DE3044434A1 - RESIST STRUCTURE ON A SUBSTRATE AND METHOD FOR DESIGNING A PATTERN IN THIS - Google Patents
RESIST STRUCTURE ON A SUBSTRATE AND METHOD FOR DESIGNING A PATTERN IN THISInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf die Bearbeitung von Bauelementen und insbesondere dort, wo hoch aufgelöste Merkmale herzustellen sind.The invention relates to the machining of components and particularly where high-resolution features are to be produced are.
Demgemäß ist die Erfindung gerichtet auf einen Resistaufbau auf einem Substrat der im Oberbegriff angegebenen Art sowie auf ein Verfahren zur Herstellung eines Musters in einem solchen Resistaufbau.Accordingly, the invention is directed to a resist build-up on a substrate of the type specified in the preamble and to a method for producing a pattern in such a resist structure.
Die Herstellung von Bauelementen, wie Halbleiterbauelementen und Magnetblasenbauelementen, beruht in großem Ausmaß auf lithographischen Prozessen. Bei diesen lithographischen Prozessen wird ein Resistmaterial mit Strahlungsenergie, beispielsweise Röntgenstrahlung, Elektronen oder Licht, in einem gewünschten Muster bestrahlt. Diese Exposition induziert eine chemische Reaktion im bestrahlten Gebiet des Resistmaterials. Die chemische Reaktion gestattet eine Entwicklung, d. h. die Herausarbeitung des Musters, durch Ändern der Löslichkeit des exponierten Gebietes gegenüber der des nicht exponierten Gebietes; es wird' daher die Entfernung des exponierten Gebietes im Falle eines Positivresists oder des nicht exponierten Gebietes im Falle eines Negativresists ermöglicht. Zahlreiche ResistmaterialienThe manufacture of devices such as semiconductor devices and magnetic bubble devices is largely lithographic Processes. In these lithographic processes, a resist material with radiant energy, for example X-rays, electrons or light, irradiated in a desired pattern. This exposure induces a chemical Reaction in the exposed area of the resist material. The chemical reaction allows development, i. H. the elaboration the pattern, by changing the solubility of the exposed area from that of the unexposed area; it will' hence the removal of the exposed area in the case of a positive resist or the unexposed area in the case of a negative resist. Numerous resist materials
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sind entwickelt worden. Beispielsweise ist Polymethylmethacrylat (PMMA) als Resistmaterial eingesetzt worden und hat zu relativ guter Auflösung geführt, d. h. zu einer Auflösunq, wie diese durch eine Linienbreite im Bereich von 1000 bis 100 Nanometer (10.000 bis 1.000 R) auf dicken Substraten (dicker als 10 Mikrometer) gemessen wird. Obgleich PMMA relativ hohe Auflösung besitzt, ist seine Empfindlichkeit dort etwas niedrig, wo hoher Durchsatz verlangt wird.have been developed. For example, polymethyl methacrylate (PMMA) has been used as a resist material and has led to relatively good resolution, i.e. to a resolution such as that shown by a line width in the range from 1000 to 100 nanometers (10,000 to 1,000 R) on thick substrates (thicker than 10 micrometers) is measured. Although PMMA has a relatively high resolution, its sensitivity is somewhat low where high throughput is required.
PMMA ist auf vielerlei Wegen modifiziert worden, um eine begleitende Änderung der Eigenschaften wie die Empfindlichkeit zu erhalten. Beispielsweise ist das grundsätzliche Monomer von PMMA, d. h. Methylmethacrylat mit Methacrylsäure copolymerisiert worden. Obgleich dieses Copolymer nicht die ausgezeichnete Auflösung von PMMA besitzt, hat es gleichwohl eine erhöhte Empfindlichkeit und hat sich deshalb dort empfohlen, wo hohe Auflösung nicht wesentlich ist und wo relativ hohe Empfindlichkeit der wünschenswertere Faktor ist. Ein Beispiel hierfür ist der Entwurf von Verbindungsleitungen für.LSI's (hochintegrierte Schaltungen) .PMMA has been modified in a number of ways to be an accompanying one Change in properties such as sensitivity. For example, the basic monomer is from PMMA, d. H. Methyl methacrylate has been copolymerized with methacrylic acid. Although this copolymer does not have the excellent resolution of PMMA, it nevertheless has an increased sensitivity and is therefore recommended wherever high resolution is not essential and where relatively high sensitivity is the more desirable factor. An example of this is the draft of connecting cables for LSI's (highly integrated circuits) .
Die niedrigere Empfindlichkeit von PMMA ist auch bei Resistkonfigurationen, die zum Erhalt hoher Auflösung entworfen sind, angewandt worden. Beispielsweise ist die Verwendung eines zweilagigen Resistaufbaues mit einer oberen Schicht aus demThe lower sensitivity of PMMA is also evident in resist configurations, designed to obtain high resolution have been used. For example, using a two-layer resist structure with an upper layer from the
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Copolymer von Methacrylsäure und Methylmethacrylat und einer unteren Schicht aus PMMA erörtert worden. (Siehe Grobman et. at., Proceedings of IEEE 1978 IEDM, Seite 58.) Wenn dieser Resistaufbau mit einer Dosis bestrahlt wird, die ausreicht, die obere polymere Schicht zu exponieren, dann wird in der unteren, der PMMA-Schicht relativ wenig chemische Änderung induziert. (Dieses tritt als Folge der niedrigeren Empfindlichkeit von PMMA auf.) Die obere Schicht wird entwickelt, und nach diesem Entwicklungsschritt wird ein Lösungsmittel eingeführt, um das nicht abgedeckte PMMA abzulösen.Copolymer of methacrylic acid and methyl methacrylate and one PMMA lower layer has been discussed. (See Grobman et. At., Proceedings of IEEE 1978 IEDM, p. 58.) When this resist structure is irradiated with a dose sufficient to expose the upper polymer layer, then in the lower, relatively little chemical change induced in the PMMA layer. (This occurs as a result of the lower sensitivity of PMMA.) The top layer is developed, and after this development step, a solvent is introduced to remove the to remove uncovered PMMA.
Da zunehmend bessere Auflösung sowohl sehr hohe Integration als auch diskrete Bauelemente, die auf sehr feinen Merkmalen beruhen, ging viel Forschungsarbeit in Richtung einer Verbesserung der Auflösung bei einem ZweiSchichtenaufbau und in Richtung von Resistzusammensetzungen, die allein erhöhte Auflösung haben. Im allgemeinen sind Auflösungen im Bereich von 250 bis 2.000 nm (2500 bis 20000 R) für zweischichtige Anordnungen und im Bereich von 100 bis 3000 nm (1000 bis 30000 8) für Einzelresist-Zusammensetzungen derzeit auf Substraten, die dicker als 10 Mikrometer sind, erreichbar.With increasingly better resolution, both very high integration and discrete components based on very fine features, much research has been directed towards improving the resolution in a two-layer structure and towards resist compositions which alone have increased resolution. In general, resolutions in the range of 250 to 2,000 nm (2500 to 20,000 R) for two-layer arrangements and in the range of 100 to 3000 nm (1000 to 30,000 R) for single resist compositions are currently achievable on substrates thicker than 10 microns .
Erfindungsgemäß ist nun sehr gute Auflösung, d. h. eine Auflösung bis zu 40 nm (400 S)y erhältlich durch Verwendung einerAccording to the invention, very good resolution, ie a resolution of up to 40 nm (400 S) y , can now be obtained by using a
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sorgfältig ausgewählten zweilagigen Resistzusammensetzung, d. h. eines Aufbaues mit einem unteren Positivresistmaterial zwischen - und in innigem Kontakt hiermit - sowohl einem Substrat als auch einem oberen Positivresistmaterial. Die Dicke des unteren Resistmaterials wird so gewählt, daß die Anzahl rückgestreuter Elektronen, die in einem gegebenen Gebiet bei der Unterseite des oberen Resistmaterials auftreffen, reduziert wird. Zusätzlich sollte das obere Resistmaterial dünner als das untere Resistmaterial sein und die Empfindlichkeit des unteren Resistmaterials muß ausreichend hoch sein, um diesen Dicken-Unterschied zu kompensieren.carefully selected two-layer resist composition; d. H. of a structure with a lower positive resist material between - and in intimate contact therewith - both a substrate and an upper positive resist material. The fat of the lower resist material is chosen so that the number of backscattered electrons in a given area hit the underside of the upper resist material, reduced will. In addition, the upper resist material should be thinner than the lower resist material and the sensitivity of the lower one Resist material must be sufficiently high to accommodate this difference in thickness to compensate.
Beispielhaft für den erfindungsgemäßen Resistaufbau ist ein zweischichtiger Aufbau mit einer oberen Schicht aus PMMA und einer unteren Schicht aus einem Copolymer von Methylmethacrylat und Methacrylsäure (P(MMA/MAS)). Mit dieser beispielhaften Zusammensetzung sind bis zu 40 nm (400 8) schmale Linien erhältlich. An example of the resist structure according to the invention is Two-layer structure with an upper layer made of PMMA and a lower layer made of a copolymer of methyl methacrylate and methacrylic acid (P (MMA / MAS)). With this exemplary composition, lines as narrow as 40 nm (400 8) can be obtained.
Der erfindungsgemäße zweischichtige Resistaufbau ist im Anspruch 1 gekennzeichnet, und Weiterbildungen hiervon in den Ansprüchen 2 bis 6. Ein Verfahren zum Entwerfen eines Musters in einem solchen Resistaufbau ist Gegenstand des Anspruches 7, während Weiterbildungen des Verfahrens Gegenstand der Ansprüche 8 ff sind.The two-layer resist structure according to the invention is characterized in claim 1, and further developments thereof in FIG Claims 2 to 6. A method for designing a pattern in such a resist structure is the subject of claim 7, while further developments of the method are the subject of claims 8 ff.
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Nachstehend ist die Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben; es zeigen:The invention is described below with reference to the drawing; show it:
Fig. 1 und 2 einen zweischichtigen Resistaufbau nach Exposition und Entwicklung auf einem Substrat in Schnittansicht undFigures 1 and 2 show a two-layer resist build-up after exposure and development on a substrate in sectional view and
Fig. 3 und 4 zwei Beispiele von im Resist zu entwerfenden Mustern. Figures 3 and 4 show two examples of patterns to be designed in the resist.
Die Verwendung des erfindungsgemäßen Zweischichtensystems liefert höhere Auflösungen als dieses mit einer einzigen Schicht aus entweder dem einen oder dem anderen Schichtmaterial. Die Erklärung für dieses Phänomen ist darin zu sehen, daß, wenn die exponierende Strahlung, z. B. Elektronen, auf das das Resistmaterial tragende Substrat auftrifft, Sekundärelektronen erzeugt werden. Die Sekundär- und Primärelektronen, die rückgestreut werden, treffen auf das benachbarte Resistmaterial und verursachen dort eine chemische Reaktion. Da diese Elektronenrückstreuung über einen 2if -Raumwinkel auftritt, ist das exponierte Gebiet des unteren Resistmaterial größer als das direkt von der einfallenden Strahlung getroffene Gebiet. Durch die Verwendung eines Zweischichtenaufbaues treffen die rückgestreuten Elektronen zuerst das untere Resistmaterial. Wenn diesesThe use of the two-layer system according to the invention provides higher resolutions than this with a single layer of either one or the other layer material. The explanation for this phenomenon can be seen in the fact that when the exposing radiation, e.g. B. electrons on the substrate carrying the resist material strikes, secondary electrons are generated. The secondary and primary electrons that are backscattered hit the neighboring resist material and cause a chemical reaction there. Since this electron backscatter occurs over a 2if spatial angle, the exposed area of the lower resist material is larger than the area directly hit by the incident radiation. By using a two-layer structure, the backscattered electrons hit the lower resist material first. If this
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Resistmaterial relativ dick ist, dann verlaufen sich diese Elektronen ausreichend, so daß sie im oberen Resistmaterial kein nennenswertes Ausmaß an chemischer Änderung erzeugen. D. h., je dicker das untere Resistmaterial wird, desto geringer wird die Anzahl rückgestreuter Elektronen pro Flächeneinheit/ die das obere Resistmaterial an der Grenzfläche zwischen oberem und unterem Resistmaterial erreichen. Je kleiner das Ausmaß dieser Exposition als Folge von Rückstreuung wird, desto geringer ist die Verschlechterung in der Auflösung. Sonach muß das untere Resistmaterial ausreichend dick sein, damit es nicht den Erhalt der gewünschten Auflösung ausschließt.Resist material is relatively thick, then these electrons dissipate sufficiently that they are in the upper resist material do not produce any appreciable amount of chemical change. That is, the thicker the lower resist material, the smaller it is becomes the number of backscattered electrons per unit area / that the upper resist material at the interface between Reach upper and lower resist material. The smaller the extent of this exposure as a result of backscattering, the smaller the deterioration in resolution is less. Accordingly, the lower resist material must be thick enough so that it does not precludes receipt of the desired resolution.
Die Abhängigkeit der Auflösung von der Dicke des unteren Resistmaterials ist durch Verwendung eines gesteuerten Musters bestimmbar, um die erreichte Auflösung für eine gegebene Zusammensetzung und Dicke des unteren Resistes zu bestimmen. Bei einer bevorzugten Ausfuhrungsform wird die Dicke ausreichend groß gewählt, so daß die rückgestreuten Elektronen die erreichte Auflösung nicht verbessern können, d. h., daß die Auflösung mit höheren Dicken des unteren Resists nicht oder nicht mehr verbessert werden kann. Die Anzahl der rückgestreuten Elektronen hängt von der Substratzusammensetzung und von der Energie der Expositionsstrahlung ab. Im allgemeinen sollte für Substratmaterialien, wie Silicium und für typische Elektronenstrahlenergien von 25 bis 30 keV das untere Resistmaterial eine DickeThe dependence of the resolution on the thickness of the lower resist material is determinable by using a controlled pattern to determine the resolution achieved for a given composition and determine the thickness of the lower resist. In a preferred embodiment, the thickness is sufficient chosen to be large, so that the backscattered electrons cannot improve the resolution achieved; that is, the resolution with higher thicknesses of the lower resist cannot be improved or can no longer be improved. The number of backscattered electrons depends on the composition of the substrate and on the energy of the exposure radiation. In general, for substrate materials, like silicon and for typical electron beam energies of 25 to 30 keV the lower resist material has a thickness
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von wenigstens 100 nm (1000 R), vorzugsweise von mehr als 200 nm (2000 S) haben, um diese Forderung zu erfüllen.of at least 100 nm (1000 R), preferably more than 200 nm (2000 S) to meet this requirement.
Wenn die vorstehend beschriebene Dickenforderung erfüllt ist, bestimmen Dicke und Zusammensetzung des oberen Resistmaterials zusammen mit den Bearbeitungsparametern die erhältliche Auflösung. Allgemein gilt, je dicker der Resist, desto schlechter die Auflösung. Strahlungsexposition eines Resists erhöht die Lösungsgeschwindigkeit des exponierten Resistmaterials in einem geeigneten Entwickler. Je größer die Expositionsdosis, desto größer ist dLe Lösungsgeschwindigkeit bis zu einem Sättigungspunkt. Die Größe der Änderung der Lösungsgeschwindigkeit be sich ändernder Exposition hängt von der Zusammensetzung des Materials ab. Wenn der Resist mit einem Entwickler behandelt wird, beginnt das In-Lösung-Gehen an der Oberseite des oberen Resistmaterials. Die Entwicklung schreitet in allen Richtungen fort, wobei das In-Lösung-Gehen in einer gegebenen Richtung mit einer Geschwindigkeit fortschreitet, die vom in dieser Richtung induzierten Grad der chemischen Änderung abhängig ist; je größer die chemische Änderung, desto größer die Geschwindigkeit. Die Entwicklungsgeschwindigkeit ist deshalb am stärksten in Richtung der Expositionsstrahlung, sie ist aber auch in anderen Richtungen als Folge einer Exposition mit gestreuten Elektronen bedeutsam. Je dicker das Material oder je kleiner die Änderung in der Lösungsgeschwindigkeit ist, desto längerWhen the above-described thickness requirement is met, the thickness and composition of the upper resist material determine together with the machining parameters, the available resolution. In general, the thicker the resist, the worse the resolution. Exposure to radiation of a resist increases the rate of dissolution of the exposed resist material in a suitable developer. The greater the exposure dose, the greater the rate of dissolution up to a saturation point. The magnitude of the change in the rate of dissolution with changing exposure depends on the composition of the Materials. When the resist is treated with a developer, the dissolution begins at the top of the upper one Resist material. Development proceeds in all directions, with the going into solution in a given direction advances at a rate dependent on the degree of chemical change induced in that direction; ever the greater the chemical change, the greater the speed. The speed of development is therefore the strongest in the direction of the exposure radiation, but it is also scattered in other directions as a result of exposure to Electrons significant. The thicker the material or the smaller the change in the rate of dissolution, the longer
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ist die erforderliche Entwicklungszeit, um das gewünschte Muster durch die Resistdicke hindurch zu erzeugen. Je länger die Entwicklungsdauer ist, desto größer wird die Menge an weggelöstem Material in Gebieten benachbart zu diesem Muster und desto schlechter folglich die Auflösung.is the development time required to create the desired pattern through the resist thickness. The longer the development time, the greater the amount of material dissolved away in areas adjacent to this pattern and consequently the worse the resolution.
Die Erfindung ist vorteilhaft auf den Erhalt einer Auflösung von 500 nm (5000 R) oder besser gerichtet. Zum Erhalt einer solchen Auflösung müssen das obere Resistmaterial und seine Dicke so gewählt werden, daß die Öffnung in der oberen Oberfläche des Resistmaterials, wie diese nach Exposition und nachfolgender Entwicklung entsteht, 500 nm oder kleiner in Musterbereichen ist, die diese Zeichnungsfeinheit erfordern. Typischerweise wird dies durch Dicken von weniger als 1 Mikrometer des oberen Resistmaterials für Materialien, wie PMMA, erreicht. Es ist möglich, die öffnungsbreite an der oberen Oberfläche und die resultierende Auflösung durch Elektronenmikroskopie zu messen. Für ein gegebenes gewähltes Material ist sonach die für eine gewünschte Auflösung erforderliche Dicke mit Hilfe dieser Meßmethode in Verbindung mit einer Kontrollprobe bestimmt. The invention is advantageously directed to obtaining resolution of 500 nm (5000 R) or better. To obtain such a resolution, the upper resist material and its thickness must be selected so that the opening in the upper surface of the resist material, as formed after exposure and subsequent development, is 500 nm or smaller in pattern areas which require this drawing fineness. Typically this is achieved by having the top resist material less than 1 micrometer thick for materials such as PMMA. It is possible to measure the opening width on the upper surface and the resulting resolution by electron microscopy. For a given selected material, the thickness required for a desired resolution is determined with the aid of this measuring method in conjunction with a control sample.
Das für die untere Schicht verwendete Material hängt von der Wahl des Materials für die obere Schicht ab. Wie oben beschrieben, wird die obere Schicht so gewählt, daß eine gegebene Auf-The material used for the bottom layer depends on the choice of material for the top layer. As described above, the upper layer is chosen in such a way that a given
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lösung erhalten wird. Das obere Resistmaterial wird exponiert, so daß nach Entwicklung die gesamte Dicke des exponierten Gebietes innerhalb einer Zeitspanne entfernt wird, die zur Verhinderung einer Auflösungsverschlechterung adäquat ist. Das untere Resistmaterial wird notwendigerweise im wesentlichen derselben Strahlungsdosis ausgesetzt, wie diese zur Exposition des oberen Resistmaterial verwendet wird. (Die Anzahl von Elektronen oder anderen Expositionsenergieeinheiten, die das obere Resistmaterial erreichen, nicht aber das untere Resistmaterial, ist im Vergleich zur einfallenden Gesamtstrahlung vernachlässigbar .)solution is obtained. The top resist material is exposed so that, after development, the entire thickness of the exposed area is removed within a period of time adequate to prevent deterioration in resolution. That The lower resist material is necessarily exposed to substantially the same dose of radiation as that used for exposure of the upper resist material is used. (The number of electrons or other units of exposure energy that the Reaching the upper resist material, but not the lower resist material, is negligible compared to the total incident radiation .)
Für die angewandte Dosis muß das untere Resistmaterial ebenfalls einer ausreichenden Reaktion unterliegen, wie diese durch die einfallende Strahlung und die am Substrat rückgestreuten Elektronen erzeugt wird, so daß nach Entwicklung die gesamte Dicke im exponierten Gebiet ohne nennenswerte Verschlechterung der erhältlichen Auflösung entfernt wird. Die Erfüllung dieses Kriteriums hängt von der Dicke und. Empfindlichkeit des Materials ab. Um die Forderung nach einer Begrenzung der Anzahl rückgestreuter Elektronen pro Flächeneinheit, die das obere Resistmaterial erreichen, zu erfüllen und eine Auflösung besser als 500 nm beizubehalten, ist im allgemeinen ein Verhältnis von Dicke des unteren Resists zur Dicke des oberen Resists im Bereich von 50 : 1 bis 1 : 1 erforderlich.For the dose used, the lower resist material must also undergo a sufficient reaction as this by the incident radiation and the backscattered electrons on the substrate are generated, so that after development the entire Thickness in the exposed area is removed without any appreciable deterioration in the available resolution. The fulfillment of this Criterion depends on the thickness and. Sensitivity of the material away. To meet the requirement to limit the number of backscattered electrons per unit area that the upper resist material achieve, meet and maintain a resolution better than 500 nm is generally a ratio of Thickness of the lower resist to the thickness of the upper resist in the range of 50: 1 to 1: 1 required.
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Da der Entwickler das untere Resistmaterial solange nicht erreicht, bis eine Lösung durch die gesamte Dicke des oberen Resistmaterial erfolgt ist, muß die Empfindlichkeit des unteren Resistmaterial größer sein als die des oberen, um eine Verschlechterung der Auflösung zu vermeiden. Es findet eine weitere Entwicklung der oberen Schicht während jener Zeit statt, die für eine adäquate Entwicklung der unteren Schicht erforderlich ist. Obgleich die stärker bestrahlten Gebiete (jene Gebiete, die dem gewünschten Muster entsprechen) bereits entfernt sind, fahren weniger bestrahlte Gebiete (die zum Muster benachbarten Gebiete) fort, in Lösung zu gehen. Wenn diese zusätzliche Entwicklungszeit übermäßig wird, wird auch die Auflösungsverschlechterung signifikant. Das grundsätzliche Kriterium ist, daß die Empfindlichkeit des unteren Resistmaterials ausreichend sein muß derart, daß die für das untere Resistmaterial benötigte Entwicklungsdauer nicht den Erhalt der gewünschten Auflösung verhindert. Sonach muß die Empfindlichkeit des unteren Resistmaterials immer deutlich größer als die des oberen sein. Generell wird dieses Ziel erreicht durch Verwenden eines unteren Resistmaterials, das nicht mehr als die Hälfte, vorzugsweise nicht mehr als ein Viertel der Entwicklungszeit (für eine gegebene Expositionsdosis und einen gegebenen Entwickler) erfordert, wie diese für die obere Schicht benötigt wird.Since the developer does not reach the lower resist material until a solution through the entire thickness of the upper Resist material is done, the sensitivity of the lower resist material must be greater than that of the upper to to avoid a deterioration in the resolution. There is a further development of the upper layer during that Time required for adequate lower layer development. Although the more irradiated Areas (those areas that match the desired pattern) are already removed, drive less irradiated areas (the areas adjacent to the pattern) continue to resolve. If that extra development time becomes excessive, so will the deterioration in resolution is significant. The basic criterion is that the sensitivity of the lower resist material must be sufficient such that the development time required for the lower resist material does not preserve it the desired resolution prevented. Accordingly, the sensitivity of the lower resist material must always be significantly greater than that of the upper one. Generally, this goal is achieved by using a lower resist material that is no more than half, preferably no more than a quarter of the development time (for a given exposure dose and one given developer) as it is needed for the top layer.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform werden Elektronenstrahlenbündel einer durchschnittlichen Elektronenenergie von 25 bis 30 keV und einer Stromdichte bei der oberen Schicht des Resistaufbaus von 10 A/cm^ bis 0,3 A/cm^ benutzt. (Röntgenstrahlenexposition ist ebenfalls möglich.) Die Verwendung von noch energiereicheren Elektronen ist jedoch nicht ausgeschlossen. Größere Stromdichten sind ebenfalls nicht ausgeschlossen, wenn die Kohärenz des Strahls aufrechterhalten bleibt. Der Querschnitt des Strahlenbündels an der Oberseite der oberen Resistschicht soll so eingestellt sein, daß er kleiner als das kleinste zu zeichnende Merkmal ist. Übermäßige oder unzureichende Dosen führen zu verschlechterter Auflösung. Ublicher-In a preferred embodiment, electron beams are used an average electron energy of 25 to 30 keV and a current density in the upper layer of the resist build-up of 10 A / cm ^ to 0.3 A / cm ^ is used. (X-ray exposure is also possible.) However, the use of electrons that are even more energetic is not excluded. Higher current densities are also not ruled out if the coherence of the beam is maintained. Of the Cross section of the beam at the top of the upper resist layer should be set so that it is smaller than that is the smallest feature to be drawn. Excessive or insufficient doses result in poor dissolution. Usual-
weise werden Dosen von 200 bis 400 uC/cm verwendet. Elektronenstrahlenbündel, die für die vorliegenden Zwecke geeignet sind, werden beispielsweise unter Verwendung einer üblichen Abtastelektronenmikroskopapparatur erhalten.doses of 200 to 400 uC / cm are used. Electron beam, which are suitable for the present purposes are, for example, using a conventional Scanning electron microscope apparatus obtained.
Die durch Exposition erhältliche Struktur des vorliegenden Resistaufbaues ist in Fig. 1 dargestellt. Das untere Resistmaterial 5 weist wegen seiner höheren Empfindlichkeit nach Belichtung und Entwicklung einen hinterschnittenen Bereich 4 auf. Wenn die Mustermerkmale dicht beieinander liegen, ist es möglich, daß die beiden betroffenen Hinterschneidungsbereiche im unteren Resistmaterial einander überlappen, wie dieses in Fig. 2 bei 6 dargestellt ist, so daß das exponierte GebietThe structure of the present resist structure obtainable by exposure is shown in FIG. The lower resist material 5 has an undercut area 4 due to its higher sensitivity after exposure and development on. If the pattern features are close together, it is possible that the two undercut areas concerned overlap in the lower resist material, as shown in Fig. 2 at 6, so that the exposed area
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nach Entwicklung zusammenfällt. (Die bei 6 dargestellten gestrichelten Linien geben das Gebiet an, wo sich die beiden Hinterschneidungsbereiche überlappen. Wenn die Musterlinien zu lang für einen gegebenen Überlappungsgrad sind, dann fällt der nicht unterstützte Bereich des Resists zusammen.) Generell sollte zur Vermeidung jeder Überlappung die Dicke des unteren Resists kleiner als das Zweifache des Abstandes zwischen den Merkmalen im gewünschten Muster sein. Das Auftreten einer Hinter schneidung, die einen überhängenden Teil des oberen Resists begrenzter Länge zurückläßt, ist ohne auftretenden Kollaps möglich. Generell sollte zum Vermeiden eines Kollapses ununterstützte Spannweiten eine Länge haben, die kleiner als das Fünffache der Breite ist. Wenn dieses wegen der anderen oben erörterten Kriterien nicht möglich ist, dann sollte der Musterabstand vergrößert werden. Wie erörtert, sollte die Empfindlichkeit des unteren Resistmaterial ausreichend sein, um nicht die Auflösung zu begrenzen. Wenn diese Empfindlichkeit das Zeichnen eines Musters mit einer gewünschten Entfernung zwischen Musterlinien verhindert, dann muß der Abstand vergrößert werden. Typischerweise können vorliegend Muster mit Abmessungen von beispielsweise 150 run (1500 Ä) Länge und 50 nm (500 A) Abstand oder 500 nm (5000 R) Länge und 140 nm (1400 S) Abstand erhalten werden.after development coincides. (The dashed lines shown at 6 indicate the area where the two undercut areas overlap. If the pattern lines are too long for a given degree of overlap, the unsupported area of the resist will coincide.) In general, to avoid any overlap, the thickness of the lower resists must be less than twice the distance between features in the desired pattern. The occurrence of an undercut, which leaves an overhanging portion of the upper resist of limited length, is possible without collapse occurring. In general, to avoid collapse, unsupported spans should be less than five times the width. If this is not possible because of the other criteria discussed above, then the pattern spacing should be increased. As discussed, the sensitivity of the lower resist material should be sufficient so as not to limit the resolution. If this sensitivity prevents drawing of a pattern with a desired distance between pattern lines, then the distance must be increased. Typically, in the present case, patterns with dimensions of, for example, 150 run (1500 Å) length and 50 nm (500 Å) spacing or 500 nm (5000 R) length and 140 nm (1400 S) spacing can be obtained.
Da Unterschneidungen mit dem vorliegenden Resistaufbau erhalten 7/8Since undercuts are obtained with the present resist build-up 7/8
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werden, sind schiefe Aufdampfmethoden (siehe Dolan, Applied Physics Letters, 31, 337 (1977)) mit der Verwendung des vorliegenden Resistaufbaues kompatibel. Beispielsweise sind Bauelemente, die durch schiefes Bedampfen erzeugt werden, etwa die in E. L. Hu et al., IEEE Transactions on Magnetics, MAG 15, 585 (1979) beschriebenen, durch Verwendung des vorliegenden Schichtaufbaues erhältlich. Außerdem sind übliche Bedampfungsmethoden mit einer senkrecht zum Substrat gerichteten Bedampf ungsströmung mit dem vorliegenden Resistaufbau verträglich.are crooked vapor deposition methods (see Dolan, Applied Physics Letters, 31, 337 (1977)) with the use of the present Resist build-up compatible. For example, components that are generated by oblique vapor deposition are, for example those described in E.L. Hu et al., IEEE Transactions on Magnetics, MAG 15, 585 (1979) using the present Layer structure available. In addition, there are common steaming methods with a vapor flow directed perpendicular to the substrate, compatible with the present resist structure.
Das Zweischichtenmaterial wird nach üblichen Methoden hergestellt. Die untere Schicht, die Schicht 5 in Fig. 1, wird zunächst auf das gewünschte Substrat 7 nach üblichen Methoden wie Schleuderverfahren aufgebracht (siehe Handbook of Thin Film Technology, L. I. Maissei und R. Glang, McGraw Hill, 1970, Seite 7 - 31). Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird dann das obere Resistmaterial 8 auf das untere Resistmaterial nach üblichen Methoden, etwa im Schleuderverfahren, aufgebracht. Es ist wünschenswert, daß das Lösungsmittel, das für die Schleuderung des oberen Resistmaterial auf das untere Resistmaterial benutzt wird, letzteres nicht löst. Wenn beispielsweise PMMA als das obere Resistmaterial und P(MMA/MAS) als das untere Resistmaterial verwendet werden, dann werden die Lösungsmittel Chlorobenzol und Essigsäure als das Schleudervehikel für die obere bzw. untere Resistschicht benutzt. Die Dicke einer imThe two-layer material is produced by customary methods. The lower layer, the layer 5 in FIG. 1, is first applied to the desired substrate 7 by conventional methods such as Centrifugal process applied (see Handbook of Thin Film Technology, L. I. Maissei and R. Glang, McGraw Hill, 1970, Pages 7 - 31). In a preferred embodiment, the upper resist material 8 is then applied to the lower resist material customary methods, such as the centrifugal process, applied. It is desirable that the solvent used for the spin of the upper resist material is used on the lower resist material, the latter does not dissolve. For example, if PMMA are used as the upper resist and P (MMA / MAS) as the lower resist, then the solvents Chlorobenzene and acetic acid are used as the sling vehicle for the top and bottom resist layers, respectively. The thickness of an im
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Schleuderverfahren aufgebrachten Schicht bestimmt sich durch Konzentration der Schleuderlösung und durch die Schleuderdrehzahl. Die erforderliche Konzentration einer gegebenen Lösung und die gewählte Schleuderdrehzahl im Hinblick auf eine gegebene Dicke ändert sich mit den benutzten Materialien und läßt sich in jedem Falle leicht anhand von Kontrollproben ermitteln. The layer applied by the centrifugal process is determined by the concentration of the centrifugal solution and the spin speed. The required concentration of a given solution and the selected spin speed with regard to a The given thickness changes with the materials used and can easily be determined in each case on the basis of control samples.
Nachstehend ist ein Beispiel für den vorliegenden Resistaufbau sowie eine Einrichtung zu dessen weiterer Verwendung angegeben .An example of the present resist structure and a device for its further use are given below .
Ein 2,54 cm χ 1,27 cm χ 0,0508 cm (1 Zoll χ 0,5 Zoll χ 0,020 Zoll) großes Siliciumsubstrat mit einer auf eine örtliche Glätte von besser als 10 nm (100 R) polierten Seite wurde durch Eintauchen in eine Heißwasser/Detergentienlösung gereinigt. Die Lösung wurde dabei annähernd 30 Minuten lang mit Ultraschall gerührt. Das Substrat wurde dann aus der Detergentienlösung entfernt, in heißem Wasser gespült, gefolgt von einer Spülung in deionisiertem Wasser. Das Substrat wurde dann mit einem feinen Schwamm in deionisiertem Wasser abgerieben. Zur Entfernung des Wassers wurde das Substrat in einem Dampfentfetter mit Isopropylalkoholdampf behandelt. Das Substrat wurde dann mit trockenem Stickstoffgas trockengeblasen.A 2.54 cm by 1.27 cm by 0.0508 cm (1 inch by 0.5 inch by 0.020 inch) silicon substrate with one side polished to a local smoothness of better than 10 nm (100 R) was dipped in a hot water / detergent solution cleaned. The solution was stirred with ultrasound for approximately 30 minutes. The substrate was then removed from the detergent solution, rinsed in hot water, followed by a rinse in deionized water. The substrate was then rubbed with a fine sponge in deionized water. The substrate was treated with isopropyl alcohol vapor in a vapor degreaser to remove the water. The substrate was then blown dry with dry nitrogen gas.
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Das Siliciumsubstrat wurde 3 Minuten lang in einen 70 0C warmen Haftungsbeschleuniger, hauptsächlich Hexamethyldisilazan, eingetaucht. Das behandelte Substrat wurde in Xylol gespült und erneut mit trockenem Stickstoff trockengeblasen. Das Substrat wurde in Luft bei 70 0C "gebacken". Sodann wurde Shipley-AZ-135OJ-Resist (ein Produkt der Shipley Corporation, das hauptsächlich eine Polymerzusammensetzung auf der Basis von Cresol-Formaldehydharz ist) im Schleuderverfahren auf die polierte Fläche des Substrats 30 Sekunden lang bei 6000 Umdrehungen pro Minute aufgebracht. Die Schleuderapoaratur wurde während dieses Vorganges mit einem Becher abgedeckt, um den Resist daran zu hindern, zu schnell zu trocknen. Der Resist wurde dann 30 Minuten lang bei 70 0C "gebacken".The silicon substrate was immersed in an adhesion accelerator at 70 ° C., mainly hexamethyldisilazane, for 3 minutes. The treated substrate was rinsed in xylene and blown dry again with dry nitrogen. The substrate was "baked" in air at 70 ° C. Shipley AZ-135OJ resist (a product of Shipley Corporation, which is mainly a polymer composition based on cresol-formaldehyde resin) was then spin applied to the polished surface of the substrate for 30 seconds at 6000 revolutions per minute. The spinning apparatus was covered with a beaker during this process in order to prevent the resist from drying too quickly. The resist was then "baked" at 70 ° C. for 30 minutes.
Der Resist wurde mit Licht einer Quecksilberbogenlampe im Muster des Leitungsrahmens nach Fig. 3 belichtet (die innere dargestellte öffnung ist ein 4 5 Mikrometer-Quadrat). Zur Erzeugung dieses Musters wurde eine übliche optische Maske benutzt. Der belichtete Resist wurde 5 Minuten lang in Chlorobenzol entwickelt und trockengeblasen. Der Resist wurde dann in einer 1 : 1-Lösung von AZ-Entwickler in Wasser bis zum vollen Erscheinen des Musters entwickelt. (AZ-Entwickler ist ein Erzeugnis der Shipley Corporation und ist grundsätzlich eine wäßrige Natriumhydroxidlösung, die ein Benetzungsmittel enthält.) Das Substrat wurde mit seinem entwickelten Resistmuster in denThe resist was exposed to light from a mercury arc lamp in the pattern of the lead frame shown in FIG opening is a 4 5 micron square). A conventional optical mask was used to generate this pattern. The exposed resist was developed in chlorobenzene for 5 minutes and blown dry. The resist was then in a 1: 1 solution of AZ developer in water until full appearance of the pattern. (AZ Developer is a product of Shipley Corporation and is basically an aqueous one Sodium hydroxide solution containing a wetting agent.) The substrate with its developed resist pattern was in the
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-20- 3Q4U34-20- 3Q4U34
Substrathalter einer üblichen Bedampfungsapparatur mit widerstandsbeheiztem Schiffchen eingesetzt, und es wurden 100 nm (1000 R) Gold auf das Substrat aufgedampft. Das Substrat wurde aus der Bedampfungsapparatur entnommen und solange in Aceton getränkt, bis der Resistfilm aufschwamm. (Das so auf dem Silicium erzeugte Leiterrahmenmuster wird als Bezugsrahmen für die nachfolgende Verwendung der vorliegenden Resistmaterialien benutzt.)The substrate holder of a conventional vapor deposition apparatus with a resistance-heated boat was used, and 100 nm (1000 R) gold were vapor-deposited onto the substrate. The substrate was removed from the vapor deposition apparatus and soaked in acetone until the resist film floated on. (The lead frame pattern thus produced on the silicon is used as a reference frame for the subsequent use of the present resist materials.)
Es wurde eine Lösung von 2,4 g eines Copolymers von Methylmethacrylat mit Methacrylsäure in 20 ml Essigsäure hergestellt. Das zum Erhalt dieser Lösung benutzte Polymer enthielt annähernd 8,5 Gew.-% Methacrylsäure und hatte eine relative Viskosität von 9,5, wenn es in einer 10 Gew.-%igen Lösung von Äthylenglycolmonoäthyläther aufgelöst wurde. Diese Lösung wurde im Schleuderverfahren auf die Oberfläche des den Leiterrahmen tragenden Siliciumsubstrates aufgebracht. Eine Schleuderdrehzahl von 8000 pro Minute wurde benutzt. Wie vorhin, verhinderte ein Becher den Resist an allzu schnellem Trocknen. Die erhaltene, untere Resistschicht war etwa 400 nm (4000 R) dick. Die Probe wurde 30 Minuten lang in Luft bei 160 °C eingebrannt. Eine 1 : 1-Lösung von Chlorbenzol und KTI-Corporation-Elektronenstrahlresist wurde hergestellt. Der KTI-Resist ist eine 6 Gew.-%ige Lösung von Polymethylmethacrylat (mittleres Molekularere-A solution of 2.4 g of a copolymer of methyl methacrylate with methacrylic acid in 20 ml of acetic acid was prepared. The polymer used to obtain this solution contained approximately 8.5 weight percent methacrylic acid and had a relative viscosity of 9.5 when dissolved in a 10 weight percent solution of ethylene glycol monoethyl ether. This solution was applied to the surface of the silicon substrate carrying the lead frame using a centrifugal method. A spin speed of 8,000 per minute was used. As before, a beaker prevented the resist from drying too quickly. The resulting lower resist layer was about 400 nm (4000 R) thick. The sample was baked in air at 160 ° C for 30 minutes. A 1: 1 solution of chlorobenzene and KTI Corporation electron beam resist was prepared. The KTI resist is a 6% by weight solution of polymethyl methacrylate (medium molecular weight
1 3 0 035/0 A3 11 3 0 035/0 A3 1
304A434304A434
wicht von 950.000). Diese Lösung wurde im Schleuderverfahren auf die untere Resistschicht bei einer Schleuderdrehzahl von etwa 3000 pro Minute aufgebracht. Die solcherart erhaltene obere Resistschicht war etwa 120 nm (1200 S.) dick. Die Probe wurde dann 30 Minuten lang bei 160 0C eingebrannt.weight of 950,000). This solution was applied to the lower resist layer using a spin process at a spin speed of about 3000 per minute. The upper resist layer thus obtained was about 120 nm (1200 pages) thick. The sample was then baked at 160 ° C. for 30 minutes.
Zur erleichterten Fokussierung des Expositions-Elektronenstrahlenbündels wurde eine scharfe Kante durch Erzeugen eines kleinen Kratzers mit einem Stift durch den Resist hindurch in den Goldfilm des Leiterrahmens erzeugt. Die Probe wurde in einem Substrathalter eines Abtastelektronenmikroskops (AEM) unter Verwendung von Silberpaste befestigt. Der Substrathalter wurde dann im AEM montiert. Die Fokussierung des Elektronenstrahlenbündels erfolgte unter Verwendung des Detektors des AEM und durch Einstellen des Strahlenbündels derart, daß der vorher erzeugte Kratzer scharf definiert war. Die eingestellten Strahlparameter waren eine Beschleunigungsspannung von 30 kV, eine Stromstärke von annähernd 11,3 pA und eine Arbeitsdistanz, d. h. der Abstand zwischen Fokussierlinse und Substrat, von 15 mm. Die Verwendung dieser Parameter führte zu einem Strom im Substrat von 10 pA. Der Strahl wurde so eingestellt, daß eine 11 Mikrometer große Quadratfläche bestrahlt wurde. Ein Transparent mit dem in Fig. 2 dargestellten Muster wurde auf eine Kathodenstrahlröhre geklebt. Das Transparent hatteFor easier focusing of the exposure electron beam created a sharp edge by making a small scratch with a pen through the resist creates the gold film of the lead frame. The sample was placed in a substrate holder of a scanning electron microscope (AEM) attached using silver paste. The substrate holder was then mounted in the AEM. The focusing of the electron beam was done using the detector of the AEM and adjusting the beam so that the previously created scratches was sharply defined. The beam parameters set were an accelerating voltage of 30 kV, an amperage of approximately 11.3 pA and a working distance i.e. H. the distance between the focusing lens and the substrate, of 15 mm. Using these parameters resulted in a Current in the substrate of 10 pA. The beam was adjusted to irradiate an 11 micrometer square area. A transparency having the pattern shown in Fig. 2 was stuck on a cathode ray tube. The banner had
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Seitenabmessungen von etwa 7,62 cm (3 Zoll). Eine Photozelle mit einem aktiven Gebiet von annähernd 1 cm wurde in eine lichtdichte Box zusammen mit der Kathodenstrahlröhre verbracht, und zwar in einem Abstand von etwa 15,24 cm (6 Zoll) von der Kathodenstrahlröhre. Der Gang des Elektronenstrahlenbündels in der Kathodenstrahlröhre wurde mit dem des Elektronenstrahlenbündels im AEM synchronisiert.Side dimensions of approximately 3 inches. A photocell with an active area of approximately 1 cm was placed in a light-tight box together with the cathode ray tube, at a distance of about 15.24 cm (6 inches) from the cathode ray tube. The path of the electron beam in the cathode ray tube was synchronized with that of the electron beam in the AEM.
Zur Ausrichtung des Musters in der gewünschten Position wurde ein 10 KHz-Oszillator zur Steuerung des AEM-Elektronenstrahlenbündels benutzt. (Dieser Oszillator diente zur Zerhackung des Elektronenstrahlenbündels, so daß er auf das Substrat 5 % der "Ein"-Zeit auftraf.) Die Strahlabtastung erfolgte mit einer Frequenz von 1 KHz in x-Richtung und einer Frequenz von 10 Hz in y-Richtung. Das AEM-Elektronenstrahlenbündel wurde vollständig ausgetastet, wenn das Licht der Kathodenstrahlröhre vom Muster des Transparentes verdeckt war, wie dieses von der Photozelle festgestellt wurde. Sonach erschien das Muster auf dem Transparent dem Bild des Substrates, wie dieses durch das AEM abgebildet wird, überlagert. Das Substrat wurde unter Verwendung der translatorischen Einstellmöglichkeiten des Substrathalters in Stellung gebracht, so daß das Muster vollständig innerhalb der Grenzen des offenen Gebietes des Leiterrahmens lag. (Es sei bemerkt, daß diese Ausrichtung relativ rasch gemacht werden muß, so daß das Resistmaterial nicht nennenswert exponiert wird. Vernachlässigbare Exposition tritt auf,A 10 KHz oscillator was used to control the AEM electron beam to align the pattern in the desired position used. (This oscillator was used to chop up the electron beam so that it hits the substrate 5% of the "On" time encountered.) The beam was scanned with a Frequency of 1 KHz in the x-direction and a frequency of 10 Hz in the y-direction. The AEM electron beam became complete blanked when the light from the cathode ray tube was obscured by the pattern of the transparency, like this by the Photocell has been detected. Then the pattern appeared on the transparency to the image of the substrate, like this through the AEM is overlaid. The substrate was created using the translational adjustment options of the substrate holder positioned so that the pattern is completely within the confines of the open area of the lead frame lay. (It should be noted that this alignment must be done relatively quickly so that the resist material is negligible is exposed. Negligible exposure occurs
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wenn die Ausrichtungszeit unter den angegebenen Bedingungen auf eine Minute begrenzt wird.)if the alignment time is limited to one minute under the specified conditions.)
Die X-Sweepfrequenz und die y-Sweepfrequenz wurde dann auf 5 Hz bzw. 0,077 Hz eingestellt. Der Oszillator wurde aus der Schaltung entfernt, so daß der Elektronenstrahl nicht mehr zerhackt wurde. Die Photodetektorschaltung wurde so eingestellt, daß bei Feststellung von Licht der Elektronenstrahl ausgetastet war und keine Elektronen auf das Substrat auftreffen konnten. Die Sweep-Richtung war senkrecht zu den dunklen Linien (die x-Achse war wie in Fig. 4 angegeben). Die benutzten x- und y-Sweepfrequenzen und das benutzte Schreibfeld bestimmten den Linienabstand. Das Muster auf der Kathodenstrahlröhre wurde einmal überstrichen, während gleichzeitig der Resist exponiert wurde. Der exponierte Resist wurde aus dem AEM entnommen und 5 Sekunden lang in einer 1 : 2-Lösung von Äthylenglycolmonoäthylather in Methylalkohol entwiekelt. Die Probe wurde dann in deionisiertem Wasser gespült und mit trockenem Stickstoff trockengeblasen.The X sweep frequency and the y sweep frequency were then set to 5 Hz and 0.077 Hz, respectively. The oscillator was made from the Circuit removed so that the electron beam is no longer chopped up became. The photodetector circuit was set so that when light is detected, the electron beam is blanked and no electrons could hit the substrate. The sweep direction was perpendicular to the dark lines (the x-axis was as indicated in Figure 4). The x and y sweep frequencies used and the writing field used determine the Line spacing. The pattern on the cathode ray tube was swept once while exposing the resist became. The exposed resist was removed from the AEM and in a 1: 2 solution of ethylene glycol monoethyl ether for 5 seconds developed in methyl alcohol. The sample was then rinsed in deionized water and with dry nitrogen blown dry.
Das Substrat wurde dann in eine übliche Bedampfungsapparatur eingesetzt und Gold wurde unter senkrechtem Einfall auf das Substrat aufgedampft. Die Bedampfung erfolgte bis zum Erhalt einer 30 nm (300 R) dicken Goldschicht. Die Probe wurde aus der Bedampfungsapparatur entfernt und zur Entfernung des Resist-The substrate was then placed in a conventional vapor deposition apparatus and gold was vapor deposited onto the substrate with perpendicular incidence. The vapor deposition was carried out until a 30 nm (300 R) thick gold layer was obtained. The sample was removed from the vapor deposition apparatus and used to remove the resist
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materials in Aceton gekocht. Das resultierende Goldmuster hatte 500 ran (5000 R) lange und 35 nm (350 8) breite Linien bei einem Abstand von Kante zu Kante von 135 nm (1350 A).materials boiled in acetone. The resulting gold pattern had lines 500 ran (5000 R) long and 35 nm (350 8) wide with an edge-to-edge distance of 135 nm (1350 Å).
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Claims (12)
Teile die Entstehung von öffnungen in einer Auflösung von
500 Nanometer (5000 R) oder weniger in der Oberfläche der
oberen Schicht ermöglicht ist, undconstruction with an absorbed dose and removal of the exposed
Share the formation of openings with a resolution of
500 nanometers (5000 R) or less in the surface of the
upper layer is enabled, and
100 nm (1000 R) ist.5. resist structure according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the lower layer is thicker than
Is 100 nm (1000 R).
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