РАДИОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА, 2015, том 60, № 3, с. 325-328
НОВЫЕ РАДИОЭЛЕКТРОННЫЕ СИСТЕМЫ И ЭЛЕМЕНТЫ
УДК 004.932
О ВОЗМОЖНОСТИ СОЗДАНИЯ ПРОЕКЦИОННОМ РЕНТГЕНОВСКОЙ ФОТОЛИТОГРАФИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ
© 2015 г. С. М. Аранчий1, К. М. Крымский2, М. И. Крымский1, 2, В. Е. Рогалин1* 3
1ОАО "НЦЛСК "Астрофизика"", Российская Федерация, 125424 Москва, Волоколамское ш., 95 E-mail: v-rogalin@mail.ru 2Московский физико-технический институт (государственный университет), Российская Федерация, 141700Долгопрудный Московской обл., Институтский пер., 9
E-mail: krymskiy.mipt@gmail.com 3Тверской государственный университет, Российская Федерация, 170100 Тверь, ул. Желябова, 33 Поступила в редакцию 06.11.2014 г.
Исследованы практические перспективы реализации проекционной рентгеновской фотолитографической технологии на базе сочетания С02-лазерной плазмы и многослойных рентгеновских отражателей для диапазона длин волн 3...30 нм. Показано, что для устойчивой работы СО2-лазера мощностью несколько десятков киловатт необходимо использовать охлаждаемое окно из поликристаллического алмаза между активной средой и атмосферой. Даны практические рекомендации по созданию высокоотражающих многослойных покрытий для мягкого рентгеновского диапазона длин волн, основанные на расширении множества рассматриваемых материалов слоев.
DOI: 10.7868/S0033849415030031
ВВЕДЕНИЕ
Потребности бурно развивающейся микроэлектроники требуют уменьшения размеров интегральных схем при одновременном увеличении мощности и быстродействия. Проекционная рентгеновская фотолитография — основное на сегодняшний день направление развития технологии производства микросхем современного уровня разрешения. Этот процесс базируется на создании высокоэффективного источника излучения в мягком рентгеновском диапазоне спектра (~3...30 нм) и высокоэффективной оптики, на основе которой необходимо компоновать оптические системы управления мягким рентгеновским излучением. Достигнутый на данный момент интегральный коэффициент отражения такой оптики на практике не превышает 35%, хотя в отдельных лабораторных опытах в диапазоне 10.15 нм был реализован локальный пичковый коэффициент отражения ~60...70% с абсолютным теоретическим максимумом на длине волны X = 13.4 нм [1, 2].
По названным причинам современная рентгеновская фотолитография развивается преимущественно в направлении использования именно этой длины волны. На той же длине волны разрабатываются источники излучения, фоточувствительные материалы и прочие компоненты технологии.
Структура покрытий оптических элементов (число слоев, компоненты) в рамках технологии тоже соответствуют данной длине волны.
Источники такого излучения реализуются различными способами, один из них — лазерно-плаз-менный, суть которого состоит в получении мягкого рентгеновского излучения заданной мощности путем воздействия мощным лазерным импульсом на предварительно сформированное поле паров какого-либо металла, что приводит к образованию плазмы оптического пробоя и рентгеновскому излучению в определенном спектральном диапазоне.
В частности, длина волны X = 13.4 нм есть результат воздействия на пары олова. Меняя мишени для получения паров тех или иных металлов, можно управлять спектральным диапазоном мягкого рентгеновского излучения, а правильно подбирая компоненты покрытий зеркал для этого излучения и оптимально организуя структуру этих покрытий (число и толщину слоев), можно ожидать достижения высоких значений коэффициента отражения зеркал, а по возможности, и удешевления технологического процесса проекционной фотолитографии.
Таким образом, для успешного развития этой технологии главными являются два основных фактора:
1) наличие стабильного мощного лазерного частотно-импульсного излучателя;
2) наличие стойких многослойных зеркал с высоким коэффициентом отражения мягкого рентгеновского излучения.
Далее приводятся практические рекомендации по созданию фотолитографической технологии, основанные на исследованиях в области развития обоих названных факторов.
1. ЛАЗЕРНО-ПЛАЗМЕННЫЙ ИЗЛУЧАТЕЛЬ
В результате многочисленных экспериментальных и теоретических работ показано, что одним из лучших для этих целей лазеров является частотно-импульсный СО2-лазер, излучающий на длине волны 10.6 мкм [3].
Эти лазеры давно и успешно применяются в различных областях науки и техники, подробно изучены, обладают КПД на уровне 10%. Проведенные эксперименты [4] показали, что в качестве материала мишени наиболее предпочтительно использовать олово. Процесс происходит следующим образом. Капля олова диаметром 10 мкм испаряется при воздействии импульса малой энергии [5]. В результате образуется облако плазмы диаметром ~300 мкм. Оно является объектом воздействия последующих импульсов излучения СО2-лазера со следующими параметрами:
длительность импульса ~10 нс;
частота повторения импульсов 57 кГц;
интенсивность излучения I на плазменном образовании 1010...10п Вт см-2.
Нагреваемое таким образом плазменное образование становится источником квазинепрерывного рентгеновского излучения с максимумом в области X = 13.4 нм при эффективности преобразования до 4% [4].
При приведенных выше параметрах мощность лазерного импульса при энергии в импульсе Е ~ ~ 0.7 Дж должна составить W~ 107 Вт. Тогда средняя мощность лазерного излучения на мишени ~35 кВт. С учетом возможных потерь в оптической схеме необходимая мощность лазера ~40 кВт.
Если удастся сжать первичное плазменное образование до диаметра ~200 мкм, то мощность необходимого лазерного источника снижается примерно вдвое.
Для лазеров такой мощности слабым местом становится выходное окно. Вывод излучения СО2-лазера обычно осуществляют через окно из CVD селенида цинка или монокристаллического KCl, но при таких лучевых нагрузках резко возрастает вероятность катастрофического разрушения окна, чреватого не только остановкой технологической операции, но и серьезными повреждениями лазерного устройства и, в случае с ZnSe, возможным отравлением персонала и заражением помещения продуктами горения.
Однако в XXI в. в мощных СО2-лазерах стали активно применять окна из поликристаллического алмаза (ПА) [6]. Пластины ПА, получаемые химическим осаждением из газовой фазы (СУи-ме-тод), прозрачны в широком диапазоне спектра и благодаря высокой теплопроводности (в пять раз больше, чем у меди) способны выдерживать экстремально высокие лучевые нагрузки [6, 7].
Оценим параметры алмазного окна для рассматриваемого лазерного источника и технологические возможности его изготовления и последующей эксплуатации.
Для расчета заложим предельно допустимую импульсную лучевую нагрузку 107 Вт/см2 [8, 9]. В этом случае для обеспечения вывода излучения мощностью 20 кВт площадь световой зоны окна должна составлять ~3 см2. Диаметр этой зоны составляет ~2 см. Для лазера мощностью 40 кВт, соответственно площадь световой зоны окна ~7 см2, диаметр ~3 см.
На длине волны 10.6 мкм коэффициент поглощения алмаза составляет ~0.03...0.06 см-1 [10]. Следует учесть, что при импульсном режиме воздействия коэффициент поглощения несколько превышает обычное значение. При этом в виде тепла в алмазном окне (с обычно применяемой толщиной 1.2 мм) лазера со средней мощностью 20 кВт будет выделяться энергия порядка 60.140 Вт, а для лазера мощностью 40 кВт — порядка 120.280 Вт. Это тепло должно отводиться системой охлаждения. Существует два принципиально отличных способа охлаждения окна.
В первом случае окно жестко запрессовывается в массивную, водоохлаждаемую медную оправу, что позволяет минимизировать диаметр весьма дорогого алмазного окна и обеспечить эффективный теплоотвод [11, 12]. Недостатком такой конструкции является возникновение в окне термоупругих напряжений, ухудшающих расходимость излучения и увеличивающих риск катастрофического разрушения окна. Однако подобным образом обеспечивается работа алмазного окна диаметром 100 мм в гиротронах мегаваттной мощности [13]. Правда, следует учесть, что в миллиметровом диапазоне влиянием термоупругих напряжений на расходимость можно пренебречь.
Во втором случае [7] алмазная пластина свободно располагается на герметизирующей теплопро-водящей (обычно из индия) прокладке. В этом случае диаметр пластины заметно превышает световой, что позволяет осуществлять теплосъем проточной водой не только с медных деталей оправы, но и непосредственно с поверхности алмаза. Таким образом, снижаются термоупругие напряжения, но возрастают размеры окна и, следовательно, его первоначальная стоимость.
РАДИОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА том 60 № 3 2015
О ВОЗМОЖНОСТИ СОЗДАНИЯ ... ФОТОЛИТОГРАФИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ
327
Таким образом, показано, что для устойчивой работы СО2-лазера мощностью несколько десятков киловатт необходимо использовать охлаждаемое окно из поликристаллического алмаза между активной средой и атмосферой.
2. МНОГОСЛОЙНАЯ ОПТИКА
Даже при наличии приемлемого по мощности источника практическое использование мягкого рентгеновского излучения в высокоразрешающих приложениях сопряжено с применением многослойных рентгеновских зеркал [14—16] — периодических (а для улучшения интегрального коэффициента отражения — почти периодических) структур из ряда чередующихся слоев двух веществ.
Отражательная способность интерференционного покрытия определяется, во-первых, диэлектрическими проницаемостями материалов слоев и их параметрами, а во-вторых, технологической совместимостью материалов слоев. Например, компоненты структуры не должны вступать друг с другом в химическую реакцию (в том числе — в процессе напыления), диффундировать друг в друга, совершать фазовые переходы и т.д., так как все эти факторы приводят к увеличению диффузного рассеяния.
Систематический анализ идеальных оптимальных многослойных интерференционных структур (МИС) на базе простых веществ давно существует на множестве одноэлементных веществ в диапазоне длин волн 0.6 < X < 12.4 нм [17]. Представленные в [17] результаты расчетов привели к выводу о теоретической достижимости пиковых коэффициентов отражения, превышающих 40%. Практически достижимые коэффициенты отражения — ниже предсказанных в [17] в силу указанн
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.