УСТРОЙСТВО ЭЛЕКТРОННОЙ ЛИТОГРАФИИ

Полезная модель относится к области электронных технологий, а именно к устройствам для нанесения рисунков в технологии изготовления полупроводниковых устройств.
Существуют два основных способа формирования изображения при изготовлении микроэлектронных полупроводниковых устройств - это электронная и оптическая литографии. В настоящее время оптическая литография занимает лидирующее положение, но метод уже находится вблизи порога, за которым дальнейшее увеличение разрешения будет практически невозможно из-за большой длины волны используемого электромагнитного излучения и экономически невыгодно.
В проекционной электронной литографии [Валиев К.А. Физика субмикронной литографии. М.:,] изображение на поверхности резиста (чувствительного слоя, нанесенного на обрабатываемую пластину) формируется изображение путем засвечивания последнего электронами, при этом требуемое изображение сначала формируется на маске, на которую нанесен рисунок и фотоэмиссионное покрытие. При облучении маски с тыльной стороны фотонами необходимой энергии будет происходить эмиссия электронов с облученных участков, имеющих открытое фотоэмиссионное покрытие. Далее электроны ускоряются однородным электрическим полем и фокусируются при помощи средств электронной оптики на поверхность экспонируемого образца. Таким образом, рисунок, предварительно нанесенный на маску, переносится на обрабатываемую поверхность. В приведенной системе обыкновенно используемые фотокатоды, содержащие Cs (например, слой Csl, нанесенный на протравленную по форме нужного рисунка пленку Сr), которые недолговечны и неустойчивы к воздействию атмосферы остаточных газов в рабочей камере, а потому непригодны к длительному использованию. 8
Известен термоэмиссионный способ электронной литографии, в котором источников электронов является термоэмиссия катода-маски и устройство, реализующее этот способ (Сатаров Г.Х., Котенев Б.И., Гаряева Г.О. и др. Электронно-проекционная установка // Мат-лы Всесоюзной конф. "Электронная литография и ее применение в микроэлектронике" - ЦНИИ Электроника, М.: 1976.- С.13-14.).
Устройство для электронной литографии на основе термоэмиссии, содержит технологическую камеру, в которой установлены термокатод-маска, разные участки которого выполнены из материалов с различными коэффициентами вторичной термоэмиссии электронов, и анод, соединенный с подложкой, на которой расположен слой резиста, взаимодействующего с эммитируемыми маской электронами. С внешней стороны камеры установлена система коррекции изображения, воздействующая на эммитируемые маской электроны
При нагреве катода-маски до рабочих температур, соответствующих термоэмиссии электронов (сотни градусов Цельсия) эммитируемые электроны ускоряются прикладываемым электрическим полем и засвечивают подложку с резистом Недостаток такого метода заключается в необходимости использования самой термоэмиссии электронов, что требует, во-первых, прецизионного соблюдения температурного режима по всей площади катода-маски, (а это 300 мм в современных условиях и 450 мм в перспективе). Во-вторых, это приводит, при таких температурах, к неконтролируемому уходу размеров элементов изображения, что недопустимо в субмикронной технологии, и, тем более, в нанотехнологии. К тому же, ввиду трудностей с обеспечением равномерного и прецизионного нагрева по всей площади катода, уход размеров в разных местах термокатода будет различным.
Наиболее близким по совокупности существенных признаков к предлагаемому является устройство электронной литографии на основе фотоэмиссии (Патент РФ №2183040, МПК H01J 37/317), которое содержит вакуумированную технологическую камеру, в которой установлены источник ультрафиолетового излучения, катод-маска, анод, соединенный с подложкой со слоем резиста, взаимодействующего с эммитируемыми маской электронами и систему коррекции изображения, воздействующую на эммитируемые маской электроны
Основным недостатком известного устройства является малый срок службы катодов - 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 литографической установки и отравляющих фотокатод. Материалы, позволяющие использовать данный способ в практических целях к настоящему времени неизвестны.
Задачей, решаемой изобретением, является разработка устройства электронной литографии для больших интегральных схем с большим сроком службы.
Поставленная задача решается за счет того, что предлагаемое устройство, так же, как и известное, содержит технологическую камеру, в которой установлены катод-маска, анод, и систему коррекции изображения, воздействующую на эммитируемые маской электроны. Но, в отличие от известного, в предлагаемом устройстве катод-маска выполнена из двух материалов с разными коэффициентами вторичной ионно-электронной эмиссии, в катодно-анодном промежутке установлен дополнительный электрод, имеющий отверстие для пролета электронов к обрабатываемой подложке с резистом, которая устанавливается на аноде, причем дополнительный электрод, обеспечивающий создание тлеющего разряда, электрически соединен с анодом, а корпус заполнен рабочим газом: либо инертным газом, либо аргоном, либо водородом..
Достигаемый технический результат - увеличение срока службы устройства без замены маски.
-3
-4
Срок службы устройства увеличивается за счет использования тлеющего разряда, при использовании которого время для экспонирования резиста сокращается до 10 - 10 сек, т.е. на несколько порядков меньше, чем в известном устройстве электронной литографии на основе фотоэмиссии. Это приводит к необходимости уменьшения рабочего тока.
Совокупность признаков, сформулированных в пункте 2 формулы полезной модели, характеризует устройство, в котором материалы катода-маски различаются коэффициентами вторичной ионно-электронной эмиссии на порядок.
Для увеличения четкости изображения следует выбирать материалы с разницей в коэффициентах вторичной ионно-электронной эмиссии как можно большей.
Совокупность признаков, сформулированных в пункте 3 формулы полезной модели, характеризует устройство, в котором система коррекции изображения, воздействующая на эммитируемые маской электроны выполнена в виде электромагнитной катушки, длина которой превышает диаметр.
Линза создает продольное однородное магнитное поле. Параллельные силовые линии позволяют переносить изображение на резист не меняя его размеров.
В основе работы устройства лежат следующие физические процессы.
Между катодом и вспомогательным электродом в рабочей камере зажигается высоковольтный разряд. Положительные ионы, образованные в разряде, пересекают границу области катодного падения напряжения, ускоряются в этой области и бомбардируют катод-маску, изготовленную из материалов с различным коэффициентом вторичной ионно-электронной эмиссии (КВИЭЭ). В результате различия КВИЭЭ для различных участков поверхности катода-маски электронный поток промодулирован по плотности, т.е. распределение плотности тока вторичных электронов в сечениях, параллельных поверхности катода, будет соответствовать заданной топологии. Чем больше различие в КВИЭЭ, тем больше будет контраст в засветке различных участков подложки.
Ускоренные в прикатодном слое электроны пересекают газоразрядный промежуток, испытывая малое число упругих и неупругих соударений с атомами рабочего газа (инертный газ, аргон, водород). Электроны бомбардируют обрабатываемую подложку со слоем резиста, формируя в резисте скрытое изображение. Магнитное поле может использоваться для поворота, масштабирования и совмещения изображения. Высоковольтный тлеющий 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. Наиболее существенной характерной чертой высоковольтного тлеющего разряда является нерассеянная компонента электронов высоких энергий, которая может быть использована для переноса изображения в электронах. Проблема заключается в модуляции электронного потока по плотности тока в соответствии с графикой переносимого изображения, что может быть реализовано за счет различия в КВИЭЭ с разных участков катода в установке с высоковольтным тлеющим разрядом. В настоящее время известны материалы с различием КВИЭЭ более чем на порядок, из которых может быть сформирована рабочая пара. КВИЭЭ для монокристаллических диэлектриков более чем в десять раз превышает эмиссию с чистых металлов. Такая разница в эмиссионных свойствах позволяет гарантированно обеспечить необходимый контраст в современных электронорезистах и обеспечить перенос изображения с катода-маски,
Полезная модель поясняется чертежами, где на фиг.1 приведен пример выполнения предлагаемого устройства для электронной литографии, а на фиг.2 приведена зависимость КВИЭЭ при использовании в качестве рабочего газа водорода.
Устройство содержит технологическую камеру 1, в которой расположены катод-маска 2, анод 3, дополнительный электрод 4 с отверстием 5, электрически соединенный с анодом. Дополнительный электрод обеспечивает создание тлеющего разряда. Снаружи технологической камеры установлена электромагнитная система 6 в виде катушек, длина которых больше толщины. На аноде 3 размещают подложку со слоем резиста 7. Катод-маска 2 выполнен из материалов с различным коэффициентом вторичной ионно-электронной эмиссии (КВИЭЭ).
Устройство работает следующим образом. На катоде-маске 2 методом, например, электронной литографии остросфокусированным пучком нанесен рисунок изображения, которое необходимо получить на подложке. Материалы монолита катода и эммитирующего слоя рисунка подобраны так, что имеют различные значения КВИЭЭ, за счет чего обеспечивается модуляция электронного потока по плотности. Камера 1 откачивается до максимально возможного вакуума и в нее напускается рабочий газ, например Аr, до давления 13,3 - 1,33 Па в зависимости от условий эксперимента. Между катодом-маской 2 и вспомогательным электродом 4 зажигается высоковольтный тлеющий разряд и положительные ионы, образованные в разряде, пересекают границу области катодного падения напряжения, ускоряются в этой области и бомбардируют катод-маску. В результате различия КВИЭЭ для разных участков поверхности катода-маски распределение плотности тока вторичных электронов в сечениях, параллельных поверхности катода, будет соответствовать рисунку изображения. Продольное магнитное поле облегчает процесс зажигания разряда и корректирует характер движения вторичных электронов, покидающих катод. Быстрые электроны бомбардируют обрабатываемую подложку со слоем резиста 7, формируя в резисте скрытое изображение. Поскольку изображение каждой точки получается на той же силовой линии, на которой лежит сама точка источника заряженных частиц, а все силовые линии в однородном магнитном поле параллельны друг другу, изображение источника будет совпадать по величине с самим источником. Изображение будет прямым и перевернутым, как в обычных световых линзах. Контраст изображения определяется главным образом соотношением коэффициентов ионно-электронной эмисссии различных участков поверхности катода, а также отношением плотностей токов быстрых и медленных электронов, поступающих на резист. Графики, приведенный на фиг.2 иллюстрируют зависимость КВИЭЭ от энергии ионов водорода для различных материалов: кривая 1 - Мо, кривая 2 - чистый КВr, кривая 3 - керамика. Для данных материалов наилучшим сочетанием материалов катода-маски будет сочетание молибдена и керамики. В качестве рабочего газа можно использовать любой инертный газ, аргон или водород. Инертные газы и аргон обеспечивают безопасность работы. Водород достаточно агрессивен, в смеси с кислородом образует гремучий газ, но он обладает малой массой, что позволяет более точно управлять параметрами процесса.
-2
-3
2
-3
-4
-3
-4
Расчеты и эксперименты показывают следующие результаты. При плотностях тока высоковольтного тлеющего разряда 10 - 10 А/см в системе ионно-электронной литографии для экспонирования резиста типа ПММА требуется время порядка 10-10 сек, что в 10 - 10 раз меньше, чем потребное время экспозиции в системе проекционной электронной литографии. Это приводит к необходимости уменьшать рабочие токи.
5
Заметное распыление катода (на глубину порядка 50 нм) и искажение рисунка в системе ИЭЛ начинают проявляться не ранее, чем через 10 экспозиций, что на 2-3 порядка превышает число допустимых экспозиций в системе проекционной электронной литографии. Производительность и экономичность системы ИЭЛ по сравнению с существующими групповыми методами генерации рисунка повышается за счет использования относительно высокого давления рабочего газа (13,3-1,33 Па) и сокращением времени цикла откачки.