СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ ТОПОЛОГИЧЕСКОГО ИЗОБРАЖЕНИЯ В ПЛЕНКЕ ХРОМА
THE METHOD OF PRODUCTION OF THE TOPOLOGICAL IMAGE IN THE CHROME FILM

Изобретение относится к электронной технике, а именно к фотолитографии, и предназначено для формирования топологического изображения в пленке хрома ионно-лучевым воздействием с применением сеточного ионного источника Кауфмана, и может быть использовано в микроэлектронике для изготовления микросхем, в оптике при изготовлении элементов оптических систем и т.п.
В настоящее время в фотолитографическом процессе используют тонкие слои халькогенидного стеклообразного полупроводника (далее - ХСП). В зависимости от состава и способа постэкспозиционной обработки тонкие пленки ХСП обладают свойствами позитивного либо негативного фоторезиста.
Известен способ производства фотонных кристаллов, описанный в патенте США №7732122, согласно которому неорганический фоторезист - ХСП, содержащий As, S, Se, наносят методом термического испарения; экспонирование осуществляют с помощью лазера, травление производят с использованием веществ на основе группы аминов, в частности диэтиламина, который, предпочтительно, растворяет одну фазу фоторезиста. При этом проявленный фоторезист снимают в форме фотонного кристалла и используют в изготовлении оптических систем, схем и т.п.
Известна технология голографической фотолитографии, включающая в себя следующие операции: изготовление защитной фоторезистивной маски на поверхности полупроводниковой или стеклянной пластины, проявление экспонированного слоя фоторезиста до материала подложки, избирательное его травление через окна в защитной маске [Корешев С.П., Ратушный В.П. Основы технологии голографической субмикронной фотолитографии // Научно-технический вестник. СПб ГУ ИТМО. 2005. В.23. С.34-42].
-3
Известна технология голографической фотолитографии [Корешев С.Н. и др. Голографическая фотолитография на основе тонких пленок халькогенидного стеклообразного полупроводника // Оптический журнал. - 2007. №7. том 74. - С.80-85], выбранная в качестве наиболее близкого аналога и основанная на последовательном использовании двух защитных масок, причем одну из них формируют из обладающего свойствами негативного фоторезиста ХСП, а другую - из аморфного хрома, также обладающего свойствами негативного фоторезиста в условиях ионно-плазменной обработки. Известный способ включает в себя следующие операции: нанесение методом магнетронного распыления на стеклянную подложку аморфных хромовых пленок толщиной 160 нм; нанесение методом вакуумного распыления халькогенидных пленок толщиной 250 нм; химическое проявление экспонированного ХСП до глубин рельефа 0,1-0,15 мкм; ионно-плазменную обработку в среде инертного газа (аргона) в вакуумной камере, откачанной до давления 10 Па до появления окон, открывающих поверхность хрома, с использованием в качестве источника ионного пучка источника Кауфмана; удаление защитной маски из ХСП в концентрированном растворе щелочи; химическое травление пленки хрома в травителе на основе солей церия с добавлением серной кислоты. Время травления хрома составляет 6-15 мин, что обеспечивает полное удаление аморфного хрома с подложки и не оказывает практически никакого влияния на участки кристаллического хрома.
Таким образом, используемая в способе, принятом в качестве прототипа, ионно-плазменная обработка изначально аморфного хрома, осуществляемая через окна в защитной халькогенидной маске в процессе ее проявления, приводит к переходу находящихся в окнах защитной халькогенидной маски участков поверхности хрома в кристаллическое состояние, отличающееся повышенной устойчивостью к цериевому травителю. При этом отношение скоростей травления кристаллического и аморфного хрома (селективность) составляет 4:9 соответственно.
Следует отметить, что указанная разница скоростей травления недостаточна для получения структур, пригодных для использования в областях микроэлектроники и оптики.
Задача, на решение которой направлено настоящее изобретение, состоит в разработке способа, способствующего получению структур, представляющих собой изображения заданной топологии, пригодных для использования в областях микроэлектроники и оптики.
При этом под изображением заданной топологии понимается зафиксированное на материальном носителе пространственно-геометрическое расположение совокупности всех элементов изображения и связей между ними, так, например, топологией интегральной микросхемы является зафиксированное на материальном носителе пространственно-геометрическое расположение совокупности элементов интегральной микросхемы и связей между ними.
Техническим результатом, проявляющимся при использовании изобретения, является получение изображения заданной топологии за счет существенной (по отношению к прототипу) разницы скоростей травления кристаллических и аморфных участков хрома в химическом травителе. Учитывая, что отношение скоростей травления кристаллического и аморфного хрома (селективность) составляет в предложенном способе 1:5, в то время как в способе-прототипе селективность составляет 4:9.
Изображение заданной топологии получают вследствие селективности травления в химическом травителе кристаллических и аморфных участков. В свою очередь, на селективность влияет время ионной обработки открытых участков хрома, составляющее не менее 30 с. Поскольку именно за это время происходит процесс рекристаллизации пленки, заключающийся в образовании и росте (или только росте) структурно более совершенных кристаллических зерен поликристалла за счет менее совершенных зерен той же фазы, что и приводит к существенной разнице скоростей травления.
-2
3
8
Поставленная задача решается, а технический результат достигается тем, что предлагаемый способ формирования топологического изображения в пленке хрома включает в себя этапы: нанесения методом вакуумного распыления рентгеноаморфной пленки хрома в вакуумной камере электронно-лучевым методом или методом магнетронного напыления, формирования слоя фоторезиста, экспонирования фотопластин, химического травления, ионно-лучевой обработки рентгеноаморфной пленки хрома в вакуумной камере, заполненной газовой смесью, с использованием в качестве источника ионного пучка источника Кауфмана, удаления оставшейся маски фоторезиста, химического травления пленки хрома в цериевом травителе с добавлением серной кислоты, при этом рентгеноаморфную пленку хрома наносят до толщины от 150 нм до 500 нм, слой фоторезиста формируют толщиной не менее 250 нм, ионно-лучевую обработку рентгеноаморфной пленки хрома проводят через маску фоторезиста в течение не менее 30 секунд с помощью сеточного ионного источника Кауфмана при давлении газовой смеси (4-6)·10 Па, при этом газовая смесь содержит аргон примерно от 70 до 95 мас.%, хладон 218 (CF) примерно от 30 до 5 мас.%, а также остаточные газы, удаление оставшейся маски фоторезиста проводят в слабом 0,5%-ном щелочном растворе и промывают подложку с пленкой хрома в дистиллированной воде.
В одном варианте выполнения изобретения слой фоторезиста формируют в вакуумной камере на подложке с пленкой хрома, имеющей температуру до +30°С, методом термического испарения халькогенидного стеклообразного полупроводника, содержащего As, S, Se, Sb, или As, S, Se, или As, S. Халькогенидный стеклообразный полупроводник может содержать As, S, Se в процентном соотношении As 36%, S 44%, Se 20%, или As, S в процентном соотношении As 40%, S 60%, или As, S, Se, Sb в процентном соотношении As 36%, S 42%, Se 20%, Sb 2%. При этом химическое травление проводят в органическом травителе на основе дипентиламина и триэтилфосфата до получения на пленке хрома из слоя фоторезиста фоторезистивной маски толщиной не менее 80 нм.
В другом варианте выполнения изобретения слой фоторезиста формируют методом центрифугирования путем полива из раствора фоторезиста Шипли AZ-1350. При этом химическое травление проводят в слабощелочном 2% растворе KOH до получения на пленке хрома из слоя фоторезиста фоторезистивной маски толщиной не менее 50 нм.
Согласно изобретению химическое травление проводят в течение 6-15 мин.
Сущность изобретения иллюстрируется чертежами и примерами предпочтительного варианта осуществления изобретения.
-1
На Фиг.1 представлено изображение периодической структуры с соотношением штрих/промежуток на половине высоты 10:1, полученное с помощью сканирующего зондового микроскопа. Данная структура представляет собой набор прямых хромовых полос толщиной около 200 нм, расположенных на стеклянной подложке с частотой следования около 1700 мм. В качестве фоторезиста использовался ХСП следующего состава: As 36%, S 44%, Se 20%.
-1
На Фиг.2 представлено изображение периодической структуры с соотношением штрих/промежуток на половине высоты 5:1, полученное с помощью сканирующего зондового микроскопа. Данная структура представляет собой набор прямых хромовых полос толщиной около 150 нм, расположенных на стеклянной подложке с частотой следования около 1700 мм. В качестве фоторезиста использовался Шипли AZ-1350.
Пример 1. Способ формирования топологического изображения в пленке хрома.
Способ осуществляют следующим образом.
Вначале проводят подготовку фотопластин для экспозиции путем нанесения в вакуумной камере методом магнетронного напыления рентгеноаморфной пленки хрома толщиной 150 нм на стеклянную подложку.
36
44
20
После чего на ненагретую стеклянную подложку с пленкой хрома, имеющую температуру +28°С, наносят ХСП - AsSSe толщиной 300 нм в вакуумной камере методом термического испарения неорганического фоторезиста.
-1
Затем в интерференционном поле с заданной частотой 1700 мм, полученном от лазерного источника, генерирующего непрерывное излучение на длине волны 488 нм, осуществляют экспонирование фотопластин и последующее химическое травление в органическом травителе на основе дипентиламина и триэтилфосфата до получения фоторезистивной маски заданной топологии на пленке хрома, при этом толщина маски составляет 100 нм.
Ионно-лучевую обработку рентгеноаморфной пленки хрома проводят с помощью сеточного ионного источника Кауфмана через маску фоторезиста при следующих параметрах:
-2
3
8
3
8
- давлении около (4-6)·10 Па газовой смеси, содержащей аргон 70-95 мас.% и хладон 218 CF 30-5 мас.% и остаточные газы; причем соотношение смеси аргон (82 мас.%, хладон 218 CF - 18 мас.%) является наиболее оптимальным, так как при нем достигается максимальная селективность в химическом травлении аморфного и кристаллического участков пленки;
- токе накала на катоде - 47 А;
- токе разряда в плазме - 1 А при напряжении 40 В;
- напряжение на ускорителе 1 кВ;
- напряжение экрана 0,4 кВ;
- времени обработки открытых участков хрома - 50 с.
Удаление оставшейся маски фоторезиста осуществляют в слабом 0,5%-ном щелочном растворе, с последующей промывкой подложки с пленкой хрома в дистиллированной воде.
Химическое травление пленки хрома в цериевом травителе с добавлением серной кислоты проводят до получения изображения заданной топологии. Время травления составляет 8 мин.
-1
Структура, представленная на Фиг.1, наглядно демонстрирует получение изображения заданной топологии, в данном случае - это периодическая структура с частотой 1700 мм с заданным отношением штрих/промежуток 10:1.
Пример 2. Способ формирования топологического изображения в пленке хрома.
Способ осуществляют следующим образом.
Подготовку фотопластин для экспозиции проводят путем нанесения в вакуумной камере электронно-лучевым методом пленки хрома толщиной 500 нм на стеклянную подложку.
После чего на стеклянную подложку с пленкой хрома, имеющую температуру +25°С, наносят методом центрифугирования путем полива из раствора органический фоторезист Шипли AZ-1350 толщиной 400 нм.
-1
Затем в интерференционном поле с заданной частотой 1700 мм, полученном от лазерного источника, генерирующего непрерывное излучение на длине волны 488 нм, осуществляют экспонирование фотопластин и последующее химическое травление в слабом 2% растворе KOH до получения на пленке хрома из слоя фоторезиста фоторезистивной маски толщиной 70 нм.
Ионно-лучевую обработку рентгеноаморфной пленки хрома проводят с помощью сеточного ионного источника Кауфмана через маску фоторезиста при следующих параметрах:
-2
3
8
3
8
- давлении около (4-6)·10 Па газовой смеси, содержащей аргон 70-95 мас.% и хладон 218 CF 30-5 мас.% и остаточные газы, причем соотношение смеси аргон (82 мас.%, хладон 218 CF - 18 мас.%) является наиболее оптимальным, так как при нем достигается максимальная селективность в химическом травлении аморфного и кристаллического участков пленки;
- токе накала на катоде - 47 А;
- токе разряда в плазме - 1 А при напряжении 40 В;
- напряжение на ускорителе 1 кВ;
- напряжение экрана 0,4 кВ;
- время обработки открытых участков хрома - 40 с.
Удаление оставшейся маски фоторезиста осуществляют, например, в слабом 0,5%-ном щелочном растворе, с последующей промывкой подложки с пленкой хрома в дистиллированной воде.
Химическое травление пленки хрома в цериевом травителе с добавлением серной кислоты проводят до получения изображения заданной топологии. Время травления составляет 10 мин.
-1
Структура, представленная на Фиг.2, наглядно демонстрирует получение изображения заданной топологии, в данном случае - это периодическая структура с частотой 1700 мм с заданным отношением штрих/промежуток 5:1.
Таким образом, примеры, иллюстрирующие изобретение, наглядно подтверждают, что за счет существенной разницы скоростей травления кристаллических и аморфных участков в химическом травителе получают изображения заданной топологии.