способ нанесения на поверхность твердых тел высокоразрешающего изображения функциональных слоев на основе тонких полимерных пленок

Формула изобретения

1. Способ нанесения на поверхность твердых тел высокоразрешающего изображения функциональных слоев на основе тонких полимерных пленок, заключающийся в том, что изображение различной геометрии формируют непосредственно из мономера путем его полимеризации из паровой фазы под действием излучения, отличающийся тем, что на поверхность твердого тела осуществляют прямой безмембранный ввод остросфокусированного пучка электронов с энергией 1-1000 кэВ с последующим вводом паров мономера при давлении 10^-4 10 торр.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что нанесение изображения проводят предпочтительно при давлении паров мономера 0,001-10 торр и энергии электронов в пучке 10-500 кэВ.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области химии полимеров и может быть использовано в электронной технике, например, для нанесения литографической маски или иных функциональных слоев.

Известен способ нанесения изображения литографической маски, использующийся в производстве интегральных схем, основанный на нанесении на поверхность пластины полупроводника слоя полимерного резиста с последующим нанесением скрытого изображения путем экспонирования резиста остросфокусированным электронным лучом и проявлением этого изображения путем обработки резиста селективным растворителем [1. И.Броудай, Дж.Мерей. Физические основы микротехнологии. М.: Мир. 1985. 2. В.В.Мартынов, Т.Е.Базарова. Литографические процессы. М.: Высшая школа, 1990.]. Основными недостатками этого способа являются необходимость использования больших количеств органических растворителей и многостадийность процесса нанесения изображения. Известен также сухой одностадийный способ нанесения на поверхность твердых тел сплошных полимерных пленок путем полимеризации мономеров из паровой фазы под действием электронного луча [3. М.А.Брук, Е.Н.Жихарев, А.В.Спирин, В.А.Кальнов, И.Е.Кардаш, Э.Н.Телешов. Способ нанесения тонких полимерных слоев на поверхность твердых тел. Заявка на патент РФ №2000115378 от 19.06.2000. Положительное решение от 19.02.2002.]. Однако этот способ не позволяет наносить высокоразрешающее изображение прежде всего из-за несфокусированности используемого электронного луча, а также наличия мембраны, отделяющей рабочую камеру с парами мономера от камеры с эмиттером электронов.

Наиболее близким к заявляемому является способ нанесения изображения путем полимеризации метилметакрилата из паровой фазы под действием ультрафиолетового лазерного луча [4. J.Y.Tsao, D.J.Ehrlich. UV laser photopolymerization of volatile surface-adsorbed methyl methacrylate. Appl.Phys.Lett. 1983. Vol.42. N12. P.997]. Основным недостатком этого способа (прототипа) является недостаточно высокая разрешающая способность (точность нанесения изображения), обусловленная главным образом известными физическими ограничениями, в соответствии с которыми ширина линии в наносимом изображении не может быть меньше длины волны используемого излучения [1, 2]. В работе [4] использовалось излучение аргонового лазера с длиной волны 257,2 нм (0,257 мкм). При этом было получено изображение литографической маски с минимальной шириной линии от 1 до 5 мкм.

Технической задачей заявляемого способа является повышение разрешающей способности (точности) нанесения изображения.

Поставленная техническая задача достигается использованием для инициирования полимеризации на поверхности субстрата остросфокусированного электронного пучка при энергии электронов в пучке 1-1000 кэВ, предпочтительно 1-500 кэВ. Эффективная длина волны таких электронов в соответствии с теорией составляет 10^-2-10^-3 нм [1, 2]. Такой пучок с помощью специальных устройств может быть сфокусирован до размеров 1-10 нм. Соответственно заявляемый способ имеет теоретический предел по разрешающей способности (точности) нанесения изображения около 10 нм (0,01 мкм). Однако высокое разрешение может быть реализовано лишь при прямом (безмембранном) вводе электронного луча в камеру для нанесения изображения. Соответственно рабочая камера, в которую помещают подложку и вводят пары мономера, должна содержать отверстие для прямого ввода сфокусированного электронного луча. При вводе электронного луча через мембрану из-за рассеяния электронов в мембране происходит существенное уширение наносимого на твердый субстрат полимерного изображения.

Интервал энергий электронов в пучке Е определяется следующими соображениями. При Е меньше 1 кэВ ухудшается фокусировка электронного луча и увеличивается обратное рассеяние электронов от подложки, что приводит к уширению наносимого изображения. При Е более 1000 кэВ усложняется конструкция электронно-лучевой установки и уменьшается скорость нанесения изображения (из-за уменьшения сечения захвата электронов подложкой).

Для полимеризации может быть использован широкий круг мономеров. Давление паров мономера в рабочей камере должно составлять 10^-4-10 торр, предпочтительно 0,001-10 торр. При давлениях, меньших 10^-4 торр, слишком мала скорость нанесения изображения. При давлениях, больших 10 торр, из-за значительного натекания паров мономера из рабочей камеры, не удается получить необходимый вакуум в камере с эмиттером электронов, в которой формируется электронный луч.

В качестве подложек могут быть использованы пластины из различных материалов, обеспечивающие эффективный сток заряда с поверхности, в частности пластины из монокристаллического кремния, или те же пластины с тонким (около 0,1 мкм) поверхностным слоем диоксида кремния, или кремниевые пластины с напыленным на них слоем золота, или тонкие (0,1-0,5 мкм) пластины из нитрида кремния и т.п. Заявляемым способом на поверхности пластин может быть сформировано изображение самой различной геометрии.

Способ нанесения изображения реализован следующим образом.

Пример 1. Внутрь металлической вакуумной ячейки с отверстием размером 0,3×0,3 мм для ввода электронного луча помещается твердый субстрат в виде пластины из монокристаллического кремния толщиной 0,5 мм. Ячейка вакуумируется при комнатной температуре. Электронный луч фокусируется на поверхность пластины до размеров сечения луча около 0,1 мкм и сканирует по прямой длиной 100 мкм при времени развертки 20 мс. Энергия электронов в пучке Е=40 кэВ, ток в пучке - около 1 нА. После этого в ячейку вводят пары тетрафторэтилена при давлении около 0,05 торр и проводят облучение в течение 2 мин. В результате на поверхности пластины формируется сплошная линия из политетрафторэтилена с ровными контурами длиной L=100 мкм и толщиной (высотой) h=20 нм. Линия в сечении имеет форму трапеции. Ширина линии на полувысоте =210 нм. Средняя скорость роста толщины (высоты) линии w=10 нм/мин.

Пример 2. То же, что и в примере 1, но продолжительность облучения в присутствии паров тетрафторэтилена составляет 6 мин. При этом формируется (см.фиг.) сплошная линия из политетрафторэтилена со следующими параметрами: L=100 мкм, h=50 нм, =240 нм, w=8 нм/мин.

Пример 3. То же, что и в примере 1, но в ячейку вводят пары метакриловой кислоты при давлении 0,05 торр. Е=20 кэВ. Ток в пучке 0,2 нА. Время развертки луча 13 с. Время облучения пластины из нитрида кремния составило 4 мин. Получена сплошная линия из полиметакриловой кислоты со следующими параметрами: L=100 мкм, h=60 нм, =180 нм, w=15 нм/мин.

Пример 4. То же, что и в примере 3, но время облучения составило 17 мин. Получена сплошная линия из полиметакриловой кислоты со следующими параметрами: L=100 мкм, h=200 нм, =250 нм, w=12 нм/мин.

Пример 5. То же, что и в примере 1, но в ячейку с отверстием 0,1×0,1 мм вводят пары метилметакрилата при давлении 1 торр и проводят облучение пучком электронов с энергией 100 кэВ в течение 5 мин. При этом луч сканирует по прямой длиной 80 мкм. Получена сплошная линия из полиметилметакрилата со следующими параметрами: L=80 мкм, h=50 нм, =120 нм, w=10 нм/мин.

Пример 6. То же, что и в примере 1, но в ячейку вводят пары метилакрилата при давлении 0,005 торр и проводят облучение пучком электронов с энергией 100 кэВ и сечением пучка 0,05 мкм в течение 15 мин. Получена сплошная линия из полиметилакрилата со следующими параметрами: L=100 мкм, h=25 нм, =100 нм, w=2 нм/мин.

Пример 7. То же, что и в примере 1, но в качестве подложки использована пластина монокристаллического кремния с напиленным на нее слоем золота толщиной около 0,1 мкм. Параметры нанесенной линии близки к приведенным в примере 1.

Пример 8. То же, что и в примере 1, но в качестве подложки использована пластина из нитрида кремния толщиной 0,1 мкм. Параметры нанесенной линии близки к приведенным в примере 1.

Использование предлагаемого способа позволяет наносить высокоразрешающее изображение функциональных слоев непосредственно из мономера в одностадийном "сухом" процессе без использования каких-либо растворителей. Согласно приведенным выше примерам ширина линии наносимого изображения составляет 100-250 нм, что существенно меньше, чем в прототипе. Достигаемая в предлагаемом способе ширина линии может быть уменьшена, в частности, за счет лучшей фокусировки электронного луча. Заявляемый способ позволяет также получить дополнительные технологические преимущества по сравнению с прототипом, предоставляемые использованием электронного луча, в частности широкие возможности автоматического управления параметрами электронного пучка и соответственно скоростью нанесения, топологией и свойствами формирующегося полимерного изображения [1, 2].