Лабораторная работа "УФ микролитография"

Предел разрешения = Доза^-1/2

Чтобы достичь нанометрового разрешения, для малых элементов изображения требуется большая доза, соответствующая паспортной чувствительности резиста, но экспонирование излучением высокой энергии требует более чувствительных резистов для достижения хотя бы минимально приемлемого выхода продукции. При малых дозах (меньше 1 мкКл/см²) размер экспонированных элементов (пятен) настолько мал, что полимер не проявляется. Для изолированных линий недостает обратно рассеянных электронов, и для компенсации этого дефицита (внутреннего эффекта близости) требуется избыточная доза. Для полимерных резистов, в которых нужно экспонировать только поверхностный слой (как в случае ПММА, обрабатываемого мономером), а не всю толщу резиста, ряд ограничений, обусловленных дробовым шумом, может быть снят, поскольку образующиеся при экспонировании захваченные радикалы служат инициаторами изотропной поверхностной полимеризации.

Из трех видов экспонирования (ЭЛ, рентгеновское и ионно-лучевое) ионный пучек имеет самую высокую эффективность, поскольку большая часть его энергии (90 %) может поглотиться пленкой толщиной 1 мкм без искажений, обусловленных обратным рассеянием, которое свойственно ЭЛ-экспонированию. При электронном или рентгеновском экспонировании пленка поглощает только 1-10 % падающей дозы.

2.2.5 Оборудование для ЭЛ экспонирования

К любой литографической системе предъявляются следующие принципиальные требования:

1) контроль критического размера;

2) точность совмещения;

3) эффективность затрат;

4) технологическая гибкость;

5) совместимость с другими экспонирующими системами.

Существует несколько вариантов построения сканирующих установок ЭЛ экспонирования:

1. Гауссов пучек либо пучек переменной формы.

2. Пошаговое либо непрерывное перемещение столика.

3. Источник электронов: вольфрамовая нить, эмиттер из гексаборида лантана, полевой эмиссионный катод (острие), простой либо составной источник.

4. Коррекция эффектов близости варьированием дозы, размеров экспонируемых областей либо и того и другого.

5. Ускоряющее напряжение (5-10 кэВ).

Главные элементы экспонирующей ЭЛ системы - источник электронов, системы фокусировки и бланкирования луча, устройство контроля совмещения и отклонения, электромеханический стол и компьютерный интерфейс.

1. Блок бланкирования электростатического либо электронно-магнитного типа, который “выключает” электронный луч, отклоняя его за пределы отверстия коллимирующей диафрагмы.

2. Блок отклонения - либо совмещенный с оконечной линзой, либо помешенный после нее. Блоки отклонения тоже делятся на электронно-статические и электронно-магнитные, но предпочтение, обычно, отдается последним (по причинам меньших аберраций и лучшей защищенности от влияния поверхностного заряда) [17].

3. Блок динамической фокусировки, корректирующий аберрации, вносимые отклонением луча от оптической оси системы.

4. Система детектирования электронов, сигнализирующая об обнаружении меток совмещения и других деталей рельефа мишени.

5. Прецизионный рабочий стол с механическим приводом, обеспечивающим обработку все пластины.

6. Вакуумная система.

В растровой схеме топологический рисунок обычно делится на подобласти, каждая из которых сканируется растром, подобно телевизионному. Вдоль своего серпантинообразного пути электронный луч периодически банкируется. Круглый гауссов луч, диаметр которого составляет примерно четверть минимального размера элементов изображения, сканирует с перекрытием (рисунок 2.17). При этом наблюдается некоторая волнистость контура элементов, обусловленная внутренним эффектом близости.

Рисунок 2.17 - Формирование отдельной линии при прекрытии гауссовых лучей

Другой тип установок с гауссовым лучом работает в режиме векторного сканирования. Электронный луч адресуется только в области, подлежащие экспонированию (рисунок 2.18). При формировании топологических рисунков с низкой плотностью элементов, к примеру контактных окон, этот метод существенно ускоряет процесс экспонирования.

В таблице 2.3 проведено сравнение векторной и растровой сканирующих систем экспонирования.

Рисунок 2.18 - Путь луча при растровом (слева) и векторном (справа) ЭЛ-экспонировании

Гауссовы лучи недостаточно интенсивны и требуют перекрытия 4-5 малых пятен для формирования квадрата. Использования луча с сечением фиксированной либо переменной прямоугольной формы повышает производительность (рисунок 2.19). Еще большая производительность может быть достигнута проецированием целых фигур в комбинированном растрово-векторном режиме (рисунок 2.20).

Сокращение времени обработки в случае проекции фигур переменной формы показано на рисунке 2.21, где сравнивается экспонирование гауссовом лучом, лучами постоянной и переменной форм и проецированием фигур. Чем больше одновременно проецируемая область, тем выше производительность. Время переноса изображения в системах с лучом переменной формы в 16-100 раз короче, чем в системах, использующих гауссов луч.

Для топологического рисунка малой плотности, с изреженными окнами, обычно используют позитивный ЭЛ резист, негативный же предпочтительнее, если доминируют области, подлежащие вскрытию.

Рисунок 2.19 - Экспонирующая ЭЛ-система с прямоугольным лучем переменной формы. 1 - пластины, управляющие формой луча; 2 - вторая квадратная диафрагма; 3 - полученное пятно.



Рисунок 2.21 - Число точек изображения, формируемых круглым гауссовым лучем (а), лучем фиксированной квадратной формы (б), лучем переменной формы (в) и проецированием фигур (г).

Литографический прием, позволяющий избежать влияния фактора плотности элементов, состоит в контурном экспонировании фигур рисунка с последующим осаждением металла, излишки которого удаляются посредством электролиза. Эта технология образно названа “каньонной” литографией в связи с очерчиванием некоторых областей рисунка и истреблением промежутков между ними.

Производительность ЭЛ установок складывается из производительности процессов экспонирования, совмещения, перемещения и подготовки топологической информации.

Время прорисовки изображения электронным лучом T равно сумме времени экспонирования t_e и ожидания t_w:

T= t_e+ t_w. (2.27)

Время t_w включает в себя время численных преобразований, передвижения столика, регулировки позиционирования и т.д. Хотя t_w не всегда пренебрежимо мало, мы сосредоточимся на главным образом на рассмотрении t_e. Если луч с плотностью тока j за время t засвечивает одновременно площадь a, то время, необходимое для экспонирования области площадью A, равно:

t_e=k(S/j)(A/a) (2.28)

где k отношение фактически сканируемой области к А, S чувствительность резиста.

Величина k определяется характером топологии и схемой сканирования (k=1 в растровой и k=0.2-0.4 в векторной). Таким образом, для сокращения времени экспонирования необходимо увеличить плотность тока луча j либо общий ток ja. Время ожидания состоит из времени обработки данных и времени установки подобласти экспонирования и столика.

При использовании луча переменной формы основными проблемами являются формирование элементов непрямоугольной формы и коррекция эффектов близости посредством разбиения фигур на области равной дозы. Такой способ коррекции связан с проблемами управления большими объемами данных и потерей производительности.

Резистный материал может взаимодействовать с компонентами ЭЛ систем, порождая такие проблемы, как загрязнение, накопление заряда, плохое совмещение и низкий срок службы оборудования, приводящий к росту затрат времени на ремонт [14.

Таблица 2.3

Сравнение ЭЛ-систем различного типа

	Системы с круглым гауссовым лучом	Многолучевые системы	Системы с лучем переменной формы
Преимущества Недостатки	Простота Гибкость Пригодность к изготовлению фотошаблонов Одновременно экспонируется лишь одна точка. Высокая яркость источника Необходимость быстро действующих аналоговых электронных схем	Параллельная обработка (высокая эффективность экспонирования) Малый ток в пучке Не требуется быстродействующих электронных схем Сложность перенастройки Сложность совмещения Использование малых токов луча	Параллельная обработка (высокая эффективность экспонирования) Гибкость, переменная форма луча Пригодность для прямого экспонирования на пластине и изготовления фотошаблонов (EL-3) Техническая сложность (высокая стоимость) Разрешение зависит от размера луча

2.2.6 Совмещение

Послойное совмещение и совмещение рабочего поля в шаговых повторителях составляют часть проблемы точности совмещения топологий. Проектный допуск на точность совмещения предполагает такое размещение рисунка одного слоя приборной структуры над другим, что в приборе реализуются все его целевые характеристики. Общим для всех экспонирующих систем являются послойное совмещение и контроль ширины линии.

Метки для ЭЛ совмещения обычно изготавливаются в виде канавок или выступов в кремнии, а для повышения уровня сигнала обратнорассеянных электронов - из металлов большой атомной массы. В момент прохождения электронного луча над меткой регистрируется изменение количество обратнорассеянных электронов и размеры поля сканирования корректируются до полного совпадения с размерами кристалла. Сигнал совмещения сильно зависит от характеристик подложки, энергии электронного луча, композиции резиста и рельефа резистного покрытия над меткой.

В качестве детекторов могут использоваться микроканальные умножители, сцинцилляторы или диффузионные диоды; важно удовлетворить следующим требованиям:

1) чувствительность и точное позиционирование;

2) рассеяние и вобуляция луча должны быть меньше, чем размеры метки совмещения;

3) согласование размера и формы меток с толщиной резиста;

4) применение корректора данных с высоким отношением сигнал/ шум и петлей обратной связи, позволяющего менять поле сканирования для точного совмещения с кристаллом.

2.2.7 Эффекты близости

Эффекты близости - основная проблема ЭЛ литографии. При энергии луча 25 кэВ и диаметре 1 мкм полуширина области обратного рассеивания электронов составляет 5 мкм, а при энергии 50 кэВ достигает 15 мкм. Длина пробега в обратном рассеянии пропорциональна Е^1.7, где Е- энергия электронов падающего луча. Эффекты близости приводят к нежелательному экспонированию областей, в которые луч непосредственно не направлялся. В зависимости от отсутствия или наличия ближайших “соседей” наблюдается соответственно внутренний или взаимный эффект близости. Внутренний эффект близости, обусловленный обратным рассеянием электронов за пределы непосредственно экспонируемой области, приводит к тому, что уединенные мелкие элементы топологии приходится экспонировать с дозой Q, заметно большей Q₀, необходимой для больших фигур.

Если экспонировать линии шириной 0.5 мкм и 2 мкм в одинаковых условиях, то первая из них проявится лишь частично, что невозможно исправить даже ценой перепроявления второй линии. Линия шириной 0.5 мкм требует примерно вдвое большей дозы, чем 2 мкм линия, если необходимо соблюсти одинаковую величину ухода размеров элементов и степень утоньшения неэкспонированных областей резиста. Внутренний эффект близости обусловлен снижением вклада в экспозицию обратнорассеянных из глубины подложки электронов и меньшим поглощением резистом энергии впередрассеянных электронов, поскольку их энергия еще велика. Если энергия электронного пучка мала (1-10 кэВ), то экспонирование ведется преимущественно впередрассеянными электронами и размытие изображения минимально, но при высоких энергиях доминирует экспонирование обратнорассеянными электронами.

Если подложка изготовлена не из кремния или на кремний нанесены пленки тяжелых металлов, например, золота или вольфрама, то экспозиция окрестности пятна увеличивается. Это объясняется большим коэффициентом обратного рассеяния электронов, присущим подложкам с большей атомной массой. Соответственно, увеличивается доза, полученная резистом (кажущееся увеличение чувствительности), и частично компенсируется внутренний эффект близости. В резисте при дозе, вдвое большей нормальной используя эффекты обратного рассеяния, можно получить профили с отрицательным наклоном, пригодные для взрывной литографии.

Для компенсации внутреннего эффекта близости должна быть задана избыточная доза (и, следовательно, большее время экспонирования). Чем толще резист, тем больше доза, необходимая для уменьшения ухода размеров (возникающего при попытке скомпенсировать недоэкспонирование перепроявлением). Чем тоньше резист, ем слабее внутренний эффект близости, что наблюдается, например, в многослойных резистах.

Другой вид эффекта близости - взаимный - заключается в экспонировании ближайшими соседями друг друга и пространства между ними. Неэкспонированные области между линиями засвечиваются обратнорассеянными электронами. Взаимный эффект близости вызывает утоньшение непосредственно неэкспонированных областей позитивных резистов. В негативных резистах неэкспонированные области заполняются остатками резиста.

Особенности ЭЛ-экспонирования электронами высокой энергии (50-100 кэВ) обусловлены главным образом боковым размытием распределения обратнорассеянных электронов на границе раздела резиста и кремниевой подложки. В частности, это приводит к тому, что не подлежащий экспонированию малый островок внутри большой экспонируемой области все равно подвергается сильному фоновому экспонированию обратнорассеянными электронами из окружающей области. Фоновое экспонирование приводит к утоньшению резистной пленки в этих островках и в конечном итоге к их исчезновению (вымыванию). Отношение величины фоновой экспозиции в неэкспонированном острове выражается как _е/(_e+1) в соответствии с принципом взаимности, введенным Чангом. Здесь _e - отношение вкладов обратно- и впередрассеянных электронов в энергию, поглощенную резистом. При _e=1 значение _е/(_e+1) составляет 0.5, т.е. величина энергии, поглощенной в малых неэкспонированных областях, вдвое меньше, чем в больших экспонированных. Величина _е/(_e+1) зависит от ускоряющего напряжения, поскольку от него зависит _e, однако эта связь еще недостаточно хорошо исследована.

Существенное ослабление влияния эффектов обратного рассеивания особенно в нанометровой литографии в случае применения как позитивных, так и негативных резистов может быть достигнуто при использовании в качестве подложки мембраны в 5-10 раз более тонкой, чем наименьший размер элементов формируемого изображения. Коррекция эффектов близости, которая сводится к разбиению фигур рисунка на части, со своей дозой в каждой, либо к изменению размеров элементов рисунка, для некоторых топологий может быть формализована.

Рисунок 2.22 - Влияние толщины резиста на величину взаимного эффекта близости в периодической структуре из линий и промежутков шириной 1.0 мкм (кремниевая подложка, позитивный резист, энергия пучка 25 кэВ).

Поскольку проявление эффекта близости возрастает почти прямо пропорционально с толщиной резиста как однослойного, так и многослойного (рисунок 2.22), то уменьшение толщины ослабляет эффект близости. Многослойные резисты - практическое решение проблемы эффекта близости.

2.2.8 Радиационные повреждения приборов

Пучки электронов, рентгеновское излучение и ионы высокой энергии проникают в активные области кремниевых приборов на глубину 5-10 мкм.

Нарушение работы МОП приборов обусловлено генерацией электронно-дырочных пар, поверхностных состояний на границе раздела Si-SiO₂ и дополнительными нейтральными ловушками в окисле.

Если положительный заряд оксида и поверхностные состояния на границе раздела Si-SiO₂ можно ликвидировать отжигом при температуре от 300 до 450 ⁰С, то от радиционно-индуцированных нейтральных ловушек избавиться таким способом нельзя.

Поскольку степень радиционных повреждений пропорциональна поглощенной дозе, то использование резистов большей чувствительности и пучков низкой энергии (< 10 кэВ) позволило бы ее снизить. Применение позитивного ЭЛ резиста и удаление металла посредством травления (а не взрывным способом) на этапе формирования металлизации будет ослаблять прямое облучение критических областей прибора.

Другой проблемой ЭЛ- экспонирования (особенно с кварцевым шаблоном) является нагрев резиста, вызывающий искажение изображения, газовыделение из резиста, загрязняющее катод из LaB₆, и появление пузырьков в резисте над метками совмещения, искажающих сигнал совмещения. Степень ЭЛ-нагрева кремниевых и стеклянных подложек зависит от мгновенной мощности пучка, теплопроводности резиста и подложки. Для снижения дозы и уменьшения нагрева нужны чувствительные (1 мкКл/см²) резисты. Нагрев способных к деструкции резистов, таких, как полисульфоны и полиальдегид, может вызвать повышение чувствительности, но всегда с риском появления искажений на углах рисунка и периодических структурах (линия+промежуток) с шагом менее 2 мкм.

2.2.9 Перспективы

При изготовлении малых партий (большой номенклатуры) заказных логических схем из базового кристалла прямое рисование электронным лучем экономичнее, чем фотопечать через шаблон. Благодаря высокой разрешающей способности ЭЛ-литография будет и дальше использоваться при изготовлении шаблонов для световых, рентгеновских и ионных пучков. Кроме того, точность совмещения на каждом кристалле при ЭЛ-экспонировании составляет 0.1 мкм, что является решающим преимуществом перед всеми остальными видами экспонирования.

2.3 Рентгеновское и ионно-лучевое экспонирование

2.3.1 Рентгеновское излучение

В простейшем случае в рентгеновской (рисунок 2.23) и ионно-лучевой литографии используется теневой шаблон. Недостатки такой схемы связаны с возникновением полутени, обусловленной размерами (неточностью) источника и зазором между шаблоном и пластиной; аналогичные эффекты наблюдаются при использовании диффузного оптического источника в фотолитографии.

Качественная печать обеспечивается при наличии четырех составляющих:

1) высокоинтенсивного коллимированного источника;

2) механического, электрического, оптического или ЭЛ совмещения шаблона с заданной точностью;

3) прецизионного контроля зазора;

4) недорогого мембранного либо трафаретного шаблона.

Искажение, возникающие при облучении шаблона расходящимся пучком (рисунок 2.23), равно r/r=d/l, где l расстояние между шаблоном и источником, d зазор между пластиной и шаблоном (рисунок 2.24). Субмикронная печать обеспечивается при зазоре шаблон пластина порядка 1 мкм. Искривления пластины, возникающие в ходе многих стандартных технологических процессов, делает такой зазор трудно достижимым.

Рисунок 2.23 - Эффект полутени в рентгеновской теневой печати, обусловленный недостаточной коллимацией пучка.

Ошибки, связанные с зазором, можно отчасти устранить, если перейти к пошаговому экспонированию либо повысить чувствительность резиста до 1 мДж/см², что позволит удалить источник излучения от пластины. Главные трудности связаны с термостабильностью шаблона, так как нагрев шаблона экспонирующем излучением приводит к изменению размеров элементов в плане и ошибкам совмещения.

Из-за малого поглощения время рентгеновского экспонирования чрезвычайно велико. Первыми шагами к совершенствованию рентгеновской печати (с зазором) является создание:

1) высокочувствительных резистов;

3) точной и надежной системы совмещения;

4) прозрачного и стабильного шаблонов.



Рисунок 2.24 - Зависимость ширины проявленной линии от расстояния между поверхностью резиста и рентгеновским шаблоном

В рентгеновской литографии шаблон при совмещении помещается над пластиной с зазором 10 мкм для увеличения его срока службы. Поскольку длина волны рентгеновского излучения мала, можно пренебречь дифракционными эффектами и оперировать простыми геометрическими представлениями при формировании рисунка на шаблоне. Непрозрачные участки шаблона затеняют пластину под шаблоном, но край тени получается не совсем резким из-за конечных размеров (S) источника рентгеновского излучения (диаметр пятна сфокусированных на аноде электронов), находящегося на расстоянии D от шаблона. Если зазор между шаблоном и пластиной обозначить через g, то ширина области полутени равна :

=g(S/D) (2.29)

Типичные значения: g=20 мкм, S=3 мм, D=30 см. При этом разрешающая способность определяется (1) шириной области полутени , (2) минимально возможной шириной линии на шаблоне и (3) контрастностью резиста. В высококонтрастных резистах края изображения могут быть существенно более резкими, чем это задается значением . При увеличении зазора между шаблоном и пластиной уход размера изображения на пластине и время экспонирования возрастают. Чтобы уменьшить боковые искажения в случае точечного источника, использовался шаблон с наклоненными к его центру поглощающими элементами. Мощность обычных источников сравнительно мала:

Источники обычного типа 0.1-1.0 мВт/см²

Импульсные 10-100 мВт/см²

Синхротрон 100-1000 мВт/см²

Поскольку в качестве шаблона используется сплошная полупрозрачная мембрана, то, по крайней мере, 50% излучения поглощается шаблоном. Для сбалансированности между контрастностью проходящего пучка и временем экспонирования (интенсивность) лишь малая часть рентгеновского излучения должна проходить сквозь непрозрачные участки шаблона. Минимальный контраст между прозрачным и непрозрачным участками шаблона для экспонирования резиста составляет 4:1 (модуляция 60%). Вторичные электроны, испускаемые поглощающими элементами из золота, могут вызывать “размывание” края изображения. Для ослабления эмиссии вторичных электронов применяется покрытие из полиимида поверх золотого рисунка, поглощающее выбитые фотоэлектроны, иначе уход размера может достигать 0.2-0.4 мкм. При взаимодействии рентгеновского излучения с подложкой вторичные фотоэлектроны, имеющие небольшую длину пробега, рассеиваются в обратном направлении, что может вызывать уширение основания изображения в позитивном резисте.

Для того чтобы рентгеновская литография стала технологичной, нужно решить ряд важных проблем. Для достижения хотя бы минимальной приемлемой производительности 2-5 пластин диаметром 125 мм в час требуется резист с чувствительностью не хуже 1 мДж/ см² для обычных (возбуждаемых электронным пучком) рентгеновских источников [12].

2.3.2 Ионные пучки

Литографическое применение ионных пучков возможно: в установках пошаговой печати; в системах, использующих фокусированные пучки протонов, ионов Si⁺, В, Р.

Главным достоинством ионных пучков по сравнению с электронными является малое обратное рассеяние и, следовательно, минимальный эффект близости.

В ионно-лучевой литографии используются шаблоны типа металл на кремний или трафаретные. В случае применения последних произвольный рисунок можно воспроизвести, используя взаимодополняющие трафаретные шаблоны.

Для того чтобы ионная литография могла конкурировать с рентгеновской литографией, необходимо создать компактный источник ионов. Здесь пригодны схемы совмещения, разработанные для установок рентгеновской литографии. Из-за эффектов полутени и коробления пластины следует избегать экспонирования больших областей.

Фокусированные ионные пучки можно использовать для экспонирования резистов, исправления дефектов фотошаблонов, а также в безрезистной литографии и непосредственного травления оксида кремния.

Сущность ионной литографии состоит в экспонировании пластины широким пучком ионов Н⁺, Не²⁺ или Ar⁺ через шаблон из золота на кремниевой мембране или поточечного экспонирования сканирующим пучком из жидкометаллического (Ga) источника. Зазор между шаблоном и пластиной составляет около 20 мкм, но для субмикронных процессов требуется контакт, так как изолированные элементы изображения не могут быть экспонированы через сквозной шаблон, а составные шаблоны разделяются на две взаимодополняющие части.

Поскольку ионы поглощаются в 10-100 раз эффективнее, чем электроны, то и требуется их в 10-100 раз меньше (10¹⁰-10¹² ионов/cм² ли 0.01-1 мкКл/см²). Хорошая корреляция между экспонированием протонами и электронами была продемонстрирована Бро и Миллером. Так как источник протонов может давать пучок с плотностью мощности более 100 мВт/см² (1 Асм²), то малое время экспонирования (в микросекундах на кристалл или секундах на пластину) обеспечивает стабильность шаблона и субмикронное совмещение. Изображения с вертикальным профилем края (искажение края профиля 0.1 мкм, обусловленное отклонениями при изготовлении шаблона) могут быть сформированы как в негативных, так и в позитивных резистах. Даже десятикратное переэкспонирование не вызывает изменения ширины линий. Взаимный эффект близости ярко выраженный при ЭЛ-экспонировании, не наблюдается благодаря малости обратного рассеяния протонов.

Сфокусированные ионные пучки для прямого (без шаблона) экспонирования резистов имеют ограниченное применение, так как размер поля экспонирования не превышает 1 мм². При сканировании ионного пучка его отклонение происходит медленнее по сравнению с электронным пучком, а разрешающая способность объектива (МПФ) оказывается не лучше 1 мкм в кристалле 55 мм. В настоящее время ионные пучки используются в основном для ретуширования фотошаблонов. Другая область применения металлических ионных источников (таких, как Si или Ga) - имплантация в поверхностный слой ПММА толщиной всего 100 нм. Поскольку ионно-имплантированный резист устойчив к травлению в кислородной плазме, то изображение обращается и переносится в ПММА с помощью РИТ.

При исследовании разрешающей способности позитивных резистов в случае ионно-лучевого экспонирования понятие контрастности используется для оценки характеристик скрытого изображения в резисте:

=dR/dZ=(dR/dE)(dE/dZ) (2.30)

Первый сомножитель в правой части характеризует скорость проявления пленки, а второй - описывает распределение энергии Е по глубине Z. Хотя боковое рассеяние мало, контрастность ПММА не выше, чем при ЭЛ-экспонировании. Бро и Миллер установили, что =2.2 как для протонов, поглощенных в ПММА, так и для электронов с энергией 20 кэВ. Пробег вторичных частиц составляет всего около 10 нм для 100-кэВ Н⁺ и около 500 нм для 20-кэВ электронов.

Дополнительная область применения ионно-лучевого экспонирования - отверждение резистов ДХН и ПММА для реактивного ионного травления или других применений в качестве маски. При ионной имплантации В, Р или As резист со скрытым изображением работает как барьерный слой.

Ионно-лучевое экспонирование является идеальным в том смысле, что для него прямое и обратное рассеяния пренебрежимо малы, а радиационные повреждения в кремниевой подложке практически отсутствуют, так как ионы в основном не проходят сквозь слой резиста. Поскольку ионы очень эффективно передают в резист энергию, то чувствительность резиста не является решающим фактором для производительности, которую в данном случае обеспечивают подбором подходящего высокоинтенсивного источника ионов, термостабильного шаблона и высокой точностью совмещения ( 0.1 мкм).

В таблице 2.4 приведены результаты сравнения всех типов экспонирующего оборудования и используемых в нем шаблонов. Доминирующим является УФ-экспонирование, за ним следует электронно-лучевое. Для рентгеновского и ионно-лучевого экспонирования необходим еще один этап усовершенствования. Реально ширина экспонируемой линии примерно в 4 раза превышает точность совмещения.

Если размер элементов рисунка превышает 1 мкм и требуется большой объем производства однотипных изделий, то пригодны 1-зеркальные сканеры, имеющие высокую производительность и достаточную точность совмещения. Ниже 1-мкм барьера и примерно до 0.6 мкм конкурируют установки пошагового экспонирования с преломляющей оптикой (5-объектив для экспонирования на длине волны 365 нм) и установки пошагового экспонирования со сканированием. При изготовлении 1-шаблонов возникают серьезные проблемы, такие, как дефектность и невозможность выдержать размеры на всей поверхности (250250 мм) стеклянной пластины. Сделана попытка расширить возможности оптической литографии на диапазон размеров 0.6-0.3 мкм с помощью отражательных установок пошагового ДУФ-экспонирования с 3-5-уменьшением. Что касается размеров менее 0.3 мкм, то массовое производство схем памяти обеспечивается печатью с зазором с применением либо рентгеновских, либо электронных пучков.

Таблица 2.4

Сравнение экспонирующего оборудования и соответствующих ему шаблонов и резистов

	I	II	III	IV	V	VI	VII	VIII	IX
Минимальный размер	1	2	3	4	4	5	4	3	3
Регистрация	1	2	3	3	3	4	3	2	4
Производительность	4	5	3	3	2	1	1	1	3
Стоимость и простота шаблона	2	2	3	4	4	3	1	1	1
Чувствительность к рельефу	2	3	3	3	2	4	4	4	3
Простота резиста и его стоимость	4	2	2	3	3	1	1	2	3
Стоимость оборудования	5	3	2	3	3	1	2	2	1
Простота управления	5	4	3	3	3	4	3	2	3
Восприимчивость к дефектам	1	3	4	4	5	4	4	4	3
Перспективы развития для субмикронной литографии	1	2	4	3	3	5	3	2	2
Общий балл	26	28	30	33	32	32	26	23	26
Место	4	3	2	1	1	1	4	5	4

Таблица 2.5

Условные обозначения к таблице 2.4

I	Контакт с зазором
II	1/1 УФ-сканер
III	4/1 УФ-сканер/степпер
IV	5/1 УФ-степпер
V	10/1 УФ-степпер
VI	Электронный луч
VII	Рентгеновское излучение
VIII	Ионный луч
IX	Электронный пучек с зазором

Ключем к высокопроизводительной литографии являются высококачественные стойкие шаблоны, которые способны выдерживать термические и механические напряжения. Выбор вида излучения (широкие пучки УФ-излучения, рентгеновского излучения, электронов или ионов) для экспонирования через шаблон, зависит в основном от трех факторов:

1) может ли быть изготовлена маска с резкостью края лучше чем 1/10 воспроизводимого размера;

2) обеспечивается ли достаточная плоскостность шаблона и сохраняются ли она, а также рисунок неизменными во время экспонирования:

3) может ли быть разработана такая схема совмещения, в которой различались бы длины волн экспонирования и совмещения.

Техника изготовления шаблонов даст толчек развитию новых резистов и процессов.

Уменьшение глубины фокуса в оптической литографии требует применения более плоских пластин, автофокусировки и автосовмещения. Для уменьшения ошибок совмещения и фокусировки необходимо применять низкотемпературные процессы, в которых меньше коробление пластин, и планировать конструкцию изготовляемых приборов. Для субмикронной литографии необходимо последовательное совмещение от кристалла к кристаллу. Установки, в которых совмещены принципы сканирования и пошагового экспонирования, будут развиваться исходя из требования на совмещение.

Основными проблемами оптического и ионно-лучевого экспонирования Si-пластин являются многослойные резисты.

Величина К=0.3 в случае записи рисунка в верхний поверхностный слой, 0.5- в верхний промежуточный слой (многослойные резисты), 0.8- во всей толщине однослойной резистной пленки. Основные направления увеличения разрешения заключается в уменьшении толщины чувствительного слоя, по крайней мере, до четверти величины минимального требуемого размера (разрешения).

Производительность любого экспонирующего оборудования лимитирована интенсивностью источника и чувствительностью резиста. При оптическом экспонировании, исключая ДУФ-диапазон, эти величины соответствуют друг другу. Для электронно- и ионно-лучевого экспонирования желательно повысить чувствительность. Особенно это относится к новолачным резистам. Для рентгеновского экспонирования требуются хорошие однослойные пленки резиста, чтобы реализовать возможности получения высокого разрешения и устранить низкую производительность. С помощью рентгеновского экспонирования можно также избежать дополнительных затрат, связанных с внедрением многослойных резистов, требуемых в будущем для оптической и электронно-лучевой литографии.

методический фотолитография электронный прибор



3. Экспериментальная часть

3.1 Примеры расчета элементов, изготовленных с помощью различных методов фотолитографии

Целью данного раздела является показать применение различных технологий фотолитографий для производства электронных приборов. В данном случае с помощью упрощенного расчета на примере температурного датчика мы рассмотрим, какими возможностями обладает тот или иной технологический процесс. Роль температурного датчика играет резистор с номинальным значением сопротивления 100 кОм.

Произведем расчет величин, необходимых для производства данного резистора методом маски:

1. Рассчитываем коэффициент формы для резисторов.

2. Определяем ширину. Условием для ширины резисторов является то, что

.

Значения

; .

;

;

Принимаем

.

3. Определяем расчетную длину резисторов.

.

4. Определяем длину резисторов с учетом длины, на которую наносится контакт.

.

5. Рассчитаем значение погрешности коэффициента формы.

Данная технология производства хотя и не обладает высокой точностью, но она очень проста и дешева. Она позволяет с небольшими затратами производить приборы (в том числе датчики) для тех областей, где нет необходимости в минимизации размеров, таких как, например, автомобильная, легкая промышленность. Данный расчет приведен для сравнения с более точными фотолитографическими технологиями.

Теперь произведем расчет величин, необходимых для производства данного резистора методом оптической фотолитографии:

1. Рассчитываем коэффициент формы для резисторов.

2. Определяем ширину. Условием для ширины резисторов является то, что

.

Значения

; .

;

;

Принимаем

3. Определяем расчетную длину резисторов.



4. Определяем длину резисторов с учетом длины, на которую наносится контакт

5. Рассчитаем значение погрешности коэффициента формы

Методом электронографии:

1. Рассчитываем коэффициент формы для резисторов.

2. Определяем ширину. Условием для ширины резисторов является то, что

.

Значения

; .

;

;

Принимаем .

3. Определяем расчетную длину резисторов.

.

4. Определяем длину резисторов с учетом длины, на которую наносится контакт.

.

5. Рассчитаем значение погрешности коэффициента формы.

.

Методом рентгеновской литографии:

1. Рассчитываем коэффициент формы для резисторов

2. Определяем ширину. Условием для ширины резисторов является то, что

.



Значения

;

;

;

Принимаем

3. Определяем расчетную длину резисторов

4. Определяем длину резисторов с учетом длины, на которую наносится контакт.

5. Рассчитаем значение погрешности коэффициента формы

Сравнивая полученные результаты видно, что наибольшая точность воспроизведения размеров элемента получается при рентгеновской литографии, следовательно, точность показания такого датчика будет выше. Также, методы фотолитографии позволяют добиться существенного снижения геометрических размеров изготавливаемого прибора, что часто бывает крайне необходимо в таких областях как авиация и космонавтика. Таким образом, современные технологии позволяют производить широкий спектр разновидностей приборов, а нам остается лишь только выбирать метод изготовления исходя из необходимых нам размеров, и экономической оправданности затрат на производство.

3.2 Варианты заданий для студентов

Таблица 3.1

Варианты заданий

Номер варианта	R	Rs	Метод
1	1000	1000	Оптический
2	10000	2000	Электронный
3	100000	3000	Рентгеновский
4	1000	4000	Электронный
5	10000	5000	Оптический
6	100000	1000	Оптический
7	1000	2000	Электронный
8	10000	3000	Рентгеновский
9	100000	4000	Электронный
10	1000	5000	Оптический
11	10000	1000	Оптический
12	100000	2000	Электронный
13	1000	3000	Рентгеновский
14	10000	4000	Электронный
15	100000	5000	Оптический
16	1000	1000	Оптический
17	10000	2000	Электронный
18	100000	3000	Рентгеновский
19	1000	4000	Электронный
20	10000	5000	Оптический

Принимаем



3.3 Контрольные вопросы

1. Чем ограничивается размер скрытого изображения и величина краевого градиента резистных профилей:

а) Когерентностью, дифракцией, интерференцией, астигматизмом, хроматическими аберрациями;

б) Дифракцией, глубиной фокуса объектива, низкоконтрастным резистом, стоячей волной (отражением от подложки), преломлением света в резисте.

2. Главный недостаток контактной печати:

а) Дороговизна процесса;

б) Ограниченная совместимость;

в) Искажение передаваемого с фотошаблона рисунка.

3. От чего зависит время экспонирования фоторезиста:

а) Толщины резиста, коэффициента поглощения резиста, интенсивности источника;

б) Деструктивности интерференции, модуляционно передаточной функции, профиля изображения на фотошаблоне;

в) Длины волны излучения лампового источника , толщины остаточного резиста, коэффициента отражения подложки, наличия усиливающего контраст слоя;

г) Ответ а) и в);

д) Ответ б) и в);

е) Ответ а), б) и в).

4. Прямой фотошаблон это:

а) Фотошаблон с позитивным отображением оригинала;

б) Фотошаблон используемый при контактной фотолитографии с разрешением 1:1;

в) Фотошаблон, изображение на котором воспроизведено без учета искажения рисунка на фоторезисте при прогибе пластины.

5. Для изготовления фотошаблона могут быть использованы

а) Серебряная эмульсия, оксид европия, обработанный ионами резист;

б) Германий на стекле, отожженный полиакрилонитрил, оксид европия;

в) Оксид бериллия, диазидные полиамиды;

г) Ответ а) и б)

д) Ответ а), б) и в).

6. Какова длина волны электрона при электронной фотолитографии:

а) 0,1…0,001нм;

б) 0,2…1 нм;

в) 0,4…5 нм.

7. Какова длина волны рентгеновского излучения в рентгеновской фотолитографии:

а) 0,1…0,01 нм;

б) 0,4…5 нм;

в) 310…450 нм.

8. Какова длина волны УФ излучения при оптической фотолитографии:

а) 0,1…0,01 нм;

б) 0,4…5 нм;

в) 310…450 нм.

9. Что относится к методам ослабления эффекта близости:

а) Коррекция дозы и размера пятна, использование многослойного резиста с барьерным слоем из металла и толщиной чувствительного слоя 0,1…2 мкм;

б) Уменьшение длины волны электронов до 0,2…1 нм;

в) Ответ а) и б).

10. назовите преимущества электронной системы с круглым гауссовым лучом:

а) Отсутствие сложных электронных систем;

б) Высокая яркость источника, одновременное экспонирование одной точки;

в) Гибкость, пригодность к изготовлению фотошаблонов.

11. назовите недостаток электронной системы с круглым гауссовым лучом:

а) Зависимость разрешения от размера луча;

б) Высокая яркость источника;

в) Малый ток в пучке.

12. Каково достоинство многолучевых электронных систем:

а) Использование малых токов луча;

б) Использование малого тока в пучке;

в) Пригодность для прямого экспонирования на пластине.

13. Что является недостатком многолучевых электронных систем

а) Необходимость использования быстродействующих аналоговых электронных систем;

б) Использование малого тока в пучке;

в) Использование малых токов луча.

14. Система с лучом переменной формы позволяет:

а) Производить прямое экспонирование пучком по пластине;

б) Легко формировать элементы непрямоугольной формы.

15. Недостатком электронной системы с лучом переменной формы является:

а) Гибкость формы луча;

б) Изменение разрешения величиной формы луча;

в) Параллельная обработка при экспонировании.

16. От чего НЕ зависит выбор вида излучения (УФ, электронное, рентгеновское) для экспонирования через шаблон:

а) Возможности изготовления маски с резкостью края лучше чем 1/10 воспроизводимого размера;

б) Обеспечения достаточной плоскостности шаблона и сохранения её, а также рисунка во время экспонирования;

в) Возможности разработки такой схемы совмещения, в которой различались бы длины волн экспонирования и совмещения;

г) Уменьшение глубины фокуса в оптической литографии, автофокусировки и автосовмещения.

17. Проявление негативных фоторезистов представляет собой:

а) Химическую реакцию превращения полученной при экспонировании кислоты в хорошо растворимую соль;

б) Растворение необлученных участков в органических растворителях;

в) Выдерживание в парах проявителя с последующей промывкой в деионизованной воде.

18. Каков максимальный масштаб фотошаблона можно использовать при рентгеновском экспонировании:

а) 1:1;

б) 10:1;

в) 100:1.

19. Чем характеризуется растровое сканирование:

а) Луч перемещается только в местах, соответствующих элементу топологии, включаясь в момент перехода к следующему элементу;

б) Луч перемещается по всей поверхности кадра, включаясь и выключаясь в нужных местах в соответствии с запрограммированной топологией;

в) Луч перемещается только по местам, соответствующим элементу топологии не выключаясь.

20. Каким способом можно производить совмещение при рентгенографии:

а) с помощью знаков совмещения;

б) с помощью прозрачного фотошаблона;

в) с помощью интерференции света.



Варианты ответов

1	а	6	а	11	б	16	г
2	б	7	б	12	б	17	б
3	г	8	в	13	в	18	а
4	а	9	а	14	а	19	б
5	г	10	в	15	б	20	б



4. Смета затрат и цена программного обеспечения

Очевидно, что программные продукты представляют собой весьма специфичный товар с множеством присущих им особенностей. На разработку программного продукта средней сложности обычно требуются весьма незначительные средства. Однако при этом он может дать значительный экономический эффект.

Целью данного дипломного проекта является разработка обучающей программы «УФ микролитография». Указанный программный продукт предназначен для изучения основных технологических операций фотолитографии. Данная программа может использоваться в качестве вспомогательного теоретического материала при изучении курса «Технология производства микро- и наноэлектронных приборов» студентами радиотехнических специальностей, что позволяет существенно повысить эффективность обучающего процесса. Следовательно, благодаря использованию этой программы, экономятся рабочие часы преподавателей университета, а значит и денежные средства университета. Кроме того, долгосрочный экономический эффект достигается благодаря более глубокому и эффективному усвоению студентами учебного материала, а, следовательно, и более высокому уровню подготовки специалистов.

У разработчика экономический эффект выступает в виде чистой прибыли, остающейся в распоряжении предприятия от реализации ПС, а у пользователя - в виде экономии трудовых, материальных и финансовых ресурсов, получаемой за счет:

§ снижения трудоемкости расчетов и алгоритмизации программирования и отладки программ за счет использования ПС в процессе разработки автоматизированных систем обработки данных;

§ сокращения расходов на оплату машинного времени и других ресурсов на отладку программ;

§ снижения расходов на материалы (магнитные ленты, магнитные диски и прочие материалы);

§ улучшения показателей основной деятельности предприятий в результате использования ПС.

Стоимостная оценка ПС у разработчиков предполагает составление сметы затрат, которая включает следующие статьи:

§ заработная плата исполнителей основная (З_О) и дополнительная (З_Д);

§ отчисления в фонд социальной защиты населения (З_СЗ);

§ отчисления на развитие здравоохранения и охрану здоровья (З_ОЗ);

§ налоги, от фонда оплаты труда (Н_е);

§ материалы и комплектующие (М);

§ спецоборудование (Р_С);

§ машинное время (Р_М);

§ расходы на научные командировки (Р_НК);

§ прочие прямые затраты (Пз);

§ накладные расходы (Р_Н). На основании сметы затрат рассчитывается себестоимость и отпускная цена ПС.

Определение объёма и трудоёмкости ПО

Объём ПО. Базой для расчёта плановой сметы затрат на разработку ПО является объём ПО.

Общий объём (V_о) рассчитывается по формуле:

(4.1)

где V_o - общий объем ПС;

V_i - объем функций ПС;

n - общее число функций.



Таблица 4.1

Определение объёма и трудоёмкости ПО

Код функции	Наименование (содержание) функций	Объем функций (условных машинных команд)
101	Организация ввода информации	100
102	Контроль, предварительная обработка и ввод информации	520
109	Организация ввода/вывода информации в интерактивном режиме	220
501	Монитор ПС ВТ (управление работой компонентов)	350
506	Обработка ошибочных и сбойных ситуаций	430
507	Обеспечение интерфейса между компонентами	730
604	Справка и обучение	680
605	Вспомогательные и сервисные программы	460
703	Расчет показателей	410
707	Графический вывод результатов	300
Общий объем ПС (Vо)	4200

Расчёт объёма программного продукта (количество строк исходного текста) предполагает определение типа программного обеспечения. На стадии технико-экономического обоснования проекта невозможно рассчитать точный объём функций. Можно получить только ориентировочные оценки путём применения действующих нормативов [18].

Трудоёмкость разработки ПО. На основании общего объема ПС определяется общая (Т_О) и нормативная трудоемкость (Т_Н). На основании принятого к расчёту объёма (V_o=4200) и категории сложности (3) [18] определяем Т_Н = 93 (чел./дн.). Общая трудоёмкость рассчитывается по формуле:

, (4.2)

где К_С - коэффициент сложности ПС;

К_Т - поправочный коэффициент, учитывающий степень использования при разработке стандартных модулей (принимаем К_Т=0,8);

К_Н - коэффициент, учитывающий степень новизны ПС (принимаем К_Н=1,0).

, (4.3)

где К_i - коэффициент, соответствующий повышению сложности ПС за счёт конкретной характеристики;

n - количество учитываемых характеристик. [18]

Общая трудоёмкость:

(чел./дн.)

Численность исполнителей и срок разработки ПС. На трудоемкости разработки ПС и установленного периода разработки рассчитывается общая плановая численность разработчиков:

(4.4)

где Ч_Р - плановая численность разработчиков (чел.);

Ф_ЭФ эффективный фонд времени работы одного работника (дней в год);

Т_Р - плановая продолжительность разработки ПС (лет).

Принимаем Ф_ЭФ=236 дней, Т_Р=0,42 года (5 месяцев). Численность разработчиков

(чел.).

Расчёт сметы затрат и цены ПО

Основной статьёй расходов на создание ПО является заработная плата разработчика проекта. Заработная плата руководителей и работников вспомогательных служб учитывается в накладных расходах.

Расчет заработной платы исполнителей. В соответствии с «Рекомендациями по применению «Единой тарифной сетки» рабочих и служащих народного хозяйства» и тарифными разрядами и коэффициентами должностей руководителей научных организаций и вычислительных центров, бюджетных учреждений науки непроизводственных отраслей народного хозяйства каждому исполнителю устанавливается разряд и тарифный коэффициент.

Месячная тарифная ставка каждого исполнителя (Т_М) определяется путем умножения действующей месячной тарифной ставки 1-го разряда (Т_М1) на тарифный коэффициент (Т_К), соответствующий установленному тарифному разряду:

Т_М= Т_М1 . Т_К. (4.5)

Часовая тарифная ставка рассчитывается путем деления месячной тарифной ставки на установленный при 40-часовой рабочей неделе, фонд рабочего времени Ф_р=160 часов.

(4.6)

где Т_Ч - часовая тарифная ставка (руб.);

Т_М - месячная тарифная ставка (руб.).

Основная заработная плата исполнителей на конкретное ПС рассчитывается по формуле:



(4.7)

где n - количество исполнителей, занятых разработкой конкретного ПС;

T_Чi - часовая тарифная ставка i-го исполнителя (руб.);

Ф_Эi - эффективный фонд рабочего времени i-го исполнителя (дней);

Т_Ч - количество часов работы в день (ч.);

К - коэффициент премирования.

В соответствии с заданием, разработчик программного продукта - программист I категории - тарифный разряд - 14; тарифный коэффициент - 3.25; плановый фонд рабочего времени - 118 дней. Тарифная ставка 1 разряда -65000 рублей. Коэффициент премирования - 1.5.

Т_М= Т_М1 . Т_К=65000·3.25=211250 руб.,

руб.,

1320*8*118*1.5=1869120 руб.

Дополнительная заработная плата на конкретное ПС (З_Дi) включает выплаты, предусмотренные законодательством о труде (оплата отпусков, льготных часов, времени выполнения государственных обязанностей и других выплат, не связанных с основной деятельностью исполнителей), и определяется по нормативу в процентах к основной заработной плате:

(4.8)

где З_Дi - дополнительная заработная плата исполнителей на конкретное ПС (руб.);

Н_Д - норматив дополнительной заработной платы рассчитывается по формуле. В данном проекте принимаем Н_Д = 20%.

руб.

Отчисления в фонд социальной защиты населения (З_Сзi) определяются в соответствии с действующими законодательными актами по нормативу в процентном отношении к фонду основной и дополнительной зарплаты исполнителей, определенной по нормативу, установленному в целом по организации:

(4.9)

где Н_СЗ = 35% - норматив отчислений в фонд социальной защиты населения.

руб.

Расходы по статье «Материалы» (М) определяются на основании сметы затрат, разрабатываемой на ПС с учетом действующих нормативов. По статье «Материалы» отражаются расходы на магнитную носители, перфокарты, бумагу, красящие ленты и другие материалы, необходимые для разработки ПС. Нормы расхода материалов в суммарном выражении (Н_М) определяются в расчете на 100 строк исходного кода [18]. Сумма затрат материалов рассчитывается по формуле:



(4.10)

где Н_МЗ = 3% - норма расхода материалов от основной заработной платы.

руб.

Расходы по статье «Спецоборудование» (Р_Сi) включает затраты средств на приобретение вспомогательных специального назначения технических и программных средств, необходимых для разработки конкретного ПС, включая расходы на их проектирование, изготовление, отладку, установку и эксплуатацию. Затраты по этой статье определяются в соответствии со сметой расходов, которая составляется перед разработкой ПС. Данная статья включается в смету расходов на разработку ПС в том случае, когда приобретаются специальное оборудование или специальные программы, предназначенные для разработки и создания только данного ПС.

(4.11)

где Ц_Сi - стоимость конкретного специального оборудования (тыс. руб.);

n - количество применяемого специального оборудования (ЭВМ).

Для проекта приобретались:

- пакет программ Flash - 30000 руб.,

- библиотека вспомогательных компонентов - 25000 руб.

Отсюда



руб.

Расходы по статье «Машинное время» (Р_Мi) включают оплату машинного времени, необходимого для разработки и отладки ПС, которое определяется по нормативам (в машино-часах) на 100 строк исходного кода (Н_МВ) машинного времени в зависимости от характера решаемых задач и типа ПЭВМ (приложение 5) [18].

(4.12)

где Ц_Мi - цена одного машино-часа (тыс. руб.);

V_Оi - общий объем ПС (строк исходного кода);

Н_МВ - норматив расхода машинного времени на отладку 100 строк исходного кода (машино-часов).