2. Электронно-лучевое экспонирование
|
|
2.1. Введение.
В традиционной фотолитографии резисты экспонируются незаряженными фотонами ультрафиолетового диапазона. Из теории дифракции и практической микроскопии известно, что разрешение ограниченно длинной волны используемого излучения. При использовании некоторых видов излучения высокой энергии шаблоны могут не применятся, что ведет, с одной стороны, к снятию ограничения по разрешению, с другой к снижению производительности процесса экспонирования и росту производственных затрат.
(Рисунок в архиве) Рис. 11. Наименьшая воспроизводимая ширина линии : I - дифракционный предел (зазор 10 мкм); II - дифракционный предел (NA объектива равна 0.4); III - дифракционный предел (зазор 1 мкм); IV и V - предел рассеяния фотоэлектронов, теоретические значения и данные эксперимента соответственно; VI - предел, определяемый обратным рассеянием электронов.
Для волны экспонирующего излучения высокой энергии измеряется сейчас не нанометрами, а ангстремами. Резистом может служить любой полимер либо неорганический пленкообразующий. Возможна даже безрезистивная литография, поскольку неорганические пленки могут быть подвергнуты травлению, испарению или превращен в полупроводники посредствам ионной имплантации. Энергии достаточно как для возбуждения атомов, так и для перестройки любых химических связей. Литографические процессы, применяющие излучения в диапазоне длин волн короче 100 нм, называется радиолитографией. Цена, за которую приходится платить за все достоинства радиолитографии - низкая производительность и соответственно высокая стоимость экспонирования. Радиационное экспонирование применяется в том случае, если характеристики систем оптической литографии не удовлетворяют требованием по точности совмещения и глубины фокуса.
Пространственное разрешение процесса экспонирования ограничивается длиной волны падающего или обратно рассеянного излучения (рис. 11), поэтому излучение высокой энергии с длиной волны порядка атомных размеров способно обеспечить разрешение до 5 нм. Однако на практике предел разрешения составляет около 50 нм. Если ослабить или совсем устранить обратное рассеяние, используя кремниевые мембран вместо толстых пластин, то можно будет изготовить приборы нанометровых размеров.
Литография высоких энергий делится на :
1) проекционную (рентгеновская, ионная, электронная);
2) сканирующую (электронная, ионная).
При экспонировании через шаблон излучение высокой энергии проецируется в большинстве случаев на поле размером в один кристалл. Несколько кристаллов можно экспонировать рентгеновским излучением или электронным пучком некоторых фотокатодных устройств, но только при размере элемента больше 2 мкм. Шаблоны изготавливаются из тяжелых металлов на полупрозрачных органических или неорганических мембранах. Кроме того, сам шаблон может служить источником энергии, как, например, фотокатод из TiO2, который при возбуждении УФ-излучением испускает электроны с энергией 10 кэВ.
Таблица 2. Стимулы развития литографических установок экспонирования разных типов
Фотолитография |
Высокоэнергетичная литография |
|
Хорошо изученные принципы Простые шаблоны Берет начало от фотографии Умеренная стоимость Стойкие резисты Отсутствие радиационных повре-ждений Хорошая производительность |
Гибкость настройки Нанометровое разрешение Автоматизированный контроль Нанометровая точность совмеще-ния Более широкий выбор резистов Незаменима при изготовлении фотошаблонов |
С помощью ЭЛ литографии создаются шаблоны для всех остальных видов литографии (с УФ, рентгеновским и ионным экспонированием). Не посредственное ЭЛ экспонирование пластин будет дополнять оптическую литографию и в будущем станет доминирующим в субмикронной технологии.
В настоящее время существует здоровое соперничество систем пошаговой проекционной и контактной УФ печати, но, возможно, в ближайшем будущем на рынке появится установки электронно-лучевого и рентгеновского экспонирования. Минимальный размер элементов изображения зависит от формы сечения входного пучка , его энергии и от области простирания обратно рассеянного излучения.
2.2. Характеристики электронно-лучевых установок.
Разрешение зависит, в частности, от распределения интенсивности на краю луча еще до того, как он поглотится в резисте. Используются два типа пучков: гауссов пучок круглого сечения и пучок с квадратным или прямоугольным сечением. Для гауссова пучка пространственное разрешение d принимается равным ширине распределения интенсивности на полувысоте. Удовлетворительная точность передачи изображения получается, если величина d не превосходит по крайне мере 1/5 минимальной ширины линии. Таким образом, необходимо провести гораздо больше элементарных актов экспонирования, чем при использовании пучка квадратного сечения. Для такого пучка минимальная ширина линии рисунка равна размеру квадратного пятна. Для достижения одинакового разрешения ширина линии краевого спада распределения интенсивности (от 90 до 10%-ного уровня)должна быть равна полуширине гауссова луча. Ширина краевого спада квадратного 1,5 мкм луча составляет примерно 0.2 мкм.
Разрешение r должно превышать толщину резиста t, а точность совмещения должна быть лучше 1/5 разрешения. Для электронных пучков было достигнуто совмещение ±0.1 мкм. В диапазоне энергий экспонирования 10-30 кэВ основным фактором, ограничивающим разрешение, является обратное рассеяние электронов от подложки. Использование гауссовых пучков или недостаточное перекрывание пятен может быть причиной появления неровностей на краю и размытости рисунка. С другой стороны, отсутствие обратного рассеяния от соседних экспонируемых элементов приводит к недоэкспонированию субмикронных изолированных линий. Узкие (<1 мкм) линии плохо экспонируются обратнорассеянными электронами по сравнению с широкими, поэтому для их качественного экспонирования требуется 2-3-кратное увеличение дозы или большее время проявления.
Близко расположенные элементы получают избыточную дозу из-за обратного рассеяния от соседних элементов (взаимный эффект близости), что вызывает сужение неэкспонированных участков. Если берется более тонкая кремниевая пластина для ослабления обратного рассеяния, то взаимный эффект близости практически не наблюдается. Вот основные методы ослабления взаимного эффекта близости:
а) коррекция дозы и размера пятна или применение мембран, протравленных с обратной стороны;
б) использование многослойного резиста с барьерным слоем из металла и толщиной чувствительного слоя 0.1-0.2 мкм;
в) использование электронных пучков с энергией 50-100 кэВ;
г) обработка верхнего слоя резиста (толщиной 100 нм), в котором сформировано изображение, кремний- или металло-держащим мономером и последующее сухое проявление;
д) использование высококонтрастных резистов.
Рис. 12. Распределение плотности поглощенной в резисте энергии и величины, используемые в определении контраста для ЭЛ-экспонирования.
Для сравнения разрешающей способности фото- и электронно-лучевого экспонирования Стикел и Лангер предложили вместо МПФ использовать Скс -контраст краевого спада. В общем случае МПФ определяется как отношение разности максимальной и минимальной интенсивностей к их сумме. 60 %-ное значение МПФ принято считать приемлемым для литографического процесса, допускающего 25 %-ную засветку и соответствующее утоньшение после проявления областей резиста, не подлежавших экспонированию. Утоньшение резиста допускается при жидкостном травлении, но не при РИТ, в ходе которого может быть удалено до 50-% резистной пленки. 60 %-ное значение МПФ также предполагает использование фоторезиста с нелинейной характеристикой, обеспечивающей подавление нежелательной засветки:
Скс=(2/p)arctg(W/E)МПФ, (21)
где W/E - наклон спада (рис. 12) от уровня 90 до 10 %.
Рис. 13. Краевой контраст для случаев УФ- и ЭЛ-экспонирования 0.5 мкм резиста на кремниевой пластине.
Для сравнения на (рис. 13) показан зависимости краевого контраста от ширины линии в случаях экспонирования электронным лучем и УФ излучением (254 и 400 нм). Для того чтобы ширину краевого спада интенсивности, а, следовательно, и точность совмещения поддерживать на уровне четверти минимальной ширины линии, краевой контраст должен быть выше 70 % для электронно-лучевого и 83 % для оптического экспонирования.
Изображение такого же качества, какое обеспечивается при экспонировании 1 мкм лучом с постоянной или переменной формой сечения, можно получить лишь в системах экспонирования с когерентным источником ДУФ излучения (с учетом эффектов стоячих волн).
Для негативных резистов, слабо зависящих от скорости (длительности) появления, важен только краевой контраст поглощенной энергии; зависимость скорости проявления R от глубины Z, определяющая в конечном итоге профиль изображения, для позитивного резиста имеет вид:
dR/dZ=(dR/dE)(dE/dZ). (22)
Первый сомножитель правой части выражения (22) отражает взаимосвязь скорости растворения и поглощенной энергии E, а второй влияние краевого распределения E. Лишь при больших дозах, соответствующих максимальным значениям МПФ, влияние проявителя, зависящее от контраста и нелинейности резиста, мало. При умеренных же и малых дозах, проявитель существенно определяет форму профиля проявленного изображения. В случае тонкого резиста распределение поглощенной энергии можно считать однородным по глубине , но для резистных пленок толщиной более 1.5 мкм такое допущение неправомерно. В этом случае необходимо учитывать влияние процесса проявления, поскольку распределение поглощенной энергии в близи подложки определяет размеры проявленного элемента изображения. Сочетание низкоконтрастного резиста (g=1-3) и электронного пучка с крутым краевым спадом интенсивности способно при умеренных дозах обеспечить такой же профиль изображения, как и высококонтрастный резист, при условии, что осуществляется очень жесткий контроль процесса.
Рис. 14. МПФ для ЭЛ-экспонирования на тонкой и толстой подложках.
Устранение подложки (рис. 14) позволит избавиться от обратнорассеянных электронов, поскольку именно они снижают краевой контраст. С другой стороны, использование тонких резистных слоев, подобных тем, которые применяются в многослойных резистах, повышают МПФ и увеличивают разрешение ЭЛ систем. Применение многослойных резистов наиболее приемлемый способ ослабления эффектов близости и повышения разрешения.
Другие технологические параметры ЭЛ-экспонирования, такие, как энергия экспонирования (кэВ), толщина резиста, температура сушки и тип проявителя, могут влиять на разрешающую способность и чувствительность позитивного резиста. В зависимости от дозы профиль стенок формируемого изображения может быть пологим или крутым. При больших дозах форма профиля изображения определяется пространственным распределением поглощенной дозы, тогда как при малых дозах формируется более пологий профиль, что обусловлено степенью активности проявителя в экспонированных и неэкспонированных областях.
2.3. Поглощение излучения высоких энергий.
Поглощение излучения высоких энергий происходит в результате взаимодействия падающих лучей с электронами в атомах резиста или при столкновениях ядер в случае ионно-лучевого экспонирования. Электроны и рентгеновское излучение теряют энергию под действием фотоэффекта путем возбуждения атомных электронов. Электроны выбиваются из молекул резиста с кинетической энергией Е:
E=hn-Q (23)
где Q- энергия связи электрона на его орбитали. Энергия кванта ионизирующего излучения hn обычно превышает Q.
Электрон выбивается с орбитали с образованием положительного иона:
АВ®АВ++е (24)
При поглощении электронных пучков потери энергии электронов на торможение в твердом теле описываются соотношением Бете, полученным в приближении непрерывных потерь:
-dЕ/dS=7.9*104Z/E*ln(2E/j) [кэВ/см] (25),
где Z- средний атомный номер, j- средний потенциал ионизации и S- длина пробега электрона, которая для обратно рассеянных электронов с энергией > 1 кэВ может иметь величину порядка несколько микрометров. Поскольку больная часть падающих электронов остается в подложке, то чувствительность резиста и форма профиля изображения зависят от материала подложки.
2.4. Производительность систем ЭЛ экспонирования.
Наряду с высоким разрешением достигнута приемлемая производитель-ность систем ЭЛ экспонирования. Важнейшие факторы, определяющие ее, приведены в табл 2. Стоимость ЭЛ экспонирования одной пластины по сравнению с оптическими оказывается примерно на порядок выше, что, однако, оправдывается возможностью перенастройки (поскольку не требуются фото шаблоны) и в тех случаях, когда для изготовления кристалла ИС необходимо многократное экспонирование.
Таблица 2. Факторы, определяющие производи-
тельность ЭЛ-экспонирования.
Сечение луча (круглое, квадратное, переменной формы) |
| Плотность тока луча и его диаметр |
| Чувствительность резиста |
| Коррекция эффектов близости (доза, размер пятен) |
| Ожидание (перемещение и совмещение) |
| Размер кристалла и пластины |
| Плотность топологии |
| Тип сканирования (растровая либо векторная) |
| Нижний предел дозы, определяемый шумами (статический предел дозы) |
Из-за аберраций и электрон-электронных взаимодействий, ток луча приходится понижать при экспонировании наименьших пятен (рис. 15), что ведет к увеличению времени экспонирования изображений с субмикронными элементами.
Время экспонирования t определяется выражением:
t=D/I[A/cm2], (23)
где доза D, требующаяся для экспонирования, находится в пределах от 1 мКл/см2 до 1 мкКл/см2.
Рис. 15. Зависимость между током электронного пучка и его диаметром.
Время экспонирования единич-ного пятна от нескольких микро-секунд до 0.1 с типичны для систем с катодами как из вольфрама, так и гексаборида лантана (плотность тока эмиссии 0.1-50 А/см2). В автоэмиссионных катодах можно достичь плотность тока 106 А/см2, но они не достаточно стабильны. Электронно-оптические аберрации и эффекты объемного заряда не позволяют сфокусировать в пятно нанометрового размера весь ток источника (106 А/см2), вынуждая экспонировать пятна, площадь которых в 102-104 раз больше.
В пятне как 1 мкм, так и 1 нм размера поддерживается примерно одинаковая плотность тока (1-100 А/см2) и соответственно требуется приблизительно равное время экспонирования пятна.
Нанолитография сталкивается со статическими проблемами при формировании дозы в нанометровом пятне. К примеру, располагая лучем (пятном) диаметром 100 нм, для повышения производительности желательно было бы использовать более чувствительный резист, а для увеличения разрешения сделать его по возможности тонким (порядка 100 нм).
Вследствие статической природы явления электронной эмиссии минимальное число электронов Nm, необходимое для экспонирования пятна, ограничено снизу пределом допустимого дробового шума (рис. 16) и составляет примерно 200 электронов. Лимитирующая доза определяется выражением
D= Nme/(линейный размер)2 (26)
Рис. 16. Статический шумовой предел дозы ЭЛ-экспонирования, необходимой для формирования элементов нанометровых размеров.
Повышенные дозы, требуемые в нанолитографии, приводят к непомерно большому времени экспонирования, если не использовать автоэмиссионные катод либо резисты способные к усилению изображения, чувстви-тельностью около 0.01 мкКл/см2. К тому же в электронной оптике, схематехнике, в позиционирова-нии пучка и т.д. существуют фундаментальные физические ограничения на размер экспонируемой области, дозу, время облучения, рабочее поле.
Эти факторы наряду с упомянутыми выше требованиями к интенсивности пучка и его краевому спаду устанавливают производительность на уровне 1-10 пластин в час (100-150 - мм пластины) для наиболее быстродействующих ЭЛ установок с лучем переменной формы.
2.5. Радиационные резисты.
Главные задачи взаимодействия резиста с экспонирующим оборудованием состоят в обеспечении:
1) высокой чувствительности для приемлемой производительности;
2) высокого разрешения для формирования субмикронных изображений.
Кроме выполнения этих первоочередных задач, резистная маска должна иметь хорошую стойкость на этапе переноса изображения.
Снижение требуемой дозы при использовании источников излучения высокой энергии с уменьшением размера изображения (пятна или сечения пучка) приводит к дилемме статистического характера. Поскольку источник испускает частицы с высокой энергией из эмиттера случайным образом, то число электронов или других частиц, попавших на элемент изображения нанометрового размера, может оказаться недостаточным для формирования изображения. Если на 1 см2 падает 6*1011 электронов, то в пятно размером 0.1?0.1 мкм2 попадает только 60 электронов с неопределенностью дробового шума (N) в интервале ±(N)1/2 . Разрешение, согласно статистике Пуассона, есть простая функция дозы:
Предел разрешения = Доза-1/2
Чтобы достичь нанометрового разрешения, для малых элементов изображения требуется большая доза, соответствующая паспортной чувствительности резиста, но экспонирование излучением высокой энергии требует более чувствительных резистов для достижения хотя бы минимально приемлемого выхода продукции. При малых дозах (меньше 1 мкКл/см2) размер экспонированных элементов (пятен) настолько мал, что полимер не проявляется. Для изолированных линий недостает обратно рассеянных электронов, и для компенсации этого дефицита (внутреннего эффекта близости) требуется избыточная доза. Для полимерных резистов, в которых нужно экспонировать только поверхностный слой (как в случае ПММА, обрабатываемого мономером), а не всю толщу резиста, ряд ограничений, обусловленных дробовым шумом, может быть снят, поскольку образующиеся при экспонировании захваченные радикалы служат инициаторами изотропной поверхностной полимеризации.
Из трех видов экспонирования (ЭЛ, рентгеновское и ионно-лучевое) ионный пучек имеет самую высокую эффективность, поскольку большая часть его энергии (90 %) может поглотиться пленкой толщиной 1 мкм без искажений, обусловленных обратным рассеянием, которое свойственно ЭЛ-экспонированию. При электронном или рентгеновском экспонировании пленка поглощает только 1-10 % падающей дозы.
2.6. Оборудование для ЭЛ экспонирования.
К любой литографической системе предъявляются следующие принципиальные требования:
1) контроль критического размера;
2) точность совмещения;
3) эффективность затрат;
4) технологическая гибкость;
5) совместимость с другими экспонирующими системами.
Существует несколько вариантов построения сканирующих установок ЭЛ экспонирования:
1. Гауссов пучек либо пучек переменной формы.
2. Пошаговое либо непрерывное перемещение столика.
3. Источник электронов: вольфрамовая нить, эмиттер из гексаборида лантана, полевой эмиссионный катод (острие), простой либо составной источник.
4. Коррекция эффектов близости варьированием дозы, размеров экспонируемых областей либо и того и другого.
5. Ускоряющее напряжение (5-10 кэВ).
Главные элементы экспонирующей ЭЛ системы- источник электронов, системы фокусировки и бланкирования луча, устройство контроля совмещения и отклонения, электромеханический стол и компьютерный интерфейс.
1. Блок бланкирования электростатического либо электронно-магнитного типа, который “выключает” электронный луч, отклоняя его за пределы отверстия коллимирующей диафрагмы.
2. Блок отклонения- либо совмещенный с оконечной линзой, либо помешенный после нее. Блоки отклонения тоже делятся на электронно-статические и электронно-магнитные, но предпочтение, обычно, отдается последним (по причинам меньших аберраций и лучшей защищенности от влияния поверхностного заряда).
3. Блок динамической фокусировки, корректирующий аберрации, вносимые отклонением луча от оптической оси системы.
4. Система детектирования электронов, сигнализирующая об обнаружении меток совмещения и других деталей рельефа мишени.
5. Прецизионный рабочий стол с механическим приводом, обеспечивающим обработку все пластины.
6. Вакуумная система.
В растровой схеме топологический рисунок обычно делится на подобласти, каждая из которых сканируется растром, подобно телевизионному. Вдоль своего серпантинообразного пути электронный луч периодически банкируется. Круглый гауссов луч, диаметр которого составляет примерно четверть минимального размера элементов изображения, сканирует с перекрытием (рис. 17). При этом наблюдается некоторая волнистость контура элементов, обусловленная внутренним эффектом близости.
Рис. 17. Формирование отдельной линии при прекрытии гауссовых лучей.
Другой тип установок с гауссовым лучом работает в режиме векторного скани-рования. Электронный луч адресуется только в области, подлежащие экспони-рованию (рис. 18). При формировании топологических рисунков с низкой плотностью элементов, к примеру контактных окон, этот метод существенно ускоряет процесс экспонирования. В таб. 3 проведено сравнение векторной и растровой сканирующих систем экспонирования.
Таблица 3. Сравнение растровой и векторной
сканирующих систем (круглый гауссов луч).
Рис. 18. Путь луча при растровом (слева) и векторном (справа) ЭЛ-экспонировании.
Гауссовы лучи недостаточно интенсивны и требуют перекрытия 4-5 малых пятен для формирования квадрата. Использования луча с сечением фикси-рованной либо переменной прямоугольной формы повышает произво-дительность (рис. 19). Еще большая производительность может быть достигнута проецированием целых фигур в комбинированном растрово-векторном режиме (рис. 20). .
(Рисунок в архиве)Рис. 19. Экспонирующая ЭЛ-система с прямоугольным лучем переменной формы. 1 - пластины, управляющие формой луча; 2 - вторая квадратная диафрагма; 3 - полученное пятно.
Рис. 20. Символьная проекционная ЭЛ-печать. 1 - отклоняющие пластины; 2 - фокус; 3 - символьные апертурные отверстия; 4 - символьная диафрагма; 5 - полученное изображение (сечение луча).
Рис. 21. Число точек изображения, формируемых круглым гауссовым лучем (а), лучем фиксированной квадратной формы (б), лучем переменной формы (в) и проецированием фигур (г).
Для топологического рисунка малой плотности, с изреженными окнами, обычно используют позитивный ЭЛ резист, негативный же предпочтительнее, если доминируют области, подлежащие вскрытию.
Литографический прием, позволяющий избежать влияния фактора плотности элементов, состоит в контурном экспонировании фигур рисунка с последующим осаждением металла, излишки которого удаляются посредством электролиза. Эта технология образно названа “каньонной” литографией в связи с очерчиванием некоторых областей рисунка и истреблением промежутков между ними.
Производительность ЭЛ установок складывается из производительности процессов экспонирования, совмещения, перемещения и подготовки топологической информации.
Время прорисовки изображения электронным лучом T равно сумме времени экспонирования te и ожидания tw:
T= te+ tw. (27)
Время tw включает в себя время численных преобразований, передвижения столика, регулировки позиционирования и т.д. Хотя tw не всегда пренебрежимо мало, мы сосредоточимся на главным образом на рассмотрении te. Если луч с плотностью тока j за время t засвечивает одновременно площадь a, то время, необходимое для экспонирования области площадью A, равно:
te=k(S/j)(A/a), (28)
где k отношение фактически сканируемой области к А, S чувствительность резиста.
Величина k определяется характером топологии и схемой сканирования (k=1 в растровой и k=0.2-0.4 в векторной). Таким образом, для сокращения времени экспонирования необходимо увеличить плотность тока луча j либо общий ток ja. Время ожидания состоит из времени обработки данных и времени установки подобласти экспонирования и столика.
При использовании луча переменной формы основными проблемами являются формирование элементов непрямоугольной формы и коррекция эффектов близости посредством разбиения фигур на области равной дозы. Такой способ коррекции связан с проблемами управления большими объемами данных и потерей производительности.
Резистный материал может взаимодействовать с компонентами ЭЛ систем, порождая такие проблемы, как загрязнение, накопление заряда, плохое совмещение и низкий срок службы оборудования, приводящий к росту затрат времени на ремонт.
Таблица 4. Сравнение ЭЛ-систем различного типа. (Таблица в архиве)
2.7. Совмещение.
Послойное совмещение и совмещение рабочего поля в шаговых повторителях составляют часть проблемы точности совмещения топологий. Проектный допуск на точность совмещения предполагает такое размещение рисунка одного слоя приборной структуры над другим, что в приборе реализуются все его целевые характеристики. Общим для всех экспонирующих систем являются послойное совмещение и контроль ширины линии.
Метки для ЭЛ совмещения обычно изготавливаются в виде канавок или выступов в кремнии, а для повышения уровня сигнала обратнорассеянных электронов - из металлов большой атомной массы. В момент прохождения электронного луча над меткой регистрируется изменение количество обратнорассеянных электронов и размеры поля сканирования корректируются до полного совпадения с размерами кристалла. Сигнал совмещения сильно зависит от характеристик подложки, энергии электронного луча, композиции резиста и рельефа резистного покрытия над меткой.
В качестве детекторов могут использоваться микроканальные умножители, сцинцилляторы или диффузионные диоды; важно удовлетворить следующим требованиям:
1) чувствительность и точное позиционирование;
2) рассеяние и вобуляция луча должны быть меньше, чем размеры метки совмещения;
3) согласование размера и формы меток с толщиной резиста;
4) применение корректора данных с высоким отношением сигнал/ шум и петлей обратной связи, позволяющего менять поле сканирования для точного совмещения с кристаллом.
2.8. Эффекты близости.
Эффекты близости - основная проблема ЭЛ литографии. При энергии луча 25 кэВ и диаметре 1 мкм полуширина области обратного рассеивания электронов составляет 5 мкм, а при энергии 50 кэВ достигает 15 мкм. Длина пробега в обратном рассеянии пропорциональна Е1.7, где Е- энергия электронов падающего луча. Эффекты близости приводят к нежелательному экспонированию областей, в которые луч непосредственно не направлялся. В зависимости от отсутствия или наличия ближайших “соседей” наблюдается соответственно внутренний или взаимный эффект близости. Внутренний эффект близости, обусловленный обратным рассеянием электронов за пределы непосредственно экспонируемой области, приводит к тому, что уединенные мелкие элементы топологии приходится экспонировать с дозой Q, заметно большей Q0, необходимой для больших фигур.
Если экспонировать линии шириной 0.5 мкм и 2 мкм в одинаковых условиях, то первая из них проявится лишь частично, что невозможно исправить даже ценой перепроявления второй линии. Линия шириной 0.5 мкм требует примерно вдвое большей дозы, чем 2 мкм линия, если необходимо соблюсти одинаковую величину ухода размеров элементов и степень утоньшения неэкспонированных областей резиста. Внутренний эффект близости обусловлен снижением вклада в экспозицию обратно рассеянных из глубины подложки электронов и меньшим поглощением резистом энергии впередрассеянных электронов, поскольку их энергия еще велика. Если энергия электронного пучка мала (1-10 кэВ), то экспонирование ведется преимущественно вперед рассеянными электронами и размытие изображения минимально, но при высоких энергиях доминирует экспонирование обратнорассеянными электронами.
Если подложка изготовлена не из кремния или на кремний нанесены пленки тяжелых металлов, например, золота или вольфрама, то экспозиция окрестности пятна увеличивается. Это объясняется большим коэффициентом обратного рассеяния электронов, присущим подложкам с большей атомной массой. Соответственно, увеличивается доза, полученная резистом (кажущееся увеличение чувствительности), и частично компенсируется внутренний эффект близости. В резисте при дозе, вдвое большей нормальной используя эффекты обратного рассеяния, можно получить профили с отрицательным наклоном, пригодные для взрывной литографии.
Для компенсации внутреннего эффекта близости должна быть задана избыточная доза (и, следовательно, большее время экспонирования). Чем толще резист, тем больше доза, необходимая для уменьшения ухода размеров (возникающего при попытке скомпенсировать недоэкспонирование перепроявлением). Чем тоньше резист, ем слабее внутренний эффект близости, что наблюдается, например, в многослойных резистах.
Другой вид эффекта близости - взаимный - заключается в экспонировании ближайшими соседями друг друга и пространства между ними. Неэкспонированные области между линиями засвечиваются обратнорассеянными электронами. Взаимный эффект близости вызывает утоньшение непосредственно неэкспонированных областей позитивных резистов. В негативных резистах неэкспонированные области заполняются остатками резиста.
Особенности ЭЛ-экспонирования электронами высокой энергии (50-100 кэВ) обусловлены главным образом боковым размытием распределения обратнорассеянных электронов на границе раздела резиста и кремниевой подложки. В частности, это приводит к тому, что не подлежащий экспонированию малый островок внутри большой экспонируемой области все равно подвергается сильному фоновому экспонированию обратнорассеянными электронами из окружающей области. Фоновое экспонирование приводит к утоньшению резистной пленки в этих островках и в конечном итоге к их исчезновению (вымыванию). Отношение величины фоновой экспозиции в неэкспонированном острове выражается как hе/(he+1) в соответствии с принципом взаимности, введенным Чангом. Здесь he - отношение вкладов обратно- и впередрассеянных электронов в энергию, поглощенную резистом. При he=1 значение hе/(he+1) составляет 0.5, т.е. величина энергии, поглощенной в малых неэкспонированных областях, вдвое меньше, чем в больших экспонированных. Величина hе/(he+1) зависит от ускоряющего напряжения, поскольку от него зависит he, однако эта связь еще недостаточно хорошо исследована.
Существенное ослабление влияния эффектов обратного рассеивания особенно в нанометровой литографии в случае применения как позитивных, так и негативных резистов может быть достигнуто при использовании в качестве подложки мембраны в 5-10 раз более тонкой, чем наименьший размер элементов формируемого изображения. Коррекция эффектов близости, которая сводится к разбиению фигур рисунка на части, со своей дозой в каждой, либо к изменению размеров элементов рисунка, для некоторых топологий может быть формализована.
Рис. 22. Влияние толщины резиста на величину взаимного эффекта близости в периодической структуре из линий и промежутков шириной 1.0 мкм (кремниевая подложка, позитивный резист, энергия пучка 25 кэВ).
Поскольку проявление эффекта близости возрастает почти прямо пропорционально с толщиной резиста как однослойного, так и многослойного (рис. 22), то уменьшение толщины ослабляет эффект близости. Многослойные резисты - практическое решение проблемы эффекта близости.
2.9. Радиационные повреждения приборов.
Пучки электронов , рентгеновское излучение и ионы высокой энер-гии проникают в активные области кремниевых приборов на глу-бину 5-10 мкм.
Нарушение работы МОП прибо-ров обусловлено генерацией элект-ронно-дырочных пар, поверхностных состояний на границе раздела Si-SiO2 и дополнительными нейтральными ловушками в окисле.
Если положительный заряд оксида и поверхностные состояния на границе раздела Si-SiO2 можно ликвидировать отжигом при температуре от 300 до 450 0С, то от радиционно-индуцированных нейтральных ловушек избавиться таким способом нельзя.
Поскольку степень радиционных повреждений пропорциональна поглощенной дозе, то использование резистов большей чувствительности и пучков низкой энергии (< 10 кэВ) позволило бы ее снизить. Применение позитивного ЭЛ резиста и удаление металла посредством травления ( а не взрывным способом) на этапе формирования металлизации будет ослаблять прямое облучение критических областей прибора.
Другой проблемой ЭЛ- экспонирования (особенно с кварцевым шаблоном) является нагрев резиста, вызывающий искажение изображения, газовыделение из резиста, загрязняющее катод из LaB6, и появление пузырьков в резисте над метками совмещения, искажающих сигнал совмещения. Степень ЭЛ-нагрева кремниевых и стеклянных подложек зависит от мгновенной мощности пучка, теплопроводности резиста и подложки. Для снижения дозы и уменьшения нагрева нужны чувствительные (1 мкКл/см2) резисты. Нагрев способных к деструкции резистов, таких, как полисульфоны и полиальдегид, может вызвать повышение чувствительности, но всегда с риском появления искажений на углах рисунка и периодических структурах (линия+промежуток) с шагом менее 2 мкм.
2.10. Перспективы.
При изготовлении малых партий (большой номенклатуры) заказных логических схем из базового кристалла прямое рисование электронным лучем экономичнее, чем фотопечать через шаблон. Благодаря высокой разрешающей способности ЭЛ-литография будет и дальше использоваться при изготовлении шаблонов для световых, рентгеновских и ионных пучков. Кроме того, точность совмещения на каждом кристалле при ЭЛ-экспонировании составляет ±0.1 мкм, что является решающим преимуществом перед всеми остальными видами экспонирования.
