Рентгеновская литография - X-ray lithography

XRL Currents.svg

Рентгеновская литография, это процесс, используемый в электронной промышленности для выборочного удаления частей тонкой пленки. Оно использует Рентгеновские лучи перенести геометрический узор с маски на светочувствительный химический фоторезист, или просто «сопротивляться» на подложке. Затем серия химических обработок позволяет гравировать полученный рисунок на материале под фоторезистом.

Механизмы

Рентгеновская литография возникла как кандидат на литография нового поколения для полупроводник промышленность[1], с партиями микропроцессоры успешно произведен. Имея короткие длины волн (ниже 1 нм) рентгеновское излучение преодолевает дифракция пределы оптическая литография, что позволяет использовать элементы меньшего размера. Если источник рентгеновского излучения не коллимирован, как в случае синхротронное излучение, элементарный коллимирующие зеркала или же дифракционный линзы используются вместо преломляющий линзы, используемые в оптике. Рентгеновские лучи освещают маску, расположенную рядом с пластиной, покрытой резистом. Рентгеновские лучи широкополосные, обычно из компактного синхротронное излучение источник, позволяющий быстро экспонировать. Глубокая рентгеновская литография (DXRL) использует еще более короткие длины волн, порядка 0,1 нм и модифицированные процедуры, такие как ЛИГА процесс, позволяющий создавать глубокие и даже трехмерные конструкции.

Маска состоит из поглотителя рентгеновского излучения, обычно из золото или соединения тантал или же вольфрам, на мембране, прозрачной для рентгеновских лучей, обычно Карбид кремния или же алмаз. Рисунок на маске написан прямой записью электронно-лучевая литография на резист, созданный 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 создаются путем многократного экспонирования с переводом. Преимущества использования 3-кратного уменьшения включают в себя более легкое изготовление маски, увеличение зазора между маской и пластиной и более высокий контраст. Техника расширяется до плотной 15 нм печатает.

Рентгеновские лучи генерируют вторичные электроны, как в случае литография в крайнем ультрафиолете и электронно-лучевая литография. Хотя точное определение узора в основном связано с вторичными элементами из Оже-электроны при коротком пути первичные электроны будут сенсибилизировать резист в большей области, чем рентгеновское облучение. Хотя это не влияет на разрешение шага рисунка, которое определяется длиной волны и зазором, контраст экспозиции изображения (макс-мин) / (макс + мин) уменьшается, потому что шаг порядка диапазона первичных фотоэлектронов. 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] Несколько отпечатков примерно на 30 нм были опубликованы.[5]

Еще одно проявление фотоэлектронного эффекта - воздействие рентгеновских лучей на электроны из толстых золотых пленок, используемых для изготовления дочерних масок.[6] Моделирование предполагает, что генерация фотоэлектронов на золотой подложке может влиять на скорость растворения.

Фотоэлектроны, вторичные электроны и оже-электроны

Вторичные электроны имеют энергию 25 эВ или меньше и могут генерироваться любым ионизирующим излучением (ВУФ, EUV, рентгеновские лучи, ионы и другие электроны). Энергия оже-электронов составляет сотни электронвольт. Вторичные (генерируемые оже- и первичными фотоэлектронами и превосходящие их по численности) являются главными 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, ниже ≈30 эВ вторичные компоненты имеют другую тенденцию: чем ниже энергия, тем дольше длина свободного пробега хотя тогда они не могут повлиять на развитие резиста.

По мере распада первичные фотоэлектроны и оже-электроны в конечном итоге становятся физически неразличимыми (как в Статистика 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 диапазон электронов

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.

Суммарная длина свободного пробега электронов приводит к размытию изображения, которое обычно моделируется как Функция Гаусса (где σ = размытие), которое свернуто с ожидаемым изображением. Когда желаемое разрешение приближается к размытию, изображение дозы становится шире, чем аэрофотоснимок падающих рентгеновских лучей. Размытие имеет значение скрытое изображение который описывает образование или разрыв связей во время воздействия резиста. В проявленное изображение это окончательное рельефное изображение, созданное выбранным высококонтрастным процессом проявления на скрытом изображении.

Диапазон первичных, оже-, вторичных и сверхнизких энергий электронов высшего порядка, которые печатают (как СТМ исследования) могут быть большими (десятки нм) или малыми (нм), согласно различным цитируемым публикациям. 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

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 слабой 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 и Инъекция 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.

Смотрите также

Примечания

  1. ^ Ю. Владимирский, «Литография» in Vacuum Ultraviolet Spectroscopy II Eds. Дж. А. Самсон, Д. Л. Эдерер, Ch 10, сс 205–223, Academic Press (1998).
  2. ^ 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..114В. Дои:10.1088/0022-3727/32/22/102.
  3. ^ Энтони Бурдийон и Юлий Владимирский, Рентгеновская литография на сладком пятне, UHRL, Сан-Хосе, (2006) ISBN  978-0-9789839-0-1
  4. ^ Vora, KD; Shew, B Y; Харви, E C; Hayes, JP; Пил, А.Г. (2008). «Откосы боковины СУ-8 HARMST с использованием глубокой рентгеновской литографии». Журнал микромеханики и микротехники. 18 (3): 035037. Bibcode:2008JMiMi..18c5037V. Дои:10.1088/0960-1317/18/3/035037.
  5. ^ Ранний, 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. Дои:10.1016 / 0167-9317 (90) 90122-А.
  6. ^ Картер, Д. Дж. Д. (1997). «Прямое измерение влияния фотоэлектронов подложки в рентгеновской нанолитографии». Журнал вакуумной науки и техники B. 15 (6): 2509. Bibcode:1997JVSTB..15.2509C. Дои:10.1116/1.589675.
  7. ^ Lud, Simon Q .; Стинакерс, Марин; Джордан, Райнер; Бруно, Паола; Gruen, Dieter M .; Feulner, Питер; Гарридо, Хосе А .; Штутцманн, Мартин (2006). «Химическая прививка бифенильных самоорганизующихся монослоев на ультрананокристаллическом алмазе». Журнал Американского химического общества. 128 (51): 16884–91. Дои:10.1021 / ja0657049. PMID  17177439.
  8. ^ Главатских, И. А .; Кортов, В. С .; Фиттинг, H.-J. (2001). «Самосогласованная электрическая зарядка изолирующих слоев и структур металл-диэлектрик-полупроводник». Журнал прикладной физики. 89: 440. Bibcode:2001JAP .... 89..440G. Дои:10.1063/1.1330242.