Введение к работе
Микроэлектроника за последние года стала тем направлением в электронной индустрии развитых стран, успехи которого в зна-. чительной мере определяют темпы роста и уровень развития науки, техники и экономики страны. В настоящее время микроэлектроника считается катализатором научно-технического прогресса. На протяжении последних 15-20 лет эта область техники развивалась высокими темпами: наряду с резким возрастанием объемов выпуска полупроводниковых приборов и интегральных схем, шло освоение качественно новых типов изделий, в т.ч. больших интегральных схем - БИС -, сверхбольших и сверхскоростных схем -- СБИС и ССИС.
Сложность СБИС принято характеризовать степенью интеграции. Согласно эмпирическому правилу, известному как закон Мура, до конца 70-х годов уровень интеграции СБИС ежегодно удваивался. За это же время значительно улучшились и другие характеристики изделий микроэлектроники: повысились рабочие частоты, сократилось энергопотребление (в пересчете на одну выполняемую функцию), уменьшились габариты и масса электронной аппаратуры, повысилась ее надежность.
Указанные достижения микроэлектроники были всегда направлены на удовлетворение растущих потребностей в быстрой обработке больших потоков разнообразной информации. В ближайшем будущем следует ожидать дальнейшего возрастания требований к обЪемам и скорости обработки информационных потоков, поэтому степень интеграции и быстродействие разрабатываемых СБИС и ССИС должны быть резко увеличены.
Это объективное требование, продиктованное ходом хозяйственного развития, наталкивается, однако, на трудности, свойственные современному состоянию технологи СБИС. Проявлением указанных трудностей могут считаться наметившееся в последние годы снижение темпов роста интеграции СБИС и миниатюризации их элементов.
Так, з 75-85 гг возрастание степени интеграции СБИС шло бо-
лее низкими темпами, чем то следует из закона Мура. Замедлились и темпы уменьшения размеров элементов схем. Указанные признаки свидетельствуют о том, что в технологии СБИС стали ощутимы принципиальные физические ограничения. При этом обнаружилось, что традиционное, большей частью эмпирическое совершенствование технологии уже не может обеспечить необходимые темпы роста инте грации СБИС и миниатюризации их элементов. Стала очевидной на стоятельная необходимость объективного научного анализа предель ных возможностей технологии СБИС и путей достижения этих предельных возможностей.
На примере литографических операций отчетливо видно, что по добная ситуация не случайно сложилась лишь в последние годь Лишь к концу 70-х годов использованные ранее пути совершенствоЕ ния технологии микроэлектроники оказались практически исчерпаю ми. Освоение диапазона размеров 2-5 мкм и менее потребовало ка< ственно новых решений, и эти решения уже не могли быть получені эмпирическим путем. На этом этапе глубокий и систематический н; учный анализ литографических процессов микроэлектроники, соз, ние и исследование математических моделей литографических опер, ций - главного инструмента такого анализа - приобрели характер настоятельной потребности.
Необходимость разработки моделей основных технологически операций изготовления СБИС диктуется, однако, не только эти Важное значение приобретает задача сокращения сроков проектир зания и освоения новых изделий электронной техники. Прогресс этом направлении принято связывать с внедрением нового покол ния САПР, включающей САПР технологических процессов. По имеющи ся сведениям [1,2] использование пакета программ технологичен САПР многократно сокращает цикл проектирования и освоения hoe типов СБИС. Очевидно,что в основу САПР технологических процесс должны быть положены адекватные математические модели процессе формализованных в виде пакета соответствующих программ.
И, наконец, можно считать установленным, что экономичес! показатели предприятий электронной промышленности не могут бі существенно улучшены без автоматизации производства СБИС, вне, ния робототехники, малолюдной и безлюдной технологии, гибких гоматизированных производств. При этом контроль технологичес
процессов и управление ими,осуществляемые от ЭЕЧ, окажутся эффективными лишь при использовании четких алгоритмов, правильней количественно учитывающих последствия управляющих воздействии на физическую структуру и параметры формируемолй СБИС. Создание управляющих алгоритмов и переход на этой основе к перспективным формам организации массового выпуска СБИС столь же настоятельно требует разработки моделей технологических процессов.
Ориентированная на перспективу конечная цель математического моделированию в технологии СБИС - создание полной и адекватной модели технологического маршрута - может быть достигнута на пути создания частных моделей основных процессов микроэлектронной технологии и последующего объединения этих частных моделей в модель маршрута.
Современное состояние проблемы соответствует первому этапу -этапу разработки моделей отдельных технологических процессов.
Среди других операций, используемых по маршруту изготовления СБИС, в силу ряда причин важнейшую роль играют операции микролитографии. Главная из этих причин состоит в том, что на современном этапе развития микроэлектроники необходимый рост интеграции СБИС уже не может быть обеспечен лишь за счет дальнейшего возрастания площади кристалла (чипа). Поэтому последовательная миниатюризация элементов схем рассматривается как одно из перспективных направлений повышения интеграции СБИС. Это означает, что темпы миниатюризации элементов СБИС, так же, как к связанные с ними темпы нарастания интеграции, ограничиваются возможностями существующих методов генерации и переноса микроизображений, т. е. уровнем развития микролитографии. Поэтому-то литографические методы занимают особое место в микротехнологин,' сохраняя за собой роль лимитирующего'фактора в технологии СБИС и микроэлектронике в целом.
В свете сказанного анализ возможностей и ограничений литографических методов приобретает первостепенное значение,
В ряду других направлений иикролитографии оптические методы сохраняют доминирующее положение и уже в силу одной этой причины заслуживают первоочередного рассмотрения. Возможности и ограничения оптических методов литографии могут быть установлены в
результате анализа математических моделей процессов переноса изображений с шаблона на пластину; моделей, в основу которых положена дифракционная теория Кирхгофа-Френеля. Широко известные основы этой теории и ее классические приложения к фотографической технике, микроскопии, астрономии - еще не позволяют непосредственно использовать ее для создания моделей фотолитографических процессов. Отличительными особенностями литографического переноса изображения, учет которых весьма сущесвенен для разработки моделей, следует считать:
а) необходимость точного воспроизведения размеров и формы элементов рисунка в условиях, когда минимальные элементы СБИС соизмеримы с пределом разрешения метода; б)-значительные размеры рабочего поля предмета (шаблона),измеряемые сантиметрами и десятками сантиметров;
в) несамосветимосгь предмета и связанную с этим необходи
мость тщательного учета когерентности освещающего пучка
света;
г) возможность использования шаблонов с конечной прозрачно
стью маскирующего покрытия - транспарентных шаблонов;
д) особые (нелинейные, пороговые) свойства приемника излу
чения - фоторезистивного слоя.
Указанные особенности делают необходимым адаптировать классическую теорию оптических изображений для создания адекватных моделей литографических процессов.
Контроль микроизображений на шаблонах и полупроводниковых пластинах представляет собой неотъемлемую составную часть микролитографии и проводится преимущественно методами оптической микроскопии. Естественно ожидать, что оптическая теория, развитая в достаточной степени, составит основу соответствующих методов операционного контроля - по крайней мере в микронном диапазоне размеров.
Проблема измерений и контроля структур СБИС с элементами субмикронных размеров не может быть решена чисто оптическими средствами: ограниченное разрешение оптических систем делает неперспективным их применение в этой области, а оптические измерения элементов размерами менее 0,5 мкм считаются вообще невыполнимыми. Поэтому для контроля рисунков СБИС с элементами суб-
микронных размеров требуется привлечение принципиально иных методов. Наиболее подходящими из них следует признать методы растровой электронной микроскопии (РЭМ).
Растровая электронная микроскопия до последнего времени использовалась лишь как метод визуализации и наблюдения поверхности разнородных объектов при больших увеличениях. С целью придания растровому микроскопу функций измерителя,используемого в качестве средства контроля в технологии СБИС, необходимо установить алгоритмы обработки РЭМ-изображений (или видеосигнала) для решения метрологических задач.
Необходимых точностных характеристик измерительных процедур при РЭМ-измерениях в субмикронной области можно достичь лишь в автоматизированных системах РЭМ-ЭВМ, работающих по четко заданным алгоритмам. Разработка таких алгоритмов должна опіфаться на физически обоснованную количественную теорию РЭМ-изображений. Неразработанность такой теории и служит основным препятствием широкому использованию РЭМ-мегодов контроля в технологии СБИС.
Сказанное свидетельствует об актуальности математического моделирования физических процессов микролитографии, а также логически и методически связанных с литографией методов оптического и РЭМ-контроля для технологии микроэлектронного производства.
В соответствии с изложенным, основными целями работы выбраны:
-
Создание математических моделей формирования микроизображений в системах оптической литографии и контроля.
-
Разработка основных положений теории и модели формирования РЭМ-изображений субмикронньк элементов СБИС.
-
Использование разработанных моделей для систематического анализа возможностей и ограничений методов фотолитографии, оптического и РЭМ-контроля структур СБИС с элементами микронных и субмикронных размеров.
- 8 -Для достижения указанных выше целей оказалось необходимым:
а) адаптировать теорию теневых изображений и вывести рабочие
формулы для расчета структуры одно - и двумерных изображений
элементов СБИС, формируемых методами контактной печати;
б) провести исследование влияния спектральной и пространствен
ной когерентности на структуру изображения, сформированного
оптической системой установок проекционной печати;
в) разработать математическое описание проекционного переноса
изображения элементов СБИС, вывести формулы, пригодные для
проведения массовых расчетов структуры оптических изображений,
и учитывающие:
размеры и форму элементов,
оптические характеристики шаблонов
длину волны излучения,
состояние когерентности освещающего пучка,
свойства объектива (его числовую апертуру),
масштаб переноса,
возможность расфокусировки и ее величину,
взаимовлияние близко расположенных элементов;
г) провести теоретические исследования кинетики засветки и
проявления фоторезистивного слоя для выработки алгоритмов рас
чета профилей проявления;
д) разработать основные положения теории и модель формирования
РЭМ-изображения типовых рельефных элементов СБИС во вторичных
электронах с учетом особенностей взаимодействия первичных элек
тронов с образцом, генерации вторичных электронов, их поглоще
ния на пути к поверхности, диаграммы направленности и условий
их захвата детектором;
е) опираясь на разработанные модели, провести систематические
исследования возможностей и ограничений методов контактной пе
чати и печати с преднамеренным микрозазором, рентгенолитогра-
фии, проекционной фотолитографии, а также оптической и РЭМ-ми-
кроскопии - как методов измерений и контроля размеров элемен
тов схем-, и на этой основе сформулировать ряд конкретных тех
нических решений для использования в технологии СБИС.
