Проводящие покрытия для электронной литографии на диэлектрических подложках

Для проведения электронной литографии на диэлектрических подложках требуется создание проводящего слоя поверх электронного резиста. Это связано с тем, что диэлектрик при экспонировании электронным лучом накапливает электрический заряд и тем самым препятствует дальнейшему экспонированию. Статья посвящена обзору современных решений, позволяющих создавать проводящие слои для электронной литографии на диэлектрических подложках. Основной акцент сделан на полимерные проводящие покрытия.

В ряде случаев перед технологами встаёт задача проведения электронной литографии на диэлектрических подложках. Это может быть экспонирование железоокисных фотошаблонов, создание нано- и микроструктур на пластинах кварца, сапфира или стекла (например, штампов для наноимпринтной литографии) 1 . При экспонировании таких подложек электронным лучом диэлектрик накапливает заряд, который отклоняет летящие к подложке электроны и делает невозможным дальнейшее экспонирование резиста (пример негативного воздействия показан на РИС.1²).

Для решения проблемы существуют два подхода. Первый состоит в напылении поверх электронного резиста тонкого слоя металла, второй — в нанесении проводящего полимерного покрытия методом центрифугирования³.

Формирование слоя металла поверх электронного резиста является очевидным решением. Способы физического (physical vapor deposition — PVD) и химического (chemical vapor deposition — CVD, atomic layer deposition — ALD) осаждения тонких слоёв металлов существуют давно и активно применяются в современной микроэлектронике. Однако не все они могут быть использованы для создания проводящего покрытия поверх фоторезиста. Во-первых, резист не должен ухудшать свои литографические характеристики после процесса, во-вторых, необходимо обеспечить приемлемую адгезию металла к резисту.

Первое ограничение сокращает список возможных методов формирования металлической плёнки. Для этих целей подходит только термическое напыление 4 . При магнетронном и электронно-лучевом напылении происходит экспонирование плёнки электронного резиста. ALD и CVD требуют высоких температур, при которых происходит деградация резиста.

Второе ограничение усложняет выбор металлов. При термическом напылении для хорошей адгезии требуется подогрев подложки. Для электронных резистов на основе PMMA и хлорметакрилатов допускается использовать температуру не выше 150 °C. Для химически усиленных электронных резистов эта температура ещё ниже. Очень немногие металлы осаждаются термически на подложки с такой низкой температурой. Наиболее часто используются алюминий, хром, золото, они могут применяться в комбинации. Рекомендуемая толщина плёнок неблагородных металлов должна быть не менее 20 нм, поскольку в последнем случае может наблюдаться существенное увеличение сопротивления вследствие окисления и зернистой структуры металла 5, 6.

После проведения экспонирования металл стравливается в специальном растворе. Иногда возможно удаление металла в проявителе — к примеру алюминий растворяется в щелочных растворах, подходящих для проявления HSQ-резистов (hydrogen silsesquioxane), например XR-1541. Травители некоторых металлов могут повреждать плёнки электронных резистов, поэтому к выбору металла нужно подходить с учётом этого аспекта.

Таким образом, использование металла добавляет очевидную технологическую сложность в процесс электронной литографии. Необходимо использование дорогостоящего оборудования и дополнительного процесса травления перед проявлением.

Альтернативным подходом является нанесение специального полимерного покрытия поверх фоторезиста с помощью центрифугирования. Существуют полимеры, обладающие электропроводностью при комнатной температуре. Строго говоря, это органические полупроводники.

Требования, предъявляемые к проводящему покрытию:

• высокая проводимость;
• совместимость с резистом;
• высокая адгезия к резисту;
• простота удаления перед проявлением резиста.

Для надлежащего снятия заряда удельное сопротивление должно быть не более 104 Ом*см. Как и у всех полупроводников, сопротивление покрытия изменяется с температурой. У некоторых проводящих материалов сопротивление может меняться с течением времени — это ограничение срока годности такого материала 7 (РИС.2).

Причина несовместимости с резистом — несоответствие систем растворителей: проводящее покрытие растворяет верхний слой резиста или вовсе смывает его при нанесении.

Адгезия любого коммерчески доступного покрытия, как правило, высока при условии совместимости систем растворителей, поэтому дополнительно данный вопрос не будет рассматриваться в этой статье.

Желательно, чтобы проводящее покрытие растворялось либо в воде, либо в проявителе резиста. Очевидно, что водорастворимый полимер будет исключительно удобен при использовании электронных резистов, проявляемых в щелочных растворах (например, на основе нафтохинондиазида — НХД). В этом случае преимущество использования полимера будет очевидно перед использованием металла.

Многие исследователи применяли в своих работах самостоятельно изготовленные проводящие покрытия на основе PEDOT/PSS (poly(3,4-Ptylenedioxythiophene) /polystyrenesulfonate) 8 . Коммерчески доступные проводящие покрытия изготавливаются на основе полианилинов или политиофенов. Они обладают приемлемой проводимостью и растворимы в воде. В Таблице 1 приведены основные характеристики коммерчески доступных материалов. В качестве примера далее рассмотрим применение проводящего полимерного покрытия производства компании Allresist.

Таблица 1 Коммерчески доступные зарубежные полимерные проводящие покрытия для электронной литографии