Устройство для рентгеновской литографии - RU2187160C1

Чертежи

Описание

Изобретение относится к применяемым в микроэлектронике средствам для рентгеновской контактной литографии, более конкретно к устройствам для литографии, использующим рентгеновские линзы для формирования квазипараллельного пучка рентгеновского излучения.

Первая информация о таких устройствах относится к концу 80-х годов. Так, в сборнике "Тезисы докладов III Всесоюзной конференции по излучению релятивистских частиц в кристаллах. 25-30 мая 1988 г." (Нальчик, 1988) [1] помещен ряд работ, описывающих применение рентгеновских линз в устройствах для литографии. В случае источника расходящегося рентгеновского излучения эти устройства содержат линзу, преобразующую излучение такого источника в квазипараллельное, направляемое через маску на резист, нанесенный на подложку. Упомянутая линза содержит множество каналов транспортировки излучения, изогнутых по бочкообразным образующим. При транспортировке излучения используется явление многократного полного внешнего отражения от стенок каналов. В целом линза для преобразования расходящегося излучения в квазипараллельное имеет форму полубочки и получила название полулинзы (в отличие от полной линзы, осуществляющей фокусирование расходящегося рентгеновского излучения и напоминающей по форме бочку).

В обзоре "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. 345-348, приведена более полная информация об устройствах для рентгеновской литографии, содержащая в явном виде все упомянутые выше элементы таких устройств.

Недостатком описанных устройств является неравномерная (спадающая к периферии выходного торца полулинзы) интенсивность излучения, падающего на маску. Это приводит к необходимости применения фильтров для поглощения "избыточного" излучения в центре сечения выходного пучка линзы. Такой путь решения данной задачи был указан еще в [1], однако структура устройства в целом, содержащего упомянутый фильтр, описана в патенте США 5175755 [3], опубликованном 29.12.92. В этом патенте описывается размещение поглощающего фильтра после полулинзы (до или после маски).

Второй из названных вариантов размещения поглощающего фильтра явно неудачен, так как в этом варианте на маску, представляющую собой дорогостоящий прецизионный элемент, в центральной ее части воздействует излучение с заведомо избыточной интенсивностью, что ускоряет разрушение маски. Кроме того, в этом варианте в большей степени проявляется влияние фактической непараллельности выходного излучения полулинзы. Наличие расходимости этого излучения обусловливает тем большую размытость теневого изображения после маски, чем больше расстояние от маски. Размещение фильтра после маски с неизбежностью увеличивает это расстояние.

Первый вариант (размещение фильтра между полулинзой и маской) более предпочтителен. Однако и в нем излучение, избыточная интенсивность которого подлежит ослаблению, проходит через другой дорогостоящий элемент устройства - рентгеновскую полулинзу, что ускоряет его старение.

Влияние названных факторов приводит к тому, что на практике приходится отказываться от использования поглощающих фильтров, в особенности если требуется "сглаживать" большую разницу между интенсивностью излучения в центральной и периферийных частях поперечного сечения выходного пучка, когда интенсивность излучения, транспортируемого по центральным каналам линзы, намного больше интенсивности излучения после фильтра. Это, в свою очередь, приводит к необходимости использования сравнительно "тонких" линз, чтобы указанная разница была небольшой. Такие линзы имеют небольшой угол захвата излучения, выходящего из источника.

Еще одним из факторов, стимулирующих применение в рентгеновской литографии "тонких" линз, имеющих сравнительно небольшой угол захвата, является информация о резком падении коэффициента трансмиссии линзы при угле поворота излучения (в случае полулинзы он равен половине угла захвата), превышающем некоторое граничное значение. Так, согласно расчетам, результаты которых приведены в [2, с. 318], это значение составляет 0,3-0,4 радиана. Известность данного явления породила устоявшееся мнение, что дальнейшее увеличение угла захвата не может дать ощутимого вклада в интегральную интенсивность выходного пучка. Необходимость же подавления интенсивности излучения в центре пучка для "выравнивания" ее с низким периферийным уровнем выступает как кажущийся убедительным фактор, делающий еще более очевидной нецелесообразность использования небольшого угла захвата при литографии.

Так, например, в работе 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 [4] описаны реальные литографические устройства с углом захвата полулинзы от 0,15 до 0,3 радиана. Такие полулинзы захватывают не более 1 - 2 % излучения изотропного источника.

Другим следствием использования "тонких" полулинз является небольшое поперечное сечение выходного пучка, что позволяет "освещать" лишь малую часть площади подложки с нанесенным на нее резистом. Для обработки всей площади приходится прибегать к пошаговому облучению ("степпированию"). Несмотря на использование для этого специальных высокоточных устройств не удается полностью избежать погрешностей, вызванных неточным сопряжением соседних зон облучения.

Предлагаемое изобретение направлено на получение технического результата, заключающегося в повышении эффективности использования излучения источника при одновременном увеличении обрабатываемой площади пластины и повышении долговечности линзы. Достижение этого технического результата обеспечивается благодаря сочетанию двух приемов: размещения поглощающего фильтра между источником и полулинзой и выполнения полулинзы с увеличенным углом захвата. Для последнего выявлено существование оптимального значения, значительно превышающего указанные выше граничные значения и зависящего от энергии используемого излучения и свойств материала отражающих поверхностей каналов полулинзы (т.е. материала, из которого выполнены сами каналы, если они не имеют покрытия, либо материала покрытия при его наличии). В интервале энергий используемого излучения от 0,6 кэВ до, по меньшей мере, 6 кэВ оптимальное значение угла захвата зависит только от энергии излучения. Материал, из которого выполнена отражающая поверхность каналов, может быть любым, пригодным с технологической точки зрения для изготовления каналов рентгеновской линзы или покрытия их внутренней поверхности, при условии, что он содержит лишь легкие элементы (с атомным номером не более 22).

Предлагаемое устройство для контактной литографии содержит, как и названное выше наиболее близкое к нему известное устройство по патенту США 5175755, источник мягкого рентгеновского излучения, полулинзу для преобразования расходящегося излучения этого источника в квазипараллельное, имеющую множество каналов транспортировки излучения с полным внешним отражением, ориентированных по образующим бочкообразных поверхностей, средства для размещения маски и подложки с нанесенным на нее резистом, расположенные со стороны выходного торца полулинзы, и поглощающий фильтр для сглаживания неравномерности интенсивности пучка выходного излучения полулинзы, проявляющейся в уменьшении интенсивности по мере удаления от центра к периферии пучка.

В отличие от известного в предлагаемом устройстве поглощающий фильтр размещен между источником излучения и входным торцом полулинзы, а соотношение ее поперечных размеров и фокусного расстояния со стороны входа выбрано из условия обеспечения угла захвата излучения источника, находящегося в пределах:
0,7/Е^1,5≤Ψ≤1,3/Е^1,5, (1)
где Ψ - угол захвата [рад];
Е - энергия излучения используемого источника [кэВ],
при этом материал отражающей поверхности каналов транспортировки излучения содержит элементы с атомным номером не более 22, а энергия излучения используемого источника составляет 0,6-6 кэВ.

Соотношение (1) является эмпирическим, поэтому для получения правильного результата входящие в него величины должны быть выражены в приведенных выше единицах.

Предпочтительным является использование в качестве источника мягкого рентгеновского излучения рентгеновской трубки с вращающимся анодом.

Предлагаемое изобретение иллюстрируется чертежами, где
- на фиг.1 показано взаимное размещение элементов устройства для литографии;
- на фиг.2 представлены основные конструктивные размеры используемой в устройстве полулинзы.

Устройство для рентгеновской литографии содержит источник расходящегося мягкого рентгеновского излучения 1, выходная апертура которого расположена в фокусе полулинзы 2. Со стороны выходного (правого по фиг.1) торца полулинзы 2 расположено средство (не показанное на чертеже) для размещения маски 3, установленное таким образом, чтобы плоскость маски 3 была параллельна выходному торцу полулинзы 2, т.е. перпендикулярна продольной оси полулинзы и осевой линии сформированного полулинзой выходного квазипараллельного пучка излучения.

За средством для размещения маски расположено средство (не показанное на чертеже) для размещения подложки 4 с нанесенным на нее слоем резиста 5. Средство для размещения подложки должно быть установлено таким образом, чтобы плоскость резиста была параллельна плоскости маски и находилась на минимально возможном расстоянии от нее.

Между источником 1 и входным торцом полулинзы 2 размещен поглощающий фильтр 6. Поглощающий фильтр 6 представляет собой изделие из поглощающего рентгеновское излучение материала в виде тела вращения относительно оси, совмещенной с продольной осью полулинзы. Толщина поглощающего фильтра 6 минимальна в периферийной его части и увеличивается по мере приближения к центральной части (прилегающей к оси симметрии). Закон изменения толщины поглощающего фильтра 6 как функция расстояния от оси симметрии (упомянутой оси вращения, совмещаемой при установке фильтра с продольной осью линзы 2) подбирают таким образом, чтобы получить равномерную по поперечному сечению интенсивность пучка на выходе полулинзы. При проведении такого подбора в процессе изготовления устройства осуществляют с помощью тех или иных средств детектирования контроль распределения интенсивности излучения по поперечному сечению выходного пучка конкретной полулинзы, предназначенной для использования в данном устройстве для литографии. Упомянутый закон изменения толщины поглощающего фильтра имеет характер, близкий к экспоненциальному. Такой фильтр может быть выполнен, в частности, в виде подложки из легкого металла (например, алюминия), покрытой слоем более тяжелого металла (например, меди или свинца) с уменьшающейся к периферии толщиной.

Предлагаемое устройство для рентгеновской литографии работает следующим образом.

Расходящееся излучение источника 1, проходя через поглощающий фильтр 6, ослабляется им в зависимости от угла отклонения от продольной оси полулинзы 2 обратно пропорционально предстоящему ослаблению при прохождении по каналам полулинзы. Полулинза 2 преобразует расходящийся входной пучок излучения в квазипараллельный. Благодаря указанному выше характеру ослабления входного излучения выходное излучение имеет распределение интенсивности по поперечному сечению пучка, близкое к равномерному (практически допустимая неравномерность составляет 5-10%). Это излучение, проходя через прозрачные участки маски 3, попадает на резист 5, нанесенный на подлежащую обработке поверхность подложки 4. В результате воздействия рентгеновского излучения на чувствительный к нему резист возникают "окна" (свободные от резиста участки обрабатываемой поверхности подложки), которые образуют рисунок, повторяющий рисунок маски 3.

С точки зрения точности воспроизведения этого рисунка существенное значение имеют фактическая расходимость выходного квазипараллельного излучения полулинзы 2 и расстояние между маской и резистом, так как размытость рисунка имеет порядок
δ ≈ d•Δθ, (2)
где d - расстояние между маской 3 и резистом 5,
Δθ - угол расходимости квазипараллельного выходного излучения полулинзы 2.

В дальнейшем подложка 4 подвергается травлению, при котором травитель воздействует на обрабатываемую поверхность через "окна" в резисте 5 и не воздействует на другие участки, на которых сохранился слой устойчивого к травителю резиста. В целом этот этап технологического процесса не отличается от традиционного (см. , например, Энциклопедический словарь "Электроника". М.: "Советская энциклопедия", 1991, с. 254-256) [5].

Как уже отмечалось при раскрытии изобретения, размещение поглощающего фильтра 6 на пути излучений источника 1 к линзе 2 защищает линзу от избыточного излучения. В экспериментах, проводившихся при рассматриваемых ниже значениях мощности источника 1, в отсутствие поглощающего фильтра перед входным торцом полулинзы наблюдалось даже его оплавление. Поглощающий фильтр не имеет такой тонкой структуры, как рентгеновская полулинза, и термически гораздо более прочен. Кроме того, это простой и недорогой элемент, который может периодически заменяться.

Предлагаемое размещение поглощающего фильтра позволяет также исключить воздействие возникающего в нем вторичного рассеянного излучения на резист. При размещении поглощающего фильтра на выходе полулинзы 2 это излучение вызывало бы гораздо большую размытость, чем размытость, определяемая по формуле (2), так как оно не является квазипараллельным и его расходимость не ограничена малым углом Δθ и может достигать 90^o.

Проведем оценочные расчеты возможных показателей и основных конструктивных параметров предлагаемого устройства для рентгеновской литографии.

В настоящее время достигнут диаметр пластин-подложек около 30 см, т.е. площадь около 750 см² . Если исходить из желаемой производительности обработки 10 таких пластин в час, то подлежащая обработке площадь составит 7500 см². Чувствительность современных рентгенорезистов имеет порядок 20 мДж/см². Это означает, что в течение 1 часа на резист должно быть доставлено 7500•20= 150000 мДж= 150 Дж энергии рентгеновского излучения. Коэффициент преобразования мощности, потребляемой рентгеновской трубкой, в рентгеновское излучение определяется формулой
g=k(U-U_k)^1,5, (3)
где k≈10^-4 (для рентгеновского излучения с энергией квантов в рассматриваемом диапазоне);
U_k - потенциал ионизации рассматриваемого характеристического излучения [кВ];
U - напряжение на трубке [кВ].

Например, для Кα излучения алюминия (Е≈1,5 кэВ) при U-U_k=30 кВ получаем g= 1,65•10^-2, т.е. коэффициент преобразования имеет порядок 1%. В настоящее время промышленностью выпускаются рентгеновские трубки с потребляемой мощностью 200 кВт и более. Будем исходить из использования трубки не самой большой мощности и примем ее равной 30 кВт, имея в виду трубку с вращающимся анодом. Такие трубки могут работать без ремонта в течение 10000 часов, причем требуемый ремонт, как показывает опыт их эксплуатации, незначителен. Их габариты и вес невелики. При указанной мощности трубки можно получить мощность рентгеновского излучения 30•1,65•10^-2=0,495 кВт≈0,5 кВт.

При этом нужно учесть, что, по крайней мере, половина этой энергии поглощается в самом вращающемся аноде. Еще около 30% приходится на жесткую часть излучения, которую нужно отфильтровать (такая фильтрация осуществляется в линзе; см., например: М.А.Кумахов. Излучение каналированных частиц в кристаллах. М.: Энергоатомиздат, 1986, стр. 42) [6]. Итого из упомянутых 0,5 кВт только примерно 100 Вт будут представлять собой полезную мощность, излучаемую рентгеновской трубкой с вращающимся анодом. Однако эта энергия излучается в телесном угле 4π.

Стенки каналов транспортировки излучения полулинзы 2 выполнены из легких металлов или их окислов, легких стекол и т.п. материалов для обеспечения хорошего отражения и малого поглощения используемого мягкого рентгеновского излучения в диапазоне энергий 1-5 кэВ (если внутренняя поверхность каналов имеет покрытие, то сказанное относится к материалу покрытия). Пригодны любые материалы, содержащие элементы с атомным весом не более 22, приемлемые с технологической точки зрения для изготовления капиллярных линз. Полулинзу 2 изготавливают из поликапилляров или в виде монолитной линзы по технологии, описанной в работе: 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 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 энергии излучения Е=1 кэВ по формуле (1) находим 0,7≤ Ψ≤1,3.

Примем Ψ = 60^o ≈ 1 радиан. При выбранном значении Ψ = 60^o полулинза захватывает около 10% изотропно расходящегося излучения трубки, т.е. примерно 10 Вт. При угле поворота излучения 30^o, соответствующем углу захвата 60^o, которое имеет место в периферийных каналах линзы, только около 5% энергии передается на выход канала. Для более близких к продольной оси полулинзы каналов избыток энергии должен быть поглощен фильтром 6 еще до входа излучения в эти каналы. Таким образом, нужно исходить из того, что только 5% энергии, заключенной в угле захвата полулинзы, достигает ее выхода и создает приблизительно равномерный в поперечном сечении квазипараллельный пучок.

Это означает, что в секунду на маску падает 5•10^-2•10 Дж=0,5 Дж=500 мДж. Выше мы получили, что необходимо иметь 150 Дж в час, т.е. примерно 40 мДж в секунду. Таким образом, рассмотренная система с трубкой мощностью 30 кВт и полулинзой, имеющей угол захвата 60^o, с запасом удовлетворяет принятым требованиям с точки зрения энергетики литографического процесса.

Для основных конструктивных размеров полулинзы (фиг.2) можно получить следующие формулы на основе соотношений, приведенных в работе V.A.Arkadiev, M.A.Kumakhov. Concentration of synchrotron radiation with capillary focusing systems. Optic of beams, pp. 43-50. Institute for Roentgen Optical Systems. Moscow, 1993.

f=h/2tg(ψ/2), (4)
h=H-2L[1-cos(ψ/2)]/sin(ψ/2), (5)
R=L/sin(ψ/2), (6)
где ψ - угол захвата излучения;
f - фокусное расстояние;
h - диаметр полулинзы со стороны входа;
H - диаметр полулинзы со стороны выхода;
L - длина полулинзы;
R - радиус кривизны канала, наиболее удаленного от оптической оси полулинзы.

При сделанных предположениях, согласно которым диаметр пластины-подложки составляет 30 см, выходной диаметр полулинзы должен быть примерно таким же, т. е. Н=30 см. Примем, что длина полулинзы тоже равна 30 см. С учетом этого для определенного выше значения угла захвата ψ = 60^o по формулам (4)-(6) находим значения остальных размеров:
диаметр полулинзы со стороны входа h=13,8 см,
фокусное расстояние f=11,9 см,
радиус кривизны канала, наиболее удаленного от оптической оси полулинзы R=60 см.

Для оценки размытости передаваемого на резист изображения маски учтем два фактора, определяющих расходимость выходного излучения полулинзы 2. Первым фактором является расходимость излучения на входе каждого из каналов полулинзы, имеющая порядок
Δθ₁ = l₀/f, (7)
где l₀ - размер апертуры рентгеновского источника,
f - фокусное расстояние полулинзы 2.

Вторым фактором является непараллельность первоначально параллельных лучей после их отражения от искривленной стенки канала. В максимальной степени влияние этого фактора проявляется для периферийных каналов, имеющих наибольшую кривизну (наименьший радиус кривизны), и для наиболее удаленных один от другого (т. е. на расстояние, равное диаметру d₀ канала) входных лучей. Вызванная этим фактором расходимость выходного излучения равна
Δθ₂ = (2d₀/R)^1/2, (8)
где d₀ - диаметр канала транспортировки излучения,
R - радиус кривизны канала, наиболее удаленного от оптической оси полулинзы.

Для определения результирующей расходимости, учитывая случайный и независимый характер влияния названных факторов, сложим квадратически расходимости, определяемые формулами (7) и (8):

При такой расходимости и типичном значении расстояния между маской 3 и слоем резиста d= 20 микрон размытость изображения, определяемая по формуле (2), имеет порядок δ = 0,2 микрон.

Полученные результаты свидетельствуют о том, что с помощью предлагаемого устройства может быть реализовано субмикронное разрешение при использовании пластин-подложек больших (до 30 см) размеров без степпирования и производительности обработки до 10 пластин в час.

При энергии излучения более 1 кэВ становится возможным использование резистов толщиной до 1 мм с реализацией пространственных структур на основе LIGA-технологии.

Источники информации
1. Тезисы докладов III Всесоюзной конференции по излучению релятивистских частиц в кристаллах. 25-30 мая 1988 г. (Нальчик, 1988).

2. 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.

3. Патент США 5175755 (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". М.: "Советская энциклопедия", 1991, с. 254-256.

6. М.А.Кумахов. Излучение каналированных частиц в кристаллах. М.: 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 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).

8. V. A. Arkadiev, M.A.Kumakhov. Concentration of synchrotron radiation with capillary focusing systems. Optic of beams, pp. 43-50. Institute for Roentgen Optical Systems. Moscow, 1993.

Реферат

Изобретение относится к устройствам для контактной литографии. Устройство содержит источник мягкого рентгеновского излучения (1), полулинзу (2), маску (3), подложку (4) с нанесенным на нее резистом (5) и поглощающий фильтр (6). Источник (1) выполнен предпочтительно в виде рентгеновской трубки с вращающимся анодом. Полулинза (2) имеет множество каналов транспортировки излучения с полным внешним отражением. Каналы ориентированы по образующим бочкообразных поверхностей. Полулинза служит для преобразования расходящегося излучения источника (1) в квазипараллельное. Средства для размещения маски (3) и подложки (4) расположены со стороны выходного торца полулинзы. Поглощающий фильтр служит для сглаживания неравномерности интенсивности пучка выходного излучения полулинзы. Фильтр размещен между источником (1) и входным торцом полулинзы. Соотношение поперечных размеров полулинзы и ее фокусного расстояния со стороны входа выбрано из условия обеспечения угла захвата излучения источника, находящегося в пределах 0,7/Е^1,5≤ψ≤1,3/Е^1,5, где ψ - угол захвата излучения, рад; Е - энергия излучения используемого источника, кэВ. При этом материал отражающей поверхности каналов транспортировки излучения содержит элементы с атомным номером не более 22. Энергия излучения источника (1) составляет 0, 6-6 кэВ. Технический результат: повышение эффективности использования излучения источника при одновременном увеличении обрабатываемой площади пластины-подложки и повышение долговечности линзы. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Формула