способ формирования топологического изображения в пленке хрома

Формула изобретения

1. Способ формирования топологического изображения в пленке хрома, включающий этапы: нанесения методом вакуумного распыления рентгеноаморфной пленки хрома в вакуумной камере электронно-лучевым методом или методом магнетронного напыления, формирования слоя фоторезиста, экспонирования фотопластин, химического травления, ионно-лучевой обработки рентгеноаморфной пленки хрома в вакуумной камере, заполненной газовой смесью, с использованием в качестве источника ионного пучка источник Кауфмана, удаления оставшейся маски фоторезиста, химического травления пленки хрома в цериевом травителе с добавлением серной кислоты, отличающийся тем, что рентгеноаморфную пленку хрома наносят до толщины от 150 до 500 нм, слой фоторезиста формируют толщиной не менее 250 нм, ионно-лучевую обработку рентгеноаморфной пленки хрома проводят через маску фоторезиста в течение не менее 30 с с помощью сеточного ионного источника Кауфмана при давлении газовой смеси (4-6)·10 ^-2 Па, при этом газовая смесь содержит аргон примерно от 70 до 95 мас.%, хладон 218 (C₃F₈) примерно от 30 до 5 мас.%, а также остаточные газы, удаление оставшейся маски фоторезиста проводят в слабом 0,5%-ном щелочном растворе и промывают подложку с пленкой хрома в дистиллированной воде.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что слой фоторезиста формируют в вакуумной камере на подложке с пленкой хрома, имеющей температуру до 30°С, методом термического испарения халькогенидного стеклообразного полупроводника, содержащего As, S, Se, Sb, или As, S, Se, или As, S.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что, халькогенидный стеклообразный полупроводник содержит As, S, Se в процентном соотношении As 36%, S 44%, Se 20%.

4. Способ по п.2, отличающийся тем, что халькогенидный стеклообразный полупроводник содержит As, S в процентном соотношении As 40%, S 60%.

5. Способ по п.2, отличающийся тем, что халькогенидный стеклообразный полупроводник содержит As, S, Se, Sb в процентном соотношении As 36%, S4 2%, Se 20%, Sb 2%.

6. Способ по п.2, отличающийся тем, что химическое травление проводят в органическом травителе на основе дипентиламина и триэтилфосфата до получения на пленке хрома из слоя фоторезиста фоторезистивной маски толщиной не менее 80 нм.

7. Способ по п.1, отличающийся тем, что слой фоторезиста формируют методом центрифугирования путем полива из раствора фоторезиста Шипли AZ-1350.

8. Способ по п.7, отличающийся тем, что химическое травление проводят в слабощелочном 2%-ном растворе KOH до получения на пленке хрома из слоя фоторезиста фоторезистивной маски толщиной не менее 50 нм.

9. Способ по п.1, отличающийся тем, что, химическое травление проводят в течение 6-15 мин.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к электронной технике, а именно к фотолитографии, и предназначено для формирования топологического изображения в пленке хрома ионно-лучевым воздействием с применением сеточного ионного источника Кауфмана, и может быть использовано в микроэлектронике для изготовления микросхем, в оптике при изготовлении элементов оптических систем и т.п.

В настоящее время в фотолитографическом процессе используют тонкие слои халькогенидного стеклообразного полупроводника (далее - ХСП). В зависимости от состава и способа постэкспозиционной обработки тонкие пленки ХСП обладают свойствами позитивного либо негативного фоторезиста.

Известен способ производства фотонных кристаллов, описанный в патенте США № 7732122, согласно которому неорганический фоторезист - ХСП, содержащий As, S, Se, наносят методом термического испарения; экспонирование осуществляют с помощью лазера, травление производят с использованием веществ на основе группы аминов, в частности диэтиламина, который, предпочтительно, растворяет одну фазу фоторезиста. При этом проявленный фоторезист снимают в форме фотонного кристалла и используют в изготовлении оптических систем, схем и т.п.

Известна технология голографической фотолитографии, включающая в себя следующие операции: изготовление защитной фоторезистивной маски на поверхности полупроводниковой или стеклянной пластины, проявление экспонированного слоя фоторезиста до материала подложки, избирательное его травление через окна в защитной маске [Корешев С.П., Ратушный В.П. Основы технологии голографической субмикронной фотолитографии // Научно-технический вестник. СПб ГУ ИТМО. 2005. В.23. С.34-42].

Известна технология голографической фотолитографии [Корешев С.Н. и др. Голографическая фотолитография на основе тонких пленок халькогенидного стеклообразного полупроводника // Оптический журнал. - 2007. № 7. том 74. - С.80-85], выбранная в качестве наиболее близкого аналога и основанная на последовательном использовании двух защитных масок, причем одну из них формируют из обладающего свойствами негативного фоторезиста ХСП, а другую - из аморфного хрома, также обладающего свойствами негативного фоторезиста в условиях ионно-плазменной обработки. Известный способ включает в себя следующие операции: нанесение методом магнетронного распыления на стеклянную подложку аморфных хромовых пленок толщиной 160 нм; нанесение методом вакуумного распыления халькогенидных пленок толщиной 250 нм; химическое проявление экспонированного ХСП до глубин рельефа 0,1-0,15 мкм; ионно-плазменную обработку в среде инертного газа (аргона) в вакуумной камере, откачанной до давления 10^-3 Па до появления окон, открывающих поверхность хрома, с использованием в качестве источника ионного пучка источника Кауфмана; удаление защитной маски из ХСП в концентрированном растворе щелочи; химическое травление пленки хрома в травителе на основе солей церия с добавлением серной кислоты. Время травления хрома составляет 6-15 мин, что обеспечивает полное удаление аморфного хрома с подложки и не оказывает практически никакого влияния на участки кристаллического хрома.

Таким образом, используемая в способе, принятом в качестве прототипа, ионно-плазменная обработка изначально аморфного хрома, осуществляемая через окна в защитной халькогенидной маске в процессе ее проявления, приводит к переходу находящихся в окнах защитной халькогенидной маски участков поверхности хрома в кристаллическое состояние, отличающееся повышенной устойчивостью к цериевому травителю. При этом отношение скоростей травления кристаллического и аморфного хрома (селективность) составляет 4:9 соответственно.

Следует отметить, что указанная разница скоростей травления недостаточна для получения структур, пригодных для использования в областях микроэлектроники и оптики.

Задача, на решение которой направлено настоящее изобретение, состоит в разработке способа, способствующего получению структур, представляющих собой изображения заданной топологии, пригодных для использования в областях микроэлектроники и оптики.

При этом под изображением заданной топологии понимается зафиксированное на материальном носителе пространственно-геометрическое расположение совокупности всех элементов изображения и связей между ними, так, например, топологией интегральной микросхемы является зафиксированное на материальном носителе пространственно-геометрическое расположение совокупности элементов интегральной микросхемы и связей между ними.

Техническим результатом, проявляющимся при использовании изобретения, является получение изображения заданной топологии за счет существенной (по отношению к прототипу) разницы скоростей травления кристаллических и аморфных участков хрома в химическом травителе. Учитывая, что отношение скоростей травления кристаллического и аморфного хрома (селективность) составляет в предложенном способе 1:5, в то время как в способе-прототипе селективность составляет 4:9.

Изображение заданной топологии получают вследствие селективности травления в химическом травителе кристаллических и аморфных участков. В свою очередь, на селективность влияет время ионной обработки открытых участков хрома, составляющее не менее 30 с. Поскольку именно за это время происходит процесс рекристаллизации пленки, заключающийся в образовании и росте (или только росте) структурно более совершенных кристаллических зерен поликристалла за счет менее совершенных зерен той же фазы, что и приводит к существенной разнице скоростей травления.

Поставленная задача решается, а технический результат достигается тем, что предлагаемый способ формирования топологического изображения в пленке хрома включает в себя этапы: нанесения методом вакуумного распыления рентгеноаморфной пленки хрома в вакуумной камере электронно-лучевым методом или методом магнетронного напыления, формирования слоя фоторезиста, экспонирования фотопластин, химического травления, ионно-лучевой обработки рентгеноаморфной пленки хрома в вакуумной камере, заполненной газовой смесью, с использованием в качестве источника ионного пучка источника Кауфмана, удаления оставшейся маски фоторезиста, химического травления пленки хрома в цериевом травителе с добавлением серной кислоты, при этом рентгеноаморфную пленку хрома наносят до толщины от 150 нм до 500 нм, слой фоторезиста формируют толщиной не менее 250 нм, ионно-лучевую обработку рентгеноаморфной пленки хрома проводят через маску фоторезиста в течение не менее 30 секунд с помощью сеточного ионного источника Кауфмана при давлении газовой смеси (4-6)·10^-2 Па, при этом газовая смесь содержит аргон примерно от 70 до 95 мас.%, хладон 218 (C₃F₈) примерно от 30 до 5 мас.%, а также остаточные газы, удаление оставшейся маски фоторезиста проводят в слабом 0,5%-ном щелочном растворе и промывают подложку с пленкой хрома в дистиллированной воде.

В одном варианте выполнения изобретения слой фоторезиста формируют в вакуумной камере на подложке с пленкой хрома, имеющей температуру до +30°С, методом термического испарения халькогенидного стеклообразного полупроводника, содержащего As, S, Se, Sb, или As, S, Se, или As, S. Халькогенидный стеклообразный полупроводник может содержать As, S, Se в процентном соотношении As 36%, S 44%, Se 20%, или As, S в процентном соотношении As 40%, S 60%, или As, S, Se, Sb в процентном соотношении As 36%, S 42%, Se 20%, Sb 2%. При этом химическое травление проводят в органическом травителе на основе дипентиламина и триэтилфосфата до получения на пленке хрома из слоя фоторезиста фоторезистивной маски толщиной не менее 80 нм.

В другом варианте выполнения изобретения слой фоторезиста формируют методом центрифугирования путем полива из раствора фоторезиста Шипли AZ-1350. При этом химическое травление проводят в слабощелочном 2% растворе KOH до получения на пленке хрома из слоя фоторезиста фоторезистивной маски толщиной не менее 50 нм.

Согласно изобретению химическое травление проводят в течение 6-15 мин.

Сущность изобретения иллюстрируется чертежами и примерами предпочтительного варианта осуществления изобретения.

На Фиг.1 представлено изображение периодической структуры с соотношением штрих/промежуток на половине высоты 10:1, полученное с помощью сканирующего зондового микроскопа. Данная структура представляет собой набор прямых хромовых полос толщиной около 200 нм, расположенных на стеклянной подложке с частотой следования около 1700 мм^-1. В качестве фоторезиста использовался ХСП следующего состава: As 36%, S 44%, Se 20%.

На Фиг.2 представлено изображение периодической структуры с соотношением штрих/промежуток на половине высоты 5:1, полученное с помощью сканирующего зондового микроскопа. Данная структура представляет собой набор прямых хромовых полос толщиной около 150 нм, расположенных на стеклянной подложке с частотой следования около 1700 мм^-1. В качестве фоторезиста использовался Шипли AZ-1350.

Пример 1. Способ формирования топологического изображения в пленке хрома.

Способ осуществляют следующим образом.

Вначале проводят подготовку фотопластин для экспозиции путем нанесения в вакуумной камере методом магнетронного напыления рентгеноаморфной пленки хрома толщиной 150 нм на стеклянную подложку.

После чего на ненагретую стеклянную подложку с пленкой хрома, имеющую температуру +28°С, наносят ХСП - As₃₆ S₄₄Se₂₀ толщиной 300 нм в вакуумной камере методом термического испарения неорганического фоторезиста.

Затем в интерференционном поле с заданной частотой 1700 мм^-1, полученном от лазерного источника, генерирующего непрерывное излучение на длине волны 488 нм, осуществляют экспонирование фотопластин и последующее химическое травление в органическом травителе на основе дипентиламина и триэтилфосфата до получения фоторезистивной маски заданной топологии на пленке хрома, при этом толщина маски составляет 100 нм.

Ионно-лучевую обработку рентгеноаморфной пленки хрома проводят с помощью сеточного ионного источника Кауфмана через маску фоторезиста при следующих параметрах:

- давлении около (4-6)·10 ^-2 Па газовой смеси, содержащей аргон 70-95 мас.% и хладон 218 C₃F₈ 30-5 мас.% и остаточные газы; причем соотношение смеси аргон (82 мас.%, хладон 218 C₃ F₈ - 18 мас.%) является наиболее оптимальным, так как при нем достигается максимальная селективность в химическом травлении аморфного и кристаллического участков пленки;

- токе накала на катоде - 47 А;

- токе разряда в плазме - 1 А при напряжении 40 В;

- напряжение на ускорителе 1 кВ;

- напряжение экрана 0,4 кВ;

- времени обработки открытых участков хрома - 50 с.

Удаление оставшейся маски фоторезиста осуществляют в слабом 0,5%-ном щелочном растворе, с последующей промывкой подложки с пленкой хрома в дистиллированной воде.

Химическое травление пленки хрома в цериевом травителе с добавлением серной кислоты проводят до получения изображения заданной топологии. Время травления составляет 8 мин.

Структура, представленная на Фиг.1, наглядно демонстрирует получение изображения заданной топологии, в данном случае - это периодическая структура с частотой 1700 мм^-1 с заданным отношением штрих/промежуток 10:1.

Пример 2. Способ формирования топологического изображения в пленке хрома.

Способ осуществляют следующим образом.

Подготовку фотопластин для экспозиции проводят путем нанесения в вакуумной камере электронно-лучевым методом пленки хрома толщиной 500 нм на стеклянную подложку.

После чего на стеклянную подложку с пленкой хрома, имеющую температуру +25°С, наносят методом центрифугирования путем полива из раствора органический фоторезист Шипли AZ-1350 толщиной 400 нм.

Затем в интерференционном поле с заданной частотой 1700 мм^-1, полученном от лазерного источника, генерирующего непрерывное излучение на длине волны 488 нм, осуществляют экспонирование фотопластин и последующее химическое травление в слабом 2% растворе KOH до получения на пленке хрома из слоя фоторезиста фоторезистивной маски толщиной 70 нм.

Ионно-лучевую обработку рентгеноаморфной пленки хрома проводят с помощью сеточного ионного источника Кауфмана через маску фоторезиста при следующих параметрах:

- давлении около (4-6)·10^-2 Па газовой смеси, содержащей аргон 70-95 мас.% и хладон 218 C₃F ₈ 30-5 мас.% и остаточные газы, причем соотношение смеси аргон (82 мас.%, хладон 218 C₃F₈ - 18 мас.%) является наиболее оптимальным, так как при нем достигается максимальная селективность в химическом травлении аморфного и кристаллического участков пленки;

- токе накала на катоде - 47 А;

- токе разряда в плазме - 1 А при напряжении 40 В;

- напряжение на ускорителе 1 кВ;

- напряжение экрана 0,4 кВ;

- время обработки открытых участков хрома - 40 с.

Удаление оставшейся маски фоторезиста осуществляют, например, в слабом 0,5%-ном щелочном растворе, с последующей промывкой подложки с пленкой хрома в дистиллированной воде.

Химическое травление пленки хрома в цериевом травителе с добавлением серной кислоты проводят до получения изображения заданной топологии. Время травления составляет 10 мин.

Структура, представленная на Фиг.2, наглядно демонстрирует получение изображения заданной топологии, в данном случае - это периодическая структура с частотой 1700 мм^-1 с заданным отношением штрих/промежуток 5:1.

Таким образом, примеры, иллюстрирующие изобретение, наглядно подтверждают, что за счет существенной разницы скоростей травления кристаллических и аморфных участков в химическом травителе получают изображения заданной топологии.