CC BY
62
В.В. Аристову С.В. Бабин, А.И. Ерко
ВОЗМОЖНОСТИ ТЕХНОЛОГИИ МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ ДЛЯ СОЗДАНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ КОМПЬЮТЕРНОЙ ОПТИКИ
В статье дан обзор основных процессов субмикронной технологии микроэлектроники и приведены примеры применения этих методов в создании элементов компьютерной оптики для Диапазона длин волн мягкого рентгеновского излучения (1-10 нм). Основное внимание уделено методу элек-тронно-лучевой литографии как основ-
ному методу генерации изображений с субмикронным пространственным разрешением.
Разработка в начале 80-х годов методов технологии микроэлектроники, направленных на создание принципиально новых микроэлектронных приборов с субмикронными размерами элементов, определила прогресс и во
многих других областях науки и техники. В частности, эти методы обладают большими потенциальными возможностями в реализации идей компьютерной оптики. Так, благодаря методам технологии микроэлектроники в настоящее время получила второе рождение рентгеновская дифракционная оптика, нашедшая широкое применение в исследованиях по физике плазмы, микроскопии, литографии и т.д. [1].
Основным методом создания микроструктур является планарная технология [2]. При использовании этого метода подложка покрывается слоем полимера (резиста), чувствительного к излучению. Требуемые участки подвергаются облучению фотонами, электронами или ионами и становятся селективными по отношению к жидкостному проявлению. Под воздействием проявителя облученные участки полимера удаляются (в случае позитивного процесса), чем обеспечивается доступ к подложке. Оставшийся полимер служит маской при последующих операциях обработки пластины - жидкостном или плазменном травлении, гальваническом осаждении металла и т.п. (рис. 1) .
I! II II
Экспонирование
--- Реэист
— Подложка
Проявление
1~~1, Г~I
— Реэист
— Подложка
Рис. 1. Схема формирования резистивной маски в процессе литографии
Операция формирования рисунка защитного маскирующего слоя - литография проводится при использовании оптического (фотолитография) и рентгеновского (рентгенолитография) излучений, электронных и ионных пучков (электролитография и ионная литография). Наиболее распространена фотолитография в силу относительной
простоты реализации метода и высокой производительности процесса. К настоящему времени фотолитография практически достигла своего предела пространственного разрешения, обусловленного дифракционными явлениями, что составляет величину порядка 1 мкм (с использованием эксимерных лазеров до 0,5 мкм).
Рентгенолитография, позволяя достичь разрешения в несколько десятков нанометров, сталкивается с трудностями изготовления шаблонов и требует источников излучения с высокой яркостью. Однако развитие методов микроструктурирования и создание источников синхротронного излучения открывают возможности к ее широкому использованию в будущем* Активно развивается ионная литография на основе проекционных ионных систем передачи изображений и жидкоме-таллических источников тяжелых ионов со сфокусированным пучком. Однако пока применения ионной литографии не вышли за рамки лабораторных испытаний .
По-видимому, для задач изготовления элементов компьютерной оптики наиболее адекватным методом является электронно-лучевая литография, поэтому остановимся на этом методе подробнее.
Электронная пушка формирует поток электронов, который системой линз фокусируется на подложку. Системы отклонения и бланкирования позволяют устанавливать луч и проводить облучение точно заданных участков. Управление лучом осуществляется с помощью ЭВМ, в результате чего установки электронной литографии обладают большой гибкостью, перепрограммируются на создание новых топологий. Пространственное разрешение электронно-лучевой литографии определяется не только размером пучка, но и процессами рассеяния электронов при взаимодействии с ре-зистом и подложкой. На основе изуче-ния физической природы этого взаимодействия разрабатываются алгоритмы коррекции искажений изображений субмикронных структур.
Создание элементов компьютерной оптики предъявляет ряд специальных требований к процессам генерации изображений (в литографии). Прежде всего это более жесткие, по сравнению с микросхемой, требования к точности взаимного расположения элементов структуры. Элементы компьютерной оптики являются фазово-
чувствительными приборами, и неточность положения отдельных фрагментов приводит к полному разрушению изображения, в рентгеновской оптике, например, абсолютная погрешность положения фрагментов структуры на площади в 1 мм2 не должна превышать 100 нм для фокусирующего устройства с разрешением 0,4 мкм. Поэтому при генерации топологий приборов компьютерной оптики необходима тщательная коррекция аберраций электронно-оптической системы и повышенная, по сравнению с обычными требованиями, точность управления пучком электронов. Специальной проблемой является также тот факт, что топологии структур компьютерной оптики описываются кривыми второго и третьего порядка. Стандартные системы управления установками электронно-лучевой литографии для генерации изображений подобных топологий не предназначены. И, наконец, создание структур сложного пространственного профиля и реализация алгоритмов коррекции физических эффектов размытия субмикронного изображения в процессе экспонирования также требуют специального программного и аппаратного обес печения.
В ИПТМ АН СССР создана система управления установкой электронно-лу-чевой литографии (ЭЛЛ), полностью удовлетворяющая требованиям реализации алгоритмов создания и коррекции структур сложной геометрии. Она сконструирована на базе персональной ЭВМ с ГМД в качестве носителей информации. Для хранения данных сложных структур и реализации алгоритмов трехмерной коррекции предусмотрено подключение комплекса ИВК-2. ЭВМ связана с исполнительным комплексом ЭЛЛ через интерфейс, собранный на модулях КАМАК.
Созданное специалистами ИПТМ АН СССР программное обеспечение комплекса управления позволяет решать широкий круг задач по созданию прецизионных структур с размерами до 0,3 мкм и точностью их взаимного положения 0,06 мкм на полях в несколько квадратных миллиметров. Структуры могут быть заданы как с накопителя на ГМД или жесткого диска, так и непосредственно оператором в диалоговом режиме с ДВК по элементам или в аналитическом виде. Набор сервисных программ позволяет проводить вызов необходимого файла на цветной монитор для визуального контроля топологии и юстировки элек-
тронно-оптической системы. Работа комплекса на языке высокого уровня (ФОРТРАН IV) позволяет реализовать любые алгоритмы, не входящие в стандартное программное обеспечение и постоянно наращивать его возможности.
Введение независимой третьей координаты требует не только знания двумерного распределения дозы облучения по плоскости, но и учета объемного распределения радиационно-хи-мических превращений в резисте. Созданный комплекс ЭЛЛ позволяет управлять профилем резистивной маски и реализовывать различные типы специальных технологий изготовления микроструктур. Применение этой системы иллюстрирует фотография на рис. 2, где изображена эллиптическая зонная пластинка Френеля для диапазона мягкого рентгеновского излучения, сформированная в многослойном рентгеновском зеркале. Минимальная ширина зон составляет 250 нм. Использование переменного времени экспонирования позволяет создавать субмикронные структуры специального профиля. На рис. 3 приведена фотография поперечного сечения решетки, - элементы которой имеют специальный профиль.
Рис. 2 . Эллипсоидальная зонная пластинка на поверхности многослойного рентгеновского зеркала
Сформированный рисунок в полимере является либо самостоятельным оптическим элементом, либо служит маской для дальнейших технологических операций. Одним из широко распространенных способов изготовления металлических реплик с полимерных матриц является гальваническое осаждение металла на свободные от ре-зиста участки подложки. Известно более 20 металлов и их сплавов, которые можно наносить гальванически. Так,
Рис. 3. Профиль поверхности киноформного элемента
например, на рис, 4 представлена золотая линейная зонная пластинка, впечатанная в свободновисящую полимерную мембрану [3-5].
Рис. 4, Зонная пластинка с маскирующим покрытием из золота
Методы сухого травления, использующие для обработки химическое или кинетическое взаимодействие ионов с материалом подложки, весьма перспективны для формирования элементов компьютерной оптики. С их помощью в ряде случаев удается получать структуры с высоким соотношением высоты к ширине. Примером может служить фазовая зонная пластинка для диапазона длин волн 10-20&, созданная с помощью электроно-литографии и плазмохимического травления, показанная на рис. 5. При этом моно-
Рис. 5. Свободновисяшая кремниевая зонная пластинка
кристаллический кремний был протравлен на глубину 3 мкм при минимальном размере зон 0,3 мкм [б].
Важным моментом является разработка методов напыления тонких пленок, Помимо традиционного термического напыления в вакууме, методы электронно-лучевого и лазерного распыления, магнетронного напыления позволяют расширить диапазон материалов, наносимых с заданными свойствами. В частности, удается создавать многослойные рентгеновские зеркала, имеющие слои толщиной в десятки ангстрем при количестве слоев свыше сотни. Существующие методы контроля позволяют измерять толщину с точностью до единиц ангстрем, в том числе в процессе нанесения пленок.
Таким образом, технологические методы микроэлектроники дают возможность создания прецизионных элементов компьютерной оптики с пространственным разрешением вплоть до десятков нанометров. Однако решение этой задачи потребует развития методов микроструктурирования, ориентированных непосредственно на решение этой задачи. В свою очередь работы в области создания высокоразрешающих прецизионных процессов технологии для компьютерной оптики служат полигоном для будущих технологий микроэлектроники, создавая их основы и демонстрируя возможности, близкие к предельным для современного этапа развития приборной и технологической базы.
Литература
1. Рентгеновская оптика и микроскопия / П/р Г. Шмаля и Д. Рудольфа. М.: Мир, 1987.
2. Броудай И., Мерей Дж. Физические основы микротехнологии. М.: Мир, 1985.
3. Бабин С.В.,Давыдов А.В.,Ерко А, И. ПТЭ,
1987, И 2, с. 191-195.
4. Aristov V.V., В a b i n S.V., D a v i -
d о v A.V., E r k о A.I., Svintsov A.A., R e d -kin S.V. Microelectronic Engineering, 1987, N 6, c. 129-134.
5. Б а б и н С.В., Давыдов А.В., Е р к о А.И., С в и н ц о в А.А. Поверхность. Физика. Химия. Механика.
1988, И 4, с. 79-82.
6. Давыдов А.В., Е р к о А.И., Панченко Л.А. Редькин С.В., Сазонова Г.Д.,Юнкин В.А. Пись ма в ЖТФ, 1987, 13, вып. 16, с. 1017-1020.
