Електронна літографія

Сумський державний університет

Факультет електроніки  та інформаційних технологій

Кафедра прикладної фізики

 

 

 

 

 

КУРСОВА   РОБОТА

з дисципліни

„ТЕХНОЛОГІЧНІ ОСНОВИ ЕЛЕКТРОНІКИ”

 

 

Тема роботи: „Електронна  літографія”

 

 

 

 

Виконала студентка  групи ЕП-91:    Запорожченко А.В. Перевірила:            Опанасюк Н.М.,

кандидат фізико-математичних наук

 

 

 

Суми 2011

ЗМІСТ

Реферат……………………………………………………………………..3

Вступ………………………………………………………………………..4

1. Фізичні основи електронної літографії…………………………………5
2. Загальні поняття. Види електронної літографії…………………..……5

2.1. Проекційна електронна  літографія………………………………....6

2.2. Скануюча електронна літографія…………………………………..9

2.3. Нова електронна літографія………………………………………..13

3. Проблема суміщення…………………………………………………….16

4. Аналітичні моделі………………………………………………………...17

4.1. Модель Каная………………………………………………………...17

4.2. Модель прямого розсіювання………………………………………19

Висновки……………………………………………………………………21

Список літератури…………………………………………………………22

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

РЕФЕРАТ

 

  Курсова робота  складається зі вступу, 4 частин та висновків і присвячена електронній літографії.

У першому розділі  коротко викладено фізичні основи, на яких базується процес електронної  літографії.

У другому розділі  вводяться загальні поняття, а також досить детально описані види електронної літографії, технологічні процеси їх проведення та установки для них.

У третьому розділі коротко описана проблема суміщення як одна с основних в електронній літографії.

У четвертому розділі  викладено матеріал про аналітичні моделі, що допомагають зрозуміти процеси, які відбуваються при взаємодії електронного пучка з системою резист-підкладка

Робота викладена на 22 сторінках, включає 6 рисунків і 10 посилань літератури.

КЛЮЧОВІ СЛОВА:  ЕЛЕКТРОННА ЛІТОГРАФІЯ, ЕЛЕКТРОНОРЕЗИСТ, ПІДКЛАДКА, ПРОЕКЦІЙНА ЕЛЕКТРОННА ЛІТОГРАФІЯ СКАНУЮЧА ЕЛЕКТРОННА ЛІТОГРАФІЯ, НОВА ЕЛЕКТРОННА ЛІТОГРАФІЯ, СУМІЩЕННЯ, РОЗСІЮВАННЯ, ТЕХНОЛОГІЧНИЙ ПРОЦЕС, ЧУТЛИВІСТЬ ТА РОЗДІЛЬНА ЗДАТНІСТЬ, АНАЛІТИЧНА МОДЕЛЬ.

 

 

 

 

 

 

 

 

ВСТУП

 

Мікроелектроніка є  однією з галузей науки і техніки, що розвиваються найбільш швидко. Це пов’язано з все більш зростаючим попитом на електронні прилади та пристрої.

Процес виготовлення мікроелектронних виробів - інтегральних мікросхем постійно вдосконалюється. Мікрохемотехніка є схемотехнічним розділом мікроелектроніки, що вивчає дослідження і розробку схемотехнічних рішень, які використовуються в інтегральних мікросхемах (ІМС). Дана робота присвячена огляду процесу електронної літографії.

Електронна літографія – це метод літографії з використанням  електронного пучка. Вона використовується для створення масок для фотолітографії, виробництва штучних компонентів, де потрібна нанометрова роздільна здатність, у промисловості та дослідницькій роботі.

Системи електронної  літографії для комерційних потреб є дуже дорогими (> $4 млн.), але дозволяють отримати роздільну здатність менше 10 нм (навіть до 1 нм).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. ФІЗИЧНІ ОСНОВИ ЕЛЕКТРОННОЇ ЛІТОГРАФІЇ

 

В електронній літографії використовуються електронні пучки. Довжина хвилі при енергії електронів 15 кеВ близько 10-15 мкм, тобто приблизно на чотири порядки менше, ніж у світлового випромінювання, і на два порядки менше, ніж у рентгенівського випромінювання. Однак внаслідок розсіювання електронів і утворення вторинних електронів з досить високими енергіями розмір області резисту, яка експонується електронами, перевищує розміри перетину електронного пучка і дозволяє, за оцінками,  отримати роздільну  здатність лише 0,2 мкм. Загальний недолік всіх систем електронної літографії полягає  в необхідності помістити підкладку у вакуум, що ускладнює технологію процесу електронної літографії. Від цього недоліку вільна рентгено-променева літографія, при цьому використовується більш просте і дешеве устаткування. [1]

 

2. ЗАГАЛЬНІ ПОНЯТТЯ. ВИДИ ЕЛЕКТРОННОЇ ЛІТОГРАФІЇ

 

Вперше електронний пучок для генерації зображення використали Р.Торнлей та Т.Сан у 1965 р., після чого почався розвиток цього універсального та унікального методу. Виходячи з того, що електрон, який має енергію порядку 90 кеВ, можна співставити з хвильовою функцією з довжиною хвилі біля 0,4 Â деякі вчені вважали цю величину границею роздільної здатності, що є досить необачним, враховуючи те, що розміри атома складають одиниці ангстрем. Однак успіхи в області створення електронно-променевого устаткування дозволяють на серійних установках оперувати з електронними пучками діаметром 10..30 Â. Однак використання аналогічного устаткування для генерації малюнку на підкладці призвели до більш скромних результатів, що на світанку електронної літографії дуже здивувало дослідників. Застосування для генерації лінії пучка електронів діаметром 100 Â призводило до генерації на резисті лінії шириною 1 мкм. Виявилось, що процес взаємодії електронів з твердим тілом, зокрема, з системою «резист - підкладка», набагато складнішим, ніж здавався спочатку.

В розпорядженні у технологів формально є два основних шляхи використання електронних пучків для генерації рисунка на підкладці: одночасне експонування всього зображення (чи його фрагмента) цілком (проекційна літографія) і послідовне експонування гострофокусованим пучком (сканування) окремих ділянок підкладки від точки до точки (скануюча літографія). [2]

 

2.1. ПРОЕКЦІЙНА ЕЛЕКТРОННА ЛІТОГРАФІЯ

 

В проекційній системі широкий несфокусований потік електронів можна використовувати для отримання всього рисунка протягом однієї експозиції. У цій системі фотокатод знаходиться на поверхні оптичної маски із заданим рисунком. Ультрафіолетові промені опромінюють фотокатодний шар через маску, що викликає емісію електронів з фотокатода в опромінених областях рисунка. Ці електрони проектуються на поверхню резиста за допомогою однорідних електростатичних і магнітних полів. В результаті на всій площі підкладки рисунок утворюється за одну експозицію. [3]

Проекційна електронна літографія (ПЕЛГ) основана на експонуванні зображення електроношаблона великих розмірів і є аналогом фото- та –рентгенолітографії . Використовується широкий пучок електронів, що випромінюється пушкою 1 (рис. 1) і розфокусовується пластиною 2, з діаметром, більшим за діаметр підкладки, і П-подібним розподілом щільності струму по перетину пучка. В якості оригіналів, з яких необхідно перенести зображення на резист, використовуються або електроношаблони, або емісійні катоди. Так як виготовлення шаблонів з металічної фольги не єдоцільним через хрупкість конструкції і неможливості отримання замкненого контуру, то використовують технологію неорганічних рентгеношаблонів, так як електронний пучок  енергією порядку 30-50 кеВ легко і практично без спотворення проходить через кремнієву мембрану товщиною 3-6 мкм. Цей спосіб не можна назвати перспективним через труднощі, пов’язані з отриманням потрібних однорідних пучків і створенням прецизійних шаблонів.

Інший напрям ПЕЛГ пов’язаний із застосуванням емісійних катодів. Найпростішим, але майже нереалізовуваним є емісійний термокатод, що є кремнієвою пластиною , покритою або матеріалом з високою термоемісією, або матеріалом з коефіцієнтом термоемісії менше, ніж у кремнію. Нагрів такого термокатода до температури, що відповідає активній термоемісії, призводить до деформації пластини і неконтрольованої зміни розмірів у різних її частинах, що не дозволяє виконати прецизійне конформне відображення рисунка з катода на підкладку. Задача прецизійного термоконтролю по всій площі сучасних пластин діаметром 300 мм є абсолютно утопічною.

Більш перспективними емісійними катодами є фотокатоди (рис. 2), що представляють собою прозорий для УФ-випромінювання шаблон (пластину) 5, на який нанесено шар фото емітера 6 і створений відповідний рисунок 7. В якості фото емітера найчастіше використовується паладій, що має гарну фотоемісію. При опроміненні фотокатода УФ-випромінюванням 2 від квазіточкового джерела 1 зі зворотної сторони катода через конденсор 3, що створює паралельний потік УФ-випромінювання 4, паладій емітує електрони 8 з енергією кілька електрон-вольт. Прикладене електричне поле Е прискорює їх до потрібних енергій, а електронно-оптична система формує на підкладці 10, покритій резистор, відповідний рисунок 9.

Процес проходить при кімнатній температурі. Недоліком цього способу є матеріал фото емітера, що є дуже чутливим до різних видів забруднень, яких неможливо уникнути при роботі. Катод із CsI, наприклад, після 5..10 експозицій «отруюється» і його необхідно регенерувати, тому, поки не буде знайдений довговічний і технологічний матеріал для фотокатодів, ці дослідження не вийдуть за рамки експериментальних. [3]

Рисунок 2 – Проекційна електронна літографія з емісійним

фотокатодом [3]:

1 – джерело УФ-випромінювання;

2 – УФ-випромінювання;

3 – конденсор;

4 – паралельний пучок УФ-випромінювання;

5 – шаблон;

6 – фотоемітер;

7 – рисунок шаблона;

8 – електрони;

9 – рисунок на підкладці;

10 – підкладка.

 

 

 

2.2. СКАНУЮЧА ЕЛЕКТРОННА ЛІТОГРАФІЯ

Для безпосереднього створення малюнка на шаблоні чи підкладці використовуються скануючі системи, що керуються за допомогою ЕОМ, яка задає програму переміщення відфокусованого електронного пучка електронів по поверхні підкладки, керує електронно-оптичною системою формування та настройки променя і забезпечує прецизійне суміщення фрагментів зображення. Переміщення сфокусованого електронного пучка може здійснюватися або растровим способом (повна розгортка променя по площині з погашенням променя в необхідних місцях), або векторним способом (промінь пересувається лише у межах експонованих ділянок, перескакуючи з одної на іншу). [3] На рис. 4а представлений приклад векторної літографії на плівці титану, здійсненої шляхом локального окислення за допомогою провідного зонда. Ширина окисної смужки 8-10 нм дозволяє формувати тунельно-прозорі бар'єри для електронів, а також одно електронні пристрої, що функціонують за квантово-механічними законами при кімнатній температурі. Для складних рисунків можна проводити растрову літографію, яка здійснюється в процесі сканування поверхні. Тобто зонд проходить по всіх точках обраної області сканування, а не тільки по точкам і лініям, відповідним рисунку шаблона, як у векторній літографії. Шаблоном в растровій літографії  служить  заздалегідь завантажений графічний файл. Різниця між найбільшою і найменшою можливою напругою на зразку ділиться пропорційно відповідно до найбільшого і найменшим значень яскравості на вихідному зображенні, і відповідно до цього буде змінюватися висота анодного оксидного шару на поверхні зразка, формуючи на ній топографічний контраст. Приклад растрової літографії наведено на рис. 4б, на якому зображений нобелівський лауреат Жорен Алферов. [4]

Однак у випадку векторного способу точність відхиляючої системи обмежена, і необхідно користуватися комп’ютерною корекцією місцезнаходження пучка.

 

Рисунок 4– Приклад векторної (а) (розмір скана 500×500 нм²) і растрової (б) (розмір скана 2,5×3,0 мкм²) літографії [4]

 

Для формування електронного променя використовується електронно-оптична система, конструктивно виконана у вигляді електронно-оптичної колони (рис. 5.5). Для створення електронного потоку використовуються або термоемісійні, або автоемісійні катоди. Термоемісійні катоди являють собою або У-подібний вольфрамовий дріт (термокатодом) 7, що нагрівається протікаючим через нього електричним струмом до температури, що забезпечує термоемісію електронів, або гостро заточений стрижень зі спеціального матеріалу (частіше всього - гексабориди лантану), що нагрівається будь-яким способом до температури емісії. Автоемісійні катоди представляють собою металевий монокристал, виконаний у вигляді загостреного циліндра, з поверхні вістря якого при дподанні електричного поля відповідної напруженості здійснюється автоеміссія електронів. У систему катодного вузла входить також керуючий електрод 2, що називається венельтом, який служить для формування прикатодної хмари електронів. Між катодом і анодом 7 прикладається прискорююча напруга, за допомогою якої електронний потік набуває необхідної енергії. Обмежуюча діафрагма 3 формує електронний промінь необхідної форми (круглий або квадратний). Зменшуюча лінза 4 створює його зменшене зображення.

Рисунок 5 – Електронно-оптична система установки скануючої електронної літографії [2]:

1 – термокатод;

2 – венельт;

3, 7 – діафрагми;

4, 6 – зменшуючі лінзи;

5 – електрод, що гасить;

8 – проекційна лінза;

9 – ЕВС;

10 – підкладка.

 

Електроди 5, що гасять, здійснюють вимкнення електронного пучка в необхідний момент час. Зменшуюча лінза 6 і діафрагма 7 створюють остаточне зображення променя. Проекційна лінза 8 та електронно-променева відхиляюча система (ЕВС) 9 здійснюють розгортку електтронного променя по поверхні підкладки 10. Формований електронний пучок може мати різну форму (найпростіша - круглий з гаусівським розподілом густини струму по перетину). При переміщенні його від точки до точки необхідно враховувати коефіцієнт заповнення, тому намагаються використовувати або квадратні пучки з П-подібним розподілом щільності струму по перетину пучка, або стрибаючі пучки із змінною геометрією. Проміжне місце між проекційними і скануючими установками займають системи з так званою фасетною оптикою, в яких широкий розфокусований пучок електронів розділяється на безліч дрібних автономно керованих скануючих електронних пучків (кожен зі своєю електронною оптикою і системою управління). Передбачається, що число цих автономних пучків повинно бути достатнім для одночасної обробки всієї поверхні підкладки. Очевидно, що для сучасних підкладок діаметром 300 мм подібний підхід лежить, скоріше, в області наукової фантастики. [2]