PL204687B1 - Sposób wytwarzania nano-ścieżek - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób wytwarzania nano-ścieżek. Nano-ścieżki o różnych kształtach geometrycznych i submikrometrowej szerokości (aż do rzędu pojedynczych nanometrów), wykorzystywane są jako nano-elementy struktur wytwarzanych dla potrzeb mikro i nanoelektroniki.

Podstawą współczesnej technologii mikroelektronicznej jest opanowanie umiejętności definiowania i wytwarzania na podłożu krzemowym ścieżek o różnym kształcie i o jak najmniejszych rozmiarach. Szczególnie istotny jest przy tym jeden z wymiarów ścieżki to jest jej szerokość. Poziom współczesnych technologii mikroelektronicznych ocenia się według zdolności do wytwarzania ścieżek o okreś lonym rozmiarze. Zdolność ta wynika z zastosowanej technologii definiowania wzoru na powierzchni podłoża. I tak, na przełomie lat 70/80 technologia mikroelektroniczna wykorzystywała dla wytwarzania wzorów technikę fotolitografii tj. naświetlania płytek krzemowych pokrytych warstwą światłoczułej emulsji (tzw. fotorezystu) poprzez maskę szklaną, pokrytą nieprzezroczystą warstwą (np. chromu), w której wytworzony był zaprojektowany wzór. Wzór ten w procesie naświetlania przenoszony był do warstwy światłoczułej. Następnie, w procesie wywoływania usuwano fotorezyst z obszarów naświetlonych (lub, zależnie od rodzaju zastosowanego fotorezystu i rodzaju obróbki - z obszarów nie naświetlonych), po czym poddawano podłoże np. krzemowe, procesowi selektywnej obróbki. W procesie tym powierzchnię krzemu z wytworzoną na niej wcześniej warstwą dwutlenku krzemu, poddawano procesowi trawienia, w wyniku którego w warstwie dwutlenku krzemu wytwarzano wzór ścieżki o okreś lonej szerokoś ci i geometrii.

Technika ta posiadała bardzo istotne ograniczenia. Zjawiska interferencji i dyfrakcji światła występujące ze względu na odległość pomiędzy maską i naświetlaną płytką (tzw. proximity) sprawiały, że można było w ten sposób uzyskać wzór o szerokości nie mniejszej niż ok. 3 mikrometry. Doprowadzenie do zetknięcia płytki z maską pozwalało uzyskać wprawdzie wzory o szerokości nawet poniżej 1 μm (np. 0,6 μm), lecz konsekwencją było szybkie uszkadzanie maski.

Rozwiązaniem tego problemu było wprowadzenie technologii „step-and-repeat, w której pewien fragment wzoru był powiększony typowo 5-cio krotnie a następnie fragment ten był przenoszony w procesie naświetlania, za pomocą układu optycznego wyposażonego w funkcję odpowiedniego zmniejszeniem, na płytkę pokrytą warstwą fotorezystu. Wzór ten obejmował jedynie niewielki fragment płytki krzemowej tak, że uzyskanie pokrycia wzorem na całej powierzchni wymagało po naświetleniu pierwszego fragmentu przesunięcia płytki i naświetlenia obszaru sąsiadującego itd. aż do naświetlenia całej płytki. Technika była udoskonalana w miarę rozwoju mechaniki precyzyjnej, interferometrii laserowej, źródeł światła o coraz to krótszej długości fali i wreszcie dzięki postępowi w dziedzinie technologii wytwarzania masek oraz nowoczesnych fotorezystów. Fotolitografia z wykorzystaniem techniki step-and-repeat i jej odmian pozwala na wytwarzanie w warunkach produkcji masowej wzorów o szerokości 0,15 μm. Obecnie, w najnowszych rozwiązaniach planuje się osiągnięcie wzorów o szerokości 100 nm (0,1 urn). Poziom 100 nm jest jednak granicą, której nie daje się przełamać przy użyciu nawet tak udoskonalonej techniki fotolitografii. Dodatkową barierą w technologii zmniejszania szerokości wzorów jest bariera ekonomiczna. Koszt urządzeń do fotolitografii proximity (ścieżki o szerokości 3 urn) wynosi ok. 100000 USD, urządzenie umożliwiające wytwarzanie wzorów na poziomie 0,35 um kosztuje już ok. 1 - 2 min USD, natomiast najnowsze urządzenia umożliwiające wytwarzanie wzorów o mniejszej szerokości kosztują 5 min USD i więcej (w cenach z r. 2003). Dodatkowym elementem jest tu także niezwykle wysoki koszt utrzymania urządzenia (konserwacja) a także ogromny koszt masek.

Pewnym rozwiązaniem tego problemu jest zastosowanie do wytwarzania takich wzorów wiązki elektronowej. Wiązka taka, sterowana przy użyciu odpowiednich układów elektronicznych w urządzeniu przypominającym mikroskop elektronowy, pozwala na „rysowanie wzorów o szerokości rzędu nawet kilkudziesięciu nanometrów. Wadą tej techniki (tzw. elektrono-litografii) jest jednak bardzo długi czas ekspozycji (obróbka jednej płytki trwa nawet kilka godzin podczas, gdy w urządzeniu optycznym typu wafer stepper czas procesu jest rzędu jednej minuty). Mała szybkość procesu predestynuje go do zastosowań badawczych, natomiast do zastosowań produkcyjnych technika ta się nie kwalifikuje. Ze względu na efekty rozpraszania w materiale fotorezystu wytwarzanie wzorów o szerokości poniżej 50 nm jest trudne a poniżej 20 nm, praktycznie nie osiągalne.

Ze uwagi na zbliżanie się technologii używanych do wielkoseryjnej produkcji mikroprocesorów i pamięci do bariery możliwości stosowanych obecnie technik fotolitografii, prowadzone są obecnie intensywne prace nad technologiami niestandardowymi, umożliwiającymi zejście poniżej bariery 100 nm, przy zadowalającej przepustowości metody. Obecnie opracowywane są techniki wykorzystuPL 204 687 B1 jące bardzo różne zjawiska i procesy. I tak, zamiast oświetlenia maski strumieniem światła rozważa się zastosowanie wiązki jonów (technika jonolitografii) lub odpowiednio przygotowanej rozkolimowaną (szerokiej) wiązki elektronów. Dla zwiększenia szybkości techniki elektrono-wiązkowej (e-beam) opracowuje się urządzenia typu matryc miniaturowych dział elektronowych „rysujących” równolegle wiązką elektronową wzór na powierzchni podłoża. Do najciekawszych spośród opracowywanych technik należą techniki oparte o wykorzystanie mikroostrzy mikrosond AFM (Atomic Force Microscopy mikroskopii sił atomowych). Ostrze takiej mikrosondy precyzyjnie sterowane przy użyciu napędów piezoceramicznych stanowić może źródło emisji elektronów oddziaływujących lokalnie na powierzchnię obrabianej próbki, zmieniając jej strukturę (np. lokalnie utleniając powierzchnie).

Z kolei w innym nowatorskim rozwią zaniu ostrze mikroskopu AFM wciskane jest w powierzchnię miękkiego polimeru pokrywającego płytkę krzemową, wytwarzając w ten sposób wzór na powierzchni. W obydwu ostatnich rozwiązaniach, dla uzyskania wymaganej szybkości procesu niezbędne jest multiplikowanie ilości ostrzy w sondzie. Zadanie to jest niezwykle trudne i jak dotychczas, żadne z wymienionych rozwiązań nie zostało uznane za satysfakcjonujące. Ocenia się, że za pomocą znanych dotychczas technik możliwe jest wytwarzanie wzorów o szerokości rzędu do 10 nm, a pokonanie tej granicy wydaje się niemożliwe.

Z opisu patentowego US4.083.098 znany jest sposób wytwarzania położ onych blisko siebie elektrod przyrządów CCD. Odstępy między tymi elektrodami uzyskuje się przez utlenienie lub inną obróbkę bocznych ścian pasków poli-Si. Za pomocą tej obróbki materiał warstwy ulega lokalnie przekształceniu w postać odporną na chemiczne trawienie materiału warstwy w następnym kroku. W wyniku czego pozostają jedynie wąskie nieprzewodzące ścieżki. Z opisu patentowego US4.460413 znany jest sposób wytwarzania tranzystorów z wąską bramką poli-Si. Bramki o małej szerokości uzyskuje się przez wąskie ścieżki tlenku aluminium powstałego na skutek utleniania bocznych ścian pasków Al, wcześniej wytworzonych za pomocą fotolitografii.

Celem wynalazku jest opracowanie sposobu wytwarzania w strukturach wzorów w postaci nano-ścieżek o szerokości submikronowej, nawet rzędu 1 nm.

Sposób według wynalazku polega na tym, że na podłoże nanosi się warstwę podstawową stanowiącą materiał wyjściowy przyszłej nano-ścieżki, następnie warstwę tę pokrywa się warstwą ochronną a później w obydwu warstwach definiuje się obszar, którego krawędź wyznacza położenie przyszłych nano-ścieżek i odsłania się krawędź warstwy podstawowej. W sposobie tym, warstwę ochronną można wytwarzać na warstwie podstawowej, którą stanowi nisko usieciowany polimer, a odsłoniętą po wyznaczeniu kształtu przyszłych nano-ścieżek krawę dź warstwy podstawowej poddaje się usieciowaniu na drodze polimeryzacji. Warstwę ochronną można wytwarzać na warstwie podstawowej, którą stanowi monomer, a odsłoniętą po wyznaczeniu kształtu przyszłych nano-ścieżek krawędź warstwy podstawowej poddaje się usieciowaniu na drodze polimeryzacji. Warstwę ochronną można wytwarzać na warstwie podstawowej w postaci polimeru, a odsłoniętą po wyznaczeniu kształtu przyszłych nano-ścieżek krawędź warstwy podstawowej poddaje się procesowi usieciowania na drodze polikondensacji. Warstwę ochronną można wytwarzać na warstwie podstawowej w postaci monomeru, a odsłoniętą po wyznaczeniu kształtu przyszłych nano-ścieżek krawędź warstwy podstawowej poddaje się procesowi usieciowania na drodze polikondensacji. Usuwanie warstwy ochronnej oraz nie przekształconej warstwy podstawowej można prowadzić za pomocą trawienia, sublimacji lub rozpuszczania w rozpuszczalniku.

Wynalazek zostanie bliżej objaśniony na przykładzie wykonania pokazanym na rysunku.

Fig. 1. pokazuje przekrój struktury zawierający podłoże krzemowe po nałożeniu warstwy podstawowej i warstwy ochronnej. Na Fig. 2. pokazano strukturę po zdefiniowaniu przebiegu przyszłej ścieżki z widoczną odkrytą krawędzią warstwy podstawowej. Fig. 3. przedstawia przekrój struktury po zdefiniowaniu przebiegu przyszłej ścieżki. Fig. 4. przedstawia przekrój struktury po przekształceniu obszaru przy-krawędziowego warstwy podstawowej za pomocą procesu fizycznego lub chemicznego. Natomiast na Fig. 5. pokazano widok nano-ścieżki struktury po usunięciu warstwy ochronnej i nie przekształconych obszarów warstwy podstawowej.

Na powierzchni podłoża 1, 2 należy zatem w pierwszej kolejności wytworzyć cienką warstwę podstawową 3, która będzie podlegała modyfikacji właściwości krawędzi, a następnie należy wytworzyć w tej warstwie lub na niej warstwę ochronną 4 nie podlegającą procesowi modyfikacji. Ważne jest również, aby powierzchnia podłoża 2, na której osadzone są te warstwy nie ulegała procesowi modyfikacji lub ulegała mu w nieznacznym stopniu. Podłoże z wytworzoną warstwą podstawową i warstwą ochronną poddaje się procesowi klasycznej fotolitografii (np. proximity lub z użyciem techniki wafer

PL 204 687 B1 stepper) wytwarzając w niej wzór określający przebieg wytwarzanej ścieżki lecz nie jej szerokość. Następnie warstwę podstawową podwójną poddaje się procesowi trawienia w ten sposób, aby wytrawiona krawędź 5 była jak najbardziej prostopadła do powierzchni podłoża 1. Tak przygotowaną strukturę poddaje się oddziaływaniu czynnika, który w sposób kontrolowany przekształca warstwę podstawową 3 z tym, że jej przemiana postępuje od krawędzi w głąb. Warstwa ochronna 4 chroni powierzchnię warstwy podstawowej 3 przed oddziaływaniem czynnika powodującego proces przemiany tak, iż przemianie ulega wyłącznie obszar przy-krawędziowy warstwy podstawowej 3. Wynikająca z warunków procesu szybkość procesu przemiany oraz czas, w którym proces jest prowadzony w precyzyjny sposób określają szerokość przekształcanego obszaru 7 warstwy 3, a w efekcie - szerokość wytwarzanej ścieżki. Następnie strukturę poddaje się procesowi usuwania warstwy ochronnej 4 i nieprzekształconego obszaru warstwy 3. Na powierzchni podłoża pozostaje przy-krawędziowa część warstwy podstawowej przetworzona w wyniku przeprowadzonego procesu fizykochemicznego.

W szczególnym przypadku rolę warstwy podstawowej 3 peł nił a warstwa nisko usieciowanego polimeru nakładana w niskiej temperaturze metodą rozwirowania na podłoże. Materiałem warstwy podstawowej były pochodne poli-izoprenu. Następnie na warstwę tą nałożono, warstwę ochronną 4. Warstwą tą była osadzana przy użyciu technik niskotemperaturowych warstwa nieorganiczna rozpylana warstwa dwutlenku krzemu (może to być również nanoszona techniką rozwirowania warstwa polimerowa ale o właściwościach odmiennych niż warstwa podstawowa, to znaczy nie wrażliwa na zastosowany w dalszym kroku czynnik sieciujący). Następnie, przy użyciu konwencjonalnej techniki litograficznej oraz trawienia plazmowego zdefiniowany został w wytworzonej warstwie podwójnej kształt przebiegu przyszłych ścieżek. W rezultacie tak przeprowadzonych zabiegów na powierzchni podłoża powstała struktura warstwowa, w której górna powierzchnia warstwy podstawowej 3 jest chroniona warstwą 4, podczas gdy jej krawędź boczna 5 jest odkryta. Strukturę tą poddano następnie oddziaływaniu czynnika powodującego usieciowanie polimeru warstwy podstawowej, w przykładzie gazowy związek siarki. Powoduje to, że obszar krawędziowy warstwy podstawowej ulega przemianie polimeryzacji, a jej zasięg w głąb warstwy podstawowej będzie uzależniony od warunków procesu, w tym przede wszystkim od czasu. W nastę pnym kroku usunię to warstwę ochronną - poprzez trawienie w roztworze kwasu fluorowodorowego oraz usunięto nie spolimeryzowaną warstwę podstawową poprzez rozpuszczenie jej w rozpuszczalniku. W wyniku tych operacji uzyskujemy wytworzony w polimerze wzór ścieżki o szerokości wynikającej z warunków i czasu przeprowadzonego procesu. Jako materiał warstwy podstawowej w schemacie tym można zastosować również mieszaninę żywicy nowolakowej z czynnikiem sieciującym wrażliwym na parę wodną (keten) a następnie, po otwarciu dostępu do krawędzi 5 należy poddać strukturę oddziaływaniu atmosfery zawierającej parę wodną.

W końcowej operacji należy usunąć np. poprzez rozpuszczenie w rozpuszczalniku nie usieciowane obszary monomeru, pozostawiając wytworzone ścieżki 8.

Claims (7)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Sposób wytwarzania nano-ścieżek, w którym na podłoże nanosi się warstwę podstawową stanowiącą materiał wyjściowy przyszłej nano-ścieżki, następnie warstwę tę pokrywa się warstwą ochronną a później w obydwu warstwach definiuje się obszar, którego krawędź wyznacza położenie przyszłych nano-ścieżek i odsłania się krawędź warstwy podstawowej, znamienny tym, że na warstwę podstawową (3) w postaci nisko usieciowanego polimeru nakłada się warstwę ochronną (4), a odsłoniętą po wyznaczeniu kształtu przyszłych nano-ścieżek krawędź (5) warstwy podstawowej (3) poddaje się usieciowaniu na drodze polimeryzacji.
2. 2. Sposób wytwarzania nano-ścieżek, według zastrz. 1, znamienny tym, że na podłoże nanosi się warstwę podstawową (3) w postaci monomeru, a później odsłoniętą po wyznaczeniu kształtu przyszłych nano-ścieżek krawędź (5) warstwy podstawowej (3) poddaje się procesowi usieciowania na drodze polimeryzacji.
3. 3. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że na podłoże nanosi się warstwę podstawową (3) w postaci polimeru, a później odsł onię tą po wyznaczeniu kształtu przyszł ych nano-ś cieżek krawęd ź (5) warstwy podstawowej (3) poddaje się procesowi usieciowania na drodze polikondensacji.
4. 4. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że na podłoże nanosi się warstwę podstawową (3) w postaci monomeru, a póź niej odsł onię tą po wyznaczeniu kształtu przyszłych nano-ścież ek krawęd ź (5) warstwy podstawowej (3) poddaje się procesowi usieciowania na drodze polikondensacji.

   PL 204 687 B1
5. 5. Sposób według zastrz. 1, 2, 3, 4, znamienny tym, że usuwanie warstwy ochronnej (4) oraz nie przekształconej warstwy podstawowej (3) prowadzi się za pomocą trawienia.
6. 6. Sposób według zastrz. 1, 2, 3, 4, znamienny tym, że usuwanie warstwy ochronnej (4) oraz nie przekształconej warstwy podstawowej (3) prowadzi się za pomocą sublimacji.
7. 7. Sposób według zastrz. 1, 2, 3, 4, znamienny tym, że usuwanie warstwy ochronnej (4) oraz nie przekształconej warstwy podstawowej (3) prowadzi się w rozpuszczalniku.