Litografia rentgenowska

Litografia rentgenowska to proces stosowany w przemyśle produkcji urządzeń półprzewodnikowych do selektywnego usuwania części cienkiej warstwy fotorezystu. Wykorzystuje promieniowanie rentgenowskie do przeniesienia wzoru geometrycznego z maski na światłoczuły chemiczny fotorezyst lub po prostu „rezyst” na podłożu, aby osiągnąć bardzo mały rozmiar topologiczny elementu. Seria zabiegów chemicznych następnie graweruje wytworzony wzór w materiale pod fotorezystem.

Jest rzadziej stosowany w produkcji komercyjnej ze względu na zbyt wysokie koszty materiałów (takich jak złoto używane do blokowania promieni rentgenowskich) itp.

Mechanizmy

Litografia rentgenowska powstała jako kandydat do litografii nowej generacji dla przemysłu półprzewodnikowego , z pomyślnie wyprodukowanymi partiami mikroprocesorów . Mając krótkie długości fal (poniżej 1 nm), promienie rentgenowskie pokonują granice dyfrakcji litografii optycznej , umożliwiając mniejsze rozmiary obiektów . Jeśli źródło promieniowania rentgenowskiego nie jest skolimowane, jak w przypadku promieniowania synchrotronowego , elementarne zwierciadła kolimacyjne lub dyfrakcyjne soczewki są używane zamiast soczewek refrakcyjnych stosowanych w optyce. Promienie rentgenowskie oświetlają maskę umieszczoną w pobliżu płytki pokrytej warstwą oporową. Promienie rentgenowskie są szerokopasmowe, zwykle z kompaktowego promieniowania synchrotronowego , co umożliwia szybką ekspozycję. Głęboka litografia rentgenowska (DXRL) wykorzystuje jeszcze krótsze długości fal rzędu 0,1 nm i zmodyfikowane procedury, takie jak proces LIGA , do wytwarzania głębokich, a nawet trójwymiarowych struktur.

Maska składa się z pochłaniacza promieni rentgenowskich, zazwyczaj ze złota lub związków tantalu lub wolframu , na membranie, która jest przezroczysta dla promieni rentgenowskich, zwykle z węglika krzemu lub diamentu . Wzór na masce jest zapisywany za pomocą litografii z bezpośrednim zapisem wiązką elektronów na rezyście, który jest opracowywany w konwencjonalnych procesach półprzewodnikowych. Membrana może być rozciągnięta w celu uzyskania dokładności nakładania.

Większość demonstracji litografii rentgenowskiej przeprowadzono przez kopiowanie z wiernością obrazu (bez powiększenia) na linii rozmytego kontrastu, jak pokazano na rysunku. Jednak wraz z rosnącym zapotrzebowaniem na wysoką rozdzielczość litografia rentgenowska jest obecnie wykonywana w tak zwanym „sweet spot”, przy użyciu lokalnego „rozmniejszenia przez odchylenie”. Gęste struktury powstają w wyniku wielokrotnej ekspozycji z translacją. Zalety stosowania 3-krotnego depowiększenia obejmują łatwiejsze wykonanie maski, zwiększenie odstępu między maską a płytką oraz wyższy kontrast. Technika ta jest rozszerzalna do gęstych wydruków 15 nm .

Promienie rentgenowskie generują elektrony wtórne, jak w przypadku litografii w ekstremalnym ultrafiolecie i litografii z wiązką elektronów . Podczas gdy definicja drobnego wzoru wynika głównie z wtórnych elektronów Augera o krótkiej drodze, elektrony pierwotne będą uczulać opór na większym obszarze niż ekspozycja na promieniowanie rentgenowskie. Chociaż nie ma to wpływu na rozdzielczość wzoru, która jest określana przez długość fali i przerwę, kontrast ekspozycji obrazu (maks.-min.)/(maks.+min.) jest zmniejszona, ponieważ wysokość jest rzędu pierwotnego zakresu fotoelektronów. Na chropowatość i nachylenia ścian bocznych mają wpływ te elektrony wtórne, ponieważ mogą one przebyć kilka mikrometrów w obszarze pod absorberem, w zależności od ekspozycji energii promieniowania rentgenowskiego. Opublikowano kilka wydruków przy około 30 nm .

Innym przejawem efektu fotoelektronów jest ekspozycja na elektrony generowane przez promieniowanie rentgenowskie z grubych złotych warstw używanych do produkcji masek potomnych. Symulacje sugerują, że generowanie fotoelektronów ze złotego podłoża może wpływać na szybkość rozpuszczania.

Fotoelektrony, elektrony wtórne i elektrony Augera

Elektrony wtórne mają energię 25 eV lub mniejszą i mogą być generowane przez dowolne promieniowanie jonizujące ( VUV , EUV, promieniowanie rentgenowskie, jony i inne elektrony). Elektrony ślimaka mają energię setek elektronowoltów. Wtórne (generowane przez Auger i pierwotne fotoelektrony i przewyższające je liczebnie) są głównymi czynnikami odpowiedzialnymi za ekspozycję.

Względne zakresy pierwotnych fotoelektronów i elektronów Augera zależą od ich odpowiednich energii. Energie te zależą od energii padającego promieniowania i od składu rezystancji. Istnieje duże pole do optymalnego wyboru (odnośnik 3 artykułu). Kiedy elektrony Augera mają niższe energie niż fotoelektrony pierwotne, mają krótsze zasięgi. Oba rozpadają się na wtórne, które oddziałują z wiązaniami chemicznymi. Gdy energie wtórne są zbyt niskie, nie rozrywają wiązań chemicznych i przestają wpływać na rozdzielczość druku. Eksperymenty dowodzą, że łączny zakres jest mniejszy niż 20 nm. Z drugiej strony drugorzędne mają inny trend poniżej ≈30 eV: im niższa energia, tym dłuższy czas oznaczają swobodną ścieżkę , choć nie są wtedy w stanie wpłynąć na opór rozwoju.

W miarę rozpadu pierwotne fotoelektrony i elektrony Augera ostatecznie stają się fizycznie nie do odróżnienia (jak w statystyce Fermiego – Diraca ) od elektronów wtórnych. Zasięg niskoenergetycznych elektronów wtórnych jest czasem większy niż zakres pierwotnych fotoelektronów czy elektronów Augera. W litografii rentgenowskiej liczy się efektywny zasięg elektronów, które mają energię wystarczającą do utworzenia lub zerwania wiązań chemicznych w materiałach oporowych ujemnych lub dodatnich.

Zakres elektronów litograficznych

Promienie rentgenowskie nie ładują się. Stosunkowo duża średnia droga swobodna (~20 nm) elektronów wtórnych utrudnia kontrolę rozdzielczości w skali nanometrowej. W szczególności litografia z wiązką elektronów jest narażona na ujemne ładowanie przez padające elektrony i wynikające z tego rozprzestrzenianie się wiązki, co ogranicza rozdzielczość. Dlatego trudno jest wyizolować efektywny zasięg wtórnych części, który może być mniejszy niż 1 nm.

Połączona średnia droga swobodna elektronu skutkuje rozmyciem obrazu, które jest zwykle modelowane jako funkcja Gaussa (gdzie σ = rozmycie), która jest spleciona z oczekiwanym obrazem. Gdy pożądana rozdzielczość zbliża się do rozmycia, obraz dawki staje się szerszy niż obraz lotniczy padających promieni rentgenowskich. Rozmycie, które ma znaczenie, to utajony obraz , który opisuje tworzenie lub zrywanie wiązań podczas ekspozycji maski. Wywołany obraz jest ostatecznym obrazem wypukłym utworzonym w wybranym procesie wywoływania obrazu utajonego o wysokim kontraście.

Według różnych cytowanych publikacji, zakres pierwotnych, Augera, wtórnych i ultraniskich energii generacji elektronów wyższego rzędu, które drukują (jak wykazały badania STM ), może być duży (dziesiątki nm) lub mały (nm). Ponieważ zakres ten nie jest stałą liczbą, trudno go określić ilościowo. Chropowatość krawędzi linii jest pogarszana przez związaną z tym niepewność. Chropowatość krawędzi linii ma rzekomo pochodzenie statystyczne i tylko pośrednio zależy od średniego zakresu. W powszechnie stosowanych warunkach litograficznych można kontrolować i wykorzystywać różne zakresy elektronów.

Ładowanie

Promienie rentgenowskie nie niosą ładunku, ale przy zaangażowanych energiach rozpad Augera zjonizowanych gatunków w próbce jest bardziej prawdopodobny niż rozpad radiacyjny. Promieniowanie wysokoenergetyczne przekraczające potencjał jonizacji generuje również wolne elektrony, które są pomijalne w porównaniu z tymi wytwarzanymi przez naładowane wiązki elektronów. Ładowanie próbki po jonizacji jest bardzo słabą możliwością, gdy nie można zagwarantować, że zjonizowane elektrony opuszczające powierzchnię lub pozostające w próbce są odpowiednio zrównoważone w czasie z innych źródeł. Przeniesienie energii do elektronów w wyniku promieniowania jonizującego powoduje rozdzielenie ładunków dodatnich i ujemnych, które szybko rekombinują ze względu częściowo na duży zasięg siły Coulomba. Zaobserwowano, że folie izolacyjne, takie jak tlenki bramek i rezystory, ładują się do potencjału dodatniego lub ujemnego pod wpływem napromieniowania wiązką elektronów. Folie izolacyjne są ostatecznie neutralizowane lokalnie przez ładunek przestrzenny (elektrony wchodzące i wychodzące z powierzchni) na granicy faz rezystancja-próżnia i Wstrzyknięcie Fowlera-Nordheima z podłoża. Na zasięg elektronów w filmie może wpływać lokalne pole elektryczne. Sytuację komplikuje obecność dziur (dodatnio naładowanych luk elektronowych), które są generowane wraz z elektronami wtórnymi i które można oczekiwać, że będą za nimi podążać. W miarę postępu neutralizacji wszelkie początkowe stężenie ładunku skutecznie zaczyna się rozprzestrzeniać. Ostateczny stan chemiczny filmu jest osiągany po zakończeniu neutralizacji, po ostatecznym zwolnieniu wszystkich elektronów. Zwykle, z wyjątkiem stepperów rentgenowskich, ładowanie można dalej kontrolować za pomocą pistoletu zalewowego lub warstwy odpornej na grubość lub warstwę rozpraszającą ładunek.

Zobacz też

• Fotolitografia
  • Laser ekscymerowy
• Ekstremalna litografia ultrafioletowa
• Litografia wiązką elektronów
• litografia jonowa

Notatki

1. ^ Y. Vladimirsky, „Litografia” w próżniowej spektroskopii ultrafioletowej II wyd. JASamson i DLEderer, rozdz. 10, str. 205–223, Academic Press (1998).
2. ^ Władimirski, Julia; Bourdillon, Antoni; Władimirski, Olga; Jiang, Wenlong; Leonard, Quinn (1999). „Depowiększenie w bliskiej litografii rentgenowskiej i rozciągliwość do 25 nm poprzez optymalizację dyfrakcji Fresnela”. Journal of Physics D: Fizyka stosowana . 32 (22): 114. Bibcode : 1999JPhD...32..114V . doi : 10.1088/0022-3727/32/22/102 .
3.   ^ Antony Bourdillon i Yuli Vladimirsky, litografia rentgenowska w Sweet Spot , UHRL, San Jose, (2006) ISBN 978-0-9789839-0-1
4. ^ Wora, KD; Shew, BY; Harvey, EC; Hayes, JP; Peele, AG (2008). „Stoki ścian bocznych SU-8 HARMST przy użyciu głębokiej litografii rentgenowskiej”. Dziennik mikromechaniki i mikroinżynierii . 18 (3): 035037. Bibcode : 2008JMiMi..18c5037V . doi : 10.1088/0960-1317/18/3/035037 .
5. ^ wcześnie, K; Schattenburg, M; Smith, H. (1990). „Brak degradacji rozdzielczości w litografii rentgenowskiej dla λ od 4,5 nm do 0,83 nm”. Inżynieria mikroelektroniczna . 11 : 317. doi : 10.1016/0167-9317(90)90122-A .
6. ^ Carter, DJD (1997). „Bezpośredni pomiar wpływu fotoelektronów podłoża w nanolitografii rentgenowskiej”. Journal of Vacuum Science and Technology B. 15 (6): 2509. Bibcode : 1997JVSTB..15.2509C . doi : 10.1116/1.589675 .
7. ^   Lud, Szymon Q .; Steenackers, Marin; Jordania, Rainer; Bruno, Paola; Gruen, Dieter M.; Feulner, Piotr; Garrido, Jose A.; Stutzmann, Martin (2006). „Chemiczne szczepienie samoorganizujących się monowarstw bifenylu na ultrananokrystalicznym diamencie”. Dziennik Amerykańskiego Towarzystwa Chemicznego . 128 (51): 16884–91. doi : 10.1021/ja0657049 . PMID 17177439 .
8. ^ Glavatskikh, IA; Kortow VS; Dopasowanie, H.-J. (2001). „Samozgodne ładowanie elektryczne warstw izolacyjnych i struktur metal-izolator-półprzewodnik”. Journal of Applied Physics . 89 : 440. Bibcode : 2001JAP....89..440G . doi : 10.1063/1.1330242 .