Устройство для получения изображения (варианты)
Устройство по первому варианту содержит световоды, соединенные с источником излучения и выполненные оптоволоконньми с утоненными концами или в виде микроконусов. Диаметры утоненных концов оптоволоконных световодов или радиусы закругления при вершине микроконусов имеют размер от 10 до 50 нм. Расстояние z между световодами и фоторезистом составляет от 1 до 2000 нм. Устройство по второму варианту содержит по меньшей мере один автоэмиссионный эмиттер, соединенный с источником тока, и подложку с фоторезистом, которые расположены в магнитном поле, направленном вдоль продольной оси острия каждого из автоэмиссионных эмиттеров. Световоды или автоэмиссионные эмиттеры и/или подложка с фоторезистом установлены с возможностью перемещения относительно друг друга с помощью XYZ-нанопозиционера с дискретом до 0,01 нм. Обеспечивается возможность работы в условиях ближнего поля при практическом отсутствии дифракционных искажений, а также заданная точность изменения диаметра пятна засветки в зависимости от расстояния до фоторезиста и получение рисунка, например, в виде линии без перемещения фоторезиста и/или световодов по крайней мере в направлении, перпендикулярном этой линии. 2 с. и 12 з.п. ф-лы, 6 ил.
Изобретение относится к области микролитографии, в частности фотолитографии, и может быть промышленно реализовано, например, при изготовлении интегральных схем или структур со сформированным по заданной программе рельефом с субмикронным разрешением.
Создание интегральных схем с характерным размером элементов 0.1-0.01 мкм является важнейшим перспективным направлением развития современной микроэлектроники. Разработка технологии высокоточного (с субмикронными и микронными допусками) изготовления прецизионных форм с трехмерным рельефом может быть промышленно реализована, например, при создании массовой технологии изготовления деталей микророботов, высокоразрешающих элементов дифракционной и френелевской оптики, а также в других областях техники, где тоже необходимо получение в функциональном слое изделия трехмерного рисунка заданной глубины с высоким разрешением его структур, например при создании печатных форм для изготовления денежных знаков и иных ценных бумаг.
От разрешающей способности процесса микролитографии, определяющей уровень развития большинства отраслей современной науки и техники, в решающей степени зависит дальнейшее развитие современной микроэлектроники. Микролитография включает нанесение на поверхность твердого тела (обычно подложки из полупроводникового материала) слоя материала, чувствительного к воздействию потока излучения или микрочастиц (слоя фоторезиста). Экспонирование фоторезиста через фотошаблон (своего рода трафарет), обычно называемый маской, позволяет создать на фоторезисте рисунок, соответствующий топологии данного слоя создаваемой интегральной схемы.
Известно устройство для получения изображения на светочувствительном слое (фоторезисте), состоящее из высокоинтенсивного источника коротковолнового излучения, устройства для позиционирования объекта-маски, изображение которой будет спроецировано на фоторезист, высокоточного проекционного объектива с большой апертурой и устройства для перемещения подложки со светочувствительным слоем, на который проецируется множественное изображение позиционируемого объекта, чтобы максимально использовать всю поверхность подложки из полупроводникового материала, покрытую светочувствительным слоем - фоторезистом (Report by Sunlin Chou on Intel Developers Forum, San Jose, USA, 09.2002).
В течение последних 20 лет прогресс в области микроэлектроники был тесно связан с развитием таких устройств - проекционных сканирующих систем (степперов), позволявших с высокой производительностью проецировать на фоторезист множественное изображение топологии определенного слоя соответствующей интегральной схемы, используя в качестве трафарета специальные высокоточные маски.
Точность позиционирования лучших степперов, производимых мировым лидером в этой области технологического оборудования для микроэлектроники голландской фирмой ASM-Lithography, достигает 80 нм, что явно не достаточно для создания СБИС с характерным размером элементов 20-30 нм. Отставание возможностей степперов от нужд промышленности естественно, т.к. разработка степпера для субмикронных технологий требует трех-пяти лет, а стоимость его при серийном выпуске составляет 10-15 миллионов долларов, не говоря уж о стоимости разработки, составляющей сотни миллионов долларов.
В процессе проявления, когда проэкспонированный фоторезист удаляется (позитивный процесс), формируется соответствующая фоторезистивная маска, в окнах которой осуществляется технологическая обработка поверхностного слоя подложки. Эта процедура в процессе изготовления интегральной схемы многократно повторяется, причем каждый последующий рисунок с необходимой точностью совмещается с предыдущим. Чередование процесса микролитографии с другими технологическими процессами (напылением пленок, травлением, окислением, легированием и т.п.) позволяет создавать сложные твердотельные структуры с заданной геометрией и свойствами.
Важнейшей характеристикой процесса микролитографии является обеспечиваемое им разрешение, т.е. минимальная ширина линий рисунка. Этот параметр настолько важен, что используемая технология обычно называется по величине разрешения, например “0.8-микронная технология” или “0.13-микронная технология”.
В настоящее время в промышленности наиболее распространена фотомикролитография (или фотолитография). Обеспечиваемое ею разрешение Δ х определяется длиной волны используемого излучения λ и апертурой А проекционной системы Δ x=k1λ/2A. Такая зависимость естественно стимулировала у разработчиков стремление к использованию все более коротковолновых источников излучения и все более широкоапертурных проекционных систем. В результате за последние 40 лет в промышленной проекционной фотолитографии произошел переход от ртутных ламп с характерной длиной волны 330-400 нм к эксимерным лазерам с длиной волны 193 и даже 157 нм. Проекционные объективы современных степперов достигли диаметра 600-700 мм (необходимость увеличения апертуры А). Все это и обусловливает столь высокую стоимость степперов.
К сожалению, за увеличение разрешения приходится расплачиваться еще и резким уменьшением глубины фокусировки Δ F, т.к. Δ F=k2λ/A2, что приводит к уменьшению производительности и радикальному усложнению системы фокусировки гигантских проекционных объективов, а значит и к росту стоимости степперов. К тому же, краевые эффекты ограничивают возможность использования апертуры такого объектива при работе с предельным разрешением, обеспечиваемым объективом.
В процессе развития проекционной фотолитографии минимальный размер проецируемых деталей уменьшался в среднем на 30% каждые 2 года, что позволяло каждые 18 месяцев удваивать число транзисторов на интегральных схемах (закон Мура). В настоящее время в промышленности используется “0.13-микронная технология”, позволяющая печатать детали с разрешением ~ 100 нм, в то время как следующим рубежом, по мнению экспертов, является создание проекционных систем и источников излучения, обеспечивающих уверенное разрешение на уровне 20-30 нм, что потребует перехода к источникам экстремального ультрафиолета (EUV-источникам), фактически перехода к мягкому рентгеновскому излучению. В настоящее время интенсивно ведутся эксперименты с микролитографией на λ =13,4 нм. Первая такая установка, как сообщалось на форуме разработчиков компании Intel (ведущего мирового производителя СБИС), была создана, и в 2002 году на ней были получены транзисторы с характерным размером 50 нм. Однако стоимость такого степпера даже при серийном производстве будет достигать, по оценке экспертов, 60-ти миллионов долларов, а для отладки технологии серийного производства микропроцессоров с характерным размеров элементов на уровне 30 нм потребуется, по самым оптимистическим оценкам, 5-7 лет.
Переход на столь коротковолновое излучение повлек за собой радикальное усложнение, а значит, и существенное удорожание процесса производства СБИС, т. к. потребовал:
1) использования принципиально новых источников излучения типа вакуумной искры, работа с которой требует сложных специальных мер по устранению загрязнения поверхности фоторезиста продуктами, выделяющимися в процессе инициации и горения разряда. Причем эти источники должны создавать достаточно интенсивные потоки излучения, т.к. коэффициенты отражения покрытий на длине волны 13,4 нм не превышают 0,7, а это значит, что даже в случае простейшей оптической системы, состоящей из шести зеркальных элементов, интенсивность уменьшится ~ в 100 раз;
2) размещения проекционной системы и подложки в вакууме, т.к. столь коротковолновое излучение интенсивно поглощается даже в воздухе, и использования отражающих, а не пропускающих излучение оптических элементов. Работа с вакуумным степпером также усложняет ввод и вывод подложек из степпера и существенно уменьшает производительность;
3) перехода от проекционных элементов, пропускающих излучение, к отражающим проекционным элементам, что требует использования отражающих покрытий, содержащих до 40 пар чередующихся “четвертьволновых” слоев с сильно различающимися коэффициентами преломления. Изготовление таких покрытий связано с использованием чрезвычайно дорогостоящей, весьма сложной и не очень надежной технологией их нанесения. А технологический выход такой продукции пока совершенно не приемлем для крупносерийного производства;
4) масок, отражающих ультракоротковолновое излучение. Такие маски представляют собой зеркальные оптические элементы с описанным выше многослойным покрытием. Производство таких масок представляет собой сложнейшую технологическую задачу с весьма малым выходом годной продукции (Semiconductor Business News 24.06.03, V.La Pedus “Can the Photomask Industry be Saved?”), что приводит к радикальному (в три-четыре раза) удорожанию стоимости комплекта масок для производства СБИС. А это, в свою очередь, делает практически бесперспективным производство заказных СБИС и чрезвычайно удорожает разработку и отладку производства новых СБИС. Кроме того, эта технология не позволяет пока обеспечить выход, приемлемый для крупносерийного производства.
Одним из наиболее существенных ограничений применения фотолитографии является ограничение, связанное с дифракцией от края маски (дифракция от края экрана), используемой для получения желаемого проекционного изображения на поверхности фоторезиста. Это явление по мере уменьшения длины волны используемого излучения приводит ко все более заметному ухудшению качества получаемого изображения вследствие появления дифракционных максимумов, располагающихся на расстояниях порядка λ от центра проектируемой линии. Если учесть, что в настоящее время ведущими производителями используется излучение с длиной волны λ =130 нм и даже (в экспериментах!) λ =13,4 нм, то становится очевидным, насколько существенным может быть ограничение по разрешению, вносимое дифракцией на краю маски.
Создание масок по мере уменьшения длины волны используемого излучения (а этот процесс является определяющим при повышении степени интеграции) становилось все более дорогостоящим технологическим процессом. Так например, комплект масок для создания типового технологического процесса стоит даже при технологиях 0.25-0.18 мкм около 1 миллиона долларов. В случае же использования излучения с длиной волны 13 нм, когда применяются маски, отражающие экстремальный ультрафиолет, зеркальная поверхность, отражающая EUV-излучение, содержит 40 пар чередующихся слоев толщиной h из материалов с сильно различающимися коэффициентами преломления, например кремния (h=4,1 нм) и молибдена (h=2,8 нм), стоимость комплекта масок ввиду сложности нанесения такой многослойной отражающей поверхности оказывается существенно дороже.
В качестве покрытия, поглощающего излучение на многослойном зеркале (например, в случае масок, создаваемых Intel), используется Cr-пленка. Она образует на поверхности, отражающей излучение, топологию соответствующей интегральной схемы, которая проецируется (обычно с уменьшением) на фоторезист. При этом реальное разрешение, обеспечиваемое при засветке фоторезиста, будет зависеть и от дифракции используемого излучения на краю поглощающего покрытия, образующего собственно маску.
Известно применение острийных автоэмиссионных матриц, состоящих из подложки, на которой выращены острия (вискерсы), которые при создании у их поверхности локальной напряженности поля E≈ 10-6 B/см эмитируют электронные пучки высокой плотности. Эти матрицы неоднократно использовались для создания изображения на экранах, покрытых люминофором (автоэмиссионные дисплеи, см. C.A.Spindt, C.E.Holland, A.Rosengreen, I.Brodie “Field-Emitter Arrays for Vacuum Microelectronics”Trans.on Electron Devices vol.38, #10, 1991; Е.И.Гиваргизов. Рост нитевидных и пластинчатых кристаллов из пара, изд. “Наука”, ГИФМЛ, Москва 1977). Однако в электронной литографии автоэмссионные матрицы практически не использовались.
Таким образом, существующие устройства для создания изображения на светочувствительном слое имеют ряд существенных недостатков:
1) принципиальные трудности совмещения в одном устройстве высокого разрешения и большой глубины резкости;
2) существенное усложнение конструкции и технологии проецирующего устройства при уменьшении длины волны излучения, используемого при проецировании изображения на фоторезист;
3) радикальное усложнение оптической системы и технологии изготовления проецируемого объекта - маски по мере уменьшения длины волны, используемой при проецировании;
4) резкое удорожание технологии и оборудования по мере роста степени интеграции производимой продукции;
5) чрезвычайно низкая технологическая гибкость производственного процесса и очень высокая стоимость его перестройки;
6) принципиальная невозможность создания диверсифицированного производства.
Техническим результатом, который может быть получен при осуществлении предлагаемого изобретения, является принципиальное упрощение технологического процесса создания высокоразрешающих изображений на светочувствительном слое, возможность получения высокоразрешающих изображений двумерных/трехмерных структур на светочувствительном слое без использования масок и при этом практически без каких-либо дифракционных искажений, в том числе, получение ровного края линии, возможность изменения интервалов (промежутков) между элементами рисунка с дискретом до 0,01 нм, обеспечение расстояния между световодами и фоторезистом с дискретом 0,01, что обеспечивает, во-первых, необходимую точность при установке расстояния 1-50 нм, позволяющего работать в условиях ближнего поля при практическом отсутствии дифракционных искажений, а во-вторых, обеспечение заданного изменения диаметра пятна засветки в зависимости от расстояния, и, следовательно, получение точного размера элемента рисунка, например, в виде линии заданной ширины, перемещения фоторезиста и/или световодов в направлении, перпендикулярном этой линии, а так же обеспечение перекрытия пятен засветки для получения рисунка в виде непрерывной линии или любой другой формы, например двумерной фигуры.
Указанный технический результат достигается за счет того, что в устройстве для получения изображения на фоторезисте, содержащем световоды, соединенные с источником или источниками излучения и выполненные оптоволоконными с утоненными концами или в виде микроконусов из материала, прозрачного для используемого излучения, диаметры утоненных концов оптоволоконных световодов или радиусы закругления при вершине микроконусов, направленных в сторону фоторезиста, имеют размер от 10 до 50 нм, при этом световоды и/или подложка с фоторезистом установлены с возможностью перемещения относительно друг друга с помощью XYZ-нанопозиционера с дискретом до 0,01 нм, а расстояние z между световодами и фоторезистом составляет от 1 до 2000 нм.
При этом для обеспечения разрешения Δ х≈ d расстояние между световодами и фоторезистом составляет z≤ d.
Кроме того, целесообразно, чтобы устройство было выполнено с возможностью коммутирования светового потока, проходящего через световоды.
Световоды могут быть выполнены в виде микроконусов, выполненных из кремния или соединений типа А11ВV или AIIIBVI, а на их основаниях выполнены твердотельные коммутируемые нанолазеры или светодиоды, генерирующие заданное излучение, или индивидуально коммутируемые затворные устройства, регулирующие доступ излучения в микроконусы. При этом микроконусы могут быть расположены на поверхности соответствующих планарных световодов.
Кроме того, световоды могут образовывать матрицу из нескольких рядов, по несколько световодов в каждом ряду, или световоды могут быть сгруппированы в несколько двумерных матриц, расположенных в несколько рядов по несколько матриц в каждом ряду, каждая из которых состоит из нескольких рядов световодов по несколько световодов в каждом ряду.
При этом размер матриц световодов целесообразно выполнять близким или равным размеру подложек с фоторезистом.
Указанный технический результат достигается за счет того, что в устройстве для получения изображения на фоторезисте, содержащем по меньшей мере один автоэмиссионный эмиттер, соединенный с источником тока, подложку с фоторезистом и источник магнитного поля, подложка с фоторезистом и автоэмиссионный эмиттер или автоэмиссионные эмиттеры расположены в магнитном поле, направленном вдоль продольной(ых) оси(ей) острия(й) автоэмиссионного(ых) эмиттера(ов), а подложка с фоторезистом и/или автоэмиссионный эмиттер или автоэмиссионные эмиттеры установлены с возможностью перемещения относительно друг друга с дискретом до 0,01 нм.
При этом автоэмиссионный эмиттер или автоэмиссионные эмиттеры могут быть расположены на расстоянии от 1 нм до нескольких миллиметров или более от поверхности фоторезиста, в частности могут быть расположены на расстоянии от 1 до 5000 нм от поверхности фоторезиста.
Кроме того, автоэмиссионный(ые) эмиттер(ы) целесообразно выполнять с возможностью коммутирования эмитируемого тока.
При этом автоэмиссионные эмиттеры могут образовывать двумерную матрицу из нескольких рядов по несколько автоэмиссионных эмиттеров в каждом ряду или автоэмиссионные эмиттеры могут быть сгруппированы в несколько двумерных матриц, расположенных в несколько рядов по несколько таких матриц в каждом ряду, каждая из которых состоит из нескольких рядов автоэмиссионных эмиттеров по несколько рядов автоэмиссионных эмиттеров в каждом ряду.
На фиг.1 изображен пучок световодов, утоненные концы которых создают перекрывающиеся световые пучки, создающие изображение на фоторезисте, расположенном на подложке из полупроводникового материала.
На фиг.2 приведено изображение, созданное на фоторезисте неперекрывающимися световыми пучками с помощью комплексной матрицы, состоящей из световодных матриц.
На фиг.3 представлена световодная матрица из микроконусов, изготовленных из полупроводникового материала, создающих генерируемые нанолазерами или светодиодами перекрывающиеся световые пучки на поверхности фоторезиста, находящегося на подложке из полупроводникового материала.
На фиг.4 приведено изображение, созданное матрицей из микроконусов на поверхности фоторезиста, причем световые пучки, испускаемые микроконусами, перекрываются.
На фиг.5 приведено изображение матрицы из диэлектрических или полупроводниковых микроконусов на планарном световоде, которые пропускают световой пучок, когда открыт световой затвор.
На фиг.6 приведено изображение матрицы автоэмиссионных острий, расположенных на подложке и эмитирующих электронные пучки, под воздействием вытягивающего поля диафрагм.
Устройство (см. фиг.1) для получения изображения на светочувствительном слое (фоторезисте) содержит соединенные с источником излучения световоды 1 с утоненными концами 2, направленные в сторону светочувствительного слоя (фоторезиста) 4, нанесенного на подложку 5, и расположенные таким образом, чтобы световые пятна 3 на светочувствительном слое (фоторезисте) могли создать изображение с заданной топологией, состоящее из:
1) неперекрывающихся пятен засветки 3 (фиг.2),
2) или из перекрывающихся пятен засветки 3 (фиг.4), при этом диаметр утоненных концов световодов d изменяется в пределах от 10 до 2000 нм, а расстояние z между ними и светочувствительным слоем лежит в интервале z≈ 0,1d-2d. Перекрытие пятен засветки, когда из-за конечной величины диаметров неутоненной части световодов их утоненные концы не могут быть достаточно близко размещены, чтобы обеспечить перекрытие пятен засветки на фоторезисте при требуемом разрешении, тем не менее может быть достигнуто за счет контролируемого прецизионного перемещения световодов относительно фоторезиста и соответствующим образом организованной коммутации источников излучения, запитывающих световоды.
Световоды 1 могут быть выполнены из прозрачного для используемого излучения материала с возможностью коммутирования проходящего через них светового потока.
Световоды также могут быть выполнены в виде микроконусов 8 (фиг.3) с радиусом закругления при вершине порядка 10 нм, выполненных из полупроводниковых материалов, достаточно прозрачных для излучения используемой длины волны, например Si, вершины которых направлены в сторону светочувствительного слоя (фоторезиста) 4, нанесенного на полупроводниковую подложку 5, и расположенных таким образом, чтобы обеспечить перекрытие световых пучков 3 на светочувствительном слое (фоторезисте) 4, нанесенном на полупроводниковую подложку 5, а на их основании могут быть созданы с помощью технологий, существующих в современной микроэлектронике (Charles Lieber, CERN Courier, May 2003), твердотельные коммутируемые нанолазеры или светодиоды 9, генерирующие излучение с соответствующей λ , для которой микроконус из полупроводникового материала прозрачен, что позволяет получить изображение с заданной топологией (фиг.4). Такие световоды могут образовать двумерную матрицу из нескольких рядов по несколько световодов в каждом ряду. Коммутируя отдельные световоды матрицы, можно сформировать на светочувствительном слое (фоторезисте), расположенном в непосредственной близости от матрицы, рисунок с требуемой топологией.
Световоды могут быть выполнены и в виде изготовленных из диэлектрика или полупроводникового материала микроконусов 11 (фиг.5), расположенных на планарном световоде 10, вершины которых направлены в сторону фоторезиста 4, нанесенного на полупроводниковую подложку 5, и пропускают коммутируемые световые пучки 3, когда открыты коммутируемые затворные устройства 12, регулирующие доступ излучения в микроконус, создающие заданное изображение на фоторезисте 4.
Световоды могут образовывать двумерную матрицу из нескольких рядов, по несколько световодов в каждом ряду, создающих на поверхности фоторезиста заданное изображение 7, образованное пятнами засветки 6 (фиг.2).
Световоды могут быть сгруппированы в несколько матриц, расположенных в несколько рядов по несколько матриц в каждом ряду, каждая из которых состоит из нескольких рядов световодов по несколько световодов в каждом ряду (фиг.2).
В другом варианте выполнения устройство для получения изображения на световой мишени содержит по меньшей мере, один соединенный с источником излучения световод (микроконус), утоненным концом (вершиной) направленный в сторону фоторезиста, при этом световод (микроконус) или световоды и/или фоторезист установлены с возможностью перемещения относительно друг друга с дискретом до 0,01 нм, а диаметр утоненных концов световодов (микроконусов) и расстояние между ними и фоторезистом составляют от 10 до 2000 нм.
Световоды (фиг.3) выполняются в виде кремниевых микроконусов 8, вершины которых направлены в сторону фоторезиста 4, нанесенного на полупроводниковую подложку 5, на котором световые пучки 3 создают заданное изображение, а на их основании могут быть созданы твердотельные коммутируемые нанолазеры или светодиоды 9, генерирующие заданное излучение.
Световоды образуют двумерную матрицу из нескольких рядов, по несколько световодов в каждом ряду аналогично тому, как это изображено на фиг.1 в случае оптоволоконных световодов.
Световоды сгруппированы в несколько матриц, расположенных в несколько рядов по несколько матриц в каждом ряду, каждая из которых состоит из нескольких рядов световодов по несколько световодов в каждом ряду аналогично тому, как это сделано в случае оптоволоконных световодов на (фиг.2).
При использовании идеального точечного источника освещенность, создаваемая им на экране (в нашем случае на фоторезисте), находящемся на расстояниях <λ используемого излучения, представляет собой пятно. При этом на краю светового пятна отсутствуют какие-либо дифракционные максимумы. Таким идеальным точечным источником может быть стекловолокно, вытянутое таким образом, что у его конца диаметр световода d составит примерно 10 нм, или микроконус с радиусом закругления при вершине того же порядка. Но, как известно, диаметр светового пятна на расстоянии z<d (где d - диаметр конца световода) также будет близок к d. Поэтому, используя матрицу из подобных световодов, расположенных друг относительно друга таким образом, чтобы световые пятна, создаваемые этими идеальными точечными источниками, перекрывались, можно создавать на фоторезисте, находящемся на расстоянии z≈ d, плоское изображение. Коммутируя отдельные световоды матрицы можно создавать ряды световых линий или совокупность различным образом расположенных световых точек, очертания которых повторяют очертания, создаваемые свечением матрицы. Если на конце каждого световода разместить источник излучения, эмитирующий необходимую длину волны, то, коммутируя эти источники, можно создать на поверхности светочувствительного слоя (фоторезиста), расположенного на расстоянии порядка d, практически любое плоское изображение с разрешением Δ х≈ d. Такая коммутация может осуществляться как коммутацией источников излучения, так и быстродействующих световых затворов на торцах световодов, на которые подается излучение, с помощью которого осуществляется экспозиция фоторезиста.
В связи с тем, что диаметр световодов в области не подверженной утонению существенно превосходит диаметр световодов на оконечном участке, их расположение на оконечном участке может осуществляться так, чтобы:
1) световые пятна, создаваемые ими на фоторезисте, перекрывались, тогда как сами световоды представляли бы собой расходящийся трехмерный пучок (фиг.1), что позволяло бы свести утоненные части световодов на расстояния, при которых возможно перекрытие световых пятен либо их возможно более близкое расположение на поверхности фоторезиста. Коммутируя источники излучения, можно экспонировать на поверхность фоторезиста любую произвольную топологию в пределах такой световодной матрицы с разрешением ~d.
2) утоненные концы световодов располагаются таким образом, что световые пятна на фоторезисте поверхности образуют плоское изображение заранее выбранной формы, которое может состоять и из отдельных сегментов или групп световых пятен. В этом случае создание требуемой топологии при засветке фоторезиста производится путем последовательного позиционирования подложки с фоторезистом под такой световодной матрицей, состоящей из множества отдельных матриц, во время контролируемого перемещения с помощью прецизионного XYZ-нанопозиционера, позволяющего осуществлять позиционирование фоторезиста с дискретом до 0,01 нм, что значительно превосходит разрешение световодной матрицы. Коммутация световодов и прецизионное позиционирование световодной матрицы с линейным разрешением, значительно превосходящим разрешение, обеспечиваемое матрицей и равное характерному размеру d светового пятна, создаваемого одним световодом (микроконусом), позволяют экспонировать на поверхности фоторезиста любую заранее заданную топологию. Важно отметить, что в этом случае позиционирование осуществляется в пределах хода точной ступени нанопозиционера, т.к. расстояние между утоненными концами световодов (вершинами микроконусов), осуществляющих засветку, может быть ≈ 0,1-20 мкм. При этом могут использоваться любые прецизионные позиционеры, обладающие необходимым разрешением (Δ х, Δ у<d) и необходимой базой перемещения.
3) общая световодная матрица состоит из N комплексных световодных матриц, аналогичных описанной в пункте 2. При этом N равно числу СБИС, располагающихся на кремниевой пластине, а расстояние между проекциями топологии СБИС на фоторезисте выбирается заведомо большим, чем максимальное смещение единичной матрицы при экспозиции, обеспечивающей создание заданной топологии единичной СБИС на фоторезисте.
4) коммутируя заранее заданным способом световоды (микроконусы) в каждой матрице, входящей в состав комплексной матрицы, которая по размерам может быть сопоставима с размером кремниевой (или иной полупроводниковой) подложкой, можно в процессе засветки одной такой подложки создать на ней СБИС с различной топологией, что может кардинально уменьшить стоимость изготовления заказных СБИС.
Одним из перспективных путей создания такой световодной матрицы может оказаться использование в качестве световодов микроконусов из соответствующего полупроводникового материала, например кремния или соединений типа АIIВV или АIIIВVI, вершины которых и будут являться концами световодов. Такие матрицы из микроконусов могут создаваться с помощью обычной технологии производства микроэлектронных чипов (Ю.Д.Чистяков, Ю.П.Райнова. Физико-химические основы технологии микроэлектроники, Москва, 1979 г.). При этом на основании таких микроконусов могут с помощью той же технологии создаваться твердотельные микролазеры (или светодиоды), генерирующие излучение в диапазоне длин волн, для которых соответствующий полупроводник достаточно прозрачен.
Световодная матрица (фиг.5) может быть создана и путем размещения на поверхности 10 микроконусов 11 из соответствующего диэлектрика или полупроводникового материала, обладающих соответствующим показателем преломления и прозрачных для излучения с выбранной длиной волны. В этом случае через микроконусы 11 излучение сможет выходить из планарного световода 10, когда открыт световой затвор 12, и направляться в виде световых пучков 3 на фоторезист 4, расположенный на полупроводниковой подложке 5. Использование пленочного планарного световода позволяет создавать (с помощью находящихся на их поверхности микроконусов 11) двумерные изображения (фиг.4). Коммутация световых пучков, исходящих из микроконусов 11, может осуществляться с помощью электрооптических затворов 12 (например, использующих эффект Поккельса), располагающихся в основании микроконусов 11.
Световодные матрицы с ближнеполевыми точечными источниками, создающими на поверхности фоторезиста 4 световые пятна 6, свободные от дифракционных и иных искажений, позволяют создать на поверхности фоторезиста топологию 7, соответствующую используемой процедуре засветки фоторезиста с помощью такой матрицы (фиг.2). В случае необходимости получения сплошных линий или двумерных фигур создание такой топологии может быть обеспечено не только коммутацией источников излучения, располагающихся на световодах, но и смещением подложки с фоторезистом относительно матрицы или наоборот матрицы относительно подложки, совмещенным с процессом экспонирования. При этом в случае использования матриц с характерным размером, близким или равным размеру кремниевых подложек, применяемых сегодня для создания СБИС, можно на одной подложке создавать в едином процессе засветки СБИС с различными топологиями, что создает практически неоценимые преимущества для разработки и создания заказных схем и радикального удешевления самого процесса разработки новых СБИС.
Предлагаемые устройства, комплектуемые прецизионными XYZ-нанопозиционерами, могут заменить собой степперы. Такие устройства позволяют осуществлять параллельную засветку всей подложки, что существенно повышает производительность. А предварительная оценка позволяет заключить, что стоимость такого устройства при серийном производстве может оказаться ниже стоимости степпера в 50-100 раз. Это может служить решающим аргументом в пользу создания и применения такого рода устройств, т.к. современные степперы стоят от 20 до 60 миллионов долларов.
Естественным развитием предлагаемой матричной технологии фотолитографии является использование автоэмиссионных острийных матриц. На фиг.6 приведено изображение автоэмиссионных острий 15, расположенных на подложке 14, эмитирующих электронные пучки 16 под воздействием вытягивающего поля диафрагм 13. Кроме того, одиночные автоэмиссионные острия используются в качестве источников электронных пучков и для создания высокоразрешающих изображений на фоторезисте 4, нанесенном на полупроводниковую подложку 5. Однако несмотря на то, что современная электронная литография, использующая обычную электронную пушку в качестве источника электронного пучка, позволяет решить проблему достижения практически любого необходимого разрешения, она так и не нашла сколько-нибудь широкого применения в производстве СБИС, во-первых, ввиду чрезвычайно низкой производительности, характерной для любого способа создания рисунка, связанного с последовательной прорисовкой изображения, в отличии от широко применяемого в настоящее время метода фотолитографии, позволяющего одновременно создавать рисунок на значительной части поверхности фоторезиста. Это различие аналогично различию между работой печатной машины и машинистки.
Но использование автоэмиссионных многоострийных матриц позволяет перейти от малопроизводительной электронной литографии, в случае которой сканирующий электронный пучок, перемещаясь последовательно, создает на соответствующем фоторезисте заданную топологию, к многопучковой планарной электронной литографии, позволяющей добиться радикально большей производительности.
Использование автоэмиссионных острийных матриц с индивидуально управляемыми остриями (аналогичных автоэмиссионным матрицам, применяемым в автоэмиссионных дисплеях) позволяет:
1) осуществлять параллельную высокопроизводительную засветку фоторезиста с чрезвычайно высоким пространственным разрешением;
2) в случае, когда пятна засветки, создаваемые отдельными остриями, не перекрываются, смещение автоэмиссионный матрицы на расстояния большие, чем расстояние между соседними остриями, позволяет (как и в случае световодных матриц) осуществлять (там, где это требуется) непрерывную засветку в пределах площади фоторезиста, засвечиваемой такой автоэмиссионной матрицей. При этом полностью устраняется дисторсия, наблюдающаяся обычно при отклонении электронного пучка на углы, отличающиеся от параксиальных;
3) осуществляя коммутации острий в сочетании со смещением автоэмиссионной матрицы, создать любое изображение на поверхности фоторезиста в пределах площади его засветки;
4) создавая комплексную автоэмиссионную матрицу (аналогичную по геометрии комплексной световодной матрице фиг.2), получить возможность одновременной засветки электронными пучками всего фоторезиста, покрывающего подложку из полупроводникового материала, при незначительном смещении фоторезиста или комплексной матрицы на расстояния, не превышающие зазора между отдельными матрицами (от ~ 0,01 до 0,1 мм). Благодаря такой компоновке наряду с огромным увеличением производительности можно осуществлять на одной подложке одновременное изготовление совершенно различных СБИС. В принципе, можно осуществить изготовление всех СБИС, из которых состоит компьютер или какое-либо другое устройство, на одной подложке.
Использование многоострийных автоэмиссионных матриц позволяет получать чрезвычайно высокоразрешающие изображения на фоторезисте со значительно более высокой производительностью, чем обычная электронная литография, при практически полном устранении дисторсионных искажений и устранении трудностей получения высокоразрешающих сплошных изображений линий благодаря возможности контролируемого высокоточного относительного смещения фоторезиста и автоэмиссионной матрицы друг относительно друга;
5) избежать расходимости эмитируемых каждым острием электронных пучков и обеспечить радикальное улучшение разрешения, достигаемого при взаимодействии такого пучка с фоторезистом при использование аксиального (по отношению к остриям) магнитного поля. При этом расстояние от вершин эмиттеров автоэмиссионной матрицы до поверхности фоторезиста может достигать миллиметров без потери разрешения и интенсивности при приложении соответствующего магнитного поля.
Наконец, создание такого рода световодных и автоэмиссионных матричных устройств радикально упрощает технологию, позволяя перейти от индустриальной эры производства СБИС, в которой мы живем сегодня, к постиндустриальной технологии производства, когда разработкой и изготовлением СБИС смогут заниматься малые коллективы, т.е. когда эта технология станет доступной не только гигантским современным заводам, стоимостью 5-7 миллиардов долларов, но и огромному числу небольших групп ученых и инженеров.
1. Устройство для получения изображения на фоторезисте, содержащее световоды, соединенные с источником или источниками излучения и выполненные оптоволоконными с утоненными концами или в виде микроконусов из материала, прозрачного для используемого излучения, причем соответственно диаметры утоненных концов оптоволоконных световодов или радиусы закругления при вершине микроконусов, направленных в сторону фоторезиста, имеют размер 10-50 нм, при этом световоды и/или подложка с фоторезистом установлены с возможностью перемещения относительно друг друга с помощью XYZ-нанопозиционера с дискретом до 0,01 нм, а расстояние z между световодами и фоторезистом составляет 1-2000 нм.
2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что для обеспечения разрешения Δх≈d расстояние между световодами и фоторезистом составляет z≤d.
3. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что оно выполнено с возможностью коммутирования светового потока, проходящего через световоды.
4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что световоды выполнены в виде микроконусов и при этом микроконусы выполнены из кремния или соединений типа АIIВV или AIIIBVI, а на их основаниях выполнены твердотельные коммутируемые нанолазеры или светодиоды, генерирующие заданное излучение, или индивидуально коммутируемые затворные устройства, регулирующие доступ излучения в микроконусы.
5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что микроконусы расположены на поверхности соответствующих планарных световодов.
6. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что световоды образуют матрицу из нескольких рядов, по несколько световодов в каждом ряду.
7. Устройство по п. 1 или 2, отличающееся тем, что световоды сгруппированы в несколько двумерных матриц, расположенных в несколько рядов по несколько матриц в каждом ряду, каждая из которых состоит из нескольких рядов световодов по несколько световодов в каждом ряду.
8. Устройство по одному из п. 1 или 2, отличающееся тем, что размер матриц световодов близок или равен размеру подложек с фоторезистом.
9. Устройство для получения изображения на фоторезисте, содержащее по меньшей мере один автоэмиссионный эмиттер, соединенный с источником тока, подложку с фоторезистом и источник магнитного поля, при этом подложка с фоторезистом и автоэмиссионный эмиттер или автоэмиссионные эмиттеры расположены в магнитном поле, направленном вдоль продольной(ых) оси(ей) острия(й) автоэмиссионного(ых) эмиттера(ов), а подложка с фоторезистом и/или автоэмиссионный эмиттер или автоэмиссионные эмиттеры установлены с возможностью перемещения относительно друг друга с дискретом до 0,01 нм.
10. Устройство по п.9, отличающееся тем, что автоэмиссионный эмиттер или автоэмиссионные эмиттеры расположены на расстоянии от 1 нм до нескольких миллиметров от поверхности фоторезиста.
11. Устройство по п.10, отличающееся тем, что автоэмиссионный эмиттер или автоэмиссионные эмиттеры расположены на расстоянии 1-5000 нм от поверхности фоторезиста.
12. Устройство по п.9, отличающееся тем, что автоэмиссионный(ые) эмиттер(ы) выполнен(ы) с возможностью коммутирования эмитируемого тока.
13. Устройство по любому из пп.9-12, отличающееся тем, что автоэмиссионные эмиттеры образуют двумерную матрицу из нескольких рядов по несколько автоэмиссионных эмиттеров в каждом ряду.
14. Устройство по любому из пп.9-12, отличающееся тем, что автоэмиссионные эмиттеры сгруппированы в несколько двумерных матриц, расположенных в несколько рядов по несколько таких матриц в каждом ряду, каждая из которых состоит из нескольких рядов автоэмиссионных эмиттеров по несколько рядов автоэмиссионных эмиттеров в каждом ряду.
