Рентгеновская литография - это процесс, используемый в электронной промышленности для выборочного удаления частей тонкой пленки. Он использует рентгеновские лучи для передачи геометрического рисунка с маски на светочувствительный химический фоторезист или просто «сопротивляется» на подложке. Затем серия химических обработок позволяет гравировать полученный рисунок на материале под фоторезистом.
Механизмы [ править ]
Рентгеновская литография зародилась как кандидат на литографию нового поколения для полупроводниковой промышленности [1] , и были успешно произведены партии микропроцессоров . Обладая короткими длинами волн (менее 1 нм), рентгеновские лучи преодолевают дифракционные пределы оптической литографии , позволяя создавать элементы меньшего размера. Если источник рентгеновского излучения не коллимирован, как в случае с синхротронным излучением , то вместо преломляющих линз используются элементарные коллимирующие зеркала или дифракционные линзы.линзы, используемые в оптике. Рентгеновские лучи освещают маску, расположенную рядом с пластиной, покрытой резистом. Рентгеновское излучение является широкополосным, обычно от компактного источника синхротронного излучения , что обеспечивает быстрое облучение. Глубокая рентгеновская литография (DXRL) использует еще более короткие длины волн, порядка 0,1 нм, и модифицированные процедуры, такие как процесс LIGA , для создания глубоких и даже трехмерных структур.
Маска состоит из поглотителя рентгеновских лучей, обычно из золота или соединений тантала или вольфрама , на мембране, прозрачной для рентгеновских лучей, обычно из карбида кремния или алмаза . Рисунок на маске наносится методом электронной литографии с прямой записью на резист, который создается с помощью обычных полупроводниковых процессов. Мембрану можно растягивать для точности наложения.
Большинство демонстраций рентгеновской литографии было выполнено путем копирования с точностью изображения (без увеличения) по линии нечеткого контраста, как показано на рисунке. Однако с возрастающей потребностью в высоком разрешении рентгеновская литография теперь выполняется на так называемом «золотом пятне», используя локальное «уменьшение смещения». [2] [3] Плотные структуры развиваются путем многократного воздействия с переводом. Преимущества использования 3-кратного уменьшения включают в себя более легкое изготовление маски, увеличение зазора между маской и пластиной и более высокий контраст. Технология расширяется до плотных отпечатков 15 нм .
Рентгеновские лучи генерируют вторичные электроны, как в случае литографии в крайнем ультрафиолете и электронно-лучевой литографии . В то время как четкое определение структуры обусловлено в основном вторичными частицами от оже-электронов с коротким пробегом, первичные электроны будут сенсибилизировать резист в большей области, чем воздействие рентгеновских лучей. Хотя это не влияет на разрешение шага рисунка, которое определяется длиной волны и зазором, контраст экспозиции изображения (макс-мин) / (макс + мин) уменьшается, поскольку шаг находится на уровне первичного фотоэлектронного диапазона. Эти вторичные электроны влияют на шероховатость и наклон боковых стенок, поскольку они могут перемещаться на несколько микрометров в области под поглотителем, в зависимости от энергии рентгеновского излучения.[4] Былоопубликованонесколько отпечатков толщиной около 30 нм . [5]
Еще одно проявление фотоэлектронного эффекта - облучение рентгеновскими лучами электронов из толстых золотых пленок, используемых для изготовления дочерних масок. [6] Моделирование показывает, что генерация фотоэлектронов на золотой подложке может влиять на скорость растворения.
Фотоэлектроны, вторичные электроны и оже-электроны [ править ]
Вторичные электроны имеют энергию 25 эВ или меньше и могут генерироваться любым ионизирующим излучением ( ВУФ , ЭУФ, рентгеновские лучи, ионы и другие электроны). Энергия оже-электронов составляет сотни электронвольт. Вторичные фотоэлектроны (генерируемые оже- и первичными фотоэлектронами и превосходящие их по численности) являются основными агентами сопротивления экспонированию.
Относительные пробеги первичных фотоэлектронов и оже-электронов зависят от их соответствующих энергий. Эти энергии зависят от энергии падающего излучения и от состава резиста. Есть много возможностей для оптимального выбора (ссылка 3 статьи). Когда оже-электроны имеют более низкие энергии, чем первичные фотоэлектроны, они имеют более короткий пробег. Оба распадаются на вторичные компоненты, которые взаимодействуют с химическими связями. [7] Когда вторичные энергии слишком низкие, они не могут разорвать химические связи и перестают влиять на разрешение печати. Эксперименты доказывают, что комбинированный диапазон составляет менее 20 нм. С другой стороны, вторичные компоненты имеют другую тенденцию ниже ≈30 эВ: чем ниже энергия, тем больше длина свободного пробега. хотя тогда они не могут повлиять на проявление резиста.
По мере распада первичные фотоэлектроны и оже-электроны в конечном итоге становятся физически неотличимыми (как в статистике Ферми – Дирака ) от вторичных электронов. Диапазон вторичных электронов низкой энергии иногда больше, чем диапазон первичных фотоэлектронов или оже-электронов. Для рентгеновской литографии имеет значение эффективный диапазон электронов, обладающих достаточной энергией для образования или разрыва химических связей в отрицательных или положительных резистах.
Литографический электронный диапазон [ править ]
Рентгеновские лучи не заряжаются. Относительно большая длина свободного пробега (~ 20 нм) вторичных электронов затрудняет контроль разрешения в нанометровом масштабе. В частности, электронно-лучевая литография страдает от отрицательного заряда падающими электронами и, как следствие, разлета луча, что ограничивает разрешение. Поэтому трудно выделить эффективный диапазон вторичных компонентов, который может быть меньше 1 нм.
Комбинированная длина свободного пробега электронов приводит к размытию изображения, которое обычно моделируется как функция Гаусса (где σ = размытие), которая сворачивается с ожидаемым изображением. Когда желаемое разрешение приближается к размытию, дозовое изображение становится шире, чем аэрофотоснимок падающих рентгеновских лучей. Размытие, которое имеет значение, - это скрытое изображение , описывающее создание или разрыв связей во время экспонирования резиста. Развитое изображением является окончательным рельефным изображением получает с помощью выбранного процесса развития высокого контраста на скрытом изображении.
В соответствии с различными цитируемыми публикациями диапазон первичных, оже-, вторичных и сверхнизкоэнергетических электронов генерации высшего порядка, которые печатают (как показали исследования СТМ ), может быть большим (десятки нм) или маленьким (нм). Поскольку этот диапазон не является фиксированным числом, его трудно определить количественно. Шероховатость кромки линии усугубляется связанной с этим неопределенностью. Шероховатость кромки линии предположительно имеет статистическое происхождение и лишь косвенно зависит от среднего диапазона. В обычных условиях литографии можно контролировать и использовать различные диапазоны электронов.
Зарядка [ править ]
Рентгеновские лучи не несут заряда, но при указанных энергиях оже-распад ионизированных частиц в образце более вероятен, чем радиационный распад. Излучение высокой энергии, превышающее потенциал ионизации, также генерирует свободные электроны, которых можно пренебречь по сравнению с электронами, создаваемыми заряженными электронными лучами. Зарядка образца после ионизации является крайне маловероятной возможностью, когда нельзя гарантировать, что ионизированные электроны, покидающие поверхность или остающиеся в образце, адекватно сбалансированы от других источников во времени. Передача энергии электронам в результате ионизирующего излучения приводит к разделению положительных и отрицательных зарядов, которые быстро рекомбинируют, отчасти из-за дальнего действия кулоновской силы.Изоляционные пленки, такие как оксиды затвора и резисты, заряжаются до положительного или отрицательного потенциала при облучении электронным пучком. Изолирующие пленки в конечном итоге локально нейтрализуются пространственным зарядом (электроны, входящие и выходящие из поверхности) на границе резист-вакуум иИнъекция Фаулера-Нордхейма из субстрата. [8] На пробег электронов в пленке может влиять местное электрическое поле. Ситуация осложняется наличием дырок (положительно заряженных электронных вакансий), которые генерируются вместе с вторичными электронами и которые, как можно ожидать, будут следовать за ними. По мере нейтрализации любая начальная концентрация заряда начинает эффективно распространяться. Окончательное химическое состояние пленки достигается после завершения нейтрализации, после того как все электроны в конечном итоге замедляются. Обычно, за исключением шаговых двигателей с рентгеновским излучением, зарядку можно дополнительно контролировать с помощью пистолета-распылителя или слоя сопротивления или слоя рассеивания заряда.
См. Также [ править ]
- Фотолитография
- Литография в крайнем ультрафиолете
- Электронно-лучевая литография
- Ионно-лучевая литография
Примечания [ править ]
- ^ Ю. Владимирский,"Литография"в вакуумной ультрафиолетовой спектроскопии II Ред. JASamson and DLEderer, Ch 10 pp 205–223, Academic Press (1998).
- ^ Владимирский, Юлий; Бурдийон, Антоний; Владимирский, Ольга; Цзян, Вэньлун; Леонард, Куинн (1999). «Уменьшение увеличения с помощью рентгеновской литографии и расширение до 25 нм за счет оптимизации дифракции Френеля». Журнал физики D: Прикладная физика . 32 (22): 114. Bibcode : 1999JPhD ... 32..114V . DOI : 10.1088 / 0022-3727 / 32/22/102 .
- ^ Энтони Бурдиллон и Юлий Владимирский,Рентгеновская литография на сладкомпятне, UHRL, Сан-Хосе, (2006)ISBN978-0-9789839-0-1
- ^ Вора, KD; Shew, BY; Харви, ЕС; Hayes, JP; Пил, AG (2008). «Откосы боковины СУ-8 HARMST с использованием глубокой рентгеновской литографии». Журнал микромеханики и микротехники . 18 (3): 035037. Bibcode : 2008JMiMi..18c5037V . DOI : 10.1088 / 0960-1317 / 18/3/035037 .
- ^ Раннее, K; Шаттенбург, М; Смит, H (1990). «Отсутствие ухудшения разрешения в рентгеновской литографии для λ от 4,5 до 0,83 нм». Микроэлектронная инженерия . 11 : 317. DOI : 10.1016 / 0167-9317 (+90) 90122-А .
- ^ Картер, DJD (1997). «Прямое измерение влияния фотоэлектронов подложки в рентгеновской нанолитографии». Журнал вакуумной науки и техники В . 15 (6): 2509. Bibcode : 1997JVSTB..15.2509C . DOI : 10.1116 / 1.589675 .
- ^ Lud, Саймон Q .; Стинакерс, Марин; Джордан, Райнер; Бруно, Паола; Gruen, Dieter M .; Feulner, Питер; Гарридо, Хосе А .; Штутцманн, Мартин (2006). «Химическая прививка самоорганизующихся монослоев бифенила на ультрананокристаллическом алмазе». Журнал Американского химического общества . 128 (51): 16884–91. DOI : 10.1021 / ja0657049 . PMID 17177439 .
- ^ Главатских, ИА; Кортов, ВС; Фитинг, H.-J. (2001). «Самосогласованная электрическая зарядка изолирующих слоев и структур металл-диэлектрик-полупроводник». Журнал прикладной физики . 89 : 440. Bibcode : 2001JAP .... 89..440G . DOI : 10.1063 / 1.1330242 .
