Технологические проблемы электроники. Проблемы литографии, методы МЛЭ (молекулярно-лучевая эпитаксия), туннельной и сканирующей микроскопии.

Литография (микроэлектроника) — планарная технология получения изображения элементов микросхемы на кристалле подложки при изготовлении полупроводниковых приборов, интегральных микросхем, а также некоторых сверхпроводниковых наноструктур.

Заключается в формировании в активночувствительном слое, нанесенном на поверхность подложки, рельефного рисунка и последующего травления этого рисунка на подложке:

· Фотолитография

· Ультрафиолетовая литография

· Рентгеновская литография

· Ионно-лучевая литография

· Электронная литография (электронно-лучевое экспонирование)

· Голографическая интерференционная литография

· Нанопечатная литография

В технологии изготовления интегральных микросхем очень важное место принадлежит маскам, обеспечивающим локальный характер напыления, легирования, травления, а в некоторых случаях и эпитаксии. Любая маска есть совокупность отверстий (окон) в слое сплошного материала. Формированием масок в планарной технологии занимается литография.

Литография (от греческого lithos — «камень» и grapho— «пишу», «рисую») — способ формирования рельефа (рисунка) в слое металла, диэлектрика или полупроводника. Процесс литографии осуществляется с использованием специальных материалов - резистов, чувствительных к внешнему облучению и способных при этом переходить в нерастворимое устойчивое к действию травителей состояние (негативные резисты) или, наоборот, разрушаться (позитивные резисты). Основная характеристика процесса литографии - разрешающая способность, то есть способность раздельно воспроизводить мелкие элементы рисунка.

Обычно разрешающая способность оценивается по минимальной ширине воспроизводимой линии и определяется преимущественно способом экспонирования резиста и длиной волны воздействующего на него излучения. Теоретики говорят, что предел раз- решающей способности - половина длины волны экспонирующего излучения. Всему виной - дифракция света. Практика подтверждает эти теоретические предпосылки. По мере увеличения требований к уровню разрешения литографического процесса длина волны используемого излучения становится все меньше.

Оптическая литография или фотолитография обычно использует излучение с длиной волны λ = 0, 36-0, 45 мкм. Если поделить пополам это значение, получим теоретически возможное разрешение рисунка микросхемы. На практике оно будет несколько хуже (1-2 мкм). Такой уровень разрешающей способности достаточен для получения большей части современных печатных плат (носителей микросхем), но уже недостаточен для большинства современных интегральных микросхем.

Маленький шажок вперед позволило сделать использование глубокого ультрафиолетового излучения (λ = 0, 2- 0, 3 мкм). Появилась возможность воспроизводить элементы с размерами 0, 5 - 0, 8 мкм и менее. Большой шаг вперед позволило сделать использование иных, более коротковолновых излучений (рентгенолитография, электронолитография). Рентгенолитография (λ = 0, 2 - 10 нм) — один из наиболее высокоразрешающих методов литографии. Она позволяет получить рисунок с размерами элементов 0, 1 мкм и менее.

Электронная литография обладает наиболее высокой разрешающей способностью. Дебройлевская длина волны электрона (электрон - это еще и - 7 - волна) менее 0, 1 нм. И эффекты дифракции, ограничивающие разрешающую способность электронной литографии, очень малы. Но имеются и другие осложняющие факторы, например, рассеяние электронов в слое резиста, их отражение от подложки, поэтому реально достижимый уровень разрешения хуже. Наибольшее практическое значение получила сканирующая электронная литография. Ее основное достоинство — отсутствие специальных шаблонов для создания требуемой топологии интегральных схем.

В большинстве случаев литография проводится по какому-либо технологическому слою, нанесенному на поверхность полупроводниковой пластины. В качестве такого слоя может использоваться пленка SiO2 или Si3N4, пленка металла, поликремния и др. Проводя литографию по слою диэлектрика (SiO2, Si3N4) формируют конфигурацию маски для локального внедрения легирующей примеси, подзатворного диэлектрика в МДП транзисторах, литография по металлу позволяет формировать топологию токоведущих дорожек, контактных площадок, тонкопленочных резисторов и других элементов ИМС.

Процессы литографии можно разделить на три этапа, каждый из которых включает ряд последовательно выполняемых операций (рис. 2). - 9

- Этап 1. Формирование сплошного равномерного слоя резиста на поверхности подложки. Этап включает следующие операции:

а) подготовка поверхности подложки;

б) нанесение слоя резиста;

в) термическая сушка резиста.

Этап 2. Создание рельефной структуры (маски) резиста. Операции этапа:

а) экспонирование резиста;

б) проявление резиста;

в) термическая сушка (задубливание) резиста.

Этап 3. Перенос рельефа резиста на технологический слой, имеющийся на подложке. Операции этапа:

а) травление технологического слоя;

б) удаление резистивной маски;

в) очистка поверхности подложки.

Теоретические основы выполнения этих этапов включают три основных раздела:

1) прикладную оптику, формирующую заданное изображение в резистивном слое;

2) прикладную фотохимию, определяющую закономерности поведения резиста в различных ситуациях;

3) прикладную теорию травления (растворимости или распыления) различных материалов в жидкостных и плазмохимических средах.

В зависимости от длины волны применяемого при экспонировании излучения различают оптическую, рентгеновскую, электронную или ионную литографию.

Молекулярно-лучевая эпитаксия- или молекулярно-пучковая эпитаксия – технологический процесс эпитаксиального выращивания слоев, КР которых повторяет решетку подложки. С помощью МЛЭ выращивают гетероструктуры заданной толщины с моноатомногладкими гетерограницами и с заданным профилем легирования.

Эпитаксия – это один из важнейших технологических процессов при создании микро- и наноструктур. Если подложка и выращенный слой состоят из одного вещества, то такой процесс называется автоэпитаксией или гомоэпитаксией. Особенность гомоэпитаксии проявляется в том, что КР подложки и растущего слоя практически не различаются между собой. Гетероэпитаксионный процесс происходит при выращивании слоев из различных веществ.

МЛЭ основана на процессе взаимодействия нескольких молекулярных пучков с нагретой монокристаллической решеткой и последующего осаждения на ней элементарных компонентов.

Формирование эпитакс. слоев происходит прцесс управляемого испарения вещества из одного или из нескольких источников, создающих молекулярные пучки, в условиях сверхвысокой вакуума.

Метод МЛЭ позволяет использовать при выращивании различных способов маскирования, получать эпитакс. слои элементарных п/п, п/п-ых соединений, металлов и диэлектриков, гетеростуркуры с высоким качеством границ между слоев.

СТМ - литография предъявляет особые требования к качеству пленки резиста с точки зрения ее однородности и постоянства толщины. Традиционные полимеры вследствие большой степени полимеризации при создании особо тонких пленок требует специальных методов их нанесения, чтобы полимерные молекулы располагались вдоль поверхности. Высокая степень полимеризации служит препятствием солюдения постоянства толщины пленок. В этом отношении для литографии с помощью СИМ хорошо бы подошли ленгмюровские ленки, сли среди них обнаружатся негативные и позитивные резисты. Ленгмюровские пленки представляют собой асимметрич-х линейных молекул, которые выстраиватся паралелльно лруг лругу и вертикально от отношению к поверхности.

Основное ограничение- эффекты пространственного заряда и аберрации линз, а также рассеяние электронов в резистеи подложки. (это ЭЛЛ) но СТМ лишена этого.

Недостатки: