Материал: Специальные вопросы микро- и нанотехнологий. Стогней О.В., Трегубов И.М

20 нм соответственно. Минимальный размер определяется тем, что квантовая точка должна иметь хотя бы один энергетический уровень; максимальный размер определяется необходимостью выполнения условия кТ << Е2 - Е1, где Е2 и Е1 это значения энергии двух соседних уровней.

Вопросы к разделу 3

1.Что такое эпитаксия? Какие объекты получают в результате эпитаксиальных процессов?

2.Перечислить основные особенности молекулярно-лучевой эпитаксии.

3.В какой газовой среде происходит процесс осаждения при

МЛЭ?

4.Какие объекты получают с помощью МЛЭ? В чём их особенность? За счёт чего это достигается?

5.Перечислить достоинства технологии МЛЭ?

6.Что такое квантовая точка?

7.Каковы условия реализации послойного механизма роста (Франка-Ван дер Мерве) тонких плёнок?

8.Каковы условия реализации островкового механизма роста (Фольмера-Вебера) тонких плёнок?

9.В чем особенность роста тонких плёнок по механизму Кра- станова-Странского?

10.Опишите процесс формирования квантовых точек в случае использования принципа самоорганизации.

30

4. НАНОЛИТОГРАФИЯ

Основным методом литографии в технологии ИМС в н а- стоящее время всё ещё остается фотолитография - фотохимический метод микрогравировки. Кроме оптической литографии используются также рентгено-, электроно- и ионолитография. Это, так называемые, традиционные, лучевые методы литографии. Эти методы позволили перейти к наномасштабам в серийном производстве ИМС. Одновременно выявились реальные пределы возможности использования отлаженных методов фотолитографии в наноэлектронике, что привело к широкому поиску новых решений, которые могли бы обеспечить дальнейший прогресс в микро- и нанолитографии. С 1990-х гг. стали развиваться нелучевые методы литографии, основанные на иных подходах. Согласно прогнозам, новые методы позволят освоить всю нанообласть в массовом производстве интегральных электронных устройств с наноразмерными элементами. Однако в настоящее время еще не ясно, какие из разрабатываемых методов литографии выдержат конкурентную борьбу и станут основными в полномасштабном производстве.

4.1. Оптическая литография (фотолитография)

Оптическая литография разделяется на контактную и проекционную. В первом случае фотошаблон плотно прилегает к слою фоторезиста (см. рис. 2.2 в), а во втором - изображение фотошаблона (маски) проектируется на поверхность фоторезиста с помощью специальной оптической системы. Простота контактного способа обеспечила методу фотолитографии широкое применение в микроэлектронной области. Для наноэлектроники предпочтителен проекционный вариант, так как позволяет получить более высокое разрешение. Именно этот вариант описывается далее.

31

Разрешающая способность. Разрешающей способностью метода фотолитографии называется число линий N одинаковой ширины amin, разделенных промежутками той же ширины, которое можно получить на 1 мм поверхности резиста:

(4.1)

где amin выражено в мкм. На практике разрешающую способность характеризуют также значением amin. В дальнейшем

под разрешающей способностью будет подразумеваться величина amin. Эта величина определяет минимальные топологические размеры элементов ИМС δ.

Фотолитография имеет физический предел разрешающей способности, определяемый для проекционной системы дифракционным критерием Рэлея, при выполнении которого изображения двух близкорасположенных точек видны раздельно:

(4.2)

где k - коэффициент пропорциональности, λ - длина волны излучения, п - показатель преломления среды, θ - половина апертурного угла выхода (рис. 4.1). Величина n sinθ называет-

ся числовой апертурой. Значения k различны для различных λ и резистов (k ~ 0,3-0,6 для УФ-излучения). Проекционная система обычно работает с уменьшением рисунка шаблона (обычно 4:1). Из соотношения (4.2) видно, что amin уменьшается при использовании более коротковолнового излучения и объектива с большей числовой апертурой (увеличение числовой апертуры достигается за счет уменьшения размера экспонируемого поля). Кроме того, на величину amin влияет еще ряд факторов: качество резистов и шаблонов, плоскостность пластин и другие.

32

Рис. 4.1. Взаимное расположение элементов проекционной оптической системы

Чем меньше λ, тем более мелкие детали могут быть перенесены на пластину. Согласно эмпирическому правилу, при

данной длине волны λ можно отобразить детали размером до

λ/2. Следует отметить, что если не применяются меры по улучшению качества изображения (например, фазосдвигающие маски и высококонтрастные резисты), то возможно воспроизведение лишь деталей размером в два-три раза больше величины amin определяемой соотношением (4.2).

До 2003 г. в фотолитографии наиболее широко исполь-

зовалась длина волны λ = 248 нм излучения KrF- эксимерного лазера, чему соответствует amin ~ 120 нм. Сейчас производители чипов переходят на использование излучения ArFэксимерного

лазера с λ = 193 нм. Например, крупнейшая компания, производящая чипы (чип-мейкер), Intel с 2003 г. производит ИМС с

элементами размером 90 нм, используя λ = 193 нм.

В настоящее время переходят к излучению эксимерного

лазера на основе молекул фтора (λ = 157 нм, amin ~ 70 нм). Однако кварцевые линзы уже не прозрачны для этой длины вол-

ны. Необходимы линзы из CaF2 - менее прочного, не устойчивого к внешним взаимодействиям и более дорогого материала.

Для λ < 150 нм уже нет прозрачных материалов, и при даль-

нейшем уменьшении λ неизбежен переход на зеркальную оптику с полной заменой литографического оборудования, что требует значительных затрат.

33

Так как метод фотолитографии имеет высокую техникоэкономическую эффективность и степень отработанности, полупроводниковая промышленность стремится использовать этот метод до тех пор, пока не будут исчерпаны все его возможности. Ведущие корпорации - IBM, Intel, Lucent Technologies, Nippon Telephone and Telegraph и другие - вкла-

дывают большие средства в разработку новых вариантов фотолитографии для продвижения в область amin < 90 нм. В последнее время наметилось два пути: использование иммерсии (см. ниже) при работе на обычных степпер сканерах (степперсканером называется литограф, работающий по принципу пошагового экспонирования с последующим сканированием), и нанолитография в экстремаль но дальнем вакуумном ультрафиолете (ЭУФ).

Для повышения разрешающей способности в рамках обычной фотолитографии разработаны и применяются специальные фазосдвигающие маски и маски с оптической коррекцией.

Маски с оптической коррекцией и фазосдвигающие маски.

Такие маски применяются при работе в режиме, близком к дифракционному пределу, и позволяют повысить разрешающую способность. Действие маски с оптической коррекцией поясняется на рис. 4.2. Для исправления последствий дифракции на углах и краях (рис. 4.2 б) используется сложная форма рисунка маски (рис. 4.2 в).

С помощью фазосдвигающих масок можно получать изображение с размерами, значительно меньшими длины волны излучения. Принцип действия фазосдвигающей маски показан схематически на рис. 4.3. На рис. 4.3 а приведена схема обычной маски и график распределения напряженности светового поля Е в плоскости маски (рис. 4.3 б). На рис. 4.3 в,г даны графики распределения напряженности светового поля и интенсивности светового поля в плоскости пластины соответственно. На рис. 4.3 г видно, что изображения двух отверстий в маске слились из-за дифракции в одно общее световое пятно. На рис. 4.3 д,е изображены фазосдвигающая маска и график рас-

34