Рентгенівська літографія
Рентгенівська літографія є високороздільний спосіб формування заданого рельєфу або топології за допомогою рентгенівського випромінювання (пучка).
У рентгенівській літографії (x-ray) для експонування використовується м'яке (низькоенергетичне) рентгенівське випромінювання (з енергією фотонів 0,5 кеВ – 10 кеВ), при поглинанні якого у шарі резиста утворюються фотоелектрони низької енергії, що викликають у свою чергу (залежно від типу використовуваного резиста) утворення або розрив міжмолекулярних зв'язків. Рентгенолітографія - практично те ж, що і фотолітографія із зазором, але розширена на область дуже коротких довжин хвиль близько 1 нм. У цьому діапазоні довжин хвиль рентгенівські промені переносять малюнок із шаблону на рентгенорезист методом тіньової проекції.
Рентгенорезисти можуть бути позитивними та негативними. Обидва типи резиста мають високу роздільну здатність. У загальному випадку вимоги, яким повинні задовольняти рентгенорезисти, такі: висока чутливість до рентгенівського випромінювання, висока роздільна здатність, стійкість до хімічного, іонного та плазмового травлення. Нині немає резистів, які задовольняють усім цим вимогам. Чутливість існуючих рентгенорезистів лежить у діапазоні від 1 мДж/см2для експериментальних резистів до 2 Дж/см2для резиста на основі поліметилметакрилату (ПММА) на довжині хвилі 0,834 нм. Чутливість резиста на основі полібутенсульфону (ПБС) становить 94 мДж/см2на довжині хвилі 0,437 нм. Тут слід зазначити, що з допомогою джерел рентгенівських променів, у яких мета бомбардується електронами, можна отримати інтенсивність рентгенівського випромінювання лежить на поверхні підкладки лише від 1 до 10 мДж/(см2∙мин). Резисти ПММА таПБС є позитивними резистами, де рентгенівське випромінювання руйнує великі полімерні молекули. Менші молекули, що утворюються в опромінених областях, швидко розчиняються під час прояву. Роздільна здатність резистів ПММА і ПБС при їх товщині порядку 0,2-0,7 мкм становить відповідно 5000 лін/мм та 1000 лін/мм. Резист ПММА є базовим резистом для рентгенівської та електронної літографій. При цьому прагнуть мінімізувати товщину плівок резиста, наскільки дозволяє рельєф поверхні підкладки.
Шаблони для рентгенівської літографії (РШ) мають складну структуру. Основна проблема полягає у виготовленні тонкої, але міцної основи, прозорої для рентгенівського випромінювання. Для цих цілей використовуються органічні та неорганічні мембрани. Органічні мембрани виготовляються на основі мулару, каптону, піполена та полііміду, неорганічні - з кремнію, діоксиду кремнію, карбіду кремнію та інших. Матеріал плівкового малюнка на шаблоні, навпаки, має бути непрозорим для рентгенівських променів. Як такий матеріал використовують золото.
Схема установки для експонування рентгенівськими променями показана малюнку 2.18.
Рис.2.18. Схема рентгенолітографії:
1 – електронна гармата; 2- потік електронів; 3-мішень; 4 – вакуумна камера; 5- вікно з берилієвої фольги; 6 потік рентгенівського випромінювання; 7 рентгеношаблон; 8 – пластина із рентгенорезистом.
Так як рентгеношаблон дуже тендітний, то між ним і пластиною необхідний зазор S = 3-10 мкм. Величину зазору знаходять із компромісу між бажанням збільшити роздільну здатністьізнизити рівень дефектів. На практиці працюють із зазором 3 мкм, оскільки розміри порошин та інших забруднень становлять 1 - 2 мкм. Поєднання малюнків шаблону та напідкладці можна здійснити звичайним оптичним способом крізь вікна, витрачені у шаблоні. Точність поєднання у своїй невелика (близько 1 мкм). Точність суміщення за допомогою рентгенівського детектора може досягати 0,1 мкм. У цьому випадку для поєднання використовується вихідне рентгенівське випромінювання, а на пластині виготовляється додатковий елемент суміщення, який поглинає рентгенівські промені, а також флуоресціює або емітує електрони. Використовується метод вбудованого поєднання, в якому маркерні знаки розміщуються безпосередньо на шаблоні та пластині, а як детектор рентгенівського випромінювання використовується пропорційний лічильник. При перекритті рентгенівського променя маркерними знаками детектор фіксує нуль-сигнал, що свідчить про суміщення малюнків шаблону та пластини.
На рис. 2.18 (поз.7)показаний рентгеношаблон на основі кремнієвої мембрани з поглинаючим малюнком із золота. При виготовленні такого рентгеношаблону як вихідну пластину беруть пластину сильно легованого кремнію (n+-Si), який сильно поглинає рентгенівські промені. На ній вирощується високоомний епітаксійний шар n-Si завтовшки 3-5 мкм. Потім структуру оксидують, в результаті чого з обох сторін утворюється шар SiO2. На шар Si02з боку епітаксійного кремнію спочатку наносять тонкий шар хрому (5-10 нм), а потім шар золота (0,3 - 0,5 мкм). Хром наносять для поліпшення адгезії золота до шару Si02. Після цього за допомогою електронолітографії із шару золота формують необхідний малюнок рентгеношаблону. Потім проводять локальне травлення n+-Si відповідно до цього малюнка. Головні труднощі при експлуатації такого шаблону пов'язані з його термостабілізацією, так як нагрівання шаблону експонуючим випромінюванням призводитьдо зміни параметрів елементів у плані та помилок суміщення.
Джерело електронів і мета знаходяться у вакуумній камері. При опроміненні мішені потоком електронів утворюється рентгенівське м'яке випромінювання з енергією фотонів 0,5 - 10 кеВ, яке, проходячи через рентгеношаблон, опромінює рентгенорезист, нанесений на підкладку. Далі процес рентгенівської літографії проводять аналогічно до процесу фотолітографії.
Зауважимо, що довжина хвилі рентгенівського випромінювання X залежить від матеріалу мішені та прискорюючої напругиUі має різне значення для різних електронних переходів в атомах мішені.
Через малого поглинання рентгенівського випромінювання резистом час експонування досить великий.
Якісний друк забезпечується при наявності чотирьох складових:
високоінтенсивного колімованого джерела;
суміщення шаблону з підкладкою із заданою точністю;
прецизійного контролю зазору;
недорогого мембранного чи трафаретного шаблона.
Рентгенівське випромінювання (Я. = 0,4 -г - 5,0 нм) дуже важко сфокусувати та колімувати за допомогою дзеркал або лінз.
Загальний підхід реалізації рентгенівської оптики полягає в аналогії з оптикою видимого діапазону. Заломлюючі рентгенівські лінзи вносять у рентгенівське випромінювання зсув фази, що визначається декрементом поглинання матеріалу лінзи та радіусом кривизни її складового профілю (рис. 2.19). На цих принципах розроблено оптику відображення, оптику заломлення рентгенівського випромінювання, рентгенівські хвилеводи.
Експонування на рентгенівських установках виконується в пучках, що розходяться, що при кінцевому розмірі джерела випромінювання і наявності зазору між шаблоном і підкладкою призводить до спотворення розмірів і зміщення елементів малюнка,що передається в шар резиста.
Установки покрокового експонування мають високу роздільну здатність і точність суміщення, але в порівнянні з установками, що дозволяють експонувати всю підкладку цілком, їхня продуктивність втричі менша.
При одночасному експонуванні всієї підкладки діаметром 150 мм, для якоїW = 15мм, величина зазоруS -L0 мкм і точність, з якої встановлюється зазор,AS% 1 мкм, величина літографічного дозволу системи 0,1 мкм досягається приR =750 мм іd= 3,8 мм. Для підкладок більшого діаметра при тій же величині літографічного дозволу відстань від джерела до рентгеношаблону має бути ще більшою, що при збереженні швидкості обробки підкладок вимагає більш інтенсивного джерела рентгенівського випромінювання.
Для цілей літографії існують і розробляються різні джерела м'якого рентгенівського випромінювання, у тому числі з нерухомим або анодом-мішенню, що обертається, джерела з гарячою плазмою, звичайні або компактні накопичувальні кільця і синхротрони.
Отримання рентгенівських променів електронним бомбардуванням анода-мішені — малоефективний процес, оскільки більшість потужності електронів йде нагрівання анода, через що анод необхідно охолоджувати. Такі джерела мають низький ККД. Так, для пучка електронів діаметром 1 мм, що падає на алюмінієву мішень з водяним охолодженням, типова величина максимальної потужності дорівнює 400 – 500 Вт. Потужність рентгенівського випромінювання, що отримується при цьому, становить близько 10 мВт, причому випромінювання розподілене по півсфері. Для отримання рентгенівського випромінювання з більшою інтенсивністю використовують аноди, що обертаються, з водяним охолодженням. Це дозволяє направити на анод щільніший електронний пучок, що підвищуєінтенсивність рентгенівського випромінювання та скорочує час експонування. Матеріал анода вибирається виходячи з втомних характеристик, теплоємності та теплопровідності, а також відповідно до характеристик гальмівного випромінювання. Найбільшу потужність можна підвести до мішені з Мо і Rh (внаслідок їх високої щільності і високої температури плавлення), а також з Cu (високі щільність і теплопровідність).
Останнім часом дуже багато уваги приділяється джерелам імпульсного рентгенівського випромінювання. Таким джерелом є гаряча плазма, що генерується потужним лазерним випромінюванням або електричним розрядом. Плазмові джерела мають високу ефективність перетворення (10-25%) електричної енергії на м'яке рентгенівське випромінювання. Щільність енергії випромінювання цих джерел становить 10 мВт/см2порівняно з 0,1 - 1,0 мВт/см2у звичайних рентгенівських трубок, що вище більш ніж на порядок. Енергія лазера, що поглинається плазмою, практично повністю йде на іонізацію атомів робочої речовини і нагрівання електронів, що утворюються, тоді як теплова енергія іонів зневажливо мала для плазми з важкими нонами (великимZ).Плазмові джерела можуть зіграти важливу рать в технології мікро- та наноелектроніки.
Радикальними альтернативними джерелами м'якого рентгенівського випромінювання єнакопичувальні кільця та синхротрони(рис. 2.20). Корисний вихід м'яких рентгенівських променів таких джерел становить кілька сотень мВт/см2. На сьогоднішній день вони є найяскравішими джерелами м'якого рентгенівського випромінювання.
Рис.2.20. Схема генерації синхротронного випромінювання релятивістськими електронами
Потоки рентгенівського випромінювання від великого синхротрона 104разів більше, ніж від рентгенівського джерела з анодом, що обертається. Електронні накопичувальні кільця та синхротрони випромінюють вузьконаправлений потік, що дозволяє суттєво зменшити час експонування (до секунд), підвищити продуктивність, знизити вимоги до параметрів резиста та спростити системи для поєднання. Внаслідок малої кутової розбіжності синхротронного випромінювання просторова роздільна здатність не обмежена ефектом півтіні, тому зазор між шаблоном і підкладкою може бути зроблений досить великим (близько 1 мм для ширини ліній 1 мкм).
Синхротронне випромінювання генерується в накопичувальних кільцях або синхротронах високоенергетичними релятивістськими електронами, прискореними під дією магнітного поля в напрямку, нормальному напрямку руху. Генерація випромінювання відбувається у вакуумі, а саме джерело має невеликі розміри. Спектр синxротронного випромінювання охоплює області мікрохвильового та інфрачервоного випромінювань, видиме світло, ультрафіолет і рентгенівське випромінювання з критичної довжиною хвилі λз, відповідної критичної енергії Eзпочинаючи з якої відбувається спад інтенсивності випромінювання. Основними перевагами синхротронного випромінювання є висока інтенсивність у широкій області спектру, ідеальна колімація, висока поляризація та ін.
До переваг рентгенолітографії відносяться: висока роздільна здатність незалежно від типу резиста, мінімальний розмір може становити 50 нм при використанні випромінювання мідної мішені, для алюмінієвої мішені - близько 100 нм;
відсутність контакту шаблону з резистом, що знижує рівень дефектів та підвищує термін служби шаблонів;
нечутливість до забруднень, тому що вони не поглинають рентгенівське випромінювання та не передаються на малюнокрезист.
Двома найбільш критичними проблемами рентгенівської літографії є труднощі виготовлення шаблонів гарної якості (шаблони крихкі можуть спотворювати зображення через наявність в них механічних напруг), а також відносно висока вартість інтенсивних джерел м'якого рентгенівського випромінювання. Найбільша привабливість рентгенівської літографії — можливість поєднання високої роздільної здатності та високої продуктивності. Рентгенівська літографія дозволяє отримати роздільну здатність 50 нм. У ближньоконтактному режимі отримано роздільну здатність 30 нм.