МИКРОЭЛЕКТРОНИКА, 2013, том 42, № 5, с. 331-340
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ^^^^^^^^^^^^^^ ПРОЦЕССЫ
УДК 621.382
НОВЫЙ СУХОЙ МЕТОД ФОРМИРОВАНИЯ МАСКИРУЮЩЕГО ИЗОБРАЖЕНИЯ (РЕЛЬЕФА) НЕПОСРЕДСТВЕННО В ПРОЦЕССЕ ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОГО ЭКСПОНИРОВАНИЯ РЕЗИСТА © 2013 г. М. А. Брук*, Е. Н. Жихарев**, В. А. Кальнов**, А. В. Спирин*, Д. Р. Стрельцов*
*Научно-исследовательский физико-химический институт им. Л.Я. Карпова **Физико-технологический институт Российской АН E-mail: bruk@cc.nifhi.ac.ru Поступила в редакцию 07.03.2013 г.
Предложен новый сухой метод электронно-лучевого травления некоторых позитивных резистов непосредственно в процессе экспонирования. Показано, в частности, что экспонирование ПММА-резиста (слой толщиной 80—85 нм на Ä'-пластине) электронами с энергией 15—20 кэВ в вакууме при температурах 115—170°C (выше температуры стеклования ПММА) приводит к эффективному травлению резиста при сравнительно небольших дозах экспонирования, в 10—100 раз меньших доз экспонирования этого резиста в традиционной "мокрой" литографии. Предполагается, что процесс прямого травления протекает по механизму радикально-цепной деполимеризации ПММА-резиста до мономера. Показана высокая эффективность предложенного метода при формировании в ПММА-резисте пространственных 3D структур.
DOI: 10.7868/S0544126913050037
1. ВВЕДЕНИЕ
Идея реализации метода прямого травления резиста в литографичесом процессе непосредственно в процессе экспонирования и, соответственно, совмещения стадий экспонирования резиста и проявления изображения сформировалась, по-видимому, к началу 80-х годов прошлого столетия, в основном, применительно к процессу фотолитографии. В работе [1] изучено прямое травление полиметилметакрилата (ПММА) и по-лиметилизопропенилкетона, нанесенных на подложку "медь на стекле", под действием УФ-света с длиной волны 180—290 нм при температурах 20— 100°С. Установлено, что при весьма больших временах и дозах облучения (времена 20—100 мин, дозы 20—100 Дж/см2) наблюдается прямое травление резистов. Скорости травления в вакууме (0.5 торр), на воздухе, а также в атмосфере 02 и N близки. Предполагается, что процесс протекает по механизму фотоокислительной деструкции. Полное травление слоя резиста не было достигнуто. В нанесенном рисунке было достигнуто разрешение около 1.5 мкм. В работе [2] проведено прямое травление ПММА-резиста на различных подложках (кварц, кремний, никель, золото) под действием УФ-света 220—250 нм при толщине слоя резиста около 1 мкм. Установлено, что скорость травления при температурах ниже температуры стеклования ПММА крайне низка. В обла-
сти 120—180° С скорость травления заметно растет при повышении температуры. Предполагается, что травление протекает по механизму фотоокислительной деструкции при существенном вкладе процесса деполимеризации. Полного травления резиста достигнуто не было. При 128°С максимальная глубина травления составила около 30% от начальной толщины слоя (доза около 2 Дж/см2). В работе [3] изучено прямое травление пленок из различных полиолефинсульфонов под действием мягкого рентгеновского излучения с длиной волны 0.7—6.0 нм. Непосредственно в процессе экспонирования в вакууме происходил эффективный цепной распад макромолекул сополимеров до летучих продуктов (мономеров), которые удалялись из системы. Оказалось, однако, что процесс не удается довести до полного травления пленок, по-видимому из-за модифицирования макромолекул сополимеров при облучении, препятствующего протеканию цепного процесса деполимеризации.
Применительно к электронно-лучевой литографии попытка прямого травления резиста предпринята в работе [4]. В этой работе травление ПММА-резиста электронами с энергией 10 кэВ проводили при комнатной температуре в условиях, когда в камеру для экспонирования вводился специальный весьма агрессивный реагент — газ С1Б3, способствующий травлению резиста в экс-
понированных областях. В сформированном рисунке ширина линий составляла 0.5—1 мкм. В числе прочего в этой работе показана возможность формирования этим методом элементов трехмерного изображения в резисте. Недостатком этого метода является необходимость очень больших доз экспонирования: при травлении слоя ПММА-резиста толщиной 200 нм максимальная глубина травления, достигнутая при дозе 3 х 103 мкКл/см2, составила около 140 нм. Серьезным недостатком рассмотренного метода является также необходимость использования весьма агрессивного дополнительного реагента. Можно констатировать, что предложенные ранее подходы [1—4] по-видимому оказались недостаточно эффективными и дальнейшего развития не получили.
В данной работе предложен новый сухой метод формирования рисунка маски или любого другого рельефа путем прямого травления резиста непосредственно в процессе экспонирования электронным лучом, основанный на реакции электронно-стимулированной цепной деполимеризации полимера резиста до мономера (метод сухого электронно-лучевого травления резиста — СЭЛТР). В статье в основном рассмотрены результаты по прямому травлению ПММА-резиста, а также (кратко) по травлению резиста из поли-а-метилстирола (П-а-МС).
2. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
На пластину монокристаллического кремния методом "spin-coating" из 2%-ного раствора в анизоле с последующей сушкой наносили слой ПММА-резиста марки 950 К толщиной Lo = 80— 85 нм. П-а-МС (Fluka, средняя молекулярная масса около 460000, полидисперсность 1.05) в виде слоя толщиной около 80 нм наносили аналогичным образом из 2%-ного раствора в анизоле. Полученные образцы помещали на специальный нагреватель, вводили в камеру электронного микроскопа (ЭМ) Camscan или Ultra-55, разогревали до нужной температуры и в вакууме порядка 10-5 мбар подвергали экспонированию электронным лучом в режиме сканирования либо по заданной площади, либо вдоль линии. Опыты по СЭЛТР в микроскопе Camscan проводили в режиме сканирования по площади 1 х 1.3 мм при следующих условиях: энергия электронов в пучке E = = 20 кэВ, ток в падающем пучке I = 1 нА, плотность тока j около 80 нА/см2, размер сечения луча 8 около 0.2 мкм. Опыты по СЭЛТР в ЭМ Ultra-55 проводили при E = 15 кэВ, I = 15 пА, 8 = 10—15 нм.
Опыты по формированию пространственного 3D изображения в виде "ступенек" проводили
следующим образом: на пластине с резистом, разогретой до необходимой температуры, при неизменном положении луча и пластины проводили последовательно несколько экспонирований при сканировании по различным последовательно уменьшающимся площадям. Например, 1-е экспонирование проводили на площади 100 х 100 мкм, 2-е — на площади 98 х 98 мкм, 3-е — на площади 96 х 96 мкм и т.д. Соотношение линейных размеров площадей сканирования определяло ширину ступеней формирующихся на краю экспонированной площади. Дозы облучения для каждого экспонирования рассчитывались в соответствии с характеристической (контрастной) кривой травления. При этом для каждого последующего экспонирования учитывалась доза, полученная экспо -нируемой областью при предыдущем облучении.
Толщину слоя резиста до и после травления, а также форму получаемых пространственных фигур травления определяли методом атомно-сило-вой микроскопии на атомно-силовом микроскопе (АСМ) марки Solver P47-SPM-MTD.
3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Кинетика и механизм травления
Были получены данные по скоростям процесса СЭЛТР ПММА при различных температурах выше температуры стеклования (Tg). Известно, что для ПММА-резиста марки 950 К Tg составляет 115—118°C. Напомним, что стеклование полимера не является фазовым переходом и характеризуется не точкой на шкале температур, а некой областью. Обычно за температуру стеклования принимают середину этой области перехода.
Было установлено, что с повышением температуры в интервале 125—170°C скорость травления ПММА резиста существенно возрастает. Кинетические кривые СЭЛТР при температурах 125, 150 и 170°C представлены на рис. 1. По оси ординат откладывали текущую толщину слоя, нормированную к начальной толщине
^норм = Li/L0,
где L0 и L¡ начальная и текущая толщина слоя.
Установлено, что доза полутравления D05 (доза, необходимая для травления слоя, равного половине его начальной толщины) составляет 2.5; 0.8 и около 0.3 мкКл/см2 для температур 125, 150 и 170°C соответственно. При этом времена полутравления т0.5 составляли 30, 10 и 4 с соответственно. Дозы полного травления слоя резиста D1 (doses clean) для этих же температур составляли приблизительно 20, 12 и 6.5 мкКл/см2. Отметим,
т, с
0 50 100 150 200 250
1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
0 5 10 15 20
В, мкКл/см2
Рис. 1. Кинетические кривые прямого травления ПММА при температурах 170°С (7), 150°С (2) и 125°С (3). Начальная толщина слоя резиста 80 нм. £норм — нормированная толщина слоя; В — доза экспонирования; т — время экспонирования.
что дозы Вх приблизительно в 10 раз (а дозы полутравления приблизительно в 100 раз) меньше доз Вх и В05, необходимых при формировании позитивной маски или рельефа в ПММА-резисте в стандартном режиме по "мокрой" технологии.
Приведенные данные показывают, что травление ПММА в указанных экспериментальных условиях является энергетически весьма эффективным процессом и по всей вероятности протекает по механизму цепной химической реакции, в соответствии с которым возникновение одного активного центра, на образование которого непосредственно тратится поглощаемая полимером энергия излучения, приводит к образованию значительного числа летучих газообразных продуктов травления, удаляющихся из образца. Этой цепной реакцией по всей вероятности является деполимеризация — процесс, обратный полимеризации. Ранее в работе [5], нами было показано, что ПММА в условиях, близких к условиям рассматриваемых здесь экспериментов (тонкий слой полимера, воздействие ионизирующего излучения, повышенные температуры, вакуум), эффективно деполимеризуется до мономера.
Вероятный механизм деполимеризации состоит в следующем. Под действием электронного пучка происходит разрыв главных цепей макромолекул ПММА с образованием т.н. концевого макрорадикала Яп---СН2С • (ЯЯ2) (где Ях соответствует группе СН3, а Я2 — группе СООСН3), ко-
торый отщепляет одну за д
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.