообразных структур (а) и результирую­щих профилей (б):

/—Гауссов круглый пучок; 2 —пучок постоянного (не круглого) сечения; 3— пучок сече­ния переменной формы; 4 — экспонирование пучком сложной геометрической формы; внизу указано относительное число точек изображения, создаваемых одновременно.

ориентацией образующегося потока электронов магнитной линзой. Описана и ЭЛУ с уменьшением [41] (рис. I. 17).

В конце 50-х годов методам с использованием электронного пучка начали уделять главное внимание вследствие их способности давать высокое разреше­ние. Затем последовало успешное развитие сканирующей электронной микро­скопии, и опыт показал, что модификация этой системы дает возможность не­посредственно образовывать с большой скоростью и точностью высокоразре - шениые рельефы. Первые экспериментальные ЭЛУ, работающие с электронным

Рис. I. 17. Схема проекционной ЭЛУ:

а — изображение образовано электро­нами, испускаемыми фотокатодом; б — изображение с уменьшением, получен­ное на подложке при помощи погло­щающей маскн; / — УФ-свет; 2 — про­зрачный носитель фотокатода; 3 — не­прозрачные участки фотокатода; 4 — эмнтнрующая поверхность катода; 5 — соленоид; 6 — поток электронов; 7 — подложка с резнстом; 8 — маска; 9 — электронная пушка; 10 — система линз.

пучком, использовали его высокую разрешающую способность [42]: в первых промышленных ЭЛУ экспонирование электронным пучком применялось для со­здания масок и малосерийных интегральных схем, так как оно позволяет непо­средственно получать структуры по программе, заложенной в ЭВМ. Электрон­ная литография сейчас становится промышленным методом для изготовления высокопрецизионных масок для фотолитографии, важным преимуществом кото­рых является точное размещение структур [43] с соблюдением постоянства их размеров [44].

Рис. I. 18 иллюстрирует главные элементы технологии электронной литогра­фии и последовательность отдельных операций. Хотя большинство операций формально соответствует операциям при УФ-литографии, их необходимо осу­ществлять на качественно и количественно более высоком уровне. При исполь­зовании электронной литографии в технологическом процесссе необходимо при­

зе
нимать во внимание ее ограничения, определяемые возможностями отдельных подсистем.

Источники электронов, используемые в ЭЛУ, такие же, как и в классическом электронном микроскопе. Эти источники в зави­симости от способа эмиссии электронов делятся на 2 типа: с не­посредственно накаляемым катодом и с катодом с полевой эмис­сией [45]. В первом случае эмиссия электронов осуществляется нагреванием выше критической температуры такого материала, как вольфрам, вольфрам с примесью тория, гексаборид лантана.

Преимуществом вольфрамовых катодов является легкость их про­изводства, стабильность по току и нечувствительность к изменению вакуума, они имеют максимальную интенсивность 1 -105 — 3-105 А/(см2-ср), а обогащение их поверхности торием повышает их срок службы. Гексаборид лантана менее стабилен, но интенсив­нее излучает [106 А/(см2-ср)], требуя, однако, более высокий вакуум в рабочем пространстве.

В источниках с катодом с полевой эмиссией используется уз­кий вольфрамовый катод, помещенный в электростатическое поле с высоким напряжением. На конце катода возникает электронный луч диаметром несколько нанометров. Такие источники способны работать с высокой интенсивностью [108—109 А/(см2-ср)], но сложны в изготовлении и требуют для работы вакуум 10~s— 10-8 Па.

Все части электронной оптической системы в зависимости от их использования могут быть скомпанованы по-разному [46]. Тех­нически невозможно в сканирующих системах отклонять электрон­ный пучок по всей поверхности кремниевой подложки, поэтому необходимо использовать механическое устройство, движущее под­ложку. Движение может осуществляться двумя способами: 1) ша­гами между отдельными экспонированиями соседних площадей

Рис. I. 19. Способы работы систем, использующих электронный пучок: а —строчное сканирование с непрерывным движением стола; б — векторное сканирование с пошаговым движением стола; 1 — отклоняющая система; 2 — пучок электронов; 3 — ли­нейный размер одного сканирования; 4 — кристалл (чип); 5 — подложка с резистом; 6 — направления движения стола.

[47] (точность фиксации в новом положении обеспечивается ин - терферометрически лазерным лучом или при помощи меток сов­мещения; 2) непрерывным движением подложки с одновременным экспонированием по заданному рисунку [48] (рис. I. 19). Мгновен­ное положение подложки должно быть обеспечено с точностью долей микрометра, чтобы погрешность в установке подложки могла быть устранена изменением в отклонении пучка. Эти слож­ные системы управляются ЭВМ, которая в реальном времени осу­ществляет мониторинг рабочих параметров электронной оптиче­ской и механической систем и на его основе переносит данные, не­обходимые для дискретного образования изображения, в откло­няющую систему. Скорость, с которой управляющая система спо­собна передавать эти данные, лимитирует время экспонирования. Вышеизложенное справедливо как для растровой системы, так и для систем, работающих с пучком определенной формы (векторная система). Растровая и векторная системы представляют собой два основных сканирующих метода, используемых в электронной ли­тографии [49, 50] (рис. 1.20). При векторной системе электронный пучок отклоняется в соответствии с заданным рисунком микро­

электронной схемы, а не вдоль кремниевой подложки, как в случае растровой системы. Это, однако, делает отклоняющую систему в первом случае гораздо более сложной, так как необходимо ком­пенсировать гистерезисные эффекты и большие углы отклонения. Векторная система использована в нескольких успешно работаю­щих ЭЛУ фирм Philips, IBM VSI, Texas Instruments EBSP и Cambrige EBM. F-2. Имеются данные о более совершенной ЭЛУ, EBMF-6, предназначенной для ускоренного изготовления шабло­нов [51]. Все эти ЭЛУ работают с гауссовым круглым пучком. Однако, как уже было сказано, векторный сканирующий метод

5

Рнс. 1.20. Схематическое сравнение образования структур при векторном (а) и растровом ((f) сканировании:

I — размер пучка электронов; 2 — путь пучка электронов.

более перспективен в отношении использования пучка определен­ной формы и он реализован в чехословацкой ЭЛУ.

Растровая система с использованием непрерывно движущейся кремниевой подложки была впервые описана в 1971 г. [48]. Эта система известна как EBES, она создана для проведения быстрого, практичного и экономичного экспонирования в производстве высо­коточных масок и схем специального назначения. Движение под­ложки контролируется с точностью 0,125 мкм на площади 100 см2.

При изучении взаимной зависимости характеристик электрон­ного луча и свойств резиста оказалось, что воспроизводимость профиля зависит от ошибок положения луча, его расфокусировки, наклона луча, уровня шумов [52]. С целью увеличения произво­дительности сканирующей ЭЛУ исследованы возможности много­лучевого сканирования в варианте с параллельной фокусировкой, но с индивидуальным бланкированием лучей [39]. Некоторые практические аспекты электронной литографии отражены в [53].