WO2012102644A1 - Способ создания маски на поверхности подложки - Google Patents

Способ создания маски на поверхности подложки Download PDF

Info

Publication number
WO2012102644A1
WO2012102644A1 PCT/RU2012/000024 RU2012000024W WO2012102644A1 WO 2012102644 A1 WO2012102644 A1 WO 2012102644A1 RU 2012000024 W RU2012000024 W RU 2012000024W WO 2012102644 A1 WO2012102644 A1 WO 2012102644A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
resist
substrate
heating
laser
radiation
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/RU2012/000024
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Игорь Георгиевич РУДОЙ
Мойше Самуилович КИТАЙ
Аркадий Матвеевич СОРОКА
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Individual
Original Assignee
Individual
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Individual filed Critical Individual
Publication of WO2012102644A1 publication Critical patent/WO2012102644A1/ru
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10P—GENERIC PROCESSES OR APPARATUS FOR THE MANUFACTURE OR TREATMENT OF DEVICES COVERED BY CLASS H10
    • H10P76/00—Manufacture or treatment of masks on semiconductor bodies, e.g. by lithography or photolithography
    • H10P76/20—Manufacture or treatment of masks on semiconductor bodies, e.g. by lithography or photolithography of masks comprising organic materials
    • H10P76/204—Manufacture or treatment of masks on semiconductor bodies, e.g. by lithography or photolithography of masks comprising organic materials of organic photoresist masks
    • G—PHYSICS
    • G03—PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
    • G03F—PHOTOMECHANICAL PRODUCTION OF TEXTURED OR PATTERNED SURFACES, e.g. FOR PRINTING, FOR PROCESSING OF SEMICONDUCTOR DEVICES; MATERIALS THEREFOR; ORIGINALS THEREFOR; APPARATUS SPECIALLY ADAPTED THEREFOR
    • G03F7/00—Photomechanical, e.g. photolithographic, production of textured or patterned surfaces, e.g. printing surfaces; Materials therefor, e.g. comprising photoresists; Apparatus specially adapted therefor
    • G03F7/26—Processing photosensitive materials; Apparatus therefor
    • G03F7/38—Treatment before imagewise removal, e.g. prebaking

Definitions

  • the claimed technical solution relates to lithography, and more specifically to methods for creating a resistive mask on the surface of the substrate, in particular, a semiconductor substrate. It is of interest for the development of lithographic systems with high performance and resolution.
  • Creating a resistive mask is an essential component of the lithographic process and, in general, includes the following stages:
  • the resist / resist layer thickness is 200 + 400 nm, in the future for extreme ultraviolet lithography (EUV lithography), the resist layer thickness can be reduced to -50 nm.
  • EUV lithography extreme ultraviolet lithography
  • etching or other processing of the underlying technological layers is carried out through the areas free from the resist, after which the used mask is removed.
  • this sequence of operations can be repeated many times.
  • the process of creating patterns for projection lithography can be organized.
  • each of these stages may include several "elementary" technological operations. For example, applying a resist layer, as a rule, is preceded by a special treatment of the surface of the substrate in order to clean it and increase adhesion to the applied resist; after development, the remaining part of the resist is further processed (in particular, heat treated) to increase resistance to subsequent exposure (etching), etc.
  • the same technological operation can be carried out by different methods, for example, the application of a polymer resist can be carried out by centrifugation or pulverization, it can be applied positive or negative resist, exposure of the resist can be carried out with ultraviolet radiation (today the wavelength of the radiation from an ArF laser with nm is used, in the future EUV lithography at ⁇ ⁇ 13.5 nm is considered as the main one), an electron beam or X-ray radiation, etc.
  • ultraviolet radiation today the wavelength of the radiation from an ArF laser with nm is used, in the future EUV lithography at ⁇ ⁇ 13.5 nm is considered as the main one
  • an electron beam or X-ray radiation etc.
  • the claimed technical solution is quite versatile and can be used in combination with many specific implementations of each of the above stages.
  • the performance of the lithographic process is determined, first of all, by the duration of the exposure stage when creating a resistive mask on the surface of the substrate. This is due to the fact that, in contrast to, for example, the etching stage (when it is possible to simultaneously process many substrates simultaneously or conveyor), the process of exposing them is actually "pointwise" (or in small areas much smaller than the area of the entire substrate or even a microcircuit).
  • the exposure process is the longest and it is the exposure systems that currently determine the price of the lithographic complex.
  • the current level of resolution also determines high requirements for the exposure agent (for example, a high degree of monochromaticity and spatial uniformity of the laser beam is required), which leads to its relatively low power and, consequently, an increase in the total exposure time.
  • the condition of high resolution conflicts with the requirement of high productivity of the lithographic process.
  • a known method of creating a mask (structure) on the surface of the substrate including applying a resist layer and exposing predetermined sections of the resist surface with laser radiation. Radiation with such parameters of energy, intensity and duration of a single pulse is used that ablation of the resist from the exposed area occurs ([1]: JTCYeh "Journal of vacuum science and technology", 1986, v. A4, p. 653). The number of pulses per specific surface area is such that the entire resist layer deposited on the substrate is removed. This method actually combines local exposure and development, which eliminates the corresponding etching stage of the process of creating a mask on the surface of the resist.
  • this method requires a high dose of exposure (energy per unit area / volume of the resist), respectively, the exposure time is significantly increased and due to this, the productivity of the lithographic installation as a whole decreases.
  • the dose of the exposure agent necessary for ablation of the resist is difficult to implement for the most promising EUV lithography technology at ⁇ ⁇ 13 nm.
  • a known method of creating a mask on the surface of the substrate including applying a layer of polymer resist to the surface of the substrate, exposing the resist and subsequent manifestation of the structure created on the resist ([2]: K. A. Valiev "Physics of submicron lithography", M: 1990-528 s). Exposure can be carried out by light, an electron beam or a beam of atomic particles (ions), as well as x-ray radiation.
  • the exposure process is reduced to breaking bonds in complex polymer molecules in the (specified) regions of the resist processed by the exposure agent. Therefore, when using exposure to light exposure, radiation with a quantum energy exceeding the breaking energy of the corresponding bond (corresponding bonds) in the resist molecule is used. This means that the wavelength used for exposure of the radiation should be less than a certain threshold value - the photodestruction threshold of the polymer resist molecule.
  • the rate of “dissolution” of the resist in the developing liquid solution (or during plasma etching) depends on its average molecular weight. Accordingly, the choice of solvent or mode Plasma etching is achieved so that only unexposed sections of the resist (for positive resistes) or only exposed (for negative resistes) remain on the substrate.
  • it is necessary to provide a certain number of broken atomic bonds in the initial resist that is, to provide a certain dose (for a thin resist layer, energy density) Wo exposure.
  • the dose is different for different methods of exposure, it depends on the wavelength of the radiation used (light or x-ray), the energy of the electrons (when exposed to an electron beam) and the form of the resist itself, however, it is significantly less than necessary for the implementation of the ablation mode.
  • the known method allows to reduce the required dose and, accordingly, the exposure time, however, it remains very high, especially when creating structures with maximum resolution. This is due to the fact that, as a rule, the efficiency of creating the gaps necessary for selective etching is low and only a small fraction of the energy of the exposure agent actually ensures the creation of a structure in the resist layer.
  • the quantum yield of direct disruption of a polymethylmethacrylate macromolecule (PMMA, one of the main resists with a potentially very high achievable resolution) under UV radiation does not exceed -1%.
  • PMMA polymethylmethacrylate macromolecule
  • EUV photons the quantum yield of PMMA macromolecular chain disruption is close to 1, but PMMA has a relatively small absorption coefficient in this range.
  • the closest technical solution is a method of creating a mask on the surface of the substrate, including applying a layer of polymer resist containing an acid generator on the surface of the substrate, exposing the resist, heat treatment of the exposed resist and subsequent manifestation of the structure created on the resist ([3]: SV Zelentsov , N.V. Zelentsova. “Modern Photolithography.” Nizhny Novgorod, 2006–56 s).
  • the known method uses the principle of chemical amplification ([4]: SA MacDonald, CG Willson, MJJ Frechet. "Chemical amplification in high resolution imaging systems". Acc. Chem. Res. 1994, v. 27, N ° 6, p. 151 -158), for the implementation of which the composition of the resist additionally includes molecules - acid generators and conduct additional heat treatment of the exposed resist.
  • acid photogenerators (FGK, in English transcription PAGs - photo acid generators).
  • FGK in English transcription PAGs - photo acid generators.
  • Various compounds are used as FGC, including diaryl iodonium and triaryl sulfonium salts.
  • the change in the molecular weight of the resist in the known method takes place in two main stages. At the first, under the influence of an exposure agent (currently most often UV light), FGK releases acid. During the second - subsequent heat treatment (heating) of the resist - a catalytic reaction takes place, as a result of which, under the influence of the formed acid, the polymer binder of the resist either crosslinkes (then the molecular weight of the resist increases and a negative image forms), or collapses (molecular weight decreases, positive image) , while the acid itself is not consumed and can repeatedly participate in the reaction. The number of reaction acts per one light quantum absorbed by FGC can reach -100 ([3]).
  • Heating is usually carried out in a furnace with a stable temperature or by placing on the surface of a body (plate) heated to the required temperature with a heat capacity many times greater than the heat capacity of the heated composition, which includes a substrate with a resist and, as a rule, an additional supporting surface (since for a typical substrate thickness H ⁇ 0.30 mm, its rigidity is insufficient with a diameter of -300 mm).
  • the resist is cooled to the initial temperature, at which the catalytic process practically does not occur, and then the formation of the formed structure.
  • the technical result of the claimed invention is to increase the resolution of lithography with high performance using chemical amplification technology.
  • the technical result is achieved by the fact that in the method of creating a mask on the surface of the resist, including applying a polymer resist layer containing an acid generator to the substrate surface, exposing the resist, heat treatment of the exposed resist and subsequent manifestation of the structure created in the resist, the heat treatment of the exposed resist includes heating at least one laser pulse, the radiation wavelength of which is chosen from the condition that the absorption coefficient of the laser radiation exceeds the absorption coefficient of laser radiation by the substrate.
  • the fundamental idea of the proposed technical solution is to provide post-exposure heating of the resist with the acid generated in it for such a short period of time that the diffusion of the acid is not significant for structures with a resolution of -15 nm or less.
  • the silicon substrate is fixed on the support much larger than the substrate thickness, forming an "assembly" that provides the necessary rigidity, and is heat treated together with it, which immediately sharply increases the thermalization time, which increases in proportion to the square of the total thickness of the heated assembly.
  • the characteristic residence time of the resist at high temperature is seconds.
  • a short heating time of the resist can be realized in the case when the resist is rapidly heated (heating time ⁇ 0 ) and rapid cooling is possible when the substrate on which the resist is applied acts as a “refrigerator”.
  • a resist is sufficiently quickly heated by a laser pulse of a wavelength at which the absorption coefficient of the radiation by the resist exceeds the absorption coefficient of the radiation by the substrate.
  • the heating laser pulse, providing heating of the resist should not lead to photochemical processes in the resist or in the photogenerator of the kilot, and therefore the radiation of the visible or IR spectral ranges is preferable.
  • the fraction of radiation absorbed in the resist does not exceed -10%. This means that in the resist and adjacent layers of the substrate (or, with a small absorption of heating radiation by the substrate, in the entire substrate) for a sufficiently short laser pulse, when the effects of thermal conductivity can be ignored, the temperature growth rate is:
  • T / dt kI / pc (1), where k is the radiation absorption coefficient, / is the intensity of the heating laser radiation, p is the density of the heated material, and c is its specific heat; it is taken into account that the reflection of radiation from the resist is small. Accordingly, with the energy flow in the heating pulse W [J cm ⁇ ], the heating for the entire laser pulse is:
  • the product (pc) is almost the same, for example, for one of the basic PMMA resistes) with ⁇ 1.75 J / (cm3-deg), and for the main substrate material of silicon> c ⁇ 1.65 J / (cm3- hail).
  • the absorption coefficient of the heating laser pulse by the substrate to the base is less (preferably significantly lower) than the absorption coefficient of the radiation by the resist to cut , then after such an action the substrate will be colder (much colder) than the resist and provide it (resist) with effective cooling.
  • the ratio according to the claimed invention between the absorption coefficients of the resist and the substrate is possible, for example, in the passband of the substrate material, for the most common silicon substrates this is primarily the range of 1.3-I to 5 ⁇ m. In the same spectral range, there is no photochemical effect on the resist and there are regions of strong absorption of the resist in which the ratio k pe3 »k n0WI optimal for the proposed method can be realized.
  • the use of radiation in the region of 3 ⁇ m is preferable due to the existence of fairly widespread erbium lasers, which make it possible to realize the required irradiation regimes (see below), the possibility of transmitting radiation through the optical fiber, and also due to both a large absorption coefficient of radiation by a resist and a large ratio of resistivity and substrates. This makes it possible to use sufficiently low-power lasers, as well as virtually neglect the change in the substrate temperature for sufficiently short laser pulses.
  • a cold substrate serves as an effective “cooler” for a resist heated by radiation, primarily a silicon substrate having a high thermal conductivity ( ⁇ ⁇ 1.6 W / cmtrad, thermal diffusivity / under ⁇ 0.95 cm2 / s at room temperature, which is comparable with aluminum parameters )
  • the cooling time of the resist hokhl is determined for a short heating pulse by the time of establishing thermal equilibrium in the resist layer and to halve overheating is:
  • the duration of the laser pulse of heating the exposed resist is chosen no more than the time of establishing thermal equilibrium in the resist layer, that is, the duration of the laser pulse does not exceed cool, and the total residence time of the resist in the heated state (at high temperature) does not exceed 2 g of cooling .
  • the diffusion of acid is minimal and heating by a laser pulse leads to chemical reactions in fact only in those areas of the resist in which acids were pre-generated during exposure.
  • the inventive method allows you to use the effect of chemical amplification without compromising resolution, while it is possible to use irradiation with heating laser pulses of the entire surface of the resist without the use of complex and expensive systems for the formation of structures with high resolution.
  • the heating time when the heating time is sufficient for chemical reactions to proceed, it is possible to use a laser source of minimum average power and pulse energy.
  • a significant part of the thermal energy released in the resist (and more and more as the pulse duration increases) is used to heat the substrate and, accordingly, to achieve and maintain the required temperature of the resist, more and more light energy is required, especially taking into account the fact that thermal diffusivity substrate is hundreds of times greater than thermal diffusivity resist (for silicon and PMMA, the ratio is -700 times).
  • the temperature difference between the resist and the substrate is reduced and, consequently, the efficiency of post-pulse cooling of the resist.
  • the duration of the laser pulse exceeds the time it takes to establish thermal equilibrium in the substrate (for a thickness of a silicon substrate of 300 ⁇ m, it amounts to “- ⁇ GG for ⁇ 1 ms ), then the thermal equilibrium between the substrate and the resist is established and, as described above, the lifetime of the resist in when heated, it increases at least 1000 times (and even more, since it is "very fast" to move a substrate with a resist to the cooler).
  • the characteristic size of the diffusion spreading of the acid can already be significant, and the required energy density of the heating laser pulse will increase as many times as the thickness of the substrate exceeds the thickness of the resist layer, i.e., also by -1000 times.
  • the use of multi-kilowatt average power lasers in ultrahigh-resolution lithography seems unrealistic.
  • the speed of the catalytic chemical reaction is insufficient, it is preferable to increase the energy of a short laser pulse (to increase the temperature of the resist and the speed of the chemical reaction), but not the duration of the resist in the heated state at a lower temperature.
  • the power of the laser pulse is -100 kW, such power can be transmitted through a fiber (several fibers), which facilitates the implementation of the proposed method.
  • An important advantage of the proposed method is the fact that the temperature of the heating of the resist practically does not depend on its thickness (as long as the resist is optically “thin”), the duration of the laser pulse (if it is significantly less than t réelle ) and, according to formula (2), is determined only a stream of energy from a heating laser pulse.
  • the temperature of the heating of the resist practically does not depend on its thickness (as long as the resist is optically “thin”), the duration of the laser pulse (if it is significantly less than t réelle ) and, according to formula (2), is determined only a stream of energy from a heating laser pulse.
  • the heating of the resist during heat treatment is performed by at least two laser pulses, the time interval between which is chosen at least the time of establishing thermal equilibrium in the substrate.
  • the total heating of the resist and the substrate per pulse is not more than 0.1 ° C, that is, it is quite small (and taking into account the real assembly, that is, the support on which the substrate is located, even less). It is this circumstance that makes it possible not to take into account the heating of the resist by the previous laser pulse under the action of the next heating pulse.
  • the time interval between successive heating laser pulses is sufficiently large according to the claimed invention, acid diffusion occurs only during the action of each heating pulse (and the time for subsequent cooling down), and between successive pulses the temperature practically corresponds to the initial one.
  • the heating of the resist by each subsequent pulse is carried out to the same temperature with an accuracy of no worse than 0.1 ° C.
  • the effect of previous pulses is not too significant at a higher frequency, especially with a small number of pulses. For example, at a frequency of 9 kHz (9 times greater than o), between the successive pulses, a three times smaller layer of the substrate is heated and, consequently, the increase in the temperature of the resist before the next pulse will be ⁇ 0.3
  • the diffusion spreading size increases in N pa3 and even for 10 -15 consecutive pulses does not exceed fractions of a nanometer.
  • the resist With a short time interval between successive pulses, the resist remains heated and the diffusion of the acid occurs during significantly longer time and, accordingly, a large amount, which affects the resolution of the lithography process.
  • the diffusion of acid into adjacent diffusion cells is ensured by the fact that at least one non-laser heating is additionally included in the heat treatment of the exposed resist resist.
  • Such heating can be carried out by one of the known methods by which heat treatment of an exposed polymer resist containing an acid generator is currently being carried out.
  • the temperature and duration of non-laser heating are selected from the condition of the controlled size of acid diffusion, that is, heating to a temperature lower than that in the known methods is preferred a slightly longer and well-controlled time (a time scale of -60 seconds seems preferable).
  • the temperature of non-laser heating is selected from the condition that for a given and well-controlled time, for example 60 seconds, the diffusion of the acid will be a predetermined allowable value, for example 1.5 - ⁇ - 2 nm.
  • a new irradiation cycle of the resist is carried out with heating laser pulses according to the invention in order to provide chemical amplification in those diffusion cells into which acid migrated during non-laser heating.
  • the cycle "non-laser heating - laser heating pulse (pulses)" can be repeated several times.
  • the heat treatment of the resist by heating laser pulses can be combined (or partially combined) with non-laser heating of the resist. This is possible primarily in a situation where the duration of non-laser heating substantially exceeds the duration of the cycle of irradiation of the resist with heating laser pulses.
  • both the preliminary and finishing cycles of laser heating irradiation can be carried out together with non-laser heating (in the first 5 seconds and the last 5 seconds of non-laser heating), in this case a “heating” laser of lower power can be used or the duration of the processing cycle of the entire surface of the resist can be reduced laser pulses.
  • the laser pulse energy (and average laser power) or the duration of the laser processing cycle can be reduced by 40%, since in the indicated embodiment, the laser pulse heats the resist at 60 os (from 60 ° C to 120 ° C), and not at 100 os (from 20 ⁇ C to 120 OQ.
  • simultaneously grain and laser heating of the resist may be preferable even if chemical amplification is realized within the framework of a single diffusion cell, that is, when non-laser heating of the resist (and substrate) is carried out to a temperature at which the diffusion of the acid is insignificant.
  • the exposed resist is additionally irradiated with light with a quantum energy below the threshold for photodestruction of the polymer resist before manifestation.
  • An important advantage of this option is that irradiation with light with a quantum energy less than the photodestruction threshold of the initial polymer resist can be carried out without the use of complex and expensive systems for the formation of structures with high resolution.
  • additional irradiation can be produced by ultraviolet light with a wavelength in the range of 280-K360 nm, preferably 300-340 nm.
  • Sources of radiation of the near ultraviolet range ⁇ ⁇ 300 nm
  • ⁇ ⁇ 300 nm are quite widespread, have a high average power, moderate cost and can easily be adapted for the purposes of the claimed invention.
  • For additional exposure it is possible to use both continuous and pulse-periodic sources of UV radiation.
  • the resolution deterioration due to discontinuity migration is about 3 nm, which may be acceptable for structures with a resolution of ⁇ 15 nm.
  • the implementation of the proposed technical solution can be performed, for example, as follows.
  • a FGC-containing resist for example, EUV radiation with a wavelength of -13.5 nm
  • the resist is irradiated with a repetitively pulsed radiation of an erbium laser with parameters: pulse energy -1.6 mJ, pulse duration ⁇ 10 nsec, pulse repetition rate / ⁇ 2.5 kHz (average laser power 4 W).
  • pulse energy -1.6 mJ pulse duration ⁇ 10 nsec
  • pulse repetition rate / ⁇ 2.5 kHz average laser power 4 W.
  • a section of a resist measuring 2 * 2 mm2 is irradiated with a separate pulse, which provides a dose in the pulse of about 40 mJ / cm ⁇ .
  • the serial scanners of this company provide an angular scanning range of about ⁇ 0.4 radians with positioning accuracy and angular resolution of -15 mrad. This means that when the scanner is located on the axis of the substrate, a focal length of 350 mm is sufficient to ensure that the heating beam moves over the entire surface of the substrate with a diameter of 300 mm with a positioning accuracy of -5 ⁇ m (400 times smaller than the size of the resistivity irradiated per pulse).
  • the speed of the beam moving on the surface of the substrate can exceed 10 m / s and, thus, known scanners provide the required scanning mode of the resist surface, while the movement of the beam on the resist during the pulse time (-0.1 ⁇ m) can be completely neglected.
  • the cooling time of the resist layer with a thickness of 100 nm is -100 nsec and is almost equal to the residence time of the resist in the hot state, since the heating laser pulse is much shorter.
  • the size of the diffusion movement of the acid for the indicated period of time does not exceed -0.1 nm, which allows us to maintain the maximum possible resolution in the case of repeated exposure of the resist to heating pulses. This circumstance is essential for the successful implementation of the proposed method, since when irradiating the entire surface of the resist, some overlapping of the boundaries of the irradiated sections is inevitable, that is, a part (small) of the surface of the resist is irradiated twice as a whole by laser heat treatment of the resist as a whole.
  • the “theoretical” diffusion movement of the acid is slightly higher than once the treated area of the resist.
  • the boundary zones of the resist region irradiated per pulse with a linear size on the order of the thickness of the substrate are cooled by the substrate several times faster than the main area heated by the laser pulse, due to the fact that the heat from the resist leaves not only “deep” the substrate, but also to the external ( “Side”) for the irradiated portion of the substrate region.
  • the width of the area heated twice during the processing of a single pulse can be less than 100 microns, even taking into account all diffraction effects.
  • the required level of the cooling rate of the boundary of the region processed by the previous laser pulse is provided, on which the boundary of the next resist section heated by the laser pulse is “superimposed” at a heating pulse repetition rate of several kilohertz.
  • the time of a single treatment of the entire surface of the resist is less than 6 seconds, which allows to realize sufficient productivity of the proposed method, which, if necessary, can be significantly increased, for example, by using a more powerful laser or by treating the surface of the resist with several lasers simultaneously.
  • Heat treatment of a resist by heating laser pulses can be repeated several times, during processing, the substrate with the resist can be placed on a preheated plate of high heat capacity (i.e., on a thermostabilized surface), which ensures a constant and predetermined temperature of the substrate.
  • the temperature of such a plate is selected primarily from the condition of ensuring a controlled size of acid diffusion during the contact of the substrate with the exposed resist and the thermally stabilized plate.
  • the placement of a substrate with a resist on a heated thermostabilized plate can be used to use a heating laser for power meshes or to accelerate the time of laser heat treatment.
  • the claimed method realizes a significant increase in the performance of high and ultra-high resolution lithography, since even when catalytic chemical reactions occur only within the framework of one diffusion cell the number of bond breaks in the polymer resist increases by 5–6 times.
  • the resist can be additionally irradiated with light with a quantum energy less than the threshold of photodestruction of the resist, for example, for a resist based on PMMA is the irradiation with light of the near UV range of 280 ⁇ 360 nm, for this purpose, for example, excimer lamps based on the XeCl * molecule ( ⁇ ⁇ 308 nm) or third-harmonic radiation of a neodymium laser ( ⁇ ⁇ 353 nm), which provide a sufficiently high efficiency for generating radiation of the corresponding spectral range.
  • the required radiation dose is -500 J cm ⁇ , that is, at the full power of the source of the UV range of 300 W (irradiation intensity of about 420 mW cm ⁇ ), the irradiation time of the entire surface of the resist will be about 20 minutes and, therefore, such irradiation is preferably carried out in a conveyor mode.
  • the claimed technical solution allows to increase the resolution of lithography with high performance using chemical amplification technology.
  • the claimed invention implements efficient and quick (many orders of magnitude faster than in the known methods) cooling of the resist by the substrate with controlled and controlled heating of the resist up to temperatures exceeding the glass transition temperature of the resist. This allows us to conclude that the claimed technical solution meets the criteria of the invention of "novelty" and "significant differences”.

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Exposure And Positioning Against Photoresist Photosensitive Materials (AREA)

Abstract

Изобретение относится к литографии, точнее к способам создания резистивной маски на поверхности подложки, в частности, полупроводниковой подложки. Техническим результатом изобретения является увеличение разрешения литографии с высокой производительностью, использующей технологию химического усиления. Технический результат достигается тем, что в способе создания маски на поверхности резиста, включающем нанесение на поверхность подложки слоя полимерного резиста, содержащего генератор кислоты, экспонирование резиста, термическую обработку экспонированного резиста и последующее проявление созданной в резисте структуры, в термическую обработку экспонированного резиста включают его нагрев по меньшей мере одним лазерным импульсом, длину волны излучения которого выбирают из условия, что коэффициент поглощения лазерного излучения резистом превосходит коэффициент поглощения лазерного излучения подложкой.

Description

СПОСОБ СОЗДАНИЯ МАСКИ НА ПОВЕРХНОСТИ ПОДЛОЖКИ
Заявляемое техническое решение относится к литографии, точнее к способам создания резистивной маски на поверхности подложки, в частности, полупроводниковой подложки. Оно представляет интерес для разработки литографических установок с высокими производительностью и разрешением.
Создание резистивной маски является важнейшим компонентом литографического процесса и, в целом, включает следующие стадии:
1. Нанесение слоя полимерного резиста на поверхность подложки, обычно толщина слоя резиста /рез составляет 200+400 нм, на перспективу для литографии экстремального ультрафиолета (EUV-литографии) толщина слоя резиста может быть уменьшена до -50 нм.
2. Локальное экспонирование резиста (создание структуры).
3. Проявление заданной при экспонировании структуры, когда на подложке остаются только экспонированные (или неэкспонированные— в зависимости от типа резиста и способа проявления) участки резиста.
В дальнейшем, в соответствии со структурой резистивной маски, через свободные от резиста участки проводится травление (или другая обработка) нижележащих технологических слоев, после чего использованная маска удаляется. При создании современных интегральных схем и других электронных устройств такая последовательность операций может повторяться многократно. Аналогично может быть организован процесс создания шаблонов для проекционной литографии.
Важно указать, что выше приведены только основные стадии процесса создания маски на поверхности подложки, каждая из этих стадий может включать несколько «элементарных» технологических операций. Например, нанесению слоя резиста, как правило, предшествует специальная обработка поверхности подложки с целью ее очистки и повышения адгезии к наносимому резисту; после проявления оставшаяся часть резиста дополнительно обрабатывается (в частности, термообрабатывается) для повышения стойкости к последующему воздействию (травлению) и т.д.
Одна и та же технологическая операция может проводиться различными методами, например, нанесение полимерного резиста может осуществляться центрифугированием или пульверизацией, наноситься может позитивный или негативный резист, экспонирование резиста может осуществляться ультрафиолетовым излучением (на сегодня применяется длина волны излучения ArF- лазера с нм, на перспективу в качестве основной рассматривается EUV-литография на λ~13,5 нм), электронным пучком или рентгеновским излучением и т.д. Заявляемое техническое решение является достаточно универсальным и может применяться в комбинации со многими конкретными реализациями каждой из описанных выше стадий.
В настоящее время, когда требуется разрешение <0.03 мкм (30 нм и меньше), производительность литографического процесса определяется, прежде всего, именно продолжительностью стадии экспонирования при создании резистивной маски на поверхности подложки. Это обусловлено тем, что в, отличие от, например, этапа травления (когда можно одновременно или конвейерно обрабатывать множество подложек), процесс их экспонирования осуществляется фактически «поточечно» (или по небольшим участкам, много меньшим площади всей подложки или даже микросхемы). При этом в силу сложности систем точной фокусировки электронного, рентгеновского или светового пучка, систем перемещения, совмещения подложки и т.д., процесс экспонирования является самым длительным и именно системы экспонирования в настоящее время определяют цену литографического комплекса. Современный уровень разрешения определяет и высокие требования к экспонирующему агенту (например, требуется высокая степень монохроматичности и пространственной однородности лазерного луча), что приводит к его сравнительно низкой мощности и, соответственно, увеличению общего времени экспонирования. Таким образом, условие высокого разрешения вступает в противоречие с требованием высокой производительности литографического процесса.
Известен способ создания маски (структуры) на поверхности подложки, включающий нанесение слоя резиста и экспонирование заданных участков поверхности резиста лазерным излучением. Используется излучение с такими параметрами энергии, интенсивности и длительности отдельного импульса, что происходит абляция резиста с экспонируемого участка ([1]: J.T.C.Yeh "Journal of vacuum science and technology", 1986, v. A4, p. 653). Количество импульсов, приходящихся на заданный участок поверхности, таково, что удаляется весь нанесенный на подложку слой резиста. Этот способ фактически совмещает локальное экспонирование и проявление, что исключает соответствующую травлению стадию процесса создания маски на поверхности резиста. Однако такой способ требует высокой дозы экспонирования (энергии, приходящейся на единицу площади/объема резиста), соответственно время экспонирования существенно увеличивается и за счет этого снижается производительность литографической установки в целом. Кроме того, необходимую для абляции резиста дозу экспонирующего агента сложно реализовать для наиболее перспективной технологии EUV-литографии на λ ~ 13 нм.
Таким образом, для повышения производительности наиболее существенно уменьшить время (дозу) экспонирования резиста даже за счет введения дополнительных стадий процесса создания маски, в частности— введения отдельного этапа проявления экспонированной структуры.
Известен способ создания маски на поверхности подложки, включающий нанесение на поверхность подложки слоя полимерного резиста, экспонирование резиста и последующее проявление созданной на резисте структуры ([2]: К. А. Валиев «Физика субмикронной литографии», М: 1990— 528 с). Экспонирование может проводиться светом, электронным пучком или пучком атомных частиц (ионов), а также рентгеновским излучением.
Исходно процесс экспонирования сводится к разрыву связей в сложных полимерных молекулах на обрабатываемых экспонирующим агентом (заданных) участках резиста. Поэтому при использовании для экспонирования светового воздействия применяется излучение с энергией кванта, превосходящей энергию разрыва соответствующей связи (соответствующих связей) в молекуле резиста. Это означает, что длина волны применяемого для экспонирования излучения должна быть меньше некоторой пороговой величины - порога фотодеструкции полимерной молекулы резиста.
В позитивных резистах при экспонировании уменьшается средняя молекулярная масса в подвергшихся воздействию участках. В негативных резистах образование разрывов макромолекул ведет затем к образованию сшивок и увеличению средней молекулярной массы резиста в экспонированных участках. То есть, в результате экспонирования в резисте формируется структура, в которой средняя масса молекул в заданных (экспонированных) участках резиста и во всем остальном резисте становится различной.
Для проявления созданной при экспонировании структуры (обычно проявление происходит в процессе травления) используется тот факт, что скорость «растворения» резиста в проявляющем жидком растворе (или при плазменном травлении) зависит от его средней молекулярной массы. Соответственно, подбором растворителя или режима плазменного травления добиваются, чтобы на подложке остались только неэкспонированные участки резиста (для позитивных резистов) или только экспонированные (для негативных резистов). В результате, для качественного проявления заданной структуры маски необходимо обеспечить определенное количество разорванных атомных связей в исходном резисте, то есть обеспечить определенную дозу (для тонкого слоя резиста плотность энергии) Wo экспонирования.
Численно доза является разной для различных способов экспонирования, она зависит от длины волны используемого излучения (светового или рентгеновского), энергии электронов (при экспонировании электронным пучком) и вида самого резиста, однако она существенно меньше, чем необходимо для реализации режима абляции.
Известный способ позволяет уменьшить требуемую дозу и, соответственно, длительность экспонирования, однако она остается весьма высокой, особенно при создании структур с предельным разрешением. Это связано с тем, что, как правило, эффективность создания необходимых для селективного травления разрывов низка и только небольшая доля энергии экспонирующего агента фактически обеспечивает создание структуры в слое резиста. Так, например, квантовый выход прямого разрыва макромолекулы полиметилметакрилата (ПММА, один из основных резистов с потенциально очень высоким достижимым разрешением) под действием УФ излучения не превышает -1%. Для фотонов EUV диапазона квантовый выход разрыва макромолекулярной цепи ПММА близок к 1 , но при этом у ПММА сравнительно мал коэффициент поглощения в этом диапазоне.
Наиболее близким техническим решением (прототипом) является способ создания маски на поверхности подложки, включающий нанесение на поверхность подложки слоя полимерного резиста, содержащего генератор кислоты, экспонирование резиста, термическую обработку экспонированного резиста и последующее проявление созданной на резисте структуры ([3]: СВ. Зеленцов, Н.В. Зеленцова. «Современная фотолитография». Нижний Новгород, 2006— 56 с).
В известном способе используется принцип химического усиления ([4]: S.A. MacDonald, C.G. Willson, M.J.J. Frechet. "Chemical amplification in high resolution imaging systems". Acc. Chem. Res. 1994, v. 27, N° 6, p. 151-158), для реализации которого в состав резиста дополнительно включают молекулы — генераторы кислоты и проводят дополнительную термическую обработку экспонированного резиста. При экспонировании резиста УФ излучением используют фотогенераторы кислоты (ФГК, в английской транскрипции PAGs - photo acid generators). В качестве ФГК применяются различные соединения, в том числе диарилиодониевые и триарилсульфониевые соли.
Изменение молекулярной массы резиста в известном способе проходит в два основных этапа. На первом под действием экспонирующего агента (в настоящее время чаще всего УФ света) ФГК выделяет кислоту. Во время второго — последующей термической обработки (нагрева) резиста — проходит каталитическая реакция, в результате которой под воздействием образовавшейся кислоты полимерное связующее резиста либо сшивается (тогда молекулярная масса резиста увеличивается и образуется негативное изображение), либо разрушается (молекулярная масса уменьшается, позитивное изображение), при этом сама кислота не расходуется и может многократно участвовать в реакции. Число реакционных актов на один поглощенный ФГК квант света может достигать -100 ([3]). Нагрев обычно производится в печи со стабильно поддерживаемой температурой или же размещением на поверхности нагретого до требуемой температуры тела (плиты) с теплоемкостью во много раз большей, чем теплоемкость нагреваемой композиции, в которую входят подложка с резистом и, как правило, дополнительная опорная поверхность (поскольку для типичной толщины подложки H~0,30 мм ее жесткость при диаметре -300 мм недостаточна). Далее происходит охлаждение резиста до исходной температуры, при которой каталитический процесс практически не идет, и затем проявление сформированной структуры.
Применение в составе резиста генераторов кислоты принципиально возможно не только при воздействии УФ излучения (фотогенерация кислоты), но и при экспонировании EUV квантами, рентгеновским излучением и электронным пучком, однако во всех случаях необходима вторая стадия формирования структуры — термически активированное химическое усиление.
Использование в известном способе технологии химического усиления позволило значительно уменьшить необходимую дозу экспонирования (до 10-г 15 раз) и, соответственно увеличить производительность процесса литографии. Однако диффузия кислоты за время термической обработки приводит к уширению сформированной картины. Этот недостаток особенно существенен при создании структур с высоким и сверхвысоким разрешением, когда, например, сформированные электронным пучком структуры сверхвысокого разрешения после термической обработки уже имеют ширину -40 нм. Таким образом, известный способ приводит к ухудшению разрешения сформированной структуры и вообще ставит под вопрос возможность применения химического усиления для создания структур с размером 15-^20 нм (и, тем более, меньших), что, соответственно, может привести к резкому уменьшению производительности литографии сверхвысокого разрешения.
Техническим результатом заявляемого изобретения является увеличение разрешения литографии с высокой производительностью, использующей технологию химического усиления.
Технический результат достигается тем, что в способе создания маски на поверхности резиста, включающем нанесение на поверхность подложки слоя полимерного резиста, содержащего генератор кислоты, экспонирование резиста, термическую обработку экспонированного резиста и последующее проявление созданной в резисте структуры, в термическую обработку экспонированного резиста включают его нагрев по меньшей мере одним лазерным импульсом, длину волны излучения которого выбирают из условия, что коэффициент поглощения лазерного излучения резистом превосходит коэффициент поглощения лазерного излучения подложкой.
Принципиальная идея заявляемого технического решения состоит в том, чтобы обеспечить постэкспозиционный нагрев резиста со сгенерированной в нем кислотой на столь короткий промежуток времени, чтобы диффузия кислоты была несущественной для структур с разрешением -15 нм и менее.
Известные способы термообработки экспонированного резиста не позволяют поддерживать резист при необходимой для протекания каталитических химических реакций температуре малое время, например « 1 секунды. Это связано с тем, что при возможности отдельно разогреть или охладить резист достаточно быстро — время установления температуры в кремниевой (чаще всего используется кремний) подложке толщиной 0,30 мм менее 1 мс (см. также ниже)— время переноса хрупкой и достаточно большой (диаметром -300 мм) обрабатываемой детали от «нагревателя» к «холодильнику» не может быть малым, а во время такого переноса от нагревателя к холодильнику охлаждение практически не происходит. Кроме того, реально кремниевая подложка закрепляется на подставке значительно большей, чем подложка, толщины, образуя «сборку», обеспечивающую необходимую жесткость, и термообрабатывается совместно с ней, что сразу резко увеличивает и время термализации, которое растет пропорционально квадрату суммарной толщины прогреваемой сборки.
Таким образом, в известном способе при температуре термической обработки (зависящей от конкретного резиста и кислоты), когда фактическая длительность протекания химической реакции составляет ~ 10~7-Н0~8 с, характерное время пребывания резиста при высокой температуре составляет секунды. Для такого промежутка времени диффузия кислоты становится весьма существенной, например масштаб диффузионного расплывания кислоты при температуре Т=120 °С в течение f=60 секунд может составить <5~1-И,2 мкм ([5]: «Effect of PAG Location on Resists for Next Generation Lithographies)). Report of the Ober Research Group Cornell University, USA, INTERNET: http://people.ccmr.comell.edu/~cober/MiniPresentations/PAG RBSPC.pdf). что соответствует коэффициенту диффузии при этой температуре D^d t ~ 2-10-1 О см2/с.
Для уменьшения размера диффузии кислоты в указанных условиях (те же резист, кислота, температура) до 1 нм, что позволит обеспечить разрешение ~15 нм, необходимо уменьшить время пребывания резиста при 120 °С в ~ \ раз— до времени τ0 < 50 мкс, а при большем нагреве резиста потребуется еще значительно меньшее время прогрева.
Короткое время прогрева резиста может быть реализовано в случае, когда производится быстрый нагрев резиста (время нагрева <τ0) и быстрое охлаждение, возможное когда в качестве «холодильника» выступает подложка, на которую нанесен резист. Такую комбинацию условий возможно обеспечить, если, согласно заявляемому изобретению, провести достаточно быстрый нагрев резиста лазерным- импульсом такой длины волны, на которой коэффициент поглощения излучения резистом превосходит коэффициент поглощения излучения подложкой. Кроме того, для реализации заявляемого способа существенно, что греющий лазерный импульс, обеспечивая нагрев резиста, не должен приводить к фотохимическим процессам в резисте или в фотогенераторе килоты, в связи с чем излучение видимого или ИК диапазонов спектра является предпочтительным. В противном случае (более коротковолнового греющего излучения) необходимо обеспечить на резисте пространственную структуру греющего излучения, аналогичную структуре экспонирующего агента, что бессмысленно с точки зрения повышения производительности литографии высокого разрешения (фактически при такой лазерной термообработке требуется то же разрешение, что и при экспонировании, то есть излучение той же длины волны). Здесь существенно то обстоятельство, что слой резиста на подложке является настолько тонким, что поглощение излучения греющего лазерного импульса резистом сравнительно мало. В самом деле, при характерном коэффициенте поглощения излучения греющего импульса в резисте не более (Η4)·1θ3 см- и толщине резиста <
3,5· 10~5 см (350 нм) доля поглощенного в резисте излучения не превысит -10%. Это означает, что в резисте и прилегающих к резисту слоях подложки (или, при малом поглощении подложкой греющего излучения, во всей подложке) для достаточно короткого лазерного импульса, когда эффекты теплопроводности можно не учитывать, скорость роста температуры составляет:
T/dt = kI/pc (1), где к— коэффициент поглощения излучения, /— интенсивность греющего лазерного излучения, р— плотность нагреваемого материала, с— его удельная теплоемкость; учтено, что отражение излучения от резиста мало. Соответственно, при потоке энергии в греющем импульсе W [Дж см^] нагрев за весь лазерный импульс составит:
ΔΎ = kW/pc (2),
Для используемых в литографии материалов произведение (рс) практически одинаково, например для одного из базовых резистов ПММА )с~1,75 Дж/(смЗ-град), а для основного материала подложки кремния >с~1,65 Дж/(смЗ-град). Таким образом, если коэффициент поглощения греющего лазерного импульса подложкой кподл будет меньше (предпочтительно— значительно меньше), чем коэффициент поглощения излучения резистом крез, то после такого воздействия подложка будет холоднее (значительно холоднее) резиста и обеспечит его (резиста) эффективное охлаждение.
Реализовать необходимое согласно заявляемому изобретению соотношение между коэффициентами поглощения резиста и подложки возможно, например, в полосе пропускания материала подложки, для наиболее распространенных кремниевых подложек это прежде всего диапазон 1,3-И 5 мкм. В этом же спектральном диапазоне фотохимическое воздействие на резист отсутствует и есть области сильного поглощения резиста, в которых можно реализовать оптимальное для заявляемого способа соотношение kpe3»kn0WI. Например, для длины волны греющего излучения -10,6 мкм (С02-лазер) крез~1,2»103 см-1, а кподл<2 см"1, (крез кподл > 600), а для λ~3 мкм (эрбиевый лазер) крез~4«103 см-1, а кподл<0,1 см-1, (кре подл > 4·1θ4).
Вариант использования излучения в области 3 мкм является предпочтительным вследствие существования достаточно распространенных эрбиевых лазеров, позволяющих реализовать требуемые режимы облучения (см. ниже), возможности передачи излучения по световоду, а также вследствие как большого коэффициента поглощения излучения резистом, так и большого отношения коэффициентов поглощения резиста и подложки. Это позволяет использовать достаточно маломощные лазеры, а также фактически пренебречь изменением температуры подложки для достаточно коротких лазерных импульсов.
В самом деле, согласно (2), для нагрева резиста на
Figure imgf000010_0001
°С (от комнатной температуры до 120 °С) излучением на длине волны ~3 мкм необходим поток энергии 40 45 мДж см2, а с учетом отражения света (до 45%) от кремниевой подложки обратно в резист достаточно даже потока энергии WG~30 мДж см2. Для однократного нагрева всей площади подложки диаметром 300 мм необходима световая энергия около 20 Дж, то есть при средней мощности импульсно-периодического лазера 5 Вт (например, энергия отдельного импульса 1 мДж на частоте 5 кГц) для однократной обработки всего резиста достаточно 4 секунд (за один импульс нагревается участок резиста размером ~2·2 мм2). В то же время рост температуры подложки за счет прямого нагрева лазерным излучением в течение светового импульса составит всего -0,0015 °С (за счет последующей передачи тепла от резиста подложка нагреется больше, см. ниже).
Холодная подложка служит эффективным «холодильником» для нагретого излучением резиста, прежде всего кремниевая подложка, имеющая высокий коэффициент теплопроводности (ζ~1,6 Вт/смтрад, температуропроводность /подл ~0,95 см2/с при комнатной температуре, что сопоставимо с параметрами алюминия). При высокой теплопроводности подложки время охлаждения резиста гохл определяется для короткого греющего импульса временем установления теплового равновесия в слое резиста и для уменьшения перегрева вдвое составляет:
гохл ~
Figure imgf000010_0002
(3), где /рез ~ (1-Η,2)·10"3 GM2/C— характерная температуропроводность резиста, /рез— толщина слоя резиста. Для типичной в настоящее время толщины слоя резиста /рез ~ 300 нм из (3) находим тохл ~ 0,8 мкс, при уменьшении толщины слоя до 100 нм время охлаждения резиста уменьшится до -100 не. Таким образом, даже для мгновенного нагрева резиста (когда длительность лазерного импульса «гохл) время его охлаждения составляет несколько сот наносекунд, то есть время пребывания резиста в горячем состоянии достаточно для протекания реакций химического усиления. В этих же условиях формально вычисленный согласно выражению
Figure imgf000011_0001
размер диффузионного расплывания кислоты δ не превышает -0,15 нм (меньше размера самой молекулы), то есть обусловленным диффузией ухудшением разрешения можно пренебречь.
В предпочтительном варианте реализации заявляемого способа длительность лазерного импульса нагрева экспонированного резиста выбирают не более времени установления теплового равновесия в слое резиста, то есть длительность лазерного импульса не превосходит тохл, а общее время пребывания резиста в нагретом состоянии (при высокой температуре) не превышает 2гохл. В этом случае реализации заявляемого способа диффузия кислоты минимальна и нагрев лазерным импульсом приводит к химическим реакциям фактически только в тех участках резиста, в которых в процессе экспонирования были предварительно сгенерированы кислоты. Таким образом, заявляемый способ позволяет использовать эффект химического усиления без ухудшения разрешения, при этом возможно использовать облучение греющими лазерными импульсами всей поверхности резиста без применения сложных и дорогих систем формирования структур с высоким разрешением.
В указанном предпочтительном варианте при достаточной для протекания химических реакций длительности нагрева возможно использовать лазерный источник минимальной средней мощности и энергии импульса. При увеличении длительности греющего импульса значительная часть выделенной в резисте тепловой энергии (и все большая часть по мере увеличения длительности импульса) идет на нагрев подложки и, соответственно для достижения и поддержания требуемой температуры резиста требуется все большая световая энергия, особенно с учетом того, что температуропроводность подложки в сотни раз превосходит температуропроводность резиста (для кремния и ПММА отношение составляет -700 раз). Кроме того, снижается разница температур между резистом и подложкой и, следовательно, эффективность послеимпульсного охлаждения резиста.
Например, если длительность лазерного импульса превосходит время установления теплового равновесия в подложке (для толщины кремниевой подложки 300 мкм оно составляет « -Я^Гподл ~ 1 мс)' то устанавливается тепловое равновесие между подложкой и резистом и, как описано выше, время существования резиста в нагретом состоянии увеличивается, минимум, в 1000 раз (и даже больше, поскольку «очень быстро» переместить подложку с резистом к охладителю невозможно).
В результате характерный размер диффузионного расплывания кислоты может составить уже значительную величину, а потребная плотность энергии греющего лазерного импульса увеличится во столько раз, во сколько толщина подложки превосходит толщину слоя резиста, то есть также в -1000 раз. Применение же лазеров многокиловаттного уровня средней мощности в литографии сверхвысокого разрешения представляется нереальным. Даже для более коротких греющих лазерных импульсов, превосходящих однако время установления теплового равновесия в слое резиста, потребная плотность энергии быстро увеличивается из-за высокой по сравнению с резистом температуропроводности подложки (температупроводность германия также значительно— в -300 раз— превосходит температупроводность резиста).
Таким образом, если скорость каталитической химической реакции недостаточна, то предпочтительно увеличить энергию короткого лазерного импульса (чтобы повысить температуру резиста и скорость химической реакции), но не длительность пребывания резиста в нагретом состоянии при меньшей температуре.
При характерной энергии отдельного лазерного импульса -1 мДж и его длительности даже существенно меньше, чем гохл, например 10 Не, мощность лазерного импульса составляет -100 кВт, такая мощность может быть передана по световоду (нескольким световодам), что облегчает реализацию заявляемого способа. Далее, потоку энергии WQ=30 МДЖ СМ^ при указанной длительности импульса соответствует интенсивность излучения 3 Мвт/см^, при такой и в несколько раз большей интенсивности излучения в ближнем ИК диапазоне пробой резиста или подложки не происходит (тем более, что резист нагревается лазерным импульсом до температуры, которая существенно ниже его температуры испарения), как и пробой газовой среды над поверхностью резиста.
Важным достоинством заявляемого способа является также то обстоятельство, что температуратура нагрева резиста практически не зависит от его толщины (пока резист является оптически «тонким»), длительности лазерного импульса (если она существенно меньше то ) и, согласно формуле (2), определяется только потоком энергии греющего лазерного импульса. Для того, чтобы обеспечить стабильность температуры нагрева резиста 1 °С достаточно реализовать стабильность энергии короткого лазерного импульса ~1%, что обеспечивается современными лазерными источниками.
Заметим, что при малом (менее 1 мкс) времени пребывания резиста в нагретом состоянии он, если требуется для протекания каталитических химических реакций, может быть нагрет до температуры даже выше температуры стеклования (около 100 °С для ПММА) без ухудшения разрешения за счет макроскопического перемещения участков резиста, например, за счет течения «размягченного» резиста. Это связано как с высокой вязкостью высокомолекулярного резиста (для перемещения на 1 нм за 100 не требуется скорость движения слоев резиста 1 см/с и, кроме того, время перехода резиста в «квазижидкое» состояние существенно превышает тохл).
В другом предпочтительном варианте реализации заявлемого способа нагрев резиста при термической обработке производят по меньшей мере двумя лазерными импульсами, промежуток времени между которыми выбирают не менее времени установления теплового равновесия в подложке.
Применение по меньшей мере двух (нескольких) греющих лазерных импульсов позволяет гарантировать протекание необходимых каталитических химических реакций в резисте со всеми окружающими молекулу кислоты полимерными молекулами в ситуации, когда одного импульсного нагрева недостаточно. За несколько циклов «нагрев-охлаждение» может быть гарантировано воздействие на все макромолекулы, с которыми кислота находится в одной диффузионной клетке, как правило таких макромолекул ~6.
За время, соответствующее установлению теплового равновесия в подложке, температуры резиста и подложки выравниваются и интегральный рост температуры этого «комплекса» ΔΎ^ составляет: Ts ~ JTpe3 /pe/(H+/pe3) (4), учтено, что объемные темплоемкости материалов резиста и подложки близки, размер облучаемой отдельным импульсом площадки на резисте существенно (-10 раз) превышает толщину подложки и в оптимальных условиях реализации заявляемого способа подложка мало поглощает греющее лазерное излучение. Поскольку /рез /Н <
1000, то общий нагрев резиста и подложки за импульс составляет не более 0,1 °С, то есть достаточно мал (а с учетом реальной сборки, то есть опоры, на которой находится подложка, еще меньше). Именно это обстоятельство позволяет не учитывать разогрев резиста предыдущим лазерным импульсом при воздействии следующего греющего импульса. В результате, при достаточно большом согласно заявляемому изобретению промежутке времени между последовательными греющими лазерными импульсами диффузия кислоты происходит только во время действия каждого греющего импульса (и времени последующего охлаждения тохл), а между последовательными импульсами температура практически соответствует начальной.
Таким образом, в указанном варианте нагрев резиста каждым последующим импульсом производится до той же температуры с точностью не хуже 0,1 °С. Как указано выше, время установления теплового равновесия в кремниевой подложке толщиной 300 мкм составляет ~1 мс, то есть для частоты следования греющих один и тот же участок резиста лазерных импульсов /о=1 кГц влияние предшествующих импульсов практически незначительно. Заметим также, что, согласно (4), влияние предшествующих импульсов не слишком существенно и при более высокой частоте, особенно при небольшом количестве импульсов. Например, при частоте 9 кГц (в 9 раз больше о) между последовательными импульсами прогревается втрое меньший слой подложки и, следовательно, рост температуры резиста перед следующим импульсом составит ~ 0,3
°С, что также может быть допустимо.
Поскольку при каждом нагреве диффузия кислоты происходит независимо, то за N греющих лазерных импульсов согласно изобретению размер диффузионного расплывания увеличивается в N pa3 и даже для 10 -г 15 последовательных импульсов не превышает долей нанометра.
В свою очередь, при малом промежутке времени между последовательными импульсами резист остается нагретым и диффузия кислоты происходит в течение существенно большего времени и, соответственно, на большую величину, что ухудшает разрешение процесса литографии.
Применение коротких греющих лазерных импульсов согласно изобретению позволяет эффективно провести процесс химического усиления в рамках одной диффузионной клетки, однако вследствие фактического отсутствия диффузионного перемещения кислоты число реакционных актов при максимально достижимом разрешении ограничено. В вариантах применения заявляемого технического решения, когда ухудшение разрешения на несколько нанометров представляется допустимым, после обработки экспонированного резиста по меньшей мере одним греющим лазерным импульсом может быть целесообразно обеспечить перемещение кислоты на расстояние масштаба 1 2 нм (в соседние диффузионные клетки) с тем, чтобы увеличить выход химического усиления при сохранении достаточно высокого уровня разрешения.
В одном из вариантов реализации заявляемого способа после обработки экспонированного резиста греющими лазерными импульсами, обеспечивающими эффект химического усиления в рамках одной диффузионной клетки, диффузию кислоты в соседние диффузионные клетки обеспечивают за счет того, что в термическую обработку экспонированного резиста дополнительно включают По меньшей мере один нелазерный нагрев резиста. Такой нагрев может проводиться одним из известных способов, которыми в настощее время проводится термообработка экспонированного полимерного резиста, содержащего генератор кислоты. Поскольку в заявляемом способе нелазерный нагрев резиста может быть выполнен до такой температуры, когда каталитические химические реакции практически не происходят, то температуру и продолжительность нелазерного нагрева выбирают из условия контролируемого размера диффузии кислоты, то есть предпочтителен нагрев до меньшей, чем в известных способах, температуры на несколько большее и хорошо контролируемое время (масштаб времени -60 секунд представляется предпочтительным). Таким образом, температура нелазерного нагрева выбирается из условия, что за заданное и хорошо контролируемое время, например 60 секунд, диффузия кислоты составит заданную допустимую величину, например 1,5-^-2 нм.
После проведения нелазерного нагрева в предпочтительном варианте реализации заявляемого способа проводится новый цикл облучения резиста греющими лазерными импульсами согласно изобретению с тем, чтобы обеспечить химическое усиление в тех диффузионных клетках, в которые во время нелазерного нагрева мигрировала кислота. Цикл «нелазерный нагрев — лазерный греющий импульс (импульсы)» может быть повторен несколько раз.
Кроме того, в предпочтительном варианте термическая обработка резиста греющими лазерными импульсами может быть совмещена (или частично совмещена) с нелазерным нагревом резиста. Это возможно прежде всего в ситуации, когда длительность нелазерного нагрева существенно превосходит длительность цикла облучения резиста греющими лазерными импульсами. Так, например, если при температуре 60 °С время, необходимое для диффузии кислоты на расстояние 2 нм составляет 100 секунд, а длительность цикла греющего лазерного облучения всей подложки составляет 5 секунд, то как предварительный, так и финишный циклы лазерного греющего облучения могут быть проведены вместе с нелазерным нагревом (в первые 5 секунд и последние 5 секунд нелазерного нагрева), в этом случае может использоваться «греющий» лазер меньшей мощности либо может быть уменьшена длительность цикла обработки всей поверхности резиста греющими лазерными импульсами. Например, если для прохождения каталитических химических реакций во время импульсного лазерного нагрева требуется температура резиста 120 °С, то при одновременном проведении лазерного и нелазерного нагревов энергия лазерного импульса (и средняя мощность лазера) или длительность цикла лазерной обработки могут быть уменьшены на 40%, поскольку в указанном варианте лазерный импульс нагревает резист на 60 ос (от 60 °С до 120 °С), а не на 100 ос (от 20 < С до 120 OQ. Таким образом, позволяя снизить параметры используемого лазера, проведение одновременно нелазерного и лазерного нагревов резиста может быть предпочтительным даже в случае реализации химического усиления в рамках одной диффузионной клетки, то есть когда нелазерный нагрев резиста (и подложки) проводят до температуры, при которой диффузия кислоты незначительна.
В другом варианте заявляемого способа, после обработки греющими лазерными импульсами и, возможно, нелазерного нагрева, экспонированный резист до проявления дополнительно облучают светом с энергией кванта меньше порога фотодеструкции полимерного резиста. Такая обработка позволяет дополнительно размножить созданные в процессе реализации заявляемого способа разрывы макромолекул резиста.
Эта возможность связана с тем, что в результате разрывов скелетной цепи полимерных молекул резиста происходит не просто снижение его средней молекулярной массы, но и возникает наведенное поглощение светового излучения с длиной волны, большей порога фотодеструкции неэкспонированного резиста. В результате последующее облучение светом с энергией кванта, недостаточной для разрыва макромолекулярной цепи (иначе говоря, фотодеструкции) исходного полимера, приводит к продолжению процесса деструкции только в тех областях, где разрывы были созданы предшествующей обработкой (непосредственно экспонированием резиста и химическим усилением). В тех участках резиста, где разрывы не были предварительно сгенерированы, там последующее световое облучение с энергией кванта меньше порога фотодеструкции полимерного резиста не оказывает практически никакого действия.
Важным достоинством указанного варианта является то, что облучение светом с энергией кванта меньше порога фотодеструкции исходного полимерного резиста может проводиться без использования сложных и дорогих систем формирования структур с высоким разрешением.
В случае ПММА дополнительное облучение, как установлено авторами, может быть произведено ультрафиолетовым светом с длиной волны в диапазоне 280-К360 нм, предпочтительно 300- 340 нм. Источники излучения ближнего ультрафиолетового диапазона (λ ~ 300 нм) достаточно широко распространены, имеют высокую среднюю мощность, умеренную стоимость и легко могут быть адаптированы для целей заявляемого изобретения. Для дополнительного облучения возможно использовать как непрерывные, так и импульсно-периодические источники УФ излучения. Низкая (по сравнению со стоимостью установок точного экспонирования) стоимость ультрафиолетовых ламп для дополнительного облучения позволяет при необходимости использовать ряд таких ламп для конвейерной обработки и обеспечить необходимую производительность даже при потребном времени облучения ~ 10- 30 минут.
При двукратном увеличении числа разрывов в резисте за счет дополнительного облучения, как установлено авторами, ухудшение разрешения за счет миграции разрывов составляет около 3 нм, что может быть приемлемо для структур с разрешением от ~ 15 нм.
Реализация заявляемого технического решения может быть, выполнена, например, следующим образом. После экспонирования содержащего ФГК резиста (например, EUV-излучением с длиной волны -13,5 нм), нанесенного на кремниевую подложку слоем толщиной, например, 100 нм (такая толщина слоя принципиально позволяет реализовать разрешение масштаба 15 нм), резист облучается импульсно- периодическим излучением эрбиевого лазера с параметрами: энергия импульса -1,6 мДж, длительность импульса ~10 не, частота следования импульсов /~2,5 кГц (средняя мощность лазера 4 Вт). Отдельным импульсом облучается участок резиста размером 2*2 мм2, что обеспечивает дозу в импульсе около 40 мДж/см^.
Сканирование излучения по поверхности резиста с линейной скоростью \=df -5 м/с (d=2 мм) может производиться, например, сканатором компании «RAYLASE AG» ([6]: сайт компании http://www.raylase.com/en/). Серийные сканаторы этой компании обеспечивают угловой диапазон сканирования около ±0,4 радиан при точности позиционирования и угловом разрешении -15 мкрад. Это означает, что при расположении сканатора на оси подложки достаточно фокусного расстояния 350 мм, чтобы обеспечить перемещение греющего луча по всей поверхности подложки диаметром 300 мм с точностью позиционирования -5 мкм (в 400 раз меньше облучаемого за импульс размера на резисте). Для указанного фокусного расстояния скорость пермещения луча по поверхности подложки может превышать 10 м/с и, таким образом, известные сканаторы обеспечивают требуемый режим сканирования поверхности резиста и при этом перемещением луча на резисте за время импульса (-0,1 мкм) можно полностью пренебречь.
Время охлаждения слоя резиста толщиной 100 нм составляет -100 не и практически равно времени пребывания резиста в горячем состоянии, поскольку греющий лазерный импульс существенно короче. Размер диффузионного перемещения кислоты за указанный промежуток времени не превышает -0,1 нм, что позволяет сохранить предельно возможное разрешение в случае неоднократного облучения резиста греющими импульсами. Это обстоятельство существенно для успешной реализации заявляемого способа, поскольку при облучении всей поверхности резиста неизбежно некоторое наложение границ облучаемых участков, то есть, часть (небольшая) поверхности резиста при однократной лазерной термической обработке резиста, как целого, облучается дважды. Соответственно, в этих участках «теоретическое» диффузионное перемещение кислоты несколько выше, чем в один раз обработанной области резиста. Укажем также, что граничные зоны облучаемой за импульс области резиста с линейным размером порядка толщины подложки охлаждаются подложкой кратно быстрее, чем основная прогретая лазерным импульсом площадь, за счет того, что тепло из резиста уходит не только «вглубь» подложки, но и во внешние («боковые») для облучаемого участка области подложки. При указанной выше точности позиционирования сканатора ширина прогреваемой дважды границы обрабатываемого за один импульс участка может составлять менее 100 мкм даже с учетом всех дифракционных эффектов. В результате обеспечивается требуемый уровень скорости охлаждения границы обработанной предыдущим лазерным импульсом области, на которую «накладывается» граница следующего прогреваемого лазерным импульсом участка резиста при частоте следования греющих импульсов несколько килогерц.
Время однократной обработки всей поверхности резиста составляет менее 6 секунд, что позволяет реализовать достаточную производительность заявляемого способа, которая при необходимости может быть существенно увеличена, например, за счет использования более мощного лазера или обработкой поверхности резиста одновременно несколькими лазерами.
Термическая обработка резиста греющими лазерными импульсами может повторяться несколько раз, во время обработки подложка с резистом может размещаться на предварительно подогретой плите большой теплоемкости (то есть, на термостабилизированной поверхности), что обеспечивает постоянную и заданную температуру подложки. Температура такой плиты выбирается прежде всего из условия обеспечения контролируемого размера диффузии кислоты за время контакта подложки с экспонированным резистом и термически стабилизированной плиты. Кроме того, размещение подложки с резистом на подогретой термостабилизированной плите может использоваться для применения греющего лазера меыпей мощности или ускорения времени лазерной термообработки.
В результате при практически полном отсутствии диффузии кислоты и соответствующего ухудшения разрешения формируемой структуры (или при контролируемом и управляемом размере диффузии кислоты) в заявляемом способе реализуется существенное повышение производительности литографии высокого и сверхвысокого разрешения, поскольку даже при протекании каталитических химических реакций только в рамках одной диффузионной клетки количество разрывов связей в полимерном резисте увеличивается в 5 6 раз.
После проведения термической обработки, если уширение сформированной структуры -2-^3 нм является допустимым, то, согласно заявляемому способу, резист может быть дополнительно облучен светом с энергией кванта меньше порога фотодеструкции резиста, например для резиста на базе ПММА предпочтительным является облучение светом ближнего УФ диапазона 280^360 нм, для этой цели применимы, например, эксимерные лампы на молекуле XeCl* (λ ~ 308 нм) или излучение третьей гармоники неодимового лазера (λ ~ 353 нм), обеспечивающие достаточно высокий КПД генерации излучения соответствующего спектрального диапазона.
Потребная доза облучения составляет —500 Дж см^, то есть при полной мощности источника УФ диапазона 300 Вт (интенсивность облучения около 420 мВт см^) время облучения всей поверхности резиста составит около 20 минут и, следовательно, такое облучение предпочтительно проводить в конвейерном режиме.
Для удовлетворения каких-либо возможных конкретных требований могут быть выполнены и другие очевидные для квалифицированных специалистов в этой отрасли изменения описанных выше вариантов реализации способа создания маски на поверхности подложки без отклонения от защищаемых формулой изобретения положений.
Таким образом, заявляемое техническое решение позволяет увеличить разрешение литографии с высокой производительностью, использующей технологию химического усиления. В заявляемом изобретении реализовано эффективное и быстрое (на много порядков быстрее, чем в известных способах) охлаждение резиста подложкой при контролируемом и управляемом нагреве резиста вплоть до температур, превышающих температуру стеклования резиста. Это позволяет сделать вывод о том, что заявляемое техническое решения удовлетворяет критериям изобретения «новизна» и «существенные отличия».

Claims

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
Способ создания маски на поверхности подложки, включающий нанесение на поверхность подложки слоя полимерного резиста. содержащего генера тор кислоты, экспонирование поверхности резиста, термическую обработку экспон ированног о резиста и последующее проявление созданной в резнете структуры, отл ичающийся тем, что, в термическую обработку экспонирован ного резиста включают его нагрев по меньшей мере одним лазерным импульсом, длину волны излучения ко торого выбирают из условия, что коэффициент поглощения лазерного излучени я резисюм превосходит коэффициент поглощения лазерного излучения подложкой.
Способ по п. 1 , отличающи йся тем, что длительность лазерного импульса нагрева экспонированного резиста выбирают не более времен и установления теплового равновесия в слое резиста.
Способ по п. 1 . отличающийся тем, что нагрев резиста при термической обработке производят по меньшей мере двумя лазерными импульсами, промежуток времени между которыми выбираю т не менее времени установления теплового равновесия в подложке.
Способ по п. I , отличающийся тем, что в термическую обработку экспон ирован ною резиста дополн ит ельно включают по меньшей мере один нелазерный нагрев резиста. Способ по п. 1 , отличающийся тем, что экспонированный резист после термической обработки и до проявления дополнительно облучаю т светом с энергией кван та меньше порога фотодеструкции резиста.
ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26)
PCT/RU2012/000024 2011-01-25 2012-01-23 Способ создания маски на поверхности подложки Ceased WO2012102644A1 (ru)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2011102593/28A RU2450384C1 (ru) 2011-01-25 2011-01-25 Способ создания маски на поверхности подложки
RU2011102593 2011-01-25

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2012102644A1 true WO2012102644A1 (ru) 2012-08-02

Family

ID=46312408

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/RU2012/000024 Ceased WO2012102644A1 (ru) 2011-01-25 2012-01-23 Способ создания маски на поверхности подложки

Country Status (2)

Country Link
RU (1) RU2450384C1 (ru)
WO (1) WO2012102644A1 (ru)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2510632C1 (ru) * 2012-11-20 2014-04-10 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физический институт им. П.Н. Лебедева Российской академии наук (ФИАН) Способ изготовления резистивных масок для нанолитографии
RU2598153C1 (ru) * 2015-05-18 2016-09-20 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Белгородский государственный национальный исследовательский университет" (НИУ "БелГУ") Способ формирования контрастного изображения рентгеновского излучения

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH07261392A (ja) * 1994-03-17 1995-10-13 Fujitsu Ltd 化学増幅レジスト及びこれを用いるレジストパターンの形成方法
JPH1124272A (ja) * 1997-06-30 1999-01-29 Fujitsu Ltd 放射線感光材料及びパターン形成方法
US20020064958A1 (en) * 2000-10-19 2002-05-30 Koichi Takeuchi Exposure method
US6902859B2 (en) * 2001-04-10 2005-06-07 Fujitsu Limited Chemically amplified resist composition and method for forming patterned film using same

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4525893B2 (ja) * 2003-10-24 2010-08-18 信越化学工業株式会社 位相シフトマスクブランク、位相シフトマスク及びパターン転写方法
RU2008100283A (ru) * 2008-01-15 2009-07-20 Мойше Самуилович Китай (RU) Способ создания маски на поверхности подложки

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH07261392A (ja) * 1994-03-17 1995-10-13 Fujitsu Ltd 化学増幅レジスト及びこれを用いるレジストパターンの形成方法
JPH1124272A (ja) * 1997-06-30 1999-01-29 Fujitsu Ltd 放射線感光材料及びパターン形成方法
US20020064958A1 (en) * 2000-10-19 2002-05-30 Koichi Takeuchi Exposure method
US6902859B2 (en) * 2001-04-10 2005-06-07 Fujitsu Limited Chemically amplified resist composition and method for forming patterned film using same

Also Published As

Publication number Publication date
RU2450384C1 (ru) 2012-05-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
TW498007B (en) Method and apparatus using ultrashort laser pulses to make an array of microcavity holes
US20180182630A1 (en) Femtosecond Laser-Induced Formation Of Submicrometer Spikes On A Semiconductor Substrate
CN104272434B (zh) 激光退火装置及激光退火方法
JPH02182389A (ja) レーザによる切除方法
CN100402220C (zh) 用于去除薄膜的方法和装置
US10506698B2 (en) EUV source generation method and related system
CN103038862A (zh) 激光退火方法及其装置
CN104625416B (zh) 基于方孔辅助电子动态调控晶硅表面周期性微纳结构方法
TW200915389A (en) Spacer lithography
US12449734B2 (en) Lithography apparatus and method
JP2000098098A (ja) Ｘ線発生装置
Juha et al. Ablation of poly (methyl methacrylate) by a single pulse of soft X-rays emitted from Z-pinch and laser-produced plasmas
CN103909352A (zh) 基于局部离子注入实现电子状态调控的飞秒激光加工方法
RU2450384C1 (ru) Способ создания маски на поверхности подложки
US9864276B2 (en) Laser annealing and electric field
JP2000299197A (ja) Ｘ線発生装置
JP2008126283A (ja) 微細構造体の製造方法、露光方法
TW201017762A (en) Method for patterning crystalline indium tim oxide
JP2008251839A (ja) レーザアニール方法及びレーザアニール装置
CN1390435A (zh) 获得远紫外辐射的方法和远紫外辐射源,及其在光刻中的应用
Elliott et al. Single & Multiple Pulse Ablation of Polymeric and High Density Materials with Excimer Laser Radiation at 193NM and 248NM
RU2471263C1 (ru) Способ создания маски на поверхности подложки
RU2613054C1 (ru) Способ формирования тонкоплёночного рисунка на подложке
RU2540727C1 (ru) Способ формирования массива микрооптических элементов
CN110612482A (zh) 激光产生的等离子体源

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 12739647

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 12739647

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1