Устройство электронной литографии

Полезная модель относится к устройствам, реализующим способы переноса рисунка микросхем с маски на подложку с резистом в технологии изготовления полупроводниковых и других микроэлектронных устройств.
Развитие наноэлектроники и использование ее методов в производство радиотехнических изделий, создание новых приборов радиоэлектроники, предъявляют повышенные требования к процессу переноса рисунка при производстве элементов радиоэлектроники как с точки зрения повышения разрешающей способности процессов переноса, так и с точки зрения повышения производительности самого процесса. Поатомная и молекулярная сборка элементов атом к атому в производстве бесперспективна, особенно для размера пластин 450 мм в диаметре. Необходимо развитие групповых методов обработки, в частности проекционной электронной литографии, обеспечивающей одномоментный перенос рисунка катода-маски на поверхность обрабатываемой подложки, покрытой слоем электронорезиста. (В.И. Марголин, С.Е. Шишов Перспективы и проблемы нанотехнологий // О национальной доктрине развития в Российской Федерации нанотехнологий. Аналитический сборник.- М.: 2006.- Издание Совета Федерации.- С. - 54 - 63)/
5
Известен способ, проекционной электронной литографии на основе электронной фотоэмиссии (US. 4954717 США, МКИ H01J 40/06 Photoelectron mask and photo cathode image projection method using the same) основывающийся на использовании фотокатода-маски, на рабочей поверхности которого сформирован требуемый рисунок из материала, с высоким коэффициентом фотоэмиссии электронов. С обратной стороны катода-маски, прозрачного для ультрафиолетового излучения, катод-маска облучается ультрафиолетовым излучением, а электроны вторичной электронной эмиссии ускоряются однородным электрическим полем и транспортируются к подложке с резистом, установленной на аноде, и ее засвечивают. Основным недостатком этого способа является малый срок службы используемых катодов - не более 5-10 экспозиций. Это объясняется тем, что материалы, используемые в качестве фотоэмиттеров весьма чувствительны к атмосфере остаточных газов и различных загрязнений, неизбежно присутствующих в колонне электронолитографической установки и отравляющих фотокатод. Материалы, позволяющие использовать данный способ в практических целях, к настоящему времени неизвестны.
-3
-4
Наиболее близким по совокупности существенных признаков к заявляемому является устройство, реализующее способ проекционной электронной литографии на основе переноса рисунка с катода-маски электронами вторичной ионно-электронной эмиссии (ВИЭЭ) на резист, подложка которого соединена с анодом (Патент РФ № 2462784, Способ электронной литографии.). Способ реализуется с помощью устройства, которое состоит из катода-маски выполненного из материалов с различными коэффициентами вторичной ионно-электронной эмиссии (КВИЭЭ), анода с подложкой, покрытой слоем резиста и источником питания, обеспечивающим высоковольтный тлеющий газовый разряд (ВТГР) в прикатодной области, который инициирует процесс вторичной ионно-электронной эмиссии. Для создания потока экспонирующих резист электронов участки катода-маски, рисунок которых должен быть перенесен на резист, выполнены из материала с высоким КВИЭЭ. Участки катода-маски, соответствующие незасвечиваемым участкам резиста, выполнены из материала с максимально низким КВИЭЭ, потому что материала с нулевым КВИЭЭ пока не существует. Срок службы катода-маски увеличивается за счет использования ВТГР, который обеспечивает сокращение время экспонирования резиста до 10 - 10 сек, что на несколько порядков меньше, чем в других устройствах проекционной электронной литографии.
Устройство работает следующим образом. В прикатодном пространстве зажигается ВТГР, положительные ионы, образованные в разряде, бомбардируют катод-маску, изготовленную из материалов с различным КВИЭЭ, топология которых на поверхности катода-маски повторяет топологию, которую необходимо получить на резисте. В результате различия КВИЭЭ для различных участков поверхности катода-маски, соответствующих областям засветки резиста и исключающим засветку на подложке, электронный поток промодулирован по плотности. Распределение плотности тока вторичных электронов в сечениях, параллельных поверхности катода, будет соответствовать заданной топологии на резисте. Чем больше различие в КВИЭЭ, тем больше будет контраст в засветке различных участков подложки.
2
3
Ускоренные в прикатодном слое электроны достигают подложки, испытывая малое число упругих и неупругих соударений с атомами остаточных газов и практически не рассеиваясь. Электроны бомбардируют обрабатываемую подложку со слоем резиста, формируя в резисте скрытое изображение - рисунок. Высоковольтный тлеющий газовый разряд характеризуется относительно большой плотностью тока и областью с высоким падением напряжения, в которой электроны ускоряются до энергий, необходимых для инициации физико-химических превращений в материале резиста. Проблема заключается в модуляции электронного потока по плотности тока в соответствии с графикой переносимого рисунка, что реализуется за счет различия в КВИЭЭ с разных участков катода-маски. В настоящее время известны материалы с различием КВИЭЭ более чем на порядок, из которых может быть сформирована рабочая пара. КВИЭЭ для монокристаллических диэлектриков, например, AlO более, чем в десять раз превышает эмиссию с чистых металлов, таких как N, Au, Cu.
Недостатком этого устройства является наличие эмиссии электронов из области с низким КВИЭЭ, что приводит к паразитной засветке резиста в тех областях подложки, где это должно быть исключено, что ухудшает прецизионность получаемого рисунка, особенно при переходе в наноразмерную область. Вследствие неидеальности контрастно-чувствительной характеристики (КЧХ) резиста - зависимости толщины экспонированной и проявленной пленки резиста от количества поглощенного активного излучения, в данном случае электронов - даже при малом количестве электронов, генерируемых областями катода-маски из областей с низким КВИЭЭ наблюдается частичная засветка резиста на границе раздела резист-подложка. (Грачёв В.И., Марголин В.И., Тупик В.А. Новые аспекты в технологии производства элементов радиоэлектроники на основе тлеющего разряда // Технология производства и оборудование в приборостроении.- 2017.- № 2.- С. 63-66.). Резистов с идеальной КЧХ пока не известно.
Технической задачей, решаемой полезной моделью, является создание устройства, позволяющего улучшить прецизионность рисунка на резисте.
Поставленная задача решается за счет того, что предлагаемое устройство, также как и известное, содержит вакуумную камеру, в которой расположен анод с подложкой со слоем резиста, нанесенного на подложку, технологическую камеру, в которой расположен катод-маска и реализуется локальный высоковольтный тлеющий газовый разряд, обеспечивающий вторичную ионно-электронную эмиссию электронов из катода-маски, топология которого выполнена как бинарная система из двух разнородных материалов, различающихся по коэффициенту вторичной ионно-электронной эмиссии. В отличие от известного устройства в предлагаемом устройстве в вакуумной камере вне технологической камеры установлена металлическая прозрачная для электронов сетка, подключенная к дополнительному источнику питания, для отсечения электронов из области с низким КВИЭЭ.
Достигаемым техническим результатом является повышение прецизионности рисунка на резисте.
Расстояние от сетки до границы технологической камеры выбирается из условия исключения пробоя остаточных газов в вакуумной камере в случае изменения полярности потенциала на сетке и определяется экспериментально, т.к. этот параметр индивидуален для каждой конкретной установки и зависит от технологических требований и условий и конструкционных особенностей вакуумной камеры. Сетка выполняется из металлической - обычно медной - микропроволоки диаметром от 5 и более и размером ячейки порядка 50 мкм. Больший размер ячеек может привести к прогибу сетки, меньший к ослаблению ее прозрачности для электронов. Дополнительный источник питания должен обеспечивать подачу потенциала на сетку в пределах 0,5 - 30 кВ, что определяется параметрами ВТГР и оптимальной энергией активации физико-химических превращений в резисте.
Устройство иллюстрируется чертежом, где 1 - вакуумная камера, в которой расположены анод 2 с подложкой 3, на которую нанесен слой резиста 4 и технологическая камера для инициации ВТГР 5 с отверстием 6 для выхода электронов из технологической камеры и транспортировки их к аноду и подложке, расположенный в технологической камере катод-маску 7, и прозрачную для электронов металлическую сетку 8, на которую с помощью подключения 9 дополнительного источника питания (на чертеже не показан) подается потенциал, отсекающий поток электронов из области с малым КВИЭЭ. Катод-маска 7 выполнен из материалов с различным коэффициентом вторичной ионно-электронной эмиссии (КВИЭЭ).
Устройство работает следующим образом. В пространстве технологической камеры зажигается высоковольтный тлеющий газовый разряд. Положительные ионы, образованные в разряде, бомбардируют катод-маску, изготовленную из материалов с различным КВИЭЭ и обеспечивают вторичную ионно-электронную эмиссию. В результате различия в КВИЭЭ для различных участков поверхности катода-маски, соответствующих областям засветки резиста, и исключающим полноценную засветку на подложке, электронный поток промодулирован по плотности, т.е. распределение плотности тока вторичных электронов в сечениях, параллельных поверхности катода, будет соответствовать заданной топологии на резисте. Чем больше различие в КВИЭЭ, тем больше будет контраст в засветке различных участков подложки.
Ускоренные в прикатодном слое электроны выходят из отверстия в технологической камере в вакуумную камеру и направляются к аноду испытывая малое число упругих и неупругих соударений с атомами остаточных газов в вакуумной камере и практически не рассеиваясь. Проходя через металлическую сетку, на которую подан от дополнительного источника питания задерживающий потенциал, электроны, эмитированные из участков катода-маски с малым КВИЭЭ отсекаются. Электроны, эмитированные из участков катода-маски с большим КВИЭЭ, проходят в вакуумную камеру с незначительными потерями и достигают анод и подложку со слоем резиста и бомбардируют обрабатываемую подложку, формируя в резисте скрытое изображение - рисунок. При этом незначительная часть потока электронов из области с высоким КВИЭЭ также будет купирована, но учитывая различие в КВИЭЭ это большой роли не играет. В результате электронный поток, достигший резиста, будет соответствовать рисунку микросхемы.
Проведенные эксперименты показали, что подача на расположенную в вакуумной камере прозрачную для электронов медную сетку потенциала 150 В полностью отсекает поток электронов, выходящих из области с малым КВИЭЭ с энергией 10 В. В качестве материала с высоким КВИЭЭ использовалось стекло (КВИЭЭ - 9), а материала с низким медь (КВИЭЭ - 1,1). Исследования с помощью электронной микроскопии показали, что для негативного резиста на основе композиции циклокаучука на не засвеченной области резиста отсутствует вуаль и более толстая пленка, а прецизионность рисунка возрастает за счет увеличения фактора контраста с 1,8 до 3,4, и резкости края рисунка на 10 - 15%.