Например, Бобцов

Предельные возможности интерференционной фотолитографии, реализуемой в видимой области спектра на тонких слоях халькогенидного стеклообразного полупроводника

УДК 535.417; 535.317; 778.38
ПРЕДЕЛЬНЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ ИНТЕРФЕРЕНЦИОННОЙ ФОТОЛИТОГРАФИИ, РЕАЛИЗУЕМОЙ В ВИДИМОЙ ОБЛАСТИ СПЕКТРА НА ТОНКИХ СЛОЯХ ХАЛЬКОГЕНИДНОГО СТЕКЛООБРАЗНОГО ПОЛУПРОВОДНИКА

© 2012 г. С. Н. Корешев*, доктор техн. наук; В. П. Ратушный**
** Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных ** технологий, механики и оптики, Санкт-Петербург
** ЗАО ХолоГрэйт, Санкт-Петербург ** Е-mail: koreshev@list.ru

Приведены результаты исследования параметров структур (минимального периода следования элементов и скважности), получаемых под действием излучения аргонового лазера на тонких пленках халькогенидного стеклообразного полупровод­ ника, нанесенных на слои рентгеноаморфного хрома. Показано, что экспонируемые излучением с длиной волны 0,488  мкм тонкие пленки трехкомпонентного стеклообразного полупроводника могут быть использованы в методе интерференционной фотолитографии для получения структур с минимальным периодом 260  нм и минимальным размером элемента структуры 65  нм. Установлена возможность умень­ шения минимального размера элемента структуры до 50 нм при увеличении периода следования элементов до 600  нм за счет использования “двухмасочной” технологии интерференционной фотолитографии.

Ключевые слова: интерференционная фотолитография, тонкие пленки, стек­ лообразный полупроводник.

Коды OCIS: 110.5220.

Поступила в редакцию 13.10.2011.

Введение
Под интерференционной фотолитографией обычно понимают совокупность фотолитографических процессов, характеризующихся использованием суперпозиции волновых фронтов для формирования на поверхности фоторезиста требуемого распределения интенсивности экспонирующего излучения. Интерференционная фотолитография реализуется, как правило, без применения фотошаблонов. Она находит применение при изготовлении фотонных кристаллов и материалов, линеек для систем измерения линейных и угловых перемещений, мер малой длины, голограммных оптических элементов для экстремально коротковолнового УФ и рентгеновского диапазонов спектра. В  работах [1, 2] сообщается об использовании интерферометра с синтезированными голограммными структурами для формирования на поверхности и в объеме полупроводниковых пластин высокочастотных периодических структур с периодом следования, сравнимым с  длиной волны излучения видимого диапазона спектра. Общеизвестна теоретически рас-

считанная, равная половине длины волны излучения, минимальная величина периода структур, которые могут быть изготовлены методом интерференционной фотолитографии. Однако остается открытым вопрос о минимальных параметрах структур, получаемых на практике методом интерференционной фотолитографии на тех или иных фоторезистах при использовании различных технологических режимов их экспонирования, предэкспозиционной и постэкспозиционной обработки.
Цель и задачи исследования
Цель работы, результаты которой описаны в статье, состояла в определении предельных значений параметров рельефа: пространственной частоты и скважности дифракционных структур, получаемых в видимом диапазоне спектра на длине волны 488  нм с помощью слоев трехкомпонентного халькогенидного стеклообразного полупроводника (ХСП) традиционным и “двухмасочным” [3] методами интерференционной фотолитографии. Указанная работа была направлена на оценку эффек-

40 “Оптический журнал”, 79, 5, 2012

тивности использования этих методов для изготовления рельефно-фазовых структур, предназначенных для использования в коротковолновой области спектра. Выбор для анализа именно традиционного и “двухмасочного” методов интерференционной фотолитографии объяснялся, в значительной степени, потенциальной возможностью их использования для получения в материале подложки, т.  е. в  стекле или в металле, высокочастотных рельефно-фазовых периодических дифракционных структур, характеризующихся высокой механической и лучевой прочностью, малым уровнем светорассеяния и изменяемой в широких пределах скважностью формы профиля рельефа.
Метод “двухмасочной” интерференционной фотолитографии
В основу метода положено использование в фотолитографическом процессе двух располагаемых последовательно защитных масок. Одна из них выполняется из фоторезиста, например ХСП, другая  – из металлического хрома. Реализация метода предполагает использ­ ование суперпозиции волн для формирования требуемого распределения интенсивности излучения, экспонирующего подлежащую обработке поверхность, последовательно покрытую тонкими слоями хрома и ХСП. ­Экспонированная пленка ХСП подвергается п­ оверхностному проявлению в растворе и последующему проявлению путем ее ионно-плазменной обработки в смеси инертного газа и хладона до появления окон, открывающих поверхность хрома. Далее осуществ­ ляется смыв защитной халькогенидной маски раствором едкой щелочи и последующее химическое травление пленки хрома в цериевом травителе с добавлением серной кислоты [3]. Суть процесса заключена в  том, что ионно-плазменная обработка слоя изначально аморфного хрома, осуществляемая через окна в защитной халькогенидной маске в процессе ее проявления, приводит к переходу находящихся под окнами халькогенидной маски участков поверхности хрома в кристаллическое состояние, отличающееся повышенной устойчивостью к цериевому травителю. При этом в случае использования ХСП, обладающего свойствами негативного фоторезиста, последующее, осуществляемое без защитной маски, травление хромовой пленки в цериевом

травителе обеспечивает получение на хромовой пленке структур, подобных тем, которые обычно получают в варианте традиционного процесса фотолитографии, основанного на использовании органического позитивного фоторезиста. Происходит это за счет эффекта рекристаллизации пленки хрома под действием ионного излучения, что приводит к существенной разнице скоростей травления аморфного и  кристаллического участков указанной пленки. Таким образом, данный вариант техпроцесса предполагает последовательное использование двух защитных масок. Одна из них формируется из обладающего свойствами ­негативного фоторезиста ХСП, а другая  – из аморфного хрома, также обладающего свойствами негативного фоторезиста в условиях ионно-плазменной обработки.
Предельные значения параметров рельефа, получаемого в видимом диапазоне спектра на длине волны 488 нм с помощью слоев ХСП методами интерференционной фотолитографии
При выполнении работы нас, в первую очередь, интересовали закономерности структурирования поверхности пленки ХСП, ограничивающие предельные значения частот и скважностей рельефа, получаемых с их помощью структур. Выявление этих закономерностей проводилось в процессе изготовления методами голографической интерференционной фотолитографии периодических рельефно-фазовых структур, представляющих собой совокупность полос хрома, нанесенных на прозрачную подложку из плавленого кварца. Размер подложек составлял 15×15×3 мм. Использовавшийся при этом технологический процесс состоял из следующих основных операций:
1. Подготовка образцов подложек, включающая их мытье и очистку.
2. Нанесение, методом магнетронного распыления в вакууме, пленки хрома на рабочую поверхность подложки.
3. Нанесение на пленку хрома тонкой пленки трехкомпонентного ХСП, состоящего из мышьяка, серы и селена. Эта операция проводилась методом термического испарения в вакууме.
4. Экспонирование пленок ХСП в голографическом поле, сформированном с помощью двух параллельных пучков лучей. Оно осуществлялось излучением аргонового лазера с длиной

“Оптический журнал”, 79, 5, 2012

41

волны 488  нм. Соотношение интенсивностей интерферирующих пучков было близко к 1.
5. Проявление (травление) экспонированной пленки ХСП в смеси органических травителей. Проводилось до удаления неэкспонированных участков ХСП и появления свободных от него участков поверхности хромовой пленки. Время травления составляло от 15 до 30 минут. Отметим, что использовавшийся в этой работе трехкомпонентный ХСП обладает свойствами негативного неорганического фоторезиста.
6. Ионно-плазменная обработка свободных от ХСП участков пленки хрома, позволявшая удалить остатки неэкспонированных участков ХСП и обеспечивающая структурное преобразование рентгеноаморфной пленки хрома в кристаллическую пленку хрома, отличающуюся повышенной стойкостью к воздействию цериевого травителя по сравнению с рентгено­ аморфной пленкой. Операция проводилась в камере, наполненной газовой смесью, состоящей из аргона и хладона 218, с помощью источника Кауфмана. Как показали проведенные нами исследования минимальное время обработки пленки хрома, обеспечивающее ее структурное преобразование в кристаллическое состояние, составляло 30 с.
7. Удаление экспонированных участков пленки ХСП путем обработки образца в 5% растворе КОН.
8. Обработка образца в травителе на основе соли церия, проводимая с целью удаления рентгеноаморфных участков пленки хрома. Проводилась в течение 7–16  мин при визуальном контроле качества получаемых рельефнофазовых эквидистантных структур, состоящих из расположенных на стеклянной подложке п­ олос хрома равной ширины.
Первый этап исследования был направлен на установление предельного значения пространственной частоты рельефных структур, получаемых на тонких пленках трехкомпонентного ХСП традиционным методом интерференционной фотолитографии. При его проведении использовали пленки ХСП толщиной от 0,19  мкм до 0,37  мкм, нанесенные на слои хрома толщиной от 0,16  мкм до 0,21  мкм. Опыты по регистрации на указанных пленках ХСП периодических рельефно-фазовых структур с максимально возможной для избранной длины волны экспонирующего излучения пространственной частотой 4000  мм–1 дали отрицательный результат. При таких пространственных частотах экспонирующе-

го голографического поля никакого заметного структурирования поверхности пленок ХСП отмечено не было. Такой результат, вероятнее всего, объясняется невозможностью обеспечения т­ ребуемой экспозиционной дозы при скользящих углах падения параллельных п­ учков излучения с длиной волны 0,488  мкм, формирующих регистрируемое голографическое поле. Отметим, что угол падения указанных выше пучков превышал в описываемом случае 80°. Достижение необходимой для структурирования пленки ХСП экспозиционной дозы при ограниченной интенсивности имевшихся в нашем распоряжении параллельных пучков излучения требовало, примерно, получасового экспонирования. Обеспечиваемое же имевшимся в нашем распоряжении стендом время регистрации голограммной структуры, определяемое исходя из допуска на пространственное смещение страт, равного четверти их пространственного периода, не превышало 20  минут. Косвенным подтверждением этой гипотезы служит результат исследования, полученный при небольшом уменьшении пространственной частоты экспонирующего голографического поля до 3850  мм–1. Такое ­незначительное понижение пространственной частоты регистрируемого голографического поля, а следовательно, и соответствующее ему уменьшение углов падения пучков экспонирующего излучения до 64° обеспечило возможность двукратного увеличения экспозиционной дозы при тех же интенсивностях пучков. Тем самым оно обеспечило формирование на поверхности пленки ХСП голограммной структуры с высотой рельефа, достигающей 30 нм при скважности его профиля, измеряемой по уровню 0,5, равной 0,25. Отметим, что пространственной частоте 3850 мм–1 соответствует период получаемой решетки  – 0,26  мкм. При этих условиях оптимальное, с точки зрения высоты профиля получаемой голограммной структуры, время экспонирования не превышало 15  минут. Результаты исследования поверхности изготовленной рельефно-фазовой голограммной структуры, полученные с помощью универсального сканирующего зондового микроскопа Solver-P47, представлены на рис.  1. Приведенные изображения свидетельствуют о возможности получения на тонких пленках ХСП в излучении с длиной волны 0,488 мкм рельефно-фазовых периодических структур с периодом следования элементов 260  нм и с шириной промежутка между ними 65  нм. Форма

42 “Оптический журнал”, 79, 5, 2012

(а)

(б) нм

нм

нм нм
3000 2500 2000 1500 1000 500 00
(в) нм
30

нм
3000 2500 2000 1500 1000 500

35 2500
30
2000 25

1500 20

15 1000
10
500 5

0 0

500 1000 1500 2000 2500 нм 0

Рис. 1. Изображения (а, б) и профиль (в) рельефа рельефно-фазовой голограммной структуры с пространственной частотой 3850  мм–1,
полученные с помощью атомно-силового ми-
кроскопа.

20

10

0 0 500 1000 1500 2000 2500

нм

профиля полученной рельефно-фазовой структуры далека от синусоидального распределения энергии экспонирующего излучения, что, по всей видимости, объясняется рассеянием экспонирующего излучения в толще пленки ХСП, ее кластерной структурой [4, 5] и нелинейностью характеристической кривой ХСП. Изменить вид профиля рельефа получаемой при указанных выше условиях голограммной структуры мы не могли, поскольку использование лишь линейного участка характеристической кривой потребовало бы изменения соотношения интенсивностей формирующих голографическое поле пучков лучей и, следо­ вательно, соответствующего увеличения времени экспонирования голограммы. Исполь­ зование двухмасочного варианта фотолитографического процесса, обеспечивающего более широкие потенциальные возможности управления скважностью получаемых периодиче-

ских структур, в этом случае также невозможно. Дело в том, что получаемая при названных выше условиях структурированная пленка ХСП толщиной 190 нм с высотой рельефа 30 нм не могла быть использована в качестве защитной маски в процессе ионно-плазменной обработки хрома ввиду слишком малой высоты получаемого на ней рельефа и малой стойкости ХСП к воздействию ионного пучка.
Проведенное нами исследование показало, что для метода “двухмасочной” интерференционной фотолитографии, реализуемого с помощью тонких пленок трехкомпонентного ХСП в излучении с длиной волны 0,488  мкм, предельной, т. е. максимально высокой пространственной частотой, на которой уже возможно управление скважностью получаемых структур, является частота 1700  мм–1, соответствующая периоду следования полос 0,6 мкм.
На этой пространственной частоте высота рельефа, получаемого на пленках ХСП, была достаточной для проведения ионно-плазменной рекристаллизации хромовой пленки и получения на ней периодических структур, характеризующихся различной скважностью и формой профиля рельефа. При этом управление скважностью профиля рельефа получаемых структур могло осуществляться на стадии ионно-плазменной обработки рельефных голограммных структур, получаемых на слое ХСП.

“Оптический журнал”, 79, 5, 2012

43

(а) нм

нм
3000 2500 2000
1500 1000 500

00

(в) нм
80

60

(б) нм

нм

нм
3000
2500 2000 1500 1000 500

2500 100 2000 80 1500 60

1000 40

500 20

0 0

500 1000 1500 2000 2500 нм 0

Рис. 2. Изображения (а, б) и профиль (в) рельефа рельефно-фазовой голограммной струк-
туры на хроме с пространственной частотой 1700 мм–1, полученной при длительности ион-
но-плазменной обработки 90 с.

40

20

0 500 1000 1500 2000 2500

нм

Изменяя длительность ионно-плазменной обработки, приводящей к изменению остаточной толщины “вершинок” голограммной структуры, защищающих хром от воздействия ионного пучка, мы имели возможность регулировать ширину окон в халькогенидной маске и, тем самым, изменять скважность получаемой в хроме периодической рельефной структуры. Эксперименты, проведенные для толщин пленок ХСП 190  нм, нанесенных на пленки рентгеноаморфного хрома толщиной 160 нм при временах экспонирования и химического травления пленок ХСП 70″ и 12′20″, соответственно, показали возможность получения периодических структур из хрома с формой профиля рельефа, близкой к прямоугольной. При этом продолжительность ионно-плазменной обработки 1′20″ обеспечивала достижение близкой к 0,5 скважности профиля получаемых периодических структур (рис. 2). Из приведенных изображений следует, что полученная на пленке хрома периодическая дифракционная структура характеризуется периодом следования хромовых ламелей 600  нм при измеренной

по уровню 0,5 высоты профиля рельефа ширине промежутка между ламелями – 275 нм.
Увеличение продолжительности ионноплазменной обработки структурированного слоя ХСП до 120  с позволило почти в  6 раз ­увеличить ширину окон халькогенидной защитной маски и, тем самым, уменьшить до 50  нм ширину промежутков между полосами хрома. Отметим, что использование подобного приема для увеличения ширины промежутков между полосами хрома невозможно. Дело в  том, что сам процесс ионно-плазменной обработки представляет собой процесс многократных столкновений атомов обрабатываемого вещества, вызванных падением бомбардирующих ионов. Таким образом, распыление обрабатываемого материала при ионно-плазменной обработке является типичным процессом многократных столкновений, содержащим каскад движущихся атомов мишени. Этот каскад может занимать значительную область на поверхности и внутри обрабатываемого материала. Поэтому, следствием любой ионноплазменной обработки является боковое растравливание обрабатываемой структуры. В  нашем случае оно выражается в увеличении размеров зон рекристаллизации рентгеноаморфного хрома в процессе ионно-плазменной обработки изготавливаемых структур. Это, в  свою очередь, приводит к увеличению ширины хромовых ламелей и к уменьшению ширины промежутков между ними. Возмож-

44 “Оптический журнал”, 79, 5, 2012

(а)

нм
100
50
нм
3000 2500
2000
1500 1000 500

00

нм
3000 2500 2000 1500 1000 500

Рис. 3. Изображения (а, б) и профиль (в) рельефа рельефно-фазовой голограммной струк-
туры на хроме с пространственной частотой 1700  мм–1 и скважностью профиля рельефа
0,28.

(б) нм
2500 2000

нм
200
150

1500 100
1000 50
500

0 0

500 1000 1500 2000 2500 нм 0

(в) нм
200

150

ность получения методом "двухмасочной" интерференционной фотолитографии периодических структур с различной скважностью, т.  е. с различным отношением ширины промежутка между хромовыми ламелями иллюстрируют рис.  3 и 4. На них приведены изображения и графики профиля рельефа структур с пространственной частотой 1700  мм–1, полученных методом голографической интерференционной фотолитографии при различных временах химического и ионно-плазменного травления. Изображения, приведенные на рис.  3 и 4, свидетельствуют о возможности использования метода двухмасочной голографической интерференционной фотолитографии для получения на тонких пленках хрома периодических структур с пространственными частотами до 1700 мм–1 и со скважностью профиля рельефа 0,08. Таким образом, мы показали возможность получения структур с периодом следования элементов более 600  нм и с промежутками между отдельными ламелями, равными 50  нм и больше. Такие структуры могут найти применение в качестве мер малой длины для ­калибровки атомно-силовых микроскопов и в качестве отсчетных устройств измерителей малых линейных перемещений.
Выводы
Проведенное исследование основных закономерностей структурирования тонких пленок ХСП в процессе голографической интер-

100
50
0 0 500 1000 1500 2000 2500 нм
ференционной фотолитографии показало, что экспонируемые излучением аргонового лазера с длиной волны 0,488  мкм тонкие пленки трехкомпонентного ХСП, нанесенные на слои рентгеноаморфного хрома, могут быть использованы в методе интерференционной фотолитографии для получения структур с периодом от 260  нм и выше, тогда как теоретический предел периода изготавливаемых структур для этой длины волны составляет 244 нм. Реализуемые при этих предельных величинах периодов структур малые высота и скважность профиля рельефа, 30  нм и 0,25, соответственно, позволяют сформулировать гипотезу о существовании равной примерно 250  нм границы разрешающей способности тонких, обладающих свойствами негативного фоторезиста, пленок ХСП. Эта граница обусловлена, вероятнее всего, сильным френелевским отражением экспонирующих пучков при скользящих углах их падения и выявленной нами ранее и описанной в работах [4, 5] кластерной структурой неэ­ кспонированной пленки ХСП. Рассеяние

“Оптический журнал”, 79, 5, 2012

45

(а) нм

(б) нм
2500

нм
200

нм
3000 2500 2000 1500 1000 500

00

нм (в)

200

150

нм
3000
2500 2000 1500 1000
500

2000 150
1500 100
1000
50 500

0 0

500 1000 1500 2000 2500 нм 0

Рис. 4. Изображения (а, б) и профиль (в) рельефа рельефно-фазовой голограммной струк-
туры на хроме с пространственной частотой 1700 мм–1 и скважностью формы профиля ре-
льефа 0,08.

100
50
0
0 500 1000 1500 2000 2500 нм
излучения на границах отдельных кластеров, по-видимому, как раз и может приводить к уменьшению глубины рельефа изготавливаемых высокочастотных структур и к уменьшению ширины промежутков между отдельными элементами структуры. Этим же можно объяснить и выявленную нами невозможность ­изменения глубины и скважности профиля рельефа, получаемого на столь высоких пространственных частотах.
В ходе настоящей работы была показана возможность использования пленок трехкомпонентного ХСП в “двухмасочном” методе голографической интерференционной фотолитографии для получения рельефно-фазовых периодических структур с изменяемой скваж-

ностью профиля рельефа. Определена минимальная величина периода следования структур (0,6  мкм), получаемых двухмасочным методом, которые могут обладать изменяемой скважностью. При таких значениях пространственного периода получены структуры, характеризующиеся величинами скважности проф­ иля рельефа, лежащими в пределах 0,08– 0,28. Установлена необходимость существенного понижения пространственной частоты изготавливаемых структур для получения скважности профиля рельефа, превышающей 0,5. Так, при периоде следования элементов, увеличенном до 3,3  мкм, двухмасочным методом интерференционной фотолитографии нами были получены структуры со скважностью профиля рельефа 0,75 и 0,88.
Наиболее существенным результатом проведенного исследования является получение методом голографической интерференционной фотолитографии периодических рельефно-фазовых структур на пленке хрома с минимальной шириной элемента структуры 50  нм и периодом следования элементов 600 нм.

* * * * *

ЛИТЕРАТУРА
1. Berger V., Gauthier-Lafaye O., Costard E. Fabrication of a 2D photonic bandgap by a holographic method // Electronics letters. 1997. V. 33. № 5. P. 425–426.
46 “Оптический журнал”, 79, 5, 2012

2. Campbell M., Sharp D.N., Harrison M.T., Denning R.G., Turberfield A.J. Fabrication of photonic crystals for the visible spectrum by holographic lithography // Nature. 2000. V. 404. P. 53–56.
3. Корешев С.Н., Белых А.В., Ратушный В.П. Голографическая фотолитография на основе тонких пленок халькогенидного стеклообразного полупроводника // Оптический журнал. 2007. Т. 74. № 7. С. 80–85.
4. Корешев С.Н., Ратушный В.П. Наноструктурирование тонких пленок халькогенидного стеклообразного полупроводника в процессе формирования рельефно-фазовых голограммных структур // Опт. и спектр. 2009. Т. 106. № 2. С. 331–336.
5. Корешев С.Н., Ратушный В.П. Зависимость параметров паразитного наноструктурирования рельефнофазовых голограммных структур на тонких пленках халькогенидного стеклообразного полупроводника от высоты их рельефа // Оптический журнал. 2009. Т. 76. № 5. С. 47–50.

“Оптический журнал”, 79, 5, 2012

47