NL8401525A

NL8401525A - MASK SYSTEM FOR ULTRAVIOLET VACUUM LITHOGRAPHY.

Info

Publication number: NL8401525A
Application number: NL8401525A
Authority: NL
Original assignee: American Telephone & Telegraph
Priority date: 1983-05-13
Filing date: 1984-05-11
Publication date: 1984-12-03
Also published as: FR2545949A1; GB8411765D0; GB2139781B; DE3417888A1; GB2139781A; JPS59214856A; FR2545949B1; IT8420877A1; IT8420877A0; IT1174089B

Description

*>_ __% 5 » * VO 6295*> _ __% 5 »* VO 6295

Titel; Maskerstelsel voor ultraviolette vacuumlithografie.Title; Mask system for ultraviolet vacuum lithography.

De uitvinding heeft betrekking op de vervaardiging van inrichtingen met zeer grote resolutie en meer in het bijzonder op maskerstelsels voor ultraviolette vacuumlithografie, dat wil zeggen lithografie, waarbij de golflengte van de invallende straling zich uitstrekt van 1000 -5 2000 S.The invention relates to the manufacture of very high-resolution devices and more particularly to ultraviolet vacuum lithography mask systems, i.e. lithography, with the incident radiation wavelength ranging from 1000-5000 S.

Lithografie is een standaardmethode voor het vervaardigen van de minuscule patronen, die bij geïntegreerde ketens en andere miniatuur-inrichtingen nodig zijn. Overeenkomstig deze methode wordt een met een lak beklede inrichtingssubstraat via een masker selectief blootgesteld 10 aan een bron van electromagnetische straling. De bestraalde gebieden van de laklaag ondergaan een chemische verandering, welke deze gebieden öf meer oplosbaar {positieve lak) èf minder oplosbaar (negatieve lak) dan de niet-bestraalde gebieden maakt. Vervolgens wordt een ontwikkelaar gebruikt om de meer oplosbare lakgebieden preferentieel te verwijderen, 15 welke gebieden de bestraalde gebieden bij de positieve lak en de niet-bestraalde gebieden bij de negatieve lak zijn. Materiaal kan dan in de openingen van de laklaag worden geëtst of neergeslagen.Lithography is a standard method of manufacturing the minuscule cartridges required by integrated circuits and other miniature devices. According to this method, a lacquer-coated device substrate is selectively exposed through a mask to a source of electromagnetic radiation. The irradiated areas of the lacquer layer undergo a chemical change, which makes these areas either more soluble (positive lacquer) or less soluble (negative lacquer) than the non-irradiated areas. Subsequently, a developer is used to preferentially remove the more soluble lacquer areas, which areas are the irradiated areas at the positive lacquer and the non-irradiated areas at the negative lacquer. Material can then be etched or deposited in the openings of the lacquer layer.

Aangezien de kosten en het rendement van een geïntegreerde keten een functie zijn van de afmeting van de inrichting, zijn vele pogingen 20 gedaan tot het ontwikkelen van verbeterde patroongeefmethoden om de afmetingen van patroonkenmerken verder te reduceren. Een poging bij de ontwikkeling heeft zich gericht tot het gebruik van straling met korte golflengte om de met een lak beklede inrichtingssubstraat selectief te belichten aangezien het bekend is, dat de ongewenste interferentie- en 25 diffractieëffecten, die bij lithografie optreden, direkt verband houden met de golflengte van de straling. Zo heeft men zich bijvoorbeeld veel inspanning getroost bij het ontwikkelen van röntgenstralenlithografie dat wil zeggen lithografie, waarbij als stralingsbron röntgenstralen worden gebruikt. Het gebruik van röntgenstralen vereist, ofschoon 30 hierbij wordt voorzien in kleinere patroonafmetingen, een dure uitrusting voor het opwekken van de straling bij de vereiste intensiteit, en het maskerstelsel is buitengewoon fragiel.Since the cost and efficiency of an integrated circuit is a function of the size of the device, many attempts have been made to develop improved cartridge test methods to further reduce the size of cartridge features. An attempt in development has focused on the use of short wavelength radiation to selectively expose the lacquer-coated device substrate as it is known that the undesired interference and diffraction effects that occur with lithography are directly related to the wavelength of the radiation. For example, a great deal of effort has been put into the development of X-ray lithography, that is to say lithography, in which X-rays are used as the radiation source. The use of X-rays, although providing smaller pattern sizes, requires expensive equipment to generate the radiation at the required intensity, and the mask system is extremely fragile.

Een andere poging bij de ontwikkeling om de patroongeving van een inrichtingssubstraat verder te verbeteren omvat de elekctronenbundel- 8401525 f ΐ - 2 - lithografie, waarbij een elektronenbundel het inrichtingspatroon direkt op een met lak beklede substraat ’’tekent". Deze procedure kan ook leiden tot een bijzonder geringe patroonafmeting doch vereist een dure en complexe installatie. Bovendien is het bij elektronenbundellithografie 5 nodig, dat elk inrichtingspatroon op een sequentiële punt-voor-punt wijze onder bestuur van een programmeerstelsel wordt getekend. Een dergelijke procedure is betrekkelijk tijdrovend en duur.Another attempt in development to further improve the patterning of a device substrate includes the electron beam 8401525 f ΐ - 2 lithography, where an electron beam "draws" the device pattern directly onto a paint-coated substrate. This procedure may also lead to a particularly small pattern size but requires an expensive and complex installation In addition, electron beam lithography 5 requires each device pattern to be drawn sequentially point-by-point under the control of a programming system, such a procedure is relatively time consuming and expensive.

Volgens de uitvinding worden de tekortkomingen van de standaardtechniek geëlimineerd door gebruik te maken van een. maskerstelsel voor 10 ultraviolette vacuumlithografie, dat wil zeggen lithografie, waarbij de stralingsgolflengte tussen 1000 en 2000 S ligt. Het maskerstelsel omvat een uit een aardalkalihalogenide of een alkalimetaalhalogenide bestaande substraat, welke is bekleed met een patroonmateriaal, dat opaak is v.oor de ultraviolette straling in vacuo. Bij de beschreven uitvoeringsvorm 15 omvat het patroonmateriaal een laag van polvimide en een laag van germa- . nium. Bij voorkeur is het .patroonmateriaal transparant voor zichtbaar licht, waardoor de centrering tussen masker en inrichtingssubstraat wordt vereenvoudigd.According to the invention, the shortcomings of the standard technique are eliminated by using one. mask system for ultraviolet vacuum lithography, ie lithography, where the radiation wavelength is between 1000 and 2000 S. The mask system comprises an alkaline earth halide or an alkali metal halide substrate, which is coated with a pattern material opaque to the ultraviolet rays in vacuo. In the described embodiment 15, the pattern material comprises a layer of polvimide and a layer of germa. nium. Preferably, the pattern material is transparent to visible light, which simplifies centering between mask and device substrate.

Een kenmerk van de uitvinding is, dat het betreffende maskerstel-20 sel mechanisch stabiel en robuust is en derhalve geen speciale armatuur vereist.A feature of the invention is that the respective mask assembly is mechanically stable and robust and therefore does not require a special luminaire.

De uitvinding zal onderstaand nader worden toegelicht onder verwijzing naar de tekening. Daarbij toont: fig. 1 een dwarsdoorsnede van het betreffende maskerstelsel na 25 het geven van een patroon aan een buitenste laklaag; fig. 2 een dwarsdoorsnede van het maskerstelsel nadat een patroon is gegeven aan een materiaallaag onder de lak; fig. 3 een dwarsdoorsnede van het maskerstelsel nadat een patroon is gegeven aan een andere materiaallaag onder de lak; en 30 fig. 4 een dwarsdoorsnede, welke het gebruik van het masker voor het geven van een patroon aan een inrichtingssubstraat toont.The invention will be explained in more detail below with reference to the drawing. In the drawing: Fig. 1 shows a cross-section of the relevant mask system after patterning an outer layer of lacquer; Fig. 2 is a cross-sectional view of the mask system after a pattern has been given to a material layer under the lacquer; FIG. 3 is a cross-sectional view of the mask system after a pattern has been given to another layer of material under the lacquer; and FIG. 4 is a cross-sectional view showing the use of the mask for patterning a device substrate.

Het in de figuren 1-4 afgeheelde bepaalde, illustratieve maskerstelsel omvat een substraat 101, welke is bekleed met een polyimidelaag 102, een germaniumlaag 103 en een laklaag 104. De laklaag 104 bestaat 35 uit een conventioneel lakmateriaal, zoals polymethylmethacrylaat (PMMA).The particular illustrative mask system shown in Figures 1-4 includes a substrate 101 coated with a polyimide layer 102, a germanium layer 103, and a lacquer layer 104. The lacquer layer 104 consists of a conventional lacquer material, such as polymethyl methacrylate (PMMA).

8401525 - 3 - ’ %8401525 - 3 - '%

De substraat 101 kan bestaan uit een aardalkali- of metaalalkalihaloge- nidemateriaal zoals CaF^, BaF2r M5F2' SrF2 ^iF. De dikte van de substraat 101 wordt zodanig gekozen, dat de substraat transparant is voor de ultraviolette stralingsgolflengte in vacuo en toch mechanisch \ 5 robuust is.The substrate 101 may consist of an alkaline earth or metal alkali halide material such as CaF2, BaF2r M5F2, SrF2 ^ iF. The thickness of the substrate 101 is selected so that the substrate is transparent to the ultraviolet radiation wavelength in vacuo and yet is mechanically robust.

Zoals aangegeven in fig. 1, wordt het gewenste patroon, dat bij een inrichtingssubstraat nodig is (of het fotografische negatief daarvan) in de laklaag 104 gevormd door elektronenbundellithografie. Dit patroon wordt voorgesteld door openingen 105. Elektronenbundellithogra-10 fie omvat de opeenvolgende stappen van het tekenen van het gewenste patroon op de laklaag 104 onder gebruik van een elektronenbundel en het daarna verwijderen van de bestraalde lak onder gebruik van een geschikte ontwikkelaar, zoals een oplossing van drie delen ethyleenglycolmono-ethylether in zeven delen methanol.As indicated in Fig. 1, the desired pattern required with a device substrate (or its photographic negative) in the lacquer layer 104 is formed by electron beam lithography. This pattern is represented by openings 105. Electron beam lithography comprises the successive steps of drawing the desired pattern on the lacquer layer 104 using an electron beam and then removing the irradiated lacquer using a suitable developer, such as a solution of three parts of ethylene glycol monoethyl ether in seven parts of methanol.

15 Om een elektronenlading van het maskerstelsel tot een minimum terug te brengen, welke lading kan leiden tot afwijkingen van de elektronenbundel ten opzichte van de beoogde baan daarvan, kan op de laklaag 104 voor de elektronenbundelpatroongeving een (niet afgebeelde) aluminium-laag worden aangebracht. De aluminiumlaag kan dan worden verwijderd 20 onder gebruik van een oplossing van natriumhydroxyde in water voordat de bestraalde lak wordt ontwikkeld. Het is natuurlijk duidelijk, dat de bovenbeschreven lakpatroongeving evenzeer van toepassing is bij een negatieve lak, waarbij de niet-bestraalde lakgedeelten door een ontwikkelaar worden verwijderd. Bovendien kunnen andere litho graf is che metho-25 den met grote resolutie, zoals ionenbundelbelichting of röntgenstralenbelichting, worden gebruikt voor het geven van een patroon aan de laklaag 104.In order to minimize an electron charge of the mask system, which charge may lead to deviations of the electron beam from its intended path, an aluminum beam (not shown) may be applied to the electron beam pattern paint layer 104. The aluminum layer can then be removed using an aqueous solution of sodium hydroxide before developing the irradiated lacquer. Obviously, the above paint patterning applies equally to a negative paint where the non-irradiated paint parts are removed by a developer. In addition, other high-resolution lithographic methods, such as ion beam or X-ray illumination, can be used to pattern lacquer 104.

Voor een nauwkeurige elektronenbundelpatroongeving van de laag 104 is het nodig, dat de dikte van de laag 104 uniform is. Variaties 30 in de lakdikte kunnen leiden tot een onjuiste belichting van de lak en/of vervorming van het geschetste lakpatroon. Bovendien hebben dergelijke diktevariaties de neiging op te treden bi-j aardhalogenide- of alkalihalogenidesubstraten aangezien het substraatmateriaal zacht is en de neiging heeft om een ruw oppervlak te vertonen, dat niet op een een-35 voudige wijze mechanisch kan worden geëgaliseerd. Derhalve wordt bij 8401525 •J* - 4 - voorkeur de polyimidelaag 102 op de substraat 101 aangebracht voor het verschaffen van een glad bovenvlak 106.For accurate electron beam patterning of the layer 104, it is necessary that the thickness of the layer 104 be uniform. Variations in the paint thickness can lead to incorrect exposure of the paint and / or deformation of the sketched paint pattern. In addition, such thickness variations tend to occur with earth halide or alkali halide substrates since the substrate material is soft and tends to exhibit a rough surface that cannot be mechanically leveled in a simple manner. Therefore, at 8401525 • J * - 4 -, the polyimide layer 102 is preferably applied to the substrate 101 to provide a smooth top surface 106.

Het van een patroon voorziene PMMA kan als een masker worden gebruikt om de polyimidelaag direkt te etsen. De etssnelheid van PMMA in 5 zuurstof is evenwel groter dan die van polyimide. Het gebruik van de germaniumlaag 103 vereenvoudigt evenwel de overdracht van het PMMA-patroon naar het polyimide aangezien het PMMA veel langzamer wordt geëtst dan het germanium in een SF plasma en het germanium praktisch niet wordt geëtst in een zuurstofplasma.The patterned PMMA can be used as a mask to directly etch the polyimide layer. However, the etching rate of PMMA in oxygen is greater than that of polyimide. However, the use of the germanium layer 103 simplifies the transfer of the PMMA pattern to the polyimide since the PMMA is etched much slower than the germanium in an SF plasma and the germanium is practically not etched in an oxygen plasma.

10’ Na het vormen van de openingen 105 in de laklaag 104, wordt het maskerstelsel onderworpen aan een reaktieve ionenetsing in een zwavel-hexafluoride (SFg)-atmosfeer. Dientengevolge strekken openingen 105 zich door de germaniumlaag 103 uit, als aangegeven in -fig. 2. Vervolgens wordt de inrichtingssubstraat volgens fig. 2 onderworpen aan een reaktieve 15 ionenetsing in de zuurstof, welke ertoe leidt, dat de openingen 105 zich verlengen via de polyimidelaag 102. Door de reaktieve ionenetsing in zuurstof wordt- ook de PMMA-laag 104 verwijderd. Het maskerstelsel na reaktieve ionenetsing in zuurstof is weergegeven in fig. 3.After forming the openings 105 in the lacquer layer 104, the mask system is subjected to reactive ion etching in a sulfur hexafluoride (SFg) atmosphere. As a result, openings 105 extend through the germanium layer 103 as shown in FIG. 2. Subsequently, the device substrate according to Fig. 2 is subjected to a reactive ion etching in the oxygen, which causes the openings 105 to extend via the polyimide layer 102. The reactive ion etching in oxygen also removes the PMMA layer 104. . The mask system after reactive ion etching in oxygen is shown in Figure 3.

Fig. 4 toont het gebruik van het maskerstelsel volgens fig. 3 20 voor het geven van een patroon aan het inrichtingssubstraat 401, welke is bekleed met een laag 402 van een normale lak, zoals PMMA. De laag 402 behoeft slechts op de inrichtingssubstraat 401 aanwezig te zijn dat wil zeggen in aanraking te zijn met de . substraat 401, zoals is weergegeven, of van de substraat 401 zijn gescheiden door een of meer tussenlagen.Fig. 4 shows the use of the mask system of FIG. 3 for patterning the device substrate 401 coated with a layer 402 of a normal lacquer such as PMMA. The layer 402 need only be present on the device substrate 401, i.e., in contact with the. substrate 401, as shown, or separated from the substrate 401 by one or more intermediate layers.

25 De inrichtingssubstraat 401 kan deel uitmaken van een elektronische of fotonische inrichting. Zoals is aangegeven, is de germaniumlaag 103 in contact met de laklaag 402. Natuurlijk is het contact tussen het masker en de substraat niet nodig indien de straling uit het masker onder gebruik van een geschikte lens op de inrichtingssubstraat wordt gefocus-30 seerd. Het contact tussen het masker en de inrichtingssubstraat is eveneens niet nodig indien een gering verlies aan resolutie aanvaardbaar is. De lagen 102 en/of 103 zijn opaak voor ultraviolette straling 405 in vacuo, zodat deze straling zich slechts door de gebieden van het masker 101 beweegt, die op één lijn liggen met de openingen 105. Boven-35 dien kan de dikte van de lagen 102 en 103 zodanig worden gekozen, dat 8401525 ·· κ - 5 - de vereiste opaciteit wordt verkregen, en de lagen toch transparant zijn voor zichtbaar licht. Een dergelijke transparantheid vereenvoudigt in sterke mate de centrering van het masker ten opzichte van de inrichtings-substraat 401. Derhalve wordt de laklaag. 402 in de gebieden 403 selectief 5 bestraald. De bestraalde gebieden 403 kunnen worden verwijderd onder gebruik van een in de handel verkrijgbare ontwikkelaar, zodat het in het masker geschetste patroon op een nauwkeurige wijze naar de laklaag 402 wordt overgedragen.The device substrate 401 may be part of an electronic or photonic device. As indicated, the germanium layer 103 is in contact with the lacquer layer 402. Of course, the contact between the mask and the substrate is not necessary if the radiation from the mask is focused on the device substrate using a suitable lens. Contact between the mask and the device substrate is also unnecessary if a slight loss of resolution is acceptable. The layers 102 and / or 103 are opaque to ultraviolet rays 405 in vacuo, so that this radiation travels only through the areas of the mask 101 aligned with the openings 105. In addition, the thickness of the layers may 102 and 103 are chosen so that 8401525 ·· κ - 5 - the required opacity is obtained, yet the layers are transparent to visible light. Such transparency greatly simplifies the centering of the mask relative to the device substrate 401. Therefore, the lacquer layer becomes. 402 in regions 403 are selectively irradiated. The irradiated areas 403 can be removed using a commercially available developer so that the pattern sketched in the mask is accurately transferred to the lacquer layer 402.

VOORBEELD IEXAMPLE I

10 Een masker voor VUV-lithografie werd vervaardigd op een CaF2- substraat door eerst bij benadering 1500 £ polyimide, zoals XU-218, een handelsmerkprodukt van Ciba-Geigy Corporation, op te spinnen. Na verhitting bij 160°C gedurende één uur in lucht voor het uitdrogen van eventuele oplosmiddelen, werd een germaniumlaag met een dikte van 300 2 op bet 15 polyimide opgedampt. Vervolgens werd een laklaag met een dikte van 1000 2 opgesponnen en gedurende één uur bij 130°C verhit. Bij voorkeur werd op het polyimide door opdampen in vacuo een laag van aluminium met een dikte van 300 2 neergeslagen. In het PMMA. werd onder gebruik van een elektronenbundel van een aftastelektronenmicroscoop een patroon getekend.A VUV lithography mask was prepared on a CaF2 substrate by first spinning approximately 1500 lb polyimide, such as XU-218, a trademark product of Ciba-Geigy Corporation. After heating at 160 ° C for one hour in air to dry out any solvents, a germanium layer with a thickness of 300 2 on the polyimide was evaporated. Then a lacquer layer with a thickness of 1000 2 was spun up and heated at 130 ° C for one hour. Preferably, the polyimide was deposited by vacuum evaporation in a layer of aluminum with a thickness of 300 2. In the PMMA. a pattern was drawn using an electron beam from a scanning electron microscope.

20 Het patroon werd dan ontwikkeld in een oplossing van drie delen ethyleen-glycolmonoethylether en zeven delen methanol. Na het ontwikkelen werd de van een patroon voorziene substraat achtereenvolgens aan een reaktieve ionenetsing in zuurstof, SF- en zuurstof onderworpen teneinde een lak-residu van de belichte germaniumgebieden te verwijderen, het germanium 25 te etsen en het polyimide te etsen.The cartridge was then developed in a solution of three parts of ethylene glycol monoethyl ether and seven parts of methanol. After development, the patterned substrate was successively subjected to reactive ion etching in oxygen, SF and oxygen to remove a lacquer residue from the exposed germanium regions, etch the germanium and etch the polyimide.

Het is natuurlijk duidelijk, dat het bovenbeschreven maskerstelsel slechts illustratief is voor een groot aantal verschillende stelsels volgens de uitvinding. Terwijl bij de beschreven uitvoeringsvorm de polyimidelaag en germaniumlaag opaak zijn voor VUV-straling, behoeft in 30 de eerste plaats slechts één van deze lagen opaak te zijn. Derhalve kan \de opake laag zich bij de substraat bevinden of daarvan zijn gescheiden door één of meer tussenlagen, welke niet opaak behoeven te zijn.Obviously, the above-described mask system is only illustrative of a wide variety of systems according to the invention. While in the described embodiment, the polyimide layer and germanium layer are opaque to VUV radiation, primarily, only one of these layers need to be opaque. Therefore, the opaque layer can be located at the substrate or separated from it by one or more intermediate layers, which need not be opaque.

Tenslotte kan de polyimidelaag worden geëlimineerd en kan een laag van germanium, welke opaak is voor VUV-straling, direkt op de maskersubstraat 35 worden gevormd. Door de eliminatie van de polyimidelaag wordt evenwel de 8401525 >>' -V . ":r - 6 - de nauwkeurigheid van de maskerpatroongeving gereduceerd tengevolge van de ruwheid van de op dit moment ter beschikking staande aardhaloge-nide- of metaalhalogenidesubstraten.Finally, the polyimide layer can be eliminated and a layer of germanium, which is opaque to VUV radiation, can be formed directly on the mask substrate 35. However, due to the elimination of the polyimide layer, the 8401525 >> '-V. "- r - 6 - the accuracy of the mask patterning is reduced due to the roughness of the currently available earth halide or metal halide substrates.

84015258401525

Claims

1- Lithographic masher provided with a substrate on which there is a material layer which is opaque to radiation, characterized in that the substrate is selected from the group consisting of CaF2> BaF2 '' SrF2 and LiF and the material layer consists of at least one material layer 5 on the substrate, which layer is provided with at least one through-opening, the material layer being opaque to radiation of a wavelength in the ultraviolet region of the electromagnetic spectrum in vacuo.

2. Mask according to claim 1, characterized in that the layer is located at the substrate.

Mask according to claim 1, characterized in that the layer of the substrate is separated by at least one other layer of intermediate material.

Mask according to claim 2, characterized in that the layer contains poly-15imide.

Mask according to claim 2 or 3, characterized in that the layer comprises germanium.

Mask according to claim 1, characterized by a second layer of germanium at the layer and opposite the substrate.

Mask according to claim 6, characterized by a third layer of a lacquer at the second layer and opposite said layer.

Mask according to claim 7, characterized by a fourth layer of aluminum at the third layer and opposite the second layer.

9. Method for manufacturing a lithographic mask, characterized in that a substrate selected from the group consisting of CaF2, BaF2, MgF2, SrF2 and LiF is provided, at least one material layer is deposited on the substrate, which material layer opaque to radiation having a wavelength in the ultraviolet region of the electromagnetic spectrum in vacuo, and a predetermined pattern is formed in the material layer, which defines at least one opening in said layer.

Method according to claim 9, characterized in that the material layer is deposited at the substrate. 8401525 4 - 8 -

Method according to claim 9, characterized in that the layer is deposited and separated from the substrate by at least one intermediate layer.

12. A method according to any one of claims 9-11, characterized in that the layer comprises polyimide.

Method according to any one of claims 9-11, characterized in that the layer comprises germanium.

Method according to any one of claims 9 to 11, characterized in that the layer comprises germanium.

A method of patterning a device, wherein at least one lacquer layer is deposited over the device substrate, and the lacquer layer is selectively exposed to radiation of a wavelength in the ultraviolet region of the electromagnetic spectrum in vacuo, using of a mask disposed between the lacquer-coated substrate and the radiation, characterized in that the mask is provided with a mask substrate selected from the group consisting of CaF2, BaF2, MgF2, SrF2 and LiF, and at least one material layer on the mask substrate, which layer is provided with at least one through-opening, and the material layer is opaque to the radiation. 8401525