Введение к работе
Актуальность проблемы. Микроэлектроника является катализатором научно-технического прогресса для всех важнейших отраслей промышленности и науки, а уровень развития и объемы производства ее основных изделий - интегральных схем (ИС) во многом характеризуют экономический и оборонный потенциал страны.
Ключевой технологической проблемой микроэлектроники в
ближайшем десятилетии является освоение промышленного
производства сверхбольших и ультрабольших интегральных схем
(СБИС и УБИС) со степенью интеграции 10 - 108 элементов на
кристалл, минимальным размером элементов до 0,25 мкм и
площадью кристалла до 2 см . Поэтому создание оборудования со
стабильными и высокими технологическими характеристиками,
обеспечивающими получение ИС с элементами субмикронных
размеров при высоких показателях выхода годных, является
основой в разработке и освоении промышленного производства
СБИС и УБИС «
Существенное место в технологии микроэлектроники при создании субмикронных СБИС занимает процесс литографии, который, в основном, и определяет реализуемые минимальные размеры элементов.
Требование совершенствования литографических процессов с целью достижения высоких технологических характеристик в производстве при хороших воспроизводимости и стабильности делает крайне актуальной в микроэлектронике проблему разработки нового литографического оборудования, в частности, субмикронных рентгенолитографических систем на базе источников мягкого рентгеновского излучения (МРИ) различного типа: точечных электронно-лучевых, источников синхротронного излучения (СИ) и плазменных.
Цель работы - разработка оборудования рентгеновской литографии для производства перспективных СБИС и УБИС с субмикронными размерами элементов и оценка его технологических возможностей.
Для достижения поставленной цели были сформулированы следующие задачи исследований:
-
Исследовать возможности применения флуоресцентного МРИ в рентгеновской литографии.
-
Проанализировать использование и провести выбор оптимального точечного источника МРИ с электронно-лучевым возбуждением для рентгенолитографической системы.
-
Проанализировать влияние на спектр СИ фильтров из материалов, используемых в рентгеновской литографии.
-
Рассчитать параметры источника СИ, оптимизированного для целей рентгеновской литографии и оценить соответствие оптимизированного источника СИ требованиям рентгенолитографического процесса.
-
Провести исследование технологических возможностей разработанного спецоборудования для рентгеновской литографии с применением СИ.
-
Разработать требования и критерии построения плазменного электроразрядного источника МРИ для рентгеновской литографии.
-
Разработать средства регистрации параметров процесса разряда и МРИ для плазменного электроразрядного источника
-
Провести экспериментальные исследования и оценку технологических возможностей разработанного плазменного источника на предмет его пригодности для создания промышленной рентгенолитографической системы.
Научная новизна работы:
Впервые в мире теоретически исследована возможность использования в рентгеновской литографии флуоресцентного МРИ и установлено, что его применение целесообразно только в случае повышения чувствительности рентгенорезистов на два-три порядка.
На основе выполненного анализа возможностей различных типов электронно-лучевых точечных источников МРИ для реализации требуемых параметров рентгенолитографической системы показано, что оптимальным источником для рентгенолитографической системы является установка с вращающимся алюминиевым анодом, обеспечивающая необходимые время экспонирования и разрешение при приемлемых толщинах вакуумных окон, мембран шаблонов и поглотителей.
В результате анализа характеристик оптимизированного для рентгенолитографии источника СИ, рассчитаны параметры электронного накопительного кольца - оптимального источника СИ для рентгенолитографии и показано, что в качестве оптимизированного технологического источника СИ для рентгеновской литографии можно принять накопительное кольцо с полем отклоняющих магнитов Н = 12 кЭ, энергией электронов =0,8 ГэВ и током электронов на орбите /=1 А.
Разработаны алгоритмы и создан комплекс компьютерных
программ (CONTRAST, RIN-RAN-DOZA), имеющих
самостоятельное научное и практическое значение, которые позволяют рассчитывать контраст рентгеношаблонов, спектры излучения и другие характеристики для разнообразных материалов и источников, применяемых в рентгеновской литографии.
Практическая ценность работы состоит в том, что разработанные методы и оборудование позволяют изготавливать ИС со структурами с размером 0,1 - 1,0 мкм при существующих материалах и оборудовании и могут быть развиты до уровня промышленного применения.
Разработана и изготовлена первая отечественная рентгенолитографическая система 09ФСР-1-001 "Рентгенотрон" на базе источника рентгеновского излучения со сменными вращающимися анодами из меди и алюминия, оснащенная автоматической системой совмещения (точность 0,2 мкм) и обеспечивающая формирование топологических структур интегральных схем с размером элементов 0,5-1,0 мкм (разрешение 0,1 мкм).
Впервые в стране разработано и запущено в эксплуатацию на
синхротроне С-60 (ЛЭВЭ ФИАН) спецоборудование для
рентгенолитографии в пучке СИ, обеспечивающее формирование
топологических структур интегральных схем с размером элементов
0,1-0,5 мкм (разрешение 0,01 мкм) и включающее в себя
специализированный технологический канал СИ,
рснтгенолитографический автомат, который проводит
экспонирование кремниевых пластин в кассете емкостью 25 шт. в автоматическом режиме с управлением от ЭВМ и полуавтомат тиражирования рабочих фотошаблонов для ГУФ-литографии, позволяющий изготавливать фотошаблоны размерами 102x102,
127x127 и 153x153 мм (несколько десятков с одного эталонного рентгеношаблона) с высоким, коэффициентом выхода годных и превосходным воспроизведением минимальных размеров элементов схем.
Разработан и изготовлен плазменный источник мягкого рентгеновского излучения, включающий в себя источники питания основного и поджигающего разрядных контуров, обеспечивающие работу установки на частотах до 10 Гц. По имеющимся литературным данным работы по исследованию рентгеновских характеристик искрового разряда на таких частотах не проводились, а именно на этом пути возможно создание источника, практически пригодного для промышленной рентгенолитографической системы.
На защиту выносятся следующие основные положения:
-
Теоретическое исследование возможности использования в рентгеновской литографии флуоресцентного МРИ.
-
Анализ возможностей различных типов электронно-лучевых точечных источников МРИ с точки зрения реализации требуемых параметров рентгенолитографической системы, демонстрирующий, что оптимальным источником для рентгенолитографической системы является установка с вращающимся алюминиевым анодом, обеспечивающая заданные время экспонирования и разрешение при приемлемых толщинах вакуумных окон, мембран шаблонов и поглотителей.
-
Анализ характеристик оптимизированного для рентгенолитографии источника СИ, показывающий, что в качестве оптимизированного технологического источника СИ для рентгеновской литографии можно принять накопительное кольцо с полем отклоняющих магнитов Н = 12 кЭ, энергией электронов =0,8 ГэВ и током электронов на орбите /=1 А.
-
Результаты разработки и экспериментального исследования первой отечественной рентгенолитографической системы 09ФСР-1-001 "Рентгенотрон" на базе источника рентгеновского излучения со сменными вращающимися анодами из меди и алюминия, оснащенной автоматической системой совмещения (точность 0,2 мкм) и обеспечивающей формирование топологических структур интегральных схем с размером элементов 0,5-1,0 мкм (разрешение 0,1 мкм).
-
Разработано и экспериментально исследовано на синхротроне С-60 (ЛЭВЭ ФИАН) спецоборудование для рентгенолитографии в пучке СИ, включающее в себя специализированный технологический канал СИ, рентгенолитографический автомат, обеспечивающий экспонирование кремниевых пластин в кассете емкостью 25 шт. в автоматическом режиме с управлением от ЭВМ и полуавтомат тиражирования рабочих фотошаблонов для ГУФ-литографии, позволяющий изготавливать фотошаблоны размерами 102x102, 127x127 и 153x153 мм (несколько десятков с одного эталонного рентгеношаблона) с высоким, коэффициентом выхода годных и превосходным воспроизведением минимальных размеров элементов схем.
-
Выработаны требования и критерии построения, разработан и экспериментально исследован плазменный источник мягкого рентгеновского излучения, включающий в себя источники питания основного и поджигающего разрядных контуров, обеспечивающие работу установки на частотах до 10 Гц, пригодный для создания практической промышленной рентгенолитографической системы.
Апробация работы. Основные результаты работы
докладывались и обсуждались на научных семинарах НИИФП,
НИИТМ, НИИМВ и ФТИАН, на III Всесоюзной научно-
технической конференции "Прецизионная литография в
производстве полупроводниковых приборов и интегральных
микросхем", Москва, 1980, на I межведомственном совещании
"Рентгеновские методы в современной микроэлектронике",
Черноголовка, 1982, на I и II Всесоюзных семинарах
"Микролитография", Черноголовка, 1985 и 1988 гг., на II
Всероссийской научно-технической конференции с
международным участием "Электроника и информатика - 97" Зеленоград, 1997.
Публикации. Результаты диссертационной работы изложены в 5-ти статьях, 1-ом авторском свидетельстве, тезисах 9-ти докладов на конференциях и 9-ти отчетах по НИР и ОКР.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы и приложения. Содержание диссертации изложено на 143 страницах машинописного текста и иллюстрируется 47 рисунками и 13 таблицами к основному тексту, список литературы включает в себя 84 наименования.