Рентгеновская литография

Рентгеновская литография (РЛГ) является частным случаем оптической печати с длиной волны экспонирующего облучения в пределах 0,4 … 5 нм. Проявление дифракционных эффектов в этом методе за счет малой величины длины волны рентгеновского излучения сведено до минимума, загрязнения шаблона не приводят к появлению дефектов, т.к. они в этом диапазоне прозрачны.

Основы рентгеновской литографии. Рентгеновское излучение (РИ) получают путем облучения мишени потоком ускоренных электронов. В зависимости от характера взаимодействия ускоренных электронов с атомами облучаемого вещества могут возникать два вида РИ: белое или характеристическое. Белое излучение вызывается торможением электронов при их взаимодействии с электронами внешних оболочек; характеристическое излучение вызывается взаимодействием с электронами внутренних оболочек атомов облучаемого вещества, в результате чего последние с внутренних оболочек переходят на внешние или покидают атом. Переходы электронов на освободившиеся внутренние оболочки атомов сопровождаются характеристическим рентгеновским излучением. Разность кинетических энергий электронов различных внутренних оболочек существенно больше, чем внешних, поэтому характеристическое излучение по сравнению с белым имеет существенно меньшую длину волны.

При поглощении РИ в слое рентгенорезиста образуются фотоэлектроны, которые осуществляют перестройку его структуры. Структурирование и деструкция под действием фотоэлектронов аналогичны процессам, происходящим в электронорезистах при облучении ускоренными электронами. Этим объясняется применение для РЛГ электронорезистов.

Чувствительность рентгенорезистов – энергия РИ, поглощенная единицей площади, достаточная для проявления слоя рентгенорезиста на всю глубину.

На практике применяют резисты на основе ПММА и ПБС с разрешающей способностью 0,1 и 0,5 мкм и чувствительностью 1000 и 100 мДж/см² соответственно. Большую разрешающую способность имеют негативные резисты, в молекулы которых введены сильно поглощающие атомы хлора, но, негативные резисты не обеспечивают высокого разрешения из-за набухания при жидкостном проявления. В настоящее время получены и продолжают исследоваться резисты, проявляемые в кислородной плазме.

Источники рентгеновского излучения. Стандартные источники РИ – металлическую мишень, бомбардируемую ускоренными до 10... 20 кэВ электронами. Меньшее фоновое излучение, ухудшающее контрастность экспонирования, имеют мишени из материала с малым атомным номером. Материалов с длиной волны РИ 0,4…5 нм весьма мало (табл. 9.1).

Таблица 9.1

Материалы мишеней рентгеновского излучения

Идеальным источником для РЛГ с высоким разрешением является синхротрон, однако он слишком велик и дорог. Поэтому целесообразнее применять синхротронное излучение от накопительного кольца или плазменные источники.

Шаблоны для РЛГ. РШ должны быть изготовлены на достаточно прозрачной для применяемого рентгеновского излучения основе, чтобы время экспонирования было небольшим. Материал пленочного рисунка должен быть непрозрачен. Основа должна сохранять стабильные размеры, быть прочной при многократном использовании и прозрачной для видимого света, если применяется оптическое совмещение. Выбор материала для изготовления шаблона затруднен, так как при λ<0,4 нм поглощение РИ слишком мало и нет оптимального материала для маскирующего слоя шаблона, а при λ>5,5 нм все материалы настолько сильно поглощают РИ, что не найти подходящего для основы шаблона. Сильное поглощение материалами РИ обусловливает λ_макс волны для экспонирования 5 нм и малые толщины основы шаблонов 1...10 мкм. В качестве маскирующего слоя шаблона обычно применяют Au. Для основы шаблона применяют материалы, приведенные в табл. 9.2.

Таблица 9.2

Материалы для основы рентгеношаблонов

При выборе материалов для РШ необходимо согласование спектров мишени, основы и маскирующего слоя. Например, при использовании характеристического РИ излучения Al мишени (λ=0,83 нм) для основы шаблона применяют Si, а для непрозрачного рисунка – Au.

Технология производства шаблонов. На кремниевой сильнолегированной пластине наращивают слаболегированный слой Si толщиной около 3 мкм. Поверх этого слоя наносят пленки SiO₂ или Al₂O₃, Cr и Au (рис. 9.18).

Рис. 9.18. Схема процесса изготовления кремниевых рентгеношаблонов: а – эпитаксиальное наращивание слоя п - Si, нанесение пленок SiO2 или Al2O3, Cr и Au; б – формирование рисунка шаблона; в – локальное травление п + Si

Затем в двойном слое Cr – Au формируют рисунок с помощью ЭЛГ в сочетании с сухим травлением. После этого, используя контактную маску из SiO₂, сильно легированный Si удаляют травлением, не действующим на слаболегированный слой. Чтобы получить плоский негнущийся шаблон большой площади, травление ведут не по всей поверхности, а локально, удаляя кремний в областях, соответствующих расположению рисунка каждой ИМ. Таким образом, исходная пластина кремния служит конструктивной основой, придающей шаблону жесткость; роль собственно шаблона выполняет тонкий слой – мембрана из слаболегированного кремния с нанесенным на него рисунком из золота.

Рентгеновское экспонирование. Поскольку создать оптические системы для длин волн рентгеновского диапазона не представляется возможным, экспонирование выполняется только теневым способом с масштабом рисунка на шаблоне 1:1. В вакуумной камере установки (рис. 9.19) при облучении вращающейся мишени - анода пучком электронов – возникает рентгеновское излучение.

Рис. 9.19. Схема рентгеновского экспонирования: 1 – электронная пушка; 2 – электронные лучи; 3 – мишень; 4 – вакуумная камера формирования рентгеновских лучей; 5 – бериллиевое окно; 6 – рентгеновские лучи; 7 –-камера экспонирования; 8 – шаблон; 9 – подложка со слоем рентгенорезиста; 10 – устройство совмещения

Через бериллиевое окно пучок выводится в камеру экспонирования, заполненную гелием, который, в отличие от воздуха, практически не поглощает РИ.Линз для фокусировки РИ нет, экспонирование осуществляется расходящимся пучком. Это является причиной искривления формы (дисторсии) топологических элементов за счет увеличения погрешности передачи рисунка (рис. 9.20) от центра подложки к периферии: , а также размытия края рисунка . Чтобы экспонировать в области меньшего расхождения пучка, шаблон и подложку надо помещать достаточно далеко от мишени. Однако необходимо учитывать, что с увеличением расстояния мишень–подложка плотность мощности излучения уменьшается, т. е. необходимо увеличивать время экспонирования.

Рис. 9.20. Рис. 3.23. Искажения геометрии топологического рисунка при рентгеновском экспонировании: 1 – рентгеношаблон; 2 – подложка с рентгенорезистом

Для изготовления ИМ с субмикронными размерами элементов из-за нестабильности плоскостности подложек и шаблонов потребуются экспонирование в вакууме при пошаговом перемещении подложки относительно шаблона и высокая точность совмещения, около 0,05 мкм.

Совмещение можно выполнять несколькими способами. Если размеры элементов 2...5 мкм можно применять визуальное совмещение с применением оптических микроскопов, например с помощью эффекта дифракции света на метках в виде дифракционных решеток. Даже при небольшом несовмещении рисунков шаблона и подложки появляется крупный муаровый рисунок. В этом случае необходим шаблон с основой, прозрачной для видимого света, например из полиимида. При субмикронных размерах элементов необходимы высокая точность совмещения.

Достоинства и ограничения РЛГ. Применение излучения с малой длиной волны уменьшает дифракцию и позволяет получать малый размер элементов при значительном зазоре между шаблоном и подложкой; малая энергия излучения уменьшает его рассеяние в резисте, поэтому слой экспонируется равномерно по глубине независимо от его толщины и материала подложки, что способствует получению рисунка с вертикальными стенками, точно повторяющего топологию шаблона; частицы пыли из веществ с малым атомным весом пропускают рентгеновские лучи и, следовательно, не передаются на резист; РИ не чувствительно к электрическому заряду на шаблоне и подложке.

Недостаток метода – сложное оборудование (рентгеновский источник, защита оператора от излучения), отсутствие оптики, фокусирующей рентгеновские лучи, малая интенсивность стандартных источников РИ, что уменьшает производительность экспонирования; сложность изготовления рентгеношаблонов, так как для прохождения РИ необходимы очень тонкие мембраны; малая чувствительность резистов; экспонирование РИ с длиной волны более 1 нм необходимо проводить в вакууме; для получения субмикронных размеров элементов необходимо пошаговое экспонирование, так как процесс становится чувствительным к стабильности плоскостности поверхностей подложек и геометрических размеров шаблонов.