Рентгеновская маска
X-RAY MASK

Изобретение относится к области техники и технологии изготовления микросистем и может быть использовано для создания микроструктур в широком диапазоне размеров и различных материалах - полимерных, керамических, полупроводниковых материалах, металлах, а также новых материалах таких как композитные.
Большое количество современных микроизделий формируют с использованием литографических методов. Такие методы микролитографии базируются на использовании пучков: электронов, протонов, квантов ультрафиолетового и рентгеновского излучений, которые локально меняют свойства в микрообъёме материала. В частности, модификация свойств материалов в широком диапазоне размеров обеспечивается использованием коротковолнового рентгеновского излучения. Базовым инструментом для реализации операций рентгеновской литографии является рентгеновская маска, топология которой переносится в рентгеночувствительный слой технологического материала - рентгенорезиста посредством рентгеновских лучей, проходящих сквозь тонкую, прозрачную для рентгеновских лучей область рентгеновской маски – мембрану. Мембрана рентгеновской маски обычно закреплена по периметру на жёсткой оправе, которая обеспечивает механическую жёсткость всей конструкции.
Мембрана рентгеновской маски в режиме использования широкополосного спектра на пропускание должна быть:
• тонкой, чтобы рассеивать сравнительно малую по сравнению с прошедшей  сквозь мембрану долю излучения;
• изготовлена из материала с низким атомным номером, чтобы обеспечить высокое пропускание рентгеновского излучения;
• изготовлена из радиационно-стойкого материала, чтобы не деформироваться в течение облучения;
• прозрачной в оптическом диапазоне спектра для возможного совмещения слоёв;
• выполнена из технологичных материалов, чтобы обеспечить серийное производство масок;
• механически прочной;
• выполнена из дешёвых материалов.
Из уровня техники известны рентгеновские маски, выполненные на тонкой (толщиной несколько микрометров) мембране из материалов с низким атомным номером, а именно алюминия, кремния, нитрида кремния, карбида кремния и описанные в работах [Аристов В.В., Копецкий И.В., Коханчик Г.И., Кудряшов В.А. Перспективы использования мягкого рентгеновского излучения в субмикронной литографии. – Поверхность. Физика, химия, механика, 1983, №11. – С. 5-15., Валиев К.А. Физика субмикронной литографии. – М.: "Наука", 1990. - 528 с., Spiller E., Feder R, 1977, X-ray lithography in Topics in Applied Physics, v.22, ed.H.J.Queisser,. – Р.35-92., Feder R., Spiller E., Topalian J. X-ray Lithography. – Polymer engineering and science, June, 1977, V.17, № 6. – Р.385-389., Кириленко А.Г., Кривоспицкий А.Д., Семин Ю.Ф. Рентгенолитография в микроэлектронике // Зарубежная радиоэлектроника, 1980, V.17, №1. С.36-56.]. Недостатками известных масок является, во-первых, хрупкость и непрактичность тонких мембран, во-вторых, они имеют сравнительно низкую прозрачность в видимом диапазоне спектра, что не позволяет проводить совмещение слоёв и другие операции.
-4
Известна также рентгеновская маска (JPH03155120 A, МПК  G03F1/22, G03F1/24, G03F1/54, H01L21/027, опубликовано 03.07.1991), представляющая собой монокристаллическую пленку из молибдена, вольфрама, золота, свинца и т.д., сформированную в форме мембраны на монокристаллической подложке, такой как кварц или сапфир. Недостатком данной маски является использование геометрии на отражение, при которой рентгеновские лучи отражаются под фиксированным углом (по закону Брэгга в диапазоне углов ~10 рад), что пропорционально снижает падающую на подложку мощность излучения и производительность метода рентгенолитографии. Такого же порядка потери (при исходном широком спектральном диапазоне падающего излучения) могут иметь место в случае использования рентгеновской маски, выполненной на базе монокристаллической поверхности (патент RU 2598153 МПК G03F 7/00, опубликовано 20.09.2016). Для наиболее полной реализации возможностей метода рентгенолитографии рентгеновскую маску более эффективно использовать в широком спектральном диапазоне в геометрии «на пропускание» рентгеновских лучей.
Известны маски на основе сапфировой мембраны в несколько микрометров толщиной, прозрачные для рентгеновских лучей, а также в видимом диапазоне спектра. Например, рентгеновская маска (JPS5330277 А, МПК H01L21/027, H01L21/302, опубликовано 22.03.1978), имеет сапфировый слой, сформированный на монокристаллической подложке, несущий поглощающий рентгеновские лучи рисунок.  Также известна рентгеновская маска JPH0795512 B2 (МПК G03F1/22, G03F1/68, G03F1/80, H01L21/027, H01L21/30, опубликовано 11.10.1995) на базе мембраны из тонкой (от 2 до 4 мкм) пленки неорганического материала. Усугубляющим недостаток использования тонкой мембраны (которая сама по себе не обладает механической жёсткостью) является метод её крепления к опорной раме - приклейка, что может вносить существенные искажения топологии.
Прототипом может служить рентгеновская маска, заявленная в патенте JPH02158121А (МПК G03F1/22, H01L21/027, H01L21/30, опубликовано 18.06.1990). Прототип состоит из утоненной мембраны, поддерживающей рамки и рисунка маски, выполненных из одного и того же материала. Но описанная конструкция не содержит знаков совмещения, необходимых для совмещения слоёв, а также подвержена влиянию электростатического заряда и не содержит элементов, способствующих снятию джоулева тепла, выделяемого при поглощении рентгеновского излучения.
Целью предлагаемого технического решения является минимизация искажений топологии как при изготовлении маски посредством использования нежёсткого клеевого соединения, вызывающей прогиб планаризации поверхности, так и обеспечение возможности совмещения слоёв путём придания мембране высокой прозрачности, снижение термических и вызванных электростатическим эффектом механических напряжений при эксплуатации.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является возможность совмещения слоёв как в оптическом диапазоне спектра с использованием знаков совмещения, так и в диапазонах ультрафиолетового и инфракрасного излучений. Возможность совмещения слоев достигается за счет свойств прозрачности материала маски из лейкосапфира в видимом, инфракрасном и ультрафиолетовом диапазонах. Вышеназванный результат обеспечивается также благодаря использованию знаков совмещения, сформированных в объёме материала маски без внесения искажений в маску. Такие знаки могут быть использованы как при совмещении в условиях отражения излучения назад на детектор, так и в условиях пропускания излучения сквозь полупроводниковую подложку, изготовленную из материалов, прозрачных в ИК-диапазоне, таких как лейкосапфир, кремний, германий, полимеры.
Знаки совмещения, выполненные из материала маски, могут иметь форму как микролинз, преломляющих излучение, так и пропускающих излучение отверстий.
Знаки совмещения используют обычно для совмещения комплементарных рисунков, однако с использованием различных диапазонов излучения (например, рентгеновского и ультрафиолетового) два различных рисунка в один слой могут быть перенесены последовательно с соответствующих масок (рентгеновской и ультрафиолетовой, соответственно), что называется гибридной литографией. При этом каждому типу излучения соответствует своя толщина экстинкции резиста, что позволяет получить в резисте двухуровневую структуру. Таким образом, заявленная маска может быть задействована в двух последовательных экспонированиях с совмещением слоёв.
Другим техническим результатом изобретения является минимизация искажений топологии. Как известно, кванты излучения рентгеновского диапазона инициируют вылет фотоэлектронов с атомных оболочек материала. В результате, ток фотоэлектронов, превышающий ток утечки через контактную поверхность маски, вызывает разность потенциалов, которая способствует прогибу мембраны рентгеновской маски. Прогиб маски вносит искажение в передачу изображения в наибольшей степени тогда, когда маска и подложка наклонены к пучку рентгеновского излучения. На практике этот угол достигает 45 градусов. В целях минимизации прогиба мембраны на маску нанесён тонкий слой металла (в областях, не препятствующих совмещению), гальванически соединённый с землёй, благодаря которому поддерживается электронейтральность маски, нарушенная потерей электронов.
Еще одним техническим результатом изобретения является уменьшение механических искажений мембраны. В целях минимизации механических искажений мембраны, на маске также создан тонкий слой материала, обладающего степенью черноты, близкой к единице. В случае использования слоя алюминия, например, применяют операцию химического окисления в парах масла. Такой слой, не внося существенного вклада в поглощение энергии рентгеновских квантов маской, будет более эффективно рассеивать джоулево тепло в окружающую среду, чем полированная поверхность мембраны из лейкосапфира.
Использование одного материала расширяет область применения заявленной рентгеновской маски, различной толщине мембраны которой отвечает соответствующий спектр применяемого рентгеновского излучения. Малыми искажениями топологии при переносе размеров метод обязан сравнительно низкому сечению рассеяния рентгеновского излучения материалом мембраны - лейкосапфиром, обладающим низким атомным номером. Кроме того, маска с прочной мембраной может применятся при изготовлении микроизделий как на плоских подложках (планарная технология), так и на изогнутых поверхностях.
Изобретение поясняется чертежами. На фиг. 1 приведено схематичное изображение рентгеновской маски со знаками совмещения в форме микролинз; на фиг. 2 приведено схематичное изображение рентгеновской маски со знаками совмещения в форме микроотверстий в подложке.
Рентгеновская маска включает в себя подложку (1), мембрану (2) с топологическими структурами из подслойного (для адгезии топологических структур поглотителя) материала (3) и структур поглотителя (4) на ней, проводящего электрический ток слоя (5), знаков совмещения (6) в форме микролинз (фиг.1) или в форме микроотверстий (8) в подложке (фиг.2) и слоя, генерирующего инфракрасное излучение (7).
Маска выполнена из цельной подложки лейкосапфира такой исходной толщины, которая с одной стороны обеспечивает достаточную механическую жесткость всей конструкции, а с другой – пропускает не менее 50% падающего на неё рентгеновского излучения. Область подложки с нанесенным топологическим рисунком (3, 4) утонена и представляет собой прозрачную не только для рентгеновского, но и видимого, ультрафиолетового и инфракрасного излучения мембрану. Толщина мембраны составляет от десятков до сотен микрон.
Для совмещения слоёв используются знаки совмещения, которые располагаются на подложке с планарной стороны или с непланарной, или с обеих сторон, в зависимости от того, какую площадь занимает топологический рисунок. Подложка, утонённая мембрана и знаки совмещения выполнены из одного материала лейкосапфира и представляют собой монолитную конструкцию.
Знаки совмещения образованы выступающей над уровнем планарной (или непланарной) плоскости (или углублённой ниже уровня планарной (или непланарной) плоскости) поверхностью. Такая поверхность отклоняет падающие лучи, создавая контрастное изображение поверхности знаков совмещения. Если же вся поверхность подложки в области, где должны располагаться знаки совмещения, покрыта слоями для снятия заряда или генерации теплового излучения, знаки совмещения выполняют в виде отверстий в подложке из лейкосапфира.
На поверхность мембраны нанесён тонкий металлический проводящий слой (5) для компенсации потери электрического заряда, унесённого фотоэлектронами. На тыльную поверхность мембраны нанесён тонкий слой материала (7), обработанный до высокой степени черноты, преобразующий поглощённое тепло рентгеновского излучения в инфракрасное излучение. Этот слой может быть как диэлектрическим, так и проводящим. Оба решения могут быть реализованы нанесением на маску тонкого слоя алюминия и его последующего окисления в парах горячего масла.