CC BY
137
ОСНОВЫ ТЕХНОЛОГИИ ГОЛОГРАФИЧЕСКОЙ СУБМИКРОННОЙ ФОТОЛИТОГРАФИИ
С.Н. Корешев, В.П. Ратушный
Созданы основы принципиально новой технологии проекционной субмикронной голографической фотолитографии. Разработана схема записи и восстановления голограмм-проекторов предельного разрешения, используемых без дополнительного объектива; сформулированы и научно обоснованы требования, предъявляемые к ее геометрическим параметрам и режимам экспонирования голограмм; экспериментально показана пригодность применения этой схемы в задачах проекционной литографии.
Введение
Современные тенденции развития дисплеев направлены не столько на уменьшение размера единичного пикселя изображения, сколько на увеличение общей площади устройств. Поэтому в сложившейся ситуации особо актуальной становится задача разработки методов высокоразрешающей проекционной фотолитографии, обеспечивающих одномоментное экспонирование относительно большого участка заготовки дисплея. Традиционный метод проекционной фотолитографии, основанный на использовании дорогостоящих проекционных объективов, обладает существенными ограничениями по площади одновременно экспонируемого участка фоторезиста, обусловленными невозможностью полной коррекции полевых аберраций проекционных оптических систем. При этом с уменьшением длины волны используемого излучения и, следовательно, с уменьшением характеристического размера отображаемых структур наблюдается устойчивая тенденция к уменьшению безаберрационного участка поля проекционных объективов. Так, экспонирующие устройства, использующие излучение с длиной волны. близкой к i-линии ртути, обладают полями диаметром в 10-15 мм. Устройства же, предназначенные для работы в излучении эксимерных лазеров с длинами волн 193 нм и 157 нм, обладают полями, не превышающими единиц миллиметров. Например, в [1] описаны объективы для проекционной фотолитографии на длинах волн 193 нм и 157 нм, обладающие двухмиллиметровыми полями.
Еще хуже будет складываться ситуация в более коротковолновых областях спектра. Там придется полностью перейти на зеркальные оптические системы, обладающие большими, по сравнению с обычно используемой в настоящее время рефрактивной оптикой, полевыми аберрациями. Производители микросхем компенсируют недостаточность мгновенных полей современных проекционных объективов путем использования сканирующего и пошагового экспонирования. При этом, как нетрудно подсчитать из приведенных данных, изготовление, например, процессора размером 50x50 мм потребует выполнения более 600 операций экспонирования и совмещения рисунка. Здесь необходимо отметить, что точность совмещения рисунка при пошаговом экспонировании не должна быть хуже 0.1 характеристического размера отображаемой структуры. Поскольку операция совмещения в традиционном фотолитографическом оборудовании сложна и трудоемка, то возникает необходимость его замены альтернативными «боль-шепольными» системами проекционной фотолитографии. При этом наиболее перспективной основой для разработки таких систем нам представляется метод голографии, характеризующийся возможностью формирования полностью свободных от аберраций, в том числе и полевых аберраций, действительных изображений зарегистрированного объекта.
Возможность использования принципов голографии при решении задач фотолитографии уже была рассмотрена рядом авторов на относительно ранних этапах развития голографии [2-4]. Однако результатов, пригодных для практического использования, в то время получено не было. На наш взгляд, основная причина этого состояла в использовании регистрирующих сред, наносимых из раствора и требующих «мокрой»
фотохимической обработки, приводящей к набуханию и последующей усадке среды. Сложившаяся ситуация изменилась в начале 90-х годов, когда специалисты швейцарской фирмы Holtronic Technologies решили указанные проблемы с помощью новой регистрирующей среды, а именно - фотополимерного материала компании Du Pont [5, 6]. При этом для реализации голографического варианта фотолитографического процесса ими была выбрана схема записи и восстановления голограмм «полного внутреннего отражения», предложенная Стетсоном [7]. Следует отметить, что в этой схеме используются как минимум два элемента, которые должны быть прозрачны для излучения рабочей длины волны - стеклянная призма и сам фотополимерный слой. Поэтому технические решения, разработанные швейцарской компанией Holtronic Technologies, пригодны для использования и используются лишь в относительно длинноволновом диапазоне УФ излучения на длине волны 364 нм, соответствующей УФ линии аргонового лазера. Тем не менее, работы специалистов Holtronic Technologies - первый пример успешного коммерческого применения методов голографии в высокоразрешающем фотолитографическом процессе.
Постановка задачи
С нашей точки зрения, для применения в коротковолновой голографической фотолитографии более перспективными являются регистрирующие среды на основе халь-когенидного стеклообразного полупроводника (ХСП) [8]. Эти среды наносятся на подложки путем испарения в вакууме и позволяют получать высококачественные отражательные рельефно-фазовые голограммные оптические элементы [9]. Принципиальная возможность использования этих сред для получения рельефно-фазовых отражательных голограмм-проекторов была убедительно продемонстрирована нами в ходе НИР, поставленных и проведенных в ГОИ им. С.И. Вавилова в 2000-2005 гг. [10-13]. В настоящей статье представлены результаты следующего этапа работы, направленного на внедрение полученных нами ранее результатов и «know-how» в реальный, пусть даже и не самый прецизионный, фотолитографический процесс. Эта работа проводилась применительно к схеме проекционной голографической фотолитографии, реализуемой без дополнительного проекционного объектива [10]. В ее рамках были созданы основы принципиально новой технологии проекционной субмикронной голографической фотолитографии. Среди них - разработка схемы записи и восстановления голограмм-проекторов, характеризующейся минимальными требованиями к временной когерентности источника излучения, определение, обоснование и экспериментальная проверка требований, предъявляемых к режимам экспонирования голограмм, и демонстрация пригодности применения голограмм-проекторов в задачах проекционной фотолитографии.
Анализ требований, предъявляемых к временной когерентности
источников излучения, используемых в схемах записи и восстановления прецизионных голограмм-проекторов высокого разрешения
Из анализа литературы следует, что, во-первых, малая степень временной когерентности излучения используемых для целей фотолитографии УФ лазеров, не превышающая 30 см даже в случае использования узкополосных спектральных фильтров с полосой пропускания 1 пм, приводит, в общем случае, к потерям разрешения, реализуемого в изображениях, восстанавливаемых методом голографии. Причем эти потери, в условиях недостаточной временной когерентности излучения, будут обусловлены как процессом записи, так и процессом восстановления голограммы. Во-вторых, практически все опубликованные в литературе технические решения, направленные на сниже-
ние требований к временной когерентности излучения, непригодны для целей гологра-фической фотолитографии. Все вышеперечисленное предопределило необходимость определения и обоснования требований, предъявляемых к временной когерентности источников излучения, используемых в схемах записи и восстановления прецизионных голограмм-проекторов высокого разрешения, и разработки самой схемы, обеспечивающей достижение предельного разрешения в условиях малой временной когерентности.
При определении требований, предъявляемых к временной когерентности источников излучения, мы исходили из приведенной на рис. 1 обобщенной схемы записи голограммы точечного источника с параллельным опорным пучком. На этом рисунке Х -ось координат, лежащая в плоскости регистрации голограммы. Отметим, что начало координат в данном случае совмещено с центром линейной апертуры голограмм. Буквами О и Я обозначены расходящийся гомоцентрический объектный и параллельный опорный пучки лучей. аг - угол падения опорного пучка лучей на плоскость регистрации голограммы, а ао - угол, который составляет с осью 2 прямая, соединяющая центр апертуры голограммы с источником объектной волны.
Рис.1. Обобщенная схема регистрации голограмм
С целью упрощения выкладок ограничимся рамками теории аберраций голограмм третьего порядка и рассмотрением случая записи одномерной голограммы. Тогда, исходя из [13], напишем следующие выражения, описывающие распределения фаз объектной и опорной волн в плоскости апертуры голограммы:
Фа (Х^Т
X I 2Я„
- х 81па„ - -
8Я
х4 - 4х3ха + 4х2ха2 ]
рг (х Ь 2П{- х 81п а }
(1)
(2)
где р0 и рг - распределения фаз в плоскости голограммы объектной и опорной волны соответственно. При этом разность указанных распределений Аф(х) будет описываться следующим выражением:
Аф(х— <) —--х((1паа - %1паг)--[х4 - 4х3ха + 4х2х2] .
XI 2Яа 4 а г' 8Я31 а а Ч
(3)
Из (3) найдем элементарное приращение разности фаз, соответствующее малому изменению длины волны источника излучения ёХ:
.. дАф 2п I х' /
аАф =-аХ «--— аХ<--х(
дХ X2 12 Яп У
х 81па„ - Б1п а -
-Т^Т [х4 - 4х3ха + 4х2х2 ]] .(4)
8Я
Отсюда получим выражение, описывающее элементарное приращение разности длин оптических путей ё1, соответствующее малому изменению длины волны источника излучения аХ.
2
х
dl к-^¡JH--x (sina° - sinar)--\\ 4 - 4 x3 xo + 4 x2 x2 ]. (5)
Я[ 2R° r> 8R°3 L o o JJ
Если в (5) подставить x = ±D/2, где D - размер линейной апертуры голограммы, и положить хо = xo max, где xo max - координата точки объекта, наиболее удаленной от оси Z, то его можно будет использовать для определения минимально необходимой длины когерентности источника излучения, предназначаемого для формирования голографи-ческого поля. Из (5) следует, что требования к длине когерентности источника могут быть существенно снижены при расположении объекта вблизи оси Z, т.е. при хо к 0 и, следовательно, при sin ao к 0, а также в случае одноосевой схемы записи голограмм, т.е. при sin ao = sin ar. При указанных выше условиях выражение (5) может быть приведено к виду:
1 л
dl" к 2а R°tgШ - 0,25tgШ (6)
где: dln - требуемая длина когерентности источника излучения, а ш - угловая апертура объектного пучка. Отметим, что, помимо одноосевой схемы, выражение (6) будет справедливо и во внеосевом случае, при условии предварительного внесения в опорный пучок разности хода лучей, равной xsinar .Такая разность хода лучей может быть обеспечена путем установки в опорный пучок, до его падения на плоскость регистрации голограммы, плоской дифракционной решетки с пространственной частотой, равной несущей пространственной частоте регистрируемой голограммы. При этом приведенная на рис. 1 и рассматриваемая нами обобщенная схема записи голограммы должна быть приведена к виду, представленному на рис. 2.
Рис. 2. Обобщенная схема регистрации голограммы с решеткой в опорном пучке
Из этого рисунка видно, что требуемая для данной схемы длина когерентности источника излучения определяется лишь числовой апертурой объектного пучка лучей и не зависит от угла падения опорной волны. Здесь необходимо отметить, что бесспорным условием практической реализации указанной схемы является выравнивание оптических длин пути света, приходящего в центр голограммы вдоль опорного и объектного плеч интерферометра. Напомним, что прием использования решеток на стадии восстановления голограмм для ахроматизации восстановленного изображения не нов и описан многими авторами, например [14]. В то же время, работы, в которых бы упоминалась возможность использования решеток для ахроматизации голографического поля на стадии записи голограмм, нам неизвестны.
Приведенное выше выражение (6) может быть использовано не только для определения требуемой длины когерентности излучения, но также и для определения максимально допустимого расстояния от объекта до плоскости записи голограммы, обеспечивающего при заданной спектральной ширине источника излучения достижение
заданного контраста интерференционных полос на всей линейной апертуре голограммы. Так, если положить допустимым для края апертуры голограммы сбой фазы интерференционных полос, соответствующих длинам волн А+ДА и А-ДА, на 0,5 периода их следования, т.е. положить dln равным 0,25 А, то из (6) получим:
Ro <-1-А 2 \ 2 . (7)
0 2dA(1 - 0,25tg ajtg2 а
Напомним, что ранее нами было получено и опубликовано в [15] неравенство (8), обеспечивающее на стадии восстановления голограммы требуемую, т.е., лежащую в пределах 10% допуска, точность отображения элементов структуры объекта при использовании восстанавливающего излучения с конечной, равной dk, спектральной шириной
1
А
R < 0,68 —
1 - — sin2 а 2
(8)
dA sin4 а
Из сравнения (7) и (8) можно сделать вывод о том, что требование сохранения контраста, описываемое выражением (7), обусловливает несколько более жесткие ограничения величины параметра Ro. Проиллюстрируем это с помощью таблицы 1, содержащей результаты расчета максимально допустимой величины Ro, выполненного с помощью выражений (7) - Ro и (8) - Ro .
Таблица 1.
ДА А = 488 нм А = 157 нм
(нм) Ro (мм) Я^*(мм) Я^(мм) Ro*(мм)
0,06 4 12 0,4 1,2
0,001 250 700 26 70
Необходимо отметить, что существует еще и третье ограничение, накладываемое на величину Я0. Оно связано с необходимостью согласования линейной апертуры записываемой голограммы с угловой апертурой излучения, рассеиваемого объектом, т.е. с необходимостью записи на голограмме всего дифракционного поля объекта. Это ограничение играет решающую роль, т.е. становится определяющим, лишь в случаях большой временной когерентности источников излучения и малой площади записываемой голограммы.
Схема записи и восстановления голограмм-проекторов, обеспечивающая минимальные требования к длине когерентности используемых источников излучения
Исходя из сформулированных выше требований о минимальности разности хода интерферирующих пучков лучей и описанных нами ранее в работах [10-12] условий формирования безаберрационного изображения, в ходе выполнения настоящей работы была разработана практическая схема записи и восстановления голограмм-проекторов предельного разрешения, содержащая плоскую дифракционную решетку в плечах формирования опорного и восстанавливающего пучков лучей. Она представлена на рис. 3. Поясним реализуемый в ней ход лучей. Излучение лазера 1 направляется на зеркало 2 и падает на частично прозрачное зеркало 3. Здесь оно разделяется на два пучка лучей - опорный пучок и объектный пучок. Опорный пучок отражается от зеркала 3, расширяется с помощью коллиматора 4 , отражается от зеркал 5, 11 и направляется на плоскую дифракционную решетку 12. Излучение, дифрагирующее на решетке 12 в +1-ый порядок дифракции, направляется на плоскость регистрации голограммы - про-
ектора 10. Отметим, что излучение, дифрагирующее в сопряженный -1 порядок дифракции, на стадии записи голограмм не используется, а применятся лишь на стадии их восстановления в качестве параллельного восстанавливающего пучка лучей. Объектный пучок лучей проходит через зеркало 3, отражается от зеркала 6, расширяется с помощью коллиматора 7 и направляется на объект 9, представляющий собой бинарный амплитудный транспарант. Восстановление голограмм в данной схеме осуществляется излучением, дифрагирующим в -1 порядок дифракции на решетке 12 при перемещении стола 8, несущего на себе оправу объекта и кассету с голограммой - проектором, в положение 13. Применение решетки в данной схеме позволяет не только выровнять для всей поверхности регистрируемой голограммы оптические длины опорного и объектного плеч интерферометра, формирующего голографическое поле, но и существенно облегчает процесс восстановления работающих на отражение голограмм. Это осуществляется за счет использования при записи и восстановлении голограмм сопряженных порядков дифракции опорного излучения на решетке.
13
Рис.3. Схема записи и восстановления голограмм - проекторов
Экспериментальная проверка пригодности схемы и полученной с ее помощью голограммы-проектора к использованию в реальном литографическом процессе
Экспериментальная проверка пригодности схемы и полученной с ее помощью голограммы-проектора к использованию в реальном литографическом процессе проводилась нами в ходе изготовления черырехэлементного фотоприемника. диаметром 15 мм с минимальным шагом проектирования 1,3 мкм методом субмикронной фотолитографии, реализуемой на длине волны 488 нм с помощью отражательных голограмм, регистрируемых на слоях халькогенидного полупроводника [8]. Геометрические параметры схемы были выбраны равными: размер голограммы - 68x68 мм2; расстояние от голограмм до объекта 30 мм; углы падения параллельных опорного и восстанавливающего пучков на плоскость регистрации голограммы -70° (точность равенства модулей этих углов друг другу - 10,6''); минимальное расстояние от опорного и объектного точечных источников до центра голограммы - 1,1 км. Последнее требование обеспечивает точную фокусировку восстановленного изображения в той же плоскости, в которой находился объект при записи голограммы. Выбор угла падения опорного и восстанавливающего пучков лучей на голограмму определялся двумя факторами: во-первых, необходимостью обеспечения отсутствия виньетирования указанных пучков лучей оправой фотошаблона; во-вторых, необходимостью пространственного разделения восстанов-
2
ленного изображения фотошаблона и интермодуляционных помех голограммы, имеющих спектр пространственных частот, в два раза превышающий спектр объекта [16].
Регистрация голограмм по указанной схеме, как указывалось выше, осуществлялась на слоях халькогенидного стеклообразного полупроводника, нанесенного на высококачественные плоскопараллельные подложки, изготовленные из оптического стекла. Плоскостность рабочих поверхностей подложек лежала в пределах N = 0,1 и АМ = 0,1. Нанесение халькогенида на подложки осуществлялось методом распыления в вакууме. Толщина сформированных светочувствительных пленок равнялась 1 мкм. Их постэкспозиционное травление осуществлялось в жидкой среде. Величина оптимальной экспозиции и соотношение интенсивностей интерферирующих пучков при записи голограмм-проекторов подбирались исходя из условия отсутствия помех нелинейности в восстановленных изображениях. Для наших условий оптимальные величины экспозиции и соотношения интенсивностей опорного и объектного пучков лучей равнялись 10 Дж/см2 и 6:1, соответственно. Регистрация действительного изображения фотошаблона, восстанавливаемого голограммой-проектором, осуществлялось напрямую, без дополнительных оптических систем, на слои позитивного фоторезиста Шипли Л21350, толщиной 0,2-0,5 мкм, нанесенные поверх слоя хрома, осажденного на тонкие, толщиной 2 мм, стеклянные подложки. Проявление экспонированных слоев фоторезиста осуществлялось в слабом растворе едкой щелочи (КОН 2,5%). Травление пленки хрома производилось до стекла через полученную резистивную маску в растворе четырехвод-ного сернокислого церия. Проведенные исследования показали, что наилучшее качество хромовых ламелей, составляющих структуру разводки изготавливаемого фотоэлемента, обеспечивается при экспозиционной дозе фоторезиста Шипли 40 Дж/см2 и временах проявления около 1 минуты.
На рис. 4 представлены полученные с различным увеличением фотографии ламе-лей фотоэлемента, полученных методом голографической фотолитографии.
Рис.4. Изображения структур, полученных методом проекционной голографической
фотолитографии
Отметим, что видимые на фотографиях расфокусированные серые пятна обусловлены недостатками оптической системы микроскопа, использовавшегося на стадии исследования качества полученных структур. Представленные фотографии свидетельствуют о достигнутом бесспекловом резком восстановлении во всем поле зрения голограммы изображения структуры четырехкомпонентного фотоприемника, т.е. о пригодности к практическому использованию метода проекционной голографической субмикронной фотолитографии.
Заключение
В рамках теории аберраций голограмм третьего порядка получены аналитические выражение, описывающие требования, предъявляемые к геометрическим параметрам
схем записи и восстановления голограмм-проекторов. На их основе разработана схема записи и восстановления голограмм-проекторов, позволяющая добиться дифракционно-ограниченного разрешения в восстановленном изображении в условиях относительно малой временной когерентности используемых источников. На примере процесса изготовления ламелей четырехкомпонентного фотоприемника разработаны основы технологии проекционной субмикронной голографической фотолитографии и показана пригодность этой технологии к практическому использованию для изготовления устройств оптоинформатики и электроники.
Литература
1. Webb J. All-calcium fluoride system uses 157nm light. // Laser Focus World. 2000. V.36. № 9. P. 87-92.
2. Beesley M. Holographic projection of microcircuit patterns. // Electron. Lett. 1968. V. 4. P. 49-53.
3. Levenson M., Johnson K., Hanchett V. Projection photolithography by wave-front con. // J. Opt Soc. Am. 1981. V. 71. P. 737-739.
4. Voschenkov A., Hanson P. Submicron resolution photolithography by spectral shaping. // IEEE Electron. Device Lett. 1982. V. 3. P. 208-209.
5. Ehbets P., Herzig H., Kuittinen M., Ciube F., Darbellay Y. High-carrier frequency fan-out gratings fabricated by total internal reflection holographic lithography. // Opt.Eng. 1995. Vol. 34. №8. P. 2377-2383.
6. Clube F., Gray S., Struchen D., Tisserand J., Malfoy S., Darbellay Y. Holographic microlithography. // Opt.Eng. 1995. V. 34. №9. P. 2724-2730.
7. Stetson K.A. Holography with total internally reflected light. // Appl.Phys.Lett. 1967. V. 11. P. 225-226.
8. Jusupov I.J., Mikhailov M.D. Investigation of the arsenic sulphide films for relief-phase holograms. // Proc. SPIE. 1989. V. 1238. P. 240-247.
9. Герке Р.Р., Корешев С.Н., Семенов Г.Б., Смирнов В.В. Голограммная оптика в "ГОИ им. С.И. Вавилова". // Оптический журнал. 1994. №1. С. 26-39.
10. Корешев С.Н., Ратушный В.П. Получение бесспекловых изображений двумерных объектов микроскопического масштаба методом голографии. // Оптика и спектроскопия. 2003. Т. 94. №1. С. 139-142.
11. Koreshev S.N., Ratushnyi V.P. holographic method for obtaining images with limiting high resolution for extreme shot-wave lithography problems. // Proc. SPIE. 2004. V. 5290. P.221-232.
12. Корешев С.Н., Ратушный В.П. Использование метода голографии для получения изображений двумерных объектов при решении задач фотолитографии высокого разрешения. // Оптический журнал. 2004. Т. 71. №10. С. 32-39.
13. Champage E.B. Nonparaxial imaging, magnification and aberration properties in holography. // JOSA. 1967. V.57. №1. P.51-55.
14. Оптическая голография. Пер. с англ. Под ред. Г.Колфилда. М.: Мир, 1982. 736 с.
15. Корешев С. Н. Выбор геометрических параметров схем записи и восстановления голограмм, частиц малого размера. // Оптика и спектроскопия. 2001. Т.90. №6. С. 1005-1011.
16. Кольер Р., Беркхард К., Лин Л. Оптическая голография. М.: Мир, 1973.. 686 с.
