RU218186U1

RU218186U1 - Electronic lithography device

Info

Publication number: RU218186U1
Application number: RU2023104390U
Authority: RU
Inventors: Виктор Анатольевич Тупик; Владимир Игоревич Марголин; Дмитрий Константинович Кострин; Борис Владимирович Фармаковский
Filing date: 2023-02-27
Publication date: 2023-05-16

Abstract

Полезная модель относится к области электротехники, а именно к устройству электронной литографии для переноса рисунка микросхем с маски на подложку с резистом, и может быть использована в технологии изготовления полупроводниковых и других микроэлектронных устройств. Улучшение прецизионности рисунка на резисте является техническим результатом от использования полезной модели, которая выполнена в виде вакуумной камеры, в которой расположен анод с подложкой со слоем резиста, нанесенного на подложку, технологическая камера, в которой расположена катод-маска и реализуется локальный высоковольтный тлеющий газовый разряд, обеспечивающий вторичную ионно-электронную эмиссию электронов из катода-маски, при этом топология катода-маски выполнена как бинарная система из двух разнородных материалов, а вне технологической камеры установлена металлическая прозрачная для электронов сетка, подключенная к дополнительному источнику питания для отсечения электронов из области с низким коэффициентом вторичной ионно-электронной эмиссии. 1 ил.

The utility model relates to the field of electrical engineering, namely to an electronic lithography device for transferring a microcircuit pattern from a mask to a substrate with a resist, and can be used in the technology of manufacturing semiconductor and other microelectronic devices. Improving the precision of the pattern on the resist is a technical result of using a utility model, which is made in the form of a vacuum chamber, in which there is an anode with a substrate with a layer of resist deposited on the substrate, a technological chamber in which the cathode mask is located and a local high-voltage glow gas discharge is implemented , which provides secondary ion-electron emission of electrons from the cathode-mask, while the topology of the cathode-mask is made as a binary system of two dissimilar materials, and a metal transparent for electrons mesh is installed outside the process chamber, connected to an additional power source to cut off electrons from the region with low coefficient of secondary ion-electron emission. 1 ill.

Description

Полезная модель относится к устройствам, реализующим способы переноса рисунка микросхем с маски на подложку с резистом в технологии изготовления полупроводниковых и других микроэлектронных устройств. The utility model relates to devices that implement methods for transferring a microcircuit pattern from a mask to a substrate with a resist in the technology of manufacturing semiconductor and other microelectronic devices.

Развитие наноэлектроники и использование ее методов в производство радиотехнических изделий, создание новых приборов радиоэлектроники, предъявляют повышенные требования к процессу переноса рисунка при производстве элементов радиоэлектроники как с точки зрения повышения разрешающей способности процессов переноса, так и с точки зрения повышения производительности самого процесса. Поатомная и молекулярная сборка элементов атом к атому в производстве бесперспективна, особенно для размера пластин 450 мм в диаметре. Необходимо развитие групповых методов обработки, в частности проекционной электронной литографии, обеспечивающей одномоментный перенос рисунка катода-маски на поверхность обрабатываемой подложки, покрытой слоем электронорезиста. (В.И. Марголин, С.Е. Шишов Перспективы и проблемы нанотехнологий // О национальной доктрине развития в Российской Федерации нанотехнологий. Аналитический сборник.- М.: 2006.- Издание Совета Федерации.- С. - 54 - 63)/The development of nanoelectronics and the use of its methods in the production of radio engineering products, the creation of new radio electronic devices, impose increased requirements on the process of transferring a pattern in the production of radio electronics elements, both in terms of increasing the resolution of the transfer processes, and in terms of increasing the productivity of the process itself. Atom by atom and molecular assembly of elements atom to atom in production is unpromising, especially for the plate size of 450 mm in diameter. It is necessary to develop group processing methods, in particular, projection electron lithography, which provides one-stage transfer of the cathode-mask pattern to the surface of the processed substrate coated with an electron resist layer. (V.I. Margolin, S.E. Shishov Prospects and problems of nanotechnologies // On the national doctrine of development of nanotechnologies in the Russian Federation. Analytical collection. - M.: 2006. - Edition of the Federation Council. - P. - 54 - 63) /

Известен способ, проекционной электронной литографии на основе электронной фотоэмиссии (US. 4954717 США, МКИ⁵ H01J 40/06 Photoelectron mask and photo cathode image projection method using the same) основывающийся на использовании фотокатода-маски, на рабочей поверхности которого сформирован требуемый рисунок из материала, с высоким коэффициентом фотоэмиссии электронов. С обратной стороны катода-маски, прозрачного для ультрафиолетового излучения, катод-маска облучается ультрафиолетовым излучением, а электроны вторичной электронной эмиссии ускоряются однородным электрическим полем и транспортируются к подложке с резистом, установленной на аноде, и ее засвечивают. Основным недостатком этого способа является малый срок службы используемых катодов - не более 5-10 экспозиций. Это объясняется тем, что материалы, используемые в качестве фотоэмиттеров весьма чувствительны к атмосфере остаточных газов и различных загрязнений, неизбежно присутствующих в колонне электронолитографической установки и отравляющих фотокатод. Материалы, позволяющие использовать данный способ в практических целях, к настоящему времени неизвестны.There is a method of projection electron lithography based on electron photoemission (US. 4954717 USA, MKI ⁵ H01J 40/06 Photoelectron mask and photo cathode image projection method using the same) based on the use of a photocathode mask, on the working surface of which the required pattern is formed from the material , with a high electron photoemission coefficient. On the reverse side of the cathode-mask, which is transparent to ultraviolet radiation, the cathode-mask is irradiated with ultraviolet radiation, and the electrons of the secondary electron emission are accelerated by a uniform electric field and transported to a substrate with a resist installed on the anode, and it is illuminated. The main disadvantage of this method is the short service life of the cathodes used - no more than 5-10 exposures. This is explained by the fact that the materials used as photoemitters are very sensitive to the atmosphere of residual gases and various contaminants, which are inevitably present in the column of an electron lithographic installation and poison the photocathode. Materials that allow the use of this method for practical purposes are currently unknown.

Наиболее близким по совокупности существенных признаков к заявляемому является устройство, реализующее способ проекционной электронной литографии на основе переноса рисунка с катода-маски электронами вторичной ионно-электронной эмиссии (ВИЭЭ) на резист, подложка которого соединена с анодом (Патент РФ № 2462784, Способ электронной литографии.). Способ реализуется с помощью устройства, которое состоит из катода-маски выполненного из материалов с различными коэффициентами вторичной ионно-электронной эмиссии (КВИЭЭ), анода с подложкой, покрытой слоем резиста и источником питания, обеспечивающим высоковольтный тлеющий газовый разряд (ВТГР) в прикатодной области, который инициирует процесс вторичной ионно-электронной эмиссии. Для создания потока экспонирующих резист электронов участки катода-маски, рисунок которых должен быть перенесен на резист, выполнены из материала с высоким КВИЭЭ. Участки катода-маски, соответствующие незасвечиваемым участкам резиста, выполнены из материала с максимально низким КВИЭЭ, потому что материала с нулевым КВИЭЭ пока не существует. Срок службы катода-маски увеличивается за счет использования ВТГР, который обеспечивает сокращение время экспонирования резиста до 10^-3 - 10^-4 сек, что на несколько порядков меньше, чем в других устройствах проекционной электронной литографии. The closest in terms of essential features to the claimed is a device that implements the method of projection electron lithography based on the transfer of a pattern from a cathode mask by secondary ion-electron emission electrons (SEEE) to a resist, the substrate of which is connected to the anode (RF Patent No. 2462784, Method of electronic lithography .). The method is implemented using a device that consists of a cathode-mask made of materials with different coefficients of secondary ion-electron emission (SEEE), an anode with a substrate coated with a resist layer and a power source that provides a high-voltage glow gas discharge (HTGR) in the cathode region, which initiates the process of secondary ion-electron emission. To create a flow of electrons that expose the resist, the sections of the cathode-mask, the pattern of which must be transferred to the resist, are made of a material with a high SHEE. The sections of the cathode-mask corresponding to the non-illuminated areas of the resist are made of a material with the lowest possible SHEE, because a material with zero SHEE does not yet exist. The service life of the cathode-mask is increased due to the use of HTGR, which reduces the exposure time of the resist to 10 ^-3 - 10 ^-4 sec, which is several orders of magnitude less than in other projection electron lithography devices.

Устройство работает следующим образом. В прикатодном пространстве зажигается ВТГР, положительные ионы, образованные в разряде, бомбардируют катод-маску, изготовленную из материалов с различным КВИЭЭ, топология которых на поверхности катода-маски повторяет топологию, которую необходимо получить на резисте. В результате различия КВИЭЭ для различных участков поверхности катода-маски, соответствующих областям засветки резиста и исключающим засветку на подложке, электронный поток промодулирован по плотности. Распределение плотности тока вторичных электронов в сечениях, параллельных поверхности катода, будет соответствовать заданной топологии на резисте. Чем больше различие в КВИЭЭ, тем больше будет контраст в засветке различных участков подложки.The device works as follows. An HTGR is ignited in the cathode space, positive ions formed in the discharge bombard a cathode-mask made of materials with different CVEE, the topology of which on the surface of the cathode-mask repeats the topology that must be obtained on the resist. As a result of the difference in the SHEE for different parts of the surface of the cathode-mask, corresponding to the areas of resist illumination and excluding illumination on the substrate, the electron beam is modulated in density. The current density distribution of secondary electrons in cross sections parallel to the cathode surface will correspond to the given topology on the resist. The greater the difference in TEEE, the greater will be the contrast in the illumination of different areas of the substrate.

Ускоренные в прикатодном слое электроны достигают подложки, испытывая малое число упругих и неупругих соударений с атомами остаточных газов и практически не рассеиваясь. Электроны бомбардируют обрабатываемую подложку со слоем резиста, формируя в резисте скрытое изображение - рисунок. Высоковольтный тлеющий газовый разряд характеризуется относительно большой плотностью тока и областью с высоким падением напряжения, в которой электроны ускоряются до энергий, необходимых для инициации физико-химических превращений в материале резиста. Проблема заключается в модуляции электронного потока по плотности тока в соответствии с графикой переносимого рисунка, что реализуется за счет различия в КВИЭЭ с разных участков катода-маски. В настоящее время известны материалы с различием КВИЭЭ более чем на порядок, из которых может быть сформирована рабочая пара. КВИЭЭ для монокристаллических диэлектриков, например, Al₂O₃ более, чем в десять раз превышает эмиссию с чистых металлов, таких как N, Au, Cu. Electrons accelerated in the cathode sheath reach the substrate, experiencing a small number of elastic and inelastic collisions with atoms of the residual gases and practically not scattering. Electrons bombard the treated substrate with the resist layer, forming a latent image in the resist - a pattern. A high-voltage glow gas discharge is characterized by a relatively high current density and a region with a high voltage drop, in which electrons are accelerated to the energies required to initiate physicochemical transformations in the resist material. The problem lies in the modulation of the electron flow by the current density in accordance with the graphics of the transferred pattern, which is realized due to the difference in the SHEE from different sections of the cathode-mask. At present, materials with a difference of more than an order of magnitude of CEESE are known, from which a working pair can be formed. The EEEE for single-crystal dielectrics, for example, Al ₂ O ₃ is more than ten times higher than the emission from pure metals such as N, Au, Cu.

Недостатком этого устройства является наличие эмиссии электронов из области с низким КВИЭЭ, что приводит к паразитной засветке резиста в тех областях подложки, где это должно быть исключено, что ухудшает прецизионность получаемого рисунка, особенно при переходе в наноразмерную область. Вследствие неидеальности контрастно-чувствительной характеристики (КЧХ) резиста - зависимости толщины экспонированной и проявленной пленки резиста от количества поглощенного активного излучения, в данном случае электронов - даже при малом количестве электронов, генерируемых областями катода-маски из областей с низким КВИЭЭ наблюдается частичная засветка резиста на границе раздела резист-подложка. (Грачёв В.И., Марголин В.И., Тупик В.А. Новые аспекты в технологии производства элементов радиоэлектроники на основе тлеющего разряда // Технология производства и оборудование в приборостроении.- 2017.- № 2.- С. 63-66.). Резистов с идеальной КЧХ пока не известно.The disadvantage of this device is the presence of electron emission from the region with low SHEE, which leads to parasitic illumination of the resist in those areas of the substrate where it should be excluded, which degrades the precision of the resulting pattern, especially when going to the nanoscale region. Due to the imperfection of the contrast-sensitive characteristic (CFC) of the resist - the dependence of the thickness of the exposed and developed resist film on the amount of absorbed active radiation, in this case, electrons - even with a small amount of electrons generated by the cathode-mask regions from regions with low CVEE, partial illumination of the resist is observed on resist-substrate interface. (Grachev V.I., Margolin V.I., Tupik V.A. New aspects in the production technology of radio electronics elements based on glow discharge // Production technology and equipment in instrumentation.- 2017.- No. 2.- P. 63- 66.). Resists with ideal CFC are not yet known.

Технической задачей, решаемой полезной моделью, является создание устройства, позволяющего улучшить прецизионность рисунка на резисте.The technical problem solved by the utility model is the creation of a device that improves the precision of the pattern on the resist.

Поставленная задача решается за счет того, что предлагаемое устройство, также как и известное, содержит вакуумную камеру, в которой расположен анод с подложкой со слоем резиста, нанесенного на подложку, технологическую камеру, в которой расположен катод-маска и реализуется локальный высоковольтный тлеющий газовый разряд, обеспечивающий вторичную ионно-электронную эмиссию электронов из катода-маски, топология которого выполнена как бинарная система из двух разнородных материалов, различающихся по коэффициенту вторичной ионно-электронной эмиссии. В отличие от известного устройства в предлагаемом устройстве в вакуумной камере вне технологической камеры установлена металлическая прозрачная для электронов сетка, подключенная к дополнительному источнику питания, для отсечения электронов из области с низким КВИЭЭ. The problem is solved due to the fact that the proposed device, as well as the known one, contains a vacuum chamber in which an anode with a substrate with a layer of resist deposited on the substrate is located, a technological chamber in which the cathode-mask is located and a local high-voltage glow gas discharge is implemented. , which provides secondary ion-electron emission of electrons from the cathode-mask, the topology of which is made as a binary system of two dissimilar materials that differ in the coefficient of secondary ion-electron emission. In contrast to the known device, in the proposed device in a vacuum chamber outside the technological chamber, a metal transparent for electrons grid is installed, connected to an additional power source, to cut off electrons from a region with low SHEE.

Достигаемым техническим результатом является повышение прецизионности рисунка на резисте.Achievable technical result is to increase the precision of the pattern on the resist.

Расстояние от сетки до границы технологической камеры выбирается из условия исключения пробоя остаточных газов в вакуумной камере в случае изменения полярности потенциала на сетке и определяется экспериментально, т.к. этот параметр индивидуален для каждой конкретной установки и зависит от технологических требований и условий и конструкционных особенностей вакуумной камеры. Сетка выполняется из металлической - обычно медной - микропроволоки диаметром от 5 и более и размером ячейки порядка 50 мкм. Больший размер ячеек может привести к прогибу сетки, меньший к ослаблению ее прозрачности для электронов. Дополнительный источник питания должен обеспечивать подачу потенциала на сетку в пределах 0,5 - 30 кВ, что определяется параметрами ВТГР и оптимальной энергией активации физико-химических превращений в резисте.The distance from the grid to the boundary of the technological chamber is selected from the condition of eliminating the breakdown of residual gases in the vacuum chamber in the event of a change in the polarity of the potential on the grid and is determined experimentally, because this parameter is individual for each specific installation and depends on the technological requirements and conditions and design features of the vacuum chamber. The grid is made of metal - usually copper - microwire with a diameter of 5 or more and a cell size of about 50 microns. A larger cell size can lead to grid deflection, while a smaller one can lead to a weakening of its transparency for electrons. An additional power source should provide a potential supply to the grid in the range of 0.5 - 30 kV, which is determined by the parameters of the HTGR and the optimal activation energy for physicochemical transformations in the resist.

Устройство иллюстрируется чертежом, где 1 - вакуумная камера, в которой расположены анод 2 с подложкой 3, на которую нанесен слой резиста 4 и технологическая камера для инициации ВТГР 5 с отверстием 6 для выхода электронов из технологической камеры и транспортировки их к аноду и подложке, расположенный в технологической камере катод-маску 7, и прозрачную для электронов металлическую сетку 8, на которую с помощью подключения 9 дополнительного источника питания (на чертеже не показан) подается потенциал, отсекающий поток электронов из области с малым КВИЭЭ. Катод-маска 7 выполнен из материалов с различным коэффициентом вторичной ионно-электронной эмиссии (КВИЭЭ).The device is illustrated in the drawing, where 1 is a vacuum chamber in which an anode 2 with a substrate 3 is located, on which a layer of resist 4 is deposited and a technological chamber for initiating HTGR 5 with an opening 6 for electrons to exit the technological chamber and transport them to the anode and substrate, located in the process chamber, a cathode-mask 7, and a metal mesh 8 transparent to electrons, to which, by connecting 9 an additional power source (not shown in the drawing), a potential is applied that cuts off the flow of electrons from a region with a small SHEE. The cathode mask 7 is made of materials with different coefficients of secondary ion-electron emission (SEEE).

Устройство работает следующим образом. В пространстве технологической камеры зажигается высоковольтный тлеющий газовый разряд. Положительные ионы, образованные в разряде, бомбардируют катод-маску, изготовленную из материалов с различным КВИЭЭ и обеспечивают вторичную ионно-электронную эмиссию. В результате различия в КВИЭЭ для различных участков поверхности катода-маски, соответствующих областям засветки резиста, и исключающим полноценную засветку на подложке, электронный поток промодулирован по плотности, т.е. распределение плотности тока вторичных электронов в сечениях, параллельных поверхности катода, будет соответствовать заданной топологии на резисте. Чем больше различие в КВИЭЭ, тем больше будет контраст в засветке различных участков подложки.The device works as follows. A high-voltage glow gas discharge is ignited in the space of the process chamber. The positive ions formed in the discharge bombard the cathode-mask made of materials with different CVEE and provide secondary ion-electron emission. As a result of the difference in the EHEE for different sections of the cathode-mask surface, corresponding to the areas of resist exposure, and excluding full-fledged illumination on the substrate, the electron beam is modulated in density, i.e. the distribution of the current density of secondary electrons in sections parallel to the cathode surface will correspond to the given topology on the resist. The greater the difference in TEEE, the greater will be the contrast in the illumination of different areas of the substrate.

Ускоренные в прикатодном слое электроны выходят из отверстия в технологической камере в вакуумную камеру и направляются к аноду испытывая малое число упругих и неупругих соударений с атомами остаточных газов в вакуумной камере и практически не рассеиваясь. Проходя через металлическую сетку, на которую подан от дополнительного источника питания задерживающий потенциал, электроны, эмитированные из участков катода-маски с малым КВИЭЭ отсекаются. Электроны, эмитированные из участков катода-маски с большим КВИЭЭ, проходят в вакуумную камеру с незначительными потерями и достигают анод и подложку со слоем резиста и бомбардируют обрабатываемую подложку, формируя в резисте скрытое изображение - рисунок. При этом незначительная часть потока электронов из области с высоким КВИЭЭ также будет купирована, но учитывая различие в КВИЭЭ это большой роли не играет. В результате электронный поток, достигший резиста, будет соответствовать рисунку микросхемы.The electrons accelerated in the cathode sheath exit the hole in the process chamber into the vacuum chamber and go to the anode, experiencing a small number of elastic and inelastic collisions with residual gas atoms in the vacuum chamber and practically not scattering. Passing through a metal grid, to which a retarding potential is applied from an additional power source, the electrons emitted from the sections of the cathode-mask with a small SHEE are cut off. The electrons emitted from the areas of the cathode-mask with a large CVEE pass into the vacuum chamber with insignificant losses and reach the anode and the substrate with a resist layer and bombard the substrate being processed, forming a latent image in the resist - a pattern. In this case, an insignificant part of the electron flow from the region with high SHEE will also be stopped, but given the difference in SHEE, this does not play a big role. As a result, the electron flow that has reached the resist will correspond to the microcircuit pattern.

Проведенные эксперименты показали, что подача на расположенную в вакуумной камере прозрачную для электронов медную сетку потенциала 150 В полностью отсекает поток электронов, выходящих из области с малым КВИЭЭ с энергией 10 В. В качестве материала с высоким КВИЭЭ использовалось стекло (КВИЭЭ - 9), а материала с низким медь (КВИЭЭ - 1,1). Исследования с помощью электронной микроскопии показали, что для негативного резиста на основе композиции циклокаучука на не засвеченной области резиста отсутствует вуаль и более толстая пленка, а прецизионность рисунка возрастает за счет увеличения фактора контраста с 1,8 до 3,4, и резкости края рисунка на 10 - 15%.The experiments performed showed that applying a potential of 150 V to the electron-transparent copper grid located in the vacuum chamber completely cuts off the flow of electrons escaping from the region with a low CVEE with an energy of 10 V. Glass (CVEE - 9) was used as a material with a high CVEE, and material with low copper (KVIEE - 1.1). Studies using electron microscopy have shown that for a negative resist based on a cyclorubber composition, there is no veil and a thicker film on the non-exposed area of the resist, and the precision of the pattern increases by increasing the contrast factor from 1.8 to 3.4, and sharpening the edge of the pattern by 10 - 15%.

Claims

An electron lithography device containing a vacuum chamber in which an anode with a substrate with a layer of resist deposited on the substrate is located, a technological chamber in which the cathode-mask is located and a local high-voltage glow gas discharge is implemented, providing secondary ion-electron emission of electrons from the cathode-mask , the topology of which is made as a binary system of two dissimilar materials differing in the coefficient of secondary ion-electron emission, characterized in that in the vacuum chamber outside the process chamber a metal transparent for electrons grid is installed, connected to an additional power source to cut off electrons from the region with low coefficient of secondary ion-electron emission.