CC BY
104
УДК 621.382:539.1.044
МИКРОФОКУСНЫЕ РЕНТГЕНОВСКИЕ ТРУБКИ С КРЕМНИЕВЫМ АВТОЭМИССИОННЫМ НАНОКАТОДОМ КАК ИСТОЧНИК РЕНТГЕНОВСКОГО
ИЗЛУЧЕНИЯ
Н.А. Дюжев1, Г. Д. Демин1, Т. А. Грязнева1, А. Е. Пестов2, Н.Н. Салащенко2, Н.И. Чхало2, Ф.А. Пудонин3
Для создания наноструктур с предельно малым пространственным разрешением (до 10 нм и ниже) в данной работе предлагается новая концепция использования матриц микрофокусных рентгеновских трубок на основе автоэмиссионных кремниевых нанокатодов. Предложен новый перестраиваемый по А микрофокусный источник рентгеновского излучения, основой которого является тонкопленочная прострельная мишень с автоэмиссионным нанокатодом с перестраиваемой длиной волны. Продемонстрирована возможность уменьшения размеров экспонируемой области до 20 нм и ниже путём вариации запирающего напряжения в трубке. Использование данных источников рентгеновского излучения открывает новый путь развития безмасочной рентгеновской литографии.
Ключевые слова: автоэмиссионный катод, безмасочная рентгеновская литография, микрофокусная рентгеновская трубка, полевая эмиссия, наноструктуры, вакуумная на-ноэлектроника.
В настоящее время ведутся интенсивные исследования, направленные на поиск методов создания транзисторных структур с топологическими размерами до 1-3 нм [1], что необходимо для создания различных устройств нано- и оптоэлектроники, МЭМС
1 НИУ "МИЭТ", Москва, Зеленоград, пл. Шокина, д. 1; e-mail: gddemin@gmail.com.
2 Институт физики микроструктур РАН (ИФМ РАН), ГСП-105, Нижний Новгород.
3 ФИАН, 119991 Россия, Москва, Ленинский пр-т, 53; e-mail: pudonin@sci.lebedev.ru.
(микроэлектромеханических систем) и др. Ключевой технологией в современной полупроводниковой электронике является проекционная фотолитография. Нанометровое разрешение достигается за счет применения различных методов улучшения изображений [2]. С использованием этой технологии в настоящее время производится до 70% продукции наноэлектроники. Почти десятикратное превышение дифракционного предела рабочей длины волны литографа (193 нм) приводит к увеличению стоимости процесса и оборудования, и, как показывает практика, методы улучшения изображений практически исчерпали себя. Решение данного вопроса видится в использовании проекционной фотолитографии в экстремальном ультрафиолете (ЕИУ литографии) с рабочей длиной волны 13.5 нм при формировании пятна критических размеров на чипе [3]. Однако и у этой технологии есть ряд проблем, которые не позволяют продвижению в суб-10 нанометровую область литографии [4], связанных, например, с недостаточной для массового производства производительностью, ресурсом источника ЕиУ излучения, сложностью достижения числовой апертуры проекционного объектива N А > 0.5 и др. Из-за особенностей ЕиУ маски (отражающая многослойная структура с толщиной несколько сотен нанометров, покрытая поглощающим (порядка 100 нм) слоем), вследствие наличия эффектов затенения требуются совершенно нестандартные схемы, в частности, использование объектива с различным уменьшением в перпендикулярных направлениях [5]. На данный момент наиболее перспективным направлением считается многопучковая электронная литография, где уже имеется определенный прогресс. Однако и здесь также имеются серьезные проблемы, связанные с нагревом пластины, взаимодействием электронных пучков, а также высокой стоимостью такого литографа (~100 млн. евро).
Одним из возможных решений отмеченных выше проблем является безмасочная рентгеновская нанолитография (БМРНЛ), впервые предложенная в [6]. Интерес к этой технологии возник после работ [7, 8], где впервые было показано, что эта технология потенциально обладает высоким разрешением до 20 нм и производительностью, сравнимой с традиционной проекционной литографией. В таком рентгеновском литографе в качестве виртуальной маски выступают динамически управляемые МЭМС микрозеркала, а в качестве источника рентгеновского излучения используется лазерно-плазменный источник.
В данной работе в качестве альтернативы лазерно-плазменному источнику рентгеновского излучения и МЭМС предлагается использовать матрицы из микрофокусных рентгеновских трубок. Отличительной особенностью предлагаемой концепции является
Рис. 1: Схема рентгеновского нанолитографа на базе матрицы микрофокусных рентгеновских трубок из автоэмиссионных нанокатодов (МАК) с рентгенооптической системой фокусировки излучения, где М1, М2 - система многослойных инт,ерференци-онных зеркал.
использование в качестве микрофокусных трубок триодных систем из автоэмиссионных нанокатодов с управляющей сеткой электродов и прострельной мишенью, представляющей собой рентгенопрозрачную мембрану с тонкой металлической пленкой. Автоэмиссионный нанокатод представляет собой кремниевое острие с наноразмерной эмитти-рующей поверхностью, которое при подаче на сеточные электроды напряжения выше запирающего потенциала генерирует ток эмиссии, достаточный для формирования в мишени рентгеновского излучения, что показано на рис. 1, демонстрирующем общую схему нанолитографа с матрицей из автоэмиссионных нанокатодов.
Выбор бериллия в качестве материала мишени позволяет получить рентгеновское излучение на длине волны 11.4 нм, которое можно эффективно фокусировать посредством системы многослойных интерференционных зеркал Мо(И,и)/Ве с коэффициентом отражения более 70%, что существенно упрощает схему нанолитографа и открывает путь к уменьшению литографических размеров до 20 нм и ниже [8]. В табл. 1 приведены некоторые параметры микрофокусных рентгеновских трубок на основе автоэмиссионных нанокатодов.
Основой одиночной микрофокусной рентгеновской трубки является катодный узел, состоящий из полевого катода и управляющего сеточного электрода, и анодный электрод с прострельной мишенью, что показано на рис. 2(а). При определенном потенциале на аноде и сетке на поверхности катода формируется электрическое поле, достаточное для полевой эмиссии горячих электронов, вследствие чего в системе возникает электронный пучок, попадающий в металлическую мишень и задающий область генерации выходного рентгеновского излучения (рис. 2(б)).
Таблица 1
Параметры рентгеновских трубок на основе автоэмиссионных нанокатодов
Параметры излучателя рентгеновского излучения на базе матрицы автоэмиссионных нанокатодов
Диаметр пятна электронного пучка 200 нм
Размер источника рентгеновского излучения 10 мм х 10 мм (2.5 ■ 107 пикселей)
Параметры рентгеновского нанолитографа с излучателем на базе матрицы автоэмиссионных нанокатодов
Длина волны рентгеновского излучения 11.4 нм
МЛ объектива 0.5
МЛ на входе 0.05
Уменьшение 10х
Размер пикселя на пластине с фоторезистом 20 нм
Коэффициент отражения многослойных интерференционных структур (МИС) 70%
Доза экспонирования для чувствительного резиста 10 мДж/см2
Таблица 2
Телесный угол в', в пределах которого сосредоточено 80% рентгеновского излучения, генерируемого в мишени (Ве,Та,Ш) при напряжении на аноде УА = 2500 В
Материал мишени Ве ^ = 4) Та ^ = 73) ^ ^ = 74)
Поляризация излучения а п непол. а п непол. а п непол.
в', град. 71.98 43.38 64.57 71.01 42.81 63.34 70.97 42.79 63.29
Таким образом, посредством точной фокусировки электронного пучка предполагается с помощью зеркальной системы создавать направленное рентгеновское излучение и
(а) (б)
Рис. 2: (а) Предлагаемая конструкция одиночной рентгеновской трубки (1 - автоэмиссионный катод, 2 - сеточный электрод, 3 - анод с прострельной мишенью, 4 -вакуумный промежуток, 5 - диэлектрические спейсеры); (б) изображение электронного пучка, выходящего с поверхности катода (траектория электронов показана при положительном напряжении на аноде Уа и напряжении на сетке УС = 0 В).
проводить операции безмасочной рентгеновской литографии с предельным разрешением до 10 нм, что становится возможным с использованием рентгеновской оптики [9]. На рис. 3 представлены результаты моделирования электронной системы микрофокусной рентгеновской трубки, демонстрирующие возможность изменения размера электронного пучка при вариации отрицательного запирающего напряжения на сеточном электроде, что позволяет уменьшить диаметр О в электронного пятна на прострельной мишени до 200 нм и ниже. Радиус острия катода полагался равным 5 нм, диаметр отверстия в сеточном электроде - 400 нм. Как видно из рис. 3, с увеличением расстояния "катод-анод" (Ока) в заданном диапазоне от 400 до 600 нм требуется меньшее запирающее напряжение УС для уменьшения пятна трубки.
Ранее нами была предложена модель рентгеновского источника с автоэмиссионным нанокатодом, и определены оптимальные параметры, позволяющие получить максимальную интенсивность выходящего из мишени рентгеновского излучения и обеспечить высокую разрешающую способность [10]. На ее основе была предложена концепция перестраиваемого по спектру микрофокусного рентгеновского источника, состоящего из тонкопленочной прострельной мишени с автоэмиссионным катодом с перестраиваемой длиной волны, где перестройка осуществляется за счёт попадания электронного пучка на мишени заданного состава и материала, что обеспечивает требуемый спектр харак-
Рис. 3: Зависимость диаметра пятна Бв на мишени от запирающего напряжения Ус на сеточном электроде (при напряжении на аноде VA = 500 В) для различного расстояния Бка между катодом и анодом в рассматриваемой электронной системе микрофокусной рентгеновской трубки.
теристического излучения. Такой подход с перестройкой длин волн влияет на направленность и угловое разрешение преобладающей части генерируемого излучения для различных типов его поляризации, что позволяет менять угловую направленность излучения и может быть применимо к формированию наноразмерных топологических элементов слоев функциональной электроники [11]. Так на рис. 4 показаны результаты расчёта пространственного распределения рентгеновского излучения, генерируемого в тонкой металлической пленке прострельной мишени, состоящей из различных материалов (Ве, Та, Ш). Материал мишени выбран с учётом возбуждения единичного пика характеристической длины волны в случае напряжения на аноде VA, варьируемом от 500 до 2500 В. Как видно из рис. 4, пространственное распределение является однородным по углу для а-поляризации излучения, тогда как в случае п-поляризации излучение приобретает ярко выраженную угловую направленность. В свою очередь, угловое распределение неполяризованного излучения занимает промежуточное положение между излучением с а- и п-поляризацией. Для генерируемых в трубке длин волн характери-
стического излучения Ka\ (Be) и Ma (Ta, W) поведение зависимостей интенсивности I от телесного угла в слабо отличается друг от друга, что можно увидеть из графиков.
Рис. 4: Пространственное (угловое) распределение интенсивности I рентгеновского излучения различного типа поляризации (а-поляризация, неполяризованное излучение (н/п), п-поляризация), генерируемого в мишени различного состава (Be (Kai), Ta (Ma), W (Ma)) при напряжении на аноде VA = 2500 В.
Таблица 2 обобщает выводы по полученным зависимостям интенсивности излучения от его угловой направленности, где рассчитан угол в', в пределах которого заключено порядка 80% суммарного рентгеновского потока, генерируемого в прострельной мишени. С учётом вариации типов поляризации излучения получено, что угловая направленность меняется в диапазоне от 43° до 72°. Это дает возможность управлять размером области экспонирования в процессе проведения безмасочной рентгеновской литографии. В силу простоты схемы предлагаемого здесь рентгеновского нанолитогра-фа с подобным источником рентгеновского излучения, отсутствия дорогостоящего и габаритного лазерно-плазменного источника мягкого рентгеновского излучения и МЭМС может быть создан недорогой нанолитограф, не имеющий мировых аналогов.
Таким образом, в работе предложена новая концепция нанолитографа с использованием матриц микрофокусных рентгеновских трубок в качестве источника рентгеновского излучения. Показано, что в этом случае удается довести литографические размеры до 20 нм и ниже. Это позволило предложить новый перестраиваемый по спектру микрофокусный источник рентгеновского излучения, основой которого является тонкопленочная прострельная мишень с автоэмиссионным нанокатодом с перестраиваемой длиной волны. Мы полагаем, что предлагаемая концепция микрофокусного источника рентгеновского излучения может стать основой для создания новых технологий в области нанолитографии и решит ряд ключевых научно-технологических проблем в области микро- и наноэлектроники.
Работа выполнена на оборудовании ЦКП "МСТ и ЭКБ" при поддержке Минобрна-уки РФ, соглашение № 14.578.21.0188 (RFMEFI57816X0188).
ЛИТЕРАТУРА
[1] M. M. Waldrop, Nature 530, 7589 (2016).
[2] Интернет ресурс: https://4pda.ru/2017/03/29/338955.
[3] B. Wu and A. Kumar, Appl. Phys. Rew. 1, 011104 (2014).
[4] Интернет ресурс: http://semimd.com/blog/2016/11/28/high-na-euv-lithography-investment/.
[5] I. Servin et al., Proc. of SPIE 9423, 94231C (2015).
[6] N. Choksi et al., J. Vac. Sci. Technol. B 17, 3047 (1999).
[7] N. I. Chkhalo, V. N. Polkovnikov, N. N. Salashchenko and M. N. Toropov, Proc. of SPIE 10224, 1022410-1-08 (2016).
[8] N. I. Chkhalo and N. N. Salashchenko, AIP Advances 3, 082130 (2013).
[9] J. Zhao, Y. Wu, C. Xue, et al., Microelectronic Engineering 170, 49 (2017).
[10] Н. А. Дюжев и др., Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования 4, 1 (2017).
[11] В. А. Беспалов и др., Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования (2017) - (принята к печати).
Поступила в редакцию 8 декабря 2017 г.
