X線リソグラフィー

X 線リソグラフィーは、半導体デバイス製造業界でフォトレジストの薄膜の一部を選択的に除去するために 使用されるプロセスです。X線を使用して、マスクから基板上の光に敏感な化学フォトレジスト(または単に「レジスト」) に幾何学的パターンを転写し、非常に小さなトポロジカル サイズの特徴を実現します。その後、一連の化学処理によって、作成されたパターンがフォトレジストの下の材料に刻み込まれます。

材料費（X線遮断に使用される金など）が法外に高いため、商業生産ではあまり使用されていません。^[1]

X線リソグラフィーは半導体産業の次世代リソグラフィーの候補として始まり^[1]、マイクロプロセッサの大量生産に成功しました。X線は波長が短い（1nm未満）ため、光リソグラフィーの回折限界を超え、より小さな特徴サイズを実現できます。シンクロトロン放射のようにX線源がコリメートされていない場合は、光学系で使用される屈折レンズの代わりに基本的なコリメートミラーまたは回折レンズが使用されます。X線は、レジストでコーティングされたウェハの近くに置かれたマスクを照らします。X線は広帯域で、通常はコンパクトなシンクロトロン放射源から放射されるため、迅速な露光が可能です。深層X線リソグラフィー（DXRL）は、0.1nm程度のさらに短い波長と、 LIGAプロセスなどの修正された手順を使用して、深い構造や3次元構造さえも製造します。

マスクは、X 線を透過する膜（通常はシリコンカーバイドまたはダイヤモンド）の上に、通常は金またはタンタルやタングステンの化合物でできたX 線吸収体を配置して構成されます。マスクのパターンは、従来の半導体プロセスで開発されたレジストに直接描画する電子ビームリソグラフィーによって描画されます。オーバーレイ精度を高めるために、膜を伸縮させることができます。

ほとんどのX線リソグラフィーのデモンストレーションは、図に示すように、ぼやけたコントラストの線上で画像忠実度（拡大なし）でコピーすることによって行われてきました。しかし、高解像度の必要性が高まるにつれて、X線リソグラフィーは現在、局所的な「バイアスによる縮小」を使用して、「スイートスポット」と呼ばれる場所で行われています。^{[2] [3]}高密度構造は、平行移動を伴う複数の露光によって開発されます。3倍の縮小を使用する利点は、マスクがより簡単に製造できること、マスクとウェーハのギャップが拡大されること、コントラストが高くなることなどです。この技術は、高密度の15nmプリントに拡張可能です。

X 線は、極端紫外線リソグラフィーや電子ビームリソグラフィーの場合と同様に、二次電子を生成します。微細パターンの定義は主に短い経路長を持つオージェ電子からの二次電子によるものですが、一次電子は X 線露光よりも広い領域でレジストを感光させます。これは、波長とギャップによって決まるパターンピッチ解像度には影響しませんが、ピッチが一次光電子範囲のオーダーであるため、画像露光コントラスト(最大-最小)/(最大+最小)は低下します。側壁の粗さと傾斜は、露光 X 線エネルギーに応じて吸収体下の領域を数マイクロメートル移動するこれらの二次電子の影響を受けます。^[4]約30 nmのプリントがいくつか公開されています。^[5]

光電子効果のもう一つの現れは、娘マスクを作るために使用される厚い金の膜から発生するX線電子への曝露である。^[6]シミュレーションでは、金基板からの光電子生成が溶解速度に影響を与える可能性があることが示唆されている。

二次電子のエネルギーは 25 eV 以下で、あらゆる電離放射線 ( VUV、EUV、X 線、イオン、その他の電子) によって生成されます。オージェ電子のエネルギーは数百電子ボルトです。二次電子 (オージェ電子と一次光電子によって生成され、その数もオージェ電子と一次光電子より多い) は、レジスト露光の主な原因です。^{[引用が必要]}

一次光電子とオージェ電子の相対的な範囲は、それぞれのエネルギーに依存します。これらのエネルギーは、入射光のエネルギーとレジストの組成に依存します。最適な選択にはかなりの余地があります (記事の参考文献 3)。オージェ電子のエネルギーが一次光電子よりも低い場合、範囲は短くなります。どちらも二次電子に崩壊し、化学結合と相互作用します。^[7]二次電子のエネルギーが低すぎると、化学結合を破壊できず、印刷解像度に影響を与えなくなります。実験により、合計範囲は 20 nm 未満であることが証明されています。一方、二次電子は ≈30 eV 未満では異なる傾向を示します。エネルギーが低いほど、平均自由行程は長くなりますが、レジストの現像には影響しません。^{[引用が必要]}

一次光電子とオージェ電子は崩壊するにつれて、最終的には（フェルミ・ディラック統計のように）二次電子と物理的に区別がつかなくなる。低エネルギー二次電子の範囲は、一次光電子やオージェ電子の範囲よりも広い場合がある。X 線リソグラフィーにとって重要なのは、ネガティブまたはポジティブレジストの化学結合を形成または切断するのに十分なエネルギーを持つ電子の有効範囲である。^[要出典]

X 線は帯電しません。二次電子の平均自由行程が比較的大きい (約 20 nm) ため、ナノメートル スケールでの解像度制御が困難です。特に、電子ビーム リソグラフィーでは、入射電子による負の帯電と、その結果生じるビームの広がりにより解像度が制限されます。そのため、1 nm 未満になる可能性のある二次電子の有効範囲を分離することは困難です。

電子の平均自由行程を組み合わせると、画像のぼやけが生じます。これは通常、予想される画像と畳み込まれるガウス関数(σ = ぼやけ) としてモデル化されます。必要な解像度がぼやけに近づくと、線量画像は入射 X 線の空中画像よりも広くなります。重要なぼやけは、レジストの露光中に結合が形成または切断されることを表す潜像です。現像された画像は、選択された高コントラスト現像プロセスによって潜像に生成される最終的なレリーフ画像です。

さまざまな引用文献によると、印刷される一次電子、オージェ電子、二次電子、超低エネルギー高次電子の範囲は、（STM研究で証明されているように）大きい場合（数十 nm）も小さい場合（nm）もあります。この範囲は固定された数値ではないため、定量化は困難です。ライン エッジの粗さは、関連する不確実性によって悪化します。ライン エッジの粗さは、統計的な起源を持つと考えられており、平均範囲に間接的にのみ依存します。一般的に実施されているリソグラフィ条件下では、さまざまな電子範囲を制御して利用できます。

X 線は電荷を運びませんが、関係するエネルギーでは、試料内のイオン化種のオージェ崩壊は放射崩壊よりも起こりやすいです。イオン化ポテンシャルを超える高エネルギー放射線も自由電子を生成しますが、これは帯電した電子ビームによって生成される電子に比べると無視できるほど小さいものです。表面から出ていくイオン化電子やサンプル内に残っているイオン化電子が時間内に他の発生源から十分にバランスが取れていることが保証できない場合、イオン化後にサンプルが帯電する可能性は極めて低くなります。イオン化放射線の結果として電子にエネルギーが伝達されると、正電荷と負電荷が分離しますが、クーロン力の長距離移動もあってすぐに再結合します。ゲート酸化物やレジストなどの絶縁膜は、電子ビーム照射下で正または負の電位に帯電することが観察されています。絶縁膜は、レジストと真空の界面での空間電荷 (表面に出入りする電子) と基板からのファウラー・ノルドハイム注入によって最終的に局所的に中和されます。 ^[8]フィルム内の電子の飛程は、局所的な電界の影響を受ける可能性があります。状況は、二次電子とともに生成され、二次電子を追いかけることが予想される正孔（正に帯電した電子空孔）の存在によって複雑になります。中和が進むにつれて、初期の電荷濃度は効果的に拡散し始めます。フィルムの最終的な化学状態は、中和が完了し、すべての電子が最終的に減速した後に到達します。通常、X線ステッパーを除いて、帯電はフラッドガンまたはレジストの厚さまたは電荷消散層によってさらに制御できます。

• フォトリソグラフィー
  • エキシマレーザー
• 極端紫外線リソグラフィー
• 電子ビームリソグラフィー
• イオンビームリソグラフィー

1. ^ Y. Vladimirsky、「リソグラフィー」、Vacuum Ultraviolet Spectroscopy II Eds. JASamson and DLEderer、Ch 10 pp 205–223、Academic Press (1998)。
2. ^ Vladimirsky, Yuli; Bourdillon, Antony; Vladimirsky, Olga; Jiang, Wenlong; Leonard, Quinn (1999). 「フレネル回折の最適化による近接X線リソグラフィーの縮小と25nmへの拡張性」Journal of Physics D: Applied Physics . 32 (22): 114. Bibcode :1999JPhD...32..114V. doi :10.1088/0022-3727/32/22/102.
3. ^ Antony Bourdillon と Yuli Vladimirsky、「スイートスポットでの X 線リソグラフィー」、UHRL、サンノゼ、(2006) ISBN 978-0-9789839-0-1 
4. ^ Vora, KD; Shew, BY; Harvey, EC; Hayes, JP; Peele, AG (2008). 「深部X線リソグラフィーを用いたSU-8 HARMSTの側壁傾斜」。Journal of Micromechanics and Microengineering . 18 (3): 035037. Bibcode :2008JMiMi..18c5037V. doi :10.1088/0960-1317/18/3/035037.
5. ^ Early, K; Schattenburg, M; Smith, H (1990). 「λが4.5nmから0.83nmまでのX線リソグラフィーでは解像度の低下がない」Microelectronic Engineering . 11 : 317. doi :10.1016/0167-9317(90)90122-A.
6. ^ Carter, DJD (1997). 「X線ナノリソグラフィーにおける基板光電子の影響の直接測定」Journal of Vacuum Science and Technology B . 15 (6): 2509. Bibcode :1997JVSTB..15.2509C. doi :10.1116/1.589675.
7. ^ Lud, Simon Q.; Steenackers, Marin; Jordan, Rainer; Bruno, Paola; Gruen, Dieter M.; Feulner, Peter; Garrido, Jose A.; Stutzmann, Martin (2006). 「超ナノ結晶ダイヤモンド上へのビフェニル自己組織化単分子層の化学的グラフト化」。アメリカ化学会誌。128 (51): 16884–91. doi :10.1021/ja0657049. PMID  17177439.
8. ^ Glavatskikh, IA; Kortov, VS; Fitting, H.-J. (2001). 「絶縁層と金属-絶縁体-半導体構造の自己無撞着な帯電」. Journal of Applied Physics . 89 : 440. Bibcode :2001JAP....89..440G. doi :10.1063/1.1330242.