DE2752448C2

DE2752448C2 - Elektronenstrahl-Lithographieverfahren

Info

Publication number: DE2752448C2
Application number: DE2752448A
Authority: DE
Inventors: James Robert Poughkeepsie N.Y. Kitcher
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1976-12-27
Filing date: 1977-11-24
Publication date: 1984-08-30
Also published as: FR2375665B1; FR2375665A1; US4099062A; JPS5382176A; DE2752448A1; JPS5343017B2; GB1590071A

Description

Die Erfindung betrifft ein Elektronenstrahl-Lithographieverfahren basierend auf dem Prinzip des Rasterelektronenmikroskops unter Verwendung eines elektronenstrahlempfindlichen Lackes, der durch Tastung des Elektronenstrahls entsprechend einem vorgegebenen Muster bestrahlt wird und dessen bestrahlte Bereiche durch Entw=ekiung entfernt -erden, bei dem die Rasterabstände einen Bruchteil 1er Strahlfieckgröße betragen, bei dem Bereiche des Musters mit reduzierter -Bestrahlungsdosis bestrahlt werden und bei dem Bereiche des Musters mehrfach überlappend bestrahlt werden.

Elektronenstrahl-Lithographieverfahren dieser Art sind beispielsweise in den US-Patentschriften 38 66 013 und 39 49 228 beschrieben. Dabei wird ein fokussierter Elektronenstrahl schrittweise zu vorbestimmten Positionen abgelenkt, so daß in der elektronenstrahlempfindlichen Lackschicht das gewünschte Muster gebildet wird. Der Strahlfleck hat vorzugsweise einen quadratischen Querschnitt und seine Größe entspricht der kleinsten Linienbreiie, die in dem zu bildenden Muster vorkommt Der Strahl wird also in Form eines Rasters über die Oberfläche in der Lackschicht geführt und jeweils dann dunkel getastet an Stellen, an denen eine Bestrahlung nicht erfolgen soll. Dabei wird eine Bestrahlung mit reduzierter Bestrahlungsdosis durch Steuerung der Zeitdauer durchgeführt, mit der an einer bestimmten Stelle eine Bestrahlung erfolgt. Diese SteuermögHchkeit ist vorgesehen, um eine Überbelichtung des Lackes zu verhindern, wenn dieser auf einem Material, beispielsweise auf Gold aufgebracht ist, das ein höheres Reflektionsvermögen für Elektronen aufweist als z. B. Silizium, oder wenn Musterlinien zu bilden sind, deren Breite der Größe zweier Strahfffecken entspricht, im letzteren FaH erhält man eine entwickelte Linienbreite, die größer ist als die Ausdehnung der beiden Strahlflecken, wenn die Bestrahlung nicht reduziert wird.

Bei diesen Elektronenstrahl-Lithographieverfahren wird mit einem Raster gearbeitet, dessen Rasterabstände einen Bruchteil, beispielsweise V4 der Strahlfleckgrö· ße betragen. Musterbereiche, die nicht vielfache der Strahlfleckgröße umfassen, werden durch schrittweise Ablenkung des Strahles gebildet, wobei sich dann die Strahlungsbereiche überlappen und so die gesamte gewünschte Fläche bestrahlt wird.

Da die für die Herstellung eines Musters aufzubringende Bestrahlungszeit den größeren Teil der zur Herstellung einer Lackmaske erforderlichen Zeit umfaßt, ist es wünschenswert, einen möglichst großen Strahlfleck zu wählen, insbesondere wenn ausgedehnte Musterbereiche zu bestrahlen sind. Bei den bisher bekannten Verfahren ist man in der Wahl der Strahlfleckgröße dadurch beschränkt daß die Strahlfleckgröße der kleinsten im jeweiligen Muster vorkommenden Linienbreite entsprechen muß. Außerdem ist man in der Wahl der Musterstrukturen durch das jeweilige Raster beschränkt

Es ist die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe, ein Elektronenstrahl-Lithographieverfahren der eingangs genannten Art anzugeben, mit dem Musterbereichs herstellbar sind, die sich von dem gewählten Raster unterscheiden und die Linienbreiten aufweisen, die geringer sind als die Strahlfleckgröße.

Die Lösung dieser Aufgabe ist im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 niedergelegt

Eine Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist im Anspruch 2 gekennzeichnet

Ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens wird im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 ein Belichtungsschema zur Herstellung von durch Entwicklung entfernbaren Bereichen, die kleiner als die StrahlfleckgrSße sind,

F i g. 2 eine graphische Darstellung der entwickelten Linienbreites in Abhängigkeit von bestrahlten Linienbreiten für unterschiedliche Bestrahlungsdosis,

F i g. 3 ein die Änderung der entwickelten Linienbreiten mit der Bestrahlungsdosis bei fester Entwicklungszeit registrierendes Schaubild und

F i g. 4 ein Ausführungsbeispiel für das erfindungsgemäße Verfahren, bei dem eine Lhiäeitbreite des Musters gebildet wird, die kleiner ist als die Strahlfleckgröße.

Geeignete Einrichtungen zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens sind beispielsweise in den bereits genannten US-Patentschriften 38 66 013 und 39 49 228 beschrieben.

Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich zur Herstellung von Mustern in Lacken, die auf unterschiedlichen Substraten aufgebracht sind. Es lassen sich extrem feine Linienzüge hersteüen. Das Elektronenstrahl-Lithographieverfahrc.n ist insbesondere zur Herstellung von Mustern geeignet, bei denen eine hohe Auflösung angestrebt wird. Derartige Muster werden in der integrierten Halbleitertechnik benötigt, die ein vorteilhaftes Anwendungsgebiet des erfindungsgemäßen Verfahrens ist Geeignete Materialien für die elektronenstrahlempfindlichen Lacke sind beispielsweise Polysulfone, wie beispielsweise ein Olefinsulfonpolymer, Vinylpolymere und Copolymere, wie z. B. die in den US-Patentschriften 35 35 137 und 39 87 215 beschriebenen, von niedrigen Alkylestern der Methacrylsäure abgeleiteten Copolymere, und eine Mischung eines alkaü/ösJiehen Harzes und eines o-Chinondiazids, wie z. B. einer Mischung aus Phenolformaldehyd-Hovelakharz und zwei Diazol-Üxonaphtalin-Sulfonsäureester phenolischer Verbindungen.

Eine gelöste Mischung des Lackmaterials wird in üblicher Weise auf das Substrat, beispielsweise auf einen

Halbleiter-Wafer, aufgebracht und das Lösungsmittel durch Erwärmung entfernt Das beschichtete Substrat wird dann in eine Bestrahlungseinrichtung gebracht Die Lackschicht wird dann durch schrittweise Ablenkung des fokussiert«! Elektronenstrahls von Position zu Position, und zwar linienweise getastet bestrahlt wie es beispielsweise in der US-Patentschrift 38 66 013 beschrieben ist. Die Strahlenergie liegt im allgemeinen im Bereich von etwa 3 bis 50 kV. Die Bestrahlungszeiten an jeder Position sind so gewählt daß in Abhängigkeit von to der Empfindlichkeit des jeweils verwendeten Lacks Dosen von etwa 3 bis 50 Mikro Coulomb/cm² aufgewendet werden Der Elektronenstrahl hat vorzugsweise einen quadratischen Querschnitt und wird schrittweise in einem Raster weiterbewegt dessen Vbstände einen Bruchteil der Strahlfleckgröße ausmache ■ Dies geschieht durch schrittweise Ablenkung des ^'rahles zu aufeinanderfolgenden Positionen, die beisF^;?^;sweise V₄, '/2 oder ³A der Strahlfleckgiöße nach vorwärts, rückwärts und nach rechts oder iinks 'schoben sind. Beispielsweise wird ein quadrar<=ä.cr Elektronenstrahl der Seitenlänge 2,5 μπι in e,.-e?n Rasterabstand von j),625 μπι abgelenkt

Die nach den Ausführungsbeispielen des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellten Musterst.-ukturen müssen nicht mit dem Ablenkraster übereinstimmen und die vorkommenden Linienbreiten können geringer sein als die Strahlfleckgröße. Diese Strukturen lassen sich in der gleichen Zeit herstellen wie normale Musterstrukturen. Dies erreicht man durch mehrfache, überläppende Bestrahlung bestimmter Strukturen mit reduzierter Strahlungszeit so daß unterschiedliche Bereiche des Musters unterschiedlich stark bestrahlt werden. Nur die gewünschten Bereiche des Musters erhalten die voi Ie Dosis und werden bei der nachfolgenden Entwicklung Entfernt Aufgrund der bei der mehrfachen Bestrahlung auftretenden Strahlstreuung kann eine Abstufung der Größe der erzeugten Musterbereiche erzielt werden, indem die Strahlungsdosis verändert wild. Die Bestrahlungsdosis kann durch Variieren der Zeit während der der Strahl auf den Musterbereich gerichtet ist verändert werde. >

Nach der Bestrahlung wird die Lackschicht einem Entwickler ausgesetzt beispielsweise einem organischen Lösungsmittel oder, falls als Lack Novolackharz dient, eine wäßrige alkalische Lösung, die bevorzugt die bestrahlten Bereiche der Lackschicht angreift sjnd diese Bereiche entfernt Dabei werden die darunter liegenden Oberflächenbereiche des Substrats L^-eigelegt. Es entsteht also ein positives Bild des gewünschten Musters. Das auf diese Weise auf dem Substrat erzeugte Muster aus elektronenstrahlempfindlichen Lack kann in einem weiteren Prozeßschritt ai: Maske für eine Metallisierung, eine Ionenimplantation oder für einen Ätzprozeß verwendet v. erden.

im folgenden seien zwei spezielle Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Verfahrens näher be-

Beispiel 1

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Ein gereinigter, trockener Silizium-Wafer wird mit einer 13 μπι dicken Schicht aus Polymethylmethacrylatlack eines Molekulargewichts von etwa 400 000 beschichtet. Diese Beschichtung erfolgt durch bei 2000 Umdrehungen/min durchgeführtem Aufspinnen einer Lösung von 10 Gew.-°/o des Polymers in Äthylcellosolveazetat. Anschließend wird eine Trocknung während einer Dauer von 30 Min. bei 180°C durchgeführt

Diese Lackschicht wird nun einem abtastenden Elektronenstrr hl von 25 kV ausgesetzt der einen quadratischen Querschnitt von 2,5 μπι aufweist Man erzielt eine entwickelte Teilstruktur einer Abmessung von etwa 1,25 μπι durch Bestrahlung dieser Teilstruktur als Schnittfläche in vier überlappenden Bestrahlungen mit dem die Abmessung von 25 μπι aufweisenden Eiektronenstrahlen. Dieser Vorgang ist in F i g. 1 dargestellt. Die vier Bestrahlungen sind mit den Zahlen J bis 4 in der oberen linken Ecke des Bereiches jedes Strahlfleckes bezeichnet Ein Bestrahlungsfeld der Größe von 3.75 μπι erhält man durch die Ablenkung des Strahlfleckes in einem Raster, dessen Abstände der halben Strahlfleckgröße entsprechen. Die vier Bestrahlungen erfolgen also jeweils nach Ablenkung des Strahles um eine halbe Strahlfleckbreite. Der schraffierte Bereich wird bei jeder der vier Bestrahlungen beaufschlagt so daß dieser Bereich bei normaler Strahlungszeit und Strahlungsdichte das vierfache der Einzeldosis von etwa 1 · 10⁵ Couiombs/cm² empfangen würde. Nur der schreinerte Bereich mit der Kantenlänge von 1.25 μηι wird während der normalen Entwicklung entwickelt wenn die Bestrahlungszeit bei jeder der vier Bestr«iilungen auf etwa V₄ der normalen Bestrahlungszeit herabgesetzt wird. Die Entwicklung erfolgt bei 40⁰C in einer 3-Heptanon/ Hexylacetat-Mischung im Verhältnis 1 :4.

Die Wahl der Bestrahlungsdosis in Abhängigkeit von der entwickelten Musterbereichsgröße ergibt sich aus F i g. 2. Die Darstellung zeigt daß ⁴/i4 der Nennbestrahlung bei der Belichtung einer Fläche von 3,75 - 3,75 μΐη einen entwickelten Musterbereich mit einer Kantenlänge von 1,25 μπι liefert. Diese Größe kann durch Veränderung der Bestrahlungsdosis abgestuft werden, so daß verschiedene spezielle Musterbereichsgrößen innerhalb des gesamten Belichtungsfeldes erhalten werden, die nicht mit dem Raster übereinstimmen. Dies zeigt die Darstellung in F i g. 3, wo ei bis ej zunehmende Bestrahlungsdosen kennzeichnen.

Bei betrachtetem Beispiel erfolgt eine verminderte Bestrahlung jeweils bei derselben Bestrahlungsdichte. Es ist jedoch möglich. Form und Größe der entwickelten Musterbereiche dadurch gezielt einzustellen, daß die Bestrahlungsdichte verändert wird.

Beispiel 2

Ein wie in Ausführungsbeispie! 1 mit Lack beschichteter Wafer wird bestrahlt, um ein Rechteck der Größe 1:25 · 2,5 μπι zu erhalten. Dieses rechteckige Muster entsteht im Überlappungsbereich zweier Bestrahlungen, wobei der zweite Strahlfleck um eine halbe Fleckbreite gegenüber dem ersten Strahlfleck im Raster nach rechts verschoben is:. Dieser Sachverhalt ist in Fig.4 dargestellt. Um nur den schraffierten Bereich zu entwik kein, wenn die nur einer einzigen Bestrahlung ausgesetzten anderen Bereiche des Musters voll entwickeis

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Strahlflecke auf etwa die Hälfte der normalen Bestrahlungszeit oder Bestrahlungsdichte zu reduzieren.

Mit Hilfe des :rfindungsgemäßen Verfahrens lassen sich entwickelte Strukturen erzielen, die sich vom Bestrahlungsraster unterscheiden und die geringere Abmessungen aufweisen können als der Querschnitt des Elektronenstrahls, auf dem elektronenempfindlichen Lack. Damit eröffnet sich nicht nur die Möglichkeit, Strukturen in der Lackschicht sorgfältig festzulegen, sondern auch einen hohen Durchsatz zu erreichen,

wenn Muster mit ausgedehnten Bereichen zu bestrahlen bzw. zu entwickeln sind. Durch Verwendung eines Elektronenstrahls mit ausgedehntem Strahlfleck lassen sich relativ schnell große Bereiche bestrahlen, außerdem aber auch kleinere Abmessungen aufweisende Musterbereiche herstellen. Das erfindungsgemäße Verfahren gewährleistet bei der Herstellung von Mustern eine optimale Auflösung und einen hohen Durchsatz.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

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45 50 55 60 65

Claims

Patentansprüche:

1. Elektronenstrahl-Lithographieverfahren basierend auf dem Prinzip des Rasterelektronenmikroskops unter Verwendung eines elektronenstrahlempfindlichen Lackes, der durch Tastung des Elektronenstrahls entsprechend einem vorgegebenen Muster bestrahlt und dessen bestrahlte Bereiche durch Entwicklung entfernt werden, bei dem die Rasterabstände einen Bruchteil der Strahlfieckgröße betragen, bei dem Bereiche des Musters mit reduzierter Bestrahlungsdosis bestrahlt werden und bei dem Bereiche des Musters mehrfach überlappend bestrahlt werden, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb des Musters durch mehrfache, überlappende Bestrahlungen mit reduzierter Bestrahlungsdosis durch Entwicklung entfernbare Bereiche gebildet werden, die nicht mit dem Raster und/oder der Strahlflcckgröße übereinstimmen.

Z Elektronenstrahl-Lithographieverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bereiche eine kleinere Abmessung als der Strahlfleck aufweisen.