Изобретение относится к области микролитографии, в частности фотолитографии, и может быть промышленно реализовано, например, при изготовлении интегральных схем, бинарных голограмм или структур со сформированным по заданной программе рельефом с субмикронным разрешением.
Создание интегральных схем с характерным размером элементов 0.1-0.01 мкм является важнейшим перспективным направлением развития современной микроэлектроники. Технология высокоточного (с субмикронными и микронными допусками) изготовления прецизионных форм с трехмерным рельефом может быть промышленно использована, например, при создании массовой технологии изготовления деталей микророботов, высокоразрешающих элементов дифракционной и френелевской оптики, а также в других областях техники, где тоже необходимо получение в функциональном слое изделия трехмерного рисунка заданной глубины с высоким разрешением его структур, например при создании печатных форм для изготовления денежных знаков и иных ценных бумаг.
От разрешающей способности процесса микролитографии, определяющей уровень развития большинства отраслей современной науки и техники, в решающей степени зависит дальнейшее развитие современной микроэлектроники. Микролитография включает нанесение на поверхность твердого тела (обычно подложки из полупроводникового материала) слоя материала, чувствительного к воздействию используемого потока излучения, в том числе электронных пучков, в качестве которого наиболее часто используется слой фоторезиста. Экспонирование фоторезиста через фотошаблон, обычно называемый маской, позволяет создать на фоторезисте рисунок, соответствующий заданной топологии, например топологии слоя создаваемой интегральной схемы.
Точность позиционирования лучших проекционных сканирующих систем (степперов), производимых мировым лидером в этой области технологического оборудования для микроэлектроники - голландской фирмой ASM-Lithography, достигает 80 нм, что явно не достаточно для создания СБИС с характерным размером элементов 20-30 нм. Отставание возможностей степперов от нужд промышленности естественно, т.к. разработка степпера для субмикронных технологий требует трех-пяти лет, а стоимость его при серийном выпуске составляет 10-15 миллионов долларов, не говоря уж о стоимости разработки, составляющей сотни миллионов долларов.
В настоящее время в промышленности наиболее распространена фотомикролитография (или фотолитография). Обеспечиваемое ею разрешение Δх определяется длиной волны λ используемого излучения и числовой апертурой А проекционной системы Δx=k1λ/2A. Такая зависимость естественно стимулировала у разработчиков стремление к использованию все более коротковолновых источников излучения и все более широкоапертурных проекционных систем. В результате за последние 40 лет в промышленной проекционной фотолитографии произошел переход от ртутных ламп с характерной длиной волны 330-400 нм к эксимерным лазерам с длиной волны 193 и даже 157 нм. Проекционные объективы современных степперов достигли диаметра 600-700 мм, что и обусловливает быстрый рост стоимости степперов.
К сожалению, за увеличение разрешения приходится расплачиваться еще и резким уменьшением глубины фокусировки ΔF, т.к. ΔF=k2λА2, что приводит к уменьшению производительности и радикальному усложнению системы фокусировки гигантских проекционных объективов, а значит, опять-таки к росту стоимости степперов. К тому же краевые эффекты ограничивают возможность использования апертуры такого объектива при работе с предельным разрешением, обеспечиваемым объективом.
В процессе развития проекционной фотолитографии минимальный размер проецируемых деталей уменьшался в среднем на 30% каждые 2 года, что позволяло каждые 18 месяцев удваивать число транзисторов на интегральных схемах (закон Мура). В настоящее время в промышленности используется "0.13-микронная технология", позволяющая печатать детали с разрешением 100 нм, в то время как следующим рубежом, по мнению экспертов, является создание проекционных систем и источников излучения, обеспечивающих уверенное разрешение на уровне 20-30 нм. Это потребует перехода к источникам экстремального ультрафиолета (EUV-источникам) или даже перехода к мягкому рентгеновскому излучению. В настоящее время интенсивно ведутся эксперименты с микролитографией на λ=13,4 нм. Первая такая установка, как сообщалось на форуме разработчиков компании INTEL (ведущего мирового производителя СБИС), была создана и в 2002 году на ней были получены транзисторы с характерным размером 50 нм. Однако стоимость такого степпера даже при серийном производстве будет достигать, по оценке экспертов, 60 миллионов долларов, а для отладки технологии серийного производства микропроцессоров с характерным размеров элементов на уровне 30 нм потребуется по самым оптимистическим оценкам 5-7 лет.
Одним из наиболее существенных ограничений применения фотолитографии является ограничение, связанное с дифракцией от краев маски (дифракция от краев экрана), используемой для получения желаемого проекционного изображения на поверхности фоторезиста. Это явление по мере увеличения монохроматичности используемого излучения приводит ко все более заметному ухудшению качества получаемого изображения вследствие появления дифракционных максимумов, располагающихся на расстояниях порядка λ от центра проектируемой линии. Если учесть, что в настоящее время ведущими производителями используется лазерное излучение с длиной волны λ=193 нм и даже (в экспериментах!) еще меньшей, то становится очевидным, насколько существенным может быть ограничение по разрешению, вносимое дифракцией на краю маски.
Таким образом, существующие проекционные устройства для создания изображения на светочувствительном слое имеют ряд существенных недостатков:
1) принципиальные трудности совмещения в одном устройстве высокого разрешения и большой глубины резкости;
2) существенное усложнение конструкции и технологии проецирующего устройства при уменьшении длины волны излучения, используемого при проецировании изображения на фоторезист;
3) радикальное усложнение оптической системы и технологии изготовления проецируемого объекта - маски по мере уменьшения длины волны, используемой при проецировании;
4) резкое удорожание технологии и оборудования по мере роста степени интеграции производимой продукции;
5) чрезвычайно низкая технологическая гибкость производственного процесса и очень высокая стоимость его перестройки;
6) принципиальная невозможность создания диверсифицированного производства, т.е. производства различных интегральных схем на одной подложке в едином технологическом процессе.
Известен способ получения изображения на чувствительном к используемому излучению материале, в котором создают на поверхности чувствительного к используемому излучению материала пятна засветки, при этом получаемое изображение представляет собой множество суммарных областей перекрытия двух или более пятен засветки, причем каждое пятно засветки обеспечивает получение чувствительным материалом дозы излучения меньше Епор, где Епор - пороговое значение дозы излучения, соответствующее порогу чувствительности чувствительного к используемому излучению материала, а доза излучения, которую получает чувствительный к используемому излучению материал в каждой суммарной области перекрытия пятен засветки, равна или превышает Епор (US 6586169 А, опубл. 01.07.2003).
Однако известный способ получения изображения на чувствительном к используемому излучению материале не обеспечивает получение ысокого разрешения изображения, в первую очередь, ввиду отсутствия достаточно точных методов позиционирования, которые могли бы обеспечить, как и в нашем случае, перекрытие на площадке вплоть до характерного размера площади перекрытия, равной площади, занимаемой даже одной молекулой реагирующего фоторезиста, т.к. дискрет нашего смещения достигает 10-2 нм. Кроме того, в соответствии с используемой оптической схемой авторы указанного патента ограничены по минимальному размеру области перекрытия величиной порядка половины длины волны излучения, используемого для создания пятен засветки, и не могут вообще использовать источники коротковолнового УФ и мягкого рентгеновского излучения, не говоря уж о пучках корпускулярных частиц. Авторами также не учтено и влияние распределения интенсивности в пятнах засветки, которое скорее всего будет описываться функциями Бесселя или (в лучшем случае) Гаусса и приведет к существенному искажения изображений, получаемых на фоторезисте, при отсутствии специальных мер по коррекции получаемого изображения с помощью достаточно точного позиционирования пятен засветки относительно друг друга при их совмещении на расстояниях 1<λ, т.к. в предлагаемом авторами устройстве такая возможность просто отсутствует.
Известен способ получения бинарной голограммы, в котором создают множество областей пропускания в пленке непрозрачного для используемого излучения материала в соответствии с их заранее заданным или рассчитанным положением таким образом, чтобы при освещении полученного множества областей пропускания голографическое изображение формировалось на заданном расстоянии от них (Л.М.Сороко "Основы голографии и когерентной оптики", М., Наука, 1971 г., с.420-434). В указанной монографии рассмотрена возможность получения "численной голограммы", называемой также синтетической, искусственной или бинарной голограммой, и изложена теория, отличающаяся лаконичностью и ясностью математического описания. Однако известный способ получения бинарных голограмм, при котором изображение областей пропускания получают, например, графически, и фотографируют со значительным уменьшением, не позволяет получить достаточно высокое качество изображения и высокое разрешение, прежде всего, за счет недостаточной точности изготовления и недостаточно большого количества используемых областей пропускания.
Известен способ получения изображения на чувствительном к используемому излучению материале с использованием голограммы, в котором формируют на поверхности чувствительного к используемому излучению материала пятна засветки путем получения на его поверхности изображения, по крайней мере, одной голограммы, установленной перед чувствительным к используемому излучению материалом (GB 1331076 А, опубл. 19.09.1973). Однако известный способ получения изображения на чувствительном к используемому излучению материале с использованием голограммы не позволяет получить высокое качество изображения из-за взаимного перекрытия множества порядков дифракции и высокое разрешение из-за невозможности применения коротковолновых источников излучения. Более того, главной задачей авторов этого патента являлось обеспечение эффективного контроля визуально контролируемых меток.
Техническим результатом, который может быть получен при осуществлении предлагаемого изобретения, является принципиальное упрощение технологического процесса создания высокоразрешающих изображений на чувствительном к используемому излучению материале с высоким разрешением, а так же значительное повышение разрешения при формировании получаемого изображения.
При этом применение управляемого лазерного пучка (пучков) или пучка (пучков) корпускулярных частиц и высокоточного позиционирования в соответствии с предлагаемой технологией позволяют получить на чувствительном к используемому излучению материале изображения, размеры которых могут быть сравнимы с размерами молекулы чувствительного к используемому излучению материала, участвующей в соответствующей фотохимической реакции или ином процессе обработки, позволяющей зафиксировать такое изображение, что обеспечивает возможность получения бинарных голограмм, создающих изображение высокого качества. Кроме того, предлагаемая технология позволяет регулировать размер областей пропускания бинарных голограмм, что дает дополнительный инструмент управления амплитудой элементарных дифрагирующих волн и создает дополнительную возможность улучшения качества изображения. При этом разрешающая способность синтезированных бинарных голограмм полностью соответствует классической теории дифракции: угловой диаметр имеет величину порядка отношения длины волны освещающего света или монокинетичного корпускулярного пучка к полному размеру голограммы, и, следовательно, она может быть выше, чем у традиционных оптических элементов.
Таким образом обеспечивается возможность использовать получаемые бинарные голограммы для создания изображений на чувствительном к используемому излучению материале, что обеспечивает отсутствие каких бы то ни было фокусирующих или иных традиционных оптических элементов преобразования волновых фронтов, так как используется только пленка с отверстиями необходимого размера, расположенными таким образом, чтобы восстановить голографическое изображение на подложке, покрытой слоем материала, чувствительного к используемому типу излучения, и источник соответствующего когерентного излучения или монокинетичного пучка корпускулярных частиц. При этом количество информации, содержащейся в голограмме и в создаваемом при восстановлении голограммы изображении, совпадает, что позволяет заранее рассчитать необходимые размеры голограммы, ее структуру и время ее изготовления.
В связи с этим трудоемкость создания высокоразрешающих изображений с помощью предлагаемой технологии будет на порядки меньше, чем при использовании любых существующих типов литографии.
Указанный технический результат достигается за счет того, что в способе получения изображения на чувствительном к используемому излучению материале, в котором создают на поверхности чувствительного к используемому излучению материала пятна засветки, при этом получаемое изображение представляет собой множество суммарных областей перекрытия двух или более пятен засветки, причем каждое пятно засветки обеспечивает получение чувствительным материалом дозы излучения меньше Епор, где Епор - пороговое значение дозы излучения, соответствующее порогу чувствительности чувствительного к используемому излучению материала, а доза излучения, которую получает чувствительный к используемому излучению материал в каждой суммарной области перекрытия пятен засветки, равна или превышает Епор, пятна засветки получают с помощью расположенной перед поверхностью чувствительного к используемому излучению материала двумерной матрицы излучателей, каждый из которых выполнен с возможностью управления интенсивностью выходящего из него излучения и содержит по крайней мере один элемент, например оптический, для формирования потока излучения с заданными размерами и формой его поперечного сечения, взаимосвязанный, например оптически соединенный, с источником излучения, причем при получении каждой из суммарных областей перекрытия пятен засветки перед экспонированием по крайней мере одного пятна засветки из образующих данную суммарную зону перекрытия пятен засветки осуществляют перемещение матрицы излучателей или/и чувствительного к используемому излучению материала в плоскости, параллельной поверхности чувствительного к используемому излучению материала, в одном направлении или в двух взаимно перпендикулярных направлениях на расстояние, не превышающее d, где d - максимальный характерный размер используемых пятен засветки, образующих данную суммарную область перекрытия, изменяя характерный размер области перекрытия в указанных направлениях с дискретом, определяемым шагом перемещения, который выбирают из диапазона от 0,01 нм до d в зависимости от заданного размера данной суммарной области перекрытия.
Кроме того, указанный технический результат достигается за счет того, что в первом варианте способа получения бинарной голограммы, в котором в пленке материала, непрозрачного для излучения, используемого для восстановления изображения, получают множество областей пропускания в соответствии с их заданными или рассчитанными размерами и положением, предварительно получают на чувствительном к используемому излучению материале, располагаемом на пленке непрозрачного материала, изображение указанного множества областей пропускания, изображение каждой из которых выполняют путем формирования суммарной зоны перекрытия пятен засветки, каждое из которых обеспечивает получение чувствительным материалом дозы излучения меньше Епор, где Епор - пороговое значение дозы излучения, соответствующее порогу чувствительности чувствительного к используемому излучению материала, а доза излучения, которую получает чувствительный к используемому излучению материал в каждой суммарной области перекрытия пятен засветки, равна или превышает Епор, при этом пятна засветки получают с помощью расположенной перед поверхностью чувствительного к используемому излучению материала двумерной матрицы излучателей, каждый из которых выполнен с возможностью управления интенсивностью выходящего из него излучения и содержит, по крайней мере, один элемент, например оптический, для формирования потока излучения с заданными размерами и формой его поперечного сечения, взаимосвязанный, например оптически соединенный, с источником излучения, причем при получении каждой из суммарных областей перекрытия пятен засветки, перед экспонированием по крайней мере одного пятна засветки из образующих данную суммарную зону перекрытия пятен засветки осуществляют перемещение матрицы излучателей или/и чувствительного к используемому излучению материала в плоскости, параллельной поверхности чувствительного к используемому излучению материала, в одном направлении или в двух взаимно перпендикулярных направлениях на расстояние, не превышающее d, где d - максимальный характерный размер используемых пятен засветки, образующих данную суммарную область перекрытия, изменяя характерный размер области перекрытия в указанных направлениях с дискретом, определяемым шагом перемещения, который выбирают из диапазона от 0,01 нм до d в зависимости от заданного размера данной суммарной области перекрытия, после чего с помощью соответствующей обработки, например фотолитографии и последующего травления, формируют в пленке непрозрачного для используемого излучения материала указанное множество областей пропускания.
При этом как в способе получения изображения на чувствительном к используемому излучению материале, так и в первом варианте способа получения бинарной голограммы при формировании каждой суммарной области перекрытия величина дозы излучения, получаемая при первичной экспозиции чувствительным к используемому излучению материалом с помощью первого из пятен засветки, образующих данную суммарную область перекрытия, может составлять от 1/n до 0,95 Епор, где n - число повторных экспозиций при формировании суммарной области перекрытия, причем число повторных экспозиций, позволяющих уменьшить характерный размер D суммарной области перекрытия, может определяться в зависимости от требуемого разрешения δ на получаемом изображении.
Кроме того, при формировании каждой суммарной области перекрытия величину дозы излучения, получаемой чувствительным к используемому излучению материалом с помощью одного из пятен засветки, образующих данную суммарную область перекрытия, можно выбирать таким образом, чтобы величина дозы излучения, получаемой чувствительным к используемому излучению материалом при формировании по крайней мере одного последующего пятна засветки, обеспечивала получение такого соотношения длительности импульса излучения и средней скорости относительного перемещения излучателей и чувствительного к используемому излучению материала, которое обеспечивает возможность использования непрерывного относительного пошагового перемещения излучателей и чувствительного к используемому излучению материала, причем допустимое увеличение ΔD характерного размера D суммарной области перекрытия за счет перемещения во время действия экспонирующего импульса излучения не превышает заранее заданной величины, например ΔD≤10-2 D.
При этом при формировании по крайней мере одной суммарной области перекрытия шаг перемещении может быть выбран в зависимости от формы и вида распределения интенсивности в по крайней мере одном из пятен засветки, образующих данную суммарную область перекрытия. Это позволяет использовать отдельные участки пятен засветки, соответствующие определенному участку кривой распределения интенсивности.
С другой стороны, при формировании по крайней мере одной суммарной области перекрытия распределение интенсивности в по крайней мере одном из пятен засветки может быть сформировано в зависимости от заданного размера данной суммарной области перекрытия, ее расположения на поверхности чувствительного к используемому излучению материала и расстояния до по крайней мере одной соседней суммарной области перекрытия.
Причем распределение интенсивности в по крайней мере одном из пятен засветки может описываться, например, распределениями Гаусса или Бесселя, или быть однородным.
Как в предлагаемом способе получения изображения на чувствительном к используемому излучению материале, так и в первом варианте способа получения бинарной голограммы минимальный размер по крайней мере одной суммарной области перекрытия может не превышать величины, обратной разрешающей способности чувствительного к используемому излучению материала или даже максимального размера молекулы чувствительного к используемому излучению материала, участвующей в фотохимической реакции.
При этом требуемые размеры пятен засветки на поверхности чувствительного к используемому излучению материала могут быть обеспечены не только за счет изготовления излучателей, имеющих на выходе поток излучения (корпускулярных частиц) заданного размера, но и за счет установки матрицы излучателей на заданном расстоянии S от поверхности чувствительного к используемому излучению материала путем пошагового перемещения излучателей и/или чувствительного к используемому излучению материала в направлении, перпендикулярном поверхности чувствительного к используемому излучению материала с шагом, обеспечивающим изменение характерного размера пятна засветки на величину, не превышающую заранее заданной величины, с минимальным дискретом до 0,01 нм.
Кроме того, в предлагаемых способе получения изображения на чувствительном к используемому излучению материале и в первом варианте способа получения бинарной голограммы при получении максимального размера по крайней мере одной суммарной области перекрытия не более половины длины волны используемого излучения используют преимущества работы в ближнем поле, для чего используют матрицу излучателей, на выходе каждого из которых диаметр потока излучения d1 составляет от 10 до 100 нм, а расстояние s между матрицей излучателей и чувствительным к используемому излучению материалом составляет от 5 нм до d1. При этом в качестве матрицы излучателей можно использовать, например, соединенную с по крайней мере одним источником излучения матрицу ближнеполевых световодов, выполненных в виде оптоволоконных световодов с утоненными концами, на которые нанесено покрытие, отражающее проходящее излучение, и которые направлены в сторону чувствительного к используемому излучению материала. Кроме того, в качестве матрицы излучателей можно использовать соединенную с по крайней мере одним источником излучения матрицу световодов, выполненных в виде микроконусов из полупроводникового материала, прозрачного для используемого излучения, причем на микроконусы нанесено покрытие, отражающее проходящее излучение.
В том случае, когда при получении максимального размера по крайней мере одной суммарной области перекрытия не более половины длины волны используемого излучения используют матрицу излучателей, у которых диаметр потока излучения на выходе превышает величину, обеспечивающую использование ближнеполевого эффекта, дополнительно вводят расположенную между матрицей излучателей и чувствительным к используемому излучению материалом матрицу диафрагм, каждая из которых расположена соосно с соответствующим ей излучателем и формирует диаметр потока излучения d1 на выходе каждой диафрагмы от 10 до 100 нм, а расстояние s между матрицей диафрагм и чувствительным к используемому излучению материалом составляет от 5 нм до d1. При этом в качестве матрицы излучателей можно, например, использовать соединенную с по крайней мере одним источником излучения матрицу световодов, у каждого из которых диаметр конца, направленного в сторону чувствительного к используемому излучению материала, имеет размер, превышающий d1, и при этом диаметр потока излучения, падающего на вход соответствующей диафрагмы, не превышает удвоенного расстояния от центра данной диафрагмы до края любой соседней диафрагмы.
Кроме того, в первом варианте способа получения бинарной голограммы целесообразно, чтобы расположение множества областей пропускания в пленке непрозрачного материала соответствовало расположению по крайней мере части узлов сетки с квадратными ячейками. При этом расположение областей пропускания в пленке непрозрачного материала и расстояния между ними имеют размеры, позволяющие восстановить заданное изображение с требуемым разрешением, которое может составлять от 5 до 100 нм.
Технический результат достигается так же за счет того, что во втором варианте способа получения бинарной голограммы, в котором в пленке материала, непрозрачного для излучения, используемого для восстановления изображения, получают множество областей пропускания в соответствии с их заданными или рассчитанными размерами и положением, области пропускания формируют в пленке непрозрачного материала путем воздействия на указанную пленку пучков корпускулярных частиц, получаемых с помощью матрицы излучателей, выполненных в виде источников пучков корпускулярных частиц с возможностью управления интенсивностью выходящих из них пучков корпускулярных частиц, при этом получают указанное множество областей пропускания путем пошагового перемещения матрицы источников пучков корпускулярных частиц и/или пленки непрозрачного материала в плоскости, параллельной поверхности непрозрачного материала, в одном направлении или в двух взаимно перпендикулярных направлениях, а шаг перемещения выбирают из диапазона от 0,01 нм до d2, где d2 - максимальный характерный размер формируемых областей пропускания, в зависимости от заданного размера областей пропускания и их расположения на поверхности непрозрачного материала.
При этом в качестве матрицы источников пучков корпускулярных частиц можно использовать матрицу источников пучков заряженных корпускулярных частиц, например матрицу автоэмиссионных эмиттеров, которые соединены с по крайней мере одним источником тока, при этом матрицу располагают в магнитном поле, направленном вдоль продольной оси каждого источника пучков заряженных корпускулярных частиц, например вдоль продольной оси острия каждого из автоэмиссионных эмиттеров. Причем целесообразно, чтобы расположение множества областей пропускания в пленке непрозрачного материала соответствовало расположению по крайней мере части узлов сетки с квадратными ячейками. При этом расположение областей пропускания в пленке непрозрачного материала и расстояния между ними имеют размеры, позволяющие восстановить заданное изображение с требуемым разрешением, которое может составлять от 5 до 100 нм.
Кроме того, технический результат достигается за счет того, что в способе получения изображения на чувствительном к используемому излучению материале с использованием голограммы, в котором формируют на поверхности чувствительного к используемому излучению материала голографическое изображение с помощью по крайней мере одной голограммы, установленной перед чувствительным к используемому излучению материалом, в качестве по крайней мере одной голограммы используют бинарную голограмму, полученную в соответствии с первым или вторым вариантом способа получения бинарной голограммы, включая возможные частные случаи выполнения указанных способов, указанные выше. При этом бинарную голограмму располагают с возможностью пошагового перемещения в направлении, перпендикулярном поверхности чувствительного к используемому излучению материала, при этом шаг перемещения выбирают из диапазона от 0,01 нм до Δs, где Δs - величина изменения расстояния между чувствительным к используемому излучению материалом и бинарной голограммой, при котором разрешение формируемого голограммой изображения уменьшается на 20%, в зависимости от заданной точности совмещения формируемого голограммой изображения с поверхностью чувствительного к используемому излучению материала, определяемой заданной величиной разрешения в создаваемом на чувствительном к используемому излучению материале изображении.
При этом в том случае, когда на подложке предполагается получить большое число элементарных изображений, то возможно использовать количество бинарных голограмм, равное количеству элементарных изображений, получаемых на чувствительном к используемому излучению материале, например количеству элементов одного из слоев интегральной микросхемы, при этом бинарные голограммы располагают в виде по крайней мере одной строки, на чувствительном к используемому излучению материале формируют элементарные изображения, каждое из которых образовано излучением одного из первых порядков дифракции, полученных в результате дифракции излучения на соответствующей бинарной голограмме, а между бинарными голограммами устанавливают непрозрачные экраны с возможностью экранирования изображений, формируемых излучением остальных порядков дифракции.
Кроме того, возможно получать на поверхности чувствительного к используемому излучению материала голографическое изображение, представляющее собой множество дискретных пятен засветки, причем каждое пятно засветки обеспечивает получение чувствительным материалом дозы излучения меньше Епор, где Епор - пороговое значение дозы излучения, соответствующее порогу чувствительности чувствительного к используемому излучению материала, после чего по крайней мере один раз дополнительно осуществляют перемещение голограммы или/и чувствительного к используемому излучению материала в плоскости, параллельной поверхности чувствительного к используемому излучению материала, в одном направлении или в двух взаимно перпендикулярных направлениях на расстояние, не превышающее d3, где d3 - максимальный характерный размер получаемых пятен засветки, образуя суммарные области перекрытия пятен засветки, в которых доза излучения, которую получает чувствительный к используемому излучению материал, равна или превышает Епор, при этом при перемещении голограммы или/и чувствительного к используемому излучению материала изменяют характерный размер области перекрытия в указанных направлениях с дискретом, определяемым шагом перемещения, который выбирают из диапазона от 0,01 нм до d3 в зависимости от заданного размера данной суммарной области перекрытия.
На фиг.1 представлен вариант выполнения устройства для получения изображения на чувствительном к используемому излучению материале с матрицей, выполненной из световодов в виде микроконусов.
На фиг.2 представлен вариант выполнения устройства для получения изображения на чувствительном к используемому излучению материале с матрицей, выполненной из автоэмиссионных эмиттеров.
На фиг.3 показан пример выполнения областей перекрытия пятен засветки.
На фиг.4 и 5 приведены кривые равной экспозиции через каждые 10% от максимума для изображения 3×5 точек, когда распределение интенсивности в пятне засветки описывается распределениями соответственно Гаусса и Бесселя.
На фиг.6 схематично показано экранирование высших порядков дифракции при получении изображения с помощью бинарной голограммы.
На фиг.7 приведена примерная схема расположения порядков дифракции на подложке, на которой создается изображение.
На фиг.8 схематично показано возможное расположение нескольких голограмм и получаемых изображений.
Возможность осуществления предлагаемого способа получения изображения на чувствительном к используемому излучению материале способов получения бинарных голограмм обеспечивается за счет совместного использования суперпрецизионного магнитострикционного нанопозиционера (наностола), осуществляющего высокоточное позиционирование по крайней мере одного излучателя, создающего на чувствительном к используемому излучению материале, в качестве которого наиболее часто используется фоторезист, пятна засветки, заметно превышающие по характерному размеру, например по диаметру, величину достигаемого линейного разрешения, и фоторезиста, обладающего пороговым эффектом при превышении критической дозы. Достаточно четко выраженным пороговым эффектом по отношению к дозе падающего излучения обладают многие типы фоторезистов. Однако лучше всего этот эффект проявляется при использовании высококонтрастных позитивных фоторезистов типа UV5TM POSITIVE DUV, выпускаемый фирмой Shipley (USA).
Указанный эффект достигается за счет дву- или более кратного позиционирования пятен засветки на поверхности фоторезиста таким образом, что при первом позиционировании фоторезист получает дозу излучения меньше порогового значения дозы излучения Епор, а при втором или последующих позиционированиях пятно засветки, во-первых, сдвигается таким образом, чтобы размеры суммарной области перекрытия пятен засветки во время первого и всех последующих позиционирований равнялись величине желаемого разрешения, и, во-вторых, чтобы доза, сообщенная фоторезисту в суммарной области перекрытия, т.е. при всех последующих позиционированиях в области перекрытия, вместе с дозой, переданной фоторезисту при первичном позиционировании, превышала Епор для данного фоторезиста. Тогда характерный размер области, возникающей при последующей обработке фоторезиста, будет соответствовать заданному разрешению.
Для реализации способа получения изображения на чувствительном к используемому излучению материале и первого варианта способа получения бинарной голограммы могут быть использованы различные конструкции устройств, обеспечивающих заданную точность перемещения излучателей (пятен засветки) и/или чувствительного к используемому излучению материала в трех взаимно перпендикулярных направлениях и заданные размеры пятен засветки.
На фиг.1 показан один из предпочтительных вариантов выполнения устройства, которое может использоваться для реализации способа получения изображения на чувствительном к используемому излучению материале, например фоторезисте, и первого варианта способа получения бинарной голограммы. Устройство содержит подложку 1 с нанесенным на нее слоем фоторезиста 2 и матрицу излучателей 3, расположенную на планарном световоде 5 и установленную на схематически показанном на фиг.1 устройстве 4 для установки и перемещения этой матрицы. Представленная на фиг.1 в качестве примера матрица излучателей выполнена в виде матрицы световодов, соединенных с источником или источниками излучения (не показаны). Световоды выполнены в виде микроконусов из диэлектрического или полупроводникового материала, прозрачного для используемого излучения, которые покрыты отражающим это излучение покрытием, и по существу представляют собой ближнеполевые световоды. Они расположены на поверхности планарного световода 5, подводящего излучение к основаниям ближнеполевых световодов, которыми являются микроконусы.
На основании микроконусов могут быть расположены индивидуально управляемые устройства 6, выполненные, например, в виде затворов, регулирующих доступ излучения в микроконусы. Световоды могут быть так же выполнены в виде оптоволоконных световодов с утоненными концами, и в этом случае индивидуальные коммутирующие устройства (затворы) располагают между источником излучения и входом соответствующего световода.
Источники излучения могут быть выполнены в виде нанолазеров или светодиодов, генерирующих излучение заданной длины волны и расположенных в основании микроконусов. На фиг.1 в соответствии с одним из возможных предпочтительных выполнений системы приводов матрица излучателей 3 установлена с возможностью перемещения в трех взаимно перпендикулярных направлениях XYZ (на фиг.1 показаны стрелками). Величину шага перемещения при перемещении в плоскости XY, параллельной поверхности фоторезиста, выбирают из диапазона от 0,01 нм до d, где d - максимальный характерный размер используемых пятен засветки, образующих данную суммарную область перекрытия, в зависимости от заданного размера данной суммарной области перекрытия и ее расположения на поверхности чувствительного к используемому излучению материала.
При перемещении в направлении Z, перпендикулярном поверхности фоторезиста, величина шага определяется желаемым размером пятен засветки, т.е. желаемым диаметром пучков излучения 7, засвечивающих фоторезист 2, и точностью задания размера пятен засветки, зависящей от расстояния 8 между матрицей источников излучения и фоторезистом.
Кроме того, устройство может содержать, например, соединенную с по крайней мере одним источником излучения матрицу световодов и расположенную между ними и чувствительным к используемому излучению материалом матрицу диафрагм, каждая из которых расположена соосно с соответствующим ей световодом и формирует диаметр потока излучения d1 на выходе каждого из излучателей. По сути при таком исполнении матрица диафрагм, расположенная на расстоянии L≤d1 от поверхности фоторезиста, задает размер пятна засветки на его поверхности точно так же, как это бы делал ближнеполевой световод, но упрощает технологическое выполнение этого узла.
Для реализации второго варианта способа получения бинарной голограммы могут быть использованы различные конструкции устройств, обеспечивающих заданную точность перемещения матрицы источников пучков корпускулярных частиц и/или непрозрачного для используемого излучения материала в трех взаимно перпендикулярных направлениях и заданные размеры поперечного сечения.
На фиг.2 условно показан вариант выполнения устройства, которое может быть использовано для реализации второго варианта способа получения бинарной голограммы и в котором матрица излучателей 3 выполнена в виде матрицы источников пучков корпускулярных частиц, например в виде матрицы автоэмиссионных эмиттеров, расположенных на подложке 4 и эмитирующих электронные пучки 11 под воздействием вытягивающего поля диафрагм 12. В пленке 2 материала, непрозрачного для излучения, используемого для восстановления изображения, формируют области пропускания путем воздействия на указанную пленку пучков корпускулярных частиц 11, получаемых с помощью матрицы излучателей 3. При этом получают указанное множество областей пропускания путем пошагового перемещения матрицы источников пучков корпускулярных частиц и/или пленки непрозрачного материала в плоскости, параллельной поверхности непрозрачного материала, в одном направлении или в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Причем шаг перемещения выбирают из диапазона от 0,01 нм до d2, где d2 - максимальный характерный размер формируемых областей пропускания, в зависимости от заданного размера областей пропускания и их расположения на поверхности непрозрачного материала.
На фиг.3 показан возможный вариант получения областей перекрытия пятен засветки, имеющий вид регулярной сетки с квадратными ячейками, в узлах которой расположены суммарные области перекрытия пятен засветки.
Следует отметить, что хотя распределение интенсивности в пределах пятна засветки может быть получено относительно однородным, однако реальное распределение интенсивности в пределах пятна засветки, как правило, не имеет резких границ. При условии предельной минимизации размеров изображения точки оно может быть приближенно описано распределениями Бесселя или Гаусса для электронного и светового пучков или принято в первом приближении однородным. В результате проведенного моделирования сетки, возникающей при наложении источников с указанными распределениями интенсивности, было установлено, что и в этих случаях может быть получена регулярная сетка. На фиг.4 и 5 проведены кривые равной экспозиции через каждые 10% от максимума для случая, когда имеется изображение 3×5 точек. Расстояние между ними всего на 30% превышает предельно малое в соответствии с определением критерия разрешения по Рэлею. Для гауссовой функции, не имеющей побочных максимумов, образование фигур, близких по форме к полученным с пучками, имеющими резкие границы, очевидно. Для бесселевой функции требуется более точный выбор экспозиции. Видно, что из-за обрезания квадратной сетки источников при моделировании сказывается влияние побочных максимумов, из-за чего в нашем примере несколько нарушена симметрия. Это вызвано только тем, что в проведенном нами расчете взято относительно малое число точек (по одной оси взято 5 точек, по второй - 3). Полученное изображение просто демонстрирует, что для бесселевской функции далекие крылья играют заметную роль, однако достаточно уйти на ˜1,5 рэлеевских разрешений и все влияние пропадает. Приведенные примеры показывают необходимость точного учета формы распределения при проведении предварительных расчетов, прецизионного подбора расстояния между источниками и облучаемым материалом и регулировки экспозиции с точностью не хуже 5-10%. Они показывают также, что конфигурация областей равной экспозиции зависит от формы пространственного распределения интенсивности излучения в пучках. Следовательно, при формировании суммарных областей перекрытия шаг перемещении необходимо выбирать с учетом формы и вида распределения интенсивности в пятнах засветки, образующих суммарные область перекрытия.
С другой стороны, при формировании суммарных областей перекрытия возможно целенаправленно создавать или изменять распределение интенсивности в пятнах засветки в зависимости от заданного размера данной суммарной области перекрытия, ее расположения на поверхности чувствительного к используемому излучению материала и расстояния до по крайней мере одной соседней суммарной области перекрытия.
При этом следует отметить, что помимо получения изображения на чувствительном к используемому излучению материале с помощью формирования на нем отдельных пятен засветки возможно получение изображения на чувствительном к используемому излучению материале путем формирования на нем изображения, восстанавливаемого на этом материале с помощью голограммы, освещаемой когерентным излучением с соответствующей длиной волны или взаимодействующей с монокинетичным пучком корпускулярных частиц. Данный вывод основан на том, что, если имеется возможность рассчитать голограмму достаточно сложного заранее известного объекта (например, голограмму топологии слоя микрочипа), а также известна технология изготовления голограммы с помощью любого типа излучения (в частности, электронного, рентгеновского или жесткого ультрафиолетового) и имеются источники пространственно-когерентного монохроматического излучения или монокинетичных пучков заряженных частиц, необходимого для восстановления соответствующего изображения на поверхности чувствительного к воздействию такого излучения слоя, то, используя заранее рассчитанную бинарную голограмму, можно создать изображение необходимого сложного объекта с помощью источника такого излучения и применять голограммы в технологическом процессе получения изображения на чувствительном к используемому излучению материале, позволяющему обеспечить требуемое разрешение.
При этом слои микроэлектронного чипа, как правило, не содержат полутоновых изображений и все элементы строятся по принципам бинарной логики, т.е. по принципу "ДА - НЕТ", т.е. данный компонент либо есть в слое либо отсутствует. Следовательно, количество информации для нанесения одного слоя минимально, и для создания соответствующего изображения в подавляющем большинстве случаев достаточно использовать искусственную бинарную голограмму.
Наиболее известным примером бинарной голограммы точки является зонная пластинка Френеля. Она способна фокусировать волну в пятнышко, размеры которого соответствуют дифракционному пределу разрешения. Такие голограммы способны работать в жестком УФ и мягком рентгеновском диапазоне и уже используются в рентгеновских микроскопах. Технология производства таких зонных пластинок-голограмм не требует применения мощных источников когерентного излучения соответствующего диапазона и основывается на различных физических и химических процессах, не связанных с применением излучений. Более сложная голограмма по сути является суммой френелевских линз, каждая из которых фокусирует излучение в соответствующую ей точку.
При этом предлагаемая технология получения бинарной голограммы основана на следующем. Для создания плоских оптических изображений с равным успехом могут применяться два типа устройств, принципиально различающихся по методам преобразования волны, а именно традиционные устройства, основанные на применении зеркал и линз, и устройства, основанные на применении дифракционных элементов. При этом частным случаем второго типа устройств является применение специальным образом полученных голограмм.
Пространственная разрешающая способность устройств обоих типов δ, представляющая собой изображение точечного источника света, определяется отношением длины волны излучения λ, используемого для создания изображения (света или электронного пучка) к полному поперечному размеру используемого устройства (зеркала, линзы, голограммы) L. Если линза или голограмма круглые, то минимальный размер пятна вычисляется по известной формуле ("Физический энциклопедический словарь", издательство "Большая Российская энциклопедия", М., 1994, статьи "Микроскоп", т.3, стр.141 и "Разрешающая способность", т.4, стр.248):
где λ - длина волны;
ϕ - половина угла схождения лучей к точке, обычно синус этого угла близок к 0.5 (в микроскопии - это "числовая апертура объектива").
При этом предполагается, что
,
где L - характерныи размер голограммы;
s - расстояние от голограммы до создаваемого ею изображения.
Тогда
Находя λ из соотношения де-Бройля, получим для нейтрона с энергией 1
eV λB≈2,33·10-1
,
значит, в этом случае при δ=0,1 нм=1 и голограмме размером L=1 см имеем оценку величины расстояния s от голограммы до создаваемого ею изображения:
Как видно из формулы, определяющей разрешение δ, не важен сам по себе размер голограммы, не важно, из каких элементов сделана голограмма, важно лишь отношение характерного (полного) размера голограммы L к расстоянию от голограммы до изображения s. Предельное разрешение δ определяется разностью хода между пучками от крайних точек голограммы. Поэтому, например, в нейтронной голографии запись голограммы производится с помощью матрицы детекторов, каждый из которых имеет диаметр около 1 см, а разрешающая способность таких голограмм составляет величину менее 0.01 нм. (Первый нуль интерференционной картины, входящий по Рэлею в определение разрешающей способности, образуется, когда Lsinϕ=λ/2).
Для простых по количеству полутонов изображений, например черно-белых, количество линейно независимых элементов голограммы (например, узлов) должно быть вдвое больше количества линейно независимых элементов изображения, т.к. надо задать амплитуду и фазу волны за голограммой.
В случае монохроматического излучения голограмма как фокусирующее устройство обладает такими же свойствами, как сложный объектив. Более того, голограмма может дать изображение с меньшими аберрациями, чем зеркально-линзовая оптика. Можно, например, одновременно исправить астигматизм и кривизну поля, что особенно важно для создания плоских изображений (Л.М.Сороко "Основы голографии и когерентной оптики", М., Наука, 1971 г., формула 6.19.7, параграф 6.29).
Описанные выше методы фотолитографии, как уже указывалось, могут быть использованы при изготовлении бинарных искусственных голограмм, создающих изображение, например, топологии соответствующего слоя чипа. Простейшая бинарная голограмма состоит из системы одинаковых отверстий, расположенных в узлах сетки в соответствии с рассчитанными координатами максимумов интенсивности обычной голограммы. Согласно теореме Шеннона-Котельникова (см. ее применение в оптике в кн. Дж.Гудмен "Введение в фурье-оптику". М., "Мир", 1970, параграф 2.3), положение отверстий может соответствовать узлам решетки с квадратными ячейками. При этом надо иметь в виду, что количество информации в голограмме и в изображении, которое формируется при дифракции, совпадает. Для простых по количеству полутонов изображений, например черно-белых, количество линейно независимых элементов голограммы (например, узлов) должно быть вдвое больше количества линейно независимых элементов изображения, т.к. надо задать амплитуду и фазу волны за голограммой.
Согласно принципу Гюйгенса-Френеля, при освещении голограммы, состоящей из таких отверстий, плоской или сферической волной в результате дифракции каждое отверстие порождает свою полусферическую волну. Если бы точки были расположены непрерывно и каждая из них пропускала волну с коэффициентом ослабления, равным единице, то за голограммой возникла бы только прошедшая и дифрагировавшая на краях всей голограммы волны. В соответствии с расчетом количество и положение отверстий, а также (в общем случае) их амплитудное и/или фазовое пропускание делаются так, чтобы, складываясь на некотором расстоянии от голограммы (порядка нескольких длин волн освещающего излучения), дифрагированные волны формировали новый общий сложный по структуре фронт, создающий заранее заданное изображение. При этом наличие симметричной сетки, в узлах которой расположены отверстия, приводит к тому, что вместо одного фронта создается набор фронтов, пространственная симметрия которых определяется симметрией сетки. Возникают так называемые множественные порядки дифракции. Только один из фронтов точно соответствует заданному изображению, остальные являются помехой и должны быть подавлены.
Предлагаемая технология позволяет регулировать размер и конфигурацию отверстий, а значит, имеется инструмент, позволяющий управлять амплитудой волны, рассеянной каждым отверстием. Это - дополнительная возможность улучшить качество изображения и воздействия на распределение амплитуд волн разных дифракционных порядков. При расчетах необходимо иметь в виду, что амплитуда дифрагированной волны сильно зависит от диаметра отверстия (квадратично, если характерный размер отверстия меньше длины волны). Соответственно, если при изготовлении размер отверстия меняется случайным образом, то это вносит дополнительный шум (впрочем, небольшой шум иногда может быть полезен, т.к. сглаживаются колебания освещенности вблизи резких границ).
Дискретные голограммы, если в них осуществить упомянутую выше дополнительную модуляцию фазы, имеют преимущество перед классическими голограммами: в них можно подавить изображение, зеркальное относительно оси симметрии освещающего пучка. Рассчитать можно не только голограмму Габора, работающую в прямом пучке, что демонстрировалось в ряде книг и статьей и используется в патентах, но и Лейт-Упатниковскую, для косых пучков (статья "Голография", "Физический энциклопедический словарь", издательство "Большая Российская энциклопедия", М., том 1, стр.508, 1988). Это позволяет устранить прямую засветку плоскости изображения освещающим голограмму пучком.
При использовании голограмм Фурье в параксиальном приближении размеры дифракционного пятна (изображения точки) должны полностью соответствовать классической теории дифракции: угловой диаметр имеет величину порядка отношения длины волны освещающего излучения λ к полному характерному размеру голограммы L, т.е. (Δϕ≈λ/L).
Таким образом имеются:
1. Практическая возможность рассчитать плоскую голограмму сложного объекта с наперед заданной точностью - задача, решаемая даже с помощью обычного персонального компьютера.
2. Теория, позволяющая вычислить все элементы голограммы для излучения любой физической природы.
3. Технология изготовления отверстий в тонкой пленке, непрозрачной для выбранного типа излучения (например, в фоторезисте или металлической фольге).
4. Запись бинарной голограммы на тонкой пленке, непрозрачной для выбранного типа излучения, необходимой в случае использования корпускулярных пучков или мягкого рентгена, может быть сделана только после соответствующей обработки слоя фоторезиста, его проявления и нанесения на него тонкого слоя металла с последующим гальваническим копированием такой матрицы. Иными словами, это можно сделать с помощью предложенной выше технологии изготовления фотошаблонов, в частности с помощью пучковой техники (т.е. с помощью пучков фотонов и/или заряженных частиц). Таким образом, бинарную голограмму можно изготовить в виде тонкой пленки, непрозрачной для выбранного типа излучения, в которой тем или иным способом сделаны отверстия, расположенные в узлах сетки с квадратной ячейкой. Закон распределения отверстий рассчитывается заранее.
5. Технология прецизионного смещения пленки из непрозрачного для используемого излучения материала, например металлической фольги, относительно рабочего пучка по трем координатам (две - для создания плоской голограммы, третья - для точной фокусировки), позволяющая создать отверстия необходимого размера в нужных точках тонкой пленки, непрозрачной для выбранного типа излучения с заданной наперед точностью.
6. Источники когерентного рентгеновского или жесткого УФ излучения, источники пучков заряженных/нейтральных частиц - лазеры, синхротроны, источники пучков частиц с достаточно высокой монокинетичностью.
Применение подобной технологии в микроэлектронике дает ряд преимуществ:
- отсутствие каких бы то ни было фокусирующих или иных традиционных оптических элементов преобразования волновых фронтов (имеется только непрозрачная пленка с отверстиями и источник когерентного излучения);
- количество информации в голограмме и в изображении, которое формируется при дифракции, совпадает, что позволяет заранее рассчитать необходимые размеры голограммы, время и стоимость ее изготовления;
- предлагаемая технология создания голографических масок позволяет регулировать размер отверстия, что дает дополнительный инструмент управления амплитудой элементарных дифрагирующих волн, в результате чего возможно улучшение качества изображения и повышение эффективности использования энергии пучка, восстанавливающего с помощью голограммы соответствующее изображение;
- возможность подавления изображения, зеркального относительно оси симметрии освещающего пучка, что увеличивает эффективность использования энергии лазера.
Примером того, как это можно сделать могут служить дифракционные решетки, концентрирующие свет в один из порядков (до 70% при определенной поляризации) (см. "Прикладная физическая оптика" под ред. В.А.Москалева. Санкт-Петербург, Политехника, 1995, стр.348-349, а также Г.С.Ландсберг "Оптика", М., Наука, 1976 г., стр.205-209). В дифракционных решетках используется непрерывное изменение фазы волны на протяжении отдельного штриха. Каждый штрих решетки имеет косой в сечении профиль и играет роль наклонного микрозеркала, поворачивая весь пучок как целое в нужном направлении (создается эффект блеска решетки под определенным заранее рассчитанным углом). При этом под определенным углом формируется не только сдвиг между отдельными пучками (элементарными волнами) на одну длину волны анализируемого решеткой излучения, но и имеется максимум отражения.
При наличии технологии, допускающей более точное позиционирование и подобной описанной выше, профиль штриха можно разбить на несколько ступенек по размеру меньших, чем длина волны, и добиться того же эффекта.
В голографии эффект концентрации излучения под определенным углом достигается за счет того, что на протяжении всей голограммы отдельным элементарно малым участкам дифрагированного волнового фронта, выбранным в соответствии с расчетом, сообщается добавочный фазовый сдвиг. Излучение определенного порядка дифракции от разных элементов голограммы в данную точку изображения приходит со сдвигом, кратным 2π, в результате чего происходит сложение амплитуд волн и усиление яркости изображения. В рентгеновской и УФ области спектра это возможно, если использовать прозрачное или слабопоглощающее данное излучение вещество, наносимое на дополнительный слой голограммы в области отверстия. Для этого сама голограмм должна готовиться на слое, прозрачном, например, для рентгена (например, на тонкой нейлоновой пленке), на который наносится слой, например, молибдена. После чего этот слой травится, а потом в нужных местах с помощью той же технологии наносится второй слой прозрачного для рентгена вещества, сдвигающего локально фазу излучения, используемого для производства слоя IC и освещающего голограмму (для рентгена, например, Cu). При этом технология изготовления бинарной голограммы усложняется, но принципиально метод остается вполне реализуемым.
Разрешающая способность дискретных синтезированных голограмм (бинарных голограмм) полностью соответствует классической теории дифракции: угловой диаметр имеет величину порядка отношения длины волны освещающего света к полному характерному размеру голограммы, следовательно, в диапазоне жесткого УФ или рентгеновского излучения, она может быть выше, чем у традиционных оптических объективов в этом диапазоне длин волн, поскольку технология изготовления соответствующих оптических элементов с необходимой точностью сегодня отсутствует. При этом трудоемкость изготовления будет на порядки меньше, чем с применением обычной оптики.
Недостатки применения подобной технологии в микроэлектронике, прежде всего, связаны с потерями света при дифракции, но согласно простейшему расчету они заметно меньше потерь современных "рентгеновских" или EUV-фокусирующих систем. Действительно, традиционный формирующий изображение объектив в УФ, EUV или рентгеновском диапазонах должен быть зеркальным и работать при углах падения излучения, близких к нормальному. Такой объектив содержит не менее 6 зеркал (см. C.W.Gwinn, P.J.Silverman "EUV-Lithography. Transition from Research to Commercialization", report on International Conference "Photomask Japan 2003", Pacifico Yokohama, Kanagava, Japan), каждое из которых имеет (в лучшем случае) коэффициент отражения не более 60%. Тогда пропускание такого объектива составит (оценка по максимуму) (0.6)=0,046. В то время как согласно Л.М.Сороко "Основы топографии и когерентной оптики", М., Наука, 1971 г. (формула 6.19.7, с.423), дифракционная эффективность голограммы равна приблизительно 0.22.
Потери света также будут заметно меньше, чем при использовании "рентгеновских" или EUV-фокусирующих систем, особенно если расстояние между отверстиями сравнимо с длиной волны (в этом случае в интерференции примут участие волны не только "дальнего", но и "ближнего" поля и общая эффективность должна возрасти по сравнению с расчетом, основанном на классических представлениях). Эффект хорошо известен в радиофизике и акустике, когда антенна делается из набора диполей. Этим приемом, в частности, широко пользуются радиоастрономы, когда радиотелескоп состоит из набора синхронизированных антенн.
Можно также предположить, что при изготовлении голограммы на сферической (параболической) поверхности ее качество может быть дополнительно улучшено, т.к. комбинация искривленной поверхности и зон позволяет получить малые отклонения от нулевой разности хода лучей в фокусе на большей площади плоской поверхности (а не только на оси). (П.Гутман. "Изготовление микрозонных пластинок и оценка их фокусирующих свойств" в монографии "Рентгеновская оптика и микроскопия", М., Мир, 1987.
При производстве микросхем каждый слой состоит обычно из совокупности одинаковых по структуре элементов, поэтому достаточно, чтобы в голограмме было примерно в 2 раза больше точек, чем число "точек" (независимых линейных элементов), из которых состоит слой. (Если IC имеет размеры 10×10 мм2, а размер одного элемента 10×10 нм2, то полное число независимых элементов равно 2·1012. Столько же должно быть независимых элементов в голограмме, например 106×106 нм.
Применение бинарных голограмм для создания изображения неизбежно сопровождается следующими трудностями:
1) периодичность дискретизации бинарных голограмм, вызванная особенностями технологии изготовления областей пропускания (отверстий), расположенных в узлах регулярной сетки, приводит к появлению множества изображений в высших дифракционных порядках при восстановлении изображения;
2) большая часть энергии внешнего источника уходит в "нулевой" порядок дифракции, не обладающий пространственной структурой изображения;
3) распределение освещенности в пределах одного изображения меняется от центра к краям;
4) размеры голограммы (при той же разрешающей способности элементов в ней, что и предельная разрешающая способность в изображении) оказываются в 2 раза больше, чем само изображение.
При этом проблема увеличения энергии, направляемой в +1 порядок дифракции, может быть частично решена за счет использования отверстий, имеющих "сложный контур". В соответствии с качественными результатами теории (Разманова-Фроленкова М.В., Толмачев Ю.А. "Анализ взаимодействия зонной пластинки с плоской волной импульсным методом", Вестник СПбГУ. Сер.4. "Физика, химия", 2003. Вып.1 (№4), стр.22-29), а также с известным фактом (см. Z.L.Horvath at all., "Diffraction of short pulses with boundary wave diffraction theory" Phys.Rev. E. 2001, vol.63, p.026601-1-026601-11), что дифракция определяется амплитудой краевой волны (т.е. волны, излученной краем отверстия под действием падающей волны), увеличение длины контура отверстия должно привести к росту амплитуды боковых порядков дифракции (в частности, получающаяся при используемой технологии форма отверстия обладает длиной контура большей, чем круглое).
Кроме того, вопрос о размерах голограмм и технологии засветки участков фоторезиста, формирующих будущие зоны пропускания на голограмме, должен решаться совместно. Сетка, в узлах которой располагается, по крайней мере, часть областей пропускания (отверстий), симметрична по двум координатам. Следствием является формирование симметрии по двум координатам в распределении порядков дифракции (см. Г.С.Ландсберг, "Оптика", М., 1976 г., стр.25-227). На фиг.7 приведена примерная схема расположения порядков дифракции на подложке, на которой создается изображение (например, топология соответствующего слоя IC).
Толщина линий иллюстрирует уменьшения яркости дифракционных порядков с ростом номера порядка (показаны не все порядки). Полезным оказывается при этом только одно из множества изображений, обведенное на фиг.7 штриховой линией. Экранирование с помощью шторок позволяет оставить только изображение, обведенное пунктирной линией.
Распределение освещенности в пределах системы изображений разных порядков можно исправить, соответствующим образом рассчитав голограмму и изменив (в соответствии с расчетом) размеры и конфигурацию отверстий. В используемой обычно технологии это можно сделать, несколько смещая пару или один из экспонирующих пучков относительно "идеальной" сетки. При этом требуется именно столь высокая точность позиционирования, которой обладают используемые в предлагаемом изобретении нанопозиционеры.
Изображенная на фиг.7 особенность системы получения изображений, которая присуща методу синтетической дискретной голографии, одновременно и усложняет проблему и упрощает ее.
При этом усложнение происходит из-за того, что большую поверхность заготовки (порядка 700 см2) невозможно покрыть изображениями одновременно, поскольку произойдет переложение порядков дифракции от соседних голограмм. А упрощение возможно благодаря тому, что отказавшись от одновременной засветки всей заготовки, можно изменить геометрическую структуру голограммы, сделав ее вытянутой в направлении от "нулевого" порядка к полезному изображению (обведенному пунктиром на фиг.7) при сохранении результирующей разрешающей способности. Если размер отверстия в голограмме равен размеру минимального разрешаемого интервала в изображении создаваемого слоя IC (а предлагаемая технология позволяет сделать его и меньше), то площадь голограммы, необходимая для создания изображения, окажется равной удвоенной площади слоя IC.
Таким образом, множественность порядков дифракции отрицает возможность простых схемных решений типа получения квадратной сетки при восстановлении изображений с помощью квадратной сетки голограмм, если при создании изображения слоя IC с характерным размером ˜1 см используются пучки излучения сечением порядка 1 см. Необходимо подавить высшие порядки и нулевой, оставив только первый, причем только один "первый" из симметрично расположенных относительно оси освещающего пучка. На фиг.6 схематично показано устройство для получения изображения на чувствительном к используемому излучению материале с помощью голограммы. При этом в устройстве имеется шторка, показанная пунктиром, обеспечивающая блокирование излучений всех дифракционных порядков, кроме излучения одного из первых порядков.
Пусть изображение имеет форму квадрата, как это показано на фиг.7. Возьмем один линейный размер голограммы, равный длине стороны квадрата. Достаточно изготовить голограмму в форме прямоугольника, взяв второй ее размер вдвое большим, чтобы обеспечить нужную площадь.
Поскольку размеры нулевого порядка дифракции точно соответствуют размеру голограммы, постольку, как видно на фиг.7, при такой конфигурации пары "голограмма - изображение" ее размеры в три раза превосходят размеры стороны квадрата (в частном случае, когда характерный размер IC равен 1 см, минимальный размер пары при одинаковой величине элемента изображения это 1×3 см2). Каждой голограмме соответствует одно и только одно изображение. Каждая голограмма может освещаться при производстве слоя IC отдельным пучком когерентного излучения. Пары "голограмма - изображение" могут размещаться произвольным образом на плоскости. Следовательно, одновременно на одной подложке может создаваться и набор различных IC.
Один из возможных способов, удобных в технологическом отношении, показан на фиг.8. Помещенные вплотную друг к другу длинной стороной голограммы (с учетом технологических зазоров и толщины шторок, поглощающих паразитные порядки дифракции), создают при данном положении системы голограмм одну строку (квадратных) изображений. Фиг.8 представляет собой проекцию системы голограмм и образованных ими на покрытой фоторезистом подложке изображений со стороны падающего пучка излучения. Для образования "строки" изображений на большой по сравнению с одной голограммой заготовке используется блок голограмм (жирные линии). Соответствующие каждой из них изображения на расположенной под системой голограмм подложке показаны тонкими линиями. Пунктиром на фиг.8 обозначены следы поглощающих поверхностей шторок (экранов). Шторки располагаются перпендикулярно плоскости рисунка и блокируют боковые и нулевой порядки.
Количество пар (голограмма + изображение) может увеличиваться до необходимого числа, которое определяется линейными размерами заготовки, геометрией слоя чипа и технологическими зазорами. Взяв для оценки диаметр подложки 300 мм и размер блока (изображение+зазоры) равным 15 мм, получаем предельное число изображений в строке М=300/15=20. Достаточно 20 экспозиций при последовательных смещениях строки голограмм в направлении, перпендикулярном строке, чтобы покрыть необходимыми изображениями всю подложку стандартного диаметра.
При этом изображенное на фиг.8 устройство может быть дополнено строками голограмм, параллельными показанной на этой фигуре, что позволяет дополнительно увеличить производительность метода. Помещенные вплотную друг к другу параллельно линии строки изображений позволяют создать на подложке систему параллельных друг другу строк из изображений слоя IC. При показанной на фиг.8 конфигурации пары голограмма - изображение ее ширина в 3 раза больше, чем линейный размер изображения слоя IC. Общее число таких строк на подложке, следовательно, не может превосходить М/3. Более реалистичное их количество будет равно М/3-М/4. В технологическом процессе при этом можно делать сначала допустим 1-4-7-... строку, потом 2-5-8..., потом 3-6-9-... и т.д., смещая блок голограмм в направлении, перпендикулярном строке.
Ввиду того, что речь идет о площадке соответствующего слоя IC площадью ˜1 см2, на подложке стандартного размера при М=20 необходимо сделать минимум 20 или максимум 30 смещений при однострочечной записи. В случае записи одновременно 3 строк количество экспозиций уменьшается до 6-7 (при соответствующем увеличении энергии источника облучения). При использовании источника излучения, используемого в современных степперах (УФ непрерывной мощностью 100 Вт) при экспозиции 36 с для всей площади потребуется (с учетом дифракционной эффективности) всего 360 с без учета технологических интервалов на позиционирование строки (оно должно быть осуществлено с точностью до одного разрешаемого интервала!).
Такая технология может быть реализована с помощью позиционирующего устройства, обеспечивающего достаточно высокую точность позиционирования при смещении на базе ˜500 мм.
Показанное на фиг.8 решение позволяет также увеличить разрешающую способность, пожертвовав производительностью. Для этого площадь каждой голограммы увеличивается в К>1 раз и может содержать в К раз больше дискретных элементов, количество одновременно работающих голограмм уменьшается в К раз. Например, сделав голограмму квадратной со стороной в 2 раза больше размеров изображения слоя IC, мы вдвое увеличиваем число независимых элементов в голограмме, соответственно в (2)1./2 раз может быть улучшено разрешение по сравнению с рассмотренным ранее случаем. При этом количество изображений в строке уменьшается в 2 раза.
Как голограмма, так и изображение могут иметь любую форму. Форма голограммы не важна и определяется технологическими требованиями. В нашем случае желательно иметь изображение слоя чипа в форме квадрата, состоящего из микроскопических деталей. При этом голограмма должна иметь количество элементов, по крайней мере, в 2 раза больше, чем слой чипа. Если будет использоваться излучение с длиной волны, равной минимальному разрешению, то ее площадь окажется в 2 раза большей, чем площадь чипа. Ширина голограммы для удобства размещения может быть взята равной ширине квадратного изображения, тогда (в указанном предельном случае) второе ее измерение будет вдвое больше, поэтому она нарисована прямоугольником.
Линейка голограмм (система линеек голограмм) может изготавливаться как независимо друг от друга, так и в едином технологическом цикле. Освещение системы линеек может происходить как одновременно, так и последовательно. При развитии технологии, позволяющей обеспечить высокоточное смещение на протяженной базе, возможно изготовление макроголограммы, формирующей одновременно все изображения на заготовке.
Дальнейшим развитием предлагаемой технологии является объединение всех элементарных голограмм в одну общую, которая освещается одновременно волновым фронтом жесткого пространственно-когерентного излучения. Такая макроголограмма способна создать одновременно ВСЕ необходимые изображения на ВСЕЙ подложке. При этом снимаются:
- проблема экранирования множества дифракционных порядков, поскольку подложка просто устанавливается в то место, где находится необходимое действительное изображение набора слоев IC;
- вопрос точности позиционирования строки, так как общая голограмма позволяет создать по всей поверхности сразу набор нужных изображений в нужных местах подложки;
- потери использования пространства подложки на технологические интервалы для экранирования и смещения.
Оценка возможностей современных средств позиционирования устройств (инструментов) изготовления микроотверстий показывает, что только имеющееся в нашем распоряжении оборудование способно обеспечить необходимую точность и производительность на площадях порядка 1000 см2, необходимых для изготовления макроголограммы, способной осуществить единовременную засветку всей подложки, содержащей 70 изображений слоя (слоев) интегральной микросхемы. При этом немалое значение в технологии производства отверстий играет факт возможности приложения огромного механического усилия в любой точке голограммы.
Таким образом, голограммы изготавливаются литографически с помощью предлагаемой технологии, основанной на совместном использовании суперпрецизионного магнитострикционного XY-нанопозиционера (наностола), осуществляющего высокоточное позиционирование источника излучения, создающего на фоторезисте пятно, заметно превышающее по характерному размеру (например, по диаметру) величину достигаемого линейного разрешения, и фоторезиста, обладающего пороговым эффектом при превышении критической дозы. В итоге получается синтезированная голограмма, представляющая собой тонкую пленку, непрозрачную для используемого типа с локальными зонами прозрачности, размеры и расположение которых заранее задаются. Для прочности она может быть нанесена на прозрачную прочную подложку (например, нейлон в случае использования электронного пучка). Каждая такая зона размером порядка единиц-десятков нанометров, на котором будет дифрагировать используемое коротковолновое излучение (монокинетичный пучок корпускулярных частиц), формирующее изображение соответствующего слоя чипа
Дальнейшее совершенствование технологии и повышение качества получаемого изображения возможно при совместном использовании преимуществ получения на фоторезисте изображений в виде множества суммарных пятен перекрытия и в виде голографического изображения. При этом получают на поверхности чувствительного к используемому излучению материала голографическое изображение, представляющее собой множество дискретных пятен засветки, причем каждое пятно засветки обеспечивает получение чувствительным материалом дозы излучения меньше Епор, где Епор - пороговое значение дозы излучения, соответствующее порогу чувствительности чувствительного к используемому излучению материала. После этого, по крайней мере, один раз дополнительно осуществляют перемещение голограммы или/и чувствительного к используемому излучению материала в плоскости, параллельной поверхности чувствительного к используемому излучению материала, в одном направлении или в двух взаимно перпендикулярных направлениях на расстояние, не превышающее d3, где d3 - максимальный характерный размер получаемых пятен засветки, образуя суммарные области перекрытия пятен засветки, в которых доза излучения, которую получает чувствительный к используемому излучению материал, равна или превышает Епор, при этом при перемещении голограммы или/и чувствительного к используемому излучению материала изменяют характерный размер области перекрытия в указанных направлениях с дискретом, определяемым шагом перемещения, который выбирают из диапазона от 0,01 нм до d3 в зависимости от заданного размера данной суммарной области перекрытия.
Таким образом, применение предлагаемых способов позволяет упростить технологический процесс создания высокоразрешающих изображений на чувствительном к используемому излучению материале, а также значительно повысить разрешение при формировании получаемого изображения и получать изображения, размеры которых могут быть сравнимы с размерами молекулы чувствительного к используемому излучению материала.
| название | год | авторы | номер документа |
|---|---|---|---|
| СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ГОЛОГРАММЫ РИСУНКА | 2013 |
|
RU2539730C1 |
| СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ГОЛОГРАФИЧЕСКИХ ИЗОБРАЖЕНИЙ РИСУНКА | 2011 |
|
RU2486561C1 |
| СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ГОЛОГРАФИЧЕСКИХ ИЗОБРАЖЕНИЙ РИСУНКА | 2012 |
|
RU2511035C1 |
| СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ИЗОБРАЖЕНИЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ | 2004 |
|
RU2251133C1 |
| СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ГОЛОГРАФИЧЕСКИХ ИЗОБРАЖЕНИЙ РИСУНКА | 2009 |
|
RU2396584C1 |
| УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ИЗОБРАЖЕНИЯ (ВАРИАНТЫ) | 2003 |
|
RU2251132C2 |
| СПОСОБ ЗАПИСИ ГОЛОГРАММ | 1997 |
|
RU2107320C1 |
| СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ГОЛОГРАММ | 1992 |
|
RU2029331C1 |
| СПОСОБ ЗАЩИТЫ ГОЛОГРАММ ОТ ПОДДЕЛКИ И УСТРОЙСТВО АВТОМАТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ ПОДЛИННОСТИ ГОЛОГРАММЫ | 2003 |
|
RU2246743C2 |
| СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЭКСПОНИРОВАННОЙ ПОДЛОЖКИ | 2004 |
|
RU2344455C2 |
Способ получения изображения включает получение изображения в виде множества суммарных зон перекрытия пятен засветки, в которых доза излучения равна или превышает пороговое значение. При экспонировании осуществляют перемещение матрицы излучателей или/и чувствительного материала на расстояние, не превышающее максимальный характерный размер d пятен засветки, изменяя размер области перекрытия с дискретом, определяемым шагом перемещения, выбранным из диапазона от 0,01 нм до d. При получении бинарных голограмм на поверхности пленки непрозрачного материала располагается чувствительный материал и после получения на нем изображения указанным способом или с помощью матрицы излучателей, выполненных в виде источников пучков корпускулярных частиц, перемещаемой с шагом, выбранным из диапазона от 0,01 нм до d2, где d2 - максимальный характерный размер формируемых областей пропускания, в пленке формируют множество областей пропускания. Бинарную голограмму используют при получении изображения, при этом ее располагают с возможностью пошагового перемещения в направлении, перпендикулярном поверхности чувствительного к используемому излучению материала, с шагом от 0,01 нм до Δ s, где Δ s - величина изменения расстояния между чувствительным к используемому излучению материалом и бинарной голограммой, при котором разрешение формируемого голограммой изображения уменьшается на 20%. Обеспечивается упрощение технологического процесса создания высокоразрешающих изображений на чувствительном к используемому излучению материале, а также значительное повышение разрешения при формировании получаемого изображения. 4 н. и 36 з.п. ф-лы, 8 ил.
| US 6586169 В2, 01.07.2003 | |||
| Сороко Л.М | |||
| Основы голографии и когерентной оптики | |||
| М.: Наука, 1971 г., с.420-434 | |||
| GB 1331076 А, 19.09.1973 | |||
| US 5973316 A, 26.10.1999 | |||
| ЛАЗЕРНОЕ ПРОЕКЦИОННОЕ УСТРОЙСТВО ФОРМИРОВАНИЯ ИЗОБРАЖЕНИЯ ТОПОЛОГИИ ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМ | 1991 |
|
RU2029980C1 |
