1_1_Литографические методы в нанотехнологии (1063177), страница 3

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 3)

При поглощении "полезного" или, как его называют, актиничного излучения молекулой НХД идет следующая реакция (рис.12):

На первой стадии молекула НХД поглощает квант актиничного излучения, что ведет к отщеплению от нее молекулы азота и образованию неустойчивого радикала (стадия II). При комнатной температуре радикал (II) практически мгновенно превращается в инденкарбен (стадия III). Далее инденкарбен взаимодействует с имеющимися в слое фоторезиста молекулами воды, в результате чего образуется инденкрбоновая кислота (IV). Для получения при проявлении легкорастворимых солей инденкрбоновой кислоты приходится применять щелочные растворители, причем в них должна растворяться и полимерная составляющая фоторезиста.

Таким образом, энергия излучения в диапазоне 350-430 нм разрушает ингибитор. Возникающие в результате побочные продукты реакции и увеличивают скорость растворения фоторезиста при его проявлении в щелочном до 100-200 нм/с.

С учетом этого процесс формирования изображения в фоторезисте целесообразно разделить на два этапа: экспонирование и проявление.

Экспонирование - это оптический процесс, который вызывает в фоторезисте необратимые химические видоизменения, в частности, для позитивного резиста - разрушение светочувствительной составляющей (ингибитора)

Проявление - это процесс поверхностного растворения, при котором происходит удаление фоторезиста со скоростью, зависящей от степени разрушения ингибитора.

Связь между процессами экспонирования и проявления определяется распределением ингибитора, оставшегося неэкспонированным, а также степенью деструкции экспонированных молекул ингибитора.

Негативные фоторезисты

Негативные фоторезисты изготавливаются на основе поливинилциннамата или на основе каучуков. Поливинилциннамат (ПВЦ) представляет собой сложный эфир циннамоильной кислоты и поливинилового спирта и имеет общую формулу , где - фоточувствительная циннамоильная группа, - пленкообразующая часть поливинилового спирта, О - соединяющий их атом кислорода (рис. 13).

При поглощении квантов облучения наиболее слабые в светочувствительных частях молекул связи СН=СН разрываются. За счет освободившихся связей происходит поперечное сшивание молекул в химически стойкую трехмерную сетку.

Негативные фоторезисты на основе каучуков представляют собой механическую смесь светочувствительной составляющей и раствора полимера.

Используемые для фоторезистов каучуки - изопреновый, циклокаучук и др. - сами обладают некоторой светочувствительностью, недостаточной, однако, для целей фотолитографии. Поэтому к ним добавляют светочувствительную составляющую на основе диазосоединений, чаще всего - бис-азиды. Под действием излучения происходит разложение азидов на азот и нитрен. Нитрен, пребывающий в возбужденном состоянии, вступает в химическое взаимодействие с каучуком. В результате происходит структурирование полимера - сшивание линейных полимеров каучука образующимися свободными радикалами в прочную трехмерную сетку.

Заметим, что спектр поглощения фоторезистов на основе ПВЦ сдвинут в область более коротких длин волн по сравнению с НХД. Поэтому для согласования ПВЦ с применяющимися источниками УФ излучения приходится добавлять в него специальные вещества - сенсибилизаторы.

Системы экспонирования

Как показано в предыдущем разделе, для получения в резисте микрорельефа с заданной шириной и наклоном краев профиля необходимо, прежде всего, сформировать оптическое пространственное микроизображение, затем передать его в резист и далее превратить в микрорельеф.

Излучение, экспонирующее резист, называется актиничным. Оно является своеобразным инструментом, который формирует микрорельефы, сопоставимые по размерам с длиной волны самого излучения. Поэтому постоянным стремлением разработчиков систем микролитографии является уменьшение длины волны используемого излучения.

К настоящему времени разработаны различные варианты микролитографии: фотолитография, рентгенолитография, электронолитография, ионолитография. В каждом из этих процессов используются соответствующие источники актиничного излучения и резисты.

В фотолитографии применяется ультрафиолетовое излучение (ультрафиолет, УФ, UV) — электромагнитное излучение, занимающее диапазон между видимым и рентгеновским излучением.

Этот диапазон имеет несколько градаций длин волн (обозначения диапазонов в скобках соответствуют обозначениям, принятым в англоязычной технической литературы; они приведены для того, чтобы читатель мог свободно ориентироваться в ней):

 ближний УФ (Near UV — NUV): 435…330 нм;

 средний УФ (Mid UV — MUV): 330…280 нм;

 дальний или вакуумный УФ (Deep UV — DUV): 100…200 нм;

 экстремальный УФ (Extreme UV — EUV): 5…100 нм.

Традиционные источники ближнего УФ — ртутные лампы высокого давления. Характерными линиями спектра таких ламп являются: g-линия (длина волны 435 нм), h-линия (405 нм), i-линия (365 нм).

Источниками дальнего УФ являются эксимерные лазеры. В зависимости от состава рабочей смеси они имеют следующие длины волн: KrF — 248 нм, ArF — 193 нм, F₂ — 157 нм. Ультрафиолетовое излучение со столь малой длиной волны сильно поглощается как воздухом, так и стеклом, поэтому оптические элементы таких источников делают из кварца или фтористого кальция CaF₂.

Экстремальный УФ близок к мягкому рентгеновскому излучению. Его основным источником является инициированная мощным лазером плазма.

Рентгенолитография основана на применении рентгеновского излучения с длиной волны 1...5 нм, получаемого при воздействии электронным лучом на вращающуюся мишень. Оно также может быть получено из плазменных источников или на выходе накопительных колец синхротронов.

В электронолитографии используются сфокусированные потоки электронов или ионов с длиной волны 10^–3...10^–5 нм. Источники — электронные или ионные оптические системы — должны обеспечивать рабочее напряжение в диапазоне 25...100 кэВ.

Ионолитография обладает свойствами сканирующей электронолитографии, но эффект обратного рассеяния здесь выражен значительно слабее.

Среди перечисленных видов микролитографии доминирующее положение занимает фотолитография. Она является основным методом промышленного производства микроструктур с размерами элементов в диапазоне от десятков микрометров (печатные платы) до десятков нанометров (твердотельные интегральные микросхемы). Поэтому основное внимание при последующем рассмотрении будет уделено именно этому виду микролитографии.

По способу передачи изображения шаблона на поверхность фоторезиста можно выделить контактное и проекционное экспонирование (рис. 14).

Контактное экспонирование выполняется при прижиме фотошаблона к плоской заготовке — пластине. При этом необходимо учитывать, что в разных областях рабочего поля между ними остаются микрозазоры. В зависимости от силы прижима они составляют от 0,2 мкм при жестком контакте до 15 мкм при мягком контакте и до 25 мкм при экспонировании с гарантированным микрозазором.

Наличие остаточного микрозазора ведет к дифракционным явлениям, которые размывают изображение. В результате номинальный прямоугольный профиль распределения интенсивности на объект (шаблоне) I_o превращается в сложный, трудно прогнозируемый профиль изображения I_i на поверхности фоторезиста (рис. 14, а).

В распределении интенсивности можно выделить некоторые характерные точки, такие как точка А — максимум интенсивности в затененном участке, точка В — наименее освещенная точка светлого поля, и точка С, отвечающая краю геометрической тени. При завышенном времени экспонирования экспозиция в характерной точке А может оказаться достаточной для полного удаления фоторезиста в этой зоне при проявлении. В этом случае в области тени, там, где требуется сохранить маскирующую пленку фоторезиста, появятся сквозные полосы обнаженной подложки (двойной край).

При заниженном времени экспонирования экспозиция в точке В может оказаться недостаточной и в освещенной области изображения сохранятся валики не удаленного при проявлении фоторезиста.

Проекционное экспонирование исключает контакт фотошаблона с пластиной, так как они находятся на значительном расстоянии друг от друга, а изображение проецируется в плоскость фоторезиста оптическим объективом. Однако оптические явления, прежде всего дифракционные, искажают профиль распределения интенсивности изображения (рис. 14, б).

Соотношения значений интенсивности в центре освещенного участка I_max и в затененной области I_min определяют контраст изображения. Как и в контактной фотолитографии, по этому параметру оценивают возможность получения рельефа с требуемым наклоном края профиля.

Для оценки разрешения проекционной фотолитографии необходимо учитывать параметры оптической системы, с помощью которой формируется микроизображение. Важнейшим из них является числовая апертура А (рис. 15), определяемая выражением

(1)

где n — коэффициент преломления среды;  — половина угла при вершине конуса лучей, попадающих в точку изображения на оптической оси.

Разрешающая способность оптической системы обычно определяется расстоянием W между двумя соседними точками изображения, при котором максимум дифракционной картины одной точки совпадает с минимумом дифракционной картины другой точки (критерий Рэлея). В этом случае

(2)

где  — длина волны экспонирующего излучения; A — числовая апертура проекционного объектива.

Рис. 15. Проекционное экспонирование:

а — оптическая схема; б — к определению разрешающей способности

Критерий Рэлея обеспечивает различимость двух соседних точек при визуальном наблюдении изображения с помощью микроскопа. При этом освещенность в зоне между точками ослабляется на величину  = 22,15 % по сравнению с максимумами интенсивности. При использовании высокочувствительных фотоэлементов можно различить изображения точек, расположенных вблизи абсолютного предела разрешения, когда ослабление освещенности между ними составляет 2…3 %. В этом случае значение W рассчитывают по формуле

(3)

При регистрации изображения на светочувствительных слоях (фотоэмульсии, фоторезисте) предельное разрешение будет зависеть также от свойств этих материалов и способа их фотохимической обработки. При этом, как правило, нельзя реализовать предельное разрешение объектива и результаты получаются хуже, чем при визуальной оценке. Поэтому в микролитографии обычно используют эмпирическую зависимость

(4)

где k = 0,6 — для лабораторных условий; k = 0,8 — для производственных условий.

Глубина резкости Z определяет возможное отклонение плоскости
резкого изображения от идеальной плоскости изображения оптической системы и также является ее важным параметром.

Характеристики

Список файлов лекций