автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.16, диссертация на тему:Комплексное моделирование высокоразрешающей фотолитографии на основе явления обращения волнового фронта

На права.\ рукописи

Блинов Леонард Юрьевич

КОМПЛЕКСНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ВЫСОКРАЗРЕШАЮЩЕЙ ФОТОЛИТОГРАФИИ НА ОСНОВЕ ЯВЛЕНИЯ ОБРАЩЕНИЯ ВОЛНОВОГО ФРОНТА

Специальность 05.13.16 -Применение вычислительной техники, математического моделирования и математических методов в научных

исследованиях

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва 1997

^ л

ч

л

Работа выполнена в Московском государственном авиционном технологичен университете им. К. Э. Циолковского.

Научный руководитель: Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

доктор технических наук Лаврищев В. П.

доктор технических наук Блохин И. А.

доктор физнко- математических наук Лубашевский И. 1

НПО "Субмикрон"

Защита состоится.

1997 г. в.

.час., в ауд..

на заседании специализированного совета Д 063.56.12 в Московском государствен) авиционном технологическом университете по адресу: г. Москва, ул. Оршанская, д. 3.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГАТУ.

Автореферат разослан_ 1997 г.

Ученый секретарь специализированного совета доктор физико- математических наук

Метелкин Е. В.

Общая характеристика работы.

Данная диссертационная работа посвящена вопросам комплексного подхода к использованию явления обращения волнового фронта при переносе изображений с высоким разрешением в масштабе 1:1. Одна из основных областей применения результатов работы — высокоразрешающая проекционная литография при производстве изделий микроэлектроники с высокой степенью интеграции.

Актуальность проблемы.

Объективный процесс информатизации деятельности человека, сопровождающий развитие общества, характеризуется перераспределением занятости людей в информационную сферу. Происходит изменение методов и средств информационной технологии. Технической основой информационно-вычислительных средств и телекоммуникационных систем являются изделия микроэлектроники.

Основной проблемой на пути развития производства СБИС является высокоразрешающая микролитография. Среди различных литографических процессов в ближайшем будущем фотолитография сохранится как основной метод в серийном производстве БИС. Никакие системы экспонирования не могут сравниться с оптическими в производительности, высокой стабильности шаблонов, отработанности подсистем производства и относительно низкой себестоимости производства. Важным аргументом в пользу оптической литографии является накопленный опыт в создании оборудования, материаловедении и технологии обработки резистов, позволяющий значительно снизить временные и ресурсные затраты на разработку новых методов субмикронной фотолитографии.

Основные задачи повышения эффективности фотолитографического процесса на современном этапе: увеличение прецизионности, снижение уровня вносимой дефектности при одновременном переходе к диапазону субмикронных топологических размеров с минимальным увеличением числа ступеней и без применения особенно сложного оборудования. Именно решение вышеуказанных проблем позволит производить конкурентоспособные на мировом рынке изделия микроэлектроники.

Цель работы.

Целью диссертационной работы является формирование комплексного подхода к разработке новых методов микролитографии и использование его для высокоразрешающей фотолитографии в масштабе 1:1 на основе явления обращения волнового фронта с последующим включением ее в единый технологический цикл. Положения, выносимые на защиту:

- формирование комплексного подхода к разработке новых методов микролитографии на основе использования методики оценки технологического оборудования и экспертных предпочтений, ^

- технико-экономическое обоснование проекционной литографии в масштабе 1:1 по сравнению с литографией в масштабе 5:1,

- возможность применения явления обращения волнового фронта в литографии с достижением результата высокого разрешения,

- технологические признаки метода фотолитографии на основе явления обращения волнового фронта.

математическое моделирование зависимости основных характеристик п;'.илагаемон установки для проекционной литографии в масштабе 1:1 от взаимной конфигурации ее элементов.

- оптимизация взаимной конфигурации элементов установки.

алгоритм для подбора параметров установки в зависимости от требований к ее характеристикам, реализованный на языке Си.

Научная новизна.

Предлагается новый способ переноса малых, вплоть до субмикронных изображений высоким разрешением в масштабе 1:1 и низким уровнем дефектности, разработанный ■ основе комплексного подхода к разработке новых методов микролитографи базирующимся на использовании методики оценки технологического оборудования экспертных предпочтений.

Прямого прототипа предлагаемого метода нет. Аналогом можно считать спосе микролитографии, предложенной М. Левенсоном с коллегами из IBM.

Признаки аналога. ;

1. Использование метода обращения волнового фронта (ОВФ) с помощь четырехволнового смешения (ЧВС) в фоторефрактивном кристалле.

2. Использование кубической делительной призмы для разделения пучков.

В предлагаемом изобретении также существенно используется метод ОВФ.

В аналоге не был достигнут требуемый технический результат в силу следующ! причин:

а) сложность получения накачки и ее контроля;

б) существенная дефектность, вносимая делителем пучка;

в) необходимость вырезать из фотошаблона рабочий модуль.

Характерные признаки, отличающие предложенный метоД от аналога:

1. Отсутствие волн накачки.

При ОВФ с помощью ЧВС накладываются жесткие требования к пространственн временной структуре опорных волн. При ЧВС возможна потеря тонких пространственн! и временных деталей сигнала, связанных с неоднородностью опорных волн и угловс селективностью голограммы в зеркале, а также из-за самофокусировки опорных вол Позднее Дж. Фрейберг обнаружил эффект ОВФ в фоторефрактивных кристаллах б использования накачки. Процесс ОВФ выходил на стационарный режим через 20 эффективностью 60%. Качество изображения, созданного по данному методу, буд гораздо лучше, чем при традиционном ОВФ. Об этом можно судить по многочисленнь экспериментам Фрейберга. Для получения обращенного пучка необходим только криста. с достаточно большим коэффициентом Поккельса. Интенсивность падающего све определяет только скорость развития процесса.

2. Двухслойное полупрозрачное зеркало.

Значительно уменьшает оптический путь излучения в среде по сравнению кубическим делителем. Представляет собой две одинаковые стеклянные пластинки полупрозрачным слоем между ними. Двухслойность обеспечивает отсутствие ухо, размеров из-за преломления лучей, падающих на зеркало под разными углами.

3. Использование острого угла между плоскостями подложки и шаблона.

Уменьшается оптический путь лучей. Система становится динамичной, т.

появляется возможность передвигать шаблон (с целью выбора бездефектного модуля) подложку (для проведения мультипликации) независимо друг от друга в широких пределг что позволяет включить данную систему в существующий технологический ци (исключается резка шаблона).

При разработке и исследовании предлагаемого метода широко применяла вычислительная техника и современное программное обеспечение, предназначенное д научных исследовании.

Научная и практическая ценность.

Предложен метод переноса субмикронных изображений с высоким разрешением в масштабе 1:1 и низким уровнем дефектности для использования в микролитографии для бесконтактного формирования на подложке изображения маски. При этом минимальный размер элемента изображения сравним с длиной волны экспонируемого излучения. Предложенная проекционная схема имеет значительную апертуру и глубину резкости, обеспечивается высокая разрешающая способность, ограниченная практически только дифракцией пучка. Точность совмещения 0.2 мкм будет достигнута путем использовании топографических решеток. При этом компенсируются статические и динамические аберрации и возмущения среды лазера, устраняется спекл-эффект и исключается контакт с подложкой. Дорогостоящий линзовый объектив заменяется другим функциональным элементом — относительно дешевым фоторефрактивным кристаллом. Двухслойность полупрозрачного зеркала обеспечивает отсутствие ухода размеров из-за преломления лучей, падающих на зеркало под разными углами. Благодаря острому углу между плоскостями подложки и шаблона система является динамичной, что позволяет передвигать шаблон и подложку независимо друг от друга в широких пределаа это, в свою очередь, позволяет включить данную систему в существующий технологический цикл (исключается резка шаблона). Технический результат достигается вследствие сущности явления ОВФ, при котором падающая на'ОВФ-зеркало и отраженная им волны имеют в точности совпадающие поверхности волнового фронта в любой плоскости в канале распространения и распространяются точно навстречу друг другу. При обратном прохождении той же среды ее неоднородности компенсируют те искажения, которые были внесены ими во время прохождения волны к ОВФ-зеркалу. В данной схеме обращенный пучок отклоняется полупрозрачным зеркалом, в результате чего плоскости образа и прообраза разделяются в пространстве. В силу равенства расстояний от полупрозрачного зеркала до подложки и до шаблона распределение интенсивности практически не меняется.

Разработана методика оценки технологического оборудования на примере микролитографии.

Выполнено технико-экономическое обоснование проекционной литографии в масштабе 1:1 по сравнению с литографией в масштабе 5:1.

Исследованы перспективы использования экспертных систем при принятии решений в микроэлектронике и для обеспечения гибкого производства изделий электронной техники.

Показаны преимущества ОВФ-метода по сравнению с адаптивной оптикой при использовании их в микролитографии.

Показана экономическая перспективность проекта.* •

Данный способ предполагается использовать в едином технологичест.<м цикле производства изделий микроэлектроники на основе методики оценки технологического оборудования и экспертных предпочтений на примере микролитографии.

Была сделана попытка тесно связать материал с основными тенденциями и прогнозами в микроэлектронной промышленности.

Проведена подготовка к практической реализации метода, включающая п себя математическое моделирование предлагаемой установки, исследование математической модели и оптимизацию ее конфигурационных параметров.

Разработан и реализован на языке Си алгоритм для определения оптимальных параметров установки для осуществления предлагемого метода. Программа может быть использована для разработки систем автоматического проектирования установог данного назначения.

Апробация работы и публикации.

Основные результаты диссертационной работы докладывались на Росснйскс научно-технической конференции "Новые материалы и технологии" (г. Москва, нояб] 1995 г.) и на научных семинарах кафедры МПСЭиЭ МГАТУ и Факультета аэрофизики космических исследований МФТИ. По результатам выполненных исследоваш опубликовано 9 работ: две статьи и тезисы 7 докладов.

Структура и объем работы.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и спис: литературы, включающего 77 источников, а также приложений на 16 страницах. Рабо изложена на 90 страницах формата А4.

Основное содержание работы.

Во введении обсуждается актуальность темы и формулируются основные цeJ работы с указанием положений, выносимых на защиту.

В Главе 1 дается обзор литературы, имеющейся по данной проблеме, истор! возникновения исследуемого вопроса, описываются результаты, полученные в бол ранних работах. Кратко' рассматривается развитие микроэлектроники в совремеш» условиях господствования информационны^- технологий. Определяются место перспективы микролитографии в процессе производства микроэлектронных приборе Дается сравнительный анализ различных микролитографических процессов, на основан! которого делается вывод, что фотолитография сохранится как основной мет микролитографин в серийном производстве БИС и будет в общем доминировать п; изготовлении микроэлектронных изделий. Приводятся ограничения различных процесс переноса изображений и возможные направления исследований в этой обласп Рассматриваются основные предложения в области создания новых методов субмикронн фотолитографии. Методы разделяются по группам в зависимости от того, какой элеме литографического процесса является инновационным: маска, оптическая систе\ фоторезист и технология его обработки. В данной работе задача решается пут построения новой оптической системы на основе использования открытого в Физическ< институте им. Лебедева в 1972 году явления обращения волнового фронта. Анализирую! исследования авторов, работающих в этом направлении и основные трудности, с которы: они столкнулись.

Глава 2 посвящена решению задач, связанных с комплексным подходом к разрабо! новых методов микролитографии на основе использования методики оцен технологического оборудования и экспертных предпочтений. Первый параграф данн главы посвящен формулированию методики оценки технологического оборудования.

Резко возросшее количество различных типов оборудования, используемого производстве изделий микроэлектроники, позволяет составлять различные технологичен линии для получения аналогичной продукции. При этом возникает задача оптимизац состава технологического оборудования для производства изделий с данн спецификацией. В данной работе предлагается базовый набор параметр технологического оборудования и факторы, используемые для его оценки. Приведс методика расчета стоимости интегральной схемы.

Факторы (показатели) оценки технологического оборудования можно разделить па следующие основные группы: технические, технологические и экономические. Дополнительно можно выделить эргономические (характеризующие систему "человек-оборудование") и эстетические показатели.

Технические факторы определяют условия эксплуатации и обслуживания оборудования:

— масса, габариты

— условия хранения и транспортировки

— напряжение питания и потребляемая мощность

— время непрерывной работы

— непрерывное время работы до капитального ремонта (утилизация)

— время установки, наладкн, переналадки и демонтажа

— доступность и универсальность комплектующих

— выполняемые операции и универсальность (возможность включения в различные технологические линии)

— производительность (для каждой операции)

— материалоемкость выполняемых операций

— трудоемкость выполняемых операций

— эксплуатационные условия

— надежность

— безопасность при использовании.

Технологические факторы — это показатели, непосредственно определяющие и описывающие физические процессы при работе оборудования. Они определяют параметры и качество изделий. Технологические факторы не являются независимыми и не представляется возможным формализовать процедуру их оценки. Для каждого вида оборудования они определяются отдельно. В работе эти факторы рассматриваются для наиболее важных литографических прпоцессов. Особенное значение они имеют при сравнении оборудования внутри данного класса, так как определяют стабильность качества изделий.

А. Технологические факторы для проекционной оптической литографии:

— тип системы (сканер, мультипликатор и т. д.)

— масштаб переноса изображений

— длина волны и ширина интервала излучения

— числовая апертура

— разрешающая способность

— глубина фокуса

— размер и форма поля экспонирования

— освещенность и степень ее неравномерности

— максимальный размер экспонируемой пластиньт

— точность а) установки нуля,

б) совмещения,

в) выполнения

— наличие выравнивания пластины перед экспонированием

— прочие характеристики объектива (дисторсия, кривизна поля и т. п.)

— типы вносимых дефектов и плотность дефектов.

Б. Технологические факторы для электронно-лучевой литографии системы с изменяемой формой пучка:

— ускоряющее напряжение

— тип источника

— диапазон плотностей тока в пучке

— расстояние от источника до экспонируемой пластины

— схема освещения и ее параметры

— уменьшение прямоугольной апертуры и число стадий уменьшения

— тип отклонения пучка для формообразования

— фокусное расстояние последней линзы

— схема сканирующего отклонения

— тип сканирования, скорость сканирования, время банкировки

— размер поля сканирования

— размеры прямоугольных экспонирующих штампов

— расстояние от прямоугольной апертуры до образца

— разрешающая способность

— стабильность тока в пучке, краевое размытие штампов.

Аналогично составляются системы технологических показателей для ионной, рентгеновской и других типов литографических процессов.

Экономические факторы определяют»-"стоимость изделия и эффективность производства. Экономические факторы, связанные с оборудованием непосредственно:

— стоимость оборудования

— срок амортизации

—. стоимость транспортировки и время поставки

— стоимость работы оборудования в час

— стоимость обслуживания за один технологический цикл

— стоимость установки, настройки, переналадки и демонтажа. Экономические факторы, не связанные с оборудованием непосредственно:

стоимость НИР, стоимость аренды площадей, оплата дополнительного персонала, стоимость материалов, стоимость функционирования инфраструктуры, платежи и отчисления, затраты на внедрение и т. д.

По приведенным параметрам осуществляется оценка с учетом весовых коэффициентов, введенных экспертной комиссией.

Расчет стоимости интегральной схемы состоит из двух этапов:

1. Получение шаблона:

а) заказ фотошаблона или его покупка

б) производство шаблона.

2. Производство интегральной схемы.

Стоимость шаблона предлагается рассчитывать по формуле (1):

где в — стоимость работы оборудования за 1 час, а — стоимость площадей под производством и инфраструктурой за 1 час, г — почасовые затраты на обслуживание, текущий ремонт, НИР, настройку, переналадку, включая заработную плату и накладные расходы, р — производительность (шаблонов в час) , ПВГ — процент выхода годных, М — стоимость материалов для одного шаблона.

(1)

Стоимость работы оборудования складывается из стоимости аренды оборудования в случае аренды, либо стоимости электроэнергии плюс цена оборудования, отнесшая к гарантийному времени работы (число часов эксплуатации в год, умноженное на количество лет работы). Стоимость площадей складывается из стоимости аренды в случае аренды, или стоимости строительства, отнесенной ко времени эксплуатации площадей до капитального ремонта плюс текущие затраты по их обслуживанию в час.

Прочие капиталовложения (монтаж, демонтаж минус утилизационная лбыль, переналадка и переоснащение, изменение инфраструктуры, переобучение и : "учение персонала, предпроизводственные затраты, платежи и отчисления и т. д. войдут р. формулу затрат (2):

3 = С + Е „• К, (2)

где С = БЬ — себестоимость шаблона ( стоимость при покупке), Е„ — нормативный коэффициент эффективности, К — удельные капиталовложения. Если капиталовложения носят разовый характер, то удельные капиталовложения определяют делением общей суммы вложений на число единиц продукции, выпущенной за данный период времени. Если капиталовложения осуществляются в течение несколь к. лет, то вводится коэффициент времени «11=(1+Е)т , где т — число лет от начала расчетного года, Е — норма дисконта. Тогда

К1Д = £ А7 хд К,тд = Кв,( 1 + Е)т , (3)

где Т — год внедрения, Кв — капиталовложения 1-го года, Ктд — итоговые капиталовложения.

Расчет стоимости интегральной схемы предлагается производить по следующей формуле:

„ (М' ¡' + а' + г' ЯЛ) 1

51 = •—- +-+ —--, (•!;

1л р• Ы) ПВГ

где М — стоимость пластины, п — число схем на пластин, р — производительность в час, N — число произведенных микросхем; остальные параметры определяются по аналогии с формулой (1). Расчет затрат ведется по формуле (2). Расчет экономической эффективности и прибыли может определяться по любой из существующих методик.

При сравнении стоимости шаблона, изготовленного с помощью проекционной фотолитографии, со стоимостью шаблона, изготовленного с помощью электрон:; -лучевой литографии, оказалось, что второй метод позволяет получить шаблон, стоимость которого примерно в два раза меньше.

Но снижение стоимости микросхемы в основном обусловлено большей производительностью и больший ПВГ (при большей стоимости системы экспонирования — в 1.75 раза). Расчеты показали, что малые заказные и полузаказные нестандартные партии микросхем выгоднее производить прямым рисованием электронным лучом, а большие партии изделий малой номенклатуры — оптической печатью через шаблон.

Представляется возможным применить данную методику при оценке оборудован! в других отраслях наукоемкого производства.

Методические рекомендации по определению лимитных и договорных цен, г оценке эффективности мероприятий по улучшению условий и охране труда широк представлены в литературе.

На основе приведенной методики возможно построение экспертной системы комплектации оптимальных технологических линий в условиях быстро меняющегося рьп микроизделий электронной промышленности. Этому посвящается второй параграф Главы

Многокритериальность производственной задачи не дает однозначности < решения. При этом требуется найти компромиссное решение, порой при конфликтующи требованиях, приемлемое в определенном диапазоне условий, успешная реализаци которого обязательно предполагает наличие гибкости производственной системы заданно формы и уровня. Любая из форм может иметь приоритетное значение в зависимости с условий и целей производства. Понятие гибкости носит качественную форму. Должн следовательно, производиться ранговая корреляция качественных понятий. Кроме топ информация, поступающая с рынка, часто противоречива и неопределенна. Следователь!!« начальные данные, по которым производится планирование и управление производство» являются элементами нечетких множеств. Только экспертная система может максимальной эффективностью разыграть дззличные сценарии — от планирован!! производства до выполнения операций и оценки эффективности производства, использу временные и стоимостные показатели для нечетких множеств. Цель гибко производственной системы заключается в сохранении общей оптимальной операционно конфигурации, что включает все необходимые функции от проектирования изделия д окончательного продукта — "в ширину" и от планирования бизнеса и управления д цеховых операций — "в глубину" . Конечная цель производства — высокий ПВГ и высока производительность при низких затратах.

Предлагаемые уровни производственной гибкости:

1. Компоненты первичных ячеек: отдельные модели оборудования, автономны устройства. Гибкость рассматривается по анализу технической идеологии, принимаемой основу создания оборудования и технических средств.

2. Гибкие производственные модули. Наиболее существенный параметр -программа производства.

3. Совокупность гибких производственных модулей: участок, линия, цех. Гибкост определяется по условиям для реализации сложных комплексных схем.

4. Интегрированная производственная система: предприятие, завод. Гибкост определяется путем диагностирования хода производства в рациональном масштаб времени.

Гибкие системы одного уровня будем называть эквивалентными, если он; обеспечивают одинаковый ПВГ/час при одинаковой стоимости единицы изделия. Выбор множестве эквивалентных решений система будет осуществлять с учетом требоваши пользователя. Все уровни гибкости являются совокупностью вложенных множеств гибкость структурной единицы подразумевает гибкость элементов, ее составляющих.

Выходные данные производства являются входными данными для экспортно системы: размеры изделия, степень интеграции, стоимость изделия, количество изделий партии, время получения данной партии, максимальная дефектность

Экспертные системы классифицируются по уровням. Система первого уровня ответственна за выбор отдельных производственных процессов и единицы соответствующего оборудования — например, установки совмещения и экспонирования в микролптографни. Система второго уровня генерирует, например, оптимальную технологическою линию (участок). С ее помощью можно создавать минимальный парк оборудования и пакет технологических процессов, соответствующих данному уровню гибкости.

Другие примеры процессов экспертных систем второго уровня: проектирование изделий; планирование общего технологического цикла; изготовление; прием, хранение и перевозка, контроль качества и поиск причин дефектности в ли гографни. Сне I третьего класса реализует такие виды деятельности (в рамках целого предприятия), как менеджмент ( включая стратегическое планирование), проектирование, планирование производства и производственные операции.

Именно экспертные предпочтения жестко определили направления исследований в данной работе: поиск таких решений на пути создания нового фотолитографического метода, которые бы:

- минимально изменяли сложившуюся производственную культуру,

- приводили к минимальным изменениям существующих технологических линий (могли быть компонентом первичных ячеек),

- позволяли работать с существующими резистами и не требовали специальных т- -блонов.

- являлись инновационным методом,

- отличались простотой,

- имели низкую стоимость,

- не требовали при внедрении остановки производства и значительного переобучения персонала,

-отвечали современным техническим требованиям.

Глава 3 начинается технико-экономическим обоснованием проекционной фотолитографии в масштабе 1:1 по сравнению с литографией в масштабе 5:1. Основные преимущества литографии в масштабе 1:1 :

1. Воспроизводится больший диапазон пространственных частот при той же минимальной ширине линии.

2. Меньшие искажения изображения, вносимые оптической системой, так как производители оптического оборудования могут изготовлять объективы 1:1 Сс? днсторсии.

3. Осуществляется проецирование в приосевых пучках.

4. Достигается меньшая неравномерность освещенности по полю изобра жения.

5. Количество дефектов, переносимых с шаблона, уменьшается в 5 раз.

6. Количество дефектов, обусловленных загрязнением воздуха, меньше для литографии 1:1 в 25 раз.

7. При том же поле линзы получается шаблон" с большим количеством модулей, либо при изготовлении шаблона одного модуля уменьшается поле линзы.

8. При меньшем размере шаблона уменьшается дефектность, свят- лля с его неплоскостностью.

9. В силу того, что разрешающая способность пропорциональна отношению длины волны излучения к апертуре, а глубина фокуса — отношению длины волны к квадрату апертуры, при постоянном разрешении можно увеличивать глубину фокуса, пропорционально уменьшая апертуру и длину волны.

10. При использовании шаблона в масштабе 1:1 появляется возможность при тех же затратах материалов дублировать отдельные модули.

11. При создании на шаблоне 1:1 нескольких модулей, каждый из которых содержит заведомо в пять раз меньше дефектов, чем шаблон 5:1. значительно упрощается процесс исправления шаблона. Из всех модулей выбираете» модуль с г именьшей дефектностью, причем имеется возможность один из модулей получить : :ефектнмм сразу.

12. Большая эффективность при использовании пелнклов, объем которого для литографии в масштабе 1:1 в 25 раз меньше объема пеликла в масштабе 5:1.

13. На каждую условную единицу, инвестированную на изготовление шаблонов в масштабе 1:1 приходится от 2 до 4 условных единиц, необходимых для обеспечения топ же функциональной способности шаблонов в масштабе 5:1.

Далее в этой главе анализируется возможность применения явления обращения волнового фронта (ОВФ) для переноса изображений с высоким разрешением. Предварительно дается краткое описание самого физического явления и методов его получения. Затем описывается способ переноса изображений на основе ОВФ.

ОВФ — автоматическое формирование с помощью различных физических механизмов и схемных решений так называемого обращенного пучка, в той или иной мере соответствующего обращенной во времени картине распространения падающего (входного) пучка.

Данное явление было открыто Б. Я. Зельдовичем и его коллегами из Физического института им. П. Н. Лебедева АН СССР в 1972 г.

Исследователи специально исказили мощный пучок, генерируемый импульсным рубиновым лазером, пропустив его через матовую пластинку. Затем искаженный пучок они направили в длинную трубу с газообразным метаном, находящимся под высоким давлением. В соответствии с хорошо известным эффектом, называемым вынужденным рассеянием Мандельштама-Бриллюэна, пучок взаимодействовал с молекулами газа и отражался назад. Газ работал как зеркало, но совершенно необычное. Отраженный пучок при обратном движении, пройдя через тот же участок матового стекла, оказался практически тождественным пучку, генерируемому лазером. Приобретенные при прохождении матовой пластины (дважды) Аскажения пучка исчезали, хотя при использовании обычного зеркала они бы только возросли. Итак, отраженная волна оказалась "обращенной во времени" репликой падающей волны.

Словосочетание "обращенный во времени" выражает тот факт, что отраженный газом пучок несет именно те искажения, которые были внесены матовой пластиной, но только в обращенном виде. При обратном прохождении через тот же участок стекла неоднородности пластины компенсируют те искажения, которые были внесены этой же пластиной при прямом прохождении пучка.

Далее дается сравнительный анализ основных методов получения ОВФ: четырехволнового смешения (ЧВС) и вынужденного рассеяния Мандельштама-Бриллюэна (ВРМБ).

Предлагаемый в литературе способ переноса изображений основывается 1.1 применении двухпроходной схемы. При проходе от плоскости маски к обращающему зеркалу оптический пучок искажается функциональными элементами схемы. При обратном прохождении пучка (от обращающего зеркала к плоскости изображения) те же неоднородности среды компенсируют те искажения, которые были внесены в волновое поле при прямом распространении. Принципиальная схема фотолитографии с использованием ОВФ изображена на рисунке 1.

Световой пучок, генерируемый лазером 1, проходит через оптический вентиль 2, фотошаблон 3, полупрозрачное зеркало 4, фазовую пластинку 5, лазерный усилитель б и попадает на ОВФ-зеркало 7. Усилитель повышает мощность пучка, однако неоднородности усиливающей среды искажают его. Движение фазово-сопряженного пучка по тому же тракту устраняет накопившиеся искажения и восстанавливает структуру исходного пучка. Полупрозрачное зеркало отражает изображение маски, экспонируя его на подложку 8, покрытую эмульсией. Таким образом компенсируются оптические аберрации, минимизируется ушнренне пучка (которое, в конечном счете, будет определяться только

дифракцией), устраняется спекл-эффект, исключается физический контакт с подложкой, отпадает необходимость в таком неотъемлемом элементе оптических схем. как линза. Фактически распределение интенсивности излучения переносится с м;п , дльными искажениями из одной плоскости в другую. Оптический вентиль пропускает излучение в прямом направлении и не пропускает в обратном, исключая возможность влияния вернувшегося усиленного пучка на работу лазера. Разрешающая способность метода определяется теоретически только дифракционной расходимостью пучка. Размер минимального элемента будет определяться формулой:

bmm = К S -— (5)

2 NA

где S - технологический коэффициент, К « 1.22 для плоского пучка и а 21к для гауссового пучка, NA - апертура.

Фазовая пластинка, располагающаяся между полупрозрачным зеркалом и 7сплителем позволяет "размыть" необращенную компоненту излучения, значительно уменьшая ее дозу, попадающую на единицу площади фоторезиста. Чаще всего это пластинка, протравленная в плавиковой кислоте для получения неоднородностен толщины. Обращенная составляющая излучения при обратном прохождении пластшшг превращается в исходную волну. Необращенная составляющая излучения дает пучок с расходимостью >50 ~ У ах , где ах — характерный поперечный размер неоднородностей пластины.

При этом расходимость необращенных компонентов увеличится в 20 — 100 раз по телесному углу. Это оградит фоторезист от засветки этими паразитными коми- -нтами.

Метод компенсации искажений с помощью ОВФ существенно отличается от методов традиционной адаптивной оптики. В системе ОВФ отсутствуют такие элементы, как управляемое зеркало, датчик фазы, сервосистема. Все эти функции объединены в одном нелинейном оптическом элементе.

Эксперимент, поставленный М. Левенсоном с коллегами из IBM еще в ¡931 году, показывает, что изображение, формируемое обращенной волной, имеет качество, достаточное для использования в высокоразрешающей литографии. В эксперименте в качестве ОВФ-зеркала на основе ЧВС использовался фоторефрактивный кристалл LiNiOi , накачиваемый лазером на ионах криптона с Х=413 нм. На поле 6.8 мм1- были сформированы штрихи с плотностью 800 линий/мм. Размер штрихов составлю ;.75 мкм. Спекл-структура отсутствовала, уширение деталей изображения не превышало 0.1%. Для надлежащей экспозиции фоторезиста AZ1370 потребовалась плотность энергии 0.1 Дж/ см:. Промышленной реализации метода не было ввиду сложности получения и контроля волн накачки и связанной с этим деградацией качества.

Свободное от спеклов изображение было получено с использованием ОВФ-. ер к ал а и при подсвете пленкн спеклованным излучением с помощью обычной техники усреднения спеклов. ■

Результаты свидетельствуют, что пространственное разрешение и полезное поле зрения, реализованные в видимом диапазоне, сравнимы с достигнутыми с помощью лучших микроструктурных проекционных линз.

Как уже говорилось выше, согласно теории, для воссоздания высокока .ественнон фазово-сопряженной копии первоначальной картины методом ЧВС накачивающие пучки должны быть фазово- сопряженными друг другу. Однако, на практике это очень сложно выполнить. Даже если использовать в качестве накачивающих пучков пространственно отфильтрованные плоские волны, любое несовершенство кристаллических грачей будет искажать волновые фронты, входящие в кристалл. В середине восьмидесятых годов Дж. Фрейберг обнаружил эффект ОВФ фоторефрактивными кристаллами без накачки, что позволяет продвинуться значительно дальше в применении ОВФ для микролнтографии.

В опыте Дж. Фрейберга с кристаллом ВаТЮз процесс ОВФ выходил в стационарный режим через 20 с. Энергетическая эффективность составляла 60%. качество изобглження, созданного фазово-сопряженным пучком, было намного лучше, чем в экст . именте с

использованием внешней накачки. Интенсивность падающего света определяет только скорость развития процесса.

Предлагаемая в данной диссертационной работе схема устройства микролитографии в масштабе 1:1с использованием явления ОВФ в фоторефрактивном кристалле без накачки приведена на рисунке 2.

Установка работает следующим образом. Предварительно расширенная центральная часть лазерного пучка проходит через бездефектный модуль (или с минимальным количеством дефектов), выбранный на фотошаблоне 1, затем через двухслойное полупрозрачное зеркало 2 и попадает на обращающий фоторефрактивный кристалл 3, играющий роль проекционного объектива. Образовавшийся фазово-сопряженный пучок, отражаясь от полупрозрачного зеркала, формирует на поверхности подложки 4, покрытой фоторезистом, изображение, практически тождественное рисунку модели фотошаблона Непрозрачный экран 5 защищает фоторезист от паразитной засветки. Разрешающа$ способность установки определяется дифракцией на полупрозрачном зеркале. Для ТЕМ 0( моды лазерного излучения размер минимального элемента определяется формулой

Ья-—, (6)

я ЫА

где ЫА — апертура системы, КА » вт а (рис. 2).

Глубина резкости приблизительно определяется формулой

2я = = ЫГй? (7) 2 2

где коэффициент к показывает, какую допустимую долю составляет разме размытого края от размера минимального элемента.

Таким образом, предложенное устройство имеет значительную разрешающу! способность и глубину резкости. Кроме того, компенсируются статические и динамическ! аберрации и возмущения среды лазера, устраняется спекл-эффект и исключается контакт подложкой.

Двухслойное зеркало представляет собой две одинаковые пластинки полупрозрачным тонким слоем между ними. Двухслонность обеспечивает отсутствие ухо; размеров из-за преломления лучей, падающих на зеркало под разными углами. Расч нормального смещения луча приводится ниже (см. рис. 3).

рис. 3

5111(3

БШу/ =

: = htg<p + htgy/ соэ^) = — =>: = Исоир

(8)

Ъч> =

• ; = Г1

'г<р +

8тр

- 51П <р

х = Ъ

+

-ь тг

=

1 +

1 — 51П" (р

Использование острого угла между плоскостями подложки и шабт-на также уменьшает рабочий объем и длину оптической траектории. При этом система становитст динамичной, т. е. появляется возможность передвигать шаблон (с целью выбора бездефектного модуля) и подложку (для проведения мультипликации) независимо друг от друга, что позволяет включить данную систему в существующий технологический цикл (исключается резка шаблона).

При защите установки от вибраций можно использовать существующие оптические , виброустойчивые столы для голографии.

Далее рассматривается qцeнкa для теплового режима работы установки. При нагревании подложки тепловые эффекты резко снижают требуемую для экспонирования дозу излучения. Остается оценить температуру нагревания металлического слоя полупрозрачного зеркала. Считая процесс поглощения тепла мгновенны-л. определим поглощенную.энергию как

(2 = с, рГ^ДТ

(9)

>

где Б — площадь облучаемой поверхности, р— плотность материала. с„ — удельная теплоемкость, ДТ — изменение температуры поверхности, Ь — толщина металлического слоя. Теперь учтем процесс распространения тепла вглубь металла. Для этого рассмотрим модельную задачу — поверхностный слой толщиной X, где X — длина волны экспонируемого излучения в вакууме, нагрет мгновенно на ДТ. Оценим время, -а которое тепло распространяется из этого слоя на глубину ц-1, где ц — коэффициент поглощения

металла, ( ц = 4кХ."'пк, где п — показатель преломления, к — показатель поглощени вещества). В оптическом диапазоне пк > 1, поэтому ц > 10Х'1. Предположим, что процес распространения тепла носит одномерный характер, что справедливо, когда поперечны размер рассматриваемой области 5 > ц-1. Искомое время 1 определяется из уравнени теплопроводности

Ъ

(10)

в котором левая часть представляет собой интенсивность теплового потока, а 5 -теплопроводность металла. Численные оценки дают т ~ Ю-10 с. Из приведенных оцено видно, что при использовании лазерных пучков с наносекундной и большей длительность! необходимо учитывать процесс распространения тепла. Радиальным потоком тепла можн> пренебречь при облучении вещества пятном более 7 мкм (что прекрасно укладывается рамки технологического процесса микролитографии ). Проведем оценку для Ь, считая, чт вещество облучается лазером с длительностью импульса тл и энергией Е в пучке. Тепл< подводится в течение времени тл, поэтому

00

(12)

-0—8^

"л М

Домножим обе части равенства (21) на тл/т . Получим

— = <5ДТ]ц — л- т.

г

■М— т.

Итак, качестве Ь можно использовать величину 1/ц' Теперь воспользуемся формулой (9). Екхц _ ЮРкт Брс^Х

Р - мощность импульса

(13), где

Таким образом, модулируя добротность лазера, при одной и той же энергии в пучке можно проводить технологические процессы от испарения металла при термическом травлении (при длительности импульса 10 -») до нагревания экспонируемой поверхности не более чем на несколько градусов (при длительности импульса 10'3), что позволит не заботиться о системе охлаждения полупрозрачного зеркала в модели предложенной установки литографии.

В случае отражения ЛГ 10Ргх(1-ДК«,(1-а,) -

Толщина пленки

А = — и 25 н 10

к = 1/2 Я = 0.63 Рт = 350 мДж р= 12.41 • 10 3 кг/м3 С\,= 25 Дж/кмоль

А = 102.9 а.е.м. X = 400 нм 8 = 4 102м: а, = 0.5 аз = 0.4 ДТ к 0.8 °С

Параграф завершается оценками потерь энергии экспонирующего излучения в установке данной схемы:

Потери энергии импульса обусловлены степенью заполненности шаблона, ютерями по телесному углу из-за дифракции на шаблоне, связанные с величиной апертуры, двухкратным отражением излучения от полупрозрачного зеркала, степенью преобразования мощности падающей волны в мощность отраженной обращенной волны.

В качестве степени заполненности шаблона ai возьмем. 0.5. Степень преобразования мощности в мощность обращенной компоненты в фоторефрактивном кристалле тптаната бария а.2 = 0.6. Коэффициент потерь по телесному углу аз = 0.4.

Коэффициент отражения от поверхности металлической пленки двойного полупрозрачного зеркала при данной длине волны R. Пропущенная слоем энергии в направлении к ОВФ-зеркалу составит 1- R от падающей. При распространении обращенной волны происходит отражение от слоя-Я-ая часть (поглощением прен ебрегаем). Выбор металла определяется максимумом величины R(l-R). Лучший результат даст значение 0.5. Подойдут медь ( R=0.37) и родий (R=0.63).

Итак, энергия, попадающая в плоскость резиста, равна к =1/2 Е = E0aia2(l- a3) R (1- R) к = 0.5 • 0.6- 0.6 0.37- 0.63 = 0.02 -£0=6.8 мДж. В конце главы рассматриваются перспективы использования адаптивной оптики в литографии и дается ее сравнительный анализ с методом ОВФ. „

Как показано в работе, методы адаптивной оптики в целом значительно проигрывают методу ОВФ в разрешающей способности и динамизме процесса.

Кроме того, системы ОВФ гораздо дешевле и проще. В них отсутствуют такие элементы, как управляемое зеркало, датчик фазы, сервосистема. Все эти функции объединены в одном нелинейном оптическом элементе. Дороговизна адаптивной оптики связана с трудностями технологического производства ее элементов. Однако, адаптивная оптика может использоваться наряду с ОВФ в едином технологическом цикле. Возможно, что уже в ближайшее время разрешение адаптивных оптических систем увеличится значительно, особенно при формировании станционарных оптических полей заданной формы, что,, в свою очередь, может позволить обходиться без фотошаблона при формировании хотя бы крупномасштабных элементов интегральных схем. Можно одно зеркало (возможно-обращающее) использовать для формирования однородного пучка, а информацию о напряжениях на приводах второго (адаптивного) зеркала хранить в управляющей ЭВМ. При этом затраты машинного времени при итеррационном процессе формирования изображения можно резко снизить, так как сам расчет надо проводить один раз при настройке системы.

В качестве первого приближения имеет смысл использовать напряжения, полученные при обратном ходе излучения от зеркального — эталонного фотошаблона. Однако, перспективы этого сдерживаются недостаточной точностью адаптивных зеркал, характерное требование к гладкости которых, как отмечалось в работе, ? 20, а для использования их в литографии надо обеспечить гладкость Ш7, где X — длина волны используемого излучения.

В Главе 4 подробно разбираются особенности предлагаемой технологической установки для бесконтактного переноса изображений с высокой разрешающей способностью.. На основе математического моделирования исследуется зависимость основных характеристик установки от взаимной конфигурации ее элементов, определяются оптимальные значения конфигурационных параметров. Предлагается хчгорнтм для определения параметров установки в зависимости от требований к ее характеристикам.

В начале главы критериально обосновывается и строится математическая модель установки. Исходя из соображений зеркальной симметрии шаблона и его из обр .кенпя на заготовке, снижается число параметров оптимизационной задачи. Для уменьшения возможного отражения экспонирующего излучения от переднего торца кристалла желательно предельно уменьшить угол между падающими лучами и перпендикуляром к поверхности кристалла. Если шаблон экспонируется нормально падающим излучением, то целесообразно размещать торец обращающего кристалла параллельно плоскости чгаблона.

1S

При этом для увеличения угловой апертуры установки следует минимизировать расстояш между плоскостями торца кристалла и фотошаблона. Эти условия позволяет существенн снизить число степеней свободы рассматриваемой системы и упростить рассуждени: перейдя к рассмотрению плоской (двумерной) модели.

Математическая модель предлагаемой установки для бесконтактного перенос изображений в масштабе 1:1с высоким разрешением представлена на рис. 4:

Здесь О — вершина угла раскрытия а, АВ — работающая часть зеркала, точки Р| и Рг — крайние точки шаблона, СБ — работающая часть обращающех фоторефрактивного кристалла для лучей, вышедших из точки Рг, 2ц — угол расхождеш (схождения) крайних лучей из (в) данной точки шаблона (заготовки), РГ и Р2' — крайш точки заготовки, Р2Р — высота треугольника Р2СО.

ОР,=ОР,' ; РгА+АС=Р2С;

ОР2=ОР2'; Р2В+В0=Р20;

угол Р1ОА = углу Р|'ОА ; Р^'+В'ЕИР^;

Р,А+АС=Р,С;

2ц=агй§(СР / Р2Р) + агодОФ / Р2Р) — 5; где 8-угол, под которым из точки Р2 виден технологический зазор Р2'С, необходимый для размещения устройств поддержки и подачи заготовок.

Следующий параграф Главы 4 посвящен исследованию и оптимизации математическс модели. Прежде всего отмечается, что необходимо отсчитывать угловую апертуру ц с направления перпендикуляра к плоскости фотошаблона. При этом ход лучей по о( стороны от него будет ограничиваться одинаково (крайние лучи будут образовывать нормалью к фотошаблону угол ц). Если же лучи с одного из краев будут ограничен сильнее, чем с другого, произойдет ухудшение качества изображния. Вторе предварительное замечание состоит в том, что ( с учетом первого замечания ) углов! апертура системы не может превышать угол раскрытия а. Это хорошо видно на рис. Действительно, если мы попытаемся увеличить угловую апертуру, не меняя угла раскрыта нам придется сместить точку Р дальше от точки О, а ее изображение переместится рабочую область фоторефрактивного кристалла, что вызовет частичное затенен! кристалла заготовкой и устройствами для поддержки заготовки.

Отсюда можно сделать следующие выводы: СР=РО; (Р2Р — перпендикуляр к СО); угол РР2С=углу РР2Э;

С учетом этих требований можно предположить, что для каждого угла раскрытия существует некий минимальный размер обращающего фоторефрактивного кристалл который обеспечивает достижение максимально возможной угловой апертуры ц = а - 5 Д1 данного а. Вводя обозначения [Р2'; ОР2] и [В; ОР2] означающие, соответственно, расстояш от точек Р2' и В до прямой ОР2, запишем ограничения на длину отрезка Р2Р:

P:F > шах { [P:'; 0P2]; [В; OP=]} (15)

При помощи рис. 4 нетрудно выразить [Р:'; ОР;] и [В; ОР:] через характерный размер

установки ОР: и угол раскрытия а:

[Р3*; ОР2] = OP^'cos 2а = OP:cos2a (16)

[[В; ОРг] = ( ОР: sinct tg(2tx - 5) + ОР: eos а) sin а (17)

Зная P:F, легко найти размер обращающего кристалла CD: CD = 2 P2F tg ц , где ц = a - 5

На рис.5 графически показаны найденные зависимости оптимальных P;F и CD от угла раскрытия а(рад), ОР;=200мм, 5=0.005 (графики построены с помощью Mathcad 6.0):

а а

Последний параграф Главы 4 посвящен описанию предлагаемого алгоритма для определения параметров установки по заданной минимальной ширине воспроизводимой линии и размеру заготовки. Алгоритм включает в себя следующие операции:

1) Получение исходных данных и предполагаемых параметров установки (длина волны экспонирующего излучения, величина технологического зазора (1, требования к приемлемому уровню искажения для разных точек шаблона, сечение обращающего кристалла.)

2) Определение требуемой угловой апертуры системы ц.

3) Исходя из параметрически заданных требований к искажениям для разных точек шаблона, определение характерного размера установки ОР:.

4) Определение угла раскрытия ос = ц + аг^ (с! / ОР^па).

5) Определение размеров фоторефрактивного кристалла СП.

6) Определение глубины резкости установки.

7) Вывод результатов.

Затем разбирается работа программы, написанной на языке программирования Си. реализующей данный алгоритм. Программа позволяет быстро получить характерный размер установки (ОРг) и размер фоторефрактивного кристалла. Она или ее отдельные функции могут использоваться при разработке действующих установок.

Основные результаты.

1. Проведен сравнительный анализ различных методов литографии.

2. Разработана методика оценки технологического оборудования. Детальное рассмотрение проводится на примере микролитографии.

3. Доказана целесообразность использования экспертных систем в микролитографии.

4. Сформирован комплексный подход к разработке новых методов микролитографии на основе использования методики оценки технологического оборудования и экспертных предпочтений.

5. Показана доминантная роль фотолитографии в ближайшем будущем при серийном производстве БИС.

6. Приведено технико-экономическое обоснование проекционной литографии в масштабе 1:1 по сравнению с литографией в масштабе 5:1.

7. Продемонстрирована возможность применения явления обращения волнового фронта в литографии с достижением результата высокого разрешения.

8. Предложен новый способ переноса малых, вплоть до субмикронных изображена высоким разрешением в масштабе 1:1 и низким уровнем дефектности, разработанный основе комплексного подхода к разработке новых методов микролитографии на оснс использования методики оценки технологического оборудования и эксперта предпочтений, и описываются его характерные технологические признаки. Показа экономическая перспективность проекта.

9. Проведено математическое моделирование предлагаемой установки р бесконтактной высокоразрешающей литографии.

10. Определены оптимальные конфигурационные параметры рассматриваем установки. '

11. Разработан и реализован на языке Си алгоритм для определения параметр установки по заданным требованиям к ее характеристикам.

12. Показаны преимущества ОВФ-метода по сравнению с методами адаптивн оптики при использовании их в литографии.

Публикации.

1. Л. Ю. Блинов, И. А. Сазонов. Методика оценки технологического оборудования примере микролитографии II Прикладные задачи аэромеханики и геокосмической физш Междуведомственный сборник МФТИ. 1993. 94 — 98 с.

2. Л. Ю. Блинов, И. А. Сазонов Способ улучшения разрешающей способное процесса переноса изображения и компенйции искажений оптического сигнала неоднородной среде // Прикладные задачи аэромеханики и геокосмической физи» Междуведомственный сборник МФТИ. 1993. 84 —87 с.

3. Л. Ю. Блинов, В. П. Лаврищев. Перенос микроизображений в масштабе 1:1 п помощи явления обращения волнового фронта // Новые материалы и технолога Технологические процессы и материалы приборостроения и микроэлектроники. Сборн тезисов докладов на Российской научно-технической конференции. 1995. 36 с.

4. Л. Ю. Блинов, В. П. Лаврищев. Использование экспертных систем микроэлектронике // Новые материалы и технологии. Технологические процессы материалы приборостроения и микроэлектроники. Сборник тезисов докладов Российской научно-технической конференции. 1995. 38 с.

5. Л. Ю. Блинов, В. П. Лаврищев. Преимущества проекционной литографии масштабе 1:1 // Новые материалы и технологии. Технологические процессы и материал приборостроения и микроэлектроники. Сборник тезисов докладов на Российской научн технической конференции. 1995. 40 с.

6. Л. Ю. Блинов, В. П. Лаврищев. Перспективы использования адаптивной оптики технологии микролитографии // Новые материалы и технологии. Технологическ процессы и материалы приборостроения и микроэлектроники. Сборник тезисов доклад на Российской научно-технической конференции. 1995. 42 с.

7. Л. Ю. Блинов, В. П. Лаврищев Сравнение новых методов микролитографш Новые материалы и технологии. Технологические процессы и материалы приборостроен и микроэлектроники. Сборник тезисов докладов на Российской научно-техническ< конференции. 1995. 44 с.

8. Л. Ю. Блинов, В. П. Лаврищев. Методика оценки нового технологическо оборудования на примере микролитографии II Новые материалы и технологи Технологические процессы и материалы приборостроения и микроэлектроники. Сборн! тезисов докладов на Российской научно-технической конференции. 1995. 46 с.

9. Л. Ю. Блинов, В. П. Лаврищев. Комплексное моделирование новой технолог: микролитографии на основе обращения волнового фронта // Новые материалы технологии. Технологические процессы и материалы приборостроения микроэлектроники. Сборник тезисов докладов на Российской научно-техническ< конференции. 1997. 46 с.