Рентгенова литография
Рентгеновата литография е метод с висока разделителна способност за формиране на даден релеф или топология с помощта на рентгеново лъчение (лъч).
Рентгеновата литография (рентген) използва за експониране меко (нискоенергийно) рентгеново лъчение (с фотонна енергия от 0,5 keV - 10 keV), при поглъщането на което в резистния слой се образуват нискоенергийни фотоелектрони, предизвикващи на свой ред (в зависимост от вида на използвания резист) образуване или разкъсване на междумолекулни връзки. Рентгеновата литография е практически същата като фотолитографията с празнини, но е разширена до област с много къси дължини на вълните от порядъка на 1 nm. В този диапазон на дължината на вълната рентгеновите лъчи пренасят модела от шаблона върху рентгеновата резистентност, като използват метода на проекция на сянка.
Рентгеновите резисти могат да бъдат положителни и отрицателни. И двата вида съпротивление имат висока разделителна способност. Най-общо, изискванията, на които трябва да отговарят устойчивите на рентгенови лъчи, са следните: висока чувствителност към рентгенови лъчи, висока разделителна способност, устойчивост на химическо, йонно и плазмено ецване. В момента няма резисти, които да отговарят на всички тези изисквания. Чувствителността на съществуващите рентгенови резисти варира от 1 mJ/cm2за експериментални резисти до 2 J/cm2за резистент на основата на полиметилметакрилат (PMMA) при дължина на вълната от 0,834 nm. Чувствителността на резиста на базата на полибутенсулфон (PBS) е 94 mJ/cm425 при дължина на вълната от 0.437 nm. Тук трябва да се отбележи, че с източници на рентгенови лъчи, в които целта е бомбардирана с електрони, е възможно да се получи интензитет на рентгеновите лъчи върху повърхността на субстрата само от 1 до 10 mJ/(cm2∙min). PMMA издържа иPBS са положителни резисти, в които рентгеновите лъчи разрушават големи полимерни молекули. По-малките молекули, образувани в облъчените зони, бързо се разтварят по време на развитието. Разделителната способност на PMMA и PBS резистите с тяхната дебелина от около 0,2-0,7 μm е съответно 5000 линии/mm и 1000 линии/mm. PMMA резистентът е основният резист за рентгенова и електронна литография. В същото време се цели минимизиране на дебелината на резистовите фолиа, доколкото релефът на повърхността на субстрата позволява.
Шаблоните за рентгенова литография (РС) имат сложна структура. Основният проблем е да се направи тънка, но здрава основа, която да е прозрачна за рентгенови лъчи. За тези цели се използват органични и неорганични мембрани. Органичните мембрани се изработват на базата на мулар, каптон, пиполен и полиимид, неорганичните се изработват от силиций, силициев диоксид, силициев карбид и др. Материалът на филмовия модел върху шаблона, напротив, трябва да бъде непрозрачен за рентгеновите лъчи. Като такъв материал се използва злато.
Схемата на инсталацията за излагане на рентгенови лъчи е показана на фигура 2.18.
Фиг.2.18. Схема на рентгенова литография:
1 - електронен пистолет; 2- електронен поток; 3-цел; 4 – вакуумна камера; 5 - прозорец от берилиево фолио; 6- рентгенов поток; 7 - рентгенова маска; 8 - плоча с рентгеново съпротивление.
Тъй като рентгеновата маска е много крехка, е необходимо разстояние от S = 3–10 µm между нея и пластината. Стойността на разликата се намира от компромис между желанието за увеличаване на разделителната способности, за да се намали нивото на дефектите. На практика те работят с разстояние от 3 микрона, тъй като размерът на праховите частици и други замърсители е 1 - 2 микрона. Комбиниране на шарките на шаблона и нататъксубстрат може да бъде направен по обичайния оптичен начин през прозорците, гравирани в шаблона. Точността на подравняване в този случай е ниска (около 1 µm). Точността на центриране с помощта на рентгенов детектор може да достигне 0,1 µm. В този случай първоначалното рентгеново лъчение се използва за подравняване, а върху плочата се прави допълнителен подравняващ елемент, който абсорбира рентгеновите лъчи, а също така флуоресцира или излъчва електрони. Използва се вграденият метод за регистриране, при който маркерните знаци се поставят директно върху шаблона и пластината, а като рентгенов детектор се използва пропорционален брояч. Когато рентгеновият лъч е блокиран от маркерни знаци, детекторът улавя нулев сигнал, който показва подравняването на моделите на шаблона и плочата.
На фиг. 2.18 (поз.7)показва рентгенова маска на базата на силиконова мембрана с абсорбиращ златен модел. При производството на такава рентгенова маска като първоначална плоча се взема плоча от силно легиран силиций (n + -Si), която силно абсорбира рентгеновите лъчи. Върху него се отглежда високоустойчив епитаксиален n-Si слой с дебелина 3–5 µm. След това структурата се окислява, в резултат на което се образува слой от SiO2от двете страни. Върху слоя Si02от страната на епитаксиалния силиций първо се нанася тънък слой хром (5-10 nm), а след това слой злато (0,3-0,5 μm). Хромът се прилага за подобряване на адхезията на златото към слоя Si02. След това, използвайки електронна литография, от златния слой се формира необходимият модел на рентгеновата маска. След това n+-Si се ецва локално съгласно този модел. Основните трудности при работата на такъв шаблон са свързанис неговататермична стабилизация, тъй като нагряването на шаблона с излагане на радиация води додо промяна на параметрите на елементите в плана и грешки в подравняването.
Електронният източник и мишената са във вакуумна камера. При облъчване на целта с електронен лъч се образува меко рентгеново лъчение с фотонна енергия 0,5–10 keV, което, преминавайки през рентгеновата маска, облъчва нанесения върху субстрата рентгенов резист. След това процесът на рентгенова литография се извършва подобно на процеса на фотолитография.
Имайте предвид, че дължината на вълната на рентгеновите лъчи X зависи от целевия материал и ускоряващото напрежениеUи има различна стойност за различни електронни преходи в целевите атоми.
Поради ниската абсорбция на рентгеновото лъчение от резиста, времето на експозиция е доста дълго.
Висококачественият печат се осигурява сналичието на четирикомпонента:
високоинтензивен колимиран източник;
съвпадение на шаблона със субстрата със зададена точност;
прецизен контрол на клирънса;
евтин шаблон за мембрана или екран.
Рентгеновото лъчение (R = 0,4 - 5,0 nm) е много трудно за фокусиране и колимиране с помощта на огледала или лещи.
Общият подход към прилагането на рентгеновата оптика се основава на аналогия с видимата оптика. Рефрактивните рентгенови лещи въвеждат фазово изместване в рентгеновото лъчение, което се определя от декремента на абсорбцията на материала на лещата и радиуса на кривината на нейния съставен профил (фиг. 2.19). На тези принципи са разработени отражателна оптика, рентгенова рефракционна оптика и рентгенови вълноводи.
Експозицията на рентгенови апарати се извършва в разминаващи се лъчи, което при краен размер на източника на лъчение и наличието на празнина между шаблона и субстрата води до изкривяване на размерите и изместване на елементите на модела,прехвърлени към съпротивителния слой.
Настройките за експониране стъпка по стъпка имат висока разделителна способност и точност на подравняване, но в сравнение с настройките, които позволяват експониране на целия субстрат, тяхната производителност е три пъти по-малка.
При едновременно експониране на целия субстрат с диаметър 150 mm, за койтоW = 15mm, размерът на междината еS —L0 µm, а точността, с която се задава междината еAS% 1 µm, литографската разделителна способност на системата от 0,1 µm се постига приR =750 mm иd= 3.8 mm. За субстрати с по-голям диаметър при същата литографска разделителна способност, разстоянието от източника до рентгеновата маска трябва да бъде още по-голямо, което изисква по-интензивен източник на рентгенови лъчи, като същевременно се поддържа скоростта на обработка на субстратите.
За целите на литографията съществуват и се разработват различни източници на меки рентгенови лъчи, включително такива с фиксиран или въртящ се целеви анод, източници на гореща плазма, конвенционални или компактни пръстени за съхранение и синхротрони.
Получаването на рентгенови лъчи чрез електронно бомбардиране на целевия анод е неефективен процес, тъй като по-голямата част от електронната енергия отива за нагряване на анода, което изисква охлаждането на анода. Такива източници имат ниска ефективност. По този начин, за електронен лъч с диаметър 1 mm, падащ върху алуминиева мишена с водно охлаждане, типичната стойност на максималната мощност е 400–500 W. Мощността на полученото рентгеново лъчение е около 10 mW, като лъчението се разпределя върху полусфера. За получаване на рентгенови лъчи с по-голям интензитет се използват въртящи се аноди с водно охлаждане. Това дава възможност за насочване на по-плътен електронен лъч към анода, който увеличаваИнтензивността на рентгеновите лъчи и съкращава времето на експозиция. Анодният материал се избира въз основа на характеристиките на умора, топлинен капацитет и топлопроводимост, както и в съответствие с характеристиките на спирачното лъчение. Най-високата мощност може да бъде доставена към въртяща се мишена, изработена от Mo и Rh (поради високата им плътност и висока точка на топене), както и Cu (висока плътност и топлопроводимост).
Напоследък много внимание се обръща на източниците на импулсно рентгеново лъчение. Такъв източник е гореща плазма, генерирана от мощно лазерно лъчение или електрически разряд. Плазмените източници имат висока ефективност на преобразуване (10-25%) на електрическа енергия в меки рентгенови лъчи. Плътността на енергията на излъчване на тези източници е 10 mW/cm2в сравнение с 0.1 - 1.0 mW/cm2за конвенционалните рентгенови тръби, което е повече от един порядък по-високо. Лазерната енергия, погълната от плазмата, се използва почти изцяло за йонизиране на атомите на работното вещество и загряване на получените електрони, докато топлинната енергия на йоните е незначителна за плазма с тежки ненужни частици (големиZ).Плазмените източници могат да играят важна роля в технологията на микро- и наноелектрониката.
Радикални алтернативни източници на меко рентгеново лъчение сасъхраняващи пръстени и синхротрони(фиг. 2.20). Полезният добив на меки рентгенови лъчи от такива източници е няколкостотин mW/cm2. Към днешна дата те са най-ярките източници на меки рентгенови лъчи.
Фиг.2.20. Схема на генериране на синхротронно лъчение от релативистични електрони.
Рентгенови потоци от големия синхротрон в 104пъти повече, отколкото от източник на рентгенови лъчи с въртящ се анод. Електронните пръстени за съхранение и синхротроните излъчват тесен лъч, който може значително да намали времето на експозиция (до секунди), да увеличи производителността, да намали изискванията за параметрите на съпротивлението и да опрости системите за съвпадение. Поради малката ъглова дивергенция на синхротронното лъчение, пространствената разделителна способност не е ограничена от ефекта на полусянката, така че празнината между шаблона и субстрата може да бъде доста голяма (около 1 mm за ширина на линията от 1 μm).
Синхротронното лъчение се генерира в пръстени за съхранение или синхротрони от високоенергийни релативистични електрони, ускорени от магнитно поле в посока, нормална спрямо посоката на движение. Лъчението се генерира във вакуум, а самият източник е малък. Спектърът на синхротронното лъчение обхваща областите на микровълново и инфрачервено лъчение, видима светлина, ултравиолетово и рентгеново лъчение с критична дължина на вълната λс, съответстваща на критичната енергия Eс, започвайки от която интензитетът на лъчението намалява. Основните предимства на синхротронното лъчение са висок интензитет в широка спектрална област, идеална колимация, висока поляризация и др.
Предимствата на рентгеновата литография включват: висока разделителна способност, независимо от вида на съпротивлението, минималният размер може да бъде 50 nm при използване на лъчение от медна мишена, за алуминиева мишена - около 100 nm;
няма контакт на шаблона с резиста, което намалява нивото на дефекти и увеличава експлоатационния живот на шаблоните;
нечувствителност към замърсители, тъй като те не абсорбират рентгенови лъчи и не се предават на чертежапротивопоставям се.
Два от най-критичните проблеми на рентгеновата литография са трудността при производството на шаблони с добро качество (шаблоните са крехки и могат да изкривят изображението поради наличието на механични напрежения в тях), както и относително високата цена на интензивни меки рентгенови източници. Най-голямата привлекателност на рентгеновата литография е комбинацията от висока разделителна способност и висока производителност. Рентгеновата литография ви позволява да получите разделителна способност от 50 nm. В близкоконтактен режим се получава разделителна способност от 30 nm.