Пристрій для контактної літографії

Винахід відноситься до засобів для рентгенівської контактної літографії, які застосовуються в мікроелектроніці, конкретніше - до пристроїв для літографії, що використовують рентгенівські лінзи для формування квазіпаралельного пучка рентгенівського випромінювання. Перша згадка про такі пристрої відноситься до кінця 80-х років. Так, збірник "Тезисы докладов III Всесоюзной конференции по излучению релятивистских частиц в кристаллах. 25-30 мая 1988г." (Нальчик, 1988) [1] містить низку робіт, в яких описується застосування рентгенівських лінз у пристроях для літографії. У випадку джерела розбіжного рентгенівського випромінювання ці пристрої містять лінзу, що перетворює випромінювання такого джерела в квазіпаралельне, яке направляється крізь маску на резист . нанесений на підкладинку. Згадана лінза містить велику кількість каналів транспортування випромінювання, зігнутих вздовж бочкоподібних твірних. При транспортуванні випромінювання використовується явище багаторазового повного зовнішнього відбивання від стінок каналів. У цілому лінза для перетворення розбіжного випромінювання в квазіпаралельне має форму півбочки і одержала назву півлінзи (на відміну від повної лінзи, яка здійснює фокусування розбіжного рентгенівського випромінювання і нагадує за формою бочку). В огляді "Multiple reflection from surface X-ray optics" (M.A.Kumakhov and F.F.Komarov. PHYSICS REPORTS. A Review Section of Physics Letters, volume 191, number 5, August 1990. North Holland) [2], c.345348, наведена більш повна інформація про пристрої для рентгенівської літографії, що містить у явному вигляді всі згадані вище елементи таких пристроїв. Недоліком описаних пристроїв є нерівномірна (тобто така, що спадає до периферії вихідного торця півлінзи) інтенсивність випромінювання, що падає на маску. Це призводить до необхідності використання фільтрів для поглинання "надлишкового" випромінювання в центрі перерізу вихідного пучка лінзи. Такий шлях розв'язання цієї задачі був вказаний ще в [1], однак структура пристрою в цілому, який містить згаданий фільтр, описана в патенті США №5,175,755 [3], опублікованому 29.12.92. У цьому патенті описується розміщення поглинального фільтра після півлінзи (перед або після маски). Другий з названих варіантів розміщення поглинального фільтра є явно невдалим, оскільки в цьому варіанті на маску, що являє собою дорогий прецизійний елемент, у центральній її частині діє випромінювання зі свідомо надлишковою інтенсивністю, що прискорює руйнування маски. Крім того, в цьому варіанті в більшій мірі проявляється вплив фактичної непаралельності вихідного випромінювання півлінзи. Наявність розбіжності цього випромінювання зумовлює тим більшу розмитість тіньового зображення після маски, чим більша відстань від маски. Розміщення фільтра після маски неминуче збільшує цю відстань. Перший варіант (розміщення фільтра між півлінзою і маскою) має перевагу. Проте і в ньому випромінювання, надлишкова інтенсивність якого потребує послаблення, проходить крізь інший дорогий елемент пристрою - рентгенівську півлінзу, що прискорює його старіння. Вплив названих факторів призводить до того, що на практиці доводиться відмовлятися від використання поглинальних фільтрів, особливо якщо потрібно "згладжувати" велику різницю між інтенсивністю випромінювання в центральній і периферійних частинах поперечного перерізу вихідного пучка, коли інтенсивність випромінювання, транспортованого по центральних каналах лінзи, набагато більша за інтенсивність випромінювання після фільтра. Це, в свою чергу, призводить до необхідності використання порівняно "тонких" лінз, щоб вказана різниця була невеликою. Такі лінзи мають невеликий кут захоплення випромінювання, що виходить з джерела. Ще одним з факторів, які стимулюють використання в рентгенівській літографії "тонких" лінз, які мають відносно невеликий кут захоплення, є інформація про різке падіння коефіцієнта трансмісії лінзи при куті повороту випромінювання (у випадку півлінзи він дорівнює половині кута захоплення), що перевищує деяке граничне значення. Так, згідно з розрахунками, результати яких наведені в [2] на с.318, це значення складає 0,3-0,4 радіана. Це привело до формування думки про те, що подальше збільшення кута захоплення не може дати відчутного внеску в інтегральну інтенсивність вихідного пучка. Необхідність же послаблення інтенсивності випромінювання в центрі пучка для "вирівнювання" її з низьким периферійним рівнем виступає як неначебто переконливий фактор, який робить ще очевиднішою недоцільність використання невеликого кута захоплення при літографії. Так, наприклад, в роботі: М.A.Kumakhov. State and perspectives of capillary Roentgen optics. Proceedings of SPIE -The International Society for Optical Engineering. Volume 2011, 14-16 July 1993, San Diego, California [4] описані реальні літографічні пристрої з кутом захоплення півлінзи від 0,15 до 0,3 радіана. Такі півлінзи захоплюють не більше 1-2% випромінювання ізотропного джерела. Іншим наслідком використання "тонких" півлінз є невеликий поперечний переріз вихідного пучка, що дозволяє "освітлювати" лише малу частину площі підкладинки з нанесеним на неї резистом. Для обробки всієї площі доводиться вдаватися до покрокового опромінення ("степпування"). Незважаючи на використання для цього спеціальних високоточних пристроїв, не вдається повністю уникнути похибок, викликаних неточним сполученням сусідніх зон опромінення. Пропонований винахід направлений на одержання технічного результату, який полягає в підвищенні ефективності використання випромінювання джерела при одночасному збільшенні оброблюваної площі пластини і підвищенні довговічності лінзи. Досягнення цього технічного результату забезпечується завдяки поєднанню двох заходів: розміщення поглинального фільтра між джерелом і півлінзою і виконання півлінзи зі збільшеним кутом захоплення. Для останнього виявлено існування оптимального значення, яке значно перевищує вказані вище граничні значення і залежить від енергії використовуваного випромінювання і властивостей матеріалу відбивальних поверхонь каналів півлінзи (тобто матеріалу, з якого виконані самі канали, якщо вони не мають покриття, або ж матеріалу покриття при його наявності). В інтервалі енергій використовуваного випромінювання від 0,6кеВ до щонайменше 6кеВ оптимальне значення кута захоплення залежить лише від енергії випромінювання. Матеріал, з якого виконана відбивальна поверхня каналів, може бути будь-яким, придатним з технологічної точки зору для виготовлення каналів рентгенівської лінзи чи покриття їх внутрішньої поверхні, за умови, що він містить лише легкі елементи (з атомним номером не більше 22). Пропонований пристрій для контактної літографії має, як і названий вище найближчий до нього відомий пристрій за патентом США №5,175,755, джерело м'якого рентгенівського випромінювання, півлінзу для перетворення розбіжного випромінювання цього джерела в квазіпаралельне, яка складається з великої кількості каналів транспортування випромінювання з повним зовнішнім відбиванням, орієнтованих вздовж твірних бочкоподібних поверхонь, засоби для розміщення маски і підкладинки з нанесеним на неї резистом, розташовані з боку вихідного торця півлінзи, і поглинальний фільтр для згладжування нерівномірності інтенсивності пучка вихідного випромінювання півлінзи, яка проявляється в зменшенні інтенсивності при віддаленні від центру до периферії пучка. На відміну від відомого, в пропонованому пристрої поглинальний фільтр розміщується між джерелом випромінювання і вхідним торцем півлінзи, а співвідношення її поперечних розмірів і фокусної відстані з боку входу вибране з умови забезпечення кута захоплення випромінювання джерела, що лежить в межах: (1) 0,7/Е1,5£y £1,3/Е1,5, де y - кут захоплення [рад]; Ε - енергія випромінювання використовуваного джерела [кеВ], при цьому матеріал відбивальної поверхні каналів транспортування випромінювання містить елементи з атомним номером не більше 22, а енергія випромінювання використовуваного джерела складає 0,6¸6кеВ. Співвідношення (1) є емпіричним, тому для одержання правильного результату величини, які до нього входять, мають бути виражені в наведених вище одиницях. Перевага надається використанню в ролі джерела м'якого рентгенівського випромінювання рентгенівської трубки з обертовим анодом. Пропонований винахід ілюструється кресленнями: - на Фіг.1 показано взаємне розташування елементів пристрою для літографії; - на Фіг.2 подані основні конструктивні розміри використовуваної в пристрої півлінзи. Пристрій для рентгенівської літографії містить джерело розбіжного м'якого рентгенівського випромінювання 1, вихідна апертура якого розташована в фокусі півлінзи 2. З боку вихідного (правого за Фіг.1) торця півлінзи 2 розташовано засіб (не показаний на рисунку) для розміщення маски 3, встановлений таким чином, щоб площина маски 3 була паралельна вихідному торцю півлінзи 2, тобто перпендикулярна поздовжній осі півлінзи й осьовій лінії сформованого півлінзою вихідного квазіпаралельного пучка випромінювання. За засобом для розміщення маски розташований засіб (не показаний на рисунку) для розміщення підкладинки 4 з нанесеним на неї шаром резисту 5. Засіб для розміщення підкладинки повинен бути встановлений таким чином, щоб площина резисту була паралельна площині маски і знаходилась на мінімально можливій відстані від неї. Між джерелом 1 і вхідним торцем півлінзи 2 розміщено поглинальний фільтр б. Поглинальний фільтр б являє собою виріб з матеріалу, що поглинає рентгенівське випромінювання, у вигляді тіла обертання відносно осі, суміщеної з поздовжньою віссю півлінзи. Товщина поглинального фільтра 6 мінімальна в периферійній його частині і збільшується при наближенні до центральної частини (яка прилягає до осі симетрії). Закон зміни товщини поглинального фільтра б як функцію відстані від осі симетрії (згаданої осі обертання, суміщеної при установці фільтра з поздовжньою віссю лінзи 2) підбирають таким чином, щоб одержати рівномірну в поперечному перерізі інтенсивність пучка на виході півлінзи. При проведенні такого підбору в процесі виготовлення пристрою здійснюють за допомогою тих чи інших засобів детектування контроль розподілу інтенсивності випромінювання в поперечному перерізі вихідного пучка конкретної півлінзи, призначеної для використання в даному пристрої для літографії. Згаданий закон зміни товщини поглинального фільтра має характер, близький до експоненційного. Такий фільтр може бути виконаний, зокрема, у вигляді підкладинки з легкого металу (наприклад, алюмінію), вкритої шаром більш важкого металу (наприклад, міді чи свинцю) з товщиною, яка зменшується до периферії. Пропонований пристрій для літографії працює таким чином. Розбіжне випромінювання джерела 1 при проходженні крізь поглинальний фільтр б послаблюється ним, в залежності від кута відхилення від поздовжньої осі півлінзи 2, обернено пропорційно наступному послабленню при проходженні по каналах півлінзи. Півлінза 2 перетворює розбіжний вхідний пучок випромінювання в квазіпаралельний. Завдяки вказаному вище характеру послаблення вхідного випромінювання вихідне випромінювання має розподіл інтенсивності в поперечному перерізі пучка, близький до рівномірного (практично припустима нерівномірність складає 5¸10%). Це випромінювання, проходячи крізь прозорі ділянки маски 3, потрапляє на резист 5, нанесений на поверхню, що підлягає обробці, підкладинки 4. В результаті дії рентгенівського випромінювання на чутливий до нього резист з'являються "вікна" (вільні від резисту ділянки оброблюваної поверхні підкладинки), які утворюють рисунок, що повторює рисунок маски 3. З точки зору точності відтворення цього рисунка суттєве значення має фактична розбіжність вихідного квазіпаралельного випромінювання півлінзи 2 і відстань між маскою та резистом, оскільки розмитість рисунка має порядок (2) d»d*Dq де d - відстань між маскою 3 і резистом 5, Dq - кут розбіжності квазіпаралельного вихідного випромінювання півлінзи 2. В подальшому підкладинка 4 піддається травленню, при якому травник діє на оброблювану поверхню крізь "вікна" в резисті 5 і не діє на інші ділянки, на яких зберігся шар стійкого до травника резисту. В цілому цей етап технологічного процесу не відрізняється від традиційного [див., наприклад, Энциклопедический словарь "Электроника", Москва, "Советская энциклопедия", 1991 [5], с. 254-256]. Як вже відзначалося при розкритті винаходу, розташування поглинального фільтра б на шляху випромінювання джерела 1 до лінзи 2 захищає лінзу від надлишкового випромінювання. В експериментах, які проводилися при значеннях потужності джерела 1, що наводяться нижче, за відсутності поглинального фільтра перед вхідним торцем півлінзи спостерігалося навіть його оплавлення. Поглинальний фільтр не має такої тонкої структури, як рентгенівська півлінза, і термічно значно тривкіший. Крім того, це простий і недорогий елемент, який можна періодично замінювати. Пропоноване розміщення поглинального фільтра дозволяє також уникнути дії вторинного розсіяного випромінювання, що виникає в фільтрі, на резист. При розміщенні поглинального фільтра на виході півлінзи 2 це випромінювання викликало б значно більшу розмитість, ніж розмитість, яка визначається формулою (2), оскільки воно не є квазіпаралельним і його розбіжність не обмежена малим кутом Dq і може досягати 90°. Проведемо оціночні розрахунки можливих показників і основних конструктивних параметрів пропонованого пристрою для рентгенівської літографії. На цей час досягнуто діаметр пластин-підкладинок близько 30см, тобто площа близько 750см2. Якщо виходити з бажаної продуктивності обробки 10 таких пластин за годину, то площа, яку належить обробити, становитиме 7500см2. Чутливість сучасних рентгенорезистів має порядок 20мДж/см2. Це означає, що за 1 годину на резист має бути доставлено 7500-20=150000мДж=150Дж енергії рентгенівського випромінювання. Коефіцієнт перетворення потужності, що споживається рентгенівською трубкою, в рентгенівське випромінювання визначається формулою g=k(U-Uk)1,5 (3) де k»10-4 (для рентгенівського випромінювання з енергією квантів в діапазоні, що розглядається); Uk - потенціал іонізації характеристичного випромінювання, що розглядається [кВ]; U - напруга на трубці [кВ]. Наприклад, для Кa випромінювання алюмінію (Е»1,5кеВ) при U-Uk=30кВ одержуємо: g=1,65*10-2, тобто коефіцієнт перетворення має порядок 1%. На цей час промисловістю випускаються рентгенівські трубки з споживаною потужністю 200кВт і більше. Будемо виходити з використання трубки не найбільшої потужності і приймемо її рівною 30кВт, маючи на увазі трубку з обертовим анодом. Такі трубки можуть працювати без ремонту протягом 10000 годин, причому, як показує досвід їх експлуатації, такий ремонт є незначним. Габарити і вага таких трубок невеликі. При вказаній потужності трубки можна одержати потужність рентгенівського випромінювання 30*1,65*10-2=0,495кВт»0,5кВт. При цьому слід враховувати, що, принаймні половина цієї енергії поглинається в самому обертовому аноді. Ще близько 30% припадає на жорстку частину випромінювання, яку потрібно відфільтрувати (така фільтрація здійснюється в лінзі; див. наприклад: М. А. Кумахов. Излучение каналированных частиц в кристаллах. Москва, Энергоатомиздат, 1986, с.42 [6]). Всього зі згаданих 0,5кВт лише приблизно 100Вт будуть складати собою корисну потужність, випромінювану рентгенівською трубкою з обертовим анодом. Однак ця енергія випромінюється в тілесному куті 4p. Стінки каналів транспортування випромінювання півлінзи 2 виконані з легких металів чи їх окислів, легких стекол і т.п. матеріалів для забезпечення хорошого відбивання і малого поглинання використовуваного м'якого рентгенівського випромінювання в діапазоні енергій 1-5кеВ (якщо внутрішня поверхня каналів має покриття, то сказане стосується матеріалу покриття). Придатними є будь-які матеріали, що містять елементи з атомним номером не більше 22, придатні з технологічної точки зору для виготовлення капілярних лінз. Півлінзу 2 виготовляють з полікапілярів чи у вигляді монолітної лінзи за технологією, описаною в роботі: V.M.Andreevsky, M.V.Gubarev, P.I.Zhidkin, Μ.A.Kumakhov, A.V.Noskin, I.Yu. Ponomarev, Kh.Z.Ustok. X-ray waveguide system with a variable cross-section of the sections. The IV-th All-Union Conference on Interaction of Radiation with Solids. Book of Abstracts (May 15 -19, 1990, Elbrus settlement, Kabardino-Balkarian ASSR, USSR, pp.177-178) [7]. При енергії випромінювання Е=1кеВ за формулою (1) одержуємо: 0,7£y £1,3. Приймемо y=60°»1 радіан. При обраному значенні y =60° півлінза захоплює близько 10% ізотропнорозбіжного випромінювання трубки, тобто приблизно 10Вт. При куті повороту випромінювання 30°, що відповідає куту захоплення 60°, яке має місце в периферійних каналах лінзи, лише близько 5% енергії передається на вихід каналу. Для ближчих до поздовжньої осі півлінзи каналів надлишок енергії повинен бути поглинутий фільтром 6 ще до входження випромінювання в ці канали. Таким чином, слід виходити з того, що лише 5% енергії, яка міститься в межах кута захоплення півлінзи, досягає її виходу і створює приблизно рівномірний у поперечному перерізі квазіпаралельний пучок. Це означає, що в секунду на маску падає енергія 5*10 -2*10Дж=0,5Дж=500мДж. Вище ми одержали, що необхідно мати 150Дж на годину, тобто приблизно 40мДж на секунду. Таким чином, розглянута система з трубкою потужністю 30кВт і півлінзою, що має кут захоплення 60° із запасом задовольняє прийнятим вимогам з точки зору енергетики літографічного процесу. Для основних конструктивних розмірів півлінзи (Фіг.2) можна одержати наступні формули на основі співвідношень, наведених у роботі: V.А.Arkadiev, M.A.Kumakhov. Concentration of synchrotron radiation with capillary focusing sytems. Optics of beams, pp. 43-50. Institute for Roentgen Optical Systems. Moscow, 1993 [8]: (4) f=h/2tg(y/2) (5) h=Η-2L[1-cos(y/2)]/sin(y /2) (6) R=L/sin(y/2) де y - кут захоплення випромінювання; f - фокусна відстань; h - діаметр півлінзи з боку входу; Η - діаметр півлінзи з боку виходу; L - довжина півлінзи; R - радіус кривини каналу, найбільш віддаленого від оптичної осі півлінзи. За висунутих припущень, згідно з якими діаметр пластини-підкладинки складає 30см, вихідний діаметр півлінзи повинен бути приблизно таким же, тобто Η=30см. Приймемо, що довжина півлінзи теж дорівнює 30см. З врахуванням цього, для визначеного вище значення кута захоплення y =60° за формулами (4)-(6) знаходимо значення інших параметрів: діаметр півлінзи з боку входу h=13,8см; фокусна відстань f=11,9см; радіус кривизни каналу, найбільш віддаленого від оптичної осі півлінзи R=60см. Для оцінки розмитості зображення маски, що передається на резист, врахуємо два фактори, які визначають розбіжність вихідного випромінювання півлінзи 2. Першим фактором є розбіжність випромінювання на вході кожного з каналів півлінзи, яка має порядок (7) Dq1=l0/f де l0 - розмір апертури рентгенівського джерела, f - фокусна відстань півлінзи 2. Другим фактором є непаралельність початково паралельних променів після їх відбивання від викривленої стінки каналу. Найбільшою мірою вплив цього фактора проявляється для периферійних каналів, що мають найбільшу кривину (найменший радіус кривини), і для найбільш віддалених один від одного (тобто на відстань, яка дорівнює діаметру d0 каналу) вхідних променів. Викликана цим фактором розбіжність вихідного випромінювання дорівнює (8) Dq2=(2d 0/R)1/2 де d0 - діаметр каналу транспортування випромінювання, R - радіус кривини каналу, найбільш віддаленого від оптичної осі півлінзи. Для визначення сумарної розбіжності, враховуючи випадковий і незалежний характер впливу названих факторів, додамо квадратично розбіжності, що визначаються формулами (7) і (8): (9) Dq=[(Dq1)2+(Dq2)2]1/2=[(l0/f)2+2do/R]1/2 При одержаному вище значенні фокусної відстані f=11,9см і типовому значенні l0=1мм для діаметра каналів d0=5 мікрон розбіжність має порядок Dq»10-2 радіан. При такій розбіжності і типовому значенні відстані між маскою 3 і шаром резисту d=20 мікрон розмитість зображення, яка визначається за формулою (2), має порядок d=0,2 мікрона. Одержані результати свідчать про те, що за допомогою пропонованого пристрою може бути реалізований літографічний процес з субмікронним розділенням при використанні пластин-підкладинок великих (до 30см) розмірів без степпування і продуктивності обробки до 10 пластин на годину. При енергії випромінювання більше 1кеВ стає можливим використання резистів товщиною до 1мм з реалізацією просторових структур на основі LIGA-технології. Використані джерела 1. Тезисы докладов III Всесоюзной конференции по излучению релятивистских частиц в кристаллах. 25-30 мая 1988г. (Нальчик, 1988). 2. M.A.Kumakhov and F.F.Komarov. Multiple reflection from surface X-ray optics. PHYSICS REPORTS. A Review Section of Physics Letters, volume 191, number 5, August 1990. North Holland. 3. Патент США №5,175,755 (опубл. 29.12.92). 4. M.A.Kumakhov. State and perspectives of capillary Roentgen optics. Proceedings of SPIE - The International Society for Optical Engineering. Volume 2011, 14-16 July 1993, San Diego, California. 5. Энциклопедический словарь "Электроника", Москва, "Советская энциклопедия", 1991, с.254-256. 6. М.А.Кумахов. Излучение каналированных частиц в кристаллах. Москва, Энергоатомиздат, 1986. 7. V.M.Andreevsky, M.V.Gubarev, P.I.Zhidkin, M.A.Kumakhov, A.V.Noskin, I.Yu. Ponomarev, Kh.Z.Ustok. X-ray waveguide system with a variable cross-section of the sections. The IV-th Ail-Union Conference on Interaction of Radiation with Solids. Book of Abstracts (May 15-19, 1990, Elbrus settlement, Kabardino-Balkarian ASSR, USSR, pp. 177-178). V.A.Arkadiev, M.A.Kumakhov. Concentration of synchrotron radiation with capillary focusing sytems. Optics of beams, pp.43-50. Institute for Roentgen Optical Systems. Moscow, 1993.