Media-security

МЕТОДЫ ГОЛОГРАФИИ В МИКРОЭЛЕКТРОНИКЕ

Ц.М.Рабинович

Рассматриваются возможности использования голографии для размножения микроэлектронных схем. Обладающий рядом преимуществ перед традиционными в микроэлектронике методами изготовления фотошаблонов и микросхем, бесконтактный метод голографии основан на использовании трансформационной голограммы Фурье от совокупности точечных источников. Голографические методы позволяют осуществить перенос изображения микросхемы с маски на фоторезист бесконтактным способом, а также выполнять ряд операций при микрообработке материалов.

В современной технике микроэлектроники возникает задача получения целого ряда одинаковых микросхем в кристалле.Отдельные микросхемы в этих случаях должны быть по возможности идентичными при всей их сложности. Для получения этих идентичных элементов в микроэлектронике применяются известные методы фотолитографии, изготовение фотошаблонов (масок) и печатание контактным образом на кремниевой шайбе, покрытой фоторезистом, через маску, содержащую всю совокупность изображений микроэлементов. Для получения высококачественных многократных изображений на фотошаблоне используется сложные камеры для последовательной повторной съёмки или мультипликации. Хорошо скорректированная оптика обеспечивает необходимую точность. Число пересъёмок равно числу идентичных микросхем и может быть велико. Обычно на фотошаблоне с рабочей площадью 30 х 30 мм² - содержится от 50 до 2000 изображений составных частей диодов, транзисторов для интегральной схемы; в некоторых случаях (диоды СВЧ, диодные матрицы) количество изображений доходит до 20000 /1/. Чтобы создать схему, состоящую из 20 х 20 одвнаиовых элементов, необходимо приновеоти 400 снимков на один

фотошаблон, а затем с него контактным способом перенести схему на фоторезист. При этом получение микуоэлектронной схемы зачастую требует применения нескольких различных фотошаблонов, дающих возможность получать различные детали микросхемы. Фотошаблоны часто портятся в связи с тесным контактом между ними и ----- также в связи с необходимостью их подгонки для совмещения точно определённым местом схемы.

Можно было бы избежать контактного метода печатания микросхем, если фотошаблоны проектировались на фоторезист с помощью определенной оптики. Однако современные линзы, которые могут быть применены при этом, не лишены внеосевых аберраций, неизбежных для достаточно больших площадок. Искажая изображения, аберрации лишают элементы микросхем идентичности. Отдельные же микроэлементы, расположенные на периферии изображения, могут быть искажены по своей сущности. Вот почему представляют уже известный интерес работы /2-4/, в которых предлагается применение голографии для перенесения изображения микросхемы ---ски на фоторезист бесконтактным способом (рис.1). На рис.1а изображена схема получения голограммы с высококачественного фотошаблона рис.1б изображает операцию обработки подложки с фоторезистом с помощью лазерного луча, прошедшего через перевёрнутую голограмму.

Применение безлинзовой голографии, обеспечивает отсутствие аберраций. Более того, отпадает необходимость в изготовлении нескольких фотошаблонов для получения одной микросхемы. Если, например, разные детали требуют обработки фоторезиста на разную глубину, то понадобится голограмма, дающая объёмное изображение микросхемы. При этом используется действительное изображение, создаваемое лучом лазера, прошедшим через голограмму, и свойство голограммы создавать объёмное, глубинное изображение.

В упоминавшихся работах применялись пластинки Кодак толщиной 0,25 дюйма с эмульсией hr. Пластинки должны быть очень гладкими, плоскими (0,5 мкм на погонный дюйм). Для получения и воспроизведения голограммы применялся Аргоновый лазер, Λ= 4990Å. Фоторезист выбирался чувствительный к этой же длине волны. Для

Рис.1. а) Схема получения голограмдш с высококачественаого фотошаблона;

б) обработка подложки с фоторезистором о помощью лазера.

получения голограммы может быть использована также другая длина волны, например, рубиновый лазер.

Получение микроэлектронных схем методом голографической проекции не лишено и недостатков. При этом методе, как было показано выше, фотошаблон для получения голографического изображения остаётся очень сложным. Он включает все элементы, которые должны быть воспроизведены в микросхеме.

Значительно больший эффект в микроэлектронике даёт метод получения многократных изображений с помощью точечных голограмм. В этом методе фотошаблон состоит только из одной микросхемы или вернее из одной ячейки микросхемы. Такой фотошаблон, естественно, проще изготовить, чем обычно применяемый, в котором ячейка микросхемы повторена многократно. Располагая фотошаблоном и так называемой точечной голограммой, мы можем получить эффект размно-

жения заданной ячейки микросхемы. Точечная голограмма в данном случае эти голограмма, снятая с группы точечных отверстий, расположенных так, как должны располагаться на микросхеме её отдельные ячейки.

Попытки получить многократное изображение одного объекта были и до голографии. Предложены были, например, оптическая схема типа "глаз мухи", либо основанная на применении решётки, либо использующая двойное лучепреломление. Но все оптические доголографические методы получения размноженного изображения не соответствуют требованиям полупроводниковой микроэлектроники. Именно поэтому вся эта методика пока не заменяла собой контактного печатания схемы через травленный шаблон на фоторезист. Принципиально новые возможности даёт в этом направлении голография. Многократное изображение объекта можно получить на установке для пространственной фильтрации за счёт образования свертки предмета с рядом δ-функций /5/. Комплексно сопряжённый фильтр создаётся за счёт трансформационной голограммы Фурье, соответствующей совокупности точечных источников.

Важным элементом схемы (рис.2) является голограмма точечных источников. Её создают путём регистрации интерференционной картины, полученной при наложении опорного лучка от точечного источника и пучка, рассеянного от предмета. Им является экран с группой точечных сигнальных отверстий.

Многократное изображение достигается в процессе восстановления голограммы, когда опорный точечный источник замещается изображением, которое надо размножить.

Свойства голограммы можно понять, если рассматривать её как зонную пластинку Френеля, обладающую свойствами линзы. Действительно, эту голограмму можно сравнить с особого рода линзой типа "мушиный глаз", где отдельные линзочки заменены зонными пластинками Френеля. Но между голограммой и системой линз имеется существенное различие. В отличие от линз голограммы от дискретных точечных источников могут полностью налагаться друг на друга, не сливаясь друг с другом.

Поэтому за счёт дифракции в каждую точку голограммы попадёт световая информация от всех точек предмета при условии, если

Рис.2. Голограмма точечных источников.

при записи голограммы используются когерентные сферические волны.

Ограничение разрешающей способности описанной установки составляют аберрации. Но если нужно размножить небольшое плоское изображение, а именно оно представляет главный интерес в микроэлектронике, то аберрацию можно сделать очень незначительной. Это объясняется тем, что точечные голограммы корректируются одинаково как для опорного, так и для сигнального точечного источника, если в процессе восстановления создаются те же условия, что и при записи: употребляется световая волна той же длины, сохраняется то же самое положение точечного источника опорной волны (теперь ее замещает предмет) и сигнальных точек (теперь их заменяет голограмма). Остаточная аберрация уменьшается при уменьшении угла между опорной и сигнальной волнами.

В работе /6/ даётся краткая теория этого многообещающего метода.

Принцип, положенный в основу нового способа создания многократных изображений, иллюстрируется на рис.3. В результате взята свёртки функции f(х) с рядом δ-функций получается совокуп-

Рис.3. Принципы создания многократных изображений.

ность функций f(х). В оптике свёртка для функций осуществляется путём оптической пространственной фильтрации. Этот метод основан на свойстве линзы осуществлять преобразование Фурье между фокальными плоскостями в когерентном свете. Из этого следует, что если мы имеем установку для оптической фильтрации (рис.4) с изображением на входе f (х',у') и фильтрующей функцией Т(u,v), то выходной оптический сигнал в плоскости х-у, будет иметь вид:

(1)

где m=-f₁/f₂, а t(х,y)- обратное преобразование Фурье функции t(u,v)². Следовательно, в плоскости х-y формируется свёртка функции f(mx,my) и t(x,y).

Как уже отмечалось, для получения многократных изображений с помощью свёртки величина t(x,y) должна представлять собой совокупность δ-функций, т.е.

Рис.4. Установка оптической фильтрации.

(2)

Подставив это h(x,y) в (1), имеем

(3)

В h(x,y) нетрудно распознать совокупность многократных изображений. Здесь m - коэффициент увеличения (уменьшения); отрицательный знак при нём означает просто, что изображение перевёртывается.

Физически выражение (2) соответствует совокупности точечных источников, а фильтр, который должен быть помещён в плоскости u-v для получения многократных изображений, является голограммой Фурье указанной совокупности точечных источников. На рис.4 показана полная система для создания многократных изображений. Многократные изображения, образующиеся в плоскости u-v, состоят из яркого недифрагированного изображения и двух совокупностей изображений, соответствующих двум сопряжённым изображениям, которые создаются голограммой.

Как сообщается в работе /6/, этот метод получения многократных изображений был проверен на эксперименте. Были получены голограммы для совокупностей точечных источников размером 4 х 4, 5 х 5 и даже 11 х 11 изображений. Площадь голограмм около 5 см². Качество сформированных изобралений очень высокое. Так, в рисунке размером 5 х 5 изображений разрешались все линии шириной более 4 мк на площади 5 см (размер голограммы). При использовании других текстовых рисунков можно было наблюдать линии в 1 мк. Новый метод применялся для получения как регулярно, так и нерегулярно расположенных многократных изображений, а также наложенных друг на друга нескольких различных узоров.

Голографический метод создания многократных изображений полностью заменяет трудоёмкий процесс последовательной повторной пересъёмки, используемой при изготовлении интегральных схем. Кроме того, он обеспечивает превосходную повторяемость изображений при последовательной маскировании интегральной схемы. Голограмма и линзы закрепляются неподвижно и для каждого маскирования выставляются в требуемое положение шаблона. После этого никакой ошибки в положение изображения не может быть внесено.

В работе /7/ отмечается:

а) более высокая эффективность голограммы по сравнению с маской, особенно если маска глухая (имеет мало отверстий на большой площади). КПД голограммы не зависит от соотношения площадей;

б) малая чувствительность голограммы к пыли, грязи, царапинам. Отсюда большой срок её службы;

в) возможность вести обработку на неплоских поверхностях, формировать трёхмерные детали, причём достижимо высокое разрешение по сравнительно большим площадям;

г) простота изготовления высококачественных голограмм с любым распределением плотности энергии на плоской фигурной поверхности и в объёме;

д) отсутствие в некоторых случаях других, помимо голограммы, оптических элементов, например линз.

Эффективность использования голограмм для обработки определяется долей энергии падающего на голограмму светового пучка, использованной для формирования полезного (действительного) изоб-

ражения. Эффект ивнисть изменяется в зависимости от типа голограммы, зависит от материала, на которой голограмма изготовлена, и технологии её изготовления. Полный световой поток Р, падающий на голограмму, распределяется на p₁ - формирующий полезное действительное изображение, Р₂ - поступающий в нулевой и другие порядки дифракции, Р₃ - поглощаемый в голограмме, Р₄ - отражаемый от поверхности голограммы и рассеиваемый на её не-однородностях и загрязнениях.

Эффективность голограми можно выразить отношением

Расчёты показывают, что теоретически эффективность амплитудной

голограммы, в которой интерференционная картина записана в виде изменений фотографической плотности, не превышает 0,0625 (или 0,125 для голограмм Фурье), и реальных условиях такая эффективность недостижима.

Недостатки амплитудных голограмм, заключающиеся в низкой энергетической эффективности, значительных потерях на зернистой структуре фотоэмульсии, возможности разрушения при больших энергиях (из-за высокого собственного поглощения), ограничивают возможность применения их для технологической обработки материалов. Однако вследствие простоты изготовления и максимально достижимого разрешения (для голограмм в иммерсии) они могут найти применение в микроэлектронике при печати на фоторезисте, где не требуется большой мощности ОКГ.

Преимуществом фазовой голограммы является использование для формирования изображения значительной части падающей мощности ОКГ. Как показывают эксперименты, для реальной фазовой голограммы на серийных эмульсиях яркость изображения значительно выше, чем для амплитудной.

Автором /7/ осуществлён ряд экспериментов пи микрообработке материалов о помощью голографического метода.

Наряду с использованием голографии для мультиплицирования микросхем в микроэлектронике перспективно применение голографии для создания на поверхности или в объёме материала сложных

температурных полей, для легирования, локального осаждения тонких плёнок, локальной термообработки, а также для сварки микродеталей (сварка микросхем во многих точках, создание оптимального температурного распределения). При этом обработка может производиться через прозрачную перегородку низкого оптического качества (например, колбу электривакуумного прибора), причём можно компенсировать аберрации и другие искажения, вносимые этой перегородкой, изготовив голограмму в присутствии перегородки .

Представляет интерес комбинирование техники обработки материалов с техникой оптической согласованной фильтрации, так как при этом может быть решён ряд существенных задач, помимо мультиплицирования изображений в фотолитографии: такие как вывод из обработки деталей оптимальной конфигурации, браковки деталей, центровка деталей при обработке.

Возможности, экономичность голиграфического метода обработки зависят существенно от появления ОКГ с высоким к.п.д. и разработки технологии изготовления эффективных голограмм. Исследования показывают, что, применяя для голограмм высокоэффективные среды (хромированную желатину, фотополимеры, полупроводниковые материалы), можно достигнуть дифракционной эффективности 30-90%.

Л и т е р а т у р а

1. Ф.П.Пресс. Фотолитография в производстве полупроводниковых приборов, М., 1968.

2. m.i.Веeslу, Н.foster, К.g.Наmbeton. "holographic projection of microcircuit patems". electronics labbers, 9-th february, v.4, n.5, p.49, 1968.

3. m.i.beeely, h.foster, k.g.hambeton." holographic projection von structuren für microschaltungen". intrnationale electronische rundshea, n.4, p. 28, 1968.

4. r.k.fiekd. "major advance in wafermaking forecast". electronic design, iune 21, p.17, 1966.

5. g.groh. "multiple imagine by means of point holograms". appl.opt., v.7, n8, 1643, 1968.

6. Лу-Сунь. Создание многократных изображений для интегральных схем с помощью голограмм Фурье. ТИИЭР, 56, №1, стр.132-133, 1969.

7. Г.А.Соболев. Использование голографии для технологической обработки материалов. Сб."Использование оптических квантовых генераторов в современной технике", ч.1, Л-д, 1969.