СПОСОБ СОЗДАНИЯ МАСКИ НА ПОВЕРХНОСТИ ПОДЛОЖКИ
METHOD FOR MASK CREATION AT SUBSTRATE SURFACE

Заявляемое техническое решение относится к литографии, точнее к способам создания резистивной маски на поверхности подложки, в частности, полупроводниковой подложки. Оно представляет интерес для разработки литографических установок с высокими производительностью и разрешением.
Создание резистивной маски является важнейшим компонентом литографического процесса и, в целом, включает следующие стадии:
рез
1. Нанесение слоя полимерного резиста на поверхность подложки, обычно толщина слоя резиста l составляет 200÷400 нм, на перспективу для литографии экстремального ультрафиолета (EUV-литографии) толщина слоя резиста может быть уменьшена до ~50 нм.
2. Локальное экспонирование резиста (создание структуры).
3. Проявление заданной при экспонировании структуры, когда на подложке остаются только экспонированные (или неэкспонированные - в зависимости от типа резиста и способа проявления) участки резиста.
В дальнейшем, в соответствии со структурой резистивной маски, через свободные от резиста участки проводится травление (или другая обработка) нижележащих технологических слоев, после чего использованная маска удаляется. При создании современных интегральных схем и других электронных устройств такая последовательность операций может повторяться многократно. Аналогично может быть организован процесс создания шаблонов для проекционной литографии.
Важно указать, что выше приведены только основные стадии процесса создания маски на поверхности подложки, каждая из этих стадий может включать несколько «элементарных» технологических операций. Например, нанесению слоя резиста, как правило, предшествует специальная обработка поверхности подложки с целью ее очистки и повышения адгезии к наносимому резисту; после проявления оставшаяся часть резиста дополнительно обрабатывается (в частности, термообрабатывается) для повышения стойкости к последующему воздействию (травлению) и т.д.
Одна и та же технологическая операция может проводиться различными методами, например, нанесение полимерного резиста может осуществляться центрифугированием или пульверизацией, наноситься может позитивный или негативный резист, экспонирование резиста может осуществляться ультрафиолетовым излучением (на сегодня применяется длина волны излучения ArF-лазера с λ≈193 нм, на перспективу в качестве основной рассматривается EUV-литография на λ~13,5 нм), электронным пучком или рентгеновским излучением и т.д. Заявляемое техническое решение является достаточно универсальным и может применяться в комбинации со многими конкретными реализациями каждой из описанных выше стадий.
В настоящее время, когда требуется разрешение ≤0.03 мкм (30 нм и меньше), производительность литографического процесса определяется, прежде всего, именно продолжительностью стадии экспонирования при создании резистивной маски на поверхности подложки. Это обусловлено тем, что в отличие от, например, этапа травления (когда можно одновременно или конвейерно обрабатывать множество подложек), процесс их экспонирования осуществляется фактически «поточечно» (или по небольшим участкам, много меньшим площади всей подложки или даже микросхемы). При этом в силу сложности систем точной фокусировки электронного, рентгеновского или светового пучка, систем перемещения, совмещения подложки и т.д., процесс экспонирования является самым длительным и именно системы экспонирования в настоящее время определяют цену литографического комплекса. Современный уровень разрешения определяет и высокие требования к экспонирующему агенту (например, требуется высокая степень монохроматичности и пространственной однородности лазерного луча), что приводит к его сравнительно низкой мощности и, соответственно, увеличению общего времени экспонирования. Таким образом, условие высокого разрешения вступает в противоречие с требованием высокой производительности литографического процесса.
Известен способ создания маски (структуры) на поверхности подложки, включающий нанесение слоя резиста и экспонирование заданных участков поверхности резиста лазерным излучением. Используется излучение с такими параметрами энергии, интенсивности и длительности отдельного импульса, что происходит абляция резиста с экспонируемого участка ([1]: J.T.C.Yeh "Journal of vacuum science and technology", 1986, v. A4, p.653). Количество импульсов, приходящихся на заданный участок поверхности, таково, что удаляется весь нанесенный на подложку слой резиста. Этот способ фактически совмещает локальное экспонирование и проявление, что исключает соответствующую травлению стадию процесса создания маски на поверхности резиста. Однако такой способ требует высокой дозы экспонирования (энергии, приходящейся на единицу площади/объема резиста), соответственно время экспонирования существенно увеличивается и за счет этого снижается производительность литографической установки в целом. Кроме того, необходимую для абляции резиста дозу экспонирующего агента сложно реализовать для наиболее перспективной технологии EUV-литографии на λ~13 нм.
Таким образом, для повышения производительности наиболее существенно уменьшить время (дозу) экспонирования резиста даже за счет введения дополнительных стадий процесса создания маски, в частности - введения отдельного этапа проявления экспонированной структуры.
Известен способ создания маски на поверхности подложки, включающий нанесение на поверхность подложки слоя полимерного резиста, экспонирование резиста и последующее проявление созданной на резисте структуры ([2]: К.А.Валиев «Физика субмикронной литографии», М.: 1990 - 528 с.). Экспонирование может проводиться светом, электронным пучком или пучком атомных частиц (ионов), а также рентгеновским излучением.
Исходно процесс экспонирования сводится к разрыву связей в сложных полимерных молекулах на обрабатываемых экспонирующим агентом (заданных) участках резиста. Поэтому при использовании для экспонирования светового воздействия применяется излучение с энергией кванта, превосходящей энергию разрыва соответствующей связи (соответствующих связей) в молекуле резиста. Это означает, что длина волны применяемого для экспонирования излучения должна быть меньше некоторой пороговой величины - порога фотодеструкции полимерной молекулы резиста.
В позитивных резистах при экспонировании уменьшается средняя молекулярная масса в подвергшихся воздействию участках. В негативных резистах образование разрывов макромолекул ведет затем к образованию сшивок и увеличению средней молекулярной массы резиста в экспонированных участках. То есть в результате экспонирования в резисте формируется структура, в которой средняя масса молекул в заданных (экспонированных) участках резиста и во всем остальном резисте становится различной.
0
Для проявления созданной при экспонировании структуры (обычно проявление происходит в процессе травления) используется тот факт, что скорость «растворения» резиста в проявляющем жидком растворе (или при плазменном травлении) зависит от его средней молекулярной массы. Соответственно, подбором растворителя или режима плазменного травления добиваются, чтобы на подложке остались только неэкспонированные участки резиста (для позитивных резистов) или только экспонированные (для негативных резистов). В результате, для качественного проявления заданной структуры маски необходимо обеспечить определенное количество разорванных атомных связей в исходном резисте, то есть обеспечить определенную дозу (для тонкого слоя резиста плотность энергии) W экспонирования.
Численно доза является разной для различных способов экспонирования, она зависит от длины волны используемого излучения (светового или рентгеновского), энергии электронов (при экспонировании электронным пучком) и вида самого резиста, однако она существенно меньше, чем необходимо для реализации режима абляции.
Известный способ позволяет уменьшить требуемую дозу и, соответственно, длительность экспонирования, однако она остается весьма высокой, особенно при создании структур с предельным разрешением. Это связано с тем, что, как правило, эффективность создания необходимых для селективного травления разрывов низка и только небольшая доля энергии экспонирующего агента фактически обеспечивает создание структуры в слое резиста. Так, например, квантовый выход прямого разрыва макромолекулы полиметилметакрилата (ПММА, один из основных резистов с потенциально очень высоким достижимым разрешением) под действием УФ излучения не превышает ~1%. Для фотонов EUV диапазона квантовый выход разрыва макромолекулярной цепи ПММА близок к 1, но при этом у ПММА сравнительно мал коэффициент поглощения в этом диапазоне.
Наиболее близким техническим решением (прототипом) является способ создания маски на поверхности подложки, включающий нанесение на поверхность подложки слоя полимерного резиста, содержащего генератор кислоты, экспонирование резиста, термическую обработку экспонированного резиста и последующее проявление созданной на резисте структуры ([3]: С.В.Зеленцов, Н.В.Зеленцова. «Современная фотолитография». Нижний Новгород, 2006. - 56 с.).
В известном способе используется принцип химического усиления ([4]: S.A.MacDonald, C.G.Willson, M.J.J.Frechet. "Chemical amplification in high resolution imaging systems". Ace. Chem. Res. 1994, v.27, №6, p.151-158), для реализации которого в состав резиста дополнительно включают молекулы - генераторы кислоты и проводят дополнительную термическую обработку экспонированного резиста. При экспонировании резиста УФ излучением используют фотогенераторы кислоты (ФГК, в английской транскрипции PAGs - photo acid generators). В качестве ФГК применяются различные соединения, в том числе диарилиодониевые и триарилсульфониевые соли.
Изменение молекулярной массы резиста в известном способе проходит в два основных этапа. На первом под действием экспонирующего агента (в настоящее время чаще всего УФ света) ФГК выделяет кислоту. Во время второго - последующей термической обработки (нагрева) резиста - проходит каталитическая реакция, в результате которой под воздействием образовавшейся кислоты полимерное связующее резиста либо сшивается (тогда молекулярная масса резиста увеличивается и образуется негативное изображение), либо разрушается (молекулярная масса уменьшается, позитивное изображение), при этом сама кислота не расходуется и может многократно участвовать в реакции. Число реакционных актов на один поглощенный ФГК квант света может достигать ~100 ([3]). Нагрев обычно производится в печи со стабильно поддерживаемой температурой или же размещением на поверхности нагретого до требуемой температуры тела (плиты) с теплоемкостью во много раз большей, чем теплоемкость нагреваемой композиции, в которую входят подложка с резистом и, как правило, дополнительная опорная поверхность (поскольку для типичной толщины подложки H~0,30 мм ее жесткость при диаметре ~300 мм недостаточна). Далее происходит охлаждение резиста до исходной температуры, при которой каталитический процесс практически не идет, и затем проявление сформированной структуры.
Применение в составе резиста генераторов кислоты принципиально возможно не только при воздействии УФ излучения (фотогенерация кислоты), но и при экспонировании EUV квантами, рентгеновским излучением и электронным пучком, однако во всех случаях необходима вторая стадия формирования структуры - термически активированное химическое усиление.
Использование в известном способе технологии химического усиления позволило значительно уменьшить необходимую дозу экспонирования (до 10÷15 раз) и, соответственно увеличить производительность процесса литографии. Однако диффузия кислоты за время термической обработки приводит к уширению сформированной картины. Этот недостаток особенно существенен при создании структур с высоким и сверхвысоким разрешением, когда, например, сформированные электронным пучком структуры сверхвысокого разрешения после термической обработки уже имеют ширину ~40 нм.
Таким образом, известный способ приводит к ухудшению разрешения сформированной структуры и вообще ставит под вопрос возможность применения химического усиления для создания структур с размером 15÷20 нм (и, тем более, меньших), что, соответственно, может привести к резкому уменьшению производительности литографии сверхвысокого разрешения.
Техническим результатом заявляемого изобретения является увеличение разрешения литографии с высокой производительностью, использующей технологию химического усиления.
Технический результат достигается тем, что в способе создания маски на поверхности резиста, включающем нанесение на поверхность подложки слоя полимерного резиста, содержащего генератор кислоты, экспонирование резиста, термическую обработку экспонированного резиста и последующее проявление созданной в резисте структуры, в термическую обработку экспонированного резиста включают его нагрев по меньшей мере одним лазерным импульсом, длину волны излучения которого выбирают из условия, что коэффициент поглощения лазерного излучения резистом превосходит коэффициент поглощения лазерного излучения подложкой.
Принципиальная идея заявляемого технического решения состоит в том, чтобы обеспечить постэкспозиционный нагрев резиста со сгенерированной в нем кислотой на столь короткий промежуток времени, чтобы диффузия кислоты была несущественной для структур с разрешением ~15 нм и менее.
Известные способы термообработки экспонированного резиста не позволяют поддерживать резист при необходимой для протекания каталитических химических реакций температуре малое время, например <<1 секунды. Это связано с тем, что при возможности отдельно разогреть или охладить резист достаточно быстро - время установления температуры в кремниевой (чаще всего используется кремний) подложке толщиной 0,30 мм менее 1 мс (см. также ниже) - время переноса хрупкой и достаточно большой (диаметром ~300 мм) обрабатываемой детали от «нагревателя» к «холодильнику» не может быть малым, а во время такого переноса от нагревателя к холодильнику охлаждение практически не происходит. Кроме того, реально кремниевая подложка закрепляется на подставке значительно большей, чем подложка, толщины, образуя «сборку», обеспечивающую необходимую жесткость, и термообрабатывается совместно с ней, что сразу резко увеличивает и время термализации, которое растет пропорционально квадрату суммарной толщины прогреваемой сборки.
Таким образом, в известном способе при температуре термической обработки (зависящей от конкретного резиста и кислоты), когда фактическая длительность
-7
-8
2
-10
2
протекания химической реакции составляет ~10÷10 с, характерное время пребывания резиста при высокой температуре составляет секунды. Для такого промежутка времени диффузия кислоты становится весьма существенной, например масштаб диффузионного расплывания кислоты при температуре T=120°C в течение t=60 секунд может составить δ~1÷1,2 мкм ([5]: «Effect of PAG Location on Resists for Next Generation Lithographies». Report of the Ober Research Group Cornell University, USA, INTERNET: http://people.ccmr.cornell.edu/~cober/MiniPresentations/PAG_RBSPC.pdf), что соответствует коэффициенту диффузии при этой температуре D≈δ/t~2·10 см/с.
6
0
Для уменьшения размера диффузии кислоты в указанных условиях (те же резист, кислота, температура) до 1 нм, что позволит обеспечить разрешение ~15 нм, необходимо уменьшить время пребывания резиста при 120°C в ~10 раз - до времени τ≤50 мкс, а при большем нагреве резиста потребуется еще значительно меньшее время прогрева.
0
Короткое время прогрева резиста может быть реализовано в случае, когда производится быстрый нагрев резиста (время нагрева <τ) и быстрое охлаждение, возможное, когда в качестве «холодильника» выступает подложка, на которую нанесен резист. Такую комбинацию условий возможно обеспечить, если, согласно заявляемому изобретению, провести достаточно быстрый нагрев резиста лазерным импульсом такой длины волны, на которой коэффициент поглощения излучения резистом превосходит коэффициент поглощения излучения подложкой. Кроме того, для реализации заявляемого способа существенно, что греющий лазерный импульс, обеспечивая нагрев резиста, не должен приводить к фотохимическим процессам в резисте или в фотогенераторе килоты, в связи с чем излучение видимого или ИК диапазонов спектра является предпочтительным. В противном случае (более коротковолнового греющего излучения) необходимо обеспечить на резисте пространственную структуру греющего излучения, аналогичную структуре экспонирующего агента, что бессмысленно с точки зрения повышения производительности литографии высокого разрешения (фактически при такой лазерной термообработке требуется то же разрешение, что и при экспонировании, то есть излучение той же длины волны).
3
-1
-5
Здесь существенно то обстоятельство, что слой резиста на подложке является настолько тонким, что поглощение излучения греющего лазерного импульса резистом сравнительно мало. В самом деле, при характерном коэффициенте поглощения излучения греющего импульса в резисте не более (1÷4)·10 см и толщине резиста <3,5·10 см (350 нм) доля поглощенного в резисте излучения не превысит ~10%. Это означает, что в резисте и прилегающих к резисту слоях подложки (или, при малом поглощении подложкой греющего излучения, во всей подложке) для достаточно короткого лазерного импульса, когда эффекты теплопроводности можно не учитывать, скорость роста температуры составляет:
,
2
где k - коэффициент поглощения излучения, I - интенсивность греющего лазерного излучения, ρ - плотность нагреваемого материала, с - его удельная теплоемкость; учтено, что отражение излучения от резиста мало. Соответственно, при потоке энергии в греющем импульсе W [Дж/см] нагрев за весь лазерный импульс составит:
,
3
3
подл
peз
Для используемых в литографии материалов произведение (ρc) практически одинаково, например, для одного из базовых резистов ПММА ρc≈1,75 Дж/(см·град), а для основного материала подложки кремния ρc≈1,65 Дж/(см·град). Таким образом, если коэффициент поглощения греющего лазерного импульса подложкой k будет меньше (предпочтительно - значительно меньше), чем коэффициент поглощения излучения резистом k, то после такого воздействия подложка будет холоднее (значительно холоднее) резиста и обеспечит его (резиста) эффективное охлаждение.
peз
подл
2
рез
подл
рез
подл
рез
подл
peз
пoдл
3
-1
-1
3
-1
-1
4
Реализовать необходимое согласно заявляемому изобретению соотношение между коэффициентами поглощения резиста и подложки возможно, например, в полосе пропускания материала подложки, для наиболее распространенных кремниевых подложек это прежде всего диапазон 1,3÷15 мкм. В этом же спектральном диапазоне фотохимическое воздействие на резист отсутствует и есть области сильного поглощения резиста, в которых можно реализовать оптимальное для заявляемого способа соотношение k>>k. Например, для длины волны греющего излучения ~10,6 мкм (CO-лазер) k~1,2·10 см, а k<2 см, (k/k>600), а для λ~3 мкм (эрбиевый лазер) k~4·10 см, а k<0,1 см, (k/k>4·10).
Вариант использования излучения в области 3 мкм является предпочтительным вследствие существования достаточно распространенных эрбиевых лазеров, позволяющих реализовать требуемые режимы облучения (см. ниже), возможности передачи излучения по световоду, а также вследствие как большого коэффициента поглощения излучения резистом, так и большого отношения коэффициентов поглощения резиста и подложки. Это позволяет использовать достаточно маломощные лазеры, а также фактически пренебречь изменением температуры подложки для достаточно коротких лазерных импульсов.
рез
0
2
2
2
В самом деле, согласно (2), для нагрева резиста на ΔТ=100°C (от комнатной температуры до 120°C) излучением на длине волны ~3 мкм необходим поток энергии 40÷45 мДж/см, а с учетом отражения света (до 45%) от кремниевой подложки обратно в резист достаточно даже потока энергии W~30 мДж/см. Для однократного нагрева всей площади подложки диаметром 300 мм необходима световая энергия около 20 Дж, то есть при средней мощности импульсно-периодического лазера 5 Вт (например, энергия отдельного импульса 1 мДж на частоте 5 кГц) для однократной обработки всего резиста достаточно 4 секунд (за один импульс нагревается участок резиста размером ~2·2 мм). В то же время рост температуры подложки за счет прямого нагрева лазерным излучением в течение светового импульса составит всего ~0,0015°C (за счет последующей передачи тепла от резиста подложка нагреется больше, см. ниже).
подл
охл
2
Холодная подложка служит эффективным «холодильником» для нагретого излучением резиста, прежде всего кремниевая подложка, имеющая высокий коэффициент теплопроводности (ζ≈1,6 Вт/см·град, температуропроводность χ~0,95 см/с при комнатной температуре, что сопоставимо с параметрами алюминия). При высокой теплопроводности подложки время охлаждения резиста τ определяется для короткого греющего импульса временем установления теплового равновесия в слое резиста и для уменьшения перегрева вдвое составляет:
,
рез
рез
рез
охл
охл
охл
-3
2
½
где χ≈(1÷1,2)·10 см/с - характерная температуропроводность резиста, l - толщина слоя резиста. Для типичной в настоящее время толщины слоя резиста l~300 нм из (3) находим τ≈0,8 мкс, при уменьшении толщины слоя до 100 нм время охлаждения резиста уменьшится до ~100 нс. Таким образом, даже для мгновенного нагрева резиста (когда длительность лазерного импульса <<τ) время его охлаждения составляет несколько сот наносекунд, то есть время пребывания резиста в горячем состоянии достаточно для протекания реакций химического усиления. В этих же условиях формально вычисленный согласно выражению δ=(Dτ) размер диффузионного расплывания кислоты δ не превышает ~0,15 нм (меньше размера самой молекулы), то есть обусловленным диффузией ухудшением разрешения можно пренебречь.
охл
охл
В предпочтительном варианте реализации заявляемого способа длительность лазерного импульса нагрева экспонированного резиста выбирают не более времени установления теплового равновесия в слое резиста, то есть длительность лазерного импульса не превосходит τ, а общее время пребывания резиста в нагретом состоянии (при высокой температуре) не превышает 2τ. В этом случае реализации заявляемого способа диффузия кислоты минимальна и нагрев лазерным импульсом приводит к химическим реакциям фактически только в тех участках резиста, в которых в процессе экспонирования были предварительно сгенерированы кислоты. Таким образом, заявляемый способ позволяет использовать эффект химического усиления без ухудшения разрешения, при этом возможно использовать облучение греющими лазерными импульсами всей поверхности резиста без применения сложных и дорогих систем формирования структур с высоким разрешением.
В указанном предпочтительном варианте при достаточной для протекания химических реакций длительности нагрева возможно использовать лазерный источник минимальной средней мощности и энергии импульса. При увеличении длительности греющего импульса значительная часть выделенной в резисте тепловой энергии (и все большая часть по мере увеличения длительности импульса) идет на нагрев подложки и, соответственно для достижения и поддержания требуемой температуры резиста требуется все большая световая энергия, особенно с учетом того, что температуропроводность подложки в сотни раз превосходит температуропроводность резиста (для кремния и ПММА отношение составляет ~700 раз). Кроме того, снижается разница температур между резистом и подложкой и, следовательно, эффективность послеимпульсного охлаждения резиста.
2
χподл
Например, если длительность лазерного импульса превосходит время установления теплового равновесия в подложке (для толщины кремниевой подложки 300 мкм оно составляет ≈ H/ ~ 1 мс), то устанавливается тепловое равновесие между подложкой и резистом и, как описано выше, время существования резиста в нагретом состоянии увеличивается, минимум, в 1000 раз (и даже больше, поскольку «очень быстро» переместить подложку с резистом к охладителю невозможно).
В результате характерный размер диффузионного расплывания кислоты может составить уже значительную величину, а потребная плотность энергии греющего лазерного импульса увеличится во столько раз, во сколько толщина подложки превосходит толщину слоя резиста, то есть также в ~1000 раз. Применение же лазеров многокиловаттного уровня средней мощности в литографии сверхвысокого разрешения представляется нереальным. Даже для более коротких греющих лазерных импульсов, превосходящих, однако, время установления теплового равновесия в слое резиста, потребная плотность энергии быстро увеличивается из-за высокой по сравнению с резистом температуропроводности подложки (температупроводность германия также значительно - в ~300 раз - превосходит температупроводность резиста).
Таким образом, если скорость каталитической химической реакции недостаточна, то предпочтительно увеличить энергию короткого лазерного импульса (чтобы повысить температуру резиста и скорость химической реакции), но не длительность пребывания резиста в нагретом состоянии при меньшей температуре.
охл
0
2
2
При характерной энергии отдельного лазерного импульса ~1 мДж и его длительности даже существенно меньше, чем τ, например 10 нс, мощность лазерного импульса составляет ~100 кВт, такая мощность может быть передана по световоду (нескольким световодам), что облегчает реализацию заявляемого способа. Далее, потоку энергии W=30 мДж/см при указанной длительности импульса соответствует интенсивность излучения 3 МВт/см, при такой и в несколько раз большей интенсивности излучения в ближнем ИК диапазоне пробой резиста или подложки не происходит (тем более, что резист нагревается лазерным импульсом до температуры, которая существенно ниже его температуры испарения), как и пробой газовой среды над поверхностью резиста.
охл
Важным достоинством заявляемого способа является также то обстоятельство, что температура нагрева резиста практически не зависит от его толщины (пока резист является оптически «тонким»), длительности лазерного импульса (если она существенно меньше τ) и, согласно формуле (2), определяется только потоком энергии греющего лазерного импульса. Для того чтобы обеспечить стабильность температуры нагрева резиста 1°C, достаточно реализовать стабильность энергии короткого лазерного импульса ~1%, что обеспечивается современными лазерными источниками.
охл
Заметим, что при малом (менее 1 мкс) времени пребывания резиста в нагретом состоянии он, если требуется для протекания каталитических химических реакций, может быть нагрет до температуры даже выше температуры стеклования (около 100°C для ПММА) без ухудшения разрешения за счет макроскопического перемещения участков резиста, например, за счет течения «размягченного» резиста. Это связано как с высокой вязкостью высокомолекулярного резиста (для перемещения на 1 нм за 100 нс требуется скорость движения слоев резиста 1 см/с и, кроме того, время перехода резиста в «квазижидкое» состояние существенно превышает τ).
В другом предпочтительном варианте реализации заявляемого способа нагрев резиста при термической обработке производят по меньшей мере двумя лазерными импульсами, промежуток времени между которыми выбирают не менее времени установления теплового равновесия в подложке.
Применение по меньшей мере двух (нескольких) греющих лазерных импульсов позволяет гарантировать протекание необходимых каталитических химических реакций в резисте со всеми окружающими молекулу кислоты полимерными молекулами в ситуации, когда одного импульсного нагрева недостаточно. За несколько циклов «нагрев-охлаждение» может быть гарантировано воздействие на все макромолекулы, с которыми кислота находится в одной диффузионной клетке, как правило, таких макромолекул ~6.
Σ
За время, соответствующее установлению теплового равновесия в подложке, температуры резиста и подложки выравниваются, и интегральный рост температуры этого «комплекса» ΔT составляет:
,
рез
охл
учтено, что объемные темплоемкости материалов резиста и подложки близки, размер облучаемой отдельным импульсом площадки на резисте существенно (~10 раз) превышает толщину подложки и в оптимальных условиях реализации заявляемого способа подложка мало поглощает греющее лазерное излучение. Поскольку l/H≤1000, то общий нагрев резиста и подложки за импульс составляет не более 0,1°C, то есть достаточно мал (а с учетом реальной сборки, то есть опоры, на которой находится подложка, еще меньше). Именно это обстоятельство позволяет не учитывать разогрев резиста предыдущим лазерным импульсом при воздействии следующего греющего импульса. В результате, при достаточно большом согласно заявляемому изобретению промежутке времени между последовательными греющими лазерными импульсами диффузия кислоты происходит только во время действия каждого греющего импульса (и времени последующего охлаждения τ), а между последовательными импульсами температура практически соответствует начальной.
0
0
Таким образом, в указанном варианте нагрев резиста каждым последующим импульсом производится до той же температуры с точностью не хуже 0,1°C. Как указано выше, время установления теплового равновесия в кремниевой подложке толщиной 300 мкм составляет ~1 мс, то есть для частоты следования греющих один и тот же участок резиста лазерных импульсов f=1 кГц влияние предшествующих импульсов практически незначительно. Заметим также, что, согласно (4), влияние предшествующих импульсов не слишком существенно и при более высокой частоте, особенно при небольшом количестве импульсов. Например, при частоте 9 кГц (в 9 раз больше f) между последовательными импульсами прогревается втрое меньший слой подложки и, следовательно, рост температуры резиста перед следующим импульсом составит ~0,3°C, что также может быть допустимо.
Поскольку при каждом нагреве диффузия кислоты происходит независимо, то за N греющих лазерных импульсов согласно изобретению размер диффузионного расплывания увеличивается в √N раз и даже для 10÷15 последовательных импульсов не превышает долей нанометра.
В свою очередь, при малом промежутке времени между последовательными импульсами резист остается нагретым и диффузия кислоты происходит в течение существенно большего времени и, соответственно, на большую величину, что ухудшает разрешение процесса литографии.
Применение коротких греющих лазерных импульсов согласно изобретению позволяет эффективно провести процесс химического усиления в рамках одной диффузионной клетки, однако вследствие фактического отсутствия диффузионного перемещения кислоты число реакционных актов при максимально достижимом разрешении ограничено. В вариантах применения заявляемого технического решения, когда ухудшение разрешения на несколько нанометров представляется допустимым, после обработки экспонированного резиста по меньшей мере одним греющим лазерным импульсом может быть целесообразно обеспечить перемещение кислоты на расстояние масштаба 1÷2 нм (в соседние диффузионные клетки) с тем, чтобы увеличить выход химического усиления при сохранении достаточно высокого уровня разрешения.
В одном из вариантов реализации заявляемого способа после обработки экспонированного резиста греющими лазерными импульсами, обеспечивающими эффект химического усиления в рамках одной диффузионной клетки, диффузию кислоты в соседние диффузионные клетки обеспечивают за счет того, что в термическую обработку экспонированного резиста дополнительно включают по меньшей мере один нелазерный нагрев резиста. Такой нагрев может проводиться одним из известных способов, которыми в настоящее время проводится термообработка экспонированного полимерного резиста, содержащего генератор кислоты. Поскольку в заявляемом способе нелазерный нагрев резиста может быть выполнен до такой температуры, когда каталитические химические реакции практически не происходят, то температуру и продолжительность нелазерного нагрева выбирают из условия контролируемого размера диффузии кислоты, то есть предпочтителен нагрев до меньшей, чем в известных способах, температуры на несколько большее и хорошо контролируемое время (масштаб времени ~60 секунд представляется предпочтительным). Таким образом, температура нелазерного нагрева выбирается из условия, что за заданное и хорошо контролируемое время, например 60 секунд, диффузия кислоты составит заданную допустимую величину, например 1,5÷2 нм.
После проведения нелазерного нагрева в предпочтительном варианте реализации заявляемого способа проводится новый цикл облучения резиста греющими лазерными импульсами согласно изобретению с тем, чтобы обеспечить химическое усиление в тех диффузионных клетках, в которые во время нелазерного нагрева мигрировала кислота. Цикл «нелазерный нагрев - лазерный греющий импульс (импульсы)» может быть повторен несколько раз.
Кроме того, в предпочтительном варианте термическая обработка резиста греющими лазерными импульсами может быть совмещена (или частично совмещена) с нелазерным нагревом резиста. Это возможно прежде всего в ситуации, когда длительность нелазерного нагрева существенно превосходит длительность цикла облучения резиста греющими лазерными импульсами. Так, например, если при температуре 60°C время, необходимое для диффузии кислоты на расстояние 2 нм, составляет 100 секунд, а длительность цикла греющего лазерного облучения всей подложки составляет 5 секунд, то как предварительный, так и финишный циклы лазерного греющего облучения могут быть проведены вместе с нелазерным нагревом (в первые 5 секунд и последние 5 секунд нелазерного нагрева), в этом случае может использоваться «греющий» лазер меньшей мощности либо может быть уменьшена длительность цикла обработки всей поверхности резиста греющими лазерными импульсами. Например, если для прохождения каталитических химических реакций во время импульсного лазерного нагрева требуется температура резиста 120°C, то при одновременном проведении лазерного и нелазерного нагревов энергия лазерного импульса (и средняя мощность лазера) или длительность цикла лазерной обработки могут быть уменьшены на 40%, поскольку в указанном варианте лазерный импульс нагревает резист на 60°C (от 60°C до 120°C), а не на 100°C (от 20°C до 120°C). Таким образом, позволяя снизить параметры используемого лазера, проведение одновременно нелазерного и лазерного нагревов резиста может быть предпочтительным даже в случае реализации химического усиления в рамках одной диффузионной клетки, то есть когда нелазерный нагрев резиста (и подложки) проводят до температуры, при которой диффузия кислоты незначительна.
В другом варианте заявляемого способа, после обработки греющими лазерными импульсами и, возможно, нелазерного нагрева, экспонированный резист до проявления дополнительно облучают светом с энергией кванта меньше порога фотодеструкции полимерного резиста. Такая обработка позволяет дополнительно размножить созданные в процессе реализации заявляемого способа разрывы макромолекул резиста.
Эта возможность связана с тем, что в результате разрывов скелетной цепи полимерных молекул резиста происходит не просто снижение его средней молекулярной массы, но и возникает наведенное поглощение светового излучения с длиной волны, большей порога фото деструкции неэкспонированного резиста. В результате последующее облучение светом с энергией кванта, не достаточной для разрыва макромолекулярной цепи (иначе говоря, фото деструкции) исходного полимера, приводит к продолжению процесса деструкции только в тех областях, где разрывы были созданы предшествующей обработкой (непосредственно экспонированием резиста и химическим усилением). В тех участках резиста, где разрывы не были предварительно сгенерированы, там последующее световое облучение с энергией кванта меньше порога фотодеструкции полимерного резиста не оказывает практически никакого действия.
Важным достоинством указанного варианта является то, что облучение светом с энергией кванта меньше порога фотодеструкции исходного полимерного резиста может проводиться без использования сложных и дорогих систем формирования структур с высоким разрешением.
В случае ПММА дополнительное облучение, как установлено авторами, может быть произведено ультрафиолетовым светом с длиной волны в диапазоне 280÷360 нм, предпочтительно 300÷340 нм. Источники излучения ближнего ультрафиолетового диапазона (λ~300 нм) достаточно широко распространены, имеют высокую среднюю мощность, умеренную стоимость и легко могут быть адаптированы для целей заявляемого изобретения. Для дополнительного облучения возможно использовать как непрерывные, так и импульсно-периодические источники УФ излучения. Низкая (по сравнению со стоимостью установок точного экспонирования) стоимость ультрафиолетовых ламп для дополнительного облучения позволяет при необходимости использовать ряд таких ламп для конвейерной обработки и обеспечить необходимую производительность даже при потребном времени облучения ~10÷30 минут.
При двукратном увеличении числа разрывов в резисте за счет дополнительного облучения, как установлено авторами, ухудшение разрешения за счет миграции разрывов составляет около 3 нм, что может быть приемлемо для структур с разрешением от ~15 нм.
2
2
Реализация заявляемого технического решения может быть выполнена, например, следующим образом. После экспонирования содержащего ФГК резиста (например, EUV-излучением с длиной волны ≈13,5 нм), нанесенного на кремниевую подложку слоем толщиной, например, 100 нм (такая толщина слоя принципиально позволяет реализовать разрешение масштаба 15 нм), резист облучается импульсно-периодическим излучением эрбиевого лазера с параметрами: энергия импульса ~1,6 мДж, длительность импульса ~10 нс, частота следования импульсов f~2,5 кГц (средняя мощность лазера 4 Вт). Отдельным импульсом облучается участок резиста размером 2·2 мм, что обеспечивает дозу в импульсе около 40 мДж/см.
Сканирование излучения по поверхности резиста с линейной скоростью v=df~5 м/с (d=2 мм) может производиться, например, сканатором компании «RAYLASE AG» ([6]: сайт компании http://www.raylase.com/en/). Серийные сканаторы этой компании обеспечивают угловой диапазон сканирования около ±0,4 радиан при точности позиционирования и угловом разрешении ~15 мкрад. Это означает, что при расположении сканатора на оси подложки достаточно фокусного расстояния 350 мм, чтобы обеспечить перемещение греющего луча по всей поверхности подложки диаметром 300 мм с точностью позиционирования ~5 мкм (в 400 раз меньше облучаемого за импульс размера на резисте). Для указанного фокусного расстояния скорость перемещения луча по поверхности подложки может превышать 10 м/с и, таким образом, известные сканаторы обеспечивают требуемый режим сканирования поверхности резиста и при этом перемещением луча на резисте за время импульса (~0,1 мкм) можно полностью пренебречь.
Время охлаждения слоя резиста толщиной 100 нм составляет ~100 нс и практически равно времени пребывания резиста в горячем состоянии, поскольку греющий лазерный импульс существенно короче. Размер диффузионного перемещения кислоты за указанный промежуток времени не превышает ~0,1 нм, что позволяет сохранить предельно возможное разрешение в случае неоднократного облучения резиста греющими импульсами. Это обстоятельство существенно для успешной реализации заявляемого способа, поскольку при облучении всей поверхности резиста неизбежно некоторое наложение границ облучаемых участков, то есть часть (небольшая) поверхности резиста при однократной лазерной термической обработке резиста, как целого, облучается дважды. Соответственно, в этих участках «теоретическое» диффузионное перемещение кислоты несколько выше, чем в один раз обработанной области резиста. Укажем также, что граничные зоны облучаемой за импульс области резиста с линейным размером порядка толщины подложки охлаждаются подложкой кратно быстрее, чем основная прогретая лазерным импульсом площадь, за счет того, что тепло из резиста уходит не только «вглубь» подложки, но и во внешние («боковые») для облучаемого участка области подложки. При указанной выше точности позиционирования сканатора ширина прогреваемой дважды границы обрабатываемого за один импульс участка может составлять менее 100 мкм даже с учетом всех дифракционных эффектов. В результате обеспечивается требуемый уровень скорости охлаждения границы обработанной предыдущим лазерным импульсом области, на которую «накладывается» граница следующего прогреваемого лазерным импульсом участка резиста при частоте следования греющих импульсов несколько килогерц.
Время однократной обработки всей поверхности резиста составляет менее 6 секунд, что позволяет реализовать достаточную производительность заявляемого способа, которая при необходимости может быть существенно увеличена, например, за счет использования более мощного лазера или обработкой поверхности резиста одновременно несколькими лазерами.
Термическая обработка резиста греющими лазерными импульсами может повторяться несколько раз, во время обработки подложка с резистом может размещаться на предварительно подогретой плите большой теплоемкости (то есть на термостабилизированной поверхности), что обеспечивает постоянную и заданную температуру подложки. Температура такой плиты выбирается прежде всего из условия обеспечения контролируемого размера диффузии кислоты за время контакта подложки с экспонированным резистом и термически стабилизированной плиты. Кроме того, размещение подложки с резистом на подогретой термостабилизированной плите может использоваться для применения греющего лазера меньшей мощности или ускорения времени лазерной термообработки.
В результате при практически полном отсутствии диффузии кислоты и соответствующего ухудшения разрешения формируемой структуры (или при контролируемом и управляемом размере диффузии кислоты) в заявляемом способе реализуется существенное повышение производительности литографии высокого и сверхвысокого разрешения, поскольку даже при протекании каталитических химических реакций только в рамках одной диффузионной клетки количество разрывов связей в полимерном резисте увеличивается в 5÷6 раз.
2
2
После проведения термической обработки, если уширение сформированной структуры ~2÷3 нм является допустимым, то, согласно заявляемому способу, резист может быть дополнительно облучен светом с энергией кванта меньше порога фотодеструкции резиста, например, для резиста на базе ПММА предпочтительным является облучение светом ближнего УФ диапазона 280÷360 нм, для этой цели применимы, например, эксимерные лампы на молекуле XeCl* (λ≈308 нм) или излучение третьей гармоники неодимового лазера (λ≈353 нм), обеспечивающие достаточно высокий КПД генерации излучения соответствующего спектрального диапазона. Потребная доза облучения составляет ~500 Дж/м, то есть при полной мощности источника УФ диапазона 300 Вт (интенсивность облучения около 420 мВт/см), время облучения всей поверхности резиста составит около 20 минут и, следовательно, такое облучение предпочтительно проводить в конвейерном режиме.
Для удовлетворения каких-либо возможных конкретных требований могут быть выполнены и другие очевидные для квалифицированных специалистов в этой отрасли изменения описанных выше вариантов реализации способа создания маски на поверхности подложки без отклонения от защищаемых формулой изобретения положений.
Таким образом, заявляемое техническое решение позволяет увеличить разрешение литографии с высокой производительностью, использующей технологию химического усиления. В заявляемом изобретении реализовано эффективное и быстрое (на много порядков быстрее, чем в известных способах) охлаждение резиста подложкой при контролируемом и управляемом нагреве резиста вплоть до температур, превышающих температуру стеклования резиста. Это позволяет сделать вывод о том, что заявляемое техническое решение удовлетворяет критериям изобретения «новизна» и «существенные отличия».