CH652236A5 - Roentgenstrahllithografiegeraet sowie verfahren zu dessen betrieb. - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Röntgenstrahllithografiegerät sowie ein Verfahen zu dessen Betrieb.

Angesichts der Forderung nach einer besseren Auflösung in der zur Herstellung von Mikroschaltungen verwendeten Lithographie, z.B. lichtoptische Lithografieverfahren, sind neue Verfahren entwickelt und als eine Lösung des Auflösungsproblems die Elektronen- und Röntgenstrahllithografie vorgeschlagen worden.

In Anlehnung an die bekannte Groblithografie als Steinzeichnung oder Steindruck ist eine Mikrolithografie für hochintegrierte Bauelemente entwickelt worden. Die Weiterentwicklung führte zur Röntgenstrahllithografie, welche mit Steindruck nichts mehr gemeinsam hat. Als hochintegrierte Bauelemente kommen u.a. elektrische Schaltungen in Frage.

Zur Röntgenstrahllithografie wird beispielsweise auf den Artikel von D.L. Spears und Henry I. Smith des Lincoln Laboratoriums am Massachusetts Institute of Technology, veröffentlicht in «Electronic Letters», 24.2.1972, Bd. 8 Nr. 4 auf Seite 103 verwiesen. Die Verwendung von Röntgenstrahlen macht es möglich, mit kürzeren Wellenlängen zu arbeiten. So beträgt beispielsweise die Wellenlänge für Röntgenstrahlen ungefähr 10-10"10 m im Vergleich zu einer Wellenlänge von 4000-10"10 m im Ultraviolett.

Das am häufigsten verwendete Röntgenstrahlentarget für die Röntgenstrahllithografie ist Aluminium. Unter Target wird die Aufprallscheibe einer Antikathode, welche einfallende Strahlen als Röntgenstrahlen reflektiert, verstanden. Die Aluminium-K-Linie liegt bei etwa 8 -10~10 m, was sich als eine günstige Wellenlänge für die Röntgenlithografie erwiesen hat. Grundsätzlich sind Wellenlängen zwischen 4 und 14- io-10 m brauchbar. Die Verwendung eines Aluminiumtargets bringt jedoch mehrere Nachteile mit sich. Aluminium ist für Spannungsrisse anfällig und hat einen ziemlich niedrigen Schmelzpunkt. Aus diesen Gründen ist die Höhe der Energie, die in das System eingebracht werden kann, beschränkt, wenn das Aluminium nicht reissen oder schmelzen soll. Wegen dieser verschiedenen Faktoren ist bei Verwendung eines Aluminiumtargets die Belichtungszeit ziemlich lang. Aufgrund dieser Tatsachen ist die Lebensdauer einer Aluminium-Röntgenröhre, die mit hoher Energie arbeitet, um kurze Belichtungs5

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zeiten zu ergeben, stark eingeschränkt. Für eine typische Konstruktion unter Verwendung eines Aluminiumtargets sei auf den IBM Research Report mit dem Titel «High Brightness Ring Cathode Rotating Anode Source for X-Ray Lithogra-phy» von G.A. Wardly u.a. verwiesen. Darin ist die Verwendung einer rotierenden Anode, um höhere Energien zu ermöglichen, die an sich bekannt ist, beschrieben. Selbst mit einem solchen Target ist die maximale Energie begrenzt.

Es ist bekannt, Röntgenantikathoden mit hohem Schmelzpunkt, beispielsweise Wolfram, zu verwenden. Wolfram wird jedoch bisher nicht für die Röntgenlithografie verwendet wegen der kurzwelligen Strahlung, die es im K-Bereich aussendet, nämlich weniger als Vi Angström (10"10 m). Eine solche Wellenlänge wird in der Abdeckung (resist), die auf der Mikroschaltung verwendet wird, nicht absorbiert und kann daher nicht für die Röntgenlithografie benutzt werden. Spears u.a. haben in der oben erwähnten Veröffentlichung die Möglichkeit eines Wolframtargets unter Verwendung der kontinuierlichen Strahlung vorgeschlagen. Die Ergebnisse waren jedoch nicht besonders erfolgversprechend. Wie erwähnt, hatten sie Belichtungszeiten von 5 bis 10 Stunden. Bei der verwendeten Maskenstruktur erbrachte die breite spektrale Verteilung einen Belichtungskontrast zwischen den opaken und transparenten Bereichen von weniger als 3:1.

Es ist leicht einzusehen, dass in der Röntgenlithografie neben der Forderung einer guten Auflösung die Fähigkeit von grösster Bedeutung ist, eine grosse Anzahl von Schaltungen in kurzer Zeit zu bearbeiten. Dies zwingt zu einer kurzen Belichtungszeit. Um eine kurze Belichtungszeit zu erhalten, braucht man im allgemeinen eine höhere Energie. Um eine höhere Energie zu ermöglichen, braucht man eine Quelle mit hohem Schmelzpunkt.

Ein weiterer Lösungsvorschlag ist, eine Palladium- oder Rhodium-Quelle zu verwenden und die verwendete Abdek-kung zu dotieren, um sie zu veranlassen, die Strahlung, die noch relativ kurz ist und bei etwa 4-10"10 m liegt, besser zu absorbieren. Dadurch wird zwar die Bearbeitungszeit verbessert, aber es muss ein dotiertes Resist verwendet werden,

wobei unter «Resist» eine lichtempfindliche Schicht als Abdeckung, auch Photolack, verstanden wird. In diesem Verfahren ist es nicht die höhere Energie, die kürzere Belichtungszeit erbringt, sondern die Empfindlichkeit der dotierten Abdeckung für die Strahlung.

Das Bedürfnis nach einem verbesserten Gerät für die Röntgenlithografie und einem Verfahren zur Verwendung des Gerätes auf rasche, effiziente und genaue Weise, um einen photolithografischen Prozess durchzuführen, insbesondere für die Konstruktion von Mikroschaltungen, liegt folglich auf der Hand.

Das erfindungsgemässe Gerät weist die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 aufgeführten Merkmale auf. Der Geräteteil weist beispielsweise eine Quelle auf, die eine auf ein Wolframtarget gerichtete Elektronenkanone hat. In üblicher Weise erzeugen die von der Kanone herkommenden und auf das Target fallenden beschleunigten Elektronen Röntgenstrahlen. Um eine gute Auflösung zu erzielen, kann der Strahlendurchmesser klein gehalten werden. Vorzugsweise kann das Target sowohl gedreht als auch mit Wasser gekühlt werden, um eine bessere Energieverteilung zu ermöglichen. Die Quelle kann unter einem Vakuum betrieben werden. Die Röntgenstrahlquelle ist in einem Abstand von dem Substrat, das mit der zu belichtenden Abdeckung überzogen ist, angeordnet, und zwar so, dass sie ihre Strahlung auf das Substrat verteilt. Eine Maske mit einem absorbierenden Material kann zwischen die Röntgenstrahlquelle und das Substrat eingeschoben werden. Die Röntgenstrahlen fallen durch ein Fenster, vorzugsweise mit einer Berylliumscheibe, das für die Röntgenstrahlen durchlässig ist. Das abgeschlossene Fenster ist notwendig, weil die Quelle unter Vakuum betrieben wird. Wie bereits erwähnt, muss die Fensterscheibe so dünn wie möglich sein. Eine Fensterscheibe von 100 .um ist brauchbar, doch ist eine Fensterscheibe mit einer Dicke von 25 Lim oder weniger vorzuziehen. Die restlichen Teile des Systems können beispielsweise unter einem Vakuum, in einer Heliumatmosphäre oder in Luft betrieben werden.

Ein vorzugsweise weiteres Merkmal betrifft eine verbesserte Abdichtung für das Beryllium-Fenster. Weil Beryllium ziemlich rauh ist, ist die Fensterscheibe auf jeder Seite mit Abdichtungen aus Indium versehen, die ihrerseits an Kühlkörpern aus Kupfer anliegen. Mit Hilfe dieser Anordnung, bei der die Fensterscheibe zwischen zwei Indium-Dichtungen eingeklemmt ist, wird eine gute Vakuumabdichtung erreicht.

Die Verwendung von z.B. Wolfram als Target bietet zahlreiche Vorteile. Wie bereits oben angedeutet, ermöglicht sie den Betrieb mit höherer Leistungsdichte, wodurch sich die Belichtungszeit reduziert. Ausserdem stellt die Verunreinigung des Targets durch den Wolframfaden bei der Elektronenkanone kein Problem mehr dar. Allgemein erlaubt die Anordnung den Betrieb mit höherer Energiedichte, wodurch sich kürzere Belichtungszeiten ergeben, und macht es ausserdem möglich, dass die Röntgenröhre, d.i. in das Target und die Elektronenkanone umfassende Quelle, eine längere Lebensdauer hat im Vergleich zu der bisher mit Aluminiumtarget möglichen.

Das erfindungsgemässe Gerät kann zusammen mit der herkömmlichen CO-Polymer-Abdeckung verwendet werden. Doch ist ein spezielles Entwicklungsverfahren notwendig, um gute Resultate zu erzielen. Diese oder Resist, die ursprünglich zur Verwendung in der Elektronenstrahllithografie konstruiert worden war, zeigt, wie sich herausgestellt hat, gewisse Mängel, wenn man nicht mit den kennzeichnenden Merkmalen des Verfahrens gemäss Patentanspruch 6 arbeitet. Das Resist kann, nachdem es beispielsweise durch eine Maske, die Absorptionsmittel, vorzugsweise Gold, aufweist, mit Röntgenstrahlen von einer Wolframquelle weniger als 1 Minute lang belichtet worden ist, zuerst in einer starken Entwicklerlösung entwickelt und dann in einer schwächeren Entwicklerlösung, deren Stärke nicht sehr viel grösser ist als die für eine vollständige Entwicklung erforderliche, wobei sich die beiden Entwicklungsschritte überlappen, nachbehandelt werden.

Ein weiterer Vorzug und Gesichtspunkt des Geräts und seinem Betriebsverfahren ist die Verfügbarkeit der L-Linien-strahlung des Wolframs zur Justierung der Maske. Da die weiche M-Linienstrahlung ohne weiteres durch einen Filter abgefiltert werden kann, das die L-Linienstrahlung durch-lässt, die von der Abdeckung nicht absorbiert wird, wird dieses praktisch möglich. Ein Beispiel eines Ausrichtiingssy-stems, mit welchem eine derartige Ausnützung möglich ist, ist in einer Veröffentlichung beschrieben, die unter dem Titel «Précision Mask alignment for X-Ray Lithography» von J.H. McCoy in «The proceedings of the 7th International Conference on Electron and Ion Beam Science and Technology of 1976 by the Electrochemical Society» veröffentlicht ist.

Um eine kürzere Belichtungszeit und eine längere Lebensdauer in einem Röntgenstrahllithografiegerät zu erhalten,

kann ein Röntgenstrahltarget aus Wolfram verwendet und das Gerät so betrieben werden, dass es die Wolfram-M-Linie erzeugt, die auf einer Wellenlänge liegt, die von der normalerweise in der Lithografie verwendeten Abdeckung absorbiert wird. Um die Abdeckung, die ursprünglich zur Verwendung in einer Elektronenstrahllithografie konstruiert ist, zu entwik-keln, kann eine Entwicklungsmethode verwendet werden, bei der zuerst eine kurze Entwicklung mit einer hohen Konzentration ausgeführt und danach eine längere volle Entwicklung mit einer Konzentration durchgeführt wird, die annähernd die niedrigste ist, bei welcher eine volle Entwicklung stattfindet.

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Weitere beispielsweise Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispieles anhand der Zeichnung. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Seitenansicht eines Röntgen-strahllithografiegeräts,

Fig. 2 eine ähnliche Ansicht eines Gerätetyps, wie er zum Ausprobieren der Röntgenstrahllithografie verwendet wird,

Fig. 3 eine einfachere Ausführungsform der Elektronenkanone, die im Röntgenstrahllithografiegerät verwendet wird,

Fig. 4 eine Schnittansicht der Abdichtung des in den Geräten der Fig. 1 und 2 verwendeten Beryllium-Fensters,

und

Fig. 5 ein Diagramm, das das Entwicklungsverfahren veranschaulicht.

Fig. 1 ist dienlich, um ein allgemeines Verständnis des Röntgenstrahllithografieprozesses, d.h. zur Herstellung integrierter Schaltungen mittels Röntgenstrahlen zu gewinnen. Wie in jedem üblichen Röntgensystem, werden Röntgenstrahlen 19 dadurch erzeugt, dass man einen Elektrodenstrahl 13 auf ein Target 12 einer Antikathode 11 fallen lässt. Um eine gute Auflösung zu erzielen, sollte die Röntgenstrahlquelle möglichst einer Punktquelle 10 angenähert sein. Dies schreibt eine kleine reflektierende Fleckgrösse auf dem Target 12 vor. Der Elektronenstrahl und das Röntgentarget sind in einer Kammer 15 eingeschlossen, die unter einem Vakuum steht. Dies erfordert, dass ein Röntgenstrahlen durchlassendes, die Vakuumkammer dicht schliessendes Fenster 17 vorhanden ist, durch das die am Target erzeugten Röntgenstrahlen fallen können. Die Fensterscheibe kann aus irgendeinem Material bestehen, das für die Wellenlänge der erzeugten Röntgenstrahlen 19 durchlässig ist. Im Beispiel ist Beryllium als Fensterscheibenmaterial verwendet. Die erzeugten Röntgenstrahlen 19 fallen durch dieses Fenster 17, wobei ein gewisser Anteil der Röntgenstrahlen absorbiert wird. Die Röntgenstrahlen werden auf ein Substrat 21 gerichtet, das ein Resist 22 als Abdeckung trägt. Zwischen der Quelle und dem Resist ist eine insgesamt mit 23 bezeichnete Maske angeordnet. Die Maske umfasst eine Maskenmembran 25, auf der ein Muster in einem absorbierenden Material 27, beispielsweise Gold, angebracht ist. Das Absorptionsmaterial absorbiert die Röntgenstrahlen in den Bereichen, wo es vorhanden ist, und verhindert dadurch, dass die entsprechenden Flächen des Resists den Röntgenstrahlen ausgesetzt werden. Nach der Belichtung über die erforderliche Zeitspanne wird das Resist entwickelt und eine weitere Bearbeitung des Substrats vorgenommen. Wie in Fig. 1 angedeutet, bewirkt die Absorption im Resist eine Vernetzung (negatives Resist) oder eine Spaltung der Kette (positives Resist) im Resist, wodurch eine selektive Entwicklung der Abdeckung möglich wird. Im typischen Fall wird ein negatives Resist verwendet, was bedeutet, dass die Flächen, die nicht belichtet werden, im Entwicklungsverfahren wegentwickelt werden. Natürlich kann auch ein positives Resist verwendet werden.

Der Teil des Geräts, in dem die Maske 25 und das Substrat 21 angebracht sind, wird als Belichtungskammer 29 bezeichnet. Sie kann in einem Vakuum, in Helium oder sogar in Luftatmosphäre arbeiten. Die letztgenannte Möglichkeit wird angewendet, wenn die Abstände kurz sind.

Wie schon erwähnt, ist es bisher üblich, das Röntgenstrah-lentarget 12 aus Aluminium herzustellen. Infolge des niedrigen Schmelzpunktes von Aluminium und wenn man nicht vergisst, dass der Fleck klein sein muss, ist die Energie beschränkt und die Belichtungszeiten sind zu lang, selbst wenn die Antikathode 11 mit dem Target 12 wassergekühlt ist und rotiert, immer wieder andere Bereiche des Targets der Strahlung auszusetzen. Als Alternative wurde versucht, Palladium als Quelle mit einem dotierten Resist zu verwenden.

Dabei wird die Absorption im Resist erhöht, wodurch kürzere Belichtungszeiten bei niedriger Energie möglich sind. Dies bedeutet aber, dass ein spezielles Resist verwendet werden muss, wodurch die Flexibilität beeinträchtigt ist.

Bei den mit einem Aluminiumtarget erzeugten Wellenlängen beträgt die erforderliche Dicke des Absorbers 27 etwa

0.4 ixm. Natürlich kann kein zu dicker Absorber verwendet werden, weil die Herstellung der Maske Schwierigkeiten verursacht, nämlich das Herausarbeiten kleiner Formen in dik-ken Filmen. Wenn das oben erwähnte Palladium verwendet wird, beträgt die erforderliche Dicke 0,7 (im. Die Breite eines Absorbers ist im typischen Fall 1 um oder weniger, so dass diese beiden Abmessungen möglich sind, wenn auch die für Palladium notwendige dickere Masse etwas schwieriger ist.

Beim Ausführungsbeispiel besteht das Röntgenstrahltar-get aus Wolfram. Der Elektronenstrahl 13 wird mit einer ausreichend hohen Spannung, z.B. 20 kV, erzeugt, so dass er eine M-Linie des Wolframs erzeugt, deren Wellenlänge annähernd !• 10"10 m beträgt. Bisher herrschte die Ansicht, dass mit einer solchen M-Linie nicht genug Strahlung entwickelt werden könnte. Versuche haben jedoch gezeigt, dass dies nicht der Fall ist und es wurden ausserordentlich gute Resultate erzielt. Die Dicke des Absorbers 27 braucht bei Verwendung von Wolfram nur etwa 0,5 um zu betragen.

Fig. 2 veranschaulicht ein Versuchsgerät, das benutzt wurde, um die vorbeschriebene Röntgenstrahllithografie auszuprobieren. Teile, die solchen in Fig. 1 entsprechen, tragen die gleichen Bezugsziffern. Der Elektronenstrahl 13 wird von einer Elektronenkanone 31 erzeugt. Beim Versuchsgerät war diese Elektronenkanone eine Elektronenstrahl-Schweisspi-stole. Der Elektronenstrahl 13 fällt auf das aus Wolfram bestehende Target 12 der Antikathode 11. Das Target ist wassergekühlt, wozu eine Wasserzuleitung 33 und eine Wasserableitung 35 vorgesehen sind. Unmittelbar unter dem Target 12 ist eine geerdete Blende 37 angebracht. Unter der Blende 37 befindet sich ein Hochspannungs-Elektronenablenker 38, der eine Platte 38a auf Erde und eine Platte 38b auf einer hohen Spannung umfasst und dazu dient, alle von dem Target 12 reflektierenden Elektronen einzufangen. Diese Platte 38b liegt auf einer hohen Spannung, um so diese Elektronen zur Platte 38a abzulenken. Wie im vorhergehenden Beispiel ist ein Fenster 17 der Vakuumkammer vorgesehen, das mit einer Berylliumscheibe abgedeckt und wassergekühlt ist. Die Blende 37 und der Ablenker 38 verhindern ein Bombardement des Beryllium-Fensters 17 mit Elektronen, das eine Überhitzung verursachen könnte. Der Teil 15 des Gerätes mit der Elektronenkanone 31 und dem Bereich des Gerätes über dem Fenster 17 ist unter Vakuum gehalten, wozu ein Vaku-umauslass 39 vorgesehen ist, der an eine Vakuumpumpe angeschlossen ist. Der untere Teil 40 des Geräts wird in einer Helium-Atmosphäre gehalten, wozu eine Helium-Zuleitung 41 und eine Helium-Ableitung 43 vorgesehen sind. Das Mikroplättchen 45, Fachausdruck «Wafer», das belichtet werden soll, wird in bekannter Weise auf einer Saugträgerplatte 47 gehalten. Die Dicke der Berylliumfensterscheibe ist etwa 25 um. Eine hier nicht dargestellte Maske ist, wie in Fig.

1, unmittelbar über dem Wafer 45 angeordnet.

Die nachstehende Tabelle I gibt einige berechnete Betriebsdaten wieder, die auf experimenteller Arbeit und veröffentlichter Literatur beruhen, und stellt einen Vergleich an, zwischen der erfindungsgemässen Antikathode mit Wolfram-Target, dem üblicherweise verwendeten Aluminium-Target und dem von Bell Labs entwickelten Palladium-System, das eine mit Chlor dotierte Abdeckung verwendet. Die beiden andern Systeme verwenden eine bekannte CO-Polymer-Abdeckung, als COP-Abdeckung in der Tabelle aufgeführt.

In Tabelle I, Beispiel 1, basieren die Daten für das Palla-dium-Chlor-System auf veröffentlichten Werten. Diese veröf5

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fentlichten Daten beziehen sich auf 5 kW und für die Tabelle ist dies auf 10 kW extrapoliert. Die in diesem Beispiel gewählte Leistung wird konstant auf 10 kW gehalten. Mit dieser Leistung benötigt das Aluminiumsystem bei Verwendung einer COP-Abdeckung für eine Auflösung von 0,24 um eine Belichtungszeit von 280 Sekunden. Das Palladium-Chlor-System erfordert für die gleiche Auflösung eine Belichtungszeit von 60 Sekunden. Das Beispiel für Wolfram arbeitet mit einem kleineren Fleck, um die Leistungsfähigkeit auszunützen, d.h. der Fleck ist stärker konzentriert. Für diesen Fall ist die Belichtungszeit 280 Sekunden.

Im zweiten Beispiel wird die Auflösung konstant bei 0,24 lim gehalten. Die Leistung für das Aluminium- und das Palladium-System ist noch auf 10 kW begrenzt, aber die Leistung bei Wolfram ist nun auf 57 kW gesteigert, da Wolfram das einzige Material dieser Gruppe ist, das mit einer solchen Leistung fertig wird. Die Ergebnisse bezüglich der Belichtungszeit sind, dass das Palladium-Chlor-System immer noch eine Belichtungszeit von 60 Sekunden hat, das Aluminium-System 280 Sekunden, aber das Wolfram-System nunmehr eine Belichtung von nur 49 Sekunden benötigt.

Im dritten Beispiel ist wiederum die Auflösung konstant gehalten. Zusätzlich ist der Abstand zwischen dem Target und dem Substrat optimiert, basierend auf Berechnungen und experimentellen Untersuchungen. Statt des üblichen Abstan-des von 50 cm ist der Abstand nunmehr auf 15 cm reduziert. Aufgrund dieser Herabsetzung des Abstandes muss die Fleck-grösse entsprechend kleiner sein. Bei einer solchen kleineren Fleckgrösse müssen das Aluminium-System und das Palladium-System mit einer reduzierten Leistung arbeiten. Das Aluminium-System arbeitet, wie angegeben, bei 1,7 kW und das Palladium-System bei 1,6 kW. Das Wolfram-System arbeitet ebenfalls bei einer reduzierten Leistung von 9,2 kW. Bei diesen Parametern beträgt die Belichtungszeit für Aluminium 205 Sekunden, für Palladium-Chlor 35 Sekunden und für Wolfram 37 Sekunden.

Für das vierte Beispiel ist schliesslich die Auflösung mit 0,5 gewählt. Diese Zahl ist gewählt worden, weil für den Stand der technischen Systeme eine höhere Auflösung wohl nicht notwendig ist. Wieder wird der optimale Abstand D= 15 cm verwendet. Weil die Fleckgrösse nun grösser sein kann, können alle Systeme mit höherer Energie betrieben werden. Bei diesen Parametern beträgt die Belichtungszeit für das Wolfram- und Palladium-Chlor-System jedesmal 17 Sekunden und für Aluminium 93 Sekunden. Das heisst, unter optimalen Bedingungen erreicht man mit einem Aluminium-System lediglich eine kleinste Belichtungszeit von 93 Sekunden. Das Palladium-System und das Wolfram-System liegen fast um eine Grössenordnung niedriger. Wie schon oben erwähnt, ist jedoch das Palladium-System viel weniger universell und erfordert die Verwendung einer dotierten Abdek-kung. Was die universelle Verwendbarkeit der verschiedenen Systeme anlangt, so ist die letzte Spalte dieser Tabelle instruktiv. Sie zeigt unter den gleichen Bedingungen wie im vierten Beispiel die Belichtungszeiten bei Verwendung eines gebräuchlichen Ultraviolett-747-Resist, hergestellt von Eastman Kodak. Wie aus der Tabelle ersichtlich, erhöht sich die Belichtungszeit für das Wolfram-System auf nur 60 Sekunden, wogegen für Aluminium die Steigerung der Belichtungszeit bis 300 Sekunden geht und bei Verwendung der Palladium-Quelle ohne Dotierung die Belichtungszeit auf 600 Sekunden steigt.

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Tabelle I

Röntgenlithographie-Systemvergleich

Beispiel W

COP

AI

COP

Pd Cl konst. Parameter

1.

Leistung (kW) 10

10

10

Leistung,D,d

Auflösung (j-im) 0,08

0,24

0,24

Belichtungszeit (s)280

280

60

D = 50 cm

2.

Leistung (kW) 57

10

10

P, d, D, S

Auflösung (am) 0,24

0,24

0,24

Belichtungszeit (s)49

280

60

D = 50 cm

3.

Leistung (kW) 9,2

1,7

1,6

P, d, D, S

Auflösung (|J.m) 0,24

0,24

0,24

Belichtungszeit (s) 37

205

35

D = 15 cm

4.

Leistung (kW) 20,0

3,75

3,4

P, d, D, S

Auflösung (um) 0,5

0,5

0,5

Belichtungszeit (s) 17

93

17

D = 15 cm

747 Resist 60

300

600

P= Auflösung, D = Abstand Strahlungsquelle - Wafer, D = Abstand Maske - Wafer, S = Fleckdurchmesser

Die Verwendung von Wolfram gestattet auch eine viel einfachere Konstruktion der Elektronenkanone, weil eine Verunreinigung des Wolfram-Targets kein Problem darstellt. Eine solche Konstruktion ist in Fig. 3 gezeigt. Diese Konstruktion ist sehr ähnlich derjenigen, die in der Veröffentlichung «The design and development of a ring cathode electron gun as an evaporation source» von G.T. Poyner, veröffentlicht in «Vacuum», Bd. 26 Nr. 10/11, beschrieben ist. Der Unterschied ist, dass die Kanone 53 dazu verwendet wird, Elektronen auf ein Target auffallen zu lassen und nicht als eine Bedampfungsquelle. Eine solche Vorrichtung zum Bedampfen ist von der Craswell Scientific Ltd. unter der Bezeichnung RG3 Twin Film Electron Bombardement source im Handel erhältlich. Wie in Fig. 3 gezeigt, ist das Target 12 in diesem Fall auf einer Welle 51 angebracht, so dass es in Drehung versetzt werden kann. Die Welle enthält Kanäle 33 und 35 für Kühlwasser, so dass das Target zugleich mit Wasser gekühlt werden kann. Die Kanone 53 ist besonders einfach und macht es möglich, das Fenster 17 näher als bisher anzuordnen. Wie dargestellt, weist die Kanone eine Ringkathode 57 auf, von der die Elektronen ausgehen und auf das Target 12 fallen. Der Elektronenablenker 59 ist recht einfach, da er nahe der Kathode angebracht ist. Da das abgedeckte Fenster 17 näher ist, kann es dünner gemacht werden und trotzdem den Unterdruck aushalten, der einen Druck von annähernd 0,103 N/mm2 auf dem Fenster ergibt. Dadurch, dass das Beryllium-Fenster dünner gemacht ist, absorbiert es natürlich weniger Strahlung, wodurch die M-Linien-Strah-lung effizienter wird. Über 100 (im gibt es eine bedeutende Abnahme der Effizienz. Vorzugsweise hat die Fensterscheibe eine Dicke von höchstens 25 um.

Gemäss einer weiteren Ausbildung der Erfindung, wie sie in Fig. 4 gezeigt ist, ist die das Fenster 17 abdeckende Berylliumscheibe, das Beryllium eine ziemlich rauhe Substanz ist, zwischen zwei Dichtungen 65 aus Indium gehalten. Indium ist verhältnismässig weich und füllt folglich Zwischenräume aus. Auf jeder Seite der Indium-Dichtungen sind Kupferstücke 67 vorgesehen, die durch den Wassereinlass 63 und den Wasserauslass 64 wassergekühlt sind, um die Hitze vom berylliumabgedeckten Fenster 17 abzuziehen. Mit 66 ist über die Dichtung 68 gegenüber der Vakuumkammer 15 abgedichtete Flansch mit eingebetteter Abdeckscheibe des Fensters 17 bezeichnet.

Was die Konstruktion der Elektronenkanone anbelangt, so sei daraufhingewiesen, dass bei einer Antikathode mit

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Aluminium-Target eine Konstruktion notwendig war, bei der der Heizfaden der Elektronenkanone keine unmittelbare Sichtverbindung zum Aluminium-Target hat. Dies, um die Gefahr zu vermeiden, dass sich Wolfram auf dem Alumini-zum ablagert und es schliesslich unbrauchbar macht. Beim beschriebenen Wolfram-Target ist dies kein Problem mehr, da ein etwa abgelagertes Wolfram das gleiche Element ist, aus dem das Target besteht.

Was die Konstruktion der Kanone anbelangt, so sei darauf hingewiesen, dass bei einem Aluminium-Target eine Konstruktion notwendig war, bei der der Heizfaden der Elektronenkanone keine unmittelbare Sichtverbindung zum Alumi-nium-Target hat. Dies, um die Gefahr zu vermeiden, dass sich Wolfram auf dem Aluminium ablagert und es schliesslich unbrauchbar macht. Beim erfmdungsgemässen Wolfram-Tar-get ist dies kein Problem mehr, da ein etwa abgelagertes Wolfram das gleiche Element ist, aus dem das Target besteht.

Wolfram ist zwar das zweckmässigste Material, doch können auch andere Elemente, die in der Lage sind, eine M-Linie zu erzeugen, als Target verwendet werden. Materialien mit hoher Leistungsdichte sind bevorzugt. In der nachstehenden Tabelle II sind für einige mögliche Elemente die Wellenlänge der M-Linie in 10~10 m (Angströmeinheiten) angegeben. Für eine genauere Liste siehe das Handbook of X-Rays, herausgegeben von Emmett F. Kaelble, McGraw Hill 1967, insbesondere S. 1-19. Es können auch andere Absorber als Gold verwendet werden, die aus den Standard Tabellen gewählt werden, wie sie beispielsweise in der Veröffentlichung «X-Ray absorption uncertainty» von K.F. Heinrich in The Electron Microprobe 1966, N.Y.J. Wiley, S. 296-378, aufgeführt sind.

Es versteht sich, dass, wenn von der Verwendung dieser Elemente als Targets gesprochen wird, auch Legierungen und Verbindungen dieser Elemente eingeschlossen sind. So kann beispielsweise auch eine Legierung von Wolfram und Rhenium verwendet werden.

Für eine Wolframquelle und die M-Linie muss die Dicke der Absorber an der Maske annähernd 0,5 um sein. Dies ist nur wenig grösser, als die erforderliche Dicke bei Verwendung einer Aluminiumquelle und nur ein klein wenig geringer als die erforderliche Dicke bei einer Palladiumquelle. Bei den anderen in Tabelle II aufgeführten Elementen hängt die Dicke selbstverständlich von der Wellenlänge ab, und zwar je länger die Wellenlänge, desto geringer die erforderliche Dicke.

Tabelle II Röntgenstrahlungsquellen für M-Linie

Element

M-Linie Wellenlänge (• 10~10 m)

Yb

8,14

Lu

7,84

Hf

7,54

Ta

7,25

W

6,98

Re

6,53

Os

4,49

Ir

6,26

Pt

6,05

Au

5,85

Es ist zwar günstig, das Fenster aus Beryllium zu machen, doch können auch andere Elemente verwendet werden. Im allgemeinen ist eine niedrige Ordnungszahl erforderlich. Weitere Möglichkeiten sind Lithium und Bor, doch ist mit beiden schwer zu arbeiten. Die allgemeine Bedingung ist, dass es sich um ein Material handelt, das die beiden verwendeten Wellenlängen durchlässt.

Es soll noch erwähnt werden, dass eine Dotierung des Resist mit beispielsweise Brom auch möglich ist, wenn der Prozess noch weiter beschleunigt werden soll. (Siehe hierzu die oben erwähnte Veröffentlichung von Heinrich, die zeigt, das Brom ein guter Absorber für die M-Linie des Wolfram ist.)

Wie vorerwähnt, kann für das Gerät ein gebräuchliches CO-Polymer-Resist, erhältlich von Mead Chemical Rolla, Missouri, als Abdeckung verwendet werden. Es wurde jedoch gefunden, dass ein spezieller Entwicklungsprozess dieses Resists erforderlich ist, um gute Resultate zu erzielen. Dies kann am besten in Verbindung mit Fig. 5 erläutert werden. In dieser Figur ist die entwickelte Dicke in Prozent gegen die Entwicklerkonzentration aufgetragen. Die entwickelte Dicke ist eine Grösse, die direkt proportional zur Dosis der einfallenden Röntgenstrahlen ist. Die dargestellte Entwicklungskonzentration ist die des Entwicklers Methyl-Äthyl-Ketone (MEK) in Äthylalkohol als Lösungsmittel. Es ist ersichtlich, dass bei einer Konzentration von weniger als 5:3 eine unvollständige Entwicklung stattfindet. Allgemein wurde gefunden, dass bei Verwendung eines Verhältnisses von 5:3 für die vollständige Entwicklung gewisse Schwierigkeiten auftreten. Deshalb wird gemäss einem weiteren Merkmal des Verfahrens nach der Belichtung mit Röntgenstrahlen das belichtete Resist zuerst mit einer starken Entwicklerkonzentration, beispielsweise einer Konzentration von 5:1,8, entwickelt und danach das Resist in einer 5:2,7-Lösung vollständig entwik-kelt. Die Entwicklung wird mit Hilfe eines Sprühverfahrens durchgeführt unter Verwendung von Spritzpistolen in herkömmlicher Weise, wobei eine Überlappung zwischen den beiden Entwicklungsschritten stattfindet. Fig. 5 zeigt ausserdem, dass bei einer entwickelten Dicke von über 80% Deh-nungs- und Verdickungslinien auftreten können. Es ist deshalb zweckmässig, 80% für die obere Grenze der entwickelten Dicke zu nehmen, wenngleich man auch über 80% gehen kann. Unter Verwendung einer entwickelten Dicke von 50% wurde das Resist durch Besprühen mit einer 5:1,8-Lösung zunächst 5 Sekunden lang entwickelt, dann weitere 10 Sekunden durch Besprühen sowohl mit einer 5:1,8-Lösung als auch mit einer 5:2,7-Lösung (Überlappung) und dann weitere 5 Sekunden mit 5:2,7-Lösung. Ein anschliessendes Abspülen ist freigestellt.

Wie schon erwähnt, ist es bei der Verwendung der Wolframquelle möglich, die L-Linie des Wolframs, die bei 1,476-10~10 liegt, zur Ausrichtung zu nützen. Diese L-Linien-Strahlung ist unfähig, das Resist zu belichten, aber sie kann in einem Ausrichtsystem verwendet werden, wie das in der oben erwähnten Veröffentlichung von McCoy u.a. beschrieben ist. Für die Verwendung des Systems zur Ausrichtung wird ein Filter, etwa 25 um Aluminium, unmittelbar unter dem Fenster 17 der Fig. 1,2 oder 3 angebracht. Dann wird die Quelle in Betrieb gesetzt, wobei das Filter die weiche M-Linien-Strah-lung herausfiltert, die harte L-Linien-Strahlung aber durchlässt. Diese Strahlung hat keine Wirkung auf das Resist, kann aber mittels geeigneter fluoreszierender Detektoren wahrgenommen werden, wie in der oben erwähnten Veröffentlichung beschrieben.

Schliesslich sei noch erwähnt, dass es zwar die M-Linien-Strahlung ist, die hauptsächlich das Resist belichtet, dass jedoch auch die kontinuierliche Strahlung etwas beitragen kann.

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3 Blatt Zeichnungen

Claims (16)

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1. Röntgenstrahllithografiegerät, dadurch gekennzeichnet, dass es als Röntgenstrahlquelle eine Strahlerzeugungskammer (15) aufweist, in der eine Elektronenkanone (31) und eine mit von der Elektronenkanone (31) ausgehenden, Elektronen beaufschlagbare Antikathode (11) mit Target (12) angeordnet sind, dass das Target (12) der Antikathode (11) aus einem Material besteht, welches durch die auf das Target (12) auftreffenden Elektronen zur Emission von Röntgenstrahlung im Bereich der M-Linie des Materials anregbar ist, und dass die Strahlerzeugungskammer (15) ein vakuumdichtes Fenster (17) aufweist, durch welches die vom Material des Targets (12) der Antikathode (II) ausgesandten Röntgenstrahlen (19) nach ausserhalb der Strahlerzeugungskammer (15) hindurchtretbar sind.

2. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Target (12) der Antikathode (11) aus einem Material der Wolfram, Wolframlegierungen oder Wolframverbindungen umfassenden Gruppe besteht.

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PATENTANSPRÜCHE

3. Gerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Fenster (17) mit einer Scheibe aus Beryllium abgedeckt ist, die eine Dicke von höchstens 100 um aufweist.

4. Gerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Berylliumscheibe weniger als 25 (im beträgt.

5. Gerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die aus Beryllium bestehende Scheibe zwischen zwei Dichtungen aus Indium gehalten ist.

6. Verfahren zum Betrieb des Röntgenstrahllithografie-gerätes nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Substrat, auf dem die Röntgenstrahllithografie auszuführen ist, mit einem Resist überzogen wird, die Röntgenstrahlquelle derart betrieben wird, dass Röntgenstrahlen im Bereich der M-Linie erzeugt werden und das mit dem Resist überzogene Substrat durch eine Maske mit diesen Röntgenstrahlen im Bereich der M-Linie belichtet wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Röntgenstrahlquelle mit einer Spannung über 5 kV betrieben wird.

8. Verfahren nach Anspruch 6 zum Betrieb des Röntgen-strahllithografiegerätes nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Röntgenstrahlquelle mit einer Spannung im Bereich von 20 kV betrieben wird.

9. Verfahren nach Anspruch 6 zum Betrieb des Röntgen-strahllithografiegerätes nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Röntgenstrahlquelle mit einer Spannung im Bereich von 25 kV betrieben wird.

10. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein CO-Polymer Resist verwendet wird und dass das belichtete Resist zuerst in einer hochkonzentrierten Entwicklerlösung eine kurze Zeitspanne entwickelt und danach in einer Entwicklerkonzentration nachentwickelt wird, die geringfügig über derjenigen liegt, die zum Erreichen einer vollständiger!" Entwicklung' notwendig ist, bis das gesamte Resist entwickelt ist.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Entwicklung in der Weise durchgeführt wird, dass a) eine erste Zeitspanne lang mit der hochkonzentrierten Entwicklerlösung entwickelt wird,

b) eine zweite Zeitspanne lang mit beiden Entwicklerkonzentrationen, nämlich der hochkonzentrierten Entwicklerlösung und der knapp über der für die vollständige Entwicklung notwendigen liegenden Entwicklerkonzentration entwik-kelt wird, und c) eine dritte Zeitspanne lang ausschliesslich mit der Entwicklerkonzentration entwickelt wird, die geringfügig über der für eine vollständige Entwicklung erforderlichen liegt.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet,

dass alle Entwicklungsschritte durch Besprühen durchgeführt werden.

13. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass alle Entwicklungsschritte durch Eintauchen durchgeführt werden.

14. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Resist so belichtet wird, dass man etwa eine 50%ige entwickelte Dicke erhält, und dass der erste Entwicklungsschritt 5 Sekunden lang mit einer Konzentration von 5:1,8 vorgenommen wird, der zweite Entwicklungsschritt 10 Sekunden lang mit Konzentrationen von 5:1,8 und 5:2,7 ausgeführt wird und der dritte Entwicklungsschritt 5 Sekunden lang durchgeführt wird, wobei die Konzentration das Verhältnis von Methyl-Äthyl-Ketone (MEK) Entwickler zu einem Äthanol als Lösungsmittel ist.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 14,

dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Röntgenstrahlquelle und dem Substrat vor dem Belichten ein Filter eingeschoben wird, das so gewählt ist, dass es die M-Linien-Strah-lung herausfiltert, aber die L-Linien-Strahlung durchlässt, wodurch vor der Belichtung die Maske und das Substrat ausgerichtet werden.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 14,

dadurch gekennzeichnet, dass das Resist mit Brom dotiert wird.