МИКРОЭЛЕКТРОНИКА, 2015, том 44, № 6, с. 448-452
= ЛИТОГРАФИЯ
УДК 621.315.592
МОДИФИКАЦИЯ ПОВЕРХНОСТИ ПОЗИТИВНОГО ФОТОРЕЗИСТА
ПРИ ИОННОЙ ИМПЛАНТАЦИИ
© 2015 г. Д. И. Бринкевич, С. Д. Бринкевич, М. Г. Лукашевич, В. С. Просолович, В. Б. Оджаев, Ю. Н. Янковский
Белорусский государственный университет, Минск E-mail: Brinkevich@bsu.by Поступила в редакцию 23.12.2014 г.
Методом атомно-силовой микроскопии экспериментально показано, что в процессе ионной имплантации на поверхности позитивного фоторезиста ФП2190 формируются неравномерно распределенные по поверхности конусообразные структуры. Высота, диаметр в основании и плотность распределения таких структур зависит от условий облучения и вида имплантированных ионов. Наблюдаемые при имплантации изменения морфологии поверхности фоторезиста обусловлены релаксацией напряжений, образовавшихся в процессе изготовления полимерной пленки, и радиаци-онно-химическими процессами в приповерхностном слое фоторезиста.
DOI: 10.7868/S0544126915060022
ВВЕДЕНИЕ
Повышение степени интеграции обуславливает возрастание роли ионной имплантации в создании активных областей интегральных микросхем. Основным материалом, обеспечивающим маскирование ионного пучка, является фоторезист [1]. Однако влияние ионной имплантации на морфологию поверхности фоторезистов практически не исследовано. Указанные обстоятельства определили цель настоящей работы — исследование модификации ионным облучением поверхности позитивного фоторезиста ФП9120, представляющего собой композит из светочувствительного О-нафтохинондиазида и фенол-формальдегидной смолы.
МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
Пленка фоторезиста толщиной 1.8 мкм наносилась на поверхность пластин кремния марки КДБ-10 (111) методом центрифугирования при скорости вращения 1800 об./мин. Толщина пленок фоторезиста контролировалась с помощью микроинтерферометра МИИ-4 и механическим способом на профилометре "Вес1ак". Имплантация ионами N1+, Бе+, А§+, В+ и 8Ъ+ с энергией 30—60 кэВ в интервале доз 1 х 1015—6 х1017 см-2 в режиме постоянного ионного тока (плотность ионного тока ] = = 4 мкА/см-2) проводилась при комнатной температуре в остаточном вакууме не хуже 10-5 Па на имплантаторах ИЛУ-3 и "Везувий-6". Во избежание перегрева и деструкции образца в процессе имплантации на ИЛУ-3 использовалась кассета, обеспечивающая эффективный сток ионного заряда с поверхности полимера и плотный контакт пленок с
металлическим основанием, охлаждаемым водой [2]. Облучение у-квантами 60Со осуществлялось при комнатной температуре и атмосферном давлении на установке MPX-y-25M. Мощность поглощенной дозы составляла 0.36 ± 0.008 Гр/с. Интервал поглощенных доз 6—200 кГр.
Морфология поверхности полимерной пленки, модифицированной ионной имплантацией, исследовалась методом атомно-силовой микроскопии (АСМ) при комнатной температуре в полуконтактном резонансном режиме на частоте 145 кГц на приборе Solver P-47. Использовались кантилеверы серии NSG 01 с радиусом закругления 10 нм. Значения среднеарифметической шероховатости Ra усреднялись по результатам не менее чем 5 измерений в различных точках образца.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Типичные для всех исследовавшихся полимеров трехмерные АСМ изображения имплантированной поверхности показаны на рис. 1. Рельеф исходной (не имплантированной) поверхности (рис. 1а) достаточно гладкий, средняя арифметическая шероховатость Ra составляет ~0.2 нм. Высота отдельных неровностей не превышает 1.5—2 нм.
Имплантация приводит к появлению на поверхности фоторезиста конусообразных структур (рис. 1б), которые наблюдались при всех имплантированных ионах уже на начальных дозах. Высота, диаметр в основании и плотность таких образований зависела от вида имплантированного иона и условий облучения. Конусообраз-
(а) (б)
Рис. 1. Трехмерные АСМ изображения исходной (а) и имплантированных ионами Fe (б—г) и Ni (д) поверхностей фоторезиста.
Доза Ф х 10-16, см-2: (б) - 2.5; (в) - 7.5; (г, д) - 10.
ные структуры распределены по поверхности фоторезиста очень неравномерно. Среди них преобладают достаточно крупные структуры с диаметром в основании ~100—150 нм и высотой до 50—60 нм. С ростом дозы имплантации размеры конусообразных структур уменьшаются, их количество растет и при дозах свыше 7 х 1016 см-2 они начинают перекрываться (рис. 1г). На отдельных образцах наблюдались "кратеры" (рис. 1д), обусловленные, вероятнее всего, выходом остатков растворителя и азота, образующегося при радиационном разложении ди-азохинона.
С образованием конусообразных структур при имплантации связан существенный рост среднеарифметической шероховатости Яа (рис. 2) на начальных дозах имплантации. Отметим, что величина Яа существенным образом зависит от условий имплантации. Так, при имплантации на ускорителе "Везувий-6" величина Яа обычно ниже (примерно в 3-4 раза), чем на имплантаторе ИЛУ-3. Масса имплантируемого иона оказывает существенно
меньшее влияние. Значения Яа для разных ионов различались не более чем на 50-60% при имплантации на одном имплантаторе (рис. 2).
При увеличении дозы Ф имплантации наблюдается снижение величины Яа, причем для более тяжелых ионов это снижение наблюдается при меньших значениях Ф (рис. 2а).
В отличие от работы [3] существенной усадки фоторезиста в процессе имплантации не наблюдается. Толщина пленки изменялась в пределах погрешности измерений, составлявшей ~20 нм, при дозах имплантации вплоть до 1 х 1016 см-2. Эти экспериментальные результаты согласуются с данными работы [4], полученными методом атомно-силовой микроскопии при имплантации тонким ионным пучком тонкой полиимидной пленки. Так, в [4] показано, что распыление (усадка) пленки полиимида наблюдается при флюенсах ионов Бе+ и Аи+ свыше 1 х 1017 см-2 и даже при Ф = 1 х 1018 см-2 величина усадки не
450 БРИНКЕВИЧ и др.
(а)
Яа, нм
¥, см 2
(б)
Яа, нм
0.8
0.6
0 1 х 1015
1 х 1016
1 х 1017 Е, см-2
Рис. 2. Дозовые зависимости шероховатости Яа образцов имплантированных ионами Ag (1), N1 (2) и Бе (3) на ускорителе ИЛУ-3 (а) и ионами В (4) и 8Ъ (5) на ускорителе "Везувий-6" (б).
превышала 80 нм, что существенно ниже толщины пленки. Такого же результата следовало ожидать и для полимерной пленки фоторезиста.
Объяснить полученные экспериментальные результаты можно с учетом следующего. При высо-коэнергетичном воздействии происходит процесс ионизации, заключающийся в удалении электрона с определенной молекулярной орбитали и форми-
ровании так называемой "дырки". В макромолекулах следует учитывать возможность образования делокализованных ионизированных состояний с эффективным размером, существенно превышающим размер элементарного звена, и возможность быстрой (не диффузионной) миграции "дырки" по цепи макромолекулы на значительные в молекулярном масштабе расстояния. Первичные физические процессы (ионизация или возбуждение)
и следующие за ними химические изменения (разрыв связи, деструкция молекулы) могут быть разделены существенным расстоянием вследствие эффективной миграции "дырок" и переноса возбуждения [5]. Следует также учитывать микрофазную неоднородность (микрогетерогенность) макроструктуры полимера. В полимерных материалах возможен перенос электрона или "дырки" через границу раздела фаз, что может привести к локализации радиационных повреждений в определенных микро областях системы (например, вблизи раздела фаз) [5]. Проявлением такой локализации радиационно-индуцированной модификации полимеров, приводящей к локальному хаотичному вспучиванию поверхности полимера, и являются, на наш взгляд, наблюдавшиеся экспериментально конусообразные структуры на поверхности имплантированного полимера.
Наличие локальных упругих напряжений сжатия в полимере, например, у границы раздела микрофаз позволяет оценить размер конусообразных структур. Так плотность упругой энергии в сжатом материале [6]
/=Р2/2Е,
гдер - напряжение, Е - модуль упругости. Релаксация напряжений сжатия может приводить к формированию конусообразных структур. Если считать упругие напряжения сферическими с радиусом г, то при образовании "конуса" освобождается упругая энергия в объеме -г3 равная
-А^упр =/г3 = (р2/2ЕУ
и требуется затрата работы на создание новой поверхности площадью ~12
А^пов = l2Ъ,
где а — поверхностная энергия, I - радиус конуса в основании.
Тогда изменение энергии системы АР = АРупр + + АРпов = Ра — (р2/2Е)г3. Предполагая полную релаксацию АР = 0, можно оценить размеры конусов в основании
I = р(г3/2Еа)1/2. (1)
Таким образом, размеры формирующихся конусообразных структур прямо пропорциональны величине напряжений сжатия и размерам напряженной области в степени 3/2.
Согласно формуле (1) нами была проведена оценка величины напряжений сжатия р, необходимой для формирования экспериментально наблюдавшихся конусообразных структур. Для расчета этих напряжений использовались значения модуля упругости Е и поверхностной энергии а для полимерных пленок полиимида, ПЭТФ и по-лиэфирэфиркетона из [7]. Оказалось, что для формирования экспериментально наблюдавших-
ся конусообразных структур с диаметром в основании ~200 мкм достаточны упругие напряжения в пределах 0.1-1 МПа для всех использовавшихся в работе полимеров. Отметим, что такие значения напряжений характерны для тонких промышленных пленок [8] и могут возникать при их сушке. Высокоэнергетичное облучение выступает в данном случае в качестве лишь "спускового крючка" для высвобождения энергии, запасенной в деформированных областях полимера.
Такой подход дает возможность с высокой степенью достоверности описать формирование конусообразных структур на начальных этапах (при минимальных флюенсах) облучения. В области имплантации картина усложняется. Вследствие высокой локальной неоднородности процессов радиацион-но-индуцированной модификации полимеров в процессе их облучения возможна как релаксация существующих, так и формирование новых полей упругих напряжений вблизи вновь сформированных межфазных границ раздела. Кроме того, в процессе имплантации возможно распыление сформировавшихся ранее конусообразных структур. Эти обстоятельства могут приводить к трансформации к
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.