Физические основы микро- и нанотехнологии

го рисунка на поверхности монокристаллических кремниевых пластин. Учитывая размеры современных транзисторов (около 100 нм), можно говорить о необходимости нанолитографии.

Разрешающая способность метода оптической литографии в основном определяется длиной волны λ используемого пучка фотонного излучения и размером элементов маски. Для обычных масок оптимальная разрешающая способность метода составляет около 1,5–2,0 λ (λ = 10…1000 нм), тогда как использование так называемых фазосдвигающих масок позволяет более четко разделить элементы микросхемы и повысить разрешение примерно до 0,5–1,0 λ. Сегодня фазосдвигающие маски используются для производства транзисторов по технологии MOSFET c 30-нанометровой длиной затвора.

Необходимость уменьшения размеров элементов микроэлектроники накладывает ограничения, во-первых, на длину волны используемого излучения и, во-вторых, на линейные размеры прорезей шаблона. Рассматривается возможность снижения длины волны вплоть до нескольких нанометров и, как следствие, повышения разрешающей способности литографической схемы. При уменьшении линейных размеров рисунка маски большую роль начинают играть эффекты рассеяния излучения на границах раздела фаз, которые приводят к размытию конечного рисунка на резисте.

Довольно сложные схемы можно производить, если пучок излучения заменить на пучок электронов или ионов (электронноили ион- но-лучевая литография). Поскольку эти частицы имеют заряд, становится возможным не только засвечивать резист через маску, но также сфокусированным управляемым пучком писать на резисте, как ручкой или карандашом по бумаге (ФИП-нанолитография). Ионно-лучевая литография позволяет уменьшить минимально достижимый размер элементов примерно до 10 нм. Однако повышение разрешающей способности, связанное с уменьшением диаметра сканирующего пучка, неизбежно сопровождается увеличением длительности процесса. В случае ионов тяжелых атомов можно как модифицировать резист, так и вытравливать саму подложку или, наоборот, наносить на нее слои атомов или легировать материал подложки. В данной литографи-

251

ческой схеме можно добиться более высокой разрешающей способности (менее 100 нм), чем в оптической, однако значительная глубина проникновения электронов в облучаемый материал, процессы генерации вторичных электронов в объеме резиста приводят к значительному размытию экспонированных областей и разогреву маски, что отрицательно сказывается на качестве рисунка.

Основное отличие ФИП-литографии от фотолитографии в том, что ФИП-технология – это последовательный процесс, а с помощью литографии можно нанести все детали чипа единовременно. Несмотря на огромные достижения в технологии получения фокусированных ионных пучков и автоматизации высокоточных манипуляторов, системы ФИП не смогли заменить процесс фотолитографии в производстве микросхем. ФИП-технологии стали незаменимым инструментом в производстве масок для фотолитографии, исправления контактов на дефектных чипах, а также в процессах отладки экспериментальных микросхем.

Еще одним методом, причисляемым к литографическим, является «печатная» литография. В данном случае маска представляет собой рельефную пластину, которую прижимают к подложке с «мягким» резистом. Таким образом, рисунок с маски на резист переносится механически – путем деформирования резиста, подобно тому, как рельефный рисунок переносится путем придавливания печати к нагретому сургучу.

После создания рельефного рисунка из резиста подложка может быть окислена или протравлена в областях, не защищенных фоторезистом, или, наоборот, в «канавки» этого рельефа может быть нанесено вещество, например проводник. Таким образом, литография позволяет направленно изменять свойства определенной части подложки, что в дальнейшем используется для создания более сложных схем с отдельными элементами размером от 10 нм.

Локальное механическое воздействие на поверхность подложки можно производить иглой атомно-силового микроскопа (АСМ) в двух режимах. В статическом режиме (наногравировка) зонд микроскопа перемещается по поверхности подложки с достаточно боль-

252

шой силой прижима, так что на подложке (резисте) формируется рисунок в виде царапин. Динамический режим (наночеканка) подразумевает модификацию поверхности образца за счет формирования углублений колеблющимся зондом (прерывисто-контактный метод сканирования). Альтернативой непосредственному механическому воздействию иглой АСМ на подложку или нанесенный резист является модификация поверхности с помощью электрических импульсов. Это становится возможным благодаря приложению разности потенциалов между иглой микроскопа и проводящей подложкой. В результате такого воздействия, меняя потенциал, можно направленно менять структуру и химический состав поверхности, создавая очень сложные рисунки.

Еще один метод, метод наносферной литографии (НЛ), заключается в формировании массивов упорядоченных наночастиц при помощи структур, образованных значительно более крупными коллоидными частицами, которые упорядочить гораздо проще. На первом этапе близкие по размерам сферические коллоидные частицы (их средний размер может составлять от 200 нм до 1 мкм) «упаковывают» на требуемой подложке – как правило на атомно-гладкой поверхности монокристаллического кремния – в виде плотноупакованного монослоя (самосборка). Несмотря на то что коллоидные сферы плотно прижаты одна к другой, монослой содержит систему эквидистантных пустот треугольной формы. На втором этапе на монослой напыляют тонкий слой требуемого вещества, как правило, толщиной меньше 100 нм, которое не проникает в области, «затененные» коллоидными частицами, и достигает подложки только в открытых местах. В результате этой процедуры на подложке возникает система упорядоченных наночастиц требуемого вещества, разделенных коллоидными сферами. На последнем этапе коллоидные частицы удаляют путем растворения в соответствующем растворителе.

К несомненным достоинствам НЛ относятся: возможность получения структурированных наночастиц практически любых материалов, исходно создавая упорядоченные системы из значительно более крупных микрочастиц, работать с которыми проще; возможность

253

покрытия наночастицами подложек любой площади. Оксидные наночастицы можно синтезировать окислением соответствующих металлических наночастиц в атмосфере кислорода. С использованием метода НЛ можно получать не только двумерные, но и трехмерные структуры.

Впрочем, недостатки метода НЛ также очевидны – невозможно независимо варьировать размер наночастиц и расстояние между ними, создавать структуры отличной от гексагональной геометрии.

4.3.4. Цифровая обработка изображений

Получение информации о структуре образцов на основе элек- тронно-микроскопических изображений, как правило, включает сравнение экспериментальных данных с результатами моделирования. Важным этапом подготовки экспериментальных микрофотографий к их сопоставлению с расчетными изображениями является оцифровывание и дальнейшая компьютерная обработка этих микрофотографий. В процессе ее выполнения можно устранить такие нежелательные эффекты, как, например, неравномерный уровень фона и шум.

Процедура устранения шумов играет особо важную роль в случае высокоразрешающих микрофотографий. При этом наиболее значимые шумы на них обусловлены небольшими нерегулярностями образца, в частности из-за образования на поверхности аморфного слоя толщиной несколько нанометров. Соотношение между толщиной аморфного слоя и кристаллической части образца меняется от одного локального участка к другому, что приводит к флуктуациям электронно-микроскопического контраста. Загрязнения и радиационные нарушения, вызываемые высокоэнергетичными электронами в процессе наблюдения в электронном микроскопе, представляют собой другой источник изменения контраста изображения. Радиационные нарушения могут приводить к образованию дефектов внутри тонкой фольги и, как следствие, изменять структуру образца, что затрудняет интерпретацию соответствующих высокоразрешающих изображений. Шумы такого рода проявляются

254

локально и зависят от выбранной области образца. Различные виды шумов часто бывает трудно отделить друг от друга. Например, частично аморфизированный материал может давать приблизительно такой же вклад в изображение, как и деформированный кристаллический участок образца.

Другим видом шума является так называемый квантовый шум. Он порождает значительные вариации интенсивности в сильно локализованных участках изображения образца (порядка 1/10 межатомного расстояния). Интенсивность при этом может меняться больше чем на порядок по сравнению с ее средним значением. Данный вид шума устраняется с помощью применения специальных фильтров в процессе цифровой обработки изображений.

Шум на изображении может возникать из-за различий в размерах зерна фотографической эмульсии. Этот вид шумов зависит как от величины экспозиции, условий обработки и качества фотоматериалов, так и от степени оптического увеличения негатива при его оцифровывании.

Известны два основных подхода, способствующих улучшению отношения сигнал – шум: фильтрация в обратном пространстве, основанная на фурье-преобразовании, и усреднение в прямом пространстве путем наложения фрагментов изображения с идентичным мотивом. Применяется также подход, основанный на принципе частичной непрерывности сигнала и использующий для вычисления интенсивности выделенного элементарного элемента изображения (пикселя) значения интенсивности в соседних пикселях.

Одним из наиболее эффективных способов устранения шума в прямом пространстве является метод, основанный на усреднении периодического мотива изображения, характерного для высокоразрешающих микрофотографий кристаллических образцов. Применение кросс-корреляционной функции позволяет точно установить позиции фрагментов изображения с идентичным мотивом. Получаемая величина ошибки в распределении интенсивности на усредненном

изображении пропорциональна 1 N , где N – число фрагментов изображения, используемых для усреднения.

255

Тем не менее в большинстве случаев удаление шумов выполняют с применением фильтров в обратном пространстве, поскольку при этом легко разделяются вклады от аморфных и кристаллических слоев. В случае аморфных слоев шум, обусловленный зернами разного размера в эмульсии или флуктуациями тока в детекторе, распределен по всем пространственным частотам, в то время как информация, соответствующая кристаллическим областям, представлена локально в виде брэгговских пятен. Процедура фильтрации включает оценку уровня шума в обратном пространстве и затем устранения его вклада из фурье-образа интенсивности исходного изображения с применением того или алгоритма.

Обычно изображения, как статические, так и движущиеся, характеризуются значительной избыточностью информации вследствие сильной корреляции между отдельными элементами изображения. Вероятность изменения «яркости» от элемента к элементу меньше, чем вероятность отсутствия изменения. К тому же довольно большие площади изображения заняты однородными элементами. Важно поэтому представить изображение в более экономной форме: передавать сигналы только с тех элементов, на которых, например, происходит изменение «яркости» во времени и пространстве. Обычно применяют такой тип функционального преобразования изображения, с помощью которого можно выделять из всего изображения элементы, содержащие наибольшее количество информации об интересующем нас объекте, т.е. из всего потока информации можно выделять только «полезную» информацию. Такого рода специальная предварительная обработка распределенной информации, представляющая собой пространственную фильтрацию, существенно облегчает анализ изображения на более высоких ступенях системы распознавания.

Обычно блок предварительной обработки решает довольно сложную задачу выделения контура объекта, нахождения определенных линий, каких-то областей изображения, производит центровку входного изображения. Иными словами, он выделяет нужную информацию из общего фона. Во многих случаях здесь можно исполь-

256

зовать методы двумерной анизотропной фильтрации, операторы сглаживания, дифференцирования, операторы обнаружения локальных свойств.

Следует иметь в виду, что изображения, яркость которых изменяется особенно сильно (края или краевые точки), возникают не только на границах объектов, но и на отдельных участках вследствие изменения их отражательной способности или являются следствием резких изменений ориентации поверхности. Понятно, что сложно выделить края, имеющие определенное значение, поскольку для этого необходима информация более высокого уровня. Но в любом случае полезно знать, где края проходят и как краевые точки связаны с границами предметов или с другими значащими элементами изображения.

Основная проблема определения краев – это шумы изображения. Решением этой проблемы может служить сглаживание изображения с последующим дифференцированием. Сглаживание изображения целесообразно выполнять гауссовым фильтром. Для определения краев можно применять лапласиан, если моделировать края как резкие изменения яркости.

В этом методе учитывается, что самые быстрые изменения происходят при исчезновении двумерного аналога второй производной. В одномерном случае вторая производная сигнала равна нулю, если значение первой производной достигает экстремума. Это означает, что большие перепады яркости нужно искать там, где вторая производная равна нулю. Этот метод применим и в двумерном случае. Подходящим аналогом второй производной является лапласиан

L{f (x, y)}= ∂2 f + ∂2 f ,

∂x2 ∂y2

который удовлетворяет требованию инвариантности относительно поворотов. Лапласиан – это линейный оператор, т.е. действие лапласиана равносильно свертке изображения с неким ядром.

Естественно, прежде чем действовать на изображение лапласианом, его необходимо сгладить. Реакция лапласиана гауссова фильтра положительна с одной стороны края и отрицательна с другой. Это

257

значит, что прибавление некоторой части этой реакции к исходному изображению дает картину, на которой края четче, а детали увидеть намного легче.

Более перспективным представляется метод построения детекторов краев на основе градиентов. Метод состоит в поиске точек, в которых градиент достигает экстремума. Нужно находить точки, в которых величина градиента максимальна в направлении, перпендикулярном к краю, и велика по модулю; эти точки являются краевыми. Определив краевые точки, можно оценить величину градиента с помощью процесса немаксимального подавления (из ряда точек по направлению, перпендикулярному градиенту, выбирается точка локального максимума в направлении градиента).

Границы объекта не следует отождествлять с резкими изменениями значений на изображении. Во-первых, в наихудшей ситуации объекты могут не очень отличаться по цвету от фона. Во-вторых, на объекты часто накладываются текстура или отметки, которые имеют собственные края, и их бывает настолько много, что часто сложно отыскать среди них значимые участки границ объекта. Наконец, края, не имеющие никакого отношения к границам объектов, могут возникать благодаря теням и т.п. Этих трудностей можно избежать несколькими способами.

В некоторых ситуациях есть возможность управлять освещением, с помощью подбора освещения можно достичь разницы в цвете и устранить тени. Установив большие параметры сглаживания и высокое пороговое значение контрастности, можно убедиться, что края, появление которых обусловлено текстурой, сглажены и больше не выделяются. Но этот метод не очень хорош, поскольку трудно подобрать нужные параметры сглаживания и пороговые значения, а текстура несет определенную информацию, а не только мешает.

Другим способом борьбы с различиями между краями и границами объектов является работа над усовершенствованием детекторов краев. Представляется весьма перспективным при обработке изображений с целью выделения краев использование функций пакета расширения Image Processing Тооlbox в системе компьютерной матема-

258

тики MATLАВ 7. Например, алгоритм, реализуемый функцией radon, позволяет вычислить проекции изображения вдоль определенных направлений. Операции линейной фильтрации выполняют фильтры – функции gaussian, 1ар1асian и ряд других функций. Выделение границ и сегментация изображений реализуются функциями еdgе, qtdtcomp и др. [6].

Новые эффективные способы обработки изображений дает инструментальный пакет Wavelet Тооlbох. Он позволяет распознавать тонкие особенности сигналов и функций, выполнять разложение и реконструкцию изображений, компрессию и очистку изображений от шума и др.

4.3.5. Процессы травления в микротехнике

Создание резистного изображения на подложке не является самоцелью (за исключением вскрытия окон под диффузию, ионного легирования или окисления) – необходимо перенести изображение на находящуюся под резистом пленку или подложку. Применение химического травления вследствие изотропного характера для субмикронной технологии исключено. Необходимы прецизионные анизотропные методы удаления материала. Основным методом становится сухое травление, которое подразделяется на ионно-плазменное, ионно-лучевое травление (фрезерование), и реактивные методы, основанные на применении химических реакций, протекающих в плазменной среде. Часто под плазменным травлением подразумевают чисто химические реакции с применением плазмы в качестве катализатора.

При ионно-плазменном и ионно-лучевом травлении поток ионов используется для распыления материала, как в процессах, связанных с напылением материалов, в данном случае распыленный материал просто удаляется. В качестве травителя используются высокоэнергетические (свыше 500 эВ) ионы инертного газа, которые тем или иным способом, чаще всего электрическим полем, ускоряются до требуемых энергий и бомбардируют обрабатываемую поверхность. Вектор электрического поля обычно нормален к поверхности, поэтому анизотропия травления очень высокая.

259

Основным механизмом взаимодействия между бомбардирующими ионами и атомами материала является процесс передачи импульса, при котором за счет упругих столкновений атомы мишени непосредственно выбиваются с поверхности. Возможен также режим линейного каскада, когда первичный ион передает энергию атому мишени, который и инициирует удаление другого атома непосредственно или также путем каскадной передачи энергии. Чем выше энергия первичных ионов, тем выше вероятность каскадного механизма.

Для плазменного травления обычно применяют молекулярные газы, в состав которых входят галогены, которые в процессе взаимодействия с обрабатываемым материалом образуют летучие соединения при комнатной температуре, что обеспечивает качественный перенос рисунка. В основе плазменного травления лежат активируемые плазмой химические реакции между свободными атомами и радикалами и поверхностными атомами обрабатываемого материала. При этом обрабатываемый материал непосредственно находится в плазменной зоне, а результатом взаимодействия являются летучие соединения, легко удаляемые из зоны обработки. Активирующее воздействие оказывают непосредственно ионы и электроныи излучение плазмы.

При проведении реактивного ионно-плазменного травления

(РИПТ) обрабатываемые образцы находятся в контакте с плазмой и размещаются на электроде, подключенном к источнику высокочастотного напряжения. Удаление материала происходит как за счет непосредственного физического распыления ускоренными ионами химически активных газов, так и в результате химических реакций между свободными атомами и радикалами, образующимися в плазме, и атомами мишени. Плазма стимулирует процессы, происходящие как в газовой фазе, так и на поверхности материала, повышая скорость химических реакций, что, в свою очередь, ослабляет химические связи поверхностных атомов и увеличивает скорость физического распыления.

На интенсивность распыления (число атомов поверхности, выбитых одним падающим ионом) влияет энергия ионов и угол их падения на обрабатываемую поверхность. Очевидно, что энергия ионов

260