Физические основы Физические основы микроэлектроникимикроэлектроники

Ионно-лучевая литографияИонно-лучевая литография

Одним из определяющих технологических Одним из определяющих технологических процессов в микроэлектронике в течение процессов в микроэлектронике в течение более 40 лет продолжает оставаться более 40 лет продолжает оставаться литография. Литография или литография. Литография или микролитография, а сейчас может быть микролитография, а сейчас может быть уместно, говорить о нанолитографии, уместно, говорить о нанолитографии, предназначена для создания топологического предназначена для создания топологического рисунка на поверхности монокристаллической рисунка на поверхности монокристаллической кремниевой пластины. Основным кремниевой пластины. Основным литографическим процессом в современной литографическим процессом в современной микроэлектронике является микроэлектронике является фотолитография. фотолитография.

10 ступеней литографического процесса.

1. Подготовка поверхности (промывка и сушка)2. Нанесение резиста (тонкая пленка полимера наносится ценрифугированием)3. Сушка (удаление растворителя и перевод резиста в твердую растворимую фазу)4. Совмещение фотошаблона и экспонирование (положительный резист

под действием света переходит в нерастворимую фазу )5. Проявление резиста (промывка

в растворителе, удаляющем

неэкспонированный резист)

SiSi O2

фоторезист

фотошаблон

6. Стабилизирующий отжиг (удаление остатков растворителя)7. Контроль и исправление дефектов.8. Травление (Непосредственный перенос рисунка маски на поверхность

полупроводниковой структуры)9. Удаление фоторезиста.10. Финишный контроль..

Методы переноса рисункаМетоды переноса рисунка

Шаблоны

Контактная печать

Бесконтактная печать

С зазором Проекционная

Стационарная

Пошаговая

Сканирование

Растровое Векторное

Точечное Профильное

Однолучевое

Многолучевое

АЛЬТЕРНАТИВНЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭКСПОНИРОВАНИЯ.

Для получения структур с разрешением ниже 100 нм становится обоснованным использование принципиально новых способов экспонирования. Принимая во внимание необходимость разработки высокопроизводительных литографических систем можно выделить следующие 4 основные направления: предельный или экстремальный ультрафиолет (extreme UV lithography – EUVL), электронная проекционная литография (SCALPEL), рентгеновская литография (Х- ray lithography), ионная литография (ion beam lithography).

Ионно-лучевая литографияИонно-лучевая литография Ионные пучки в Ионные пучки в

электроники электроники используются для используются для различный целей:различный целей:

размерная размерная микрообработка микрообработка удалением материалаудалением материала

направленное изменение направленное изменение свойств материала свойств материала легированиемлегированием

анализ структуры и анализ структуры и состава материаласостава материала

Высокоинтенсивный сканирующий ионный зонд Высокоинтенсивный сканирующий ионный зонд

на основе жидкометаллического источникана основе жидкометаллического источника Источник ионовИсточник ионовВтягивающий электродВтягивающий электродЭлектроды ускоряющей и управляющей Электроды ускоряющей и управляющей линзылинзыМишеньМишень

Яркость источника в плоскости изображенияЯркость источника в плоскости изображения

Площадь эмитирующей областиПлощадь эмитирующей области

Диаметр пятна ионовДиаметр пятна ионов

1

2 AS

As 0 ra 2s

d Cc 0

0

c

Электрическое поле заряженного острияЭлектрическое поле заряженного острия

На вершине острия источники имеют На вершине острия источники имеют сферическую поверхность радиуса сферическую поверхность радиуса RR. Эта . Эта сферическая поверхность сопрягается с сферическая поверхность сопрягается с поверхностью конуса с углом раствора поверхностью конуса с углом раствора QQ

V0

k R

k

Напряженность поля вблизи острия

Точное значение эл-го поля м.б. найдено на основе ур-я Пуассона

V0

k1 R

ek2 Q

k

Конус ТейлораКонус Тейлора При некотором значении потенциала электростатическое При некотором значении потенциала электростатическое

напряжение становится больше сил поверхностного натяжения и напряжение становится больше сил поверхностного натяжения и на кончике острия возникает конусообразной формы капля.на кончике острия возникает конусообразной формы капля.

В результате вблизи вершины создается эл. поле большой В результате вблизи вершины создается эл. поле большой напряженности, вызывающее явление полевого испарения напряженности, вызывающее явление полевого испарения ионов. ионов.

PT Di e

Qk T

T

Испарение происходит только путем термической активации, согласно уравнению Аррениуса

Pe Di e

43

2Mi

h( )2

12

1

S

1

S

Q( )

3

2

i

Вероятность испарения полем

Основная трудность в данном виде литографии заключается в необходимости допустить чрезвычайно малый радиус острия – около 1 нм

0

M1 cos M2 2

M1 2 sin2

1

2

2

M1 M2 2

dE

dZ

n

0.278N Z1

Z2

Z1 2

3 Z2 2

3

M1

M1 M2 Z

dE

dZ

e

k E

1

2k

R 2 k E0 14 k k1 E0

3

k

Взаимодействие пучка ионов с Взаимодействие пучка ионов с веществомвеществом

Энергия иона после рассеяния на Энергия иона после рассеяния на угол угол QQ

Взаимодействие ионов с Взаимодействие ионов с электронамиэлектронами

Пробег ионаПробег иона

РаспылениеРаспыление

EE S(E)S(E)

0.010.01 0.2110.211

0.10.1 0.3720.372

1.01.0 0.3560.356

10.010.0 0.1280.128

S E( )3

4 2

4 M1 M2 E

M1 M2 2 U0

UM2/M1M2/M1 αα

0.010.01 0.170.17

0.50.5 0.200.20

1.01.0 0.230.23

5.05.0 0.980.98

10.010.0 5.05.0

Ион вызывает каскад атомных столкновенийИон вызывает каскад атомных столкновений

Коэффициент распыленияКоэффициент распыления

К-т распыления периодичен с табл. К-т распыления периодичен с табл. МенделееваМенделееватеория распыления основана на механизмах теория распыления основана на механизмах случайных случайных столкновений, ур-ии Больцмана и общей столкновений, ур-ии Больцмана и общей теории переносатеории переносакаскад столкновений возникает, когда каскад столкновений возникает, когда энергия первичного ионаэнергия первичного ионадостаточно велика для того, чтобы он мог достаточно велика для того, чтобы он мог передать энергию, передать энергию, превышающую энергию смещения атомов превышающую энергию смещения атомов крист. Решетки.крист. Решетки.

Ионно-трековая технологияИонно-трековая технологияЭто ядерная технология, использующая происхождение высокоэнергетических Это ядерная технология, использующая происхождение высокоэнергетических

тяжелых ионов через конденсированную среду для формирования очень узких тяжелых ионов через конденсированную среду для формирования очень узких ионных треков, содержащих разупорядоченную зону диаметром 5-10 нм.ионных треков, содержащих разупорядоченную зону диаметром 5-10 нм.

Впервые экспериментально ионные треки диаметром менее 30 нм и длиной Впервые экспериментально ионные треки диаметром менее 30 нм и длиной более 4 мкм были обнаружены в 1959 г. после облучения тонких листов более 4 мкм были обнаружены в 1959 г. после облучения тонких листов слюды-мусковита. Возникновение треков, вблизи которых могут слюды-мусковита. Возникновение треков, вблизи которых могут происходить локальное плавление, аморфизация и разрушение материала, происходить локальное плавление, аморфизация и разрушение материала, является следствием радиационного повреждения. Высокая объемная является следствием радиационного повреждения. Высокая объемная концентрация треков в твердом теле позволяет формировать на их основе концентрация треков в твердом теле позволяет формировать на их основе наноструктуры с существенно большей плотностью элементов, чем наноструктуры с существенно большей плотностью элементов, чем достигнутая в современных ИС. Зоны, возникающие вдоль треков, достигнутая в современных ИС. Зоны, возникающие вдоль треков, поддаются селективному травлению с образованием каналов с отношением поддаются селективному травлению с образованием каналов с отношением диаметра к длине 10000.диаметра к длине 10000.

Трековые каналы и растворение полимерной матрицы в щелочи дает Трековые каналы и растворение полимерной матрицы в щелочи дает возможность получать индивидуальные нанопроволоки, металлические возможность получать индивидуальные нанопроволоки, металлические микрощетки.микрощетки.

Ионно-трековая технология пока еще является экзотичной, но можетнайти Ионно-трековая технология пока еще является экзотичной, но можетнайти применение в производстве наноструктур. применение в производстве наноструктур.

Схема ионного источника с Схема ионного источника с масс-анализатороммасс-анализатором

1-катод;1-катод;2-контейнер;2-контейнер;3-острие;3-острие;4-экстрактор;4-экстрактор;5-магнитопровод;5-магнитопровод;6-постоянный плоский 6-постоянный плоский

магнит;магнит;7-отклоняющая 7-отклоняющая

пластина;пластина;8-коллектор.8-коллектор.

Схема эмиссии ионов и Схема эмиссии ионов и микрокапельмикрокапель

1-острие;1-острие;

2-жидкость;2-жидкость;

3-область перегрева 3-область перегрева жидкости;жидкости;

4-область ионизации 4-область ионизации пара;пара;

5-граница пучка;5-граница пучка;

6-линии поля;6-линии поля;

7-микрокапли.7-микрокапли.

Ионно-лучевые установки, с Ионно-лучевые установки, с различной формой лучаразличной формой луча

1-источник ионов;1-источник ионов;2,4,7-электростатические и 2,4,7-электростатические и

магнитные линзы;магнитные линзы;3,5- диафрагмы, 3,5- диафрагмы,

определяющие форму луча;определяющие форму луча;6-катушки управления формой 6-катушки управления формой

луча;луча;8-юстировочные катушки;8-юстировочные катушки;9-отклоняющая система; 9-отклоняющая система; 10-обрабатываемая пластина.10-обрабатываемая пластина.

Обработка подложекОбработка подложек

Системы сканирования Системы сканирования луча:луча:

а- растровая;а- растровая;

б- векторная.б- векторная.

Способы перемещения Способы перемещения образца:образца:

а- мультиплицирование;а- мультиплицирование;

б- непрерывное б- непрерывное перемещение.перемещение.

Примеры литографииПримеры литографии