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Beanspruchte Unionspriorität:
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U.S.A. Ser. No. 750.576 vom 14. 12. 1976 Bezeichnumg: Elektronenstrahlbelichtungsverfahren
mit Kompensation des Proximityeffekts
Elektronenstrahlbelichtungsverfahren
mit Kompensation des Proximityeffekts.
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sie erfindung betrifft ein spezielles Verfahren zur Herstellung von
Strukturen mit kleinsten Abmessungen bis herab in den Submikronbereichlinsbesondere
für Halbleiterbauelementedurch Belichtung eines substrats, welches mit einem geeigneten
elektronenempfindlichen Lack überzogen ist, mit zlektronenstrahlen. Der Zweck des
Verfahrens ist die Kompensation des sogenannten Proximityeffekts, welcher durch
die bei der Belichtung aus dem Innern des Substrats zurückgestreuten Elektronen
verursacht wird und die Herstellung strukturtreuer scharfer Feinstrukturen sehr
erschwert.
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Das vorgeschlagene Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich
zu der auf übliche weise durchgefurten Struktur belichtung eine Kompensationsbelichtung
durchgeführt wird, bei welcher zumindest Teile des üblicherweise nicht belichteten
Umfelde der Strukturen derart mit Elektronen belichtet werden, dass der im Umfeld
fehlende Dosisanteil der Rückstreuelektronen dadurch kompensiert wird. Diese Kompensationsbelichtung
des Umfelds erfolgt vorzugsweise mit einem Elektronenstrahl etwa Gauss'scher Intensitätsverteilung,
dessen Durchmesser und intensität so gewählt wird, dass er im Umfeld und den angrenzenden
Randgebieten der Struktur den Einfluss der Untergrundbelichtung ausgleicht, welcher
bei der auf übliche Weise belichteten struktur durch die dabei rückgestreuten Elektronen
verursacht wird. Bei einer speziellen Ausführungsform des vorgeschlagenen Verfahrens
wird der zur Belichtung des Umfeldes notwendige breite hlektronenstrahl durch eine
strukturierte Aperturblende mit im Mittel Gauss'scher Verteilung der Durch lässigkeit
in Verbindung mit einer Defokussierung des lektroenstrahls gegenüber der üblichen
scharfen Belichtung bei der Strukturerzeugung erzeugt.
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Elektronenstrahlbelichtung eines Substrats, welches mit einer dünnen
schicht eines geeigneten elektronenempfindlichen Lacks bedeckt ist, wird heutzutage
in steigendem Masse anstelle der üblichen photolithographischen Verfahren eingesetzt,
wenn Halbleiterbauelemente und Masken dafür mit kleinsten Abmessungen unter 1 Mikrometer
hergestellt werden müssen l Die Belichtung wird meistens mit Ilektronenstrahlbelichtungsanlagen
durchgeführt, welche ähnlich wie die üblichen Rasterelektronenmikroskope aufgebaut
sind. Strahlablenkung und Bunkelsteuerung des Strahls erfolgen Jedoch dabei automatisch
durch einen rechnergesteuerten Mustergenerator. Bei anderen Methoden wird ein Slektronenbild
z.B. von einer speziell hergestellten strukturierten Ehotokathode 1:1 oder verkleinert
auf das Substrat abgebildet.
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Bei der Belichtung nach Art eines Rasterelektronenmikroskops werden
üblicherweise Strahldurchmesser von 0>1 Mikrometer oder weniger verwendet. Bei
einer Beschleunigungsspannung von 20 kV weitet sich der Erimärstrahl während des
Durchtritts durch die üblicherweise etwa 0,5 Mikrometer dicke Schicht des elektronenempfindlichen
Lacks auf etwa 0,2 mm Durchmesser auf.
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Diese Aufweitung ist grösser bei niedrigeren Beschleunigungsspannungen
und kleiner bei hohen Beschleunigungs spannungen.
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Daher scheint es leicht zu sein, Submikron-Strukturen beliebiger Sorm
durch Elektronenstrahlbelichtung herzustellen.
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ties ist jedoch nicht der Fall, weil der sogenannte Proximityeffekt,
d.h. der Einfluss benachbarter Strukturen oder Strukturteile sehr stark stört. Dieser
Proximityeffekt wird von Elektronen verursacht, welche aus dem Innern des Substrate
zurückgesteut werden. Obwohl z.B. bei Silizium als Substrat nahezu unabhängig von
der Beschleunigungsspannung nur etwa 16 P der Elektronen zurückgestreut werden,
ist der anteil der Rückstreuelektronen an der effektiven Belichtungsdosis D bei
ausgedehnten belichteten Flächen und etwa 25 kV Strahlspannung sogar etwisgrösÇer
als derJenige Anteil Bp, welcher durch die Yrimärelektronen verursacht wird.
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sies rührt daher, dass die aückstreuelektronen langsamer sind und
dass die zmpfindlichkeit des Lacks für langsame Elektronen wesentlich höher ist
als für die schnellen rrimärelektronen. Bei punktförmiger Belichtung ist die räumliche
Verteilung der von den Primärelektronen verursachten dosis Dp eine Gaussverteilung
mit einem Gauss'schen Durchmesser (entspricht dem 4fachen Wert der Standardabweichung)
von etwa 0,1 bis X,2 Mikrometer. Die Verteilung der von den Rückstreuelektronen
verursachten Dosis ist wesentlich breiter. Sie hat wie z.B. Abb. 1 zeigt, bei 20
kV einen Gaussschen Durchmesser von etwa 5 Mikrometer i)2 Wegen des Proximityeffekts
ist es nicht möglich, einzelstehende schmale Linien und schmale Spalte in grossen
Strukturen mit der gleichen Primärbelichtungsdosis Dp herzustellen. Nach CHANG t23
muss z.X. ein freistehender, u,5 Mikrometer breiter unreifen mit der doppelten rrimärdosis
sp belichtet werden wie für eine ausgedehnte Pläche optimal wäre. sie Randzonen
eines u,5 mikrometer breiten unbelichteten spaltes dürfen jedoch nur halb so stark
belichtet werden. Vorteilhaft ist auch ein Verfahren r4q , bei welchem nechtecke
spiralenförmig belichtet werden, wobei gleichzeitig der Strahldurchmesser so verändert
wird, dass die Randzonen stärker als die Innengebiete belichtet werden.
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Alle bekannten Verfahren zur bekämpfung des Proximityeffekts haben
den Nachteil, dass keine vollständige Korrektur bei beliebiger iorm und Verteilung
der Strukturen möglich ist.
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Bei dem oben erwähnten Verfahren können pro Rechteck nur 3 Parameter
(Randdosis, Innendosis, Randbreite) eingestellt werden. Bei den sehr schnellen Belichtungsmethoden
mit geformtem , z.B. quadratischem, Strahl lässt sich sogar nur die Belichtungszeit
variieren. Geformter Strahl in Verbindung mit Rasterabtastung L erlaubt sogar diese
Korrektur nicht.
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zin weiterer Nachteil der bekannten Verfahren beruht darin, dass zur
Berechnung der erwähnten Korrekturgrössen für jedes Rechteck entsprechend seiner
Grösse und Umgebung relativ
umfangreiche numerische Berechnungen
notwendig sind. Bei hochintegrierten Strukturen mit vielen tausenden von Rechtecken
verteuert dieser Rechenaufwand selbst bei Verwendung moderner Grossrechner die Kosten
des Prototypenentwurfs beträchtlich.
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Diese Nachteile werden durch das erfindungegemäss vorgeschlagene Verfahren
behoben. Es gibt, zumindest bei nicht zu dicken Lackschichten, eine volle Kompensation
des von Mückstreuelektronen verursachten Proximityeffekts und benötigt dazu keinerlei
individuell berechnete Korrekturen. Es kann ausserdem im Gegensatz zu allen bekannten
Verfahren auch bei Rasterabtastung mit geformtem Strahl verwendet werden.
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Dies wird erfindungegemäss dadurch erreicht, dass zusätzlich zur üblichen
utrukturbelichtung eine Kompensationsbelichtung durchgeführt wird, bei welcher das
üblicherweise nicht belichtete Umfeld der Struktur derart mit Elektronen belichtet
wird, dass der im Umfeld fehlende Dosisanteil der Rückstreuelektronen dadurch zumindest
teilweise kompensiert wird.
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Abb. 1 zeigt das Prinzip des vorgeschlagenen Verfahrens an einer Struktur
bestehend aus einer freistehend belichteten Linie 1 und einem unbelichteten Spalt
2 in einer breiten Struktur. Das Gebiet der otruktur 3 ist gekreuzt gezeichnet.
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Es wird einer Srukturbelichtung ohne Korrektur für den Proximityeffekt
nach einem der bekannten Verfahren mit feinem strahl unterzogen. DmRschraiiterten
umfeld 4 erfolgt eine Kompensationsbelichtung mit breitem Strahl. Zur vollen Kompensation
ist es notwendig, alle Umfeldgebiete zu belichten, welche nicht weiter als der Gauss'sche
Radius dR/2 -der Rückstreuelektronen von der Struktur entfernt sind. Weiter ab liegende
Gebiete können ebenfalls die Umieldbelichtung erhalten, mUssen es jedoch nicht.
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Abb. 2 zeigt die Dosisanteile infolge der Strukturbelichtung längs
der Schnittlinie 5 in Abb. 1. Man sieht die im wesentlichen scharf begrenzte Wirkung
der Primärelektronen, wenn alle Teile der Struktur mit der gleichen Dosis bS belichtet
werden. Gestrichelt ist die Dosis DRS infolge der RUckstrahlelektronen eingezeichnet.
dabei wurde zur Ubersichtlicheren
Darstellung ein Verhältnis DRU/Dp
= 1,7 für den Grenzfall sehr grosser Strukturen angesetzt.
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Abb. 3 zeigt die effektive Dosis Ds= DpS + DRS, welche bei der Strukturbelichtung
entsteht. Man sieht, dass es nicht möglich ist, eine Schwellwertdosis DSS so anzugeben,
dass alle Strukturteile stärker und alle Aussenzonen schwächer belichtet werden.
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Abb. 4 zeigt die effektive Dosis D, welche man erhält, wenn man der
effektiven Dosis DS der btrukturbelichtung von Abb. 3 eine Kompensationsbelichtung
mit der effektiven Dosis DK überlagert, welche erfindungsgemäss so verteilt ist,
dass die Summe der Beiträge der Kompensationsbelichtung DK und des durch Rückstreuelektronen
verursachten Anteils DRS der Strukturbelichtung in jedem Punkt der Struktur und
des benachbarten Umfeld gleich sind. Damit eine solche Kompensation auch bei grossen
Flächen möglich ist, muss DK dazu so gewählt werden, dass DK + DRs = DRM ist. Die
Struktur selbst ist dann mit der Dosis Dp + DRM belichtet, das Umfeld mit DRM. Dp
sollte so gewählt werden, dass der Schwellwert bei der Entwicklung der Struktur
etwa bei der Dosis DKS DRM + DP/2 liegt.
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Das Verhältnis der Dosen zwischen Struktur und Umfeld ist (Dp + DRM)/DRM
und beträgt daher in dem extrem ungünstigen Fall DRM = 3 Dp immerhin noch 1,33.
Dies bedeutet bei Verwendung eines harten Positivlacks wie Polymethylmethacrylat
mit einer Steilheit von 4 (siehe [s ), dass die Struktur zonen gerade durchbelichtet,
d.h. frei von Lack sind, wenn im Umfeld immerhin noch etwa die Hälfte der ursprünglichen
Lackdicke nach der Entwicklung erhalten bleibt. Dies reicht für praktische Zwecke
gerade aus.
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Wenn die Struktur- und Umfeldbelichtung mit derselben bpannung durchgeführt
werden, müssen nach Abb. 4 die Flächenladungsdichten (Stromdichte x Belichtungszeit)
Q.im Verhältnis QS/QK ~ 1 + DP/DRM eingestellt werden. Dieses Verhältnis liegt je
nach spannung und bubetratmaterial zwischen 1,3 und 3. vie genauen Werte werden
am besten empirisch bestimmt, indem man feingestufte Belichtungsstaffeln mit variiertem
QS/RK durchführt.
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eine vollständige Kompensation der Rückstreuelektronen ist jedoch
nicht möglich, wenn man für Struktur- und Kompensationsbelichtung dieselbe spannung
verwendet. Abb. 5 zeigt in Kurve 1 eine gemessene Dosisverteilung nach £3 bei Belichtung
einer schmalen Linie mit Elektronen von 20 kV. bie hohe Spitze in der Nähe des Nullpunkts
rührt von den Primärelektronen her, die Kurventeile bei grossem x von den Rückstrahlelektronen
Man sieht, dass beide Flächenteile etwa gleich sind. sie Wendetangente an die Kurve
schneidet die x-Achae in Punkt 3. Man bezeichnet das zugehörige x = dJ2 als Gauss'schen
Radius, d3 als Gauss'schen Durchmesser der Dosisverteilung der Rückstreuelektronen.
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Wenn man bei gleicher Spannung die Kompensationebelichtung so wählt,
dass ihr Strahl eine Gauss;Verteilung mit demselben Strahldurchmesser dB hat, kann
Baan bei gleicher integraler Gesamtdosis den Ruckstreuanteil weitgehend, Jedoch
wie Kurve 4 zeigt, nicht vollständig nachbilden. Da auch die Kompensationsbelichtung
Rückstreuelektronen erzeugt, tritt bei hohen Abständen zusätzlich ein Ausläufer
5 auf.
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Viel besser wird die Kompensation, wenn wie Kurve 6 zeigt, die Kompensationabelichtung
mit halber Beschleunigungsspannung durchgeführt wird. Mit verkleinerter Beschleunigungsspannung
UB verringert sich nänlich, wie die Tabelle Abb. 6 zeigt, der Gauss'sche Durchmesser
AB beträchtlich. Eine Spannungsredusierung ist Jedoch nur bei sehr kritischen Belichtungen
mit hohem DRM/Dp notwendig, bei denen es auf sehr exakte Kompensationen ankommt.
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Die iiir die Kompensationsbelichtung notwendige Gauss-Verteilung der
Strahlintensität lässt sich auf viele Arten erreichen. Bei Projektionsverfahren,
welche sowieso Belichtungszeiten pro Bild ii Bekindenbereich benötigen, ist es möglich
Substrat, Maske, Kathode oder Linsen ischanisoh entsprechend zu bewegen, um eine
utrahlausweitung durch Terschiebung oder Defokussieerung zu erreichen. Einfacher
dürfte es sein, daa Elektronenbild elektrisch oder magnetisch entsprechend zu wobbeln
oder zu defokussieren.
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Bei alektronenstrahlbelichtungsverfahren im engeren Sinne lässt sich
die erfindungsgemässe Kompensationsbelichtung am besten durchführen, wenn man, wie
Abb. 7 zeigt, in die üblichen Elektronenstrahlbelichtungsanlagen eine speziell strukturierte
Aperturblende 26 und eine zusätzliche elektrostatische Linse 27 einbaut. Die Aperturblende
kann z.B.
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aus einem dünnen Wolframblech bestehen, in welches eine sternförmige
Öffnung unter Verwendung photolithographischer verfahren eingeätzt ist. sie Struktur
muss so entworfen werden, dass die über dem Umfang gemittelte Intensitätsverteilung
vom Mittelpunkt nach aussen so abfällt, dass eine Gauss-Verteilung möglichst gut
angenähert wird. Dies lässt sich zwar mit einer Blende mit vielen «inzellöchern
besser erreichen als mit der beschriebenen uternblende, letztere hat aber den wesentlichen
Vorteil, dass die btrahlintensität nicht so stark verringert wird.
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Sonst zeigt Abb. 7 schematisch eine übliche Anlage zur Elektronenstrahlbelichtung
mit quadratisch geformtem Strahl.
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Die Elektronen werden von einer geheizten Wolfram-Haarnadel-Kathode
1 emi-äiert, welche durch den Trenntrafo 2 gegen Erde isoliert auf Hochspannung
7 liegt. Die Vorspannung des Wehneltzylinders 3 wird durch den Vorwiderstand 6 erzeugt
und zur Stabilisierung und Fokussierung des Strahls ausgenützt.
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Die anodenblende 5 liegt auf Rrdpotential. In sie wird der "Crossover"
6, d.h. ein Bild der Kathode abgebildet, welcher einen Durchmesser von etwa 20 bis
50 Mikrometer besitzt. wenn man aufar Anode eie Gesichtsfeldblende 25 mit einer
rechteckigen Öffnung z.B. von lu Mikrometer x 10 Mikrometer befestigt, kann man
diese mit den magnetischen Linsen 19, 20 und 21 mehrstufig auf das Substrat 12 abbilden,
wobei Zwischenbilder bei 22 und 23 auftreten. Die Strahlaustastung kann z.B.
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elektrostatisch durch das Plattenpaar 8 durchgeführt werden, welches
den Strahl aus der Blende 9 herauslenkt. Die Ablenkung des Strahls auf der Probe
zur Strukturerzeugung erfolgt durch die Ablenkspulen 10 und 11 und wird ebenso wie
die Strahls tastung durch den Patterngenerator 17 gesteuert, welcher die Strukturdaten
von einem Datenfile 18 über den Prozessrechner
16 erhält. Dieser
steuert auch über die Tischsteuerung 14 den Probentisch 13, dessen Position im allgemeinen
mit einem Laserinterferometer 15 gemessen wird. Zur Bilderkennung und Justierung
ist im allgemeinen noch ein Detektor für Rückstreuelektronen vorgesehen.
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Abb. 8 zeigt die Wirkungsweise der vorgeschlagenen Anordnung.
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Während der 9rukturbelichtung befindet sich die Mittelbiende 27 der
elektrostatischen Linse auf Erdpotential. Man erhält ohne Rücksicht auf die Form
der Aperturblende ein scharfes Bild des "Crossover" bzw. der Gesichtsfeldblende
25 auf dem Substrat 12.
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Bei der Kompensationsbelichtung wird eine negative Spannung an die
MittelhleSe27 angelegt. Das Bild 23 rückt nach oben auf 23a, die Fokusebene 28 verschiebt
sich von der Substratebene 12 etwas nach oben. Damit erzeügt Jeder Bildpunkt in
der Fokusebene 28 ein Bild der Aperturblende 26 auf dem Substrat. beine Grösse lässt
sich durch die Höhe der bpannung an der elektrostatischen Linse 27 entsprechend
den Forderungen der Kompensationsbelichtung bequem einstellen.
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Diese elektrostatische Defokussierung geht so schnell, dass bei Rasterscan-Belichtung
(s. [1]) die Defokussierung während des Schreibens der Struktur durchgeführt werden
kann. Die notwendige Intensitätsverringerung um 10 wo bis 50 % im nichtstrukturierten
Umfeld kann durch kurzzeitige periodische atrahlaustastung geschehen.
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Bei anderen Belichtungsverfahren erfordert die Kompensationsbelichtung
einen zusätzlichen Zeitaufwand. Er hält sich Je doch ie Grensen, weil man bei der
Kompensationsbelichtung, ohne zu grosse Fehler zu erhalten, ein 2-3 mal gröberes
Rastermaß als bei der Strukturbelichtung verwenden kann.
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Dadurch verringert sich die zusätzliche Belichtungszeit auf 1/4 bis
1/9 derJenigen, welche für die Strukturbelichtung notwendig ist.
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belbstverständlich können auch bei der Elektronenstrahlbe lichtung
andere Verfahren zur Herstellung der Gauss-Verteilung
für die Kompensationsbelichtung
angewendet werden. Man kann z.B. die Gauss-Verteilung der Intensität im "Crossover"
ausnützen oder eine der beschriebenen Aperturblende entsprechende Strukturierung
bei der Gesichtsfeldblende 25 vornehmen Dann muss man diese jedoch zur utrukturbelichtung
gegen eine quadratische oder unstrukturierte Blende austauschen.
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Literatur 1. A.N. Broers: A review of electron beam lithography techniques
International conference on microlithography, paris Juni 1977 2. T.H.P.Chang: Proximity
effect in electron-beam lithography J.Vac.Sci.Technol.,Vol.12,Dec.1975 P.1271 3.
R.Hawryluk, A. Hawryluk, n.Smith, J.
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J.Appl.Phys.45, 2551 (1974) 4. T.H.P.Chang: Combined multiple beam
size and spiral scan method for electron beam writing of microcircuit patterns U.S.Patent
3,956,635 vom 11. 5. 1976 5. K. Murase, M. Kakuchi, S. Sugawara Newly developed
electron and X-ray resist materials.
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International conference on microlithography, Paris Juni 1977
L
e e r s e i t e