От микроэлектронной технологии к наноэлектронной

От фотолитографии к нанолитографии

Очень важными технологическими процессами наноэлектроники являются процессы структурирования – создания в нанесенном на подложку слое или в самой подложке массива структурных элементов заданных формы и размеров, размещенных в заданном порядке.

Фотолитография

В микроэлектронике с этой целью наиболее широко использовали процессы фотолитографии. Кратко напомним их суть на примере структурирования окисного слоя на поверхности кремния.

На рис. 2.8 показаны основные этапы фотолитографии.

Рис. 2.8. Основные этапы технологического процесса фотолитографии

На первом этапе выполняли технологические операции очистки подложки, нанесения и высушивания слоя фоторезиста. Органические фоторезисты, как правило, наносили центрифугированием, неорганические – вакуумным напылением. На этапе ІІ выполняли технологические операции точного совмещения фотошаблона с топологией нижнего, уже структурированного слоя, прижатие фотошаблона к слою фоторезиста и экспонирование светом. Фотошаблон, как правило, состоял из прозрачной для света стеклянной пластины и из участков хрома, не прозрачных для света. Экспонированные участки фоторезиста становились растворимыми (в другом варианте – не растворимыми). На этапе ІІІ выполнялась операция проявления, в ходе которой экспонированные участки фоторезиста растворялись и удалялись. (В другом варианте растворялись и удалялись не экспонированные участки). Полученная маска фоторезиста отжигалась при повышенной температуре для удаления растворителя и повышения химической стойкости. На этапе ІV сквозь маску из фоторезиста открытые участки слоя вытравливали (химическими или физическими методами) и удаляли. На этапе V удалялась также фоторезистивная маска, выполнялись очистка поверхности, сушка и контроль полученной структуры на соответствие заданной топологии.

Методом фотолитографии изготавливали также и фотошаблоны. Первичные (эталонные) фотошаблоны изготавливали на автоматизированных высокоточных машинах – "фотоштампах". Заготовка фотошаблона, покрытая слоем фоторезиста, перемещалась под световой пучок с помощью прецизионного координатного стола. Световой пучок прямоугольного или круглого сечения формировался с помощью оптического конденсора и сменных диафрагм, размер которых автоматически изменялся. После экспонирования координатный стол перемещал под световой пучок следующий участок заготовки, и проводилось следующее экспонирование. Так шаг за шагом по заданной программе, подготовленной с помощью компьютерной системы автоматизированного проектирования микросхем, на заготовке экспонировалась вся требуемая топология, в том числе и специальные знаки совмещения. После экспонирования следовало проявление фоторезиста, и в слое хрома вытравливались прозрачные окна. Вторичные (рабочие) фотошаблоны изготавливали с использованием первичного – также с помощью процесса фотолитографии.

В лекции 1 мы уже отмечали, что из-за явления дифракции электромагнитных волн разрешающая способность оптических микроскопов не может превзойти примерно половину длины волны видимого света. Это ограничение касается и фотолитографии. Даже с использованием фиолетового света с длиной волны 400 нм разрешающая способность фотолитографии не превышает 200 нм. Поэтому еще задолго до того, как минимальные размеры элементов микросхем приблизились к 1 мкм, начались поиски путей повышения разрешающей способности.

Один путь был эволюционным – начали разрабатывать установки для экспонирования фоторезистов сквозь соответствующие фотошаблоны более коротковолновым излучением – ультрафиолетовым светом, синхротронным излучением, включая вакуумный ультрафиолет с длиной волны порядка 200 нм и меньше. В качестве источника такого коротковолнового света сейчас используют эксимерные лазеры на (248 нм), (197 нм) или (157 нм). Это позволило довести проектно-технологические нормы приблизительно до 100 нм. Дополнительные возможности дает применение иммерсионной жидкости с показателем преломления свыше 1,5. Это позволяет еще в столько же раз (как показатель преломления) повысить разрешающую способность фотолитографии. Следующим шагом на эволюционном пути развития стало экспонирование фоторезистов экстремальным ультрафиолетовым (длина волны порядка 10 нм и многозеркальная оптика) или рентгеновским излучением. Эти технологии сокращенно называют соответственно "ЭУФЛ" и "рентгенолитография". Высококлассное автоматизированное сложное оборудование позволило довести сейчас производительность таких методов до уровня порядка 100 пластин в час.

Электронная литография

Другой путь, который можно назвать революционным, состоял в переходе к использованию электронных пучков и электронной оптики. Как и в микроскопии, это стало качественным, т.е. очень существенным продвижением. Еще в 70-х годах ХХ в. началось становление электронной литографии.

Блок-схема одного из современных электронолитографических комплексов показана на рис. 2.9. Комплекс состоит из электронно-оптической колонны (1), рабочей камеры (2), персонального компьютера (ПК) и ряда электронных блоков.

Рис. 2.9. Блок-схема электронолитографического комплекса

В состав электронно-оптической колонны (1) входят:

• электронная пушка, состоящая из катода (3) и анода (4);
• блок питания электронной пушки (5);
• блок регулирования интенсивности электронного пучка (6);
• регулируемая прямоугольная диафрагма (7) и блок управления ею (8);
• электронно-оптическая система (9) и блок ее питания (10);
• катушки точного отклонения электронного пучка (Х) и (Y) и блок управления отклонением (11);
• система динамической фокусировки (12).

В состав рабочей камеры (2) входят:

• прецизионный координатный стол (13) с точным электромеханическим приводом (14);
• заготовка фотошаблона (15);
• лазерный диод (16) и высокоточный интерферометр (17);
• датчик вторичных электронов (18).

Электронно-оптическая система (9) проектирует на поверхность заготовки фотошаблона (15) уменьшенное изображение прямоугольной диафрагмы (7), размер которого может изменяться от 1-5 нм до 1-5 мкм. С помощью катушек отклонения (Х) и (Y) и блока 11 электронный пучок прямоугольного сечения можно быстро позиционировать в любую точку с заданными координатами в пределах области 2х2 или 5х5 мм. Координатный стол (13) и электромеханический привод (14) позволяют точно переместить под электронный пучок следующий участок фотошаблона (15). Фактическое положение координатного стола контролируется с помощью лазерного диода (16) и интерферометра (17) с точностью до , где – длина волны света от лазера. Датчик вторичных электронов (18) нужен для точного совмещения электронного изображения с топологией предыдущего рабочего слоя, а также для обратной связи в системе динамической фокусировки (12).

Комплексы электронной литографии в промышленности используют в основном при изготовлении шаблонов для нанолитографии. Для переноса спроектированной топологической структуры с шаблона на рабочие пластины используют групповые методы коротковолновой ультрафиолетовой фотолитографии, рентгенолитографии и пр. Но при проведении научно-технических разработок и исследований применяют также непосредственное электронное экспонирование спроектированной структуры на образцы интегральных схем, хотя это и требует относительно большого времени. Ведь такой процесс является последовательным – экспонирование прямоугольника за прямоугольником. К непосредственному электронному экспонированию прибегают иногда и в промышленности – при изготовлении заказных интегральных схем с небольшим тиражом и "пилотных" интегральных схем.