Спосіб експонування топографічних зображень із використанням рядів матриць із автоелектронними випромінювачами різних розмірів

Спосіб належить до вакуумної мікроелектронної техніки і може бути застосований для експонування топографічних зображень із нано- і мікрометровими розмірами топологічних елементів у лі тографічних процесах технології виго товлення мікроелектронних пристроїв і інтегральних схем. Відомий спосіб експонування топографічного зображення мікроелектронних пристроїв, в якому потік електронів від одного джерела розщеплюється на матрицю 64´64 мікропроменів [1]. Цей спосіб має недостатню продуктивність, внаслідок невеликого числа променів в матриці, і значну технічну складність, зумовлену необхідністю керування мікропроменями за допомогою систем екстракторних, фокусуючи х, відхиляючих і корегуючи х лінз. Найбільш близьким технічним рішенням, прийнятим авторами за прототип, є матрично-емітерна літографія, в якій використовуються матриці автоелектронних випромінювачів нанометрових розмірів виготовлених з вуглецевих нанотрубок, які при прикладенні напруги випромінюють електрони (при тиску 10-6мм.рт.ст.) і засвічують рухому напівпровідникову пластину покриту фоторезистом [2]. В цьому способі випромінювачі розміщуються у вузлах косокутної матриці і експоновані піксели суцільно перекривають тільки один рядок на напівпровідниковій пластині. Для повної експозиції всієї площі напівпровідникової пластини, остання рівномірно рухається відносно матриць випромінювачів. Кут нахилу a стовпців випромінювачів у матриці відносно руху пластини, крок стовпчиків tx і рядів ty випромінювачів, крок пікселів tn вибирається з умови забезпечення суцільності і необхідної кратності перекриття експонованого ряду пікселів. Основним недоліком прототипу є велика кількість матриць (460 в 20 рядах) і автоелектронних випромінювачів в кожній матриці площею 100мм 2 (до 3×106), складність електронної системи керування роботою випромінювачів, нестабільність автоемісійних і геометричних характеристик вуглецеви х нанотрубок. Для керування і живлення кожним автоелектронним випромінювачем використовуються наступні шини: дві адресні, п'ять даних, одна синхронізації і дві живлення (всього 10). Загальна кількість шин у всі х матрицях становить 1,38×109. Розміщення і з'єднання такої кількості шин на обмеженій площі кристалу є досить складною задачею. Крім того, автоелектронні випромінювачі нанометрових розмірів використовуються для експонування топологічних елементів як нано- так і мікрометрових розмірів, що спричиняє швидке вичерпання їх ресурсу роботоздатності. В основу корисної моделі пропонованого способу поставлено завдання збільшення швидкості експонування напівпровідникової пластини, зменшення кількості автоелектронних випромінювачів і шин зв'язаних з ними, спрощення електронної системи керування, оптимальне використання ресурсу роботоздатності випромінювачів. Поставлене завдання досягається тим, що пропонується адаптувати розміри експонованих пікселів до розміру топологічних елементів. Для цього при експонуванні пластини використовується n рядів матриць із автоелектронними випромінювачами різних розмірів. У вузлах матриць першого ряду розміщуються одношпильові автоелектронні випромінювачі, нанометрові розміри яких h´l визначають мінімальну роздільну здатність літографії. У вузлах матриць наступних i-х рядів розміщуються багатошпильові автоелектронні випромінювачі із наростаючими розмірами (у довжину) h´(l×2i), і=1,...n-1, але які адресуються як один випромінювач. Таким чином, кожний наступний ряд випромінювачів може експонувати на пластині в два рази довші пікселі. За прототип таких баготошпильових автоелектронних випромінювачів взято ряди близько розміщених кремнієвих нанопірамід [2]. Такі кремнієві нанопіраміди мають більш стабільні автоемісійні і геометричні характеристики порівняно з вуглецевими нанотрубками. Об'єднуючи різну кількість таких кремнієвих нанопірамід в одну груп у можна отримати багатошпильовий автоелектронний випромінювач любої довжини з спільними шинами керування. Стабільність емісійних характеристик кремнієвих нанопірамід дозволяє зменшити коефіцієнт перекриття області експонованих пікселів з 10 до 1,1¸1,2 і кут нахилу a стовпців випромінювачів (Фіг.1). Зменшення коефіцієнту перекриття експонованої області і збільшення розмірів випромінювачів дозволяє в десятки разів зменшити загальне число автоелектронних випромінювачів і шин керування ними. Таким чином, запропонований спосіб із використанням рядів матриць із автоелектронними випромінювачами різних розмірів дозволяє експонувати топографічні зображення із нано- і мікрометровими розмірами топологічних елементів, зменшує кількість шин керування ними, оптимально використовує ресурс роботоздатності випромінювачів, формує чі ткі контури топологічних елементів за рахунок їх експонування пікселами з більшою роздільною здатністю (Фіг.2). Для експериментальної перевірки запропонованого способу було використано кремнієву пластину марки КДБ-40. На пластину осаджено металічний шар АК-1 (Al+l% Si) товщиною 0,4мкм. На металічний шар осаджено низькотемпературну піролітичну окисну плівку SiO2 товщиною 0,3мкм. Окисну плівку покрито фоторезистом поліметилметакрилату (П ММА), який було експоновано тестовою структурою автоелектронних випромінювачів з кремнієвих нанопірамід (по три одно-, дво- і чотиришпильових). Автоелектронні випромінювачі з кремнієвих нанопірамід виготовленні за допомогою подвійної проекційної літографії згідно [4]. Прикладена напруга 200В між випромінювачами (катодами) і анодом модулювалась прямокутними імпульсами частотою 0,2МГц. Діаметри емісійних променів у фокусі становили для одношпильових - 300нм, для двошпильових - 600нм, для чотиришпильових - 900нм. При рівномірному переміщенні пластини із швидкістю 5мм/с на фоторезисті експоновано топологічні елементи у вигляді прямих ліній різної товщини. Зображення проявлялося сухим плазмохімічним травленням. Після зняття фоторезисту отримано топографічне зображення, як показано на мікрофотографії Фіг.3. Результати експериментальної перевірки підтверджують переваги запропонованого способу порівняно з прототипом, щодо зменшення загальної кількості автоелектронних випромінювачів і шин керування ними, підвищення швидкості експонування всієї напівпровідникової пластини, формування чітких контурів топологічних елементів любих форм і розмірів за рахунок використанням пікселів з більшою роздільною здатністю. Даний спосіб може використовува тися як у промисловому виробництві, так і в науково-дослідних роботах для експонування топографічних зображень із нано- і мікрометровими розмірами топологічних елементів у літографічних процесах те хнології виготовлення мікроелектронних пристроїв і інтегральних схем. Використані джерела інформації 1. P. Ware. Removing The mask. The SPIE Magazine of Photonics and Applications. No.26, March 2002. 2. Baylor L.R., Lowndes D.H., Simpson M.L, et al. Digital electrostatic electron-beam array lithography // Jooumal of Vacuum Scince Technology. В 20(6), Nov/Dec 2002. - P.2646-2650. 3. Takashi Tanaii, Satoru Fujita, Yoshiteru Numao and other. A Novel Process for Fabrication of Gated Silicon Field Emitter Array Taking Advantage of Ion Bombardment Retarded Etching // Japanese Journal of Applied Physics, Vol. 44, No. 7A, 2005. - P. 5191-5192. 4. Заявка на патент України u200604938 від 24.05.06. Спосіб формування топологічних зображень мікроелектронних пристроїв. Когут І.Т., Др ужинін А.О., Голота B.I. Перелік фігур креслення Фіг.1. Матриці автоелектронних випромінювачів із кремнієвих нанопірамід: 1- випромінювачі з окремою адресацією: а) одношпильові; б) двошпильові; в) чотиришпильові; 2 - експонований піксел на пластині; a - кут нахилу стовпців випромінювачів; a´b - розмір матриці випромінювачів; tx - крок стовпців випромінювачів; ty - крок рядів випромінювачів; tn - крок експонованих пік селів. Фіг.2. Топологічний елемент експонований пікселами різних розмірів: 1 - піксел від одношпильового випромінювача; 2 - піксел від двошпильового випромінювача; 3 - піксел від чотиришпильового випромінювача. Фіг.3. Мікрофотографія топологічних елементів: а) 1 - одно-, 2 - дво-, 3 - чотиришпильові випромінювачі; б) металічні провідники Аl (світлі) шириною: 1 - 300нм, 2 - 600нм, 3 - 900нм, 4 - шар SiO2 (темний) із знятим фоторезистом.