12_Литография (конспект лекций за второй семестр преподаватель Ляхова)

1.2. Методы получения рисунка

Определенная конфигурация может создаваться

- одновременно с нанесением материала (безмасочная),

- раздельно: сначала наносится слой материала, затем он покрывается резистом и селективно травится (масочная).

Масочная литография.

Масочная литография формирует защитный слой перед травлением.

Маска может наноситься

- на защищаемый слой,

- на подложку под наносимый слой (в результате вместе с маской удаляется ненужный материал).

Полимер маски под внешним воздействием может

- разрушаться в случае позитивного резиста или

- полимеризоваться в случае негативного резиста.

Рис. Позитивный и негативный резисты.

Фотошаблон для позитивного резиста повторяет требуемый рисунок, а для негативного – требует зеркального отображения.

Внешним воздействием на полимер маски может служить рассеянное оптическое излучение. Это групповой и потому производительный метод формирования рисунка. Рисунок защитного слоя с помощью контактного фотошаблона или проекционным способом.

Контактный фотошаблон оптимален для больших обрабатываемых поверхностей. Для повышения разрешающей способности и точности, уменьшения влияния дефектов изображения предварительно изготавливают фотооригинал в увеличенном масштабе в 10 ..30 раз.

Минимальный размер определяется длиной волны используемого света. Длина волны видимого света 0,35 – 0,7 мкм; ультрафиолетового излучения (УФ) – 0,1 – 0,3 мкм. УФ позволяет получить с помощью контактной фотолитографии минимальный размер  l = 0,1 мкм из-за размывания границы тени от фотошаблона. 

Рис. Недостатки контактного фотошаблона.

Для нивелирования дефектов вблизи границ вместо контактного фотошаблона используют проекционную фотолитографию. Рисунок ИС с маски проецируется на поверхность защитного покрытия, предотвращая воздействие оптического излучения на полимер. Маска может быть увеличенного размера, что уменьшает дефекты изготовления маски. Из-за аберрации изображения линзой возможно изготовления ИС небольшого размера.

Рис. Схема формирования проекционного изображения.

Иммерсионная литография — это технология, которая используется для улучшения проекционной литографии. Идея иммерсионной литографии заключается в том, что между маской-шаблоном и кремниевой подложкой используется дополнительная среда — жидкость. Скорость распространения света в веществе всегда меньше скорости распространения света в вакууме и зависит от коэффициента преломления этого вещества. Т.е. свет, проходящий через материал с высоким коэффициентом преломления, имеет меньшую длину волны (эффективная длина волны уменьшается в n раз, где n — коэффициент преломления среды), поэтому он может быть сфокусирован более точно.

Методика иммерсионной литографии подразумевает погружение кремниевых пластин в очищенную воду. Применение воды в этом процессе объясняется тем, что она имеет более высокий коэффициент преломления, чем воздух, что, в свою очередь, позволяет добиться увеличения разрешающей способности литографии без изменения длины волны источника излучения.

Установка NEMO: оптика и жидкость имеют коэффициент преломления порядка 1,6; а коэффициент преломления фоторезиста составляет 1,7. В установке NEMO лазерный луч разделяется на два, а затем эти лучи перекрещиваются, создавая интерференционную картину, или интерферограмму, позволяющую при помощи стандартного процесса иммерсионной литографии добиться более близкого расположения соседних линий на пластине. до 29,9 нм, разделенные одинаковыми пробелами. Это позволяет реализовать 32-нанометровая технологию.

Рис. Схема иммерсионной литографии.

.

Для создания периодически повторяемых изображений используется интерференционная литография.

Рис. Схема формирования интерференционной картины с периодически повторяемыми элементами.

Поверхность подложки (Wafer) покрывается резистом (Resist), который не защищается маской с рисунком, а экспонируется фрагментом луча лазера. Фрагментированные лучи направляются на подложку помощью пространственно – лучевого модулятора (ПЛМ) (spatial-light modulator). Луч лазера рассеивается коллиматорной линзой (collimating lens) и подается на ПЛМ. ПЛМ представляет собой матрицу управляемых микрозеркал. Именно они фрагментируют расширенный луч лазера. Каждое из микрозеркал с помощью привода (электростатического, термоэлектрического, термического на материале с памятью формы) направляют фрагментированный луч на определенную точку поверхности подложки для ее экспонирования или в сторону поглощающего экрана.

Рис. Структура установки проекционной оптической литографии.

Масками могут служить резисты - материалы, сопротивляющиеся воздействию активной среды или энергии. В нанотехнологии используются нанообъекты.

Наносферная литография использует в качестве маски плотно уложенные молекулы сферической формы. Напыляемый материал достигает основания только в промежутках между сферами. Таким образом могут реализовываться квантовые точки. В качестве молекулярной маски возможно использование ферритина или нанотрубок.

Рис. Использование нанотрубки в качестве маски для формирования узкого зазора.

Матрицу квантовых точек можно получить литографией с использованием маски из упорядоченных наночастиц - наносфер (например, природного или искусственного опала). Капля суспензии наночастиц наносится на поверхность подложки, медленно высушивается с тем, чтобы мигрирующие частицы успели упорядочиться. Напыляемое вещество достигает поверхность подложки лишь в промежутках между сферами, образовывая квантовые точки после удаления наносфер.

Рис. Технология формирования матрицы квантовых точек с помощью маски из наносфер.

Формирование маски с помощью упорядоченного блока сополимеров.

При обычной литографии облученные ультрафиолетом участки фоторезиста вытравливаются. При нанесении рисунка методом самосборки двублочный сополимер нагревается, и его составляющие разделяются и образуют строгий узор. Потом плексиглас удаляется травлением. Полученная структура переносится на двуокись кремния, а затем отверстия заполняются нанокристаллическим кремнием (на рис. не показано).

двублочный сополимер, в котором два полимера - полистирол и полиметилметакрилат (плексиглас) соединены химическими связями. При нанесении на вращающуюся кремниевую подложку они сегрегируют, словно масло и вода, но связи между ними сохраняются. Последующая тепловая обработка усиливает этот процесс, и в результате образуются маленькие цилиндры из плексигласа, окруженные со всех сторон полистиролом. Таким образом, двублочный сополимер сам по себе формирует готовый сотообразный шаблон.

Рис. Виды полимеров и сополимеров.

Рис. Термическое упорядочивание блок сополимеров.

Рис. Сравнение обычной литографии с методом, используемым упорядоченный блок сополимеров.

Рис. Формирование матрицы квантовых наноточек с помощью блок сополимеров.

Безмасочное нанесение

«На след луча» Без маски вещество можно наносить или удалять с помощью остро сфокусированного энергетического воздействия. Под воздействием лазерного излучения происходит разложение газообразных элементоорганических соединений, содержащих в своем составе требуемого вещество. Это могут быть металлы, полупроводники, диэлектрики. Они выделяются из соединений как твердая фаза и осаждаются на подложку только в месте прохождения луча. Оставшаяся часть соединения по-прежнему находится в газообразном состоянии и уносится потоком.

Похожий процесс происходит под действием сфокусированного пучка электронов, ионов, нейтральных частиц, рентгеновского излучения. В результате имеет место преобразование заранее осажденного упорядоченного слоя фуллеренов (фуллерита) в аморфный углерод.

Электронная и ионная литография. Рассеяние электронов в резисте и в ИС.

l может достигать 0,5 мкм.

Электронный пучок с малой энергией Е = 5 – 10 кэВ трудно сфокусировать. При E > 100 кэВ растет рассеяние. Дополнительные жидкости иммерсионной литографии создают массу технологических проблем (например, токсичность, способность вступать в химические реакции с кремнием, дороговизна и т.д.), поэтому все чаще обращают внимание на такие технологии, как электронно-лучевая литография с разрешающей способностью - 22 нм. Поскольку это не групповая технология она долгое время применялась при изготовлении фотошоблонов на основе металлических пленок на стекле, а также формирование рисунка на поверхности резиста без шаблона.

Рис. Схема позиционирования установки электронно – лучевой обработки.

Ионно - лучевая литография обеспечивает предельно высокое разрешение (до 0.01 мкм (10 нм)). При этом приходится решать ряд специфических проблем: ионная оптика, управление пучком ионов или создание маски для пучка ионов, получение устойчивых моноэнергетических пучков ионов достаточной интенсивности.

Капельное нанесение. Дозированные порции вещества определенной вязкости можно наносить в соответствии с принципами струйного принтера (фирма Epson). Использующие прямой пьезоэффект камеры, сжимаясь, выдавливают нано- порцию чернил. В камере образуется вакуум, способствующий ее заполнению новой порцией чернил. Принцип пьезонасоса используется для инжекции жидкости, например, чернил (Ink) для струйной печати высокого разрешения. Под действием пьезопривода (Piezo actuator), укрепленного на мембране (Membrane, Diaphragm) камеры, по капле (Droplet) выдавливаются чернила. Понижение давления в камере способствует затягиванию чернил из источника (Ink suply). Метод управления пьезоприводами позволяет формирование матрицы инжекторов для ускорения технологического процесса.

Рис.. Схема инжекторного устройства.