Ионная литография (лекция 11)

1.

НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
МИЭТ
Дисциплина: «Оборудование производства
электронных средств и компонентов» (ОПЭСК)
Институт НМСТ
Профессор, д.т.н. Сырчин В.К.

2.

Содержание
1. Процессы и оборудование ионно-лучевой
литографии (ИЛЛ)
2. Основные системы и узлы установки ИЛЛ
2

3.

Основные достоинства ИЛЛ
1. Более высокая разрешающая способность по сравнению с ЭЛЛ
массивные ионы меньше рассеиваются в материале
отсутствуют проблемы, связанные с дифракцией
2. Более высокая производительность по сравнению с рентгеновской и
ЭЛЛ за счет более высокой (в 100…1000 раз) чувствительности
резистов к ионам (доза облучения в 10…100 раз меньше)
3. Высокая эффективность (пленкой поглощается до 90% энергии
ионного пучка по сравнению 1-10% дозы при рентгеновской и ЭЛЛ)
4. Полная совместимость с основными операциями изготовления
микросхем – ионным распылением, травлением и легированием
5. Возможность реализации безмасочной технологии
3

4.

Технологические операции ИЛЛ
1) Экспонирование резиста при масочной ИЛЛ
2) Локальная обработка при безмасочной ИЛЛ
локальное травление слоев при формировании
рельефа
локальное нанесение материалов
локальная модификация поверхности ионами
(например, локальное окисление)
4

5.

Стадии обработки при масочной ИЛЛ
образование ионов
формирование ионного пучка
ускорение ионов до заданных энергий
управление ионным пучком в процессе обработки
взаимодействие ионов с поверхностью обрабатываемого
материала (резиста), чувствительного к их воздействию
5

6.

Типы систем ИЛЛ
1) с коллимированными ионными пучками (ИП)
2) с остросфокусированными ионными пучками
3) ионно-проекционные системы
6

7.

Система с коллимированным ИП
1
Энергия пучка протонов - 150…250 кэВ
1
1
Сечение пучка – 1 см2
2
3
2
2
3
Ток пучка – 1 мкА
3
5
Толщина маски из тяжелого металла –
0,5…1,0 мкм
5
6
а)
4
Компоненты
системы:
4
4
1 – ионный источник; 2 – ионный пучок;
3 – система коллимирования; 4 – управляющая
система; 5 – шаблон;66 – подложка
б)
6
в)
7

8.

Система с остросфокусированным ИП
1
2
3
1
Построена по принципу электронно-лучевых
установок (вместо
2 электронной пушки ионный
источник)
3
5
Фокусировка и отклонение
ИП осуществляется
электростатическими системами
Минимальный
4
65
б)
диаметр ИП
хроматической аберрацией
4
ограничивается
Компоненты системы:
1 – ионный источник; 2 – ионный пучок;
3 – система фокусировки; 4 – сканирующая система;
6
5 – подложка
в)
8

9.

Ионно-проекционная система
Система модульной ионной
проекции изображения
1
2
Осуществляет
3
5
последовательное
мультиплицирование
уменьшенного (10:1) изображения модуля по площади
пластины
Плотность тока пучка ионов инертного газа – 0,5…1,0 мА/см2
Энергия ионов у подложки – 30…100 кэВ,
4
у шаблона – 4…10 кэВ
Компоненты системы:
6
в)
1 – ионный источник; 2 – ионный пучок; 3 – система
фокусировки; 4 – управляющая система; 5 – шаблон модуля;
6 – подложка
9

10.

Формирование рельефа безмасочной ИЛЛ
Реализуется в системах с остросфокусированным пучком
или модульной ионной проекции изображения
1. Локальное удаление материала физическим распылением
пучком ионов
2. Стимулированное травление, при котором ИП используется
для создания локальных зон с нарушенной структурой,
которые при последующем травлении эффективно удаляются
по сравнению с необлученными участками
3. Формирование рельефа локальным нанесением материала
10

11.

Основные системы и узлы установки ИЛЛ
Тип источника
Высокочастотные ИИ
Полный Плотность Разброс по Давление,
ток, А тока, А/см2 энергиям, эВ
Па
10-4-10-2
10-3-10-1
30-500
10-2-10-1
10-5-10-3
10-4-10-1
50
10-2-10-1
10-3
10-2
10-50
10-2-10-1
Дуоплазмотрон
10-3-10-1
10-2-1
10
1-10
Полевые ИИ
10-9-10-8
10-3
2-5
10-6
Жидкометаллические
ИИ
10-8-10-4
105
4-5
10-5
ИИ Пеннинга
(с холодным катодом)
ИИ Пеннинга
(с горячим катодом)
Сравнительные характеристики ионных источников
11

12.

1
2
3
Ионные источники
Н
4
10
5
6
7
8
9
Резонансный высокочастотный ИИ
1 – индуктор; 2 – реактор; 3 – плазма; 4 – соленоид;
5 – экран; 6 – экстрактор; 7 – изолятор; 8 – ускоряющий
электрод; 9 – ионный пучок; 10 – система подачи
рабочего газа.
Схема ионного источника Пеннинга
с холодными катодами
В = 10 Тл
12

13.

Дуоплазмотрон
4
6
2
1
34
Конструкция
Рис. 8.20.
– Мощный дуоплазмотрона:
дуоплазматрон
Схема дуоплазмотрона:
непрерывного
действия.
1 – сборники электронов;
2 – анод;
3 – узел термокатода с
ом: дуговой
(а), плазмотрон
1 – термокатод;
2 – анод; (б),промежуточным
4 ––анодная
медныйчаша-экспандер;
блок; 5 – электро1 – сборникиэлектродом;
электронов; 2
3 –для
промежуточный
электрод; 4 поверхности
– медный блок;
3 – извлекающий (ускоряющий)
магнит
коррекции плазменной
в аноде;
5
–
катушка
для
коррекции
плазменной
поверхности
4 – ускоряющий
электрод;
электрод; 4 – электромагнит
6 – извлекающий
(ускоряющий) электрод.
в экспандере; 6 – извлекающий электрод.
в)
13

14.

Жидкометаллические ИИ
Наиболее перспективны для развития ИЛЛ:
Обеспечивают формирование ИП малого диаметра (10 нм и менее)
Очень большие плотности ионного тока (до 105 А/см2)
Конструктивные особенности:
тонкий вольфрамовый капилляр диаметром 20-200 мкм, в котором
может дополнительно размещаться вольфрамовая игла
вытягивающий электрод
резистивный нагреватель
14

15.

Принцип работы
Между кончиком капилляра и вытягивающим электродом подается напряжение
(до нескольких десятков кВ в зависимости от типа ионов)
Совместное действие электростатических сил и сил поверхностного натяжения
вызывает на мениске жидкого металла образование сильно заостренного конуса
малого радиуса (конус Тейлора)
При приложении критического (тейлоровского) напряжения Uкр из этого конуса
вытягиваются ионы или электроны в зависимости от полярности приложенного
напряжения
Uкр=4,52×104 γ½ R0½, [В]
γ - поверхностное натяжение, Н/м; R0 - расстояние между электродами, см
γGa= 0,7 Н/м; R0 ≈ 0,1 см; Uкр≈11 кВ – при ЕGa=1,6×1010 В/м получаем ra=3 нм
15

16.

Жидкометаллические ИИ
Схемы жидкометаллических
ионных источников.
Конструкция иглы для
жидкометаллического ИИ.
16

17.

Схема установки с жидкометаллическим ИИ
1 – нагреватель; 2 – резервуар;
3 – жидкий галлий; 4 – игла;
5 – острие иглы; 6 – вытягивающий
электрод; 7 – диафрагма;
8 – электростатическая линза;
9 – отклоняющая система;
10 – обрабатываемая пластина;
11 – источник питания нагревателя;
12 – источник вытягивающего
электрода (5-7 кВ);
13 – источник электростатической
линзы (до 50 кВ).
17
Схема ионно-оптической системы
многолучевой установки.

18.

Спасибо за внимание
18