Transcript 01Fotolitografia

Fotolitográfia a nanoelektronikában
Dr. Mizsei János
Somlay Gergely
Nanogyártás (Nanofabrication)
• Nagyon széles körben folynak vizsgálatok, hogy
nanoszerkezetek (100 nm-nél kisebb szerkezetek)
kialakítására alkalmas gyártási technológiákat
találjanak
• Nanogyártási technikák:
– top-down módszerek felületi anyageltávolításra vagy
felvitelre
• fotolitográfia, lágy litográfia, pásztázó tűs módszerek
– bottom-up módszerek nanoszerkezetek építésére
molekulákból vagy atomokból
Fotolitográfia
• Minták kialakítás a
szilícium felületén
fény segítségével
• Tömegtermelés
• Drága maszk
• Min. csíkszélesség
70 nm
Tipikus litográfiai folyamat
Litográfia kihozatala
• A tipikus gyártási kihozatal > 95% → a litográfiai
lépések kihozatala > 99%
• Napjainkban a litográfia a gyártási költségek 90%-át
teszi ki
A litográfia gyártási kapacitása
• Tapasztalati kapcsolat:
0, 2
23
A
• Felbontás (Å) ~
t
• At = megmunkált felület
μm2/hr
• Ez a tapasztalati kapcsolat
18 nagyságrenden belül jó
közelítést ad
Elvárások litográfiai rendszerekkel
szemben
• Alacsony dimenziók (csíkszélesség)
• Alacsony méretbeli változások (csíkszékesség
ellenőrzés)
• Nagy mélységélesség (nem sík hordozók és vastag
rezisztek)
• Egymás utáni minták pontos illesztése (registration)
• Képek és minták kis torzulása (jó minőségű maszk és
vetítőrendszer)
• Alacsony költség (magas throughput)
• Nagy megbízhatóság (magas kihozatal)
• A szennyező anyagokkal szembeni tolerancia a maszkon
és a mintán (tiszta szoba előírások)
• Azonosság nagy felületen (nagy szeletek)
Litográfiai utak
Megoldási utak a
mintatervezéstől a minta
átvitelig:
– Közvetlen (elektron vagy
ion sugaras litográfia)
– Általában két lépéses
process:
• Maszk készítés
• A minta átvitele nagy számú
hordozóra
Maszkolási módszerek
Kontakt
Közeli
Vetítés
Rezisztek
• Rezisztek:
– Pozitív: az exponálás roncsolja a rezisztet (dark
field mask)
– Negatív: az exponálás megkeményíti a rezisztet
(light field mask)
Követelmények rezisztekkel
szemben
• Nagy érzékenység → rövidebb expozíció
→ alacsonyabb költség
• Kontraszt (csak a világosan megvilágított
területek módosulnak)
• Adhézió a hordozóra
• Ellenállás a marásnak (következő lépés
elősegítése)
• Profile control ellenállás (lift-off
alkalmazás)
Optikai lifográfia folyamata
Marás kontra Lift-off
• Marás:
– Reziszt felvitele a réteg felületére
– Az anyagot a maszk nyílásain keresztül elmarják
• Lift-off:
– A felvitt rezisztre választják le az anyagot
– Az anyagot a reziszt eltávolítása során távolítják el
Az optikai litográfia korlátai
Minimális alakzat mérete: kλ/NA
ahol k = arányossági tényező (tipikusan 0,5 egy
diffrakció korlátozott rendszerben)
λ = hullámhossz
NA = numerikus nyilás = sin α
(2α = befogadó szög a lencse fókusz
pontjában)
→ a lencse fénygyűjtő képességének mértéke
Ugyanakkor a mélységélesség = λ/(NA)2
→ fontos mivel a szeletek nem síkok
Az NA növelés nem megoldás → a méretek csökkentéséhez
a λ-t kell csökkenteni
Mély UV litográfia
Mély UV → Excimer lézer források:
XeF → 351 nm
XeCl → 308 nm
KrF → 248 nm
ArF → 193 nm
F2 → 157 nm
}
}
Fused kvarc optika
CaF optika → nehéz grind és
csiszolni a vízmegkötő
tulajdonsága miatt
Fázis toló maszkok
• Minimalizálja a diffrakciós hatást, de a maszk
készítése bonyolultabb
Hordozó reflexiós hatásai
A beeső és a visszavert foton
sugár interferenciája miatt
állóhullám alakulhat ki a
rezisztben
Reflexió eltemetett
átmeneteken is kialakulhat,
ami a csíkszélesség függését
okozhatja az eltemetett réteg
vastagságától
Anti-reflexiós rétegek hatása
Anti-reflexiós réteg nélkül
Anti-reflexiós réteggel
Extrém UV litográfia
• Más néven lágy röntgen litográfia
• 1996-ban fejlesztették ki a Sandia National Laboratoryban
• Az EUV forrása egy szuperszonikus sebességgel táguló
Xe gáz klaszterre fókuszált lézerrel generált plazmán
alapul
• λ ~ 10 nm
Megjegyzés: alacsony λ esetén az optikai anyagok nagy
mértékben abszorbeálnak
– Reflexiós optikák (pl.: Bragg tükrök)
– Vékony, hibamentes maszkok
• Pl.: λ = 13 nm, a tükrök 40 7 nm vastag Mo és Si
rétegpárból állnak
Tipikus EUV maszk
A mélységélesség kisebb probléma rövidebb
hullámhosszoknál → nagy aspect ratio reziszt profilok
kialakítása lehetséges EUV-val
EUV litográfiával mintázott reziszt
Röntgensugaras litográfia
• Hasonlít az optikai litográfiához
– Az alkalmazott hullámhossz kisebb: 0,1 – 10 nm,
de a felbontás = k(λg)½
ahol g = a maszk és a hordozó közötti távolság (a
gyártásban 5 – 40 μm)
– Így a felbontás = 0,07 – 0,2 μm λ = 1 nm esetén
– Kontakt nyomtatás esetében 20 nm-es
csíkszélesség érhető el
– Nagy aspect ratio érhető el
– Párhuzamos folyamat, melyben a reziszttel bevont
felületet maszkon keresztül világítják meg
• nehezebb a maszk készítése
• nagy intenzitású röntgen forrás kell
Röntgensugaras litográfia
Röntgensugaras litográfiával
mintázott reziszt
A röntgensugaras litográfia előnyei
•
•
•
•
Nagy mélységélesség
Kiváló reziszt profilok
Nagy processz szélesség
A csíkszélesség független a hordozó
topológiájától és típusától
• Relatíve immunis a kis atomi tömegű
szennyezőkre
A röntgensugaras litográfia hátrányai
• 1 maszk technológia (arany 1 -2 μm vastag szilíciumon)
→ hibák, aspect ratio, hajlás és melegedés a problémák
• Költséges és/vagy bonyolult forrás
• Illesztés nem triviális
Az ipari használhatósághoz szükséges:
• Egy maszk → torzulás mentes, ellenőrizhető, javítható
• Egy reziszt → a jelenlegi elfogadható, de fejleszthető
• Egy illesztő rendszer
• Egy röntgen forrás → elfogadható költség és kapacitás
Ionsugaras litográfia
• Tipikusan folyékony fém (pl.: gallium) ionokat
használnak
• 1970-es évek végén fejlesztették ki
• Fejlett litográfiai csoport → ipari, kormányzati
és egyetemi összefogás
• ALG-1000 → 20 μm x 20 μm-es mezők 3x-os
kicsinyítése 150 keV-os hidrogén ionokkal →
0,1 μm-es felbontás
Ionsugaras litográfia előnyei
• Elektronoknál kisebb mértékű szóródás
• Az ionsugár a kezdeti pálya közelében marad
→ nincs szükség dózis állításra különböző
alakzatok vagy hordozók esetén
• Közvetlen fémréteg leválasztás (fókuszált
ionsugár) → alkalmas maszkok javítására
Ionsugaras litográfia hátrányai
• Az ionok kölcsönhatnak az anyaggal:
–
–
–
–
–
Ion keveredés
Kristályrács amorfizálódik
Optikai tulajdonságok módosulnak
Nem tervezett adalékolás
Sputter maródás
• Az ionok abszorbeáldnak
(tipikusan 10 nm-es környezetben)
– Stencil típusú maszkok
– Egy gyűrű belseje kiesik, kivéve felbontás
alatti rögzítések alkalmazása esetén
Elektron sugaras litográfia
• A mintákat közvetlenül az
elektron érzékeny reziszten
alakítják ki egy a szeletet
sorosan végigpásztázó
elektronsugárral
• Ritkán használják, leginkább
a nagy pontosságú, mester
fotómaszkok gyártásához
Elektron sugaras litográfia
• Kutatásban népszerű
• λ = h/(2mE)1/2 → λ = 7.7 pm 25 keV esetén
• Projekciós EBL rendszerek lettek kifejlesztve:
– Pl.: SCALPEL
(SCALPEL = Scattering with Angular Limitation
Projection Electron-beam Lithography)
Elektron sugaras litográfia előnyei
– Nagy felbontás → egészen 5 nm-ig
– Hasznos tervező eszköz → a közvetlen írás gyors
minta módosítást tesz lehetővé (nem kell maszk)
Elektron sugaras litográfia hátrányai
– Költségek (6 – 10 millió $ a hardware)
– A közvetlen írásnak kicsi a kapacitása → lassú és
drága
Projekciós elektron sugaras litográfia
Lágy litográfia
• Rugalmas bélyegzőket alkalmaznak nanoméretű
alakzatokat tartalmazó eszközök gyártásához
• Elasztikus bélyegző
– A domborműves bélyegző elektronsugaras litográfiás
kialakítása költséges, de a minta másolása PDMS
bélyegzőkre egyszerű és csekély költségű
Lágy litográfia
• Mikroérintkezéses nyomtatás
– Elasztomer bélyegzőket használnak thiol
molekulák felvitelére a felületre, mely általában
egy vékony arany vagy ezüst réteg → SAM
– egyszerű, közvetlen, költséghatékony, rugalmas
Lágy litográfia
• Mikroérintkezéses
nyomtatás
– Két tipikus deformáció
elasztomerek esetében:
• magas struktúrák
összetapadása
• süllyesztett részek lelógása
a nyomtatás során
Lágy litográfia
• Példák a mikroérintkezéses nyomtatásra:
– a) SEM kép fibrinogén szelektív abszorpciójáról SAM
kialakítású arany rétegen
– b) SEM kép SAM-mel készített sablonról: szelektív
dewetting-gel és kristályosítással kialakított CuSO4
részecskék (nyíl)
Lágy litográfia
• Elektromos mikroérintkezéses nyomtatás
Lágy litorgráfia
• Mikroöntés (micromolding) kapillárisokba
– alacsony viszkozitású anyagok helyezése a csatornák
nyílásaihoz → a folyadék automatikusan megtölti a
csatornát a kapilláris
– a kezelés végén az PDMS öntőformát eltávolítják a
polimer mikrostruktúráról
Lágy litográfia
• Másolat öntés
– hatékony módszer az öntőforma másolására
– egy lépésben lehet 3D topológiákat másolni
– a megbízhatóság a nedvesítés és a kitöltés
függvénye
Lágy litográfia – egyéb módszerek
• Merev bélyegzők → többrétegű struktúrák
• Step-and-flash nyomtatási litográfia
– kvarc mester bélyegző
– a bélyegzőt vékony, folyékony polimer rétegre nyomják rá,
amely feltölti a bélyegző mélyedéseit
– a polimert UV fénnyel kezelik
– ~60 nm-es csíkszélesség
• Nanonyomtatási litográfia
– a dombornyomás folyamat egy Tg fölé melegített polimer
réteggel van megkönnyítve
– 6 nm-es csíkszélességet lehet elérni
– nem sík felületekre is lehet nyomtatni (ezt meg kell nézni)
Nanogolyós litográfia