CC BY
6составляет 800 Гс для Fe-Ne-B-магнитов. Магнитная пробка на выходе из катода, образуемая такой конструкцией, удерживает вторичные электроны внутри катода. Скрещенные E*B поля вызывают дрейф электронов в азимутальном направлении, в результате внутри полого катода создается плазма высокой концентрации (более 1012 см-3). Коэффициент использования мишени в таком катоде высок, зона эрозии занимает почти всю цилиндрическую часть. Те электроны и ионы, которые имеют начальную аксиальную скорость, способны покидать полый катод и распространяться к подложке. Для данного катода диаметр центрального керна потока составляет порядка 5 см на расстоянии 20 см от среза магнетрона. Для расширения потока плазмы и создания более однородного радиального распределения на расстоянии нескольких сантиметров от среза установлен электромагнит, магнитное поле которого включено навстречу магнитному полю постоянных магнитов. Чтобы уменьшить радиальные потери плазмы, между катодом и заземленным анодом устанавливалась цилиндрическая вставка диаметром 160 мм и длиной 110 мм, находящаяся под плавающим потенциалом.
Радиальные профили температуры электронов, функции распределения электронов по энергиям, концентрации ионов и электронов, а также плавающего потенциала Vf и потенциала плазмы Vs определялись из зондовых характеристик цилиндрического зонда Лэнгмюра (r = 0,175 мм, l = 5 мм). Зонд располагался на расстоянии 20 см от среза магнетрона и 1 см перед подложкой. Для регистрации и анализа ВАХ зондов разработана специальная компьютерная автоматизированная система. Ее аппаратная часть реализована на базе PCI-платы сбора данных NI6221 фирмы National Instrumens. Напряжение на зонд подается с выхода специально изготовленного мощного высоковольтного усилителя (б'вых варьировалось от -80 до +80 В, /вых = 0,8 А). Для программного управления напряжением зонда в плате сбора данных задействован один канал ЦАП с разрешением 16 бит и выходным напряжением от 10 до 10 В. Кроме того, для измерения напряжения на зонде и зондового тока задействованы еще два канала АЦП с разрешением 16 бит и входным напряжением от 5 до +5 В (устанавливается программно). Напряжение, пропорциональное зондовому току, берется с резистора 10 Ом, включенного последовательно зонду, а напряжение зонда - с омического делителя 1:20. Для увеличения помехозащищенности указанные входы и выход NI6221 подключаются к зонду через модули гальванической развязки AI03 и A010 соответственно. Последние располагаются в блоке подготовки сигналов SC-2345 фирмы National Instrumens.
Программа управления измерениями реализована в среде визуального программирования Lab VIEW 8.0 и снабжена развитым графическим интерфейсом, позволяющим оперативно управлять процессом измерения, отображения и сохранения данных. Данные ВАХ сохраняются в виде табличных файлов объемом максимум 640 пар точек «напряжение-ток» со стандартизованным, автоматически формируемым именем.
Для обработки данных ВАХ использовалась программа MatLAB. На начальном этапе работы программы производится сглаживание данных B-сплайнами и вычисляются первая и вторая производные в интерактивном режиме. Необходимость такой процедуры продиктована тем, что экспериментальные данные содержат шумы, обусловленные колебаниями плазмы. В условиях рассматриваемого разряда отношение радиуса зонда к дебаевскому радиусу порядка 10, поэтому аналитическая теория Лэн-гмюра не применима для анализа ВАХ. Для определения концентрации плазмы используется метод параметризации результатов Лафрамбойза, который, применяя метод численного моделирования, определил функциональное соотношение между нормированным значением потенциала плазмы и нормированным значением зондового тока.
Используемый в программе алгоритм является развитием метода, описанного в [4]. Температура электронов, используемая в алгоритме, определяется как средняя температура:
Т = — е 3к
] ЕГ (Е)ёЕ ] / (Е)ёЕ
где Е - энергия; к - постоянная Больцмана; _ДЕ) - функция распределения электронов по энергиям, определяемая по второй производной ВАХ.
Измерение спектров излучения плазмы проводилось с помощью монохроматора с дисперсией 2,4 нм/мм в области расположения подложки на расстоянии 20 см от магнетрона. В качестве приемника излучения использовался фотоэлектронный умножитель ФЭУ-100 (см. рис.1). На рис.2 показаны ВАХ разряда для различных давлений. С увеличением давления напряжение разряда уменьшается, что связано с ростом концентрации плазмы. Вероятность ионизации атомов электронами пропорциональна концентрации нейтральных частиц, а уменьшение энергии электронов в данном диапазоне давлений, приводящее к обратному эффекту, незначительно.
Влияние магнитного поля электромагнита на радиальные характеристики плазмы, измеренные на расстоянии 20 см от среза магнетрона, показано на рис.3. Увеличение
магнитного поля электромагнита, направленного навстречу магнитному полю постоянных магнитов, с одной стороны, приводит к росту однородности потока, с другой - к падению концентрации плазмы (рис.3,а). При мощности разряда 3 кВт и давлении 5 мТор концентрация плазмы на оси разряда уменьшается с 7,2^1011 см-3 при выключен-
11 -3
ном электромагните до 3^10 см при токе 1,25 А. Отметим, что внутри магнетрона концентрация плазмы изменяется очень мало, так как ВАХ разряда слабо зависят от тока электромагнита (при работе источника магнетрона в режиме постоянного тока напряжение изменяется на несколько вольт). Таким образом, изменение концентрации происходит вне магнетрона, где расходящееся магнитное поле электромагнита уводит замагниченные электроны на боковые стенки камеры, которые, в свою очередь, тянут за собой ионы.
Как следует из рис.3,б, на расстоянии 20 см от магнетрона температура электронов уменьшается при включении электромагнита. Вероятно, это происходит вследствие роста потерь на возбуждение и ионизацию атомов при увеличении сечения потока. Тем не менее, большие величины концентрации и температуры электронов на таком расстоянии позволяют эффективно ионизовать распыленные атомы металла на пути их движения к подложке.
Следует отметить, что энергия ионов на изолированную подложку, равная е(Ур - V), не превышает 20 эВ.
N 1011 см-3 уз, Уг В Те, эВ
-10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 Я, см -10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 Я, см
а б
Рис.3. Радиальные распределения: а - концентрации электронов; б - потенциала плазмы V (•, о), плавающего потенциала У^^(■, □) и средней температуры электронов <Те> (▲, А) в зависимости от тока электромагнита 1эл (Аг, р = 5 мТор; расход Аг - 50 см3/мин; I = 8 А;
и = 384 В; расстояние от магнетрона 20 см)
Влияние мощности на параметры разряда в его центре на расстоянии 20 см от магнетрона показано на рис.4. Плазменный и плавающий потенциалы, средняя температура электронов слабо зависят от мощности, а концентрация плазмы растет почти линейно с мощностью до уровня 1,5 кВт, затем показатель степени уменьшается до 0,6. При заданной мощности концентрация плазмы увеличивается с ростом давления разряда (до 10 мТор в наших экспериментах), так как увеличивается число столкновений электронов с атомами.
У3ут В 6 4 2 0 -2 -4 -6
-10 -12 -14
Те, эВ
1
1 2 3 4 W, кВт а
N 1011 см-3
10 8 6 4 2 0
9 мТор
■ ...ч" 5 мТор
■ ...ли ' '
.■V
/
4 Ж, кВт
б
Рис.4. Зависимость потенциала плазмы V (•), плавающего потенциала V(■), средней температуры электронов <Те > (▲) (а) и концентрации электронов Ые (■, □) (б) от мощности разряда.
Электромагнит выключен; г = 0 см
4
3
2
2
3
Возрастание концентрации и числа высокоэнергетичных электронов с увеличением мощности разряда вызывает эффективную ионизацию распыленных атомов меди. На рис.5 показаны зависимость нормализованных интенсивностей спектральных линий атомов и ионов Аг и Си от мощности разряда (интенсивность линий при Ж = 300 Вт принята за 1, при меньших мощностях излучение ионов меди на уровне шумов). С увеличением мощности в 10 раз интенсивность излучения атомов аргона возрастает
в 10 раз, атомов меди в 20-25 раз, а ионов меди и аргона в 100-120 раз. Эти измерения указывают на возможность достижения больших степеней ионизации потоков распыленных атомов. На рис.6 приведен профиль эрозии (черные значки): длина зоны распыления составляет 5 см, эрозия неравномерна по длине катода. Как известно, наибольшая величина эрозии происходит в области, где магнитные силовые линии параллельны поверхности мишени. Данный профиль эрозии был получен при длине столбиков магнитов 7,5 см. При увеличении длины магнитных столбиков до 10 см размер области, где магнитные силовые линии параллельны стенкам катода, возрос и профиль эрозии стал более плоским (светлые значки). По этим измерениям рабочая площадь катода составляет порядка 125 см2. Задняя (торцевая) поверхность катода не распыляется, на ней имеет место осаждение металла.
Рис.5. Зависимость нормализованных интенсивно- Рис.6. Профиль эрозии мишени магнетрона стей спектральных линий от мощности разряда по его длине
(р = 4 мТор, 20 см от магнетрона)
Плазма при низких давлениях характеризуется сильной неравновесностью: температура электронов составляет 2-10 эВ, в то время как температура атомов и ионов на два порядка меньше. Образование пленок при воздействии больших потоков ионов и атомов не может быть описано равновесной термодинамикой и, как следствие, часто наблюдается образование метастабильных фаз. Способность синтезировать материалы при существенно более низких температурах по сравнению с равновесными - важное свойство разрядов при низких давлениях в установках плотной плазмы [3].
При температуре подложки 0,3Тплавл < Т < 0,5Тплавл и значительных потоках ионов пленка имеет волокнистую структуру, в которой кристаллы растут перпендикулярно поверхности подложки с плотной упаковкой (пустоты 5%) [5]. Поток энергетичных частиц перераспыляет атомы металла со слабой адгезией, стимулирует поверхностную миграцию атомов металла и, в конечном счете, приводит к образованию пленок с высокими физическими и электрическими параметрами. Кроме того, только под действием потока энергетических частиц можно получать пленки с различной кристаллической структурой. Эффект ионной бомбардировки зависит от плотности потока ионов Г и их
энергии Ei. Используя формулу для плотности потока ионов: Г = 0,61ni^kTJ~Mi при
Te = 3 эВ и концентрации ионов аргона = 6^ 1011 см-3, получаем Гдт+ = 2,4^ 1016 см-2 с.
10 -3 15 -2
Для ионов меди пСх1+ = 8^10 см и ГСи+ = 8^10 см с. В исследуемом разряде как Гi, так и Ei могут независимо друг от друга варьироваться в широком диапазоне параметров при измении мощности и давления разряда, тока электромагнита и расстояния до подложки. На расстоянии 20 см от среза магнетрона поток нейтральных атомов
15 -2
меди rCu =0,25 (nCu)vCu = 3^10 см с, т.е. степень ионизации потока металла ß = rCu+/(rCu+ + rCu) = 0,б5. Данным потокам соответствует скорость осаждения 110 нм/мин. В разряде аргона при давлении 5 мТор и мощности магнетрона 3 кВт (средняя плотность мощности 24 Вт/см2)скорость осаждения меди на подложку, расположенную на расстоянии 20 см от мишени, составила 120 нм/мин, что хорошо согласуется с расчетным значением.
Проведенные эксперименты показали, что магнетронный разряд с полым катодом позволяет получать при давлениях в несколько миллиторр концентрацию плазмы бо-
11 -3
лее 10 см на расстоянии в десятки сантиметров от магнетрона. Высокая концентрация плазмы, создаваемая в большом объеме, увеличивает вероятность ионизации распыленных атомов мишени. Поток ионов мишени, управляемый электрическим полем слоя перед подложкой, дает возможность осаждать пленки на структурах сложной формы с хорошей конформностью. Величина, однородность, степень ионизации потока плазмы могут контролироваться соответствующим выбором мощности, давления, величины и конфигурации магнитного поля.
Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (код проекта № 08-08-00455).
Литература
1. Ionized physical-vapor deposition using a hollow-cathode magnetron source for advanced metallization / E.Klawuhn, G.C.D'Couto, K.A.Ashtiani et al. // J.Vac.Sci.Technol. - 2000. - A18(4). - P. 154б-1549.
2. Vyas V., Kushner M.J. Scaling of hollow cathode magnetrons for ionized metal physical vapor deposition // J. Vac.Sci.Technol. - 200б. - A24. - P. 1955-19б9.
3. Anders A. Metal plasmas for the fabrication of nanostructures // J.Phys.D:Appl.Phys. - 2007. - Vol.40. -P. 2272-2284.
4. Mausbach M. Parametrization of the Laframboise theory of cylindrical Langmuir probe analysis // J.Vac.Sci.Technol. - 1997. - А15(б). - P. 2923-2929.
5. Thornton J.A. The microstructure of sputter-deposited coatings // J.Vac.Sci.Technol. - 198б. - Vol. 4A, 1б. - P. 3059-30б5.
Статья поступила 2 марта 2009 г.
Царьгородцев Юрий Петрович - кандидат технических наук, доцент кафедры физики МГУЛ. Область научных интересов: физика плазмы, автоматизация сбора и обработки информации.
Полуэктов Николай Павлович - доктор технических наук, профессор кафедры физики МГУЛ. Область научных интересов: физика плазмы и ее применение в технологии микроэлектроники. E-mail: poluekt@mgul.ac.ru
Харченко Виктор Николаевич - профессор, доктор технических наук, заведующий кафедрой физики МГУЛ. Область научных интересов: физика плазмы, теплофизика.
Камышов Игорь Алексеевич - инженер кафедры физики МГУЛ. Область научных интересов: физика плазмы, конструирование электронной аппаратуры.
Усатов Игорь Игоревич - студент-дипломник МИЭМ. Область научных интересов: физика плазмы, автоматизация сбора и обработки информации.
УДК 621.3.049.77
Разработка технологии ретуширования прозрачных дефектов фотошаблонов на лазерной установке ЭМ-5001Б
В. А. Овчинников
Московский государственный институт электронной техники (технический университет)
Установлена зависимость высоты осажденного материала от режимов осаждения, кратности проходов и длины осажденной линии. Определены технологические режимы процесса устранения прозрачных дефектов на фотошаблоне.
Основным инструментом литографического процесса производства интегральных микросхем является фотошаблон, представляющий собой металлизированную фотомаску, содержащую топологический рисунок интегральной микросхемы и используемый для проекционного переноса этого изображения на кремниевую пластину.
С уменьшением проектных норм интегральных микросхем, увеличением количества элементов топологии ужесточаются технические требования к фотошаблону, к технологическому процессу формирования изображения топологического рисунка в маскирующем слое, к процессу поиска и устранения недопустимых дефектов.
Так как бездефектное изготовление фотошаблона в точном соответствии с проектными данными за один цикл фотолитографии практически невозможно, а стоимость одного фотошаблона может исчисляться тысячами долларов, изготовители стремятся использовать все возможности для исправления («ремонта») дефектов маскирующего покрытия фотошаблонов [1].
C точки зрения «ремонта» фотошаблонов, все обнаруженные недопустимые дефекты можно подразделить на два больших класса - прозрачные дефекты, исправление которых осуществляется путем формирования фрагментов металлизированной фотомаски, и непрозрачные дефекты, исправление которых выполняется путем удаления лишних фрагментов.
Существующие методы устранения прозрачных дефектов: метод объемной ретуши, метод маскирования полупрозрачной пленкой, метод двойного маскирования, метод обратной литографии имеют существенные недостатки, такие как большая неровность края формируемых элементов, длительность и сложность процесса, что часто приводит к порче шаблона из-за привнесения дефектов, связанных с дополнительными литографическими процессами (например, напыление полупрозрачного маскирующего материала) [2].
В настоящее время при изготовлении фотошаблонов для производства интегральных микросхем с проектными нормами 350 нм и меньше для устранения прозрачных дефектов используются три метода, основанные на ионно-лучевой литографии, электронно-лучевой литографии, лазерной литографии.
При выборе базового технологического процесса устранения дефектов на фотошаблонах для интегральных микросхем с проектными нормами до 180 нм наиболее предпочтительным оказывается лазерное оборудование в силу более низкой стоимости и высокой производительности [3].
© В.А.Овчинников, 2009
