27 февраля 2016г.
Введение.
В настоящее время уровень развития технологий в области микроэлектроники переходит на нанометровый уровень. Одной из основных задач всегда остается уменьшение линейных размеров элементов микросхем.
Литография в микро- и наноэлектронике - это процесс формирования в специальном чувствительном слое (резисте), нанесенном на поверхность подложки, рельефного рисунка, повторяющего топологию микросхемы, с последующим переносом этого рисунка на образцы.
Основными материалами для осуществления литографических процессов служат резисты.
Резисты представляют собой многокомпонентные системы, включающие светочувствительную и полимерную пленкообразующую составляющие, а также специальные добавки и растворители.
Резисты чувствительны к воздействию какого-либо высокоэнергетического излучения (оптического, рентгеновского, потока ионов или электронов).
Резисты наносят на поверхность подложки в растворенной форме, высушивают, а затем применяются для формирования заданного рельефа на поверхности пленки и ее защиты от воздействия травителей.
Резисты, изменяющие свою растворимость при актиничном облучении, называют фоторезистами. Термин фоторезист по своему содержанию определяет свойства светочувствительной пленки, сформированной на подложке из растворов светочувствительных соединений и других компонентов, т. е. светочувствительность и устойчивость к воздействию агрессивных факторов.
В зависимости от механизма фотохимических процессов, протекающих под действием излучения, фоторезисты делятся на негативные и позитивные.
Проблема создания фоторезистов включает подбор и синтез пленкообразующих полимерных и светочувствительных компонентов, разработку композиций и выявление оптимальных условий их применения.
В настоящее время в производстве полупроводниковых приборов широко применяются как позитивные, так и негативные фоторезисты. Позитивные фоторезисты обладают высокой разрешающей способностью и позволяют получить четкие границы изображения. Негативные используются преимущественно в процессах, связанных с глубоким травлением металлов, гальваническими процессами. Весьма ценным свойством их является отсутствие ионов щелочных металлов при проявлении, что особенно важно в полупроводниковой технике.
Формирование фоторезистивных пленок.
К операциям нанесения пленок фоторезистов предъявляются следующие требования:
· возможность формирования бездефектных пленок контролируемой и воспроизводимой толщины;
· реализация широкого диапазона толщины покрытий;
· формирование пленок с высокой равномерностью по толщине;
· максимально высокая адгезия к подложке.
Существует несколько методов формирования пленок фоторезистов: центрифугирование, распыление, погружение (окунание), заливка, накатка.
Наиболее широко распространенный метод формирования пленок – центрифугирование. Данный метод состоит из двух этапов: нанесение на подложку светочувствительного раствора и получение необходимой толщины пленки за счет вращения ротора центрифуги с заданной скоростью. В некоторых случаях при формировании пленок фоторезистов наблюдается плохое смачивание ими поверхности подложек. Это явление устраняется механическим распределением фоторезиста по всей поверхности подложек, что обусловливает, однако, повышенную неравномерность формируемых пленок по толщине и увеличивает их загрязненность.
Формирование пленок фоторезистов характеризуется двумя процессами: испарением летучих компонентов фоторезиста и возникновением структуры пленки, определенной условиями испарения растворителей и степенью взаимодействия компонентов системы. Известно, что испарение растворителя из пленки можно представить в виде двух этапов: свободного испарения (испарения чистой жидкости) и замедленного испарения (удаления связанного с полимером растворителя).
Формирование покрытий методом центрифугирования проводят обычно при частоте вращения ротора в области 2–10 тыс. об/мин. Для заданной концентрации фоторезиста имеется определенная критическая скорость, превышение которой не вызывает уменьшения толщины слоя. Этот момент соответствует равновесию когезионных и центробежных сил.
Неравномерность толщины покрытия по площади пластины определяется во многом частотой вращения ротора.
Разработка новых электронных приборов и устройств сопровождается созданием огромного числа блоков, содержащих тысячи, а иногда и миллионы транзисторов. При изготовлении транзисторов и интегральных схем применяется оптическая фотолитография.
Последние тенденции фотолитографии.
Известно, что основной тенденцией развития всей электроники в целом является миниатюризация. Наноэлектроника – область современной электроники, занимающаяся разработкой физических и технологических основ создания интегральных электронных схем и устройств на их основе с размерами элементов менее 100 нм.
Основная задача наноэлектроники состоит в разработке новых электронных устройств со сверхмалыми размерами, создании методов их получения и объединения в интегральные схемы. Объект исследований наноэлектроники – структуры со сверхмалыми размерами.
Размеры элементов интегральных микросхем определяются, главным образом, литографическими процессами. В нанометровом диапазоне размеров используют два основных подхода. Первый берет свое начало из микроэлектронной технологии и использует принципы оптической, рентгеновской и электронно-лучевой литографии. Уменьшение длины волны света, используемого для экспонирования фоторезиста, так же как и применение рентгеновского излучения и электронных потоков, обеспечивает создание рисунков с размером элементов менее 100 нм.
Оптическая литография с типичными скоростями экспонирования 10–100 см2/с полностью удовлетворяет требованиям массового производства. По разрешающей способности имеет ограничения на минимальный воспроизводимый размер элемента, что связано с длиной волны излучения, используемого для экспонирования резистов. Повышение разрешающей способности и соответствующее уменьшение критических размеров формируемых элементов в этой группе методов идет по пути уменьшения длины волны излучения. При этом достижимый минимальный размер составляет 100 нм. Дальнейшее уменьшение до 50 нм представляется физически возможным, что требует существенного прогресса в технологии создания резистивных масок и повышения чувствительности фоторезистов с высоким разрешением.
Фотолитография в глубоком ультрафиолете является естественным развитием оптической литографии с применением коротковолнового излучения. Для этих целей применяется синхротронное излучение и излучение плазменных лазерных источников. Они обеспечивают формирование элементов размерами до 100 нм и могут быть усовершенствованы для создания 30 нм-элементов. Несмотря на физические преимущества, использование синхротронного излучения не находит широкого технологического применения в полупроводниковой электронике из-за сложности, энергоемкости и громоздкости синхротронов. Плазменные лазерные источники во многом лишены этих недостатков, что делает их более перспективными для практической нанолитографии.
Рентгеновская литография, использующая излучение с длиной волны около 1 нм, представляет собой последнюю ступень на пути уменьшения длины волны экспонирующего электромагнитного излучения для литографии. При этом в отсутствие подходящей рентгеновской оптики приходится вести прямое экспонирование (1:1). Достаточную для практических целей интенсивность рентгеновского излучения получают в синхротронах и с помощью плазменных лазерных источников. Достижимые минимальные размеры составляют 50–70 нм. Преимуществом рентгеновской литографии является возможность использования однослойных резистивных масок и высокая воспроизводимость. Недостатки же аналогичны тем, которые отмечены для литографии в глубоком ультрафиолете.
Электронно-лучевая литография является наиболее подходящей основой для массового производства наноструктур. С использованием одиночного луча она обеспечивает скорости экспонирования 10–3–10–2 см2/с, а в режиме модульного экспонирования – на два-три порядка выше. Типичное разрешение составляет 30 нм с возможностью опуститься до 5 нм при использовании неорганических резистов. Основным недостатком является невысокая производительность, которая определяется плотностью электронного тока и чувствительностью резиста. Повышение плотности тока в электронном луче помимо технических ограничений имеет и физические ограничения. При высоких плотностях тока взаимодействие между электронами приводит к внутреннему расширению луча, что ухудшает разрешение. Для приемлемой производительности необходимы резисты с порогом чувствительности ниже 10 мКл/см2. Чувствительность к вариациям экспозиционной дозы и глубины фокуса (деформации маски) намного меньше, чем в оптической литографии.
Ионно-лучевая литография по своим технологическим принципам близка к электронно-лучевой литографии. Она используется для экспонирования резистов толщиной до 20 нм. Ионы могут также использоваться для безмасочного создания рисунка элементов интегральных схем прямой модификацией свойств материала подложки. Установки для ионно-лучевой обработки материалов имеют приемлемые скорости экспонирования. Сравнивая эффективность экспонирования резиста ионами и электронами одного энергетического диапазона – 50–100 кэВ, следует отметить, что ионы полностью передают свою энергию резистивному слою, а электроны проходят глубже в подложку. Это ведет к существенным отличиям в пороговой чувствительности резистов, которая ниже для ионного экспонирования. Между тем, процесс последовательного экспонирования ионным лучом остается слишком медленным для массового производства.
В заключение следует отметить, что имеющиеся методы нанолитографии обеспечивают разрешение в пределах 10–100 нм. Однако производительность методов должна соответствовать требованиям промышленного производства.
Список литературы
1. Внедрение новых литографических методов с целью повышения качества многослойных структур. Фокеева Е.Г., Гайнуллина Н.Р. Статья. Вестник КГТУ им. А.Н.Туполева, №4 вып.2 Казань: - КНИТУ-КАИ, 2012 г. (с.175-178)
2. Основы микроэлектроники. И.Е. Ефимов, И.Я. Козырь: Издательство «Лань», 2009
3. Повышение качества радиоэлектронных средств за счет использования новых литографических методов. Н.Р. Гайнуллина. Статья. Вестник КГТУ им. А.Н.Туполева, №2 вып.2 Казань: - КНИТУ-КАИ, 2013 г.
4. Физические основы наноэлектроники. Учебное пособие. В.Л. Ткалич, А.В. Макеева, Е.Е. Оборина. – Санкт-Петербург, 2011
