РЕНТГЕНОВСКИЙ ИСТОЧНИК ДЛЯ ЛИТОГРАФИИ

Полезная модель относится к рентгеновской технике, а именно к рентгеновским источникам, в частности к компактным рентгеновским источникам.
2
2
Одной из областей применения рентгеновского источника может быть операция литографии в микроэлектроники. В процессе выполнения литографии формируются топологические элементы на подложке посредством облучения потоком фотонов (светом) локальной области пластины незащищенной маской. Размер этих элементов зависит от различных факторов. Одним из ключевых факторов является длина волны потока фотонов. С уменьшением длины волны уменьшается размер топологических элементов на подложке. Как результат, увеличивается количество топологических элементов при фиксированной площади подложки, что в конечном итоге повышает производительность устройства (например, процессора для мобильных телефонов). Рентгеновское излучение, генерируемое рентгеновским источником, обеспечивает меньшее значение длины волны λ по сравнению с современными литографами. Длина волны у двухкомпонентных эксимерных лазеров: λ(KrF)=248 нм, λ(ArF)=193 нм. Длина волны у однокомпонентных лазеров: λ(F)=157 нм, λ(Ar)=126 нм. Длина волны рентгеновского излучения менее 15 нм. Например, при использовании в качестве материала мишени анода рентгеновского источника слоя бериллия величина λ составит 11.4 нм.
Известен источник рентгеновского излучения, содержащий автокатод, антикатод, окно, вакуумированный или газонаполненный рабочий объем, средства формирования электронных потоков и систему питания ячеек [1].
К недостаткам устройства можно отнести сложный ремонт конструкции, так как демонтаж антикатода является сложной задачей после герметизации источника для вакуумирования или газонаполнения рабочего объема.
Известна конструкция полевой эмиссионной трубки для облегчения замены катода, включающей в себя катод, анод, затвор, соединительный элемент между катодом и затвором, элемент, предотвращающий вращение (смещение) катода [2].
К недостаткам конструкции можно отнести замену только катода. Например, в катодах автоэмиссионного типа сроки эксплуатации катода и анода сопоставимы. Следовательно, в случае выхода из строя анода придется менять всю трубку целиком, что снижает рентабельность применения рентгеновских источников.
Известна конструкция рентгеновской трубки и способ генерации поляризованного излучения, содержащая катод и анод, установленные в корпусе, причем по меньшей мере часть анода указанной рентгеновской трубки, которая предназначена для осуществления соударений с электронами, испускаемыми из катода, выполнена, в основном, из бериллия для получения, по меньшей мере, частично поляризованного излучения и она приспособлена для осуществления фильтрации генерируемого при этом рентгеновского излучения, с подавлением, по меньшей мере частичным, слабо поляризованной части спектра, указанного, по меньшей мере, частично поляризованного рентгеновского излучения [3].
К недостаткам можно отнести токсичность и канцерогенность материала бериллия при формировании анода (для человека), а также в процессе эксплуатации устройства. Экспериментальные исследования и клинические наблюдения свидетельствуют, что в основе механизма действия бериллия на организм человека лежит изменение белкового обмена, ведущее к нарушению деятельности отдельных ферментов и развитию аутоиммунного процесса. Существенную роль в патогенезе заболевания играет и сенсибилизация организма соединениями бериллия. Основным путем проникновения бериллия и его соединений являются органы дыхания; депонируется бериллий в костях, легких, лимфатических узлах, печени, а также в сердечной мышце. Напыление материала анода происходит при непосредственном контакте оператора с анодом. Кроме того, использование одного типа пленки позволяет получить только одну длину волны рентгеновского излучения, что сужает объем информации об объекте.
Известно техническое решение рентгеновского источника, включающего в себя вращающийся анод, источник электронов. Генерация рентгеновского излучения осуществляется посредством совпадения направлений электронного пучка и центробежной силы, вращающей анод [4].
К недостаткам изобретения можно отнести изменение свойств материала анода после разогрева выше значения температуры плавления, что вносит механические напряжения, которые изменяют расстояние между атомами материала, а значит, на фокус рентгеновского излучения. Также сложно осуществить высокую точность совпадения направлений электронного пучка и центробежной силы, действующей на мишень анода. Кроме того, для постоянного расплавления разных областей материала мишени анода, требуется поддерживать высокую эмиссию электронов. Это может привести к тепловой деградации источника электронов.
Известен патент на рентгеновский источник [5], содержащий вакуумный корпус, анод со сквозными открытыми, или глухими, или и теми и другими каналами с проводящими стенками, выполненными с возможностью подачи на них заданного потенциала и содержащими материал, способный излучать рентгеновское излучение при облучении электронами достаточной энергии, катод, окно для рентгеновского излучения и вспомогательные средства, причем анод выполнен с возможностью непосредственного крепления к корпусу, каналы анода содержат материал или разные материалы мишени на всем их протяжении или на части их длины и выполнены с характерным размером поперечного сечения в пределах от 0,001 до 1,0 от длины каналов, направлены или в одну и ту же точку, называемую фокусом, или в несколько точек, фокусов, или во множество точек, задающих требуемый узор, а окно выполнено или прилегающим к аноду, или в одном узле с ним или в его составе так, что примыкает к поверхности анода со стороны закрытых концов глухих каналов или с любой одной стороны, если все каналы открытые.
Недостатком патента является сложность изготовления рентгеногенерирующих каналов анода под разным углом. Сквозные отверстия в аноде требуют введения дополнительного элемента в конструкцию для герметизации устройства с целью формирования вакуума. Кроме того, теряется часть потока электронов с катода, попадающая в зазоры между отверстиями каналов анода, что снижает максимальную величину рентгеновского излучения, в том числе, в точке фокуса. Также интенсивность одного катода недостаточна для генерации достаточного электронного потока для каждого из каналов в аноде. В случае увеличения напряжения на катоде для достижения необходимой интенсивности, повышается вероятность тепловой деградации катода, следовательно, сокращается срок службы. Помимо вышеописанного, к недостаткам можно отнести невозможность получения излучения от конкретного материала мишени анода, так как при каждом экспонировании анода электроны попадают во все каналы одновременно. Следовательно, рентгеновские волны накладываются друг на друга в точке фокуса, что приводит к помехам при детектировании сигнала.
Наиболее близким техническим решением является рентгеновский источник [6], включающий в себя вакуумный корпус, катод, анод, содержащие различные материалы для генерации рентгеновского излучения с разной длиной волны, причем применяется матрица в виде барабана с набором отпаянных рентгеновских трубок, включающих катоды и аноды.
К недостаткам конструкции рентгеновского источника можно отнести малый диапазон корректировки длин волн и недостаточный отвод тепла с элемента анода отпаянной рентгеновской трубки.
Задачей настоящей полезной модели является расширение диапазона корректировки длин волн, повышение срока эксплуатации прибора.
Поставленная задача решается тем, что изготавливают рентгеновский источник, включающий в себя вакуумный корпус, катод, анод, содержащие различные материалы для генерации рентгеновского излучения с разной длиной волны, причем применяются раздельные катоды и аноды в виде барабанов, барабаны соединяются цилиндрическим валом, цилиндрическим вал закрепляется в подшипнике барабана катодов, барабаны расположены заподлицо с вакуумным корпусом.
В предлагаемой полезной модели применяются барабаны с катодами и анодами, расположенные заподлицо с вакуумным корпусом. Вакуумный корпус выполнен из кварцевого материала, что позволяет обеспечить диэлектрическую изоляцию между областями катодов и анодов; также выполнить критерий надежности при температурных нагрузках в процессе разогрева барабана с анодами. Катоды в виде барабана и аноды в виде барабана соединяются жестким цилиндрическим валом для осуществления центровки областей катодов и анодов в плоскости длинной стороны вакуумного корпуса. Для центровки в плоскости короткой стороны вакуумного корпуса каждого катода относительно соответствующего анода используются элементы стопора. Также элементы стопора не позволяют перекрутить анод относительно плоскости барабана анодов. Данная конструкция центровки позволяет минимизировать рассеивание электронов в процессе перемещения (под действием электростатического поля) от катода к аноду. Цилиндрический вал запрессовывается в подшипник, расположенный в барабане катодов, для обеспечения поворотного механизма барабана анодов. В результате барабан с анодами может вращаться, а барабан с катодами постоянно находится в стационарном состоянии. Катоды и аноды вкручиваются в барабан посредством резьбового соединения. Расположение барабанов заподлицо с вакуумным корпусом позволяет значительно уменьшить расстояние до объекта литографии (полупроводниковой пластины), следовательно, повысить интенсивность облучения коротковолновыми волнами (рентгеном). Как результат, повышается вероятность формирования резких границ нано- и микроразмерных элементов.
Расширение диапазона корректировки длин волн достигается за счет дополнительного взаимодействия катодов и анодов. В прототипе барабан рентгеновских трубок в количестве N штук способен генерировать N различных длин волн. Пусть в предлагаемом техническом решении количество различных материалов анодов N штук и различных острий катодов М штук. Следовательно, разработанный рентгеновский источник для литографии обеспечивает L различных длин волн, где L=N⋅M. Если количество различных материалов анодов равно количеству различных острий катодов и равно N, то по сравнению с прототипом в N раз больше длин волн можно сгенерировать (L=N⋅N), используя предлагаемое техническое решение.
Повышение срока эксплуатации прибора достигается посредством вращения барабана с анодами, в результате которого рассеивается тепло, вызванное эффектом тормозного рентгеновского излучения. В случае снижения уровня вакуума внутри вакуумного корпуса необходимо отвернуть один из катодов, и провести операцию откачки давления из внутренности камеры. Процесс поворачивания (монтирования) катодов и анодов в барабанах может осуществляться при помощи инструмента с крестообразным наконечником. Дополнительно это обеспечивает изменение расстояния между анодом и катодом, что может повлиять на параметры генерации излучения.
Катоды могут использоваться как попеременно, так и одновременно. В результате в конкретный момент времени рентгеновский источник может генерировать несколько различных длин волн.
1
2
M
На фиг. 1 представлена трехмерная конструкция устройства, где: 1 - вакуумный корпус, 2 - катод с различной величиной острия (β, β…β, то есть М типов), 3 - анод с различным типом материала мишени (N типов), 4 - барабан катодов, 5 - барабан анодов, 6 - цилиндрический вал, 7 - подшипник барабана катодов, 8 - элемент стопора.
На фиг. 2 представлена двухмерная конструкция устройства: 9 - область подачи высокого напряжения на катод, 14 - область потока электронов из катода, 15 - область выхода рентгеновского излучения.
1
На фиг. 3 показан 2 катод с одной из различных величин острия β и область его поверхности, где 21 - слой подложки катода, 22 - острие катода. На фиг. 4 показан 3 анод с одним из различных типов материалов мишени и область его поверхности, где 11 - металлический слой мишени анода, 12 - диэлектрический слой анода, 13 - слой подложки анода.
Процесс литографии с использованием рентгеновского источника осуществляется следующим образом. На верхний слой образца, представляющего собой полупроводниковую подложку со сплошным функциональным слоем, наносят рентгенорезист. Следующим шагом располагают фотошаблон на образце. После этого, проводят экспонирование рентгеновским излучением (генерируемое рентгеновским источником) областей рентгенорезиста, незакрытых фотошаблоном. Затем, убирают фотошаблон. Помещают образец в жидкостной травитель для рентгенорезиста. Экспонированные области материала рентгенорезиста меняют свои свойства, вследствие этого не удаляются в процессе жидкостного травления. В случае, если слой рентгенорезиста удалился со всей подложки целиком, то повторно наносят слой рентгенорезиста и выполняют экспонирование образца, используя скорректированную длину волны. Затем, удаляют материал функционального слоя, не защищенный слоем рентгенорезиста. Наконец, удаляют слои экспонированного рентгенорезиста. В результате, получают образец, представляющий собой полупроводниковую подложку с фрагментами функционального слоя, то есть рисунком с микро- и/или наноразмерами.
Конкретный пример исполнения. Сначала изготавливают аноды. На кремниевое основание толщиной 670 мкм осаждают на лицевую сторону оксид кремния 600 нм, нитрид кремния 130 нм и слой вольфрама (выбор материала зависит от требуемой длины волны) 400 нм. После этого, осаждают на обратную сторону слой алюминия 500 нм. Проводят фотолитографию с обратной стороны основания. Удаляют последовательно части материалов, незащищенные маской: алюминий, нитрид кремния, оксид кремния и кремний. Затем разделяют структуру на кристаллы. Каждый кристалл представляет собой вольфрамовый анод в форме круга диаметром 1.4 мм на квадратном кремниевом основании со стороной 6 мм.
Далее изготавливают катоды. На кремниевое основание толщиной 670 мкм осаждают на лицевую сторону оксид кремния 600 нм, нитрид кремния 130 нм. Затем проводят фотолитографию для формирования катодных цилиндров. После этого, удаляют незащищенные слои нитрида кремния 130 нм, оксида кремния 600 нм и кремния 3 мкм. Следующим шагом выполняют заточку катодов посредством сухого окисления в атмосфере азота. Далее формируют металлизацию, вскрывают острия катодов для последующего формирования пучка электронов. После этого разделяют пластину на кристаллы.
Следующим шагом монтируют один или несколько катодов на локальные области в барабане для катодов. Затем монтируют один или несколько анодов на локальные области в барабане для анодов. После этого, выполняют герметичную сборку с вакуумным корпусом. Затем подается напряжение 10 кВ, электроны с катода инжектируют в анод. В процессе соударения с атомами металлической пленки мишени анода происходит тормозное рентгеновское излучение.
В результате применения рентгеновского источника обеспечивается расширение диапазона корректировки длин волн, повышение срока эксплуатации прибора. Количество генерируемых длин волн зависит от количества используемых различных материалов анодов и различных острий катодов.
Источники информации:
1. Патент РФ №2586621.
2. Патент США №8942352.
3. Патент РФ №2199112.
4. Патент РФ №2068210.
5. Патент РФ №2617840.
6. Патент РФ №182856 - прототип.