автореферат диссертации по электронике, 05.27.01, диссертация на тему:Исследование процесса формирования изображения мягким рентгеновским и вакуумным ультрафиолетовым излучением в микролитографии

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА I. Воздействие излучений на полимерные материалы.

Методы фото- и рентгеновской литографии.

Обзор литературы).

1.1. Общая характеристика процессов, происходящих в полимерах при поглощении квантов мягкого рентгеновского и ультрафиолетового излучения

1.2. Физические изменения, происходящие в полимерах при облучении. Радиационная стойкость полимеров

1.3. Методы фото- и рентгеновской литографии

1.4. Шото- и рентгеновские резисты в микролитографии

ГЛАВА П. Источники излучения. Экспериментальные методы.

2.1. Источник мягкого рентгеновского излучения.

2.2. Источник вакуумного ультрафиолетового излучения

2.3. Применение ядерных фильтров в качестве тестовых шаблонов в фото- и рентгенолитографии

2.4. Дозиметрия мягкого рентгеновского излучения и вакуумного ультрафиолета, основанная на эффекте фототравления полимеров

2.5. Характеристики исследуемых полимерных материалов

ГЛАВА Ш. Исследование эффекта фототравления полимеров под действием вакуумного ультрафиолетового и мягкого рентгеновского излучения

3.1. аототравление полимеров под действием вакуумного ультрафиолетового излучения

3.2. Эффект травления полимеров под действием мягкого рентгеновского излучения

ГЛАВА 1У. шототравление полимеров, предварительно облученных рентгеновским излучением, электронами или ионами высоких энергий

ГЛАВА У. Использование явления фототравления полимеров для воспроизведения изображений микроструктур.III 5.1. Использование фототравления для формирования изображений микроструктур вакуумным ультрафиолетовым излучением.III

5.2. Использование фототравления полимеров в рентгеновской и электронной литографии

Микролитография - один из основных процессов в производстве полупроводниковых интегральных микросхем (ИС). Совершенствуясь в течение примерно двух десятилетий, микролитография достигла высокого уровня, который позволяет формировать на полупроводниковом кристалле площадью в несколько квадратных миллиметров уже сотни тысяч микроэлектронных компонентов.

Повышение степени интеграции микросхем дает снижение себестоимости отдельного микроэлектронного компонента и общее повышение надежности электронных устройств, созданных на базе ИС. Эти факторы и в дальнейшем будут определять необходимость создания ИС, содержащих все большее число компонентов на единицу поверхности полупроводникового кристалла. При этом размеры каждого из микроэлектронных компонентов должны существенно уменьшиться.

Применяющийся в настоящее время фотолитографический способ формирования элементов микросхемы состоит в передаче рисунка, созданного на стеклянном шаблоне, в слой фоторезиста -чувствительного к видимому или ультрафиолетовому излучению вещества, нанесенного на подложку - основу будущей микросхемы. Под действием света в процессе экспонирования в фоторезисте формируется скрытое изображение, которое проявляется при обработке слоя фоторезиста в органическом или неорганическом растворителе (проявителе). Таким образом на полупроводниковой подложке создается рельефное изображение, соответствующее рисунку шаблона. Те участки фоторезистного слоя, которые не растворились при действи проявителя, служат маской, обеспечивающей локальность воздействия на нижележащие слои в ходе дальнейших технологических операций. Наиболее распространенными операциями, следующими за фотолитографией, являются жидкостное или ионно-плазменное травление, ионная имплантация. В результате рисунок, сформированный в слое фоторезиста, передается в нижележащий технологический слой.

Так как в фотолитографии при экспонировании используется излучение с длинами волн 400-450 нм, то с приближением размеров элементов микросхем к I мкм при воспроизведении рисунка фотошаблона относительная величина дифракционных искажений становится столь существенной, что ограничивает дальнейшее уменьшение размеров отдельных элементов микросхемы. Это ведет к необходимости разработки новых микролитографических методов, которые в принципе могут давать более высокое разрешение, чем фотолитография.

Наиболее успешно внедряется фотолитография с использованием коротковолнового ультрафиолетового излучения ( Л. = 200-300 нм). Однако, выигрыш в разрешении по сравнению с обычной фотолитографией не превышает здесь полутора-двух раз. Дальнейшее уменьшение длины волны экспонирующего излучения (использование излучения с <\= 100-200 нм). пока не удавалось осуществить из-за малой глубины проникновения такого излучения в полимерные материалы (30-50 нм для излучения с Л = 120-150 нм).

Проводятся исследования в области электронной, рентгеновской и ионной литографии. Эти методы пока не внедрены в производство, хотя электронная литография уже начинает применяться для изготовления фотошаблонов. В специальных условиях электронная и рентгеновская литография позволяют воспроизводить рисунки с размерами элементов существенно меньше 0,1 мкм, что говорит о принципиальной возможности использовать указанные способы микролитографии для разработки будущей субмикронной технологии.

Как показывает опыт, реализация потенциально высокой разрешающей способности электронной и рентгеновской литографии затрудняется ввиду использования в этих способах традиционного жидкостного способа проявления. В этом способе пластина со слоем элект-роно- или рентгенорезиста после экспонирования помещается в органический растворитель. Диффузия растворителя в слой резиста может приводить к его набуханию, что дает искажение формы создаваемого изображения. Следовательно, разработка нежидкостных способов проявления микроизображений позволила бы повысить разрешающую способность микролитографии. Появилась бы возможность испол! зовать при экспонировании излучение в диапазоне длин волн 115200 нм, что дает выигрыш в разрешении по сравнению с обычной фотолитографией в 2-3 раза.

Следует также отметить, что применение "сухих" методов микролитографии позволяет проводить процесс в чистых условиях, например, в вакууме, и облегчает автоматизацию микролитографического процесса.

Ввиду особой важности для микроэлектроники разработки микролитографических способов, имеющих высокую разрешающую способность, настоящая работа посвящена поиску и исследованию новых методов формирования микрорисунков в слое полимерного материала под действием мягкого рентгеновского ( .X = 0,7-6,0 нм) и вакуумного ультрафиолетового ( Л = 115-200 нм) излучения. Как указывалось выше, традиционный жидкостной способ проявления имеет существенные недостатки, поэтому основное внимание в настоящей работе уделено исследованию обнаруженного нами эффекта фототравления полимеров под действием вакуумного ультрафиолетового и мягкого рентгеновского излучения и определению возможности его использования в процессах "сухой" микролитографии. Значительное место отведено развитию экспериментальных методов исследования процесса формирования микроизображений. Предложено несколько оригинальных технических решений, которые могут быть использованы как в микроэлектронике, так и в других областях науки и техники.

Цели настоящей работы заключаются в следующем:

1) исследовать процесс формирования изображений объектов с субмикронными размерами элементов под действием вакуумного ультрафиолетового излучения ( Д = 115-200 нм);

2) исследовать процесс формирования изображений объектов с субмикронными размерами элементов под действием мягкого рентгеновского излучения ( Л = 0,7-6,0 нм);

3) развить экспериментальные методы исследования процесса формирования изображения мягким рентгеновским и вакуумным ультрафиолетовым излучением.

Диссертационная работа состоит из пяти глав и списка литературы.

В первой главе приводятся известные из литературы данные, характеризующие современное состояние проблемы воспроизведения микрорисунков мягким рентгеновским и вакуумным ультрафиолетовым излучением в микроэлектронике. Дается общая характеристика процессов, происходящих при взаимодействии рентгеновского и ультрафиолетового излучения с полимерами, описаны известные методы фото- и рентгеновской литографии, методы исследования процесса формирования микроизображений в слоях полимерных материалов - фото- и рентгенорезистов. Сформулированы основные.проблемы известных методов микролитографии, решение которых позовлило бы более полно использовать их потенциальные возможности.

Вторая глава посвящена описанию экспериментальных методов, используемых в настоящей работе и позволяющих осуществить исследования в соответствии с поставленными целями. Обосновывается выбор источников и фильтров излучения, служащих для выделения из спектра источника различных спектральных интервалов. Дано описание нового способа изготовления тонкопленочных фильтров излучения и нового способа дозиметрии мягкого рентгеновского и вакуумного ультрафиолетового излучения. Описан новый способ исследования разрешающей способности микролитографического процесса, использующий пленки ядерных фильтров. Изложена концепция трафаретных шаблонов, имеющих определенные преимщества перед другими типами шаблонов при их использовании в субмикронной литографии. Приведены характеристики используемых в исследованиях полимерных материалов.

В третьей главе изложены результаты экспериментальных иссле.т дований обнаруженных нами эффектов фототравления полимеров под действием вакуумного ультрафиолетового и мягкого рентгеновского излучения. Исследована кинетика фототравления полимеров. Определено, что эффективность фототравления увеличивается с уменьшением длины волны падающего на полимер излучения. Показано, что имеется определенная общность процессов, происходящих при фототравлении полимеров различных типов (в частности, позитивных и негативных электроно- и рентгенорезистов). Проведено сравнение полученных экспериментальных данных с результатами теоретических исследований процесса рентгеновского травления полимеров.

В четвертой главе приведены результаты экспериментального исследования фототравления полимерных материалов, предварительно облученных мягким рентгеновским излучением, электронами или ионами высоких энергий. Обнаружен эффект замедления фототравления предварительно облученных полимерных пленок по сравнению с необ-лученными образцами. Получена зависимость скорости фототравления полимеров от дозы их предварительного облучения^

В пятой главе экспериментально показана возможность получения субмикронных изображений в слое полимера непосредственно при экспонировании через маску с использованием вакуумного ультрафиолетового излучения ( Д = 115-200 нм) на воздухе. Приведены результаты экспериментов по применению фототравления предварительно облученных полимерных пленок в рентгеновской и электронной литографии.

Выводы к гл.1

На основании литературных данных проведен анализ современного состояния проблемы воспроизведения микрорисунков в микролитографии.

I. Проанализированы химические и физические процессы, происходящие в полимерах при рентгеновском и ультрафиолетовом облучении и определяющие возможность использования полимеров в качестве рентгено- и фоторезистов в микролитографии. Показано, что имеющиеся в литературе данные не дают ответа на вопрос о возможности осуществления "сухих" методов микролитографии с использованием вакуумного ультрафиолетового и мягкого рентгеновского излучения.

2. Приведены известные из литературы данные о современном состоянии развития методов фото- и рентгенолитографии. Проведен анализ факторов, определяющих достигаемую в этих методах разрешающую способность. Сделано заключение о перспективности использования в микролитографии методов, исключающих жидкостное проявление полимерных резистов.

3. Проведен анализ известных методов исследования процесса воспроизведения микрорисунков в слоях полимерных резистов и указаны их недостатки.

ГЛАВА П

1.1. Источник мягкого рентгеновского излучения

2. В качестве источника мягкого рентгеновского излучения в наших экспериментах использовался синхротрон ШАН СССР им. П.Н. Лебедева С-60 38.

3. Характерной особенностью ускорителя С-60 является то, что в одном из режимов электроны некоторое время (до 0,5 с) циркулируют в ускорителе, имея максимальную энергию Е, и только после этого замедляются.

4. Радиус кривизны криволинейных участков орбиты электронов в ускорителе С-60 Я = 2 м. При проведении наших экспериментов максимальная энергия составляла величину Е = 577 МэВ. Частота вращения сгустка электронов составляла примерно 50 МГц.

5. Полная мощность, излучаемая электроном под углом к плоскости орбиты ¡40.:где е заряд электрона, с - скорость света в вакууме, ( т - масса покоя электрона). Для длин волн СИ, для которых:9)

6. Лс критическая длина волны), практически вся энергия излучения сосредоточена внутри конуса, угол раствора которого

7. Спектральное распределение интенсивности СИ задается следующим выражением £40.:2 ОСгде ^ = Хс/Х » К5/3 функция Макдональда.

8. Выражения (9) и (10), найденные для моноэнергетического электрона, с большой степенью точности описывают реально наблюдаемое СИ при движении сгустка электронов по искривленной траектории радиуса Я в синхротроне 40.

9. При известных параметрах Е, И и известном числе электронов Я на орбите синхротрона выражение (10) может служить основой для расчета спектра СИ с помощью ЭВМ.

10. Рис.6. Спектральное распределение энергии СИ для синхротрона С-60 (энергия электронов Е = 577 МэВ) 41.

11. Интенсивность излучения, определенная по рис.6, является интегральной величиной это суммарная энергия, излучаемая по всем углам у , отсчитываемым относительно плоскости движения электронов (см. (8)).

12. Если в плоскости орбиты р считать у = 0 (см. рис.5), то в соответствии с выражением (8) получаем распределение интенсивности СИ, излучаемой под углом ^Г к плоскости орбиты (рис.7) £42.1 отн.уг и рад

13. Рис.7. Распределение интенсивности СИ в зависимости от угла возвышения у над плоскостью орбиты электронов для синхротрона С-60 (Е = 577 МэВ): I Л = 1,5 нм; 2 - А = 5,0 нм

14. Длина волны, на которую приходится максимум интенсивности СИ рассчитывается по формуле £40.:

15. Аюах(нм) = 0,24 К (м)' Е (ГэВ) "3* Для С-60 при Е = 0,577 ГэВ Хтах ^2,4 нм.

16. По сравнению с другими источниками мягкого рентгеновского излучения (рентгеновская трубка, лазерная плазма, мощный электрический разряд), источники СИ имеют ряд преимуществ при использовании их в рентгеновской литографии.

17. Рис.9. Спектры излучения, полученные с помощью тонкопленочных фильтров, и спектр исходного СИ: фильтр из $1 (1,6 мкм)^)2 фильтр из АС (1,1 мкм); 3 - фильтр из Си (0,4 мкм); 4 - фильтр из ¿п (0,52 мкм); 5 - спектр исходного СИ

18. Рис.9 показывает, что, применив тонкопленочные фильтры, мы разделили область мягкого рентгеновского излучения синхротрона на четыре сектральные интервала: 0,7-2,4 нм (&'); 0,8-3,0 нм (Д£) 1,3-2,5 нм (Си); 2,4-6,0 нм (&).

19. Эффект фототравления полимеров описан в разделе 3.1.

20. На рис.10 изображена схема изготовления тонкопленочного фильтра предлагаемым способом.

21. Источник вакуумного ультрафиолетового излучения

22. Во всех экспериментах, в которых использовалось вакуумное ультрафиолетовое излучение, применялась отпаянная водородная (дейтериевая) лампа низкого давления (Р = 6-8 торр) с окном изmsf2.

23. Рис.11. Спектр излучения водородной лампы ЛДД-2 в диапазоне длин волн «X = 115-180 нм, снятый с помощью монохроматора ШТ-ЗС

24. Нами применялись водородные лампы электрической мощностью 20 Вт (ВМш-25) и 40 Вт (ЛДЦ-2). Схема включения ламп представлена на рис.12.

25. Рис.12. Схема включения водородной лампы мощностью 20-40 Вт: яболл. = 600-800 0м;' UH= 6,3 В (5 В); 1Н = 3,3 А; 1/= 300-400 В;1. Тр. = 300-400 мА

26. Мощность излучения водородной лампы ВМШ-25 в диапазоне длин волн I15-125 нм измерялась нами с помощью фотоприемника на основе ниобий-танталового сплава, расположенного в камереи