Впервые возможности получения структур с большим числом элементов с помощью рентгеновского излучения продемонстриро­вали в 1972 г. Спирс и Смит [54], которые высказали предположе­
ние, что этот метод может быть с высокой производительностью использован для получения полупроводниковых микросхем [55].

Рентгеновская литография — технология будущего. Для нее можно использовать квазиточечный источник мягкого (0,25—

3,0 кэВ) рентгеновского излучения. Наиболее важ - ные части экспозиционно­го устройства, работаю­щего с рентгеновским из­лучением, приведены на рис. 1.21. Рентгеновское излучение возникает при бомбардировке плоскости источника ускоренными электронами в вакууме, после чего проходит че­рез тонкое (25—30 мкм) бериллиевое окно. Для бомбардировки источни­ка используются элек-

Рис. 1.21. Схема ренп еновского ли­тографа:

1 — охлаждение анодов. 2 — палла­диевый анод; 3 - электронная пуш­ка; 4 — пучок электронов; 5 — бер- риллиевое окно; 6 — кремниевая подложка; 7 — стол; 8 — маска; 9—12 — механизмы, обеспечиваю­щие движение стола по осям х, у, z и поворот s одной из плоско­стей; 13 — система охлаждения кор­пуса; 14 — система вакуумировання

троны с энергией 10—30 кэВ. Однородный поток рентгеновского излучения затем формируется маской, образованной поглощающим слоем на мембране из прозрачного материала 5—10 мкм толщиной (рис. 1.22). Маска размещена параллельно подложке на расстоя­нии 10—100 мкм от экспонируемой поверхности, на которую на-

2

SHAPE * MERGEFORMAT

Рис. 1. 22. Разрез маски для рентгеновской литографии:

/ — полиимид (2,5 мкм); 2 — золото (0,1— 1,0 мкм); 3 — полиимид (2 мкм); 4 — ни­трид бора (3—6 мкм); 5 — окно в крем­ниевой подложке (3—6 мкм); 6 — кольцо из пирекса.

несен слой рентгеновского резиста. Для уменьшения потерь излу­чения пространство между источником рентгеновского излучения и маской вакуумировано или заполнено гелием с низким дав­лением.

Для создания потока экспонирующего рентгеновского излуче­ния были испытаны синхротроны, плазма и мощные лазеры [56], но их практическое использование ограничено высокой стоимостью или недостаточной изученностью. Типичный спектр источника из

палладия, бомбардируемого электронами с энергией 20 кэВ, имеет один острый пик при 2,84 кэВ и очень малое излучение с другой энергией. Светосила источника определяется параметрами элек­тронной оптики, характеристикой анода (температурой плавления, давлением пара, модулем упругости) и эффективностью охлаждаю­щей системы.

Поскольку в настоящее время не существует оптических систем для рентгеновского излучения, необходимо конструировать экспо­зиционные устройства для переноса изображения в масштабе 1:1, Можно одновременно экспонировать всю подложку или использо­вать пошаговое экспонирование; при этом не избежать необходи­мости решения некоторых проблем, например, повышения стабиль­ности маски.

Наиболее узким местом всей системы рентгеновской литогра­фии является маска [57]. Мембрана, имеющая рисунок микро­схемы в виде слоя рентгеновского абсорбента, должна быть очень тонксй, сделанной из материала с низким атомным номером для сведения к минимуму абсорбции рентгеновского излучения, и одно­временно должна обладать достаточной механической прочностью, чтобы сохранять все элементы рисунка. В большинстве случаев мембрана натянута на твердом ровном кольце, коэффициент тер­мического расширения которого такой же, как и у кремния (см. рис. 1.22) Необходимо корректировать расстояние между маской и пластиной в зависимости от температуры, так как абсорбцион­ный материал, образующий маску, и кремниевая пластина могут иметь разные коэффициенты термического расширения [58].

В то время как при оптической литографии пропускание для прозрачной и непрозрачной областей различается на несколько порядков, для масок рентгеновской литографии достаточно отно­шение пропусканий около 10. Для достижения хорошей контраст­ности абсорбционный материал — золото — наносится слоем тол­щиной 0,1—1,0 мкм.

При современной технологии производства интегральных схем с помощью рентгеновской литографии можно создавать элементы размером 0,5—-1,0 мкм. Резистами служат хлорсодержащие поли­меры, которые, по всей видимости, являются пока наилучшими. Лучшего разрешения можно достичь при использовании более мягкого излучения (большей длины волны), чем у La палладия, поскольку в этом случае можно использовать более тонкий слой абсорбента на маске, при котором одновременно возрастает поток, экспонирующий резист. Рентгеновские маски фирм Hewlett-Packard и Bell Laboratories описаны в [59, 60].

При взаимодействии рентгеновского излучения с веществом наблюдается абсорбция в соответствии с уравнением (I. 16):

/ = 1^т°й (1.16)

где /о и / — интенсивности излучения; рт— коэффициент абсорбции; р — плот­ность; d — толщина поглощающего слоя.

Одновременно с этим возникает небольшое количество фото­электронов, которые в результате упругих и неупругих столкнове­ний инициируют химические реакции в слое резиста. Пробег фото­электронов составляет 100—200 нм и не лимитирует разрешения. На разрешение сильно влияет полутень, изображенная на рис. I. 23. Поскольку источник имеет конечный размер ds и находится от

маски на расстоянии D, край маски образует не четкую тень, а

полутеневой переход о. Из данных рис. 1.23 и уравнения (I. 16)

эту полутень можно вычислить по уравнению (I. 17):

а = ddsID (1.17)

Одновременно с этим явлением при экспонировании наблю­

дается небольшое увеличение размеров, которое определяется фак­тором А = dig®. Это увеличение может усложнить производство многослойных интегральных схем, однако в случае постоянного ри­сунка схемы при экспонировании каждого слоя оно постоянно, если при этом не наблюдается смеще­ния меток совмещения слоев.

Преимущества рентгеновской технологии состоят в высоком ка­честве образования структур (от­сутствуют дифракция и эффект близости [61]), однородном экс­понировании, позволяющем ис-

Рнс. 1.23. Геометрия экспонирования рентге­новскими лучами:

— размер источника; D — расстояние меж - ду источником н маской; d — расстояние меж - 22- ДУ маской и поверхностью резнста; о — рас­стояние пучка рентгеновских лучей; Д — от­клонение ширины лннин; 1 — маска; 2 — по[2] верхность резиста.

пользовать толстые слои резиста с высоким AR *, в возможности управления толщиной линий и нечувствительности к загрязне­ниям. Преимущества отдельных литографических систем можно рассматривать в соответствии с рядом критериев [62]: разре­шение, которое может быть получено, производительность, капи­тальные и эксплуатационные расходы, занимаемая площадь. В ряду всех известных литографических систем, дающих субмик - ронное разрешение, рентгеновская литография наиболее предпочти­тельна. При этой оценке, однако, не рассматривается ряд проблем, возникающих при изготовлении масок для рентгеновской лито­графии.

1.3.4. Ионная литография

Ускоренные ионы, например Ga3+, Ве2+, In3+, Sn2+ и др. [63, 64], при прохождении через вещество могут вызвать химические реакции подобно ускоренным электронам. Однако, поскольку рас­сеяние ионов (с энергией 1—3 МэВ) существенно меньше рассея­ния электронов, существует возможность при помощи ионной лито­графии достигать высоких степеней разрешения [65]. Фокусиро­ванный пучок ионов можно сканировать подобно потоку электро­нов, что может быть использовано для непосредственного образо­вания структур с высокой плотностью элементов в разных поли­мерных материалах, например в ПММА [63]. Разрешение опре­деляется рассеянием ионов и возникающих вторичных электронов.

ов

Рнс. 1.24. Схема ионного источника в триодном (а) н тетродном (<Г) исполнении:

1 — нонный источик (жидкий металл); 2 — экс­трактор; 3 — электростатические линзы; 4 — трй - одная область; 5 -» Ускорители.

Возможности ионной литографии интенсивно изучаются, однако к ее технологическому использованию ведет еще долгий путь. На рис. 1.24 изображены два возможных исполнения ионного источ­ника: триодное (источник, экстрактор и первый ускоритель) с че­канными электростатическими линзами (рис. 1.24, а) и тетродное (рис. 1.24,6). Разработана система проекционной ионной микро­литографии 1:60 [66]. В ней используются уменьшающие ионно­оптические системы высокого разрешения в сочетании с прецизион­ным движением (шаг-и-повторение) подложки. Поскольку дости­гается многократное уменьшение, пучки ионов, проходящие через маску, на подложке концентрируются, что при использовании орга­нического резиста дает возможность экспонировать весь кристалл (чип) за несколько миллисекунд. Кроме того, можно проводить прямое травление диэлектрика (Si02, Si3N4), полупроводника (Si, GaAs) и металлических слоев при времени экспонирования по­рядка секунды; при этом указанные слои могут быть использованы как неорганические резисты. Ионная проекционная микроли­тография, таким образом, дает возможность создания новых тех­нологических приемов [67], включающих сканирующую литогра­фию, безмасочные имплантацию и травление [63].