מבוא לתהליכי מזעור - VLSI טכנולוגיות ייצור

חלק ב’ - תהליכי ליתוגרפיה

Yosi Shacham-DiamandDepartment of Physical Electronics

Tek-Aviv University, Ramat-Aviv, 69978

yosish@eng.tau.ac.il

Introduction to VLSI, TAU 2001

תוכן

מהי ליתוגרפיה - פרמטרים מאפיינים - עומק •מוקד, חשיפה, רזולוציה, קונטרסט ועוד

ליתוגרפיה אופטית•

ליתוגרפיה של קרני אלקטרונים•

ליתוגרפיה של קרני יונים•

Xליתוגרפיה של קרני •

SPMליתוגרפיה בעזרת •

ליתוגרפיה אופטית - עקרונות בסיסים

(Aerial Imageתאור הדמות ) •

תהליך החשיפה•

תהליך הפיתוח•

בקרת רוחב קו , בקרת ממד קריטי•

ליתוגרפיה כתהליך העברת מידעמסכה

דמות אופטית

דמות סמויה בחומר הצילום

פיתוח הדמות

העתקת הדמות למעגל המשולב

תכנון

מערכת החשיפהמאירים את המסכה מצידה האחורי•

האור עובר דרך המסכה ומתאבך•

תמונת ההתאבכות נעה מהמסכה לעדשה•

העדשה אוספת חלק מהגל המתאבך ויוצרת •דמות משוחזרת במישור המוקד

יש אובדן מידע הנובע מהגודל הסופי של •העדשה

יצירת הדמות - דוגמה

n

n(sin)θ p n

חוק בראג:

מסכת קוורץ עם שכבת כרום ועליה פסים עם

Pמרחק מחזור

הארה קוהרנטית

העדשהמישור המוקד

Dעדשה בקוטר מהמסכה f ומרחק

מסכה

fD

nNA2

(sin)

קונטרסט הדמות

0

1Intensity, IImax

Imin

minmax

minmax

III-I

contrast Image

הטלת דמות בעזרת עדשה דקה

f/#=f/D

NA=n sin)a(

NA = 1/)2 f/#(

במה תלויה הרזולוציה של עדשה ?

Fביכולתה לאסוף אור מהמסכה שיחסי ל- #/.NAויחסי הפוך לגודל אחר הקרוי

הגדרות

רזולוציה•הדמות הקטנה ביותר שיש לה משמעות –

ייצורית.

עומק מוקד•תחום הסטייה ממשטח המוקד –

האידיאלי, שיתן את הרזולוציה הדרושה.

מה קובע את הרזולוציה ?

הרזולוציה יחסית לאורך הגל, •עולה NAהרזולוציה משתפרת ככל שה- •

- העדשה אוספת יותר מידע.

NAksolution

1Re

MASK ALIGNERצילום ישיר ע”י

MASK ALIGNERרזולוציה של

• = exposure wavelength

• d = resist thickness

• 2b = minimum pitch of line-space pattern

• s = spacing between the mask and the resist

(5.0)32 dsb

מסכות

איכות החשיפה תלויה במערכות החשיפה אך גם במידע על המסכה .

השפעת ההארה על חומר הצילום

הדמות האופטית פועלת על שכבה דקה•

של חומר רגיש לאור - פוטורזיסט•

ישנם שני סוגי חמרי צילום:•

שלילי - החומר נשאר באזור המואר - •

חיובי - החומר יורד באזור המואר - •

E=hאור -

NEGATIVE PHOTORESISTחומר צילום שלילי -

1. Non-photosensitive substrate material

– About 80 % of solids content

– Usually cyclicized poly)cis-isoprene(

2. Photosensitive cross-linking agent

– About 20 % of solids content

– Usually a bis-azide ABC compound

3. Coating solvent

– Fraction varies

– Usually a mixture of n-butyl acetate, n-hexyl acetate, and 2-

butanol

Example: Kodak KTFR thin film resist:

NEGATIVE PHOTORESISTחומר צילום שלילי -

ההארה יוצרת סופר מולקולות מרובות ענפים•

המולקולות הגדולות יוצרות מבנה המאיט קצב •חדירת נוזל למוצק.

ישנה נקודה, בה המוצק הופך להיות לא מסיס, •הקרויה נקודת הג’ל,

פיתוח

באזורים המוארים הפולימר מצולב. ישנם ממסים אורגנים שיחדרו באזורים הלא מוארים, יתפיחו אותם, יגרמו לפירוק הקשרים הכימיים הקיימים

וישטפו אותם.

פוטורזיסט חיוביהדמות האופטית פועלת על שכבה דקה של חומר •

רגיש לאור - פוטורזיסט חיובי

החומר מכיל תרכובת פעילה הקרויה:•–PAC - Photo Active Compound

וזו התמונה הסמויה - mמסומן כ - PACריכוז ה•

בזמן ההארה נותנת את ( Iמכפלת עוצמת ההארה )•אנרגיית החשיפה.

• m הנו פונקציה של אנרגיית החשיפה

הקונטרסט של הפוטורזיסט

1 10 100 1000E אנרגית החשיפה ,[mJ/cm2]

1

0.8

0.6

0.4

0.2

0.0

שיפוע -

E0 - אנרגית הסףלהורדת הרזיסט

עובי רזיסט מנורמל

הפיכת הדמות

תזכורת - מהי ליתוגרפיה

אור פוגע בחומר הצילום - “פוטורזיסט”•

האור יוצר דמות סמויה•

הפיתוח “חושף” את הדמות ומשאיר פוטורזיסט •במקומות מוגדרים מראש

סיכום ביניים

פונקציה מאפיינתתהליך

איכות הדמות האופטיתיצירת תמונה•

איכות הדמות הסמויהחשיפה•

צורת חומר הצילוםפיתוח•

מרווח החשיפה - סה”כ התהליך•Exposure latitude

Example- high resolution photo lithography

193 nm excimer laser litho on a fully planar substrate

טכנולוגיות ננו-ליתוגרפיה

ליתוגרפיה עם קרני אלקטרונים•

ליתוגרפיה עם קרני יונים•

X ליתוגרפית קרני-•

ליתוגרפיה עם גשש סורק.•

ליתוגרפיה בקרני אלקטרונים

כתיבה ישירה בקרן אלקטרונים•

•SCALPEL - Scattering with Angular Limitation Projection Electron Beam

Lithography

EBL-Electron Beam Lithography

פולט אלקטרונים

עדשות מיקוד אלקטרוסטטיות

בקרת עוצמת אלומה

מערכות הסחה אלקטרוסטטיות

מערכות מיקוד מגנטיות

)EBES system(

SCALPEL

PETEOS ננומטר על 180קו ברוחב

ננומטר80ליתוגרפית קרני אלקטרונים: חורים בקוטר

Xליתוגרפיה בקרני-

חשיפה ישירה דרך מסכת בליעה•

XRAY רזיסט

שכבה דקה

מצע

High Z

Low Z

ליתוגרפית קרני יונים

מיקוד אלומת יונים _ הליום, גליום ועוד(•

רזולוציה גבוהה•

איכול וליתוגרפיה באותה מערכת.•

Ion protection lithography with 75 keV He + ions of a pattern on an open stencil mask (Si, 2 µm thick) onto a wafer coated with 300 nm of Shipley UV II HS resist. Exposure dose: 0.3 µC/cm 2 with research type ion projector operated with multi cusp ion source (2eV energy spread) [Brunger 1999].

Nanolithography: STM

By pulsing the bias voltage on the STM tip, one can remove and deposite material from a surface, in this case copper onto gold.

STM image of a Au)111( surface patterned with 12 Cu clusters arranged in a circle by means of an STM tip. The Cu clusters are only 4 atomic layers high

and each cluster consists of about 100 single Cu atoms.

Nanolithography: STM

Here, the artist, shortly after discovering how to move atoms with the STM,

found a way to give something back to the corporation which gave him a job when he needed one and provided him with the tools he needed in order to be successful. )Xe on Nickel, Nature 344, 524 )1990(.

Here they have positioned 48 iron atoms into a circular ring in order to "corral" some surface state electrons and force them into "quantum" states of the circular structure. The ripples in the ring of atoms are the density distribution of a particular set of quantum states of the corral. The artists were delighted to discover that they could predict what goes on in the corral by solving the classic eigenvalue problem in quantum mechanics -- a particle in a hard-wall box. ]Crommie, Lutz & Eigler, Science 262, 218 )1993([

Iron )on Cu( “Coral”

)Asai 97(

סיכום

ליתוגרפיה אופטית - הגדרת מצעים, •רכיבים , MEMSמעגלים אלקטרונים רכיבי

אופטיים

ליתוגרפיה בקרני אלקטרונים - בניית • ננומטר100צורות בממדים מתחת ל

ליתוגרפית גשש סורק - מניפולציה של •אטומים ומולקולות.