Brevet FR2461281A2 — publié le 19810130

FR 2461281 A2 19810130 FR 7917605 A 19790706 La présente addition se rapporte au dispositif de microlithographie décrit dans la demande de brevet déposée le 24 Juillet 1978, sous le numéro 78.21826. Dans la demande de brevet principale, il est décrit un dispositif de microlithographie par bombardement d'un échantillon à l'aide de particules chargées, ces particules étant des électrons. Le dispositif selon l'invention comporte une source d'électrons et un échantillon se déplaçant dans une direction prédéterminée, sur lequel doit être tracé un motif suivant un programme préétabli.Le dispositif se caractérise principalement en ce que les électrons proviennent d'un ensemble d'éléments placés dans un me plan, chaque élément pouvant prendre un état actif ou état !1111 ou un état passif ou état "O", le plan de l'objet à bombarder étant le conjugué de ce plan par rapport à un système d'imagerie de grandissement très inférieur à 1, ces éléments étant rangés en lignes et en colonnes, et chaque élément étant associé à une bascule à deux états, l'information circulant d'une colonne à la suivante en synchronisme avec le déplacement du porte-objet avec une vitesse moyenne, ces deux vitesses de déplacement étant dans un rapport proportionnel au grandissement. Le dispositif comporte deux variantes d'exécution : selon la première variante, chaque élément agit comme une source de particules chargées produisant un pinceau d'électrons, l'état actif étant un état émissif ;et selon la seconde variante, chaque élément agit alternativement comme un reflecteur ou un absorbeur d'électrons, le plan des éléments recevant un faisceau d'électrons produit par une source unique, ce au travers d'un prisme magnétique déflecteur et d'une lentille électronique supplémentaire. L'ensemble agit comme un objectif à immersion par analogie avec ltop- tique classique. Un élément à l'état actif réfléchit les électrons et un élément à l'état passif les absorbe.Les électrons réfléchis repassent ensuite dans le prisme magnétique déflecteur qui les dévient vers le système d'imagerie et ensuite vers ltéchantillon à bombarder. Pour certaines applications en microlithographie, il est préférable ou même indispensable d'utiliser à la place d'un faisceau d'électrons, un faisceau d'ions.On peut citer à titre d'exemples non limitatifs - la modification de la solubilité de certains types de résines organiques. - la modification de la solubilité de certains matériaux inorganiques en couche mince, en présence de certains agents. Par exemple, la vitesse d'attaque de la silice par l'acide fluorhydrique est considérablement augmentée par un bombardement de protons. - la pulvérisation directe de matériaux en couche mince par projection sur le support d'un faisceau d'ions. En outre, la microlithographie par faisceau d'ions présente des avantages sur les microlithographies par faisceau de photons ou par faisceau d'électrons - peu de diffraction, car l'énergie acquise par les ions eorrespond à une longueur d'onde associée négligeable. Ceci reste vrai pour les électrons. - peu de diffusion latérale car les collisions non élastiques sont prépondérantes dans le mécanisme de ralentissement d'un ion bombardant un matériau solide. L'énergie de 11 ion à l'impact est absorbée dans un volume élémentaire situé dans le prolongement immédiat de la trajectoire de l'ion incident. La présente addition , tout en gardant l'architecture générale adoptée pour le dispositif de microltithographie selon la demande de brevet principale, et en préservant les avantages, va proposer un agencement particulier permettant d'utiliser un faisceau d'ions à la place d'un faisceau électronique. L'addition a donc pour objet un dispositif de microlithographie par bombardement à l'aide d'un faisceau de particules chargées d'un échantillon, solidaire d'un porte-objet en mouvement et sur lequel doivent être tracés des motifs préétablis,selon la revendication 1 du brevet principal ; dispositif comportant un ensemble d'éléments placés dans un même plan selon une configuration spatiale prédéterminée et pouvant prendre deux états distincts et un système d'imagerie de grandissement très inférieur à 1 ; dispositif caractérisé en ce que de chaque élément émerge un pinceau de particules chargées, modulé en tout ou rien selon l'état pris par l'élément sous la commande de circuits logiques, les particules chargées étant des ions ; le plan de l'échantillon à bombarder étant en outre le plan conjugué du plan des éléments par rapport au système d'imagerie et les éléments étant disposés aux intersections des lignes et des colonnes d'une matrice, les circuits logiques Permettant l'application séquentielle d'une tension appropriée conformément à un programme préétabli en relation avec les motifs à tracer et en synchronisme avec le déplacement du porte-objet. La présente addition sera mieux comprise et d'autres avantatages apparaîtront à la lecture de la description ci-après en se référant aux dessins annexés parmi lesquels - les figures 1 à 3 illustrent une première variante selon l'addition. - les figures 4 et 5 illustrent une seconde variante selon l'addition. Un dispositif de microlithographie par bombardement d'ions peut être réalisé selon deux variantes conservant sensiblement les architectures proposées par la demande de brevet principale pour les deux variantes de dispositifs utilisant un faisceau d'électrons. Les différences essentielles sont constituées d'une part, par la nature de la source de particules chargées et, d'autre part par les polarités des tensions alimentant les différents électrodes du dispositif, les ions étant des particules chargées positivement. Les sources d'ions habituellement utilisées peuvent être regroupées dans trois catégories principales - les sources d'ions du type duoplasmotron : la source d'ion est un plasma crée par une décharge et confiné par un champ magnetique important. Une telle source est par exemple décrite dans le brevet US NO 3699 334 (COHEN et autres). - les sources à effet de champ et à métal liquide : une anode pointue possédant un axe de révolution est munie d'un tube capillaire coaxial à l'axe de révolution et débouchant à l'extré- mité de l'anode. Cette anode est polarisée positivement par rapport à une cathode d'accélération.Un métal liquide, par exemple du gallium est introduit dans le tube capillaire. Le métal liquide sortant du tube capillaire, sous l'action des forces électrostatiques, prend la forme d'une pointe très éffilée, à l'extrémi- té de laquelle s'établit un champ suffisament puissant pour ioniser et accélerer les atomes du métal liquide. - et les sources d'ions à effet de champ pour ions d'un gaz une pointe polarisée positivement dans une atmosphère de gaz à basse pression (de l'ordre de 7 10 5 Pa) crée au voisinage de la pointe un champ électrique assez fort pour ioniser et accélérer les atomes de gaz présents à proximité de cette pointe. Une source combinant les deux derniers effets est décrite, par exemple5dans le brevet US NO 4085 330 (BURROUGHS). Les sources du premier type ont une brillance assez faible, ce qui conduit à une faible intensité du courant de bombardement de l'échantillon. Les sources des deuxième et troisième types ent une brillance beaucoup plus forte, cependant lorsqu'on désire un faisceau très fin, ce qui est généralement le cas lorsquton veut réaliser des circuits semi-conducteurs à très haute densité d'intégration, les temps d'exposition doivent augmenter notablement et le processus de gravure en est fortement ralenti. L'addition, mettant en oeuvre des dispositions analogues à celles retenues pour les dispositifs de microlithographie par bombardement électronique selon la demande de brevet principale, permet d'améliorer la vitesse du processus de gravure tout en utilisant des sources d'ions à faible brillance. La figure i représente un dispositif de microlithographie par bombardement à l'aide d'un faisceau d'ion selon une première variante. Dans cette variante, la source d'ion est de préférence une source du troisième type décrit antérieurement, c'est à dire à effet de champ pour ions d'un gaz. En effet, une source du type duoplasmotron a une section efficace d'émission trop importante (de 500 pm àl mm), et qui nécessiterait l'utilisation d'un système d'imagerie de grandissement de l'ordre de 1/1000 pour obtenir une finesse de gravure souhaitable et entraînerait par la même de nombreuses difficultés. Une source utilisable est celle illustrée en relation avec les figures 2 et 3. La structure de cette source est analogue à celle de la source utilisée dans la première variante de la demande de brevet principale : seules les polarités des potentiels électriques à appliquer doivent être inversées. Sur un substrat 100 de silicium intrinsèque est déposée une couche 101 de silicium fortement dopée dans laquelle sont intégrés des registres. A chaque étage de chaque registre correspond un plot de silicium 102 fortement dopé servant de connexion. Sur cet ensemble est formée une couche de silice 103, l'ensemble supporte une couche de molybdène 105. Dans la couche 105 et la couche 103, ont été formées par des procédés de photolitho~raphie des alvéoles de 1,5 pm de diamètres formant des lignes et des colonnes, les alvéoles respectives 106 contenant respectivement les plots 102. Sur ces plots sont déposés des cônes 107 affleurant à la surface de la couche 103. La hauteur de la couche de silice est sensiblement de 1, 5 pm, l'épaisseur de la couche de molybdène est de sensiblement 0, 4 pm. Les cônes peuvent être à base de tungstène, d'iridium ou de matériau réfractaire.L'ensemble doit être plongé dans une atmosphère d'un gaz dont on veut produire les ions, à une pression d'environ 7 10 D Pa. Pour rendre actif un cône, il suffit de le porter à une tension d'environ + 20V par rapport à la couche 105. Le cône produit alors des ions au voisinage de la pointe. Le gaz peut être par exemple de l'hydrogène. En revenant à la figure 1, le fonctionnement du dispositif va maintenant être explicité. Le fonctionnement est analogue à celui de la première variante de la demande de brevet principale. Seules les phases principales vont être rappelées. Un système de traitement numérique de données 1, qui peut être par exemple un microprocesseur associé à des moyens de mémorisation, fournit à des circuits logiques d'interface 4 des informations binaires selon un programme préétabli, en vue de graver un motif prédéterminé sur un échantillon 2 solidaire d'un porte-objet 3 mis en mouvement suivant l'axe Y par un moteur 8. Dans un premier temps, on suppose que ce déplacement se fait pas à pas. Les circuits logiques 4 re çoivent également sur l'entrée Y des informations sur la position du porte-objet, à l'aide d'un senseur de position approprié non représenté sur la figure.Ces senseurs sont bien connus de l'homme de métier et n'entrent pas dans le cadre de l'invention. A l'aide de ces informations, un signal d'horloge C est généré et sert à commander le chargement des informations binaires dans les registres à décalage R1 à Rm, intégrés dans le substrat 101, dont l'un d'entre eux est représenté figure 2. Chacun de ces registres comprend n étages pouvant prendre deux états logiques O ou "1".Le potentiel V ou V + Av correspond à l'état de chaque étage AJ est appliqué à un élément d'un ensemble 5 de sources d'ions, chacune de ces sources SJ étant de très faible dimension, et étant rendue active, quand l'étage du registre correspondant est à l'état "1", ou passive quand l'étage est à l'état O. Un système d'imagerie 6 et 7 forme de cette source 5 une image réelle sur le port Q-objet 3 ayec un grandissement de tordre de -1 Le potentiel V est de l'ordre de + 60 KV. L'électrode 6 est u S cathode d'accélération reliée au potentiel OV. L'ensemble 7, alternativement au potentiel OV et à la tension Vs, forme une lentille électrostatique.La tension Vx varie au tour de 60 KV de fa çon à focaliser le faisceau d'ions produit par les éléments actifs de la source 5 correspondant à une colonne. L'information est ensuite décalée à l'aide des impulsions d'horloge C vers la colonne suivante. La vitesse moyenne de décalage est proportionnelle à la vitesse de déplacement du porte-objet, ce dans un rapport égal au grandissement. Le moteur d'entraînçment 8 est de préférence, non pas un moteur pas a pas d'utilisation délicate, mais un moteur assurant un déplacement uniforme. Il faut donc assurer correlativement un déplacement du faisceau d'ions pour-que,l'impact de ce faisceau sur l'échantillon reste fixe. Pour ce faire, on peut utiliser les moyens décrits en relation avec la figure 13, dans la demande de brevet principale. Ce type de source, bien qu'assurant un processus d'inscription rapide sur l'échantillon, peut se révéler difficile à mettre en oeuvre. Une seconde variante de réalisation de dispositif de microlithographie par bombardement ionique selon l'addition, et qui va être décrite en relation avec les figures 4 et 5, permet d'obvier ces difficultés. Cette variante est analogue à la seconde variante de la demande de brevet principale. On utilise alors de préférence une source d'ions du type duoplasmatron précédemment décrite, symbolisée par la référence 42, recevant un gaz approprié G et portée à un potentiel +V de l'or- dre de 60 KV. Cette source ne sert plus directement à bombarder l'échantillon 2, ce qui exigerait un système d'imagerie de trop faible grandissement, comme il a été rappelé, mais à projeter des ions sur un ensemble 40 de plots réflecteurs 41, au travers d'un prisme magnétique déviateur 44. Le champ magnétique H est perpendiculaire au plan de la figure. L'ensemble 40 est illustré sur la figure 5. Sur cette figure, l'ensemble 40 est constitué de plots 41 en matière conductive, rangés en matrice, comme dans le cas précédent, et relié chacun à une bascule bistable, non représentée et intégrée dans la plaque support 401 en silicium dopée déposée sur du silicium intrinsèque 402. Ces plots sont, quand l'étage correspondant est àl'état "0" au potentiel + V, quand il est à l'état "1", au potentiel + (V + #V), avec comme dans le cas précédent AV de l'ordre de 20 V et V de l'ordre de 60 KV. Au voisinage de cet ensemble est placé une lentille électrostatique 46, porté au potentiel de la masse et formant avec l'ensemble 40, ce qu'il est convenu d'appeler par analogie avec l'optique classique, un objectif à immersion.Une cathode électrostatique d'accélération 43, reliée à la masse, accélère les ions qui traversent le prisme magnétique 44. Les ions qui rencontrent les plots au potentiel + V sont absorbés. Ceux qui sont dirigés vers les plots au potentiel + (V + EV) sont réfléchis. Tout se passe comme si ces derniers plots étaient des anodes du type de la première variante et émettaient des ions avec une tension d'accélération AV qui est comme dans le cas précédent de l'ordre de 20 volts. Ces ions repassent dans le prisme 44. Ils sont dirigés vers un ensemble de lentilles électrostatiques 45. Ces dernières lentilles forment avec l'objectif à immersion un système d'imagerie, par rapport auquel la face de l'ensem- ble 40 soumis à l'impact des électrons et le plan 2 de l'échantil- lon à bombarder sont stigmatiques. Cet ensemble a un grandissement de- 1 . Le porte-objet 3 comme dans le cas précédent est animé d'un mouvement continu suivant l'axe Y. Le fonctionnement du dispositif de la figure 4 est en tous points analogue à celui cor respondant à la seconde variante décrite dans la demande de brevet principale au regard de la figure 4. Les informations binaires P sont introduites dans les registres à décalages R1 à Rm dont les étages sont associés aux plots 41, via les circuits logiques 4, et décalées à l'aide des impulsions d'horloge C. Le type de source utilisée de préférence pour cette variante d'exécution (duoplasmatron) est simple, stable et a un diagramme d'émission homogène donnant un éclairement uniforme. La faible brillance de ce type de source est compensée par le fait qu'un grand nombre de points sont traités simultanément : tous les plots actifs contenus dans la matrice. Cependant les deux autres types de sources décrites peuvent être également utilisées et en particulier la source à effet de champ et à métal liquide, lorsqu'on veut pulvériser un matériau présent sur l'échantillon par bombardement ionique direct. Enfin pour les deux variantes qui viennent d'être décrites,des moyens de pompage non représentés maintiennent une basse pression et évacue les atomes sédentaires. A titre d'illustration, des valeurs typiques caractérisant les microlithographies par bombardement à l'aide d'un faisceau d'électrons ou d'un faisceau d'ions sont résumées dans le tableau 1. Il ressort du tableau 1 que, en ce qui concerne l'impression sur résine, une source à effet de champ ionique, permet des vitesses d'impression comparables à une source à électrons, mais en ce qui concerne la pulvérisation directe d'ion, veules, de par leur nature, les sources d'ions à effet de champ sont utilisables. La présente addition n'est pas limitée aux seuls exemples d'exécution qui ont été décrits pour illustrer les deux variantes de l'invention. Notamment, comme il a été indiqué d'autres types de sources que celles représentées sur les figures 1 et 4 sont utilisables. TABLEAU 1 Energie des ions 50 keV Energie des électrons 20 keV Brillance d'une source d'ions - du type duoplasmotron (à 60 KV) 90 Acm 2 sr -1 - du type à effet de champ 5. 105 A cm 2 sr-1 (le métal étant du Gallium) Brillance d'une source d'électrons 5. 104 A cm 2 sr-l (avec cathode chauffée en Tungstène) Densité du courant dans une image 1 A cm-2 ionique avec une source à effet de dechamp Temps d'impression d'une image sur une résine: - - sources d'ions du type II 3. 10 s Duoplasmotron - - Sources d'ions du type -6 s Effet de champ - - Source d'électrons -6 s - - par pulvérisation de 1 m d'or - source d'ions du type 300 s Duoplasmotron - source d'ions à effet 10-1 s de champ REVENDICATIONS 1. Dispositif de microlithographie par bombardement à l'aide d'un faisceau de particules chargées d'un échantillon, solidaire d'un porte-objet en mouvement et sur lequel doivent être tracés des motifs préétablis, selon la revendication 1 du brevet principal ; dispositif comportant un ensemble d'éléments placés dans un même plan selon une configuration spatiale prédéterminée et pouvant prendre deux états distincts et un système d'imagerie de grandissement très inférieur à 1 ; dispositif caractérisé en ce que de chaque élément émerge un pinceau de particules chargées, modulé en tout ou rien selon l'état pris par l'élément sous la commande de circuits logiques , les particules chargées étant des ions ; le plan de l'échantillon à bombarder étant en outre le plan conjugué du plan des éléments par rapport au système d'imagerie et les éléments étant disposés aux intersections des lignes et des colonnes d'une matrice, les circuits logiques permettant l'application séquentielle d'une tension appropriée conformément à un programme préétabli en relation avec les motifs à tracer et en synchronisme avec le déplacement du porte-objet. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque élément est une source d'ions, pouvant prendre un état émissif ou état 1 ou un état passif ou état O. 3. Dispositif suivant la revendication 2, caractérisé en ce que chaque élément est constitué essentiellement par une anode formée d'une pointe de métal, l'ensemble des éléments étant intégré sur un substrat semiconducteur, dans lequel sont intégrés également les circuits logiques de commande, une couche mince de métal étant disposé sur l'ensemble, cette couche comportant des alvéoles contenant respectivement les pointes de métal et chaque anode étant isoléee électriquement par rapport aux autres ; un gaz à basse pression étant amené à proximité des pointes de métal pour produire des ions de ce gaz. 4. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que, le système d'imagerie étant formé d'un objectif à immersion et d'une lentille supplémentaire, le plan des éléments est placé sur le plan objet de l'objectif à immersion, cet objectif recevant des ions provenant d'une source unique après passage dans un prisme magnétique, chaque élément pouvant prendre un état actif ou état 1 permettant la réflexion des ions reçus vers l'échantillon après passage dans le prisme magnétique ; et un état passif ou état O. 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que les éléments sont essentiellement constitués par des plots conducteurs, l'ensemble des éléments étant intégré sur un substrat semiconducteur, dans lequel sont intégrés également les circuits logiques de commande ; chaque plot étant isolé électriquement par rapport aux autres. 6. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que la source unique d'ions est une source du type duoplasmatron. 7. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que la source unique d'ions est une source du type à effet de champ dans un gaz prédéterminé, sous basse pression, amené à proximité d'une anode de forme allongée, se terminant par une pointe de manière à produire des ions de ce gaz. 8. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que la source unique d'ions du type à effet de champ, comprend une anode de forme allongée se terminant par une pointe et comportant un tube capillaire dans lequel circule un métal liquide destiné à être ionisé ; les ions pulvérisant un matériau déposé sur l'échantillon. 9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 8 caractérisé en ce que les circuits logiques #omprennent -des bascules bistables disposées selon les lignes et les colonnes d'une matrice, chaque élément étant associé à une bascule ; et en ce que les bascules d'une même colonne reçoivent simultanément des informations binaires et les bascules d'une même ligne sont connectées entre elles pour former les étages d'un registre à décalage recevant des impulsions d'horloge commandant le décalage, la fréquence de ces impulsions étant telle que la vitesse moyenne de transmission des informations binaires d'un étage au suivant de chaque registre à décalage est proportionnelle à la vitesse de déplacement du porte-objet, le rapport de proportionnalité étant égal au grandissement. 10. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu'un moteur déplaçant le porte-objet de façon continue, des moyens de déviation assurant l'immobilité relative du faisceau de particules chargées et du porte-objet durant chaque impression de motif. 11. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 10 caractérisé en ce que le système d'imagerie comprend des lentilles électrostati#ques.