Настоящее и будущее технологии.

На рис. 9 дано графическое представление развития новей­ших литографических методов по основному параметру — разреша­ющей способности. Здесь показаны исторические тенденции умень­шения ширины линий для производственных и лабораторных усло­вий, а также прогнозы на будущее.

Первые эксперименты, подтвердившие возможности применения электронно-лучевой литографии для создания рисунка с высокой разрешающей способностью, были, проведены в 1966—1970 гг.

За прошедшие 10 лет этот метод быстро развивался. В США развитие электронно-лучевой литографии происходило главным образом в частном секторе — от лабораторного уровня до современного состо­яния, позволившего начать промышленное применение метода. Ряд фирм использует для фотолитографии шаблоны, выполняемые с помощью ЭЛЛ. Одна фирма применяет ЭЛЛ на полупроводнико­вых пластинах с проектной нормой размеров элементов топологиче­ского рисунка 2 мкм. Работы по электронно-лучевой литографии сосредоточены не более чем на 12 промышленных предприятиях во всем мире.

Исследовательские группы разработали программы по технологическим процессам, приборам и оборудованию для ЭЛЛ. для собственных нужд, хотя в отдельных случаях продают лицензии и оборудование.

Из пяти-шести фирм в США, занимающихся про­блемами ЭЛЛ, только одна или две специализируются на произ­водстве полупроводниковых приборов; прочие же фирмы ориенти­руются на разработку электронно-лучевых систем. Учитывая, что одним из первых применений электронно-лучевого экспонирования резиста на полупроводниковых пластинах будет изготовление за­казных приборов и схем, активность фирм, разрабатывающих сис­темы, вполне понятна.

Большое внимание уделялось разработкам технологических процессов, совместимых с электронно-лучевой литографией, и для определенных полупроводниковых приборов отработан полный тех­нологический цикл. Создание электронно-литографического обору­дования идет в направлении существенной модификации промыш­ленных образцов электронных микроскопов и разработки установок на заказ. Имеются два класса установок, выпускаемых на прода­жу. К одному классу относятся установки для изготовления шаблонов с шириной линий 1—5 мкм для дальнейшего фотолитографи­ческого репродуцирования — путем контактной или проекционной печати.

Установки другого класса предназначены для экспониро­вания резиста на пластинах при изготовлении экспериментальных приборов. В продажу выпущены полностью укомплектованные элек­тронно-лучевые установки для изготовления хромированных эта­лонных шаблонов с размерами рабочего поля 76X76 мм; время формирования рисунка шаблона составляет примерно 45 мин., следовательно, первым значительным применением техноло­гии ЭЛЛ с управлением от ЭВМ становится изготовление шабло­нов для многих фирм, выпускающих полупроводниковые приборы и интегральные схемы.

Уже несколько фирм приобрели такое обо­рудование и производят шаблоны на продажу. Второй путь применения электронно-лучевой литографии со­стоит в экспонировании резиста на полупроводниковых пластинах с разрешающей способностью лучше 1 мкм для изготовления экспе­риментальных приборов и малосерийного выпуска приборов, а так­же для изготовления шаблонов с высокой разрешающей способ­ностью. В лабораториях используют ЭЛУ с предельной разрешаю­щей способностью 0,1 мкм и реальной 0,5 мкм. Электронно-лучевое экспонирование резиста на пластинах применяют при разработке приборов с субмикронными размерами элементов, включая СВЧ по­левые транзисторы, ПЗС, ЗУ на ЦМД, фильтры на ПАВ и схемы со средним уровнем интеграции.

Поскольку, по крайней мере, в тече­ние нескольких лет приборы этих типов в больших количествах не потребуются, их можно выпускать по нескольку тысяч в год непо­средственно с помощью электронно-лучевой литографии, без репро­дуцирования. Известно, что одна фирма применяет электронно-луче­вое экспонирование резиста на подложках для формирования ри­сунков с разрешающей способностью 2,5 мкм при изготовлении интегральных схем.

Существуют, по крайней мере, четыре варианта репродуцирова­ния с высокой разрешающей способностью. Когда по­требуются в больших объемах приборы с шириной линий менее 1 мкм, появится необходимость в экономичном и технически реальном литографическом процессе для групповой обработки. Этот процесс должен обеспечивать необходимую разрешающую способность, точность совмещения и хорошую воспроизводимость в сочетании со значительным снижением стоимости операций по сравнению с прямым электронно-лучевым экспонированием резис­та на пластинах (в пересчете на один прибор). Последнее условие означает значительное увеличение производительности; оборудова­ние для репродуцирования должно быть много дешевле (в том числе в обслуживании), чем установка электронно-лучевого экспо­нирования.

В настоящее время еще рано прогнозировать, какой именно вариант будет отвечать перечисленным требованиям. По-видимому, для всех методов репродуцирования потребуется последовательное экспонирование (с пошаговым перемещением и промежуточным совмещением) полей с размерами не более 1X1 см, если искривление (неплоскостность) пластин не удастся уменьшить до уровня, приемлемого для многократного совмещения рисунков *с субмикронными размерами элементов сразу на всей площади пластины. Следовательно, концепция репродуцирования рисунка с субмикронными размерами элементов сразу на всей площади плас­тины представляется нереальной, а это означает существенное уве­личение времени процесса литографии.

Основное преимущество электронно-лучевой литографии состо­ит в повышении разрешающей способности, однако существуют не­которые другие выигрышные факторы технического и экономиче­ского характера. Так, возможно ускорение изготовления шаблонов для фотолитографии с размерами элементов рисунка 1—5 мкм. Цикл изготовления шаблона может составить всего 1—2 дня по сравнению с шестью неделями, которые обычно тратятся на вы­черчивание, фотографирование с уменьшением, мультиплицирова­ние на фотоповторителе и т. д.

Возможность создавать рисунки с высокой разрешающей способностью методом последовательного электронно-лучевого экспонирования (с промежуточным совмеще­нием для каждого отдельного поля сканирования) позволяет ре­шить проблемы, обусловленные искривлением (неплоскостностью) пластин. Применение электронно-лучевой литографии позволяет улучшить воспроизводимость ширины линий, точность размещения элементов рисунка и точность совмещения нового рисунка с ранее сформированными на пластине элементами, что весьма важно для увеличения плотности размещения компонентов в интегральных схемах.

Многие из названных достоинств обусловлены тем, что движение электронного луча программируется и управляется с по­мощью ЭВМ; важно подчеркнуть, что эти преимущества не зависят -от разрешающей способности и применимы для приборов с разме­рами элементов как в интервале 1—5 мкм, так и в субмикронном, диапазоне. Возможность создания топологических рисунков с по­мощью ЭВМ и изменения их путем простой модификации программ может сделать малосерийное производство интегральных схем (на­пример, заказных) более экономичным.

Успех применения ЭЛЛ будет определяться двумя факторами — экономичностью (необходимостью в приборе, для изготовления ко­торого требуется литография с высокой разрешающей способно­стью, и возможностью изготовления этих приборов с приемлемыми. затратами) и наличием на предприятиях микроэлектронной про­мышленности соответствующего оборудования, надежного и удоб­ного в эксплуатации, также экономически приемлемого. Ясно, что эти условия выполняются в производстве фотошаблонов с использованием электронно-лучевой литографии; возможности более ши­рокого использования ЭЛЛ должны выясниться в ближайшие не­сколько лет.

На рис. 10 дан прогноз повышения разрешающей способности ЭЛЛ (две штриховые линии внизу). Усовершенствование оборудо­вания— применение катодов с полевой эмиссией — позволит до­вести минимальную ширину линий до 10 нм. Самая нижняя кривая на рис. 10 (новые методы экспонирования) выражает всего лишь, надежды на какие-либо новаторские разработки, на создание ка­кой-либо новой технологии литографии. Возможно, такая техноло­гия будет использовать сфокусированный ионный пучок аналогично* управляемому от ЭВМ электронному лучу [55]. Ионы отражаются от пластины в значительно меньшей степени, чем электроны; следо­вательно, уширение линий под действием этого эффекта будет много меньше.

Основная сложность в осуществлении этого процесса будет состоять в получении большой интенсивности ионного пуч­ка и электростатической фокусировке пучка. Наконец, следует выделить три важных аспекта. Один из них касается вопросов, не рассматриваемых в настоящей книге, но на­сущных для будущего использования литографии с высокой разре­шающей способностью. К ним относятся испытания и проектирова­ние интегральных схем с большой плотностью размещения компо­нентов. В настоящее время исследуют пути испытаний таких инте­гральных схем с помощью электронного луча и это может дать тол­чок к развитию оборудования электронно-лучевой литографии.

Да­лее, при уровне интеграции 10⁵—10⁷ приборов на одной пластине их оптимальная организация может фундаментально отличаться от той, которая используется в настоящее время для обеспечения наи­большего объема памяти или объема информации на единицу сто­имости. Оптимизация конструкции сложных схем потребует наибо­лее тонких методов машинного проектирования. На практике спо­собность разработки схем с очень высоким уровнем интеграции и знание возможностей применения этих схем в системах могут на­кладывать временные ограничения в этой области, не связанные с- процессом изготовления. Для решения подобных проблем может пригодиться электронно-лучевая технология.

Второй аспект — применение новой, комплексной технологии — потребует большого числа специалистов с высокой профессиональ­ной подготовкой. И наконец, разработка процесса литографии с высокой разрешающей способностью для использования в промыш­ленных масштабах потребует не только подготовки персонала и приобретения оборудования. Предприятие должно быть подготов­лено не просто к значительным капитальным затратам на обору­дование, но к разработке и внедрению принципиально новой после­довательности операций и технологических процессов, характеризу­ющихся необходимой совместимостью.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

Совершенно очевидно, что электронно-лучевая литография не может просто заменить фотолитографию — слишком велика разни­ца в процессах химической обработки, методах переноса рисунка и способах совмещения. Миниатюризация электронных устройств приводит к необходимости изменения всей их структуры. Из ска­занного следует, что внедрение в производство ЭЛЛ приведет к существенным изменениям технологического цикла в целом.

Высокие требования к разрешающей способности усложняют применение ЭЛЛ. Например, существуют тонкие краевые эффек­ты, проявляющиеся в зависимости от метода травления. Их необ­ходимо учитывать при формировании рисунка. Эта задача весьма актуальна при стремлении разработчиков ИС к увеличению от­ношения высоты к ширине топологических элементов. Кроме того, для сохранения процента выхода годных необходимо, чтобы точ­ность совмещения и воспроизведения ширины линий росла про­порционально уменьшению размеров элементов. Даже небольшие флуктуации дозы облучения или небольшие изменения условий проявления резиста могут привести к изменению как профиля эле­ментов топологии, так и ширины линий.

Многие задачи этого круга уже решены. Размещение на кри­сталле тестовых структур позволило оперативно корректировать режим экспонирования, степень пере- или недопроявления, а так­же точность совмещения.

Созданы резисты, совместимые с различными методами пере­носа изображения. Для обеспечения высокой точности совмеще­ния разработаны несколько типов меток совмещения и множество алгоритмов выполнения этой операции. Разработаны также под­робные алгоритмы всего процесса с учетом особенностей и разли­чий отдельных этапов.

В настоящей главе обсуждены некоторые методы электронно­лучевой литографии, описаны способы построения массивов дан­ных о топологии и рассмотрены методы состыковки полей скани­рования при изготовлении ИС с большой площадью кристалла.

Обзор электронных устройств, выполняемых методами ЭЛЛ, иллюстрирует диапазон возможностей этого технологического ме­тода. К этим устройствам относятся биполярные и МДП-транзисторы, приборы на ПАВ, ЦМД, ИС. При их производстве возни­кают проблемы специфического характера, поддающиеся, впрочем, разрешению. Установлено, что облучение электронами влияет на параметры изготавливаемых изделий, однако термическая обра­ботка устраняет этот эффект.

Все сказанное преследовало цель показать возможность приме­нения электронно-лучевой литографии в разных областях произ­водства изделий электронной техники. Исследования готовых при­боров выявили новые закономерности, свойственные устройствам с малыми размерами элементов. Практически все опытные образ­цы приборов, сделанные с помощью ЭЛЛ, имеют преимущество перед обычными по быстродействию и потребляемой мощности. Это обстоятельство содействует росту интереса к ЭЛЛ, подтверждаемому большим числом работ, опубликованных в последние несколько лет.