Радиационно-стимулированная диффузия
Радиационно-стимулированная диффузия представляет собой метод управляемого легирования полупроводников на основе комбинации процессов ионной имплантации и диффузии. Данный метод характеризуется более низкой температурой подложки по сравнению с равновесной диффузией, низким уровнем радиационных дефектов по сравнению с обычным методом ионной имплантации, размещением большей части внедренной примеси в электрически активных положениях.
Радиационно-стимулированная диффузия происходит под влиянием бомбардировки полупроводника легкими частицами (протонами, нейтронами) или ионами элементов, электрически неактивных в полупроводнике (He, Ar, Kr, N и другие). В зависимости от энергии ионов глубина слоя с радиационными дефектами может достигать несколько микрометров (при облучении ионами с энергией 10 - 100 кэВ) или составлять всего несколько моноатомных слоев (при облучении низкоэнергетическими частицами).
Принцип радиационного стимулирования процесса диффузии состоит в генерации избыточных вакансий в решетке полупроводника с последующим обменом местами между ними и примесными атомами, перемещающимися по кристаллу. В исходном состоянии примесь находится в тонком приповерхностном слое полупроводника и вводится либо методом ионной имплантации, либо методом «мелкой» диффузии. Обязательным условием радиационно-стимулированной диффузии является низкая температура процесса, так как с ростом температуры возрастает интенсивность рекомбинации радиационных дефектов, что приводит к снижению скорости диффузии. Относительное увеличение коэффициента диффузии за счет избыточных вакансий в кремнии может достигать от 3 до 5 порядков.
|
|
|
Радиационно-стимулированная диффузия представляет собой весьма гибкий метод легирования, позволяющий регулировать в широких пределах профиль распределения примеси за счет изменения глубины генерируемых дефектов (глубина зависит от энергии ионов). Процесс легирования может быть легко локализован с помощью стандартных методов маскирования, применяемых при ионном легировании примесей. Необходимо лишь учитывать возможное различие проникающих способностей ионов примеси и ионов, используемых в качестве стимуляторов.
Литографические процессы в технологии электронных средств
Фотолитография
Под фотолитографией понимают процесс образования на поверхности подложки с помощью светочувствительного химически стойкого материала маскирующего покрытия, топологический рисунок которого отображает элементы прибора или схемы, и последующего переноса рисунка на подложку. Фотолитография является основным технологическим процессом при производстве полупроводниковых приборов и интегральных микросхем.
|
|
|
Сущность процесса фотолитографии заключается в следующем. На поверхность специально обработанной подложки (например, полупроводниковой пластины) наносится слой специального материала – фоторезиста, представляющего собой сложные полимерно-мономерные светочувствительные системы, изменяющие под воздействием ультрафиолета свои свойства, в первую очередь растворимость в определенных травителях. После высыхания фоторезиста (удаления из него растворителя) на исходной подложке образуется прочная пленка. Облучение этой фоторезистивной пленки ультрафиолетом через фотошаблон с определенным рисунком приводит к избирательной засветке отдельных участков поверхности подложки. Вследствие фотохимических реакций в фоторезисте растворимость облученных участков либо повышается (для позитивных фоторезистов) или снижается (для негативных фоторезистов). После проявления в определенных реактивах получается маскирующее покрытие из химически стойкого фоторезистивного слоя.
Образующиеся в слое фоторезиста «окна» позволяют проводить ряд важнейших технологических операций: локальное травление подложки с целью удаления слоя полупроводникового материала, удаление защитных диэлектрических слоев SiO2 и Si3N4 с целью вскрытия «окон» под диффузию, а также вытравливание металлических пленок с целью создания омических контактов и токоведущих дорожек.
|
|
|
Основные технологические операции фотолитографии включают в себя обработку поверхности подложки, нанесение слоя фоторезиста, сушку, экспонирование через фотошаблон, проявление фоторезиста, задубливание с целью повышения кислотостойкости фоторезиста, перенос рисунка на подложку, удаление фоторезиста.
Целью обработки поверхности подложки (кремниевой пластины) является обеспечение максимальной адгезии фоторезиста к подложке. На адгезию сильно влияет наличие на поверхности пыли, жировых пятен, адсорбированных газов, посторонних примесей, микротрещин и других дефектов. Обработка поверхности включает в себя промывку в различных органических растворителях, кипячение в кислотах, очистку в парах растворителя, кипячение в деионизованной воде и так далее.
Нанесение фоторезиста осуществляют центрифугированием, пульверизацией, поливом, окунанием в раствор фоторезиста, накаткой и так далее. Первые два способа являются наиболее распространенными. При центрифугировании небольшое количество жидкого фоторезиста под воздействием центробежных сил растекается по поверхности пластины, образуя равномерный по толщине тонкий слой. Регулировка толщины слоя осуществляется путем изменения вязкости фоторезиста и угловой скорости вращения центрифуги.
|
|
|
Основной целью сушки нанесенного слоя фоторезиста является удаление растворителя. При этом в фоторезисте происходят сложные релаксационные процессы, уплотняющие молекулярную структуру слоя, уменьшающие внутренние напряжения и повышающие адгезию слоя к подложке. Неполное удаление растворителя из фоторезиста снижает его кислотостойкость: при экспонировании молекулы растворителя экранируют нижележащий слой и после проявления, например, позитивного фоторезиста возникают дефекты в виде нерастворенных микрообластей.
Существует несколько способов сушки фоторезиста. Конвективную сушку осуществляют в обычных термошкафах. При инфракрасной сушке удаление молекул растворителя происходит в результате разогрева фоторезистивного слоя инфракрасным излучением. Данный способ позволяет получать более гладкую поверхность фоторезистивного слоя. Вместо инфракрасного излучения часто используют СВЧ-излучение.
После сушки фоторезиста проводят его экспонирование. Здесь следует отметить, что, начиная со второй операции фотолитографии (со второго фотошаблона), необходимо строго определенным образом совмещать рисунок фотошаблона с рисунком на подложке, полученным в результате предыдущей операции фотолитографии. Это делается с помощью специальных реперных знаков, имеющихся на фотошаблоне. После каждой операции фотолитографии реперные знаки переносятся на пластину. При каждой последующей операции реперные знаки, имеющиеся на используемом в данный момент фотошаблоне, совмещаются с реперными знаками на пластине. В настоящее время используют визуальный (с помощью микроскопа) и автоматизированный фотоэлектрический способы совмещения.
Операцию экспонирования проводят для того, чтобы в фоторезисте произошли фотохимические реакции, которые изменяют исходные свойства фоторезиста. В качестве источника ультрафиолетового излучения обычно используют ртутные лампы. Очень важно обеспечить параллельность светового пучка, для чего используют конденсорные линзы.
Различают контактный и бесконтактный (проекционный) способы фотолитографии. При контактном способе фотошаблон и пластина с нанесенным фоторезистом соприкасаются. Реальная поверхность пластины не является абсолютно ровной, поэтому между ней и фотошаблоном существуют микрозазоры, толщина которых по поверхности изменяется случайным образом. Наличие зазора приводит к тому, что размеры и форма элементов искажаются из-за расходимости светового пучка. Этому же способствует дифракция света на краях элементов, рассеяние света в толще фоторезиста и многократное отражение от контактирующих поверхностей, приводящее к тому, что свет заходит в область геометрической тени. К искажению рисунка слоя приводят механические и температурные деформации пластины, вызывающие смещение рисунков различных топологических слоев.
При проекционном способе фотолитографии контакта фотошаблона с подложкой нет, что исключает возможные его повреждения. Кроме этого, проекционный метод упрощает процесс совмещение фотошаблона и позволяет осуществить совмещение точнее, чем при использовании контактного метода. Проекционную фотолитографию можно осуществить одновременной передачей всех элементов топологического слоя на пластину, поэлементным (шаговым) проецированием отдельных фрагментов или модулей на пластину, вычерчиванием рисунка в слое фоторезиста подложки сфокусированных до определенных размеров световым лучом, управляемым от компьютера.
После экспонирования производится проявление фоторезиста в специальных растворах с целью удаления с поверхности подложки определенных участков слоя фоторезиста: облученных – для позитивных и необлученных – для негативных фоторезистов. Обычно для негативных фоторезистов в качестве проявителей используют органические растворители: толуол, хлорбензол, трихлорэтилен и другие. При проявлении позитивных фоторезистов используют сильно разбавленные растворы KOH и NaOH. Кроме химических методов, используют также плазмохимическую обработку поверхности кислородной плазмой.
После проявления производится вторая сушка фоторезиста с целью удаления остатков проявителя и дополнительной тепловой полимеризации фоторезиста, улучшающей его защитные свойства. Тем не менее кислотостойкость фоторезиста обычно бывает недостаточно высокой и последующая обработка открытых участков (например, травление слоя SiO2) может привести к разрушению маски из фоторезиста. Поэтому проводят операцию задубливания фоторезиста, сопровождающуюся полной полимеризацией маски. Задубливание можно проводить путем облучения маски ультрафиолетом или путем термической обработки. Чаще применяют второй способ, совмещая его со второй сушкой.
Следующая операция – обработка участков поверхности подложки, не закрытых резистивным слоем, и перенос рисунка топологического слоя на подложку. Обычно обработка связана с травлением поверхности кремниевой пластины или сформированного на ней слоя из оксида кремния, нитрида кремния, металла. При травлении подложек используют как жидкостные, так и «сухие» методы травления, представляющие собой обработку поверхности ионным пучком.
Завершающей операцией является удаление фоторезиста с поверхности подложки. Для этого используют различные способы, в частности, обработку в органических растворителях с последующим механическим удалением слоя, кипячение в кислотах, ионно-плазменную и плазмохимическую обработку поверхности.
Фоторезист представляет собой многокомпонентное светочувствительное вещество, изменяющее свои свойства под воздействием актиничного (то есть вызывающего протекание фотохимических реакций) света. Фоторезист состоит из трех основных компонентов: полимерной основы, светочувствительного компонента и растворителя, обеспечивающего фоторезисту заданную вязкость. Помимо этого в состав фоторезиста могут быть введены специальные добавки, в частности, сенсибилизаторы для изменения спектральной характеристики светочувствительности, адгезивы для улучшения сцепления фоторезистивного слоя с подложкой, а также добавки, повышающие кислотостойкость, и так далее.
Фотохимические реакции, происходящие в фоторезистах при облучении их актиничным светом, отличаются сложностью и многообразием. Существуют несколько типов фотохимических реакций: фотораспад, фотоперегруппировка, фотоприсоединение и ряд других. Фотораспад представляет собой разложение возбужденной светом молекулы на активные части (ионы или нейтральные частицы – свободные радикалы). Фотоперегруппировка сопровождается поворотом одной группы атомов относительно другой или перемещением группы атомов из одной части скелета молекулы в другую. Фотоприсоединение представляет собой присоединение к возбужденной молекуле другой молекулы. В частном случае такой процесс может приводить к образованию новых связей в структуре молекулы.
В зависимости от характера протекающих в фоторезистах фотохимических реакций, их подразделяют на две группы: позитивные и негативные фоторезисты. В негативных фоторезистах под воздействием света происходит фотополимеризация мономерных молекул в полимерную пленку, в результате чего растворимость облученных участков уменьшается и после проявления они остаются на поверхности подложки. В позитивных фоторезистах в результате реакции фотораспада происходит разрыв поперечных связей в полимерной основе, и у облученных участков растворимость увеличивается. После проявления позитивных фоторезистов облученные участки будут стравливаться, а не облученные останутся на подложке.
 |
Основными критериями, которые необходимо принимать во внимание при использовании фоторезистов в технологии полупроводниковых приборов и интегральных микросхем, являются светочувствительность, разрешающая способность и кислотостойкость. Светочувствительность – это величина, обратная экспозиции, требуемой для перевода фоторезиста в растворимое (позитивный фоторезист) или в нерастворимое (негативный фоторезист) состояние:
где Н – экспозиция (доза облучения); Е – освещенность; t – время экспонирования. Зная светочувствительность фоторезиста и освещенность в месте нахождения подложки, можно определить примерное время экспонирования для данного типа фоторезиста.
Разрешающая способность фоторезиста определяется числом линий равной толщины, которые могут быть получены без слияния на 1 мм поверхности подложки в результате проведения процесса фотолитографии. Предельное значение разрешающей способности определяется размерами полимерных молекул фоторезиста. На разрешающую способность оказывают существенное влияние как процессы экспонирования и связанные с ними оптические явления в системе «фотошаблон – фоторезист - подложка», так и процессы проявления и сушки. К оптическим явлениям, оказывающим влияние на разрешающую способность фоторезистов, следует отнести дифракцию света на границе фотошаблон – фоторезист, отражение света от поверхности подложки и рассеяние света в слое фоторезиста.
Стабильность геометрических размеров элементов рельефа рисунка в слое фоторезиста в сильной степени зависит от проведения процессов проявления и сушки. Перепроявление приводит к увеличению размеров элементов (особенно для позитивных фоторезистов), а неоптимальные режимы сушки могут приводить к короблению слоя фоторезиста и его отслаиванию.
Под кислотостойкостью фоторезистов понимают способность фоторезистивного слоя после экспонирования, проявления и сушки селективно защищать поверхность подложки от воздействия кислотных и щелочных травителей. Критерием кислотостойкости является время, в течение которого травитель воздействует на фоторезистивный слой до начала его разрушения или отслаивания, а также качество полученных структур в подложке после травления. Кислотостойкость фоторезистов часто характеризуют плотностью дефектов (количеством дефектов на единице поверхности), передающихся на подложку при травлении ее поверхности, покрытой маской из фоторезиста.
Рентгенолитография
На разрешающую способность фоторезистов оказывают влияние различные факторы, а именно, дифракция света на рисунке фотошаблона, рассеяние света в фоторезисте, расходимость светового пучка, многократное отражение света от поверхности подложки и фотошаблона, набухание фоторезиста при проявлении и его последующая усадка при сушке, неточность совмещения реперных знаков фотошаблона и подложки и так далее. Влияние большинства из этих факторов можно свести к минимуму. Но есть один принципиально не устранимый фактор – это дифракция света. Дифракция света ограничивает получение минимальных размеров элементов величиной, примерно равной половине длины используемого ультрафиолетового излучения. Оценки показывают, что при использовании ультрафиолетового излучения с длиной волны 0,4 мкм минимальные размеры элементов имеют значение приблизительно 0,25 мкм. Для повышения разрешающей способности необходимо использовать более коротковолновое излучение. В настоящее время используют источники ультрафиолетового излучения с l = 193 нм, что позволяет получать элементы с размерами около 90 нм. Это, в свою очередь, привело к необходимости изготавливать фотошаблоны не на обычном стекле, а на кварцевом, что резко повысило стоимость фотошаблонов и всего технологического процесса в целом. Альтернативой этому является использование вместо ультрафиолета рентгеновского излучения (рентгенолитография), электронных лучей (электронолитография) или пучков ионов (ионно-лучевая литография).
В принципе рентгенолитографии ничем не отличается от фотолитографии. Резистивный слой облучают через специальный шаблон мягким рентгеновским излучением с длиной волны около 1 нм. После экспонирования производят обычные операции: проявление, сушку, задубливание и так далее. Однако использование рентгеновского излучения создает ряд проблем, отсутствующих в фотолитографии.
 |
Во-первых, для рентгеновского диапазона не существует линз или зеркал, которые позволили бы сформировать пучок параллельных лучей. Следовательно, источник рентгеновских лучей должен находиться на максимальном расстоянии от фотошаблона с тем, чтобы расходимость пучка была как можно меньше. Минимальные размеры элементов D можно в этом случае оценить по формуле
где s – величина зазора между шаблоном и подложкой с резистом; d – диаметр источника излучения; D – расстояние от источника до шаблона. Однако увеличение D имеет и негативную сторону, а именно, значительно снижается плотность потока излучения, падающего на резистивный слой, и увеличивается время его экспонирования.
Во-вторых, обычные фотошаблоны на стеклянной основе не могут быть использованы, поскольку рентгеновские лучи в них будут практически полностью поглощаться. Уменьшить толщину до уровня несколько десятков микрометров невозможно из-за недостаточной механической прочности. Рассмотрим возможные решения этих проблем подробнее.
Рентгеновское излучение очень широко используется в науке и технике. Обычно в качестве источников рентгеновских лучей используют специальные рентгеновские трубки (рис. 3.15 а), принцип действия которых заключается в следующем. Электроны, испускаемые катодом К, ускоряются электрическим полем и бомбардируют анод А. В результате торможения возникает электромагнитное излучение рентгеновского диапазона (тормозное рентгеновское излучение), имеющее непрерывный спектр. Если энергия электронов достаточна для того, чтобы выбить электроны из внутренних оболочек атомов материала анода, то вместе с тормозным излучением испускается так называемое характеристическое излучение, имеющее дискретный спектр.
 |
Получение рентгеновских лучей путем электронной бомбардировки анода – малоэффективный процесс, так как большая часть энергии электронов идет на нагревание анода (поэтому трубки имеют водяное охлаждение). Лишь незначительная часть всей энергии, подводимой к трубке от источника питания, испускается в виде рентгеновских квантов. При этом испускание квантов осуществляется в пределах телесного угла 2p. Именно поэтому удаление подложки от рентгеновской трубки резко снижает плотность потока, падающего на резистивный слой.
Значительно более эффективно использование для рентгенолитографии синхротронного излучения (рис. 3.15 б), которое генерируется в специальных накопительных кольцах релятивистскими электронами, движущимися под воздействием магнитного поля по окружности. Известно, что движущиеся с ускорением заряженные частицы испускают электромагнитные кванты, энергия которых тем выше, чем больше ускорение. Ускорение электрона, движущегося по окружности, определяется его скоростью и радиусом траектории R. Так например, при энергии электронов 3,5 ГэВ и радиусе траектории около 13 м полная мощность излучения составляет величину свыше 100 кВт, что в десятки и сотни тысяч раз превышает аналогичный показатель для обычных рентгеновских трубок.
Отличительной особенностью синхротронного излучения является также малая расходимость пучка, составляющая величину несколько миллирадиан. Малая расходимость пучка и высокая плотность потока в пучке дают возможность размещать подложку на расстоянии в несколько метров от источника и, тем самым, формировать практически параллельный пучок рентгеновских квантов.
Другой проблемой рентгенолитографии является проблема изготовления шаблонов, которые обеспечивают необходимую контрастность изображения топологического рисунка на резистивном слое. Это означает, что шаблон должен хорошо пропускать рентгеновские лучи через прозрачные участки (не покрытые металлической пленкой) и максимально полно поглощать в тех участках, на которых имеется непрозрачный слой металлизации. Кроме этого, шаблон должен обладать достаточной механической прочностью.
Существуют различные варианты изготовления шаблонов для рентгенолитографии. В качестве основы используют кремний, оксид или нитрид кремния, полиамид и так далее. Для примера рассмотрим процесс изготовления шаблона из кремниевой пластины. В слаболегированную кремниевую пластину с кристаллографической ориентацией (100) с помощью диффузии вводят в большом количестве бор на глубину примерно 3 - 5 мкм (рис. 3.16а). На этой же стороне формируют рисунок соответствующего топологического слоя из золота с подслоем хрома (рис. 3.16 б). Золото хорошо поглощает рентгеновские лучи, а подслой хрома обеспечивает нужную адгезию золота к кремнию. На противоположной стороне пластины с помощью фотолитографии формируют маску из SiO2. После этого проводят травление пластины в специальном травителе (этилендиамин-пирокатехин), у которого скорость травления нелегированного кремния значительно выше, чем кремния, легированного бором. Это позволяет создавать по центру пластины тонкую мембрану с нанесенным на ней рисунком из Au/Cr (рис. 3.16 в). Толстая периферийная часть пластины обеспечивает шаблону необходимую жесткость. Вместо тонкого слоя кремния, легированного бором, могут быть использованы пленки из SiO2, Si3N4 или их комбинации.
Электронолитография
В основе электронолитографии лежит избирательное экспонирование слоя электронорезиста остросфокусированным потоком электронов. При достаточной энергии электроны способны разрывать межатомные связи в электронорезисте и создавать условия для перестройки структуры. В процессе проявления селективно удаляются экспонированные (для позитивных резистов) или неэкспонированные (для негативных резистов) участки резистивного слоя. Сформированный из резиста рельеф (топологический рисунок) и является маской для различных технологических воздействий.
Основное достоинство электронолитографии – возможность избирательно экспонировать резистивный слой без использования шаблона при достижении высокого разрешения. Высокое разрешение обусловлено тем, что длина волны электронов, ускоренных напряжением порядка 10 - 20 кэВ, менее 0,1 нм. Поэтому дифракционные эффекты, ограничивающие разрешающую возможность фотолитографии, в данном методе не имеют сколько-нибудь существенного значения.
Другим важным преимуществом электронолитографии является большая глубина резкости передаваемого изображения. Поэтому практически не происходит искажение рисунка микросхемы при увеличении глубины рельефа многослойных структур и неплоскостности поверхности подложки.
Существуют три основные области применения электронолитографии: изготовление эталонных фотошаблонов с размерами элементов более 2 мкм; изготовление микросхем большой степени интеграции с размерами элементов менее 1 мкм путем непосредственной микрогравировки; изготовление высокоточных фотошаблонов для рентгено- и фотолитографии глубокого ультрафиолета.
В зависимости от способа обработки слоя электронорезиста существуют две разновидности электронолитографии: сканирующая и проекционная. В первом случае электронный луч, управляемый компьютером, перемещается заданным образом по поверхности подложки с нанесенным на ней слоем резиста. Во втором случае экспонирование резистивного слоя осуществляется через маску.
В сканирующей электронолитографии обработка поверхности осуществляется остросфокусированным лучом. Обеспечить одинаково хорошую фокусировку луча для всей поверхности пластины большого диаметра практически невозможно. Поэтому применяют пошаговое экспонирование, когда электронный луч по очереди вычерчивает рисунки отдельных схем на пластине. После экспонирования очередного участка (кадра) рабочий стол с пластиной перемещается, производится автоматическое совмещение начального положения луча с пластиной и экспонируется очередной кадр. Совмещение осуществляется с точностью на уровне 0,1 мкм путем регистрации вторичных электронов, испускаемых металлическими метками совмещения на пластине при попадании на них электронного луча.
Сканирование луча может быть растровым или векторным. При растровом сканировании луч перемещается по поверхности строчка за строчкой, включаясь и выключаясь в нужные моменты времени. При векторном сканировании электронный луч прорисовывает элемент за элементом, выключаясь лишь при переходе от одного элемента к другому.
Разрешающая способность находится на уровне 0,1 - 0,2 мкм. Она ограничена диаметром электронного луча и эффектами, обусловленными рассеянием электронов в слое резиста. Уменьшению диаметра электронного луча мешает кулоновское взаимодействие электронов в пучке. Малый диаметр может быть получен лишь при малом токе, а это увеличивает время экспонирования и снижает производительность. Например, при диаметре пластины 100 мм время ее экспонирования составляет более 500 мин.
Эффекты рассеяния электронов в слое резиста также являются серьезной проблемой в электронолитографии. Падающий электронный луч претерпевает некоторое рассеяние в слое резиста и попадает в кремний, создавая поток вторичных электронов. Вторичные электроны входят в слой резиста с нижней стороны и попадают в участки, прилегающие к экспонируемым. Все это приводит к «размытию» рисунка, который вычерчивается электронным лучом.
Эффективным способом уменьшить негативное влияние эффектов рассеяния является увеличение энергии падающих на резистивный слой электронов. Кроме этого, используют метод формирования многослойного резиста, при котором на слой резиста, контактирующего с поверхностью подложки, наносится тонкий промежуточный слой, препятствующий рассеянию электронов, а на него - слой рабочего электронорезиста.
В проекционной электронолитографии используют шаблоны из тонких мембран, которые прозрачны для электронов и служат основой для формирования на них соответствующих масок. Материал мембраны должен обеспечивать прохождение электронов с минимальным рассеянием и обладать необходимой механической прочностью. В качестве мембран для масок используют в основном кремний и его соединения, а в качестве маскирующих покрытий – золото, платину и некоторые другие металлы.
Шаблон для проекционной электронолитографии можно сформировать непосредственно на фотокатоде, эмитирующем поток электронов под воздействием облучения его ультрафиолетом. На рис. 3.17 изображена упрощенная схема установки для проекционной электронолитографии. На рисунке обозначены: 1 – кварцевое стекло; 2 – металлическая маска, непрозрачная для ультрафиолета; 3 - фоточувствительный слой; 4 – слой электронорезиста; 5 – подложка; 6 – подложкодержатель; 7 – соленоид.
Воздействие ультрафиолета на фоточувствительный слой вызывает эмиссию электронов с участков шаблона, не покрытых маской. Электроны ускоряются электрическим полем и экспонируют резистивный слой, нанесенный на поверхность подложки, в качестве которой обычно используют кремниевую пластину. Так осуществляется перенос рисунка маски на резистивный слой. Чтобы исключить расходимость электронного пучка, вызывающую искажение рисунка, шаблон с подложкой помещают в соленоид, создающий продольное магнитное поле.
Ионно-лучевая литография
В основе ионно-лучевой литографии лежат эффекты, возникающие при взаимодействии пучка ускоренных ионов с поверхностью подложки, в качестве которой могут выступать пластина кремния, слои оксида или нитрида кремния, а также тонкие металлические пленки (Ni, Mo, Al, Au). Если при фотолитографии и рентгенолитографии необходим как шаблон, так и резист, а при электронолитографии можно обойтись без шаблона, то ионно-лучевая литография позволяет получать изображение топологического слоя на поверхности подложки как без шаблона, так и без резистивного слоя. В этом случае изображение формируется непосредственной микрогравировкой, то есть 
вычерчиванием ионным лучом рисунка на поверхности подложки.
Так, например, воздействие пучка ионов водорода (протонов) на слой SiO2 приводит к возникновению радиационных дефектов, способствующих ускоренному жидкостному травлению облученных участков в определенных травителях. Зависимость увеличения скорости травления К от дозы ионного пучка Q представлена на рис. 3.18. Данная зависимость имеет пороговое значение дозы пучка ионов, ниже которого эффект увеличения скорости травления не проявляется. При дозах, превышающих примерно 2×1017 см-2, увеличение скорости травления принимает постоянное значение (около 5). Данный эффект может быть использован для формирования маски из оксидного слоя на поверхности кремниевой пластины. Последовательность операций формирования маски изображена на рис. 3.19а.
 |
Вначале пучком легких ионов водорода, дейтерия или гелия избирательно облучаются участки оксидного слоя кремния, после чего производится травление поверхности подложки. В результате облученные участки стравливаются, а необлученные остаются на поверхности, тем самым образуется маска, которая может быть использована для последующей обработки поверхности подложки.
Если поверхность кремниевой пластины обработать пучком ионов кремния (рис. 3.19б), то облученные участки будут иметь повышенную скорость термического окисления. Проведя окисление и удалив затем слой оксида путем травления, можно получить маску, соответствующую негативному изображению рисунка топологического слоя. Если вместо ионов кремния использовать ионы азота, то возникнет обратный эффект. Облученная ионами азота поверхность кремния будет иметь пониженную скорость термического окисления. Это дает возможность формировать позитивный рисунок топологического слоя.
Воздействие пучка ионов на металлические пленки из Ni или Mo (рис. 3.19 в) повышает скорость травления облученных участков. Таким способом можно сформировать маску из металлической пленки и перенести ее на нижележащий слой (например, оксид кремния). Следует отметить, что разрешающая способность ионно-лучевой литографии по своей природе очень высока, поскольку вторичные электроны, выбиваемые ионным пучком в подложке, имеют малую энергию и, соответственно, малый пробег.
Кроме сканирования ионного пучка по поверхности подложки заданным образом под управлением компьютера, возможно экспонирование поверхности подложки через шаблон. Серьезной проблемой такого проекционного метода ионно-лучевой литографии является изготовление шаблона, так как проникающая способность ионов очень мала. Шаблон может быть изготовлен на основе тонких мембран из кремния. Схема установки для проекционной ионно-лучевой литографии представлена на рис. 3.20.
На поверхности кремниевой пластины с ориентацией (110) формируется рисунок из тонкой пленки золота с адгезионным подслоем из хрома. Травлением обратной стороны пластины формируется тонкая мембрана толщиной 3 - 6 мкм. Если пучок ионов совпадает с кристаллографическим направлением (110), то за счет эффекта каналирования ионы способны пройти через мембрану и экспонировать резистивный слой, нанесенный на подложку. Однако часть ионов, падающих на тонкую пленку золота, испытывают рассеяние и входят в кремниевую мембрану под углом, исключающим эффект каналирования. Таким образом, через участки мембраны, покрытые золотой пленкой, ионы не пройдут. Тем самым осуществляется избирательность экспонирования резистивного слоя на подложке.
Голографическая литография
Суть метода голографической литографии заключается в том, что на поверхности подложки с нанесенным на ней слоем фоторезиста формируется интерференционная картина, образующаяся в результате наложения двух когерентных волн оптического или рентгеновского диапазона. После экспонирования, проявления и последующей обработки резистивной маски на поверхности подложки получается рисунок топологического слоя, имеющий периодическую или квазипериодическую структуру.
Пусть на поверхность подложки, покрытую слоем фоторезиста, падают две встречные плоские световые волны Е1 и Е2, излучаемые парой когерентных источников, например, двумя лазерами (рис. 3.21). Углы падения обеих волн, отсчитываемые от нормали к поверхности одинаковы и равны j. Будем считать, что амплитуды и начальные фазы обеих волн одинаковы.
В результате интерференции двух волн распределение интенсивности I(x) по поверхности подложки в направлении оси х будет определяться выражением
 |
где А – амплитуда волны; k – волновое число, определяемое соотношением
 |
где l - длина волны.
Из выражения (3.27) видно, что распределение интенсивности света по поверхности подложки имеет периодический характер. Максимумы интенсивности определяются из условия
 |
Расстояние между соседними максимумами L определяется выражением
 |
При j ® 90° величина L стремится к l/2. Учитывая, что показатель преломления фоторезиста отличен от единицы (n » 1,6), правую часть выражения (3.28) необходимо разделить на n.
Таким образом, голографическая литография позволяет получать периодические структуры с периодом около l/2. При использовании видимого света было получено разрешение на уровне 103 линий/мм. Если для получения
интерференционной картины используется синхротронное рентгеновское излучение от разных сегментов орбиты электронов, то можно получить разрешение на уровне 1,5×105 линий/мм. Полученные таким способом решетки находят применение в качестве дифракционных или фокусирующих элементов для электромагнитного излучения рентгеновского диапазона. Кроме этого, они могут быть использованы для изготовления элементов приборов наноэлектроники. Главное ограничение метода – возможность получения структур только простой геометрической формы.
Травление
Травление представляет собой процесс удаления поверхностного слоя объекта немеханическим способом. Данная технологическая операция применяется для получения максимально ровной бездефектной поверхности полупроводниковых пластин (химической полировки); удаления с поверхности пластин различных пленок (например, слоя SiO2 или металлизации); локального удаления исходного материала с отдельных участков поверхности подложки; выявления структурных дефектов на поверхности монокристаллических пластин; формирования на поверхности подложек маскирующих покрытий.
При всем многообразии методов травления их можно разделить на две большие группы: жидкостное (химическое) травление и сухое (ионно-плазменное) травление. В основе жидкостного травления обычно лежит химическая реакция жидкого травителя и твердого тела, в результате которой образуется растворимое соединение. Сухое травление проводят в специальных газоразрядных камерах, в которых подложка обрабатывается ионами или химически активными частицами плазмы.
Дата добавления: 2018-05-12; просмотров: 1399; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!