eng
Содержание
Предисловие . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
Глава 1. От микроструктур к наноструктурам. — Faiz Rahman . . . . . . . 9
Глава 2. Применение атомно силовой микроскопии (AFM) для сборки
ферромагнитных одноэлектронных транзисторов. —
Hakan Pettersson, Ruisheng Liu, Dmitry Suyatin, Lars Samuelson 42
Глава 3. Применение шаблонов из нанопористого оксида алюминия
для изготовления нанопроволочных электронных устройств. —
Travis L. Wade, Costel S. Cojocaru, Jean-Eric Wegrowe,
Didier Pribat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
Глава 4. Транзисторы на основе одностенных углеродных нанотрубок
(SWNT транзисторы). — Sunkook Kim, Saeed Mohammadi . . . 77
Глава 5. Охлаждение при помощи интегрированных пленок из угле
родных нанотрубок. — Geza Toth, Krisztian Kordas,
Pulickel M.Ajayan, Robert Vajtai . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
Глава 6. Выстраивание нанопроволочек из нитрида галлия в ряд
методом диэлектрофореза по переменному току для при
менения в устройствах различного назначения. —
Sang-Kwon Lee, Tae-Hong Kim, Seung-Yong Lee . . . . . . . . . . 118
Глава 7. Разработка, изготовление и применение упорядоченных
плотно упакованных матриц трехмерных наноструктур
большой площади. — Chang-Hwan Choi, Chang-Jin «CJ» Kim 135
Глава 8. Методы изготовления штампов для наноимпринтной лито
графии на основе алмазоподобной углеродной пленки. —
Jun-ho Jeong, Ali Ozhan Altun, Ki-don Kim . . . . . . . . . . . . . . 156
Глава 9. Нанопроволочки и наноленты из ZnO: изменение структур
при легировании индием. — Hong Jin Fan . . . . . . . . . . . . . . 184
Глава 10. Автоэмиссионные свойства одномерных SiC наноструктур. —
Guozhen Shen, Di Chen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 210
Глава 11. Регулирование оптических характеристик единичных
золотых нанопирамид и матриц из них. — Jeunghoon Lee,
Joel Henzie, Tery W. Odom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 226
Глава 12. Свойства золотых наноантенн в инфракрасном диапазоне. —
F. Neubrech, J. Aizpurua, S. Karim, T.W. Cornelius, A.Pucci 246Глава 13. Трехмерные голографические полимерные фотонные
кристаллы, работающие в оптическом окне связи. —
Jiaqi Chen, Ray T. Chen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261
Глава 14. Рулонная наноимпринтная технология создания нано
и микроструктур на поверхности большой площади. —
Shinill Kang, Suho Ann, Seok-min Kim . . . . . . . . . . . . . . . . 277
Глава 15. Изготовление и определение характеристик двумерных
ZnO фотонных наноструктур. — Jingbiao Cui . . . . . . . . . . . 294
Глава 16. Излучение света в видимом диапазоне спектра кремние
выми наночастицами, встроенными в состав кремнийсо
держащих пленок, выращенных при низких температурах. —
Cao Zexian . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 312
6
Содержание
Предисловие
Уже на протяжении многих лет прикладные науки, несмотря на
свои весьма скромные масштабы, всегда оставались движущей
силой прогресса, внося серьезный вклад в глобальную экономи-
ку. Стремительный рост количества микроэлектронных устройств
(в мириады раз), произошедший за последние сорок лет, значите-
льно повлиял на стиль жизни современных людей. В течение эры
микроэлектроники размеры всех компонентов, составляющих по-
лупроводниковые чипы, постоянно уменьшались. И хотя эта тен-
денция продолжается и в настоящее время, уже становится оче-
видным, что в вопросах миниатюризации обычных приборов че-
ловечество вскоре достигнет предела. Это связано как с конечны-
ми размерами элементарных частиц любого материала, так и с
квантовой природой всех физических явлений, что становится
очевидным при значительном уменьшении линейных масштабов.
Хотя ограничения кроются в природе материалов и основах фи-
зики, их последствия в большей степени носят экономический
характер. Для поддержания рентабельности полупроводниковой
индустрии необходимо постоянно искать возможности примене-
ния новых материалов, совершенствовать производственные тех-
нологии и архитектуру устройств. На момент написания этой
книги у человечества есть порядка десяти лет на подготовку к пе-
реходу к альтернативным технологиям. Но уже сейчас очевидно,
что технологии будущего все же будут основываться на физиче-
ских принципах и технологических процессах производства со-
временных устройств, хотя размеры новых приборов уже будут
измеряться нанометрами, а ведь 1 нанометр составляет всего одну
миллиардную часть метра. Современные технологии позволяют
формировать структуры и устройства такого масштаба, и именно
они будут играть важную роль в создании приборов будущего.
Нанотехнология — техническая дисциплина, имеющая дело с
изучением и созданием таких ультра малых объектов, является в
настоящее время самой бурно развивающейся прикладной нау-
кой, хорошо финансируемой во всем мире, в которую вовлечено
огромное количество исследователей. Поскольку в последние
годы все больше признается потенциал нанотехнологии, в неко-
торых странах финансирование ее развития является приоритет-
ным при распределении бюджетных средств. В развитых, а также
в ряде развивающихся стран ожидают, что наибольший прогресс
от внедрения нанотехнологий произойдет в таких сферах, как ин-
формационные технологии и медицина.
Наиболее характерной особенностью нанотехнологии явля-
ется то, что по своей природе она является междисциплинарной
наукой. Изучением наномира занимаются: материаловедение,
электроника, физика, химия и биология. Именно это создает
для ученых, инженеров, а также политиков, дополнительные
перспективы. Очевидно, что открытия и разработки в этой сфе-
ре приведут к появлению качественно новых возможностей. Это
очень хорошо, поскольку в мире все сильнее ощущается нехват-
ка невозобновляемых источников как материалов, так и энер-
гии. Почувствовав перспективы нанотехнологии, многие компа-
нии начали исследования в этой области, и каждый год к ним
присоединяются все новые и новые коллективы. Университеты
также принимают активное участие в этом процессе. Всем ис-
следователям необходима всесторонняя информация о том, чем
занимаются ученые в данной сфере в мире. Данная книга наце-
лена на удовлетворение этой потребности. Поскольку нанотех-
нология очень обширная дисциплина, эта книга будет касаться
только вопросов ее применения в электронике и фотонике, и
даже при этом в ней удалось рассмотреть только ограниченный
круг тем. Книга состоит из 16 глав, каждая из которых посвяще-
на исследованиям одной из научных групп из разных стран
мира. Исследователи каждой из групп специально для этих глав
расширили и адаптировали материалы, опубликованные ими в
последние годы в научных работах и докладах.
После главы введения книга разделена на две части. Первая
часть посвящена работам, касающимся применений нанотехно-
логий в электронике, в то время как вторая часть описывает ис-
пользование наноструктур в быстро развивающейся сфере —
фотонике. Главы нацелены на экспериментальные аспекты ис-
следований в сфере нанотехнологий, а не на их теоретическое
обоснование или математическое моделирование. Все соавторы
книги являются исследователями, активно работающими в сво-
их специализированных областях, поэтому ее можно рассматри-
вать как обзор текущего состояния нанотехнологий на совре-
менном этапе. Издатель, редактор и все авторы книги надеются,
что она будет полезна как студентам, так и профессиональным
исследователям.
Редактор
Faiz Rahman
Отдел электроники и электронной техники
Университет Glasgow
Шотландия, Объединенное Королевство
Глава 1
ОТ МИКРОСТРУКТУР
К НАНОСТРУКТУРАМ
Faiz Rahman
Эта вступительная глава является кратким обзором микротехно-
логий, стоящих на вооружении современной полупроводнико-
вой промышленности. Экономические и технологические перс-
пективы даны с учетом как среднесрочных, так долгосрочных
прогнозов. В главе описаны некоторые из наиболее важных тех-
нологических процессов, применяемых на производствах по все-
му миру, и рассмотрены пути совершенствования этих процес-
сов в будущем. Здесь также проведен анализ современных науч-
ных исследований, которые должны составить основу коммерче-
ской нанотехнологии в будущем. В следующих разделах
некоторые из отобранных технологий, пригодных для изготовле-
ния наноструктур, будут рассмотрены более подробно.
Глава 1. От микроструктур к наноструктурам
В начале прошлого века никто не мог предположить, что на-
ступят такие времена, когда прогресс техники будет зависеть от
искусственных структур, в тысячу раз меньших диаметра челове-
ческого волоса. А ведь всего сто лет назад фраза «тоньше воло-
ска» была популярным афоризмом. Техника в те дни ассоцииро-
валась с чем-то большим или даже очень большим, и это отно-
силось как к ее механическому, так и архитектурному устройст-
ву. Даже ламповые электронные приборы состояли далеко не из
маленьких элементов. Появление первых германиевых биполяр-
ных транзисторов в 1947 году привело к качественному сдвигу
электронной техники в сторону миниатюризации. Однако по-
требовалось еще несколько лет, чтобы идея изготовления прибо-
ров на кремниевой подложке была воплощена в жизнь, что
означало наступление новой эры — эры интегральных схем
(ИС), и это стало настоящей революцией в микроэлектронике.
С тех пор интегрированные полупроводниковые приборы по-
стоянно уменьшались в размерах, что позволяло расширять их
функциональность и увеличивать прибыль на инвестированный
в их производство капитал. Этот процесс продолжается и в на-
стоящее время. Полупроводниковая промышленность будет
продолжать применять существующие методы производства, по
крайней мере, до 2018 года. После чего, для поддержания до-
стигнутых темпов развития, необходимо будет внедрять качест-
венно новые технологии. Некоторые из будущих технологий, без
сомнения, будут основаны на тех, которые разрабатываются се-
годня в академических, научно-исследовательских и опытно-
конструкторских лабораториях всего мира. Когда точно про-
изойдет переход на новые технологии, точно сказать не может
никто, но что это произойдет — несомненно. По этой причине
люди заинтересованы в постоянном развитии нанотехнологий,
но существует еще один серьезный повод для этого.
Процесс миниатюризации активных приборов, начавшийся в
конце 1940-х годов, с началом развития твердотельной электро-
ники, никогда не прекращался. Появление ИС в начале 1960-х
обозначило приход «микро» эры с новыми понятиями, такими
как микросхема и микроэлектроника. Обычно это относилось к
отдельным устройствам, размеры которых составляли несколько
десятков микрон. Некоторые из методов формирования твердо-
тельных миниатюрных структур существовали к тому времени
на протяжении уже многих лет, но было разработано большое
количество новых производственных технологий, позволяющих
реализовывать монолитные интегрированные устройства разме-
ром в несколько микрон. Очень скоро эти технологии были усо-
вершенствованы, что дало возможность размещать на чипах за-
данного размера большее количество компонентов. Гордон Мур
(Gordon Moore), один из основателей Intel Corporation, предска-
зал в 1965 году, что количество транзисторов на чипах будет уд-
ваиваться каждые 18—24 месяца. Удивительно, но с тех пор
вплоть до наших дней это предсказание, получившее название
закон Мура, остается справедливым, и по нему делаются про-
гнозы развития монолитной интеграции. В настоящее время,
когда появились чипы современных сетевых процессоров и
цифровых процессоров сигналов (DSP), состоящие более чем из
миллиарда транзисторов, возможности закона Мура в предсказа-
нии эволюции развития индустрии ИС стали еще более очевид-
10 Глава 1. От микроструктур к наноструктурам
ными. На рис. 1.1 показан график увеличения количества тран-
зисторов на чипах с 1970 по настоящее время.
В течение 1960-х и 70-х годов размеры полупроводниковых
устройств постепенно снизились до нескольких микрон. К тому
времени преимущества миниатюризации стали настолько оче-
видны, что была сформирована целая сеть компаний-поставщи-
ков микроустройств. По мере совершенствования технологий
для создания последующих поколений полупроводниковых чи-
пов размеры микроустройств перешли с микронного на субмик-
ронный уровень. Это стало возможным после разработки техно-
логий сухого травления и оптической литографии высокого раз-
решения. Поскольку размеры устройств постоянно снижались,
все больше осваивая субмикронный диапазон, приблизительно к
моменту смены веков с 20 на 21 человечество шагнуло в «нано»
эру. Ко времени написания этой книги уже налажен серийный
выпуск наноустройств размером 65 нм и анонсирован выпуск в
ближайшем будущем устройств величиной 45 нм. В табл. 1.1,
приведенной ниже, показано, как будет изменяться размер узла
Глава 1. От микроструктур к наноструктурам 11
Транзисторы
Двухядерный процессор
Intel Itanium 2
Закон Мура Процессор Intel Itanium 2
Процессор Intel Itanium
Процессор Intel Pentium 4
Процессор Intel Pentium 3
Процессор Intel Pentium 2
Процессор Intel Pentium
Процессор Intel 486
Процессор Intel 386
Рис. 1.1. Количество транзисторов в чипах фирмы Intel разного
года выпуска (с разрешения Intel Corporation)
при трехгодичном цикле смены полупроводниковых технологий.
Узел по определению равен половине минимального технологи-
ческого шага (для схем памяти — это 1/2 шага между дорожка-
ми, для микропроцессоров — 1/2 шага между затворами
МОП-транзисторов и т.д.). Эта информация взята из Междуна-
родного сетевого графика технологии полупроводников (ITRS),
справочного документа, разработанного совместными усилиями
ученых разных стран, где представлены 15-ти летние перспекти-
вы развития полупроводниковой промышленности.
Таблица 1.1. Международный сетевой график технологии
полупроводников (ITRS)
Год производства 2001 2004 2007 2010 2013 2016
Размер технологи-
ческого узла, нм
130 90 65 45 32 22
Существует несколько здравых коммерческих причин, за-
ставляющих все больше снижать геометрические размеры
устройств. Поскольку размеры транзисторов уменьшаются, их
заданное количество может разместиться на меньшей площади,
что дает возможность сократить физические размеры чипа. Зна-
чит, из одной подложки может быть произведено большее коли-
чество чипов, а это уже ведет к увеличению прибыли компаний,
выпускающих полупроводниковые устройства. Конечно, все это
справедливо только при условии одновременного формирования
всех чипов на подложке. При этом чем выше мастерство специ-
алистов, тем меньшие размеры изделий им удается получить.
Возможность размещать на одном чипе того же самого размера,
что и ранее, большее количество транзисторов, дает компани-
ям-производителям еще один стимул стремиться к миниатюри-
зации. Поскольку при этом на кристалле того же размера, как и
раньше, они могут разместить большее количество узлов разной
функциональности, что позволит им изготавливать более слож-
ные ИС и продавать их по более высокой цене. Эти факторы за-
ставляют производителей полупроводниковых устройств инве-
стировать значительные средства в разработку новых технологий
и совершенствование производственного оборудования, что дает
возможность переходить от одного поколения ИС к другому
12 Глава 1. От микроструктур к наноструктурам
каждые 2—3 года. И как следствие этого, за последние сорок лет
произошло резкое снижение себестоимости каждого отдельного
транзистора в составе монолитного чипа: если в 1968 году он
стоил порядка 2$, то в 2008 году — уже менее нанодоллара!
Многие полупроводниковые производства по всему миру ра-
ботают в непрерывном режиме (24 часа в сутки) и производят
очень широкий ассортимент аналоговых и цифровых чипов. То-
лько 24-х часовой режим работы дает возможность получить
максимальную прибыль на инвестированный капитал при суще-
ствующей материальной базе. На рис. 1.2 показано, как выгля-
дит один из производственных цехов Intel Corporation.
Другой путь повышения прибыльности полупроводниковых
производств заключается в использовании подложек большей
площади. Несколько лет назад для изготовления ИС применя-
лись подложки диаметром шесть дюймов. Потом перешли на во-
сьми-дюймовые подложки, а в момент написания книги стан-
дартом для всех передовых компаний стали кремниевые подлож-
Глава 1. От микроструктур к наноструктурам 13
Рис. 1.2. Внутри производственного цеха Intel Corporation
(с разрешения Intel Corporation)
ки диаметром 12 дюймов. Планируется, что к 2012 году этот
стандарт будет заменен на 18-ти дюймовые подложки, и уже по-
говаривают, что в будущем этот предел будет преодолен. Чем
больше диаметр подложек, тем дороже их обработка. Это связа-
но с необходимостью разработки или модификации оборудова-
ния, способного работать с ними, и большим количеством хи-
микатов, требующихся для их технологической обработки. Для
продавцов оборудования сформировалась новая ниша — постав-
ка инструмента для обработки подложек большого диаметра.
Тем не менее переход на подложки большего диаметра дает воз-
можность производителям повышать свой доход, позволяя зна-
чительно увеличивать выпуск полупроводниковых устройств, по
сравнению с тем, что было при использовании подложек мень-
шего размера. Это и есть положительное влияние увеличения
размера подложек и, по всей видимости, эта тенденция будет
продолжаться в обозримом будущем.
Для успешной смены поколений ИС каждые два-три года
приходится модернизировать и перестраивать целый ряд произ-
водственных технологий. Технологии переноса изображения на
подложку всегда имели первостепенное значение при решении
задачи миниатюризации изготавливаемых устройств. Внедрение
метода фотолитографии в 1950-х годах сделало производство мо-
нолитных микрочипов рентабельным. С тех пор прогресс в фо-
толитографии всегда отражался на снижении размеров полупро-
водниковых устройств. Фотолитография с годами претерпела
ряд серьезных изменений. Фотолитографические установки
ближнего УФ диапазона, первоначально разделяемые на кон-
тактную и бесконтактную печать (последняя называется также
печатью с микрозазором), в последствии потеснили системы с
последовательным пошаговым экспонированием (степперы) и
современные литографические установки со сканированием по
полю (системы step-and-scan). Все это, в сочетании с совершен-
ствованием оптики и систем излучения, позволило значительно
расширить зону нанесения изображения, сохраняя при этом
приемлемую производительность установки. Однако дальнейшее
снижение геометрических размеров устройств было невозможно
без использования источников излучения с меньшей длиной
волны. Поэтому в течение первых лет после начала серийного
выпуска чипов ближнее УФ излучение с длиной волны 436 нм
(g-линия) было заменено на излучение ртутных ламп (i-линия)
14 Глава 1. От микроструктур к наноструктурам
на длине волны 365 нм. Но после того, как линейные размеры
устройств стали меньше микрона, излучение на длине волны
i-линии также перестало удовлетворять разработчиков, т.к. диф-
ракция стала ограничивать разрешение изображения. Поскольку
увеличивать мощность коротковолнового излучения при помо-
щи простейших ламповых газоразрядных источников станови-
лось все трудней и трудней, внимание было переключено на ла-
зеры, излучающие УФ-волны. Оказалось, что среди лазеров, ра-
ботающих на УФ-длинах волн, таких как азотные, аргон-ион-
ные, гелий-кадмиевые и др. лазеры, самыми подходящими для
использования в качестве источников излучения в системах оп-
тической литографии являются эксимерные лазеры, использую-
щие инертные газы. Эксимерные лазеры, работающие на хими-
ческих соединениях фтора, обеспечивают устойчивую генера-
цию излучения коротковолнового УФ диапазона чрезвычайно
высокой интенсивности, пригодного для формирования глубо-
ких субмикронных линий изображения. Первыми для этих це-
лей были применены лазеры на основе фторида криптона (KrF),
излучающие на длине волны 248 нм. До недавнего времени
KrF-лазеры были основными компонентами субмикронных ли-
тографических систем. Однако после того, как критические раз-
меры устройств (Critical Dimension (CD)) снизились до уровня
меньше 100 нм, в большинстве современных литографических
систем в качестве источников излучения стали использоваться
лазеры на основе фторида аргона (АrF). Излучение на длине
волны 193 нм, генерируемое АrF-лазерами, используется для пе-
реноса рисунка маски при помощи сложной системы линз. От-
дельные элементы этой системы линз изготавливаются из таких
материалов, как плавленный кварц, фторид кальция и фторид
лития, обладающих одним общим свойством — прозрачностью
для излучений с длинами волн, меньшими 200 нм. Для фотоли-
тографических систем будущего наибольший интерес, пожалуй,
представляет фторид кальция, поскольку этот материал отлича-
ется высокой стойкостью к интенсивному лазерному излучению,
что весьма существенно для линз, пропускающих через себя ко-
ротковолновое излучение УФ диапазона высокой интенсивно-
сти, необходимое для экспонирования фоторезиста с относите-
льно невысокой светочувствительностью. В остальных материа-
лах при увеличении интенсивности излучения наблюдается рост
флуктуаций плотности и показателя преломления. Сложность
Глава 1. От микроструктур к наноструктурам 15
линз современных литографических установок связана с тем,
что они представляют собой узкоспециализированные устройст-
ва — объемные, дорогие и требующие периодического техниче-
ского обслуживания. На рис. 1.3 показана серийно выпускаемая
система линз для современных литографических установок на
основе эксимерных лазеров.
16 Глава 1. От микроструктур к наноструктурам
Рис. 1.3. Система проекционных линз для фотолитографиче-
ской установки (с разрешения ASML Corporation)
При дальнейшем снижении размеров устройств излучение
АrF-лазеров на длине волны 193 нм тоже перестанет удовлетво-
рять технологическим потребностям и актуальным станет переход
на длину волны 157 нм, что реально при использовании эксимер-
ных лазеров на других соединениях фтора. Однако реализовать
полностью рефракционную систему, т.е. систему формирования
изображений, основанную только на линзах, вряд ли будет ког-
да-либо возможно. Поэтому литографические установки будуще-
го, вероятно, будут строиться на основе катадиоптрических сис-
тем, представляющих собой комбинацию линз и зеркал или даже,
возможно, полностью отражательных систем. Такие системы
имеют дополнительное преимущество — низкую хроматическую
абберацию, что обеспечивает возможность работы с естественной
шириной спектральных линий эксимерных лазеров. К сожале-
нию, при формировании изображения с помощью излучения бо-
лее коротких волн необходимо также использовать специальный
фоторезист, чувствительный к ним. Для фотолитографии на та-
ких коротких волнах был специально разработан фоторезист, чув-
ствительный к дальнему ультрафиолетовому излучению. Но и
здесь не обошлось без проблем. Традиционные фоторезисты на
основе новолачной фенолоформальдегидной смолы и поли-гид-
роксистирола, используемые на длинах волн 365 и 248 нм, на бо-
лее коротких длинах волн становятся практически светонепрони-
цаемыми. Поскольку на длине волны излучения 193 нм в таких
материалах происходит снижение глубины поглощения прибли-
зительно до 40 нм, они не находят широкого применения в систе-
мах на основе АrF-лазеров. На таких коротких длинах волн оста-
ются достаточно прозрачными резисты на основе метилкрилатов.
Поэтому на их базе были разработаны специальные фоторезисты,
удовлетворяющие требованиям технологии экспонирования на
длине волны 193 нм по прозрачности и по температурным пара-
метрам. Поскольку резисты на основе метилкрилатов чувстви-
тельны не только к излучению на длине волны 193 нм, но и на
длине 248 нм, они фактически могут использоваться как двухвол-
новые фоторезисты, и под них уже созданы комбинированные
(mix-and-match) литографические установки на 248/193 нм. У та-
ких фоторезистов, пожалуй, есть один значительный недоста-
ток — неудовлетворительная стойкость к травильным реагентам
при обработке методом сухого травления. Этот недостаток стано-
вится весьма существенным при использовании химических реа-
Глава 1. От микроструктур к наноструктурам 17
гентов, содержащих хлор, например BCl3, применяемый при
травлении металлических материалов. Стойкость к травлению
может быть повышена при дополнительном введении полимеров
с высоким молекулярным весом, богатых углеродом. Это могут
быть алициклические полимеры, но только не ароматические, об-
ладающие очень низкой прозрачностью (менее 200 нм). В настоя-
щее время разрабатываются технологии изготовления многослой-
ных резистов и резистов с экспонируемым верхним слоем, при-
годных для использования в фотолитографических процессах на
длинах волн, меньших 193 нм. В лабораторных условиях уже
были созданы несколько вариантов резистов с поверхностным
фотослоем, продемонстрировавших отличные рабочие характери-
стики. Их основными достоинствами, пожалуй, являются боль-
шая глубина формируемого изображения и возможность исклю-
чения антиотражающего покрытия. Разработка фоторезистов для
длин волн, меньших 193 нм, в последние годы считается одной из
самых актуальных проблем, над которой работают много ученых
в исследовательских, академических и объединенных лаборатори-
ях во всем мире.
Уменьшение длины волны экспонирующего излучения явля-
ется лидирующим, но не единственным способом совершенст-
вования технологий, прокладывающим путь к снижению харак-
терных размеров изготавливаемых чипов. Производство фотома-
сок в последние годы также претерпело значительные измене-
ния. Серийно выпускаемые фотошаблоны изготавливаются на
пластинах из диоксида кремния или плавленого кварца, про-
зрачных для длин волн экспонирующих излучений. Для нанесе-
ния изображений при производстве масок применяются как ла-
зерный, так и электронно-лучевой методы. В последние годы
для точного воспроизведения рисунка при изготовлении фото-
шаблонов стали использоваться различные оптические много-
уровневые технологии. Такие методы повышения разрешения
включают в себя коррекцию эффекта близости и применение
масок со сдвигом фаз. Для получения на фоторезисте требуемых
интерференционных изображений в масках со сдвигом фаз при-
меняют специальные фазосдвигающие покрытия. В настоящее
время существуют два типа таких масок: поглощающие (ослаб-
ляющие) фазосдвигающие маски и маски с чередованием фазы.
В ослабляющих масках в качестве оптического фазосдвигающего
покрытия используется силицид молибдена (MoSi), наносимый
18 Глава 1. От микроструктур к наноструктурам
на определенные участки фотошаблона. Этот материал пропус-
кает только около 10 % падающего УФ излучения, и при прави-
льно выбранной толщине MoSi-слоя прошедший через него свет
будет сдвинут по фазе на 180° по сравнению со светом, прошед-
шим через чистый кварц на соседних участках. На рис. 1.4 про-
иллюстрирован принцип действия ослабляющих фазосдвигаю-
щих масок. Из рисунка видно, что результирующее слабое облу-
чение фоторезиста в зоне нанесения MoSi, намного меньшее его
порога экспозиции, недостаточно для формирования постоян-
ного изображения, остающегося после проявления фотослоя.
180° фазовый контраст между прозрачными частями и частями,
покрытыми MoSi, позволяет получать там, где это необходимо,
более темные зоны, чем при применении простых двоичных ма-
сок, в которых дифракция света между близко расположенными
деталями изображения приводит к значительной засветке облас-
тей, расположенных под покрытием из хрома. Поэтому после
облучения фоторезиста через маску со сдвигом фаз на нем фор-
мируется контрастное изображение с более четкими светлыми и
Глава 1. От микроструктур к наноструктурам 19
MoSi
Фаза 180°
Пропускание
света 6 % Кварц
Фаза 0°
Фотошаблон Пропускание
света 100 %
Хром
Фаза
(энергия)
Интенсивность Пороговая экспозиция
(энергия2) фоторезиста
Подложка Оставшийся резист
после проявления
Рис. 1.4. Принцип действия ослабляющих фазосдвигающих ма-
сок (с разрешения ASML Corporation)
темными зонами, чем в случае использования двоичных шабло-
нов, что дает возможность воспроизводить на резисте точную
копию исходного рисунка с хорошей прорисовкой мелких де-
талей.
Изготовление масок с чередованием фаз является более
сложным, а значит, и более дорогостоящим занятием. В рас-
сматриваемом случае в кварцевом шаблоне методом травления
формировался необходимый рисунок. При этом при прохожде-
нии УФ излучения через две соседние зоны шаблона, одна из
которых протравлена, а другая — нет, получался 180° сдвиг фаз.
Результирующая интерференционная картина создавала на
плоскости фоторезиста требуемое изображение. Как показано на
рис. 1.5, покрытие из хрома, нанесенное в виде линий на фото-
шаблон, выполняло ограничительную функцию, обеспечивая
фазу 0° с одной стороны кварцевой пластины и 180° — с ее дру-
гой стороны. Поскольку фаза менялась с положительных значе-
ний к отрицательным, где-то она пересекала нулевой уровень.
20 Глава 1. От микроструктур к наноструктурам
Протравленный
кварц
(фаза 180°)
Кварц
(фаза 0°)
Фотошаблон
Хром
Фаза
(энергия)
Интенсивность Пороговая экспозиция
(энергия2) фоторезиста
Подложка Оставшийся резист
после проявления
Рис. 1.5. Принцип действия масок с чередованием фаз (с разре-
шения ASML Corporation)
Интенсивность излучения (пропорциональная квадрату фазы)
также проходила через 0, формируя на фоторезисте очень тем-
ную и четкую линию.
В то время как для производства фазосдвигающих масок тре-
буются специальные материалы и технологии, оптическая кор-
ректировка близости (Optical Proximity Correction (OPC)) заклю-
чается в простой модификации изображения на фотошаблоне с
целью формирования более четкого рисунка на фоторезисте.
Главная идея этого метода состоит в том, что нежелательные
дифракционные эффекты компенсируются внесением в маску
дополнительных элементов, расширяющих линии на ней в нуж-
ных направлениях, в результате чего на плоскости фоторезиста
получается требуемое изображение. OPC является самым эф-
фективным методом с точки зрения полиграфических техноло-
гий, поскольку он позволяет создавать линии меньшей ширины,
чем достигается физическое разрешение оптической системы,
что актуально для современных чипов со смешанными сигнала-
ми и ИС памяти со встроенной логикой. Оптические корректи-
рующие элементы, такие как разнообразные прямоугольники и
засечки, добавленные по краям линий, позволяют расширить
возможности литографических установок без применения более
сложных технологий. Аналогичный метод заключается в выбо-
рочном добавлении поглощающих свет пикселей, позволяющих
компенсировать изменения критических размеров в пределах
зоны облучения. Он основан на лазерной записи пикселей на
фотошаблон в режиме ограничения апертуры. После чего часть
света, проходящего через эти пиксели, будет ими поглощаться,
что приведет к снижению облучения зон, расположенных под
ними. Это позволяет сократить критические размеры и после
экспонирования получить на фоторезисте требуемое изображе-
ние. Этот метод оказывается очень полезным при уплотнении
компоновки схем при уменьшении критических размеров.
В современных серийно выпускаемых литографических уста-
новках, как правило, используются все способы повышения раз-
решающей способности, описанные выше. Однако в ходе непре-
рывно продолжающегося процесса миниатюризации устройств
требуется разработка новых, иногда даже революционных, тех-
нологий, без которых невозможен дальнейший прогресс полу-
проводниковой индустрии. К таким новым технологиям, полу-
чившим свое развитие в последнее время, можно отнести жид-
Глава 1. От микроструктур к наноструктурам 21
костную иммерсионную литографию, призванную заменить су-
ществующую фотолитографию, использующую УФ излучение
дальнего диапазона (DUV). В этом месте необходимо разобрать-
ся, как разрешение изображения связано с остальными оптиче-
скими параметрами. Уравнение (критерий) Рэлея определяет,
какое разрешение (или минимальный критический размер) мо-
жет обеспечить данная система формирования изображения.
Оно связывает минимальный размер элемента рисунка, который
в состоянии отобразить фотолитографическая установка, с дру-
гими ее параметрами:
W kl /NA,
где kl — коэффициент разрешения, — длина волны используе-
мого излучения, NA — числовая апертура объектива установки.
Таким образом, расстояние между двумя ближайшими разре-
шаемыми точками рисунка W может быть сокращено не только
при снижении длины волны излучения , но и при уменьшении
коэффициента kl или при увеличении числовой апертуры лито-
графической установки. Коэффициент kl зависит от нескольких
факторов: плоскостности подложки, характеристик резиста, на-
личия или отсутствия корректировки близости и т.д. Улучшение
всех этих факторов ведет к снижению коэффициента kl, и в бли-
жайшем будущем его величина, вероятно, будет варьироваться в
пределах 0,3—0,25. После чего дальнейшее уменьшение W ста-
нет возможно только за счет увеличения числовой апертуры,
определяемой как произведение показателя преломления окру-
жающей среды на синус входного угла линзы:
NA n sin .
Известно, что sin Ѕ 1, а nвоздуха = 1. Поэтому NA любой сис-
темы линз всегда меньше 1. По мере совершенствования фо-
толитографических установок числовые апертуры их линзовых
систем постепенно увеличились с 0,4 до 0,85. Значения 0,85 ха-
рактерны для современных систем. Вероятно повышение этого
параметра до 0,93. Однако это, пожалуй, будет предельным зна-
чением, которое можно реализовать в традиционных фотолито-
графических установках. Получение величины NA больше 1 по-
зволило бы резко повысить разрешение фотолитографических
систем. Именно такая цель поставлена перед иммерсионной фо-
толитографией, еще одним достоинством которой является уве-
личение глубины фокуса. Эта новая технология настолько перс-
22 Глава 1. От микроструктур к наноструктурам
пективна, что в течение последних нескольких лет к ее разра-
ботке подключились многие академические и производственные
научные лаборатории. Иммерсионная литография основывается
на размещении проекционных линз в специальных преломляю-
щих свет растворах, что ведет к увеличению числовой апертуры
систем воспроизведения изображения. В практических установ-
ках раствор, прозрачный для излучения, размещается между
оконечной проекционной линзой и фоторезистом, нанесенным
на подложку. Очевидно, что иммерсионный раствор не должен
оказывать никакого влияния на резист и линзы, контактируя с
ними на протяжении короткого промежутка времени. В настоя-
щее время самым подходящим иммерсионным раствором счита-
ется сверхчистая вода. Заполнение этой водой зазора между
линзами и подложкой увеличивает разрешение системы прибли-
зительно в m раз, где m — показатель преломления воды. Такой
подход позволяет реализовывать системы с числовыми апертура-
ми до 1,4. Использование вместо воды специальных иммерсион-
ных растворов, возможно, расширит диапазон NA за преде-
лы значения 1,5. Иммерсионная литография является частью не
только 32 нм-технологий, но, вероятно, и более далеких. Однако
создание иммерсионных литографических установок было весь-
ма непростой задачей, при решении которой разработчики стол-
кнулись с рядом очень серьезных проблем, связанных со слож-
ной механикой дозирования, ввода и удаления иммерсионных
растворов, а также удержания их на месте в то время, как плат-
форма с подложкой в ходе операции сканирования то резко
ускоряется, то резко замедляется. В настоящее время большин-
ство этих проблем более-менее решены, благодаря чему ряд
производителей уже начали серийный выпуск 193 нм иммер-
сионных литографических установок.
Хорошо отлаженный фотолитографический процесс, осно-
ванный на методах, описанных выше, должен подходить для со-
здания наноустройств с узлом 32 нм. В возможности реализации
этого есть определенная уверенность, поскольку, начиная с по-
явления 65 нм-технологического процесса, в фотолитографиче-
ских установках, используемых при производстве как современ-
ных полевых транзисторов, так и схем памяти, применяется экс-
понирование с двойным шаблоном успешно. Экспонирование с
двойным шаблоном, имеющее несколько вариантов реализации,
по существу дела, заключается в облучении двух последователь-
Глава 1. От микроструктур к наноструктурам 23
ных слоев фоторезиста с использованием двух различных фото-
масок, что дает возможность увеличивать плотность компоновки
до двух раз. В зависимости от варианта реализации описываемой
технологии, между двумя фотолитографическими экспонирова-
ниями может быть один или более этапов осаждения новых или
вытравливания существующих слоев. Экспонирование с двой-
ным шаблоном, также как и другие способы многоэтапного
формирования изображения, не могут повысить оптическое раз-
решение основных литографических процессов, но могут увели-
чить плотность наносимого рисунка, используя для этого при-
емы геометрического масштабирования.
В ходе развития 32 нм-технологического процесса фотоли-
тография может столкнуться с очень серьезными проблемами,
решить которые будет невозможно даже применяя все ныне из-
вестные методы улучшения разрешения. Для оптического нане-
сения изображений схем с еще более мелкими деталями, воз-
можно, потребуется еще больше уменьшить длину волны экспо-
нирования. Ученые ряда академических и производственных
лабораторий считают, что выходом из этой потенциальной
проблемы, которая, вероятно, появится в полупроводниковой
индустрии во второй декаде XXI века, будет развитие экстре-
мальной УФ (EUV) фотолитографии. В настоящее время уже ве-
дутся работы по разработке как самих источников жесткого УФ
излучения, так и оптических систем, способных с ним работать.
Для генерации экспонирующего излучения сверхкоротких УФ
волн интерес, в первую очередь, представляют рентгеновские
источники, например синхротроны. Однако синхротроны пред-
ставляют собой довольно громоздкие конструкции, к тому же
малоэффективные и малопроизводительные. Поэтому усилия
разработчиков сразу нескольких исследовательских групп на-
правлены на создание настольных систем, способных генериро-
вать излучение, требуемое для формирования устройств, разме-
рами в десятки нм. На рис. 1.6 показана схема эксперименталь-
ной 13,5 нм-литографической установки, разрабатываемой под
контролем Ассоциации Развития Экстремальной УФ Фотоли-
тографии (Extreme Ultraviolet Lithography System Development
Association). В этой установке луч Nd:YAG лазера ( = 1064 нм —
инфракрасный диапазон) направляется на струю холодного ксе-
нона, при разогреве которой образуется Хе-плазма, состоящая
из электронов и положительных ионов ксенона с разной вели-
24 Глава 1. От микроструктур к наноструктурам
чиной зарядов. Столкновение электронов с тяжелыми одно- и
много-зарядными ионами приводит к возникновению сильного
рентгеновского излучения ближнего диапазона с длинами волн
порядка 13,5 нм. При помощи отражательной системы это излу-
чение фокусируется на подложке проходя через специальный
фотошаблон. Конечно же, для получения четкой картинки такие
установки необходимо оснащать прецизионными системами по-
зиционирования платформ. Допуски на совмещение при поэле-
ментном формировании изображения должны быть в пределах
5—10 нм. Такой уровень точности достижим только при приме-
нении интерферометрических систем. Но это только один ас-
пект создания установок экстремальной УФ фотолитографии,
который уже полностью разработан и требует лишь незначитель-
ных доработок. Другой аспект — это разработка специальных
масок и фотошаблонов, способных эффективно работать при та-
ких коротковолновых излучениях, над чем и трудятся разработ-
чики на протяжении последних нескольких лет. Самыми перс-
пективными считаются ультратонкие маски из нитрида кремния
с многослойным покрытием из молибдена и кремния, блокиру-
ющим излучение, но и здесь разработчикам еще предстоит спра-
виться с рядом трудностей, связанных с их непрочностью, высо-
кой стоимостью изготовления и устранением дефектов. К сча-
Глава 1. От микроструктур к наноструктурам 25
Платформа для маски
Конденсорная
оптика
Источник
= 13,5 нм
Струя Хе
Датчик
Лазер = 1064 нмвыравнивания Проекционная
подложки оптика
Платформа
для подложки
Вакуумная среда
Рис. 1.6. Экспериментальная литографическая система, работа-
ющая в жестком УФ диапазоне
стью, эта область исследований была недавно признана одной
из наиболее актуальных, что значительно ускорило ее развитие.
Также нельзя забывать, что в случае применения фотолитогра-
фических установок, работающих с жестким УФ излучением,
требуются специальные резисты, пригодные для обработки су-
ществующими методами. Литографические системы на жестком
рентгеновском излучении и ионно-проекционные установки
также рассматриваются как потенциальные системы воспроизве-
дения изображений, но в настоящее время фаворитом следую-
щего поколения литографических технологий признана экстре-
мальная УФ проекционная литография.
Изображение схемы, полученное в резисте, покрывающем
полупроводниковую подложку, необходимо перенести на саму
подложку, сохраняя все его детали. При использовании аддитив-
ной технологии переноса изображения сверху резиста наносится
тонкий слой специального покрытия. Это обычно выполняется
одним из следующих физических методов: осаждением или на-
пылением металлов. После нанесения на всю поверхность ново-
го тонкого слоя подложка погружается в растворитель резиста
для удаления как самого резиста, так и любого материала, нахо-
дящегося сверху него. Таким образом, осажденный металл оста-
ется только там, где в резисте были открытые места. Этот метод
аддитивного или обратного переноса изображения, несмотря на
его прогрессивность, не нашел широкого распространения в
производстве кремниевых чипов, что связано, главным образом,
с его технологической ненадежностью. Другой метод переноса
изображений — субтрактивное копирование является основным
в производстве современных ИС. При использовании этого ме-
тода материал, используемый для создания изображения, осаж-
дается на подложке первым, а уже на него наносится слой рези-
ста, в котором и формируется требуемое изображение. После
чего материал, подвергшийся облучению через отверстия в фо-
торезисте, удаляется методом селективного травления. И нако-
нец, удаляется сам резист, открывая требуемый рисунок схемы.
Традиционно травление производится реагентами, селективно
удаляющими только материал, используемый для формирования
рисунка, не затрагивая нижележащую подложку. Основная
проблема жидкостного травления — изотропность его характе-
ристик — стала очень существенной после того, как линей-
ные размеры элементов схем уменьшились до значений менее
26 Глава 1. От микроструктур к наноструктурам
10 мкм. Травление происходит с одинаковой скоростью и вер-
тикально снизу вверх, и во всех поперечных направлениях.
В аморфных материалах скорости вертикального и поперечного
травления совпадают, а в кристаллических — скорость травле-
ния зависит от его направленности. Поперечное травление, как
правило, является нежелательным процессом, поскольку приво-
дит к постепенной эрозии боковых сторон элементов, что нару-
шает пространственные соотношения в изображении всей схе-
мы. При критических размерах ИС менее 10 мкм жидкостное
травление для формирования изображения на подложке практи-
чески никогда не используется. К счастью, к моменту, когда это
могло бы стать очень серьезной проблемой, препятствующей да-
льнейшему развитию технологии изготовления ИС, появились
новые методы травления — сухого и плазменного, успешно ре-
шившие эту задачу. Существует довольно много технологий су-
хого травления, но во всех их для замедления нежелательной
эрозии материала применяется химически активная плазма.
Плазменное травление, без всякого сомнения, занимает второе
по важности после современной фотолитографии место среди
технологий, сделавших возможным появление нынешнего поко-
ления субмикронных ИС. Сухое травление относится к так на-
зываемым синергичным (взаимоусиливающимся) процессам.
Его физико-химический принцип заключается в ионной бом-
бардировке экспонируемой поверхности, сопровождающейся
химическими реакциями между активными частицами плазмы и
материала поверхностного слоя. Оба этих механизма, действуя
совместно, приводят к удалению материала, что и составляет
процесс сухого травления. Взаимосвязь физических и химиче-
ских процессов повышает эффективность травления и позволяет
управлять характеристиками травления, поскольку коррекцией
каждого из процессов можно добиться получения желательных
свойств травления. Так, например, усиление ионной бомбарди-
ровки за счет увеличения напряжения смещения в газоразряд-
ной камере позволяет вытравливать более вертикальные про-
фили с незначительным поперечным подтравливанием. Такой
способ управления травлением с целью формирования разнооб-
разных профилей был применен для создании множества разно-
образных структур для нано- и микроэлектромеханических сис-
тем. Химические реакции, которые можно организовать в ходе
плазменного травления, годятся для обработки даже чрезвычай-
Глава 1. От микроструктур к наноструктурам 27
но твердых материалов, таких как алмаз, карбид вольфрама и
палладий. Без разработки метода травления таких материалов
было бы невозможно достичь современного уровня развития по-
лупроводниковой индустрии. Технологии сухого травления про-
должают непрерывно развиваться, ученые постоянно представ-
ляют новые варианты, а разработчикам технических средств
приходится искать способы решения новых, все время усложня-
ющихся задач. На рис. 1.7 показаны операторы в производствен-
ном помещении, загружающие контейнеры с 25-ти дюймовыми
28 Глава 1. От микроструктур к наноструктурам
Рис. 1.7. Установки сухого травления в производственном по-
мещении (с разрешения Intel Corporation)
подложками в установки для проведения процедуры сухого
травления.
Некоторые технологии, первоначально разработанные для
сухого травления, стали также использоваться для осаждения
материалов. Это стало возможным, потому что низкотемпера-
турная технология осаждения материалов основана на организа-
ции газовых разрядов, а не на нагреве, используемом для повы-
шения энергии молекул реагентов, что необходимо для их дис-
социации. Метод плазмохимического осаждения из паровой [га-
зовой] фазы (PECVD) позволяет в ходе низкотемпературного
плазменного процесса осаждать такие диэлектрические мате-
риалы, как диоксид кремния и нитрид кремния. Системы с уда-
ленной плазмой (RP) и индуктивно-связанной плазмой (ICP),
первоначально разработанные для технологии реактивного ион-
ного травления, стали применяться в плазмохимических уста-
новках осаждения из газовой фазы, что дало определенный эф-
фект.
Дальнейшее повышение сложности схем, размещаемых в од-
ном чипе, уже сейчас состоящих из миллионов активных клю-
чей, ведет к значительному усложнению рисунков линий, соеди-
няющих эти устройства друг с другом. Рисунок разводки совре-
менных схем не помещается в одном слое. Большинство анало-
говых и цифровых схем средней сложности включают в себя от
двух до четырех различных слоев разводки. А в чипах современ-
ных микроконтроллеров уже насчитывается не менее шести та-
ких слоев. При увеличении количества слоев разводки снижает-
ся их плоскостность. «Холмистый» рельеф поверхности начина-
ет влиять на качество изображений, получаемых в процессе фо-
толитографии. Это связано с тем, что литографические установ-
ки с хорошим разрешением имеют очень маленькую глубину
фокуса, особенно при формировании изображения на большой
площади. Поэтому когда отдельные места подложки выходят за
пределы оптимальной плоскости изображения, или когда они
опускаются ниже нее более чем на несколько нанометров, ре-
зист, нанесенный на них, не получает соответствующей дозы об-
лучения. До того как появились чипы с субмикронными компо-
нентами, эта проблема решалась следующим образом: проме-
жутки между металлическими проводниками на диэлектриче-
ских слоях выравнивались, для чего на них наносились допол-
нительные слои из стекла с низкой температурой плавления с их
Глава 1. От микроструктур к наноструктурам 29
последующим расплавлением. Нанесенные слои из расплавлен-
ного стекла обеспечивали плоскостность поверхностей, на кото-
рых получались вполне приличные фотолитографические изоб-
ражения. Такой метод выравнивания поверхностей работал до-
вольно хорошо до тех пор, пока температура плавления стекла
перестала быть совместимой с постоянно снижающимся тепло-
вым балансом быстро усложняющихся чипов. На некоторое вре-
мя эта проблема была улажена путем использования стекол, в
состав которых входил бор и фосфор, имеющих более низкую
температуру перехода, чем стекла из чистого кварца. Но и тут
настал момент, когда даже температура плавления борно-фос-
форных стекол оказалась слишком высокой и несовместимой с
остальными технологиями производства ИС. Требовалась ради-
кально новая технология выравнивания поверхностей, и она по-
явилась в виде метода химико-механического выравнивания
(СРМ). Этот метод заключается в полировке поверхности вра-
щающейся подложки фетровой подушечкой, пропитанной спе-
циальной суспензией. Так же, как и сухое травление, хими-
ко-механическое выравнивание является синергичным процес-
сом, в котором в механизм удаления материала с поверхности
подложки вовлечены как химические, так и физические абра-
зивные явления. Однако в отличие от сухого травления в этом
методе выравнивания материал хотя и удаляется со всей поверх-
ности подложки, но выступающие места исчезают гораздо быст-
рее, и по истечении определенного времени вся поверхность
становится ровной. Для подгонки процесса полировки под
определенные технические условия и получения подложек с по-
верхностями, удовлетворяющими конкретным требованиям по
плоскостности, могут применяться различные типы смешанных
суспензий с разными концентрациями. В состав смешанных
суспензий, как правило, входят различные окислители для окис-
ления удаляемых материалов и абразивные агенты, например
кварцевый песок, для удаления окисленных материалов за счет
механической шлифовки. Соответствующей балансировкой по-
ложения подложки на рабочем столе установки удается выров-
нять участки, расположенные по краям подложки, что повышает
выход годных чипов. Поскольку химико-механическое выравни-
вание является «грязным» процессом, оно, как правило, выпол-
няется вдали от остальных производственных участков. По
окончании процесса выравнивания поверхность подложки дол-
30 Глава 1. От микроструктур к наноструктурам
жна быть тщательно очищена
для удаления всех остатков
суспензии и обработана абра-
зивным материалом. Описан-
ная технология выравнивания
продемонстрировала очень хо-
рошие результаты — значения
среднеквадратичной плоско-
стности поверхности подложек
после такой обработки стала
составлять порядка 10 нано-
метров. Фотолитография по
таким ровным поверхностям
отличается высоким качеством
изображений. Химико-механи-
ческое выравнивание является
одним из примеров радикаль-
ных процессов, без которых изготовление сложных ИС было бы
невозможным. На рис. 1.8 показана подложка с выровненной
поверхностью, подготовленная для последующей обработки.
Одновременное совершенствование всех технологий, исполь-
зуемых при производстве чипов, помогает полупроводниковой
индустрии оставаться прибыльной на протяжении многих лет.
Здесь описаны только три метода: литографии, сухого травления
и химико-механического выравнивания, без которых современ-
ного производства полупроводниковых схем просто не было бы.
Однако для поступательного развития полупроводниковой инду-
стрии также необходимо постоянно модернизировать и осталь-
ные процессы: как производственные, так и метрологические.
Можно назвать только некоторые из методов, сильно продви-
нувшихся вперед в последние годы. Это ионная имплантация,
скоростная термообработка, осаждение диэлектрических слоев,
мониторинг частиц на подложке, жидкостная очистка субмик-
ронных элементов и измерение толщины ультратонких пленок.
Большинство из этих усовершенствованных методов были раз-
работаны производителями технологических систем и переданы
производителям полупроводниковых чипов в виде единого паке-
та, включающего в себя как сами системы, так и технологии для
работы с ними. Многие из производителей кремниевых ИС про-
водят свои собственные научные исследования, правда, в основ-
Глава 1. От микроструктур к наноструктурам 31
Рис. 1.8. Зеркальная поверхность
подложки после СМР-выравни-
вания
ном направленные на технологическую интеграцию, а не на раз-
витие унифицированных индивидуальных методов.
Пока в серийном производстве чипов главные роли будут иг-
рать технологии и установки для их изготовления, полупровод-
никовая индустрия не сможет обойтись без таких же сложных
систем мониторинга техпроцессов и диагностических инстру-
ментов. Для того чтобы поддерживать выход годных чипов на
приемлемом уровне, надо тщательно контролировать большое
количество различных процессов, являющихся частью техноло-
гического маршрута производства ИС. Как правило, каждый
основной технологический процесс сопровождается соответству-
ющей процедурой замера определенных характеристик. Так, на-
пример, процесс травления часто контролируется при помощи
атомно-силовой микроскопии (AFM), а для мониторинга про-
цесса выращивания пленок из оксида кремния может применя-
ться эллипсометрия. Для контроля за точностью воспроизведе-
ния после каждого этапа литографии для уверенности в том, что
все элементы изображения находятся на нужных местах, исполь-
зуются системы технического зрения и сканирующая электрон-
ная микроскопия. Обычно в такие системы сначала загружается
файл с эталонным изображением и вводится информация о при-
емлемых допусках, и после этого по окончании определенных
этапов обработки проводится сканирование либо всех подложек,
либо ряда случайно выбранных подложек. При обнаружении
превышения уровня заданных допусков система отмечает дан-
ные подложки и передает информацию о них в автоматизиро-
ванный центр управления производством. Подобные системы
также применяются для контроля за частицами отходов, выделя-
емых при травлении и осаждении материалов. В последние годы
разрешение таких систем значительно улучшилось, что было не-
обходимо для поддержания курса миниатюризации. Системы
контроля качества помогают повышать выход годных чипов и
обнаруживать сбои в техпроцессе. Во многих случаях своевре-
менное вмешательство в работу системы может предотвратить
потенциально катастрофические производственные ситуации.
На рис. 1.9 показана многофункциональная оптическая метро-
логическая установка, выпускаемая Zygo Corporation, способная
измерять критические размеры трехмерных элементов, сформи-
рованных на подложках, и обеспечивать высокую надежность
процесса контроля.
32 Глава 1. От микроструктур к наноструктурам
В следующие несколько лет ожидается дальнейший прогресс
в миниатюризации полупроводниковых устройств, который бу-
дет достигаться за счет как улучшения существующих техноло-
гий, так и создания радикально новых методов. Когда удастся
объединить все схемотехнические и технологические достиже-
ния (например, такие как вертикальный монтаж чипов), все ста-
нут очевидцами рождения нового поколения ИС, сложность и
мощность которых нельзя было даже представить всего несколь-
ко лет назад.
К третьему десятилетию текущего века полупроводниковая
индустрия прекратит свое существование в том виде, как она
представлена сегодня. Такой исход предопределен фундамента-
льными ограничениями как физики, так и материалов, которые
успешно применялись на всем протяжении эволюции полупро-
водниковой техники. Как только величина устройств станет рав-
Глава 1. От микроструктур к наноструктурам 33
Рис. 1.9. Многофункциональная оптическая метрологическая
установка (с разрешения Zygo Corporation)
ной примерно 10 нм, радикально поменяются физические прин-
ципы их работы. Важную роль начнут играть баллистика пере-
носа носителей и квантово-механические эффекты, например
туннелирование носителей. Статистические флуктуации, напри-
мер, характеристик легирования каналов — безразличных для
больших устройств — приобретут особую значимость. Утечки
тока через чрезвычайно тонкий диэлектрик затвора усилят свое
влияние на рабочие параметры устройств. Все перечисленные и
ряд других эффектов предвещают конец эры КМОП-техники
(КМОП — комплементарный металло-оксидный полупровод-
ник) в ее нынешнем виде. Новая эра, которая придет на смену
КМОП-эре, будет характеризоваться совершенно другой архи-
тектурой устройств с фундаментально новыми принципами дей-
ствия. Пока никто не знает, какими будут новые технологии, но
абсолютно точно известно, что, по крайней мере, часть из них
будет опираться на современные исследования наноструктур как
в сфере электроники, так и в сфере фотоники. Последние до-
стижения в области нанотехнологий проливают свет на многие
особенности поведения как материи, так и структур при макси-
мально возможном снижении размеров. Все научные исследова-
ния в нанометрическом диапазоне являются фундаментальны-
ми, поскольку здесь исследователям приходится иметь дело с
«зернистостью» самой материи. Структуры менее 100 нм по всем
направлениям имеют лишь по несколько дюжин атомов в каж-
дом из направлений и могут вести себя совсем не так, как их
большие собратья. Изучение именно такого нового поведения и
является одной из основных задач современной нанотехнологии.
Другая важная задача этой юной науки — разработка новых тех-
нологий изготовления наноустройств. Некоторые из технологий,
например усовершенствованная фотолитография, являются рас-
ширением уже существующих методов, другие же, такие как на-
ноимпринтная (nanoimprint) литография, начали свой путь срав-
нительно недавно. Оба направления: и фундаментальные иссле-
дования наномира, и разработка новых нанотехнологий, явля-
ются в равной степени существенными для развития технологий
будущего.
Построение малых структур из различных материалов может
производиться разными способами, выбор которых, в частности,
зависит от направления формирования этих структур. Для точ-
ного нанесения слоев в вертикальном направлении могут при-
34 Глава 1. От микроструктур к наноструктурам
меняться как эпитаксиальные, так и неэпитаксиальные методы
выращивания. Для этих целей используются обе технологии: хи-
мического осаждения из газовой среды (CVD) и физического
осаждения из газовой среды (PVD). Технологии, связанные с
молекулярными пучками, например молекулярно-лучевая эпи-
таксия (МВЕ), являются наиболее прогрессивными методами
неравновесного выращивания, позволяющими формировать на
соответствующих подложках эпитаксиальные слои с точностью
до одного монослоя атомов. CVD-аналог метода МВЕ — хими-
ческое осаждение из паровой фазы методом разложения метал-
лоорганических соединений (MOCVD) — часто называемый ме-
таллорганической молекулярно-лучевой эпитаксией (MOMBE),
является в настоящее время стандартной производственной тех-
нологией выращивания многослойных полупроводниковых
структур для таких устройств, как полупроводниковые лазеры,
светодиоды и транзисторы. Поскольку вся последовательность
выращивания слоев методами МВЕ и MOCVD контролируется
компьютерными системами, это дает возможность формировать
очень сложные гетероструктуры с очень высокой воспроизводи-
мостью. Формирование структур в поперечном направлении яв-
ляется более сложным процессом, требующим доработки ли-
тографических процессов. В то время как для формирования
изображений элементов схем, размеры которых не превышают
100 нм, обычно применяется фотолитография высокого разре-
шения, описанная раньше, в исследовательских работах для пе-
реноса рисунка чаще всего используется электронно-лучевая ли-
тография, иногда называемая e-beam литографией.
Электронно-лучевая литография, разработанная в 1950—
1960-х годах и позиционировавшаяся как метод переноса изоб-
ражений с экстра разрешением, до сих остается основной техно-
логией, применяемой при изготовлении наноструктур. Концеп-
туальная простота этого метода в сочетании с чрезвычайно вы-
соким разрешением делают его фаворитом разработчиков во
всем мире. Электронно-лучевая литография напрямую связана
со сканирующей электронной микроскопией (SEM). Поэтому
аппаратные части литографических установок данного типа и
сканирующих электронных микроскопов во многом совпадают.
Более того, практически любой микроскоп этого типа при по-
мощи несложных модификаций может быть превращен в лито-
графическую электронно-лучевую установку. Основное, что
Глава 1. От микроструктур к наноструктурам 35
надо для этого сделать, — это добавить к электронно-лучевой
колонне схему гашения луча, позволяющую «включать» и «вы-
ключать» луч, когда это необходимо. На рис. 1.10 показана элек-
тронно-лучевая литографическая установка, размещенная внут-
ри чистой комнаты.
Идея электронно-лучевой литографии достаточно проста: пу-
чок электронов, ускоренный примерно до 50 кэв, направляют на
резист, нанесенный на образец, укрепленный на платформе, рас-
положенной в вакуумной камере. Специальный резист реагиру-
ет на электронную бомбардировку одним из двух способов: По-
сле проведения процедуры проявления резист удаляется либо с
экспонированных участков, либо с мест, не подвергавшихся воз-
действию электронов. В первом случае резист называется пози-
тивным, во втором — негативным. Самым распространенным по-
зитивным резистом, используемым в электронно-лучевой лито-
графии, является полиметилметакрилат (PMMA). В ходе бомбар-
36 Глава 1. От микроструктур к наноструктурам
Рис. 1.10. Электронно-лучевая литографическая установка
внутри чистой комнаты
дировки электронами цепочки молекул РММА разбиваются на
короткие фрагменты. Этот процесс называется «разрывом цепо-
чек». При проявлении резиста более короткие цепочки растворя-
ются в органических растворителях гораздо легче, чем длинные.
В качестве проявителя часто используется метилизобутилкетон
(MIBK) (на практике его обычно разбавляют изопропиловым
спиртом). Но здесь следует отметить, что при очень высокой ин-
тенсивности электронной бомбардировки между цепочками мо-
лекул РММА могут образоваться перекрестные связи, превраща-
ющие резист в полимер с чрезвычайно большим молекулярным
весом, практически нерастворимый в органических растворите-
лях. Таким образом, при высоких дозах экспозиции РММА начи-
нает себя вести негативный резист. Однако поскольку РММА,
пронизанный перекрестными связями, загустевает при размеще-
нии в растворителе, что приводит к ухудшению разрешения фор-
мируемого изображения, он редко используется в качестве нега-
тивного резиста. До недавнего времени РММА считался позитив-
ным резистом, обеспечивающим самое высокое разрешение. Его
чувствительность зависит от распределения молекулярного веса:
если в образце преобладают молекулы с небольшим молекуляр-
ным весом, его чувствительность будет выше, чем в образцах с
большим молекулярным весом. РММА или другой резист нано-
сится на подложку методом центрифугирования, после чего про-
каливается при температуре приблизительно 90° для удаления
остатков растворителя. В ходе литографического процесса резист
подвергается воздействию не только падающего пучка электро-
нов, но также и электронов, выбиваемых из подложки. Чем выше
средний вес атомов материала подложки, тем больше экспозиция
за счет вторичной эмиссии электронов, что отрицательно сказы-
вается на разрешении. Очень близко расположенные элементы
изображений наиболее сильно страдают от такого «эффекта бли-
зости». Для снижения влияния этого эффекта на литографиче-
ские изображения разрабатываются как новые эксперименталь-
ные методы, так специальные алгоритмы корректировки интен-
сивности электронного пучка. Увеличение ускоряющего напря-
жения ведет к перемещению зоны максимального рассеяния в
глубь подложки, что уменьшает «эффект близости». Для сниже-
ния экспозиции, вызываемой вторичной эмиссией электронов,
применяют там, где это возможно, тонкие слои резиста и под-
ложки. Современные, реализованные по последнему слову техни-
Глава 1. От микроструктур к наноструктурам 37
ки, электронно-лучевые литографические установки способны
формировать структуры менее 10 нм в ширину и несколько мик-
ронов в длину на площади один квадратный мм. На рис. 1.11 по-
казана серийно выпускаемая литографическая установка данного
типа, способная непосредственно формировать изображения эле-
ментов уже, чем 10 нм.
Пучок электронов формирует на резисте изображение в виде
углубленного профиля. В этом заключается основное отличие
этого метода от фотолитографии. Углубленный профиль облег-
чает нанесение изображения на подложку в ходе аддитивных
пост-литографических процессов, например осаждения требуе-
мого материала через окна в резисте. Это и есть одно из важных
достоинств электронно-лучевой литографии, поскольку именно
оно и дает возможность формировать ультрамалые металличе-
38 Глава 1. От микроструктур к наноструктурам
Рис. 1.11. Электронно-лучевая литографическая установка вы-
сокого разрешения (С разрешения Raith GmbH)
ские структуры. С другой стороны, РММА не годится для ис-
пользования в субтрактивных методах нанесения изображений,
что связано с его ограниченной стойкостью в среде сухого трав-
ления. Полиакрилаты сильно страдают от воздействия реагентов
плазмы в ходе сухого травления. Как уже упоминалось ранее,
фоторезисты на базе фенолоформальдегидной смолы, в состав
которой входят ароматические углеводороды, гораздо более
устойчивы к плазме сухого травления. Присутствие кольцевых
ароматических групп придает таким резистам стойкость в среде
сухого травления, что делает возможным их применение как в
оптической, так и электронно-лучевой литографии. Другим
классом резистов, используемым в электронно-лучевой литогра-
фии, являются органо-кремниевые материалы на базе полисил-
сесквиоксана, например гидроген силсесквиоксан (HSQ). В от-
личие от акрилатных резистов, таких как РММА, HSQ является
негативным резистом. При воздействии электронного пучка и
последующей тепловой обработки, HSQ меняет свою структуру:
от простой цепочки ячеек до цепочки, пронизанной связями
Si-О. Полученный силикатный материал отличается прочностью
и устойчивостью ко многим химическим реагентам и, вследст-
вие этого, может использоваться как хорошая прочная маска.
Современные резисты на базе HSQ обеспечивают разрешение,
сравнимое с системами на РММА. Поскольку эти резисты также
обладают хорошей устойчивостью к реагентам сухого травления,
их сфера применения быстро расширяется, и за последние годы
они вытеснили традиционные акрилатные резисты из многих
технологий переноса изображений.
Следует отметить, что электронно-лучевая литография отлич-
но подходит для изготовления одного или нескольких опытных
образцов и совсем не годится для их массового производства. На-
ноимпритная литография (NIL), в основе которой лежит процесс
штамповки за счет контактного давления, является преемницей
электронно-лучевой литографии, но в отличие от нее пригодна
для серийных производств. Ее идея схожа с фотолитографией в
том, что оснастка для серийного переноса изображений изготав-
ливается при помощи электронно-лучевой литографии. Однако,
вместо формирования изображения на хроме, в технологии NIL
делается эталонный штамп, который переносит изображение тре-
буемой структуры в виде рельефа. После изготовления штампа,
удовлетворяющего всем техническим требованиям, он может
Глава 1. От микроструктур к наноструктурам 39
быть использован для серийной штамповки структур в специаль-
ном термопластике или термоотверждающейся смоле. Топогра-
фическое изображение, сформированное в резисте, может быть в
дальнейшем перенесено на подложку методом сухого травления.
Не будучи оптической технологией, в NIL при переносе изобра-
жения отсутствует операция какого-либо облучения, хотя в неко-
торых вариантах для обработки резиста используется УФ-излуче-
ние. Было показано, что наноимпритная литография способна
обеспечивать разрешение гораздо меньше 100 нм, что делает ее
основным кандидатом для использования в серийном производ-
стве разнообразных наноструктур в ближайшем будущем. Суще-
ствует несколько вариантов NIL. В одном из них штамп, изготов-
ленный из твердых материалов, таких как технический алмаз,
кварц или карбид кремния, вдавливается в резист, нанесенный на
подложку. Под действием тепла и давления в резисте формирует-
ся инверсное изображение NIL штампа. В другом варианте
штамп изготавливается из материала, прозрачного для УФ излу-
чения, например из кварца. А в качестве резиста, покрывающего
подложку, используется материал, реагирующий на УФ излуче-
ние. После вдавливания штампа в резист вся конструкция под-
вергается воздействию УФ излучения. Пройдя через штамп, УФ
лучи превращают резист в очень твердый, пронизанный перекре-
стными связями полимер. Во всех NIL процессах сначала в спе-
циальных резистах создаются требуемые рельефные изображения,
которые затем методом сухого травления либо переносятся на
подложку, либо на твердую маску.
Другим способом оптической литографии является интерфе-
ренционная литография, применяемая в основном для воспро-
изведения строго периодических изображений. Здесь идея за-
ключается в формировании периодического изображения элект-
ромагнитных стоячих волн, создаваемого двумя когерентными
световыми лучами, чаще всего лазерными, интерферирующими
друг с другом. Когерентность лучей обеспечивает формирование
устойчивой интерференционной картинки. При формировании
изображения на фоточувствительном резисте оно записывается в
нем в виде реального образа. После проявления этот образ мо-
жет быть перенесен на подложку, для чего, как правило, исполь-
зуется метод сухого травления.
Уже на протяжении многих лет прикладные науки, несмотря на
свои весьма скромные масштабы, всегда оставались движущей
силой прогресса, внося серьезный вклад в глобальную экономи-
ку. Стремительный рост количества микроэлектронных устройств
(в мириады раз), произошедший за последние сорок лет, значите-
льно повлиял на стиль жизни современных людей. В течение эры
микроэлектроники размеры всех компонентов, составляющих по-
лупроводниковые чипы, постоянно уменьшались. И хотя эта тен-
денция продолжается и в настоящее время, уже становится оче-
видным, что в вопросах миниатюризации обычных приборов че-
ловечество вскоре достигнет предела. Это связано как с конечны-
ми размерами элементарных частиц любого материала, так и с
квантовой природой всех физических явлений, что становится
очевидным при значительном уменьшении линейных масштабов.
Хотя ограничения кроются в природе материалов и основах фи-
зики, их последствия в большей степени носят экономический
характер. Для поддержания рентабельности полупроводниковой
индустрии необходимо постоянно искать возможности примене-
ния новых материалов, совершенствовать производственные тех-
нологии и архитектуру устройств. На момент написания этой
книги у человечества есть порядка десяти лет на подготовку к пе-
реходу к альтернативным технологиям. Но уже сейчас очевидно,
что технологии будущего все же будут основываться на физиче-
ских принципах и технологических процессах производства со-
временных устройств, хотя размеры новых приборов уже будут
измеряться нанометрами, а ведь 1 нанометр составляет всего одну
миллиардную часть метра. Современные технологии позволяют
формировать структуры и устройства такого масштаба, и именно
они будут играть важную роль в создании приборов будущего.
Нанотехнология — техническая дисциплина, имеющая дело с
изучением и созданием таких ультра малых объектов, является в
настоящее время самой бурно развивающейся прикладной нау-
кой, хорошо финансируемой во всем мире, в которую вовлечено
огромное количество исследователей. Поскольку в последние
годы все больше признается потенциал нанотехнологии, в неко-
торых странах финансирование ее развития является приоритет-
ным при распределении бюджетных средств. В развитых, а также
в ряде развивающихся стран ожидают, что наибольший прогресс
от внедрения нанотехнологий произойдет в таких сферах, как ин-
формационные технологии и медицина.
Наиболее характерной особенностью нанотехнологии явля-
ется то, что по своей природе она является междисциплинарной
наукой. Изучением наномира занимаются: материаловедение,
электроника, физика, химия и биология. Именно это создает
для ученых, инженеров, а также политиков, дополнительные
перспективы. Очевидно, что открытия и разработки в этой сфе-
ре приведут к появлению качественно новых возможностей. Это
очень хорошо, поскольку в мире все сильнее ощущается нехват-
ка невозобновляемых источников как материалов, так и энер-
гии. Почувствовав перспективы нанотехнологии, многие компа-
нии начали исследования в этой области, и каждый год к ним
присоединяются все новые и новые коллективы. Университеты
также принимают активное участие в этом процессе. Всем ис-
следователям необходима всесторонняя информация о том, чем
занимаются ученые в данной сфере в мире. Данная книга наце-
лена на удовлетворение этой потребности. Поскольку нанотех-
нология очень обширная дисциплина, эта книга будет касаться
только вопросов ее применения в электронике и фотонике, и
даже при этом в ней удалось рассмотреть только ограниченный
круг тем. Книга состоит из 16 глав, каждая из которых посвяще-
на исследованиям одной из научных групп из разных стран
мира. Исследователи каждой из групп специально для этих глав
расширили и адаптировали материалы, опубликованные ими в
последние годы в научных работах и докладах.
После главы введения книга разделена на две части. Первая
часть посвящена работам, касающимся применений нанотехно-
логий в электронике, в то время как вторая часть описывает ис-
пользование наноструктур в быстро развивающейся сфере —
фотонике. Главы нацелены на экспериментальные аспекты ис-
следований в сфере нанотехнологий, а не на их теоретическое
обоснование или математическое моделирование. Все соавторы
книги являются исследователями, активно работающими в сво-
их специализированных областях, поэтому ее можно рассматри-
вать как обзор текущего состояния нанотехнологий на совре-
менном этапе. Издатель, редактор и все авторы книги надеются,
что она будет полезна как студентам, так и профессиональным
исследователям.
Редактор
Faiz Rahman
Отдел электроники и электронной техники
Университет Glasgow
Шотландия, Объединенное Королевство
Глава 1
ОТ МИКРОСТРУКТУР
К НАНОСТРУКТУРАМ
Faiz Rahman
Эта вступительная глава является кратким обзором микротехно-
логий, стоящих на вооружении современной полупроводнико-
вой промышленности. Экономические и технологические перс-
пективы даны с учетом как среднесрочных, так долгосрочных
прогнозов. В главе описаны некоторые из наиболее важных тех-
нологических процессов, применяемых на производствах по все-
му миру, и рассмотрены пути совершенствования этих процес-
сов в будущем. Здесь также проведен анализ современных науч-
ных исследований, которые должны составить основу коммерче-
ской нанотехнологии в будущем. В следующих разделах
некоторые из отобранных технологий, пригодных для изготовле-
ния наноструктур, будут рассмотрены более подробно.
Глава 1. От микроструктур к наноструктурам
В начале прошлого века никто не мог предположить, что на-
ступят такие времена, когда прогресс техники будет зависеть от
искусственных структур, в тысячу раз меньших диаметра челове-
ческого волоса. А ведь всего сто лет назад фраза «тоньше воло-
ска» была популярным афоризмом. Техника в те дни ассоцииро-
валась с чем-то большим или даже очень большим, и это отно-
силось как к ее механическому, так и архитектурному устройст-
ву. Даже ламповые электронные приборы состояли далеко не из
маленьких элементов. Появление первых германиевых биполяр-
ных транзисторов в 1947 году привело к качественному сдвигу
электронной техники в сторону миниатюризации. Однако по-
требовалось еще несколько лет, чтобы идея изготовления прибо-
ров на кремниевой подложке была воплощена в жизнь, что
означало наступление новой эры — эры интегральных схем
(ИС), и это стало настоящей революцией в микроэлектронике.
С тех пор интегрированные полупроводниковые приборы по-
стоянно уменьшались в размерах, что позволяло расширять их
функциональность и увеличивать прибыль на инвестированный
в их производство капитал. Этот процесс продолжается и в на-
стоящее время. Полупроводниковая промышленность будет
продолжать применять существующие методы производства, по
крайней мере, до 2018 года. После чего, для поддержания до-
стигнутых темпов развития, необходимо будет внедрять качест-
венно новые технологии. Некоторые из будущих технологий, без
сомнения, будут основаны на тех, которые разрабатываются се-
годня в академических, научно-исследовательских и опытно-
конструкторских лабораториях всего мира. Когда точно про-
изойдет переход на новые технологии, точно сказать не может
никто, но что это произойдет — несомненно. По этой причине
люди заинтересованы в постоянном развитии нанотехнологий,
но существует еще один серьезный повод для этого.
Процесс миниатюризации активных приборов, начавшийся в
конце 1940-х годов, с началом развития твердотельной электро-
ники, никогда не прекращался. Появление ИС в начале 1960-х
обозначило приход «микро» эры с новыми понятиями, такими
как микросхема и микроэлектроника. Обычно это относилось к
отдельным устройствам, размеры которых составляли несколько
десятков микрон. Некоторые из методов формирования твердо-
тельных миниатюрных структур существовали к тому времени
на протяжении уже многих лет, но было разработано большое
количество новых производственных технологий, позволяющих
реализовывать монолитные интегрированные устройства разме-
ром в несколько микрон. Очень скоро эти технологии были усо-
вершенствованы, что дало возможность размещать на чипах за-
данного размера большее количество компонентов. Гордон Мур
(Gordon Moore), один из основателей Intel Corporation, предска-
зал в 1965 году, что количество транзисторов на чипах будет уд-
ваиваться каждые 18—24 месяца. Удивительно, но с тех пор
вплоть до наших дней это предсказание, получившее название
закон Мура, остается справедливым, и по нему делаются про-
гнозы развития монолитной интеграции. В настоящее время,
когда появились чипы современных сетевых процессоров и
цифровых процессоров сигналов (DSP), состоящие более чем из
миллиарда транзисторов, возможности закона Мура в предсказа-
нии эволюции развития индустрии ИС стали еще более очевид-
10 Глава 1. От микроструктур к наноструктурам
ными. На рис. 1.1 показан график увеличения количества тран-
зисторов на чипах с 1970 по настоящее время.
В течение 1960-х и 70-х годов размеры полупроводниковых
устройств постепенно снизились до нескольких микрон. К тому
времени преимущества миниатюризации стали настолько оче-
видны, что была сформирована целая сеть компаний-поставщи-
ков микроустройств. По мере совершенствования технологий
для создания последующих поколений полупроводниковых чи-
пов размеры микроустройств перешли с микронного на субмик-
ронный уровень. Это стало возможным после разработки техно-
логий сухого травления и оптической литографии высокого раз-
решения. Поскольку размеры устройств постоянно снижались,
все больше осваивая субмикронный диапазон, приблизительно к
моменту смены веков с 20 на 21 человечество шагнуло в «нано»
эру. Ко времени написания этой книги уже налажен серийный
выпуск наноустройств размером 65 нм и анонсирован выпуск в
ближайшем будущем устройств величиной 45 нм. В табл. 1.1,
приведенной ниже, показано, как будет изменяться размер узла
Глава 1. От микроструктур к наноструктурам 11
Транзисторы
Двухядерный процессор
Intel Itanium 2
Закон Мура Процессор Intel Itanium 2
Процессор Intel Itanium
Процессор Intel Pentium 4
Процессор Intel Pentium 3
Процессор Intel Pentium 2
Процессор Intel Pentium
Процессор Intel 486
Процессор Intel 386
Рис. 1.1. Количество транзисторов в чипах фирмы Intel разного
года выпуска (с разрешения Intel Corporation)
при трехгодичном цикле смены полупроводниковых технологий.
Узел по определению равен половине минимального технологи-
ческого шага (для схем памяти — это 1/2 шага между дорожка-
ми, для микропроцессоров — 1/2 шага между затворами
МОП-транзисторов и т.д.). Эта информация взята из Междуна-
родного сетевого графика технологии полупроводников (ITRS),
справочного документа, разработанного совместными усилиями
ученых разных стран, где представлены 15-ти летние перспекти-
вы развития полупроводниковой промышленности.
Таблица 1.1. Международный сетевой график технологии
полупроводников (ITRS)
Год производства 2001 2004 2007 2010 2013 2016
Размер технологи-
ческого узла, нм
130 90 65 45 32 22
Существует несколько здравых коммерческих причин, за-
ставляющих все больше снижать геометрические размеры
устройств. Поскольку размеры транзисторов уменьшаются, их
заданное количество может разместиться на меньшей площади,
что дает возможность сократить физические размеры чипа. Зна-
чит, из одной подложки может быть произведено большее коли-
чество чипов, а это уже ведет к увеличению прибыли компаний,
выпускающих полупроводниковые устройства. Конечно, все это
справедливо только при условии одновременного формирования
всех чипов на подложке. При этом чем выше мастерство специ-
алистов, тем меньшие размеры изделий им удается получить.
Возможность размещать на одном чипе того же самого размера,
что и ранее, большее количество транзисторов, дает компани-
ям-производителям еще один стимул стремиться к миниатюри-
зации. Поскольку при этом на кристалле того же размера, как и
раньше, они могут разместить большее количество узлов разной
функциональности, что позволит им изготавливать более слож-
ные ИС и продавать их по более высокой цене. Эти факторы за-
ставляют производителей полупроводниковых устройств инве-
стировать значительные средства в разработку новых технологий
и совершенствование производственного оборудования, что дает
возможность переходить от одного поколения ИС к другому
12 Глава 1. От микроструктур к наноструктурам
каждые 2—3 года. И как следствие этого, за последние сорок лет
произошло резкое снижение себестоимости каждого отдельного
транзистора в составе монолитного чипа: если в 1968 году он
стоил порядка 2$, то в 2008 году — уже менее нанодоллара!
Многие полупроводниковые производства по всему миру ра-
ботают в непрерывном режиме (24 часа в сутки) и производят
очень широкий ассортимент аналоговых и цифровых чипов. То-
лько 24-х часовой режим работы дает возможность получить
максимальную прибыль на инвестированный капитал при суще-
ствующей материальной базе. На рис. 1.2 показано, как выгля-
дит один из производственных цехов Intel Corporation.
Другой путь повышения прибыльности полупроводниковых
производств заключается в использовании подложек большей
площади. Несколько лет назад для изготовления ИС применя-
лись подложки диаметром шесть дюймов. Потом перешли на во-
сьми-дюймовые подложки, а в момент написания книги стан-
дартом для всех передовых компаний стали кремниевые подлож-
Глава 1. От микроструктур к наноструктурам 13
Рис. 1.2. Внутри производственного цеха Intel Corporation
(с разрешения Intel Corporation)
ки диаметром 12 дюймов. Планируется, что к 2012 году этот
стандарт будет заменен на 18-ти дюймовые подложки, и уже по-
говаривают, что в будущем этот предел будет преодолен. Чем
больше диаметр подложек, тем дороже их обработка. Это связа-
но с необходимостью разработки или модификации оборудова-
ния, способного работать с ними, и большим количеством хи-
микатов, требующихся для их технологической обработки. Для
продавцов оборудования сформировалась новая ниша — постав-
ка инструмента для обработки подложек большого диаметра.
Тем не менее переход на подложки большего диаметра дает воз-
можность производителям повышать свой доход, позволяя зна-
чительно увеличивать выпуск полупроводниковых устройств, по
сравнению с тем, что было при использовании подложек мень-
шего размера. Это и есть положительное влияние увеличения
размера подложек и, по всей видимости, эта тенденция будет
продолжаться в обозримом будущем.
Для успешной смены поколений ИС каждые два-три года
приходится модернизировать и перестраивать целый ряд произ-
водственных технологий. Технологии переноса изображения на
подложку всегда имели первостепенное значение при решении
задачи миниатюризации изготавливаемых устройств. Внедрение
метода фотолитографии в 1950-х годах сделало производство мо-
нолитных микрочипов рентабельным. С тех пор прогресс в фо-
толитографии всегда отражался на снижении размеров полупро-
водниковых устройств. Фотолитография с годами претерпела
ряд серьезных изменений. Фотолитографические установки
ближнего УФ диапазона, первоначально разделяемые на кон-
тактную и бесконтактную печать (последняя называется также
печатью с микрозазором), в последствии потеснили системы с
последовательным пошаговым экспонированием (степперы) и
современные литографические установки со сканированием по
полю (системы step-and-scan). Все это, в сочетании с совершен-
ствованием оптики и систем излучения, позволило значительно
расширить зону нанесения изображения, сохраняя при этом
приемлемую производительность установки. Однако дальнейшее
снижение геометрических размеров устройств было невозможно
без использования источников излучения с меньшей длиной
волны. Поэтому в течение первых лет после начала серийного
выпуска чипов ближнее УФ излучение с длиной волны 436 нм
(g-линия) было заменено на излучение ртутных ламп (i-линия)
14 Глава 1. От микроструктур к наноструктурам
на длине волны 365 нм. Но после того, как линейные размеры
устройств стали меньше микрона, излучение на длине волны
i-линии также перестало удовлетворять разработчиков, т.к. диф-
ракция стала ограничивать разрешение изображения. Поскольку
увеличивать мощность коротковолнового излучения при помо-
щи простейших ламповых газоразрядных источников станови-
лось все трудней и трудней, внимание было переключено на ла-
зеры, излучающие УФ-волны. Оказалось, что среди лазеров, ра-
ботающих на УФ-длинах волн, таких как азотные, аргон-ион-
ные, гелий-кадмиевые и др. лазеры, самыми подходящими для
использования в качестве источников излучения в системах оп-
тической литографии являются эксимерные лазеры, использую-
щие инертные газы. Эксимерные лазеры, работающие на хими-
ческих соединениях фтора, обеспечивают устойчивую генера-
цию излучения коротковолнового УФ диапазона чрезвычайно
высокой интенсивности, пригодного для формирования глубо-
ких субмикронных линий изображения. Первыми для этих це-
лей были применены лазеры на основе фторида криптона (KrF),
излучающие на длине волны 248 нм. До недавнего времени
KrF-лазеры были основными компонентами субмикронных ли-
тографических систем. Однако после того, как критические раз-
меры устройств (Critical Dimension (CD)) снизились до уровня
меньше 100 нм, в большинстве современных литографических
систем в качестве источников излучения стали использоваться
лазеры на основе фторида аргона (АrF). Излучение на длине
волны 193 нм, генерируемое АrF-лазерами, используется для пе-
реноса рисунка маски при помощи сложной системы линз. От-
дельные элементы этой системы линз изготавливаются из таких
материалов, как плавленный кварц, фторид кальция и фторид
лития, обладающих одним общим свойством — прозрачностью
для излучений с длинами волн, меньшими 200 нм. Для фотоли-
тографических систем будущего наибольший интерес, пожалуй,
представляет фторид кальция, поскольку этот материал отлича-
ется высокой стойкостью к интенсивному лазерному излучению,
что весьма существенно для линз, пропускающих через себя ко-
ротковолновое излучение УФ диапазона высокой интенсивно-
сти, необходимое для экспонирования фоторезиста с относите-
льно невысокой светочувствительностью. В остальных материа-
лах при увеличении интенсивности излучения наблюдается рост
флуктуаций плотности и показателя преломления. Сложность
Глава 1. От микроструктур к наноструктурам 15
линз современных литографических установок связана с тем,
что они представляют собой узкоспециализированные устройст-
ва — объемные, дорогие и требующие периодического техниче-
ского обслуживания. На рис. 1.3 показана серийно выпускаемая
система линз для современных литографических установок на
основе эксимерных лазеров.
16 Глава 1. От микроструктур к наноструктурам
Рис. 1.3. Система проекционных линз для фотолитографиче-
ской установки (с разрешения ASML Corporation)
При дальнейшем снижении размеров устройств излучение
АrF-лазеров на длине волны 193 нм тоже перестанет удовлетво-
рять технологическим потребностям и актуальным станет переход
на длину волны 157 нм, что реально при использовании эксимер-
ных лазеров на других соединениях фтора. Однако реализовать
полностью рефракционную систему, т.е. систему формирования
изображений, основанную только на линзах, вряд ли будет ког-
да-либо возможно. Поэтому литографические установки будуще-
го, вероятно, будут строиться на основе катадиоптрических сис-
тем, представляющих собой комбинацию линз и зеркал или даже,
возможно, полностью отражательных систем. Такие системы
имеют дополнительное преимущество — низкую хроматическую
абберацию, что обеспечивает возможность работы с естественной
шириной спектральных линий эксимерных лазеров. К сожале-
нию, при формировании изображения с помощью излучения бо-
лее коротких волн необходимо также использовать специальный
фоторезист, чувствительный к ним. Для фотолитографии на та-
ких коротких волнах был специально разработан фоторезист, чув-
ствительный к дальнему ультрафиолетовому излучению. Но и
здесь не обошлось без проблем. Традиционные фоторезисты на
основе новолачной фенолоформальдегидной смолы и поли-гид-
роксистирола, используемые на длинах волн 365 и 248 нм, на бо-
лее коротких длинах волн становятся практически светонепрони-
цаемыми. Поскольку на длине волны излучения 193 нм в таких
материалах происходит снижение глубины поглощения прибли-
зительно до 40 нм, они не находят широкого применения в систе-
мах на основе АrF-лазеров. На таких коротких длинах волн оста-
ются достаточно прозрачными резисты на основе метилкрилатов.
Поэтому на их базе были разработаны специальные фоторезисты,
удовлетворяющие требованиям технологии экспонирования на
длине волны 193 нм по прозрачности и по температурным пара-
метрам. Поскольку резисты на основе метилкрилатов чувстви-
тельны не только к излучению на длине волны 193 нм, но и на
длине 248 нм, они фактически могут использоваться как двухвол-
новые фоторезисты, и под них уже созданы комбинированные
(mix-and-match) литографические установки на 248/193 нм. У та-
ких фоторезистов, пожалуй, есть один значительный недоста-
ток — неудовлетворительная стойкость к травильным реагентам
при обработке методом сухого травления. Этот недостаток стано-
вится весьма существенным при использовании химических реа-
Глава 1. От микроструктур к наноструктурам 17
гентов, содержащих хлор, например BCl3, применяемый при
травлении металлических материалов. Стойкость к травлению
может быть повышена при дополнительном введении полимеров
с высоким молекулярным весом, богатых углеродом. Это могут
быть алициклические полимеры, но только не ароматические, об-
ладающие очень низкой прозрачностью (менее 200 нм). В настоя-
щее время разрабатываются технологии изготовления многослой-
ных резистов и резистов с экспонируемым верхним слоем, при-
годных для использования в фотолитографических процессах на
длинах волн, меньших 193 нм. В лабораторных условиях уже
были созданы несколько вариантов резистов с поверхностным
фотослоем, продемонстрировавших отличные рабочие характери-
стики. Их основными достоинствами, пожалуй, являются боль-
шая глубина формируемого изображения и возможность исклю-
чения антиотражающего покрытия. Разработка фоторезистов для
длин волн, меньших 193 нм, в последние годы считается одной из
самых актуальных проблем, над которой работают много ученых
в исследовательских, академических и объединенных лаборатори-
ях во всем мире.
Уменьшение длины волны экспонирующего излучения явля-
ется лидирующим, но не единственным способом совершенст-
вования технологий, прокладывающим путь к снижению харак-
терных размеров изготавливаемых чипов. Производство фотома-
сок в последние годы также претерпело значительные измене-
ния. Серийно выпускаемые фотошаблоны изготавливаются на
пластинах из диоксида кремния или плавленого кварца, про-
зрачных для длин волн экспонирующих излучений. Для нанесе-
ния изображений при производстве масок применяются как ла-
зерный, так и электронно-лучевой методы. В последние годы
для точного воспроизведения рисунка при изготовлении фото-
шаблонов стали использоваться различные оптические много-
уровневые технологии. Такие методы повышения разрешения
включают в себя коррекцию эффекта близости и применение
масок со сдвигом фаз. Для получения на фоторезисте требуемых
интерференционных изображений в масках со сдвигом фаз при-
меняют специальные фазосдвигающие покрытия. В настоящее
время существуют два типа таких масок: поглощающие (ослаб-
ляющие) фазосдвигающие маски и маски с чередованием фазы.
В ослабляющих масках в качестве оптического фазосдвигающего
покрытия используется силицид молибдена (MoSi), наносимый
18 Глава 1. От микроструктур к наноструктурам
на определенные участки фотошаблона. Этот материал пропус-
кает только около 10 % падающего УФ излучения, и при прави-
льно выбранной толщине MoSi-слоя прошедший через него свет
будет сдвинут по фазе на 180° по сравнению со светом, прошед-
шим через чистый кварц на соседних участках. На рис. 1.4 про-
иллюстрирован принцип действия ослабляющих фазосдвигаю-
щих масок. Из рисунка видно, что результирующее слабое облу-
чение фоторезиста в зоне нанесения MoSi, намного меньшее его
порога экспозиции, недостаточно для формирования постоян-
ного изображения, остающегося после проявления фотослоя.
180° фазовый контраст между прозрачными частями и частями,
покрытыми MoSi, позволяет получать там, где это необходимо,
более темные зоны, чем при применении простых двоичных ма-
сок, в которых дифракция света между близко расположенными
деталями изображения приводит к значительной засветке облас-
тей, расположенных под покрытием из хрома. Поэтому после
облучения фоторезиста через маску со сдвигом фаз на нем фор-
мируется контрастное изображение с более четкими светлыми и
Глава 1. От микроструктур к наноструктурам 19
MoSi
Фаза 180°
Пропускание
света 6 % Кварц
Фаза 0°
Фотошаблон Пропускание
света 100 %
Хром
Фаза
(энергия)
Интенсивность Пороговая экспозиция
(энергия2) фоторезиста
Подложка Оставшийся резист
после проявления
Рис. 1.4. Принцип действия ослабляющих фазосдвигающих ма-
сок (с разрешения ASML Corporation)
темными зонами, чем в случае использования двоичных шабло-
нов, что дает возможность воспроизводить на резисте точную
копию исходного рисунка с хорошей прорисовкой мелких де-
талей.
Изготовление масок с чередованием фаз является более
сложным, а значит, и более дорогостоящим занятием. В рас-
сматриваемом случае в кварцевом шаблоне методом травления
формировался необходимый рисунок. При этом при прохожде-
нии УФ излучения через две соседние зоны шаблона, одна из
которых протравлена, а другая — нет, получался 180° сдвиг фаз.
Результирующая интерференционная картина создавала на
плоскости фоторезиста требуемое изображение. Как показано на
рис. 1.5, покрытие из хрома, нанесенное в виде линий на фото-
шаблон, выполняло ограничительную функцию, обеспечивая
фазу 0° с одной стороны кварцевой пластины и 180° — с ее дру-
гой стороны. Поскольку фаза менялась с положительных значе-
ний к отрицательным, где-то она пересекала нулевой уровень.
20 Глава 1. От микроструктур к наноструктурам
Протравленный
кварц
(фаза 180°)
Кварц
(фаза 0°)
Фотошаблон
Хром
Фаза
(энергия)
Интенсивность Пороговая экспозиция
(энергия2) фоторезиста
Подложка Оставшийся резист
после проявления
Рис. 1.5. Принцип действия масок с чередованием фаз (с разре-
шения ASML Corporation)
Интенсивность излучения (пропорциональная квадрату фазы)
также проходила через 0, формируя на фоторезисте очень тем-
ную и четкую линию.
В то время как для производства фазосдвигающих масок тре-
буются специальные материалы и технологии, оптическая кор-
ректировка близости (Optical Proximity Correction (OPC)) заклю-
чается в простой модификации изображения на фотошаблоне с
целью формирования более четкого рисунка на фоторезисте.
Главная идея этого метода состоит в том, что нежелательные
дифракционные эффекты компенсируются внесением в маску
дополнительных элементов, расширяющих линии на ней в нуж-
ных направлениях, в результате чего на плоскости фоторезиста
получается требуемое изображение. OPC является самым эф-
фективным методом с точки зрения полиграфических техноло-
гий, поскольку он позволяет создавать линии меньшей ширины,
чем достигается физическое разрешение оптической системы,
что актуально для современных чипов со смешанными сигнала-
ми и ИС памяти со встроенной логикой. Оптические корректи-
рующие элементы, такие как разнообразные прямоугольники и
засечки, добавленные по краям линий, позволяют расширить
возможности литографических установок без применения более
сложных технологий. Аналогичный метод заключается в выбо-
рочном добавлении поглощающих свет пикселей, позволяющих
компенсировать изменения критических размеров в пределах
зоны облучения. Он основан на лазерной записи пикселей на
фотошаблон в режиме ограничения апертуры. После чего часть
света, проходящего через эти пиксели, будет ими поглощаться,
что приведет к снижению облучения зон, расположенных под
ними. Это позволяет сократить критические размеры и после
экспонирования получить на фоторезисте требуемое изображе-
ние. Этот метод оказывается очень полезным при уплотнении
компоновки схем при уменьшении критических размеров.
В современных серийно выпускаемых литографических уста-
новках, как правило, используются все способы повышения раз-
решающей способности, описанные выше. Однако в ходе непре-
рывно продолжающегося процесса миниатюризации устройств
требуется разработка новых, иногда даже революционных, тех-
нологий, без которых невозможен дальнейший прогресс полу-
проводниковой индустрии. К таким новым технологиям, полу-
чившим свое развитие в последнее время, можно отнести жид-
Глава 1. От микроструктур к наноструктурам 21
костную иммерсионную литографию, призванную заменить су-
ществующую фотолитографию, использующую УФ излучение
дальнего диапазона (DUV). В этом месте необходимо разобрать-
ся, как разрешение изображения связано с остальными оптиче-
скими параметрами. Уравнение (критерий) Рэлея определяет,
какое разрешение (или минимальный критический размер) мо-
жет обеспечить данная система формирования изображения.
Оно связывает минимальный размер элемента рисунка, который
в состоянии отобразить фотолитографическая установка, с дру-
гими ее параметрами:
W kl /NA,
где kl — коэффициент разрешения, — длина волны используе-
мого излучения, NA — числовая апертура объектива установки.
Таким образом, расстояние между двумя ближайшими разре-
шаемыми точками рисунка W может быть сокращено не только
при снижении длины волны излучения , но и при уменьшении
коэффициента kl или при увеличении числовой апертуры лито-
графической установки. Коэффициент kl зависит от нескольких
факторов: плоскостности подложки, характеристик резиста, на-
личия или отсутствия корректировки близости и т.д. Улучшение
всех этих факторов ведет к снижению коэффициента kl, и в бли-
жайшем будущем его величина, вероятно, будет варьироваться в
пределах 0,3—0,25. После чего дальнейшее уменьшение W ста-
нет возможно только за счет увеличения числовой апертуры,
определяемой как произведение показателя преломления окру-
жающей среды на синус входного угла линзы:
NA n sin .
Известно, что sin Ѕ 1, а nвоздуха = 1. Поэтому NA любой сис-
темы линз всегда меньше 1. По мере совершенствования фо-
толитографических установок числовые апертуры их линзовых
систем постепенно увеличились с 0,4 до 0,85. Значения 0,85 ха-
рактерны для современных систем. Вероятно повышение этого
параметра до 0,93. Однако это, пожалуй, будет предельным зна-
чением, которое можно реализовать в традиционных фотолито-
графических установках. Получение величины NA больше 1 по-
зволило бы резко повысить разрешение фотолитографических
систем. Именно такая цель поставлена перед иммерсионной фо-
толитографией, еще одним достоинством которой является уве-
личение глубины фокуса. Эта новая технология настолько перс-
22 Глава 1. От микроструктур к наноструктурам
пективна, что в течение последних нескольких лет к ее разра-
ботке подключились многие академические и производственные
научные лаборатории. Иммерсионная литография основывается
на размещении проекционных линз в специальных преломляю-
щих свет растворах, что ведет к увеличению числовой апертуры
систем воспроизведения изображения. В практических установ-
ках раствор, прозрачный для излучения, размещается между
оконечной проекционной линзой и фоторезистом, нанесенным
на подложку. Очевидно, что иммерсионный раствор не должен
оказывать никакого влияния на резист и линзы, контактируя с
ними на протяжении короткого промежутка времени. В настоя-
щее время самым подходящим иммерсионным раствором счита-
ется сверхчистая вода. Заполнение этой водой зазора между
линзами и подложкой увеличивает разрешение системы прибли-
зительно в m раз, где m — показатель преломления воды. Такой
подход позволяет реализовывать системы с числовыми апертура-
ми до 1,4. Использование вместо воды специальных иммерсион-
ных растворов, возможно, расширит диапазон NA за преде-
лы значения 1,5. Иммерсионная литография является частью не
только 32 нм-технологий, но, вероятно, и более далеких. Однако
создание иммерсионных литографических установок было весь-
ма непростой задачей, при решении которой разработчики стол-
кнулись с рядом очень серьезных проблем, связанных со слож-
ной механикой дозирования, ввода и удаления иммерсионных
растворов, а также удержания их на месте в то время, как плат-
форма с подложкой в ходе операции сканирования то резко
ускоряется, то резко замедляется. В настоящее время большин-
ство этих проблем более-менее решены, благодаря чему ряд
производителей уже начали серийный выпуск 193 нм иммер-
сионных литографических установок.
Хорошо отлаженный фотолитографический процесс, осно-
ванный на методах, описанных выше, должен подходить для со-
здания наноустройств с узлом 32 нм. В возможности реализации
этого есть определенная уверенность, поскольку, начиная с по-
явления 65 нм-технологического процесса, в фотолитографиче-
ских установках, используемых при производстве как современ-
ных полевых транзисторов, так и схем памяти, применяется экс-
понирование с двойным шаблоном успешно. Экспонирование с
двойным шаблоном, имеющее несколько вариантов реализации,
по существу дела, заключается в облучении двух последователь-
Глава 1. От микроструктур к наноструктурам 23
ных слоев фоторезиста с использованием двух различных фото-
масок, что дает возможность увеличивать плотность компоновки
до двух раз. В зависимости от варианта реализации описываемой
технологии, между двумя фотолитографическими экспонирова-
ниями может быть один или более этапов осаждения новых или
вытравливания существующих слоев. Экспонирование с двой-
ным шаблоном, также как и другие способы многоэтапного
формирования изображения, не могут повысить оптическое раз-
решение основных литографических процессов, но могут увели-
чить плотность наносимого рисунка, используя для этого при-
емы геометрического масштабирования.
В ходе развития 32 нм-технологического процесса фотоли-
тография может столкнуться с очень серьезными проблемами,
решить которые будет невозможно даже применяя все ныне из-
вестные методы улучшения разрешения. Для оптического нане-
сения изображений схем с еще более мелкими деталями, воз-
можно, потребуется еще больше уменьшить длину волны экспо-
нирования. Ученые ряда академических и производственных
лабораторий считают, что выходом из этой потенциальной
проблемы, которая, вероятно, появится в полупроводниковой
индустрии во второй декаде XXI века, будет развитие экстре-
мальной УФ (EUV) фотолитографии. В настоящее время уже ве-
дутся работы по разработке как самих источников жесткого УФ
излучения, так и оптических систем, способных с ним работать.
Для генерации экспонирующего излучения сверхкоротких УФ
волн интерес, в первую очередь, представляют рентгеновские
источники, например синхротроны. Однако синхротроны пред-
ставляют собой довольно громоздкие конструкции, к тому же
малоэффективные и малопроизводительные. Поэтому усилия
разработчиков сразу нескольких исследовательских групп на-
правлены на создание настольных систем, способных генериро-
вать излучение, требуемое для формирования устройств, разме-
рами в десятки нм. На рис. 1.6 показана схема эксперименталь-
ной 13,5 нм-литографической установки, разрабатываемой под
контролем Ассоциации Развития Экстремальной УФ Фотоли-
тографии (Extreme Ultraviolet Lithography System Development
Association). В этой установке луч Nd:YAG лазера ( = 1064 нм —
инфракрасный диапазон) направляется на струю холодного ксе-
нона, при разогреве которой образуется Хе-плазма, состоящая
из электронов и положительных ионов ксенона с разной вели-
24 Глава 1. От микроструктур к наноструктурам
чиной зарядов. Столкновение электронов с тяжелыми одно- и
много-зарядными ионами приводит к возникновению сильного
рентгеновского излучения ближнего диапазона с длинами волн
порядка 13,5 нм. При помощи отражательной системы это излу-
чение фокусируется на подложке проходя через специальный
фотошаблон. Конечно же, для получения четкой картинки такие
установки необходимо оснащать прецизионными системами по-
зиционирования платформ. Допуски на совмещение при поэле-
ментном формировании изображения должны быть в пределах
5—10 нм. Такой уровень точности достижим только при приме-
нении интерферометрических систем. Но это только один ас-
пект создания установок экстремальной УФ фотолитографии,
который уже полностью разработан и требует лишь незначитель-
ных доработок. Другой аспект — это разработка специальных
масок и фотошаблонов, способных эффективно работать при та-
ких коротковолновых излучениях, над чем и трудятся разработ-
чики на протяжении последних нескольких лет. Самыми перс-
пективными считаются ультратонкие маски из нитрида кремния
с многослойным покрытием из молибдена и кремния, блокиру-
ющим излучение, но и здесь разработчикам еще предстоит спра-
виться с рядом трудностей, связанных с их непрочностью, высо-
кой стоимостью изготовления и устранением дефектов. К сча-
Глава 1. От микроструктур к наноструктурам 25
Платформа для маски
Конденсорная
оптика
Источник
= 13,5 нм
Струя Хе
Датчик
Лазер = 1064 нмвыравнивания Проекционная
подложки оптика
Платформа
для подложки
Вакуумная среда
Рис. 1.6. Экспериментальная литографическая система, работа-
ющая в жестком УФ диапазоне
стью, эта область исследований была недавно признана одной
из наиболее актуальных, что значительно ускорило ее развитие.
Также нельзя забывать, что в случае применения фотолитогра-
фических установок, работающих с жестким УФ излучением,
требуются специальные резисты, пригодные для обработки су-
ществующими методами. Литографические системы на жестком
рентгеновском излучении и ионно-проекционные установки
также рассматриваются как потенциальные системы воспроизве-
дения изображений, но в настоящее время фаворитом следую-
щего поколения литографических технологий признана экстре-
мальная УФ проекционная литография.
Изображение схемы, полученное в резисте, покрывающем
полупроводниковую подложку, необходимо перенести на саму
подложку, сохраняя все его детали. При использовании аддитив-
ной технологии переноса изображения сверху резиста наносится
тонкий слой специального покрытия. Это обычно выполняется
одним из следующих физических методов: осаждением или на-
пылением металлов. После нанесения на всю поверхность ново-
го тонкого слоя подложка погружается в растворитель резиста
для удаления как самого резиста, так и любого материала, нахо-
дящегося сверху него. Таким образом, осажденный металл оста-
ется только там, где в резисте были открытые места. Этот метод
аддитивного или обратного переноса изображения, несмотря на
его прогрессивность, не нашел широкого распространения в
производстве кремниевых чипов, что связано, главным образом,
с его технологической ненадежностью. Другой метод переноса
изображений — субтрактивное копирование является основным
в производстве современных ИС. При использовании этого ме-
тода материал, используемый для создания изображения, осаж-
дается на подложке первым, а уже на него наносится слой рези-
ста, в котором и формируется требуемое изображение. После
чего материал, подвергшийся облучению через отверстия в фо-
торезисте, удаляется методом селективного травления. И нако-
нец, удаляется сам резист, открывая требуемый рисунок схемы.
Традиционно травление производится реагентами, селективно
удаляющими только материал, используемый для формирования
рисунка, не затрагивая нижележащую подложку. Основная
проблема жидкостного травления — изотропность его характе-
ристик — стала очень существенной после того, как линей-
ные размеры элементов схем уменьшились до значений менее
26 Глава 1. От микроструктур к наноструктурам
10 мкм. Травление происходит с одинаковой скоростью и вер-
тикально снизу вверх, и во всех поперечных направлениях.
В аморфных материалах скорости вертикального и поперечного
травления совпадают, а в кристаллических — скорость травле-
ния зависит от его направленности. Поперечное травление, как
правило, является нежелательным процессом, поскольку приво-
дит к постепенной эрозии боковых сторон элементов, что нару-
шает пространственные соотношения в изображении всей схе-
мы. При критических размерах ИС менее 10 мкм жидкостное
травление для формирования изображения на подложке практи-
чески никогда не используется. К счастью, к моменту, когда это
могло бы стать очень серьезной проблемой, препятствующей да-
льнейшему развитию технологии изготовления ИС, появились
новые методы травления — сухого и плазменного, успешно ре-
шившие эту задачу. Существует довольно много технологий су-
хого травления, но во всех их для замедления нежелательной
эрозии материала применяется химически активная плазма.
Плазменное травление, без всякого сомнения, занимает второе
по важности после современной фотолитографии место среди
технологий, сделавших возможным появление нынешнего поко-
ления субмикронных ИС. Сухое травление относится к так на-
зываемым синергичным (взаимоусиливающимся) процессам.
Его физико-химический принцип заключается в ионной бом-
бардировке экспонируемой поверхности, сопровождающейся
химическими реакциями между активными частицами плазмы и
материала поверхностного слоя. Оба этих механизма, действуя
совместно, приводят к удалению материала, что и составляет
процесс сухого травления. Взаимосвязь физических и химиче-
ских процессов повышает эффективность травления и позволяет
управлять характеристиками травления, поскольку коррекцией
каждого из процессов можно добиться получения желательных
свойств травления. Так, например, усиление ионной бомбарди-
ровки за счет увеличения напряжения смещения в газоразряд-
ной камере позволяет вытравливать более вертикальные про-
фили с незначительным поперечным подтравливанием. Такой
способ управления травлением с целью формирования разнооб-
разных профилей был применен для создании множества разно-
образных структур для нано- и микроэлектромеханических сис-
тем. Химические реакции, которые можно организовать в ходе
плазменного травления, годятся для обработки даже чрезвычай-
Глава 1. От микроструктур к наноструктурам 27
но твердых материалов, таких как алмаз, карбид вольфрама и
палладий. Без разработки метода травления таких материалов
было бы невозможно достичь современного уровня развития по-
лупроводниковой индустрии. Технологии сухого травления про-
должают непрерывно развиваться, ученые постоянно представ-
ляют новые варианты, а разработчикам технических средств
приходится искать способы решения новых, все время усложня-
ющихся задач. На рис. 1.7 показаны операторы в производствен-
ном помещении, загружающие контейнеры с 25-ти дюймовыми
28 Глава 1. От микроструктур к наноструктурам
Рис. 1.7. Установки сухого травления в производственном по-
мещении (с разрешения Intel Corporation)
подложками в установки для проведения процедуры сухого
травления.
Некоторые технологии, первоначально разработанные для
сухого травления, стали также использоваться для осаждения
материалов. Это стало возможным, потому что низкотемпера-
турная технология осаждения материалов основана на организа-
ции газовых разрядов, а не на нагреве, используемом для повы-
шения энергии молекул реагентов, что необходимо для их дис-
социации. Метод плазмохимического осаждения из паровой [га-
зовой] фазы (PECVD) позволяет в ходе низкотемпературного
плазменного процесса осаждать такие диэлектрические мате-
риалы, как диоксид кремния и нитрид кремния. Системы с уда-
ленной плазмой (RP) и индуктивно-связанной плазмой (ICP),
первоначально разработанные для технологии реактивного ион-
ного травления, стали применяться в плазмохимических уста-
новках осаждения из газовой фазы, что дало определенный эф-
фект.
Дальнейшее повышение сложности схем, размещаемых в од-
ном чипе, уже сейчас состоящих из миллионов активных клю-
чей, ведет к значительному усложнению рисунков линий, соеди-
няющих эти устройства друг с другом. Рисунок разводки совре-
менных схем не помещается в одном слое. Большинство анало-
говых и цифровых схем средней сложности включают в себя от
двух до четырех различных слоев разводки. А в чипах современ-
ных микроконтроллеров уже насчитывается не менее шести та-
ких слоев. При увеличении количества слоев разводки снижает-
ся их плоскостность. «Холмистый» рельеф поверхности начина-
ет влиять на качество изображений, получаемых в процессе фо-
толитографии. Это связано с тем, что литографические установ-
ки с хорошим разрешением имеют очень маленькую глубину
фокуса, особенно при формировании изображения на большой
площади. Поэтому когда отдельные места подложки выходят за
пределы оптимальной плоскости изображения, или когда они
опускаются ниже нее более чем на несколько нанометров, ре-
зист, нанесенный на них, не получает соответствующей дозы об-
лучения. До того как появились чипы с субмикронными компо-
нентами, эта проблема решалась следующим образом: проме-
жутки между металлическими проводниками на диэлектриче-
ских слоях выравнивались, для чего на них наносились допол-
нительные слои из стекла с низкой температурой плавления с их
Глава 1. От микроструктур к наноструктурам 29
последующим расплавлением. Нанесенные слои из расплавлен-
ного стекла обеспечивали плоскостность поверхностей, на кото-
рых получались вполне приличные фотолитографические изоб-
ражения. Такой метод выравнивания поверхностей работал до-
вольно хорошо до тех пор, пока температура плавления стекла
перестала быть совместимой с постоянно снижающимся тепло-
вым балансом быстро усложняющихся чипов. На некоторое вре-
мя эта проблема была улажена путем использования стекол, в
состав которых входил бор и фосфор, имеющих более низкую
температуру перехода, чем стекла из чистого кварца. Но и тут
настал момент, когда даже температура плавления борно-фос-
форных стекол оказалась слишком высокой и несовместимой с
остальными технологиями производства ИС. Требовалась ради-
кально новая технология выравнивания поверхностей, и она по-
явилась в виде метода химико-механического выравнивания
(СРМ). Этот метод заключается в полировке поверхности вра-
щающейся подложки фетровой подушечкой, пропитанной спе-
циальной суспензией. Так же, как и сухое травление, хими-
ко-механическое выравнивание является синергичным процес-
сом, в котором в механизм удаления материала с поверхности
подложки вовлечены как химические, так и физические абра-
зивные явления. Однако в отличие от сухого травления в этом
методе выравнивания материал хотя и удаляется со всей поверх-
ности подложки, но выступающие места исчезают гораздо быст-
рее, и по истечении определенного времени вся поверхность
становится ровной. Для подгонки процесса полировки под
определенные технические условия и получения подложек с по-
верхностями, удовлетворяющими конкретным требованиям по
плоскостности, могут применяться различные типы смешанных
суспензий с разными концентрациями. В состав смешанных
суспензий, как правило, входят различные окислители для окис-
ления удаляемых материалов и абразивные агенты, например
кварцевый песок, для удаления окисленных материалов за счет
механической шлифовки. Соответствующей балансировкой по-
ложения подложки на рабочем столе установки удается выров-
нять участки, расположенные по краям подложки, что повышает
выход годных чипов. Поскольку химико-механическое выравни-
вание является «грязным» процессом, оно, как правило, выпол-
няется вдали от остальных производственных участков. По
окончании процесса выравнивания поверхность подложки дол-
30 Глава 1. От микроструктур к наноструктурам
жна быть тщательно очищена
для удаления всех остатков
суспензии и обработана абра-
зивным материалом. Описан-
ная технология выравнивания
продемонстрировала очень хо-
рошие результаты — значения
среднеквадратичной плоско-
стности поверхности подложек
после такой обработки стала
составлять порядка 10 нано-
метров. Фотолитография по
таким ровным поверхностям
отличается высоким качеством
изображений. Химико-механи-
ческое выравнивание является
одним из примеров радикаль-
ных процессов, без которых изготовление сложных ИС было бы
невозможным. На рис. 1.8 показана подложка с выровненной
поверхностью, подготовленная для последующей обработки.
Одновременное совершенствование всех технологий, исполь-
зуемых при производстве чипов, помогает полупроводниковой
индустрии оставаться прибыльной на протяжении многих лет.
Здесь описаны только три метода: литографии, сухого травления
и химико-механического выравнивания, без которых современ-
ного производства полупроводниковых схем просто не было бы.
Однако для поступательного развития полупроводниковой инду-
стрии также необходимо постоянно модернизировать и осталь-
ные процессы: как производственные, так и метрологические.
Можно назвать только некоторые из методов, сильно продви-
нувшихся вперед в последние годы. Это ионная имплантация,
скоростная термообработка, осаждение диэлектрических слоев,
мониторинг частиц на подложке, жидкостная очистка субмик-
ронных элементов и измерение толщины ультратонких пленок.
Большинство из этих усовершенствованных методов были раз-
работаны производителями технологических систем и переданы
производителям полупроводниковых чипов в виде единого паке-
та, включающего в себя как сами системы, так и технологии для
работы с ними. Многие из производителей кремниевых ИС про-
водят свои собственные научные исследования, правда, в основ-
Глава 1. От микроструктур к наноструктурам 31
Рис. 1.8. Зеркальная поверхность
подложки после СМР-выравни-
вания
ном направленные на технологическую интеграцию, а не на раз-
витие унифицированных индивидуальных методов.
Пока в серийном производстве чипов главные роли будут иг-
рать технологии и установки для их изготовления, полупровод-
никовая индустрия не сможет обойтись без таких же сложных
систем мониторинга техпроцессов и диагностических инстру-
ментов. Для того чтобы поддерживать выход годных чипов на
приемлемом уровне, надо тщательно контролировать большое
количество различных процессов, являющихся частью техноло-
гического маршрута производства ИС. Как правило, каждый
основной технологический процесс сопровождается соответству-
ющей процедурой замера определенных характеристик. Так, на-
пример, процесс травления часто контролируется при помощи
атомно-силовой микроскопии (AFM), а для мониторинга про-
цесса выращивания пленок из оксида кремния может применя-
ться эллипсометрия. Для контроля за точностью воспроизведе-
ния после каждого этапа литографии для уверенности в том, что
все элементы изображения находятся на нужных местах, исполь-
зуются системы технического зрения и сканирующая электрон-
ная микроскопия. Обычно в такие системы сначала загружается
файл с эталонным изображением и вводится информация о при-
емлемых допусках, и после этого по окончании определенных
этапов обработки проводится сканирование либо всех подложек,
либо ряда случайно выбранных подложек. При обнаружении
превышения уровня заданных допусков система отмечает дан-
ные подложки и передает информацию о них в автоматизиро-
ванный центр управления производством. Подобные системы
также применяются для контроля за частицами отходов, выделя-
емых при травлении и осаждении материалов. В последние годы
разрешение таких систем значительно улучшилось, что было не-
обходимо для поддержания курса миниатюризации. Системы
контроля качества помогают повышать выход годных чипов и
обнаруживать сбои в техпроцессе. Во многих случаях своевре-
менное вмешательство в работу системы может предотвратить
потенциально катастрофические производственные ситуации.
На рис. 1.9 показана многофункциональная оптическая метро-
логическая установка, выпускаемая Zygo Corporation, способная
измерять критические размеры трехмерных элементов, сформи-
рованных на подложках, и обеспечивать высокую надежность
процесса контроля.
32 Глава 1. От микроструктур к наноструктурам
В следующие несколько лет ожидается дальнейший прогресс
в миниатюризации полупроводниковых устройств, который бу-
дет достигаться за счет как улучшения существующих техноло-
гий, так и создания радикально новых методов. Когда удастся
объединить все схемотехнические и технологические достиже-
ния (например, такие как вертикальный монтаж чипов), все ста-
нут очевидцами рождения нового поколения ИС, сложность и
мощность которых нельзя было даже представить всего несколь-
ко лет назад.
К третьему десятилетию текущего века полупроводниковая
индустрия прекратит свое существование в том виде, как она
представлена сегодня. Такой исход предопределен фундамента-
льными ограничениями как физики, так и материалов, которые
успешно применялись на всем протяжении эволюции полупро-
водниковой техники. Как только величина устройств станет рав-
Глава 1. От микроструктур к наноструктурам 33
Рис. 1.9. Многофункциональная оптическая метрологическая
установка (с разрешения Zygo Corporation)
ной примерно 10 нм, радикально поменяются физические прин-
ципы их работы. Важную роль начнут играть баллистика пере-
носа носителей и квантово-механические эффекты, например
туннелирование носителей. Статистические флуктуации, напри-
мер, характеристик легирования каналов — безразличных для
больших устройств — приобретут особую значимость. Утечки
тока через чрезвычайно тонкий диэлектрик затвора усилят свое
влияние на рабочие параметры устройств. Все перечисленные и
ряд других эффектов предвещают конец эры КМОП-техники
(КМОП — комплементарный металло-оксидный полупровод-
ник) в ее нынешнем виде. Новая эра, которая придет на смену
КМОП-эре, будет характеризоваться совершенно другой архи-
тектурой устройств с фундаментально новыми принципами дей-
ствия. Пока никто не знает, какими будут новые технологии, но
абсолютно точно известно, что, по крайней мере, часть из них
будет опираться на современные исследования наноструктур как
в сфере электроники, так и в сфере фотоники. Последние до-
стижения в области нанотехнологий проливают свет на многие
особенности поведения как материи, так и структур при макси-
мально возможном снижении размеров. Все научные исследова-
ния в нанометрическом диапазоне являются фундаментальны-
ми, поскольку здесь исследователям приходится иметь дело с
«зернистостью» самой материи. Структуры менее 100 нм по всем
направлениям имеют лишь по несколько дюжин атомов в каж-
дом из направлений и могут вести себя совсем не так, как их
большие собратья. Изучение именно такого нового поведения и
является одной из основных задач современной нанотехнологии.
Другая важная задача этой юной науки — разработка новых тех-
нологий изготовления наноустройств. Некоторые из технологий,
например усовершенствованная фотолитография, являются рас-
ширением уже существующих методов, другие же, такие как на-
ноимпринтная (nanoimprint) литография, начали свой путь срав-
нительно недавно. Оба направления: и фундаментальные иссле-
дования наномира, и разработка новых нанотехнологий, явля-
ются в равной степени существенными для развития технологий
будущего.
Построение малых структур из различных материалов может
производиться разными способами, выбор которых, в частности,
зависит от направления формирования этих структур. Для точ-
ного нанесения слоев в вертикальном направлении могут при-
34 Глава 1. От микроструктур к наноструктурам
меняться как эпитаксиальные, так и неэпитаксиальные методы
выращивания. Для этих целей используются обе технологии: хи-
мического осаждения из газовой среды (CVD) и физического
осаждения из газовой среды (PVD). Технологии, связанные с
молекулярными пучками, например молекулярно-лучевая эпи-
таксия (МВЕ), являются наиболее прогрессивными методами
неравновесного выращивания, позволяющими формировать на
соответствующих подложках эпитаксиальные слои с точностью
до одного монослоя атомов. CVD-аналог метода МВЕ — хими-
ческое осаждение из паровой фазы методом разложения метал-
лоорганических соединений (MOCVD) — часто называемый ме-
таллорганической молекулярно-лучевой эпитаксией (MOMBE),
является в настоящее время стандартной производственной тех-
нологией выращивания многослойных полупроводниковых
структур для таких устройств, как полупроводниковые лазеры,
светодиоды и транзисторы. Поскольку вся последовательность
выращивания слоев методами МВЕ и MOCVD контролируется
компьютерными системами, это дает возможность формировать
очень сложные гетероструктуры с очень высокой воспроизводи-
мостью. Формирование структур в поперечном направлении яв-
ляется более сложным процессом, требующим доработки ли-
тографических процессов. В то время как для формирования
изображений элементов схем, размеры которых не превышают
100 нм, обычно применяется фотолитография высокого разре-
шения, описанная раньше, в исследовательских работах для пе-
реноса рисунка чаще всего используется электронно-лучевая ли-
тография, иногда называемая e-beam литографией.
Электронно-лучевая литография, разработанная в 1950—
1960-х годах и позиционировавшаяся как метод переноса изоб-
ражений с экстра разрешением, до сих остается основной техно-
логией, применяемой при изготовлении наноструктур. Концеп-
туальная простота этого метода в сочетании с чрезвычайно вы-
соким разрешением делают его фаворитом разработчиков во
всем мире. Электронно-лучевая литография напрямую связана
со сканирующей электронной микроскопией (SEM). Поэтому
аппаратные части литографических установок данного типа и
сканирующих электронных микроскопов во многом совпадают.
Более того, практически любой микроскоп этого типа при по-
мощи несложных модификаций может быть превращен в лито-
графическую электронно-лучевую установку. Основное, что
Глава 1. От микроструктур к наноструктурам 35
надо для этого сделать, — это добавить к электронно-лучевой
колонне схему гашения луча, позволяющую «включать» и «вы-
ключать» луч, когда это необходимо. На рис. 1.10 показана элек-
тронно-лучевая литографическая установка, размещенная внут-
ри чистой комнаты.
Идея электронно-лучевой литографии достаточно проста: пу-
чок электронов, ускоренный примерно до 50 кэв, направляют на
резист, нанесенный на образец, укрепленный на платформе, рас-
положенной в вакуумной камере. Специальный резист реагиру-
ет на электронную бомбардировку одним из двух способов: По-
сле проведения процедуры проявления резист удаляется либо с
экспонированных участков, либо с мест, не подвергавшихся воз-
действию электронов. В первом случае резист называется пози-
тивным, во втором — негативным. Самым распространенным по-
зитивным резистом, используемым в электронно-лучевой лито-
графии, является полиметилметакрилат (PMMA). В ходе бомбар-
36 Глава 1. От микроструктур к наноструктурам
Рис. 1.10. Электронно-лучевая литографическая установка
внутри чистой комнаты
дировки электронами цепочки молекул РММА разбиваются на
короткие фрагменты. Этот процесс называется «разрывом цепо-
чек». При проявлении резиста более короткие цепочки растворя-
ются в органических растворителях гораздо легче, чем длинные.
В качестве проявителя часто используется метилизобутилкетон
(MIBK) (на практике его обычно разбавляют изопропиловым
спиртом). Но здесь следует отметить, что при очень высокой ин-
тенсивности электронной бомбардировки между цепочками мо-
лекул РММА могут образоваться перекрестные связи, превраща-
ющие резист в полимер с чрезвычайно большим молекулярным
весом, практически нерастворимый в органических растворите-
лях. Таким образом, при высоких дозах экспозиции РММА начи-
нает себя вести негативный резист. Однако поскольку РММА,
пронизанный перекрестными связями, загустевает при размеще-
нии в растворителе, что приводит к ухудшению разрешения фор-
мируемого изображения, он редко используется в качестве нега-
тивного резиста. До недавнего времени РММА считался позитив-
ным резистом, обеспечивающим самое высокое разрешение. Его
чувствительность зависит от распределения молекулярного веса:
если в образце преобладают молекулы с небольшим молекуляр-
ным весом, его чувствительность будет выше, чем в образцах с
большим молекулярным весом. РММА или другой резист нано-
сится на подложку методом центрифугирования, после чего про-
каливается при температуре приблизительно 90° для удаления
остатков растворителя. В ходе литографического процесса резист
подвергается воздействию не только падающего пучка электро-
нов, но также и электронов, выбиваемых из подложки. Чем выше
средний вес атомов материала подложки, тем больше экспозиция
за счет вторичной эмиссии электронов, что отрицательно сказы-
вается на разрешении. Очень близко расположенные элементы
изображений наиболее сильно страдают от такого «эффекта бли-
зости». Для снижения влияния этого эффекта на литографиче-
ские изображения разрабатываются как новые эксперименталь-
ные методы, так специальные алгоритмы корректировки интен-
сивности электронного пучка. Увеличение ускоряющего напря-
жения ведет к перемещению зоны максимального рассеяния в
глубь подложки, что уменьшает «эффект близости». Для сниже-
ния экспозиции, вызываемой вторичной эмиссией электронов,
применяют там, где это возможно, тонкие слои резиста и под-
ложки. Современные, реализованные по последнему слову техни-
Глава 1. От микроструктур к наноструктурам 37
ки, электронно-лучевые литографические установки способны
формировать структуры менее 10 нм в ширину и несколько мик-
ронов в длину на площади один квадратный мм. На рис. 1.11 по-
казана серийно выпускаемая литографическая установка данного
типа, способная непосредственно формировать изображения эле-
ментов уже, чем 10 нм.
Пучок электронов формирует на резисте изображение в виде
углубленного профиля. В этом заключается основное отличие
этого метода от фотолитографии. Углубленный профиль облег-
чает нанесение изображения на подложку в ходе аддитивных
пост-литографических процессов, например осаждения требуе-
мого материала через окна в резисте. Это и есть одно из важных
достоинств электронно-лучевой литографии, поскольку именно
оно и дает возможность формировать ультрамалые металличе-
38 Глава 1. От микроструктур к наноструктурам
Рис. 1.11. Электронно-лучевая литографическая установка вы-
сокого разрешения (С разрешения Raith GmbH)
ские структуры. С другой стороны, РММА не годится для ис-
пользования в субтрактивных методах нанесения изображений,
что связано с его ограниченной стойкостью в среде сухого трав-
ления. Полиакрилаты сильно страдают от воздействия реагентов
плазмы в ходе сухого травления. Как уже упоминалось ранее,
фоторезисты на базе фенолоформальдегидной смолы, в состав
которой входят ароматические углеводороды, гораздо более
устойчивы к плазме сухого травления. Присутствие кольцевых
ароматических групп придает таким резистам стойкость в среде
сухого травления, что делает возможным их применение как в
оптической, так и электронно-лучевой литографии. Другим
классом резистов, используемым в электронно-лучевой литогра-
фии, являются органо-кремниевые материалы на базе полисил-
сесквиоксана, например гидроген силсесквиоксан (HSQ). В от-
личие от акрилатных резистов, таких как РММА, HSQ является
негативным резистом. При воздействии электронного пучка и
последующей тепловой обработки, HSQ меняет свою структуру:
от простой цепочки ячеек до цепочки, пронизанной связями
Si-О. Полученный силикатный материал отличается прочностью
и устойчивостью ко многим химическим реагентам и, вследст-
вие этого, может использоваться как хорошая прочная маска.
Современные резисты на базе HSQ обеспечивают разрешение,
сравнимое с системами на РММА. Поскольку эти резисты также
обладают хорошей устойчивостью к реагентам сухого травления,
их сфера применения быстро расширяется, и за последние годы
они вытеснили традиционные акрилатные резисты из многих
технологий переноса изображений.
Следует отметить, что электронно-лучевая литография отлич-
но подходит для изготовления одного или нескольких опытных
образцов и совсем не годится для их массового производства. На-
ноимпритная литография (NIL), в основе которой лежит процесс
штамповки за счет контактного давления, является преемницей
электронно-лучевой литографии, но в отличие от нее пригодна
для серийных производств. Ее идея схожа с фотолитографией в
том, что оснастка для серийного переноса изображений изготав-
ливается при помощи электронно-лучевой литографии. Однако,
вместо формирования изображения на хроме, в технологии NIL
делается эталонный штамп, который переносит изображение тре-
буемой структуры в виде рельефа. После изготовления штампа,
удовлетворяющего всем техническим требованиям, он может
Глава 1. От микроструктур к наноструктурам 39
быть использован для серийной штамповки структур в специаль-
ном термопластике или термоотверждающейся смоле. Топогра-
фическое изображение, сформированное в резисте, может быть в
дальнейшем перенесено на подложку методом сухого травления.
Не будучи оптической технологией, в NIL при переносе изобра-
жения отсутствует операция какого-либо облучения, хотя в неко-
торых вариантах для обработки резиста используется УФ-излуче-
ние. Было показано, что наноимпритная литография способна
обеспечивать разрешение гораздо меньше 100 нм, что делает ее
основным кандидатом для использования в серийном производ-
стве разнообразных наноструктур в ближайшем будущем. Суще-
ствует несколько вариантов NIL. В одном из них штамп, изготов-
ленный из твердых материалов, таких как технический алмаз,
кварц или карбид кремния, вдавливается в резист, нанесенный на
подложку. Под действием тепла и давления в резисте формирует-
ся инверсное изображение NIL штампа. В другом варианте
штамп изготавливается из материала, прозрачного для УФ излу-
чения, например из кварца. А в качестве резиста, покрывающего
подложку, используется материал, реагирующий на УФ излуче-
ние. После вдавливания штампа в резист вся конструкция под-
вергается воздействию УФ излучения. Пройдя через штамп, УФ
лучи превращают резист в очень твердый, пронизанный перекре-
стными связями полимер. Во всех NIL процессах сначала в спе-
циальных резистах создаются требуемые рельефные изображения,
которые затем методом сухого травления либо переносятся на
подложку, либо на твердую маску.
Другим способом оптической литографии является интерфе-
ренционная литография, применяемая в основном для воспро-
изведения строго периодических изображений. Здесь идея за-
ключается в формировании периодического изображения элект-
ромагнитных стоячих волн, создаваемого двумя когерентными
световыми лучами, чаще всего лазерными, интерферирующими
друг с другом. Когерентность лучей обеспечивает формирование
устойчивой интерференционной картинки. При формировании
изображения на фоточувствительном резисте оно записывается в
нем в виде реального образа. После проявления этот образ мо-
жет быть перенесен на подложку, для чего, как правило, исполь-
зуется метод сухого травления.