Ограничения разрешающей способности оптического метода формирования микроизображения определяются длиной X света, характеристиками светового излучения, такими, как когерентность, спектральный состав, а также качеством совокупной оптической системы, природой регистрирующей среды, условиями, при кото­рых создается микроизображение (наличие турбулентной и рас­сеивающей среды, вибрации, температурная деформация и т. д.).

Предельные возможности контактного и проекционного оптиче­ских способов формирования изображения определяются простыми

Соотношениями. Для контактного метода в реальных условиях

применения: __

6К яа VsX (!■ 5)

где бк — минимальный разрешаемый элемент изображения; s — зазор между контактирующими поверхностями.

Иногда используется следующее теоретическое соотношение:

2ЙМНН * 3 лДЗ/Г (I - 6)

где 2b — период решетки, состоящей из прозрачных и непрозрачных для света линий одинаковой ширины [26].

Для бесконтактного метода минимальный период решетки для s d определяется соотношением [27]:

2&мин « 3 л/sX + 0,5Д «ЗлДГ (1.7)

На практике зазор sMHh ~ Ю мкм, что отвечает разрешению около 3 мкм. В работе [28] приводятся методы точного нахожде­ния этого зазора.

Для проекционных методов

бПр « Х/(2А)- А = nD/(2f) (Г. 8)

где А — апертура объектива; п — показатель преломления среды для данной длины волны; D — диаметр линзы; f — фокусное расстояние.

Из приведенных соотношений видно, что разрешающая способ­ность пропорциональна X для проекционного способа и Х°>5 для контактного способа. Очевидно, для оптического диапазона (X « 0,2 - г - 0,8 мкм) разрешение не может превышать 0,2 мкм. Это ограничение оптического метода экспонирования может быть пре­одолено лишь при переходе в более коротковолновый, например рентгеновский, диапазон электромагнитного излучения, где X « « 0,5—5 нм. Однако реальные оптические системы, реальные усло­вия формирования микроизображения не позволяет достичь и этих предельных значений и в настоящее время предельная разрешаю­щая способность оптических методов не превышает 0,5—0,8 мкм, а хорошо освоенные и широко используемые процессы и системы обеспечивают разрешающую способность 1—1,5 мкм. Кроме длины волны излучения и другие параметры ограничивают реальную раз­решающую способность оптических методов и часто определяют возможность использования того или иного метода на практике.

Для проекционного метода значение имеет качество всей опти­ческой системы, причем в настоящее время лимитирующими яв­ляются не аберрация объектива, строящего изображение, а дифрак­ционные ограничения, определяемые волновой природой света, и явления, связанные с рассеянием света (в том числе и в толще светочувствительного материала), интерференционными эффектами и когерентностью (частичной) света [29]. При этом необходимо учитывать, что объективы, используемые в высококачественных фотолитографических системах, являются дифракционно ограни­ченными.

Реальную разрешающую способность контактного метода огра­ничивает величина зазора (от 1 до нескольких мкм) между по­верхностями шаблона и резиста, которая непостоянна по всему полю экспонирования, так как указанные поверхности практи­чески никогда не бывают плоскими.

К принципиальным недостаткам контактного метода относятся образование дефектов изображения из-за контактных нагрузок на фоторезистную пленку и несовмещаемость изображений раз­личных слоев, также связанная с контактными деформациями искривленных поверхностей. Оптимизация условий контактного экспонирования и приводит к тому, что предельные возможности метода не реализуются на практике. Попытки снизить контактное усилие с целью устранения дефектообразований в резисте приводит к падению разрешающей способности метода и неконтролируемому уходу размеров элементов из-за образования зазоров, а также расходимости экспонирующего пучка лучей и дифракции. Расходи­мость (апертура) пучка лучей даже при наличии конденсорных коллимирующих систем в современных установках экспонирова­ния составляет 3—7°, что и при небольших зазорах приводит к образованию полутени в изображении, отклонениям линейных раз­меров элементов и ухудшению качества края элементов. Дифрак­ция света на краях элементов при наличии микрозазоров перемен­ной величины по площади объекта приводит к образованию интер­ференционной структуры в изображении и ряду других нежела­тельных эффектов, например так называемому двойному краю — оконтуриванию изображения элементов вследствие осцилляции освещенности у края элементов, что связано с контрастностью и пороговыми свойствами светочувствительного материала. Могут искажаться углы элементов и даже их форма, особенно существен­ными эти искажения могут быть при использовании когерентного света.

Распределение интенсивности в дифракционной картине при падении плоской световой волны на полуплоскость имет вид, пред­ставленный на рис. 1.6; соответствующие аналитические выражения можно найти для непрозрачного экрана в большинстве курсов физической оптики, а для полупрозрачных экранов, какими явля­ются некоторые покрытия, используемые в качестве маски в микро­электронике,— в работе [30].

Осцилляции амплитуды и интенсивности света, возникающие в слое в результате сложения прямо прошедшего через маску и ди - фрагмированного на краях элементов волновых фронтов, могут проявляться на фоторезисте при условии, если максимумы интен­сивности в тени или минимумы интенсивности в прозрачных об­ластях маски обеспечивают за время экспонирования накопление энергии в слое резиста, соответствующей пороговой экспозиции, и достаточной для удаления части слоя резиста в данных условиях обработки.

На рис. I. 7 приведена картина типичного распределения интен­сивности света (изолюксы) в изображении угла топологического элемента. Видно, что при различных условиях экспонирования и обработки в изображении могут быть получены различные откло­нения формы и размеров элементов (линии, угла, прямоугольника и т. д.). На рис. 1.8 показана качественная картина распределения интенсивности света в слое резиста при контактной печати. В за­висимости от режимов обработок и свойств резиста при наличии подобного скрытого изображения может быть образован в конеч­ном итоге рельеф с линиями различной геометрии. Интересно, что

a ft

Рнс. 1.6. Распределение интенсивности света (б) дли частично пространственно когерентного луча света после дифракции от края маски (я): / — точечный источник; 2 — край маски.

Рнс. 1.7. Распределение интенсивности света (изолюксы) в изображении угла толологнчеч ского элемента:

/ — маска; 2 — область освещенности за границами маскн.

могут быть получены и элементы с размерами, значительно мень­шими размеров окон маски.

Когерентность источника излучения оказывает существенное влияние на качество оптического изображения как в контактном, так и в проекционном методе формирования микроизображения. При когерентном освещении меняются условия формирования изо­бражения; в изображении складываются амплитуды светового поля, а не интенсивности, как при некогерентном освещении; возни­кает характерный «когерентный шум», зернистость изображения. В связи с этим возможности формирования тех или иных структур в изображении оказываются зависимыми не только от качества оптической системы, но и от фазовых соотношений в объекте, взаиморасположения, размеров и формы элементов.

Для описания указанных зависимостей наиболее целесообраз­но применять аппарат современной теории формирования изобра­
жения [31], где оптическая система, включающая и приемник из­лучения (например, фоторезист), рассматривается как фильтр про­странственных частот. При этом объект и изображение описываются их спектрами пространственных частот, показывающими распре­деление комплексных амплитуд, на которые могут быть разложены функции, описывающие объект и изображение, с помощью преоб­разования Фурье.

Передача совокупной оптической системой, состоящей из объ­екта, источника излучения, объектива, фотоприемника и других

Рнс. I. 8. Распределение интенсивности света / , обусловленное дифракцией света от маски с прозрачными и непрозрачными областями (решетки):

1 — свет; 2 — маска; 3 — резист; 4 —подложка; б— период решетки; s - пространство между подложкой н маской; штриховой линией обозначено идеальное распределение интен­сивности света / по ширине окон в маске в отсутствие дифракции, сплошной линией пока­зано реальное распределение интенсивности в результате дифракции.

Рнс. I. 9. Оптическая передаточная функция (ОПФ) системы для разных факторов когерент­ности:

/ — а ** 0; 2 — О — 0,7; 3 — О -» <*>; v — пространственная частота.

элементов, тонкой структуры объекта рассматривается при этом как последовательная фильтрация спектра пространственных ча­стот и характеризуется оптической передаточной функцией (ОПФ), которая в общем случае является комплексной величиной. Модуль ОПФ называется частотно-контрастной характеристикой (ЧКХ); иногда его называют функцией передачи модуляции (ФПМ). Ти­пичный вид ОПФ (ЧКХ) приведен на рис. 1.9. ЧКХ называют также коэффициентом передачи контраста, так как для каждой данной пространственной части объекта v ЧКХ равна отношению контраста изображения k' к контрасту объекта k:

A (v) = k'/k (I_ д)

Контраст же объекта определяется отношением:

макс /мнн)/(^макс Т" Iмин) (I, Ю)

где / — интенсивность света.

Пространственная частота, при которой А — 0, и определяет разрешающую способность, Для фотолитографической системы,

характеризующейся некоторым порогом восприятия контраста 5k, разрешающая способность R может быть определена как:

R = I000/(2vnop) (1.11)

где Vnop соответствует величина A(vnop)= 5k.

Аппарат ОПФ (ЧКХ) удобен для описания сложных фотолито­графических систем, так как передаточная функция (результирую­щая ЧКХ) определяется произведением ЧКХ отдельных составляю­щих элементов оптической системы.

Случай полностью когерентного и некогерентного излучения встречается редко, на практике всегда наблюдается частично ко­герентное освещение. Оно имеет место даже при полном согласо­вании апертур осветительной системы и объектива, т. е. при пол­ном заполнении входного зрачка объектива. При уменьшении сте­пени заполнения зрачка степень когерентности б увеличивается, а при заполнении зрачка в виде точки освещение приближается к когерентному случаю. Этим приемом начинают пользоваться на практике при конструировании современной фотолитографической аппаратуры, причем стремятся выбрать оптимальное заполнение зрачка, оптимальную степень когерентности [32].

В ряде систем проекционной литографии принято а0Пт = 0,7, что, с одной стороны, повышает крутизну пограничной кривой, дает при некоторых заданных пространственных частотах большие значения ОПФ (ЧКХ), а с другой стороны, еще не приводит к значительным осцилляциям интенсивности (что может, например, дать оконтуривание изображения — «двойной край»), резонанс­ным эффектам, характерным для когерентного освещения. Учет подобных эффектов, ограничивающих возможности фотолитогра­фии, становится особенно важным при использовании лазеров в качестве источников излучения для формирования микроизобра­жений [33]. При использовании лазеров в качестве мощных источ­ников монохроматического излучения основной проблемой явля­ется именно уменьшение когерентности, существенно ухудшающей («когерентный шум») качество изображения и приводящей к ре­зонансным эффектам в изображении, что особенно опасно при пе­редаче сложной конфигурации. Снижение пространственной коге­рентности излучения может быть осуществлено различными спо­собами— от временного усреднения путем вращения рассеиваю­щих компонентов или сканирования по зрачку [33] объектива до создания специальных, например эксимерных, лазеров, дающих некогерентное излучение [21, 34].

Уменьшения пространственной когерентности необходимо до­биваться и при использовании простой контактной печати с обыч­ными ламповыми источниками излучения. Действительно, широко используемые в фотолитографии ртутные лампы сверхвысокого давления типа ДРШ имеют малое по сравнению с расстоянием до плоскости экспонирования L тело освещения (2—5 мм при L = = 200—500 мм), т. е. по размерам приближающееся к точечному источнику. Точечный же источник создает когерентное освещение,
что в большинстве случаев является нежелательным. Для сниже­ния пространственной когерентности необходимо применять протя­женный источник излучения, каждая точка которого некогерентна друг другу, за счет чего в плоскости изображения происходит наложение нескольких волновых фронтов, каждый из которых дает соответствующие распределения интенсивности. В результате интенсивности отдельных дифракционных минимумов и максиму­мов, результирующая амплитуда осцилляции уменьшается, каче­ство изображения улучшается.

Чрезмерное увеличение размера (апертуры) источника, как отмечалось выше, приводит к увеличению области полутени, умень­шению крутизны пограничной кривой (изображение полуплоско­сти), что такое нежелательно. Именно поэтому с учетом этих двух

V V Y Y У,

Рис. I. 10. Факторы, влияющие Гу на передачу изображений при контактной печати: / — экспонирующий свет; 2 — маска; 3 — зазор; 4 — слой ре­зиста; 5 — отражающая часть подложки; 6 — подложка; а — апертура источника.

Д А А А А?

факторов существует оптимальное значение апертуры источника экспонирующего излучения, которое составляет аОПт = 5°.

Еще одним явлением, ограничивающим возможности фотолито­графии, является образование стоячей волны в толще слоя фото­резиста — приемника излучения, который стоит последним в сово­купной цепи формирования микроизображений; свойства резиста должны отвечать особенностям результирующей структуры скры­того изображения. На рис. I. 10 представлен ряд эффектов, которые ограничивают возможности фотолитографии: а —апертура свето­вого пучка; б — многократное отражение, в — дифракция, г — рас­сеяние в толще светочувствительного материала, д — стоячие вол­ны. Стоячие волны возникают в толще фоторезиста в результате взаимодействия падающей и отраженной от подложки световых волн. Можно показать, что интенсивность стоячей волны /с опре­деляется выражением:

/с (х) = 4/1 sin2 k (d —■ х) (1.12)

где Л — интенсивность волны, распространяющейся по направлению х в толще фоторезиста.

Величину k находят из выражения (I. 13)

k = 25Ш/А, (1.13)

В результате образования стоячей волны в толще фоторезиста имеют место чередующиеся максимумы (пучности колебаний) и минимумы (узлы колебаний), что приводит к неравномерному засвечиванию фоторезиста по толщине. Положение максимумов и

минимумов освещенности относительно отражающей поверхности подложки определяется выражениями:

/МН11 = d - X = 0; А/(2я), 2Я/(2п) ЫХ/(2п) (1.14)

/макс = Я/(4я); ЗЛ/(4п).............. (2N. + 1) А/(4я) (I. 15)

где JV = 0; 1; 2; ... — порядковый номер экстремума.

Эффект стоячих волн может привести к неравномерному экспо­нированию резиста у поверхности и у подложки, к непроявлению элементов, к переэкспонированию (или недоэкспонированию) у поверхности, к существенному разбросу времени проявления для участков с различной толщиной слоя фоторезиста и, наконец,

к неровности края, характерной мно­гослойной, ребристой структуре кра­ев элементов (рис. 1.11 и I 12) [35, 36]. Все это существенно ограни­чивает возможности фотолитографии и нередко является препятствием к внедрению новых технологических средств и методов (например, проек-

—in I 1 - I t « « Рис. I. 11. Распределение интенсивности света с X

0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 404,7 им в слое резиста AZ — 1350 J толщиной 0,63 мкм

иа отражающей силиконовой подложке в начале ос, мкм экспонирования.

ционной фотолитографии с использованием монохроматического излучения).

Зависимость экспозиции и, следовательно, размеров элемен­тов в изображении от толщины слоя фоторезиста (точнее разно - толщинности) приводит к искажению формы элементов, искрив­лению прямых линий, возникновению на них характерных утол­щений.

Влияние стоячей волны может быть частично устранено выбо­ром оптимальной толщины слоя резиста и с помощью изменения отражательной способности подложки [27], а также постэкспози - ционной тепловой обработкой, которая дает возможность при на­греве полимерного материала выше Тс улучшить границы рельефа фоторезиста вследствие текучести материала [37]. Подобное влия­ние оказывает и использование концентрированных проявителей или продолжительного проявления; эти приемы, однако, не позво­ляют избежать изменения размеров линий на рельефных поверх­ностях. Эффективным методом является планаризация рельефной поверхности подложки слоем полимера, на который затем нано­сится слой резиста. Такая структура дает возможность достичь нормального изображения в тонком слое резиста с последующим переносом изображения в планаризационный полимерный слой

[16] (см. гл. VIII).

Для уменьшения влияния дифракционных эффектов на качество края в изображении элементов при экспонировании могут быть

использованы несколько полос линейчатого спектра или некоторый диапазон длин волн сплошного спектра источника, при этом на­ложение различных максимумов и минимумов приводит к сглажи­ванию результирующей картины. Использование этого приема так­же уменьшает эффект стоячей волны, так как узлы и пучности при различных длинах волн располагаются в разных местах в толще фоторезиста, что уменьшает неоднородность экспонирова­ния по толщине и неровность края Однако этим приемом можно пользоваться сравнительно легко в контактной фотолитографии,

Рис. I. 12. Рассчитанные границы экспозиционного профиля для линий шириной 2 мкм в слое позитивного хннондиазидного резиста толщиной 0,6 мкм (/ — расстояние от центра ли­нии).

где допустимо использование света с широким диапазоном длин волн, но трудно, а часто невозможно, — при проекционной фото­литографии, где для создания высококачественных безаберрацион - ных систем необходимо использовать свет с узким диапазоном длин волн.

Таким образом, предельное разрешение, которое может быть достигнуто в фотолитографии при оптимизации совокупной опти­ческой системы, лежит в пределах 0,4—0 6 мкм [38]; достижение этих значений возможно при использовании коротковолновой об­ласти УФ излуиетия v учета важнейших факторов, влияющих на качество результирующего изображения.