Ионно-лучевая литография

Формирование рисунка на кремниевой пластине возможно также при помощи ионных пучков. Сущность ионной литографии состоит в экспонировании пластины широким пучком ионов Н⁺, Не²⁺ или Ar⁺ через шаблон из золота на кремниевой мембране или поточечного экспонирования сканирующим пучком из жидкометаллического (Ga) источника. Поскольку ионы поглощаются в 10-100 раз эффективнее, чем электроны, то и требуется их в 10-100 раз меньше (10¹⁰-10¹² ионов/cм² или 0.01-1 мкКл/см²).

Особенности ИЛГ. ИЛГ появилась как результат поиска путей преодоления ограничений электронной в рентгеновской литографий и находится пока на начальной стадии развития. Применение лучей ускоренных ионов имеет ряд преимуществ. Ионы обладают большой массой и, следовательно, в меньшей степени подвержены рассеянию в слое резиста.

Преимуществами этого метода являются меньшее рассеивание ионов вследствие их массы и большее разрешение по сравнению с ЭЛГ ввиду отсутствия эффекта близости, когда рассеяние распространяется на близлежащие элементы рисунка. Генерируемые в резисте вторичные электроны имеют очень малую энергию, и их пробег не превосходит 10 нм.

В ионном луче значительно слабее взаимное отталкивание, чем в электронном луче. В отличие от РИ для ионов можно получать коллимированные пучки, что исключает геометрические эффекты, уменьшающие разрешение.

Как и рентгеновское излучение, ионы с большой энергией не подвержены дифракции, которая ограничивает разрешение.

Все это способствует получению топологического рисунка с размерами элементов не хуже 0,5 мкм.

Для ионно-лучевого экспонирования требуются дозы облучения во много раз меньшие, чем в ЭЛГ.

Фокусированные ионные пучки можно использовать для экспонирования резистов, исправления дефектов фотошаблонов, а также в безрезистной литографии и непосредственного травления оксида кремния.

Резисты для ИЛГ. Для формирования контактной маски с помощью ионного луча можно применять электронорезисты, причем некоторые из них к нонам более чувствительны, чем к электронам. Это объясняется большей ионизирующей способностью ионов по сравнению с электронами при энергиях, применяемых на практике. Все полимерные, а также и некоторые неорганические резисты, могут быть использованы в качестве негативных ионорезистов.

Шаблоны для ИЛГ. В настоящее время применяют шаблоны, по конструкции похожие на рентгеношаблоны типа металл на кремний или трафаретные. Это прозрачные для ионов мембраны, поддерживаемые массивной частью шаблона. Разрешение процесса экспонирования может уменьшиться из-за рассеяния ионов в мембране – основе шаблона, поэтому желательно уменьшать толщину основы. В соответствии с этим требованием применяют шаблон с основой из А1₂O₃ толщиной 70...200 нм. Сверхтонкие шаблоны не позволяют получать рисунок с субмикронными размерами элементов из-за многократного рассеяния ионов в аморфной А1₂O₃ основе.

Наряду с такими сверхтонкими шаблонами применяют шаблоны с основой из (110) Si толщиной 0,7...1 мкм. С кремниевых шаблонов рисунок передается на резист более точно благодаря практическому отсутствию рассеяния ионов при прохождении по каналам-междуузлиям вдоль рядов атомов монокристалла. Коллимированный (т.е. без расхождения) луч ионов направлен перпендикулярно к основе шаблона (плоскости рисунка), т. е. его направление совпадает с направлением оси канала. При ориентированном перемещении – каналировании ноны испытывают скользящие столкновения с атомами кремния, при которых смещения ионов невелики. Большинство ионов сохраняют направление своего движения – рассеяние мало.

Маскирующая пленка толщиной 0,5...1 мкм на рабочей стороне основы, непрозрачная для ионов, выполнена в обоих типах шаблонов из золота.

Зазор между шаблоном и пластиной составляет около 20 мкм, но для субмикронных процессов требуется контакт, так как изолированные элементы изображения не могут быть экспонированы через сквозной шаблон, а составные шаблоны разделяются на две взаимодополняющие части.

Ионно-лучевое экспонирование. Возможны два способа формирования изображения на ионорезисте: сканирование сфокусированным лучом, проецирование топологии с шаблона в плоскость подложки.

Сканирующая ИЛГ аналогична сканирующей ЭЛГ. Ионы Не⁺, Н⁺ или Аг⁺, образуемые в источнике ионов, вытягиваются из источника, ускоряются и фокусируются в плоскость подложки электронно-оптической системой. Сканирование выполняют кадрами площадью 1 мм² с пошаговым перемещением столика с подложкой и совмещением на каждом кадре. Сканирование сфокусированным ионным лучом предназначено для получения топологии с размерами элементов от 0,03 до 0,3 мкм. Сфокусированные ионные пучки для прямого (без шаблона) экспонирования резистов имеют ограниченное применение, так как размер поля экспонирования не превышает 1 мм². При сканировании ионного пучка его отклонение происходит медленнее по сравнению с электронным пучком, а разрешающая способность объектива оказывается не лучше 1 мкм в кристалле 5х5 мм. В настоящее время ионные пучки используются в основном для ретуширования фотошаблонов.

Проекционная ИЛГ выполняется широким коллимированным ионным пучком площадью 1 см². Совмещение выполняется в режиме сканирования с помощью меток совмещения, путем регистрации изменения потенциала на краю металлической метки.

Так же как и ЭЛГ, ИЛГ легко автоматизируется. Особенностью ИЛГ является то, что с помощью ионного луча, наряду с экспонированием, можно выполнять технологические операция: очистку поверхности, травление, нанесение пленок; а также совмещать в одном технологическом оборудовании все эти операции с другими сухими процессами, например с проявлением.

Главным достоинством ионных пучков по сравнению с электронными является малое обратное рассеяние и, следовательно, минимальный эффект близости. Так как источник протонов может давать пучок с плотностью мощности более 100 мВт/см² (>1 А/см²), то малое время экспонирования (в микросекундах на кристалл или секундах на пластину) обеспечивает стабильность шаблона и субмикронное совмещение. Изображения с вертикальным профилем края (искажение края профиля <0,1 мкм, обусловленное отклонениями при изготовлении шаблона) могут быть сформированы как в негативных, так и в позитивных резистах. Даже десятикратное переэкспонирование не вызывает изменения ширины линий.

Дополнительная область применения ионно-лучевого экспонирования - отверждение резистов ДХН и ПММА для реактивного ионного травления или других применений в качестве маски. При ионной имплантации В, Р или As резист со скрытым изображением работает как барьерный слой.

Ионно-лучевое экспонирование является идеальным в том смысле, что для него прямое и обратное рассеяния пренебрежимо малы, а радиационные повреждения в кремниевой подложке практически отсутствуют, так как ионы в основном не проходят сквозь слой резиста. Поскольку ионы очень эффективно передают в резист энергию, то чувствительность резиста не является решающим фактором для производительности, которую в данном случае обеспечивают подбором подходящего высокоинтенсивного источника ионов, термостабильного шаблона и высокой точностью совмещения (± 0.1 мкм).

Сравнение и тенденция развития процессов литографии. При проектировании технологических маршрутов изготовления ИМ, а также шаблонов, свободных масок, выбор метода для формирования рисунка осуществляется по трем основным параметрам: разрешение – минимальная воспроизводимая ширина линии, точность совмещения, производительность процесса. При этом, конечно, учитывается экономическая целесообразность использования метода.

Оптическая литография обеспечивает высокую производительность и является основным методом формирования топологии ИМ при массовом производстве. Процессы оптической литографии отработаны и продолжают совершенствоваться без значительного увеличения затрат на производство.

Электронолитография обеспечивает высокое разрешение, но отличается сравнительно малой производительностью, высокой стоимостью оборудования и трудностями, связанными с использованием специальных резистов. В настоящее время метод используется в производстве прецизионных шаблонов, а также применяется при производстве сверхбольших ИМ.

Рентгеновская литография при условии усовершенствования систем мультиплицирования и технологии изготовления шаблонов будет промежуточной между оптической и электронной литографиями.

Для рентгеновского и ионно-лучевого экспонирования необходим еще один этап усовершенствования. Реально ширина экспонируемой линии примерно в 4 раза превышает точность совмещения.

Что касается размеров менее 0.3 мкм, то массовое производство схем памяти обеспечивается печатью с зазором с применением либо рентгеновских, либо электронных пучков.