Λιθογραφία. Υμένιο Φωτοπολυμερούς Δισκίο Πυριτίου. Έκθεση μέσω μάσκας. Εμφάνιση του φωτοπολυμερικού υλικού

Transcript

1 Οπτική Λιθογραφία

2 Λιθογραφία Υμένιο Φωτοπολυμερούς Δισκίο Πυριτίου Έκθεση μέσω μάσκας Εμφάνιση του φωτοπολυμερικού υλικού Λιθογραφία Θετικού Τόνου Λιθογραφία Αρνητικού Τόνου

3 Τρανζίστορ

4 Λιθογραφία Thin Films Polish Patterned wafer Diffusion Photo Etch Test/Sort Implant * Η λιθογραφία βρίσκεται στο κέντρο της κατασκευής ολοκληρωμένων κυκλωμάτων. Prof. M. Madou, class notes, UC Irvine

5 Λιθογραφικός Τόνος Θετικός τόνος: Δημιουργεί δομή ίδια με αυτή της μάσκας. Αρνητικός τόνος: Δημιουργεί δομή αντίθετη από αυτή της μάσκας.

6 Τόνος Φωτοπολυμερούς Υπεριώδες φως Οι περιοχές που εκτίθηκαν στο φως έγιναν διαλυτές. Περιοχές χρωμίου Σκιά στο φωτοπολυμερές νησί Παράθυρο Φωτοπολυμερές Εκτεθειμένη περιοχή Φωτοπολυμερές οξείδιο Υπόστρωμα πυριτίου οξείδιο Υπόστρωμα πυριτίου Θετική λιθογραφία Η δομή του πολυμερούς μετά την εμφάνιση Prof. M. Madou, class notes, UC Irvine

7 Τόνος Φωτοπολυμερούς Περιοχές χρωμίου Σκιά στο φωτοπολυμερές Υπεριώδες φως Εκτεθειμένη περιοχή Οι περιοχές που εκτίθηκαν στο φως δικτυώθηκαν και έγιναν αδιάλυτες στον εμφανιστή. νησί Φωτοπολυμερές Παράθυρο Φωτοπολυμερές οξείδιο oxide Υπόστρωμα πυριτίου οξείδιο Υπόστρωμα πυριτίου Η δομή του πολυμερούς μετά την εμφάνιση Αρνητική λιθογραφία Prof. M. Madou, class notes, UC Irvine

8 Λιθογραφικές Διεργασίες Καθαρισμός Priming Επίστρωση Θερμικές διεργασίες πριν την έκθεση Ευθυγράμμιση και Έκθεση * Εμφάνιση Θερμικές διεργασίες μετά την εμφάνιση Έλεγχος Εγχάραξη Αφαίρεση ρητίνης ή Lift-Off Τελικός έλεγχος Η λιθογραφία και οι θερμικές διεργασίες απαρτίζουν το ένα τρίτο του κόστους της κατασκευής ΟΚ * Μερικές διεργασίες χρειάζονται θερμική διεργασία μετά την έκθεση

9 Λιθογραφικές Διεργασίες Καθαρισμός Priming Επίστρωση ΦΠ Θερμικές διεργασίες πριν την έκθεση Απομάκρυνση ΦΠ Θερμικές διεργασίες μετά την έκθεση Έκθεση Ευθυγράμμιση Εμφάνιση Θερμικές διεργασίες μετά την εμφάνιση Έλεγχος Απόρριψη ΟΚ! Εγχάραξη Εμφύτευση ιόντων

10 Καθαρισμός Αφαίρεση ουσιών (π.χ. λίπη, φυσικό οξείδιο) Αφαίρεση αιωρούμενων σωματιδίων Μείωση μικροοπών και άλλων ατελειών Βελτίωση της πρόσφυσης του φωτοπολυμερούς Κύρια βήματα Χημικός καθαρισμός Ξέπλυμα Στέγνωμα

11 Καθαρισμός Αφαίρεση του φυσικού οξειδίου HF Απλός καθαρισμό με διαλύτες : 1.Ακετόνη / ισοπροπανόλη + θέρμανση 2.Υπεροξείδιο του υδρογόνου + θειικό οξύ 1:1 (πιράνχα) Καθαρό δισκίο πυριτίου: ακόμα και ένα σωματίδιο μεγέθους 1/5 της μικρότερης δομής ενός στοιχείου του κυκλώματος μπορεί να έχει καταστροφικά αποτελέσματα στη λειτουργία του κυκλώματος

12 Καθαρισμός Αφαίρεση λίπους: 2-5 min σε ακετόνη σε λουτρό υπερήχων 2-5 min σε μεθανόλη σε λουτρό υπερήχων 2-5 min σε απιονισμένο νερό σε λουτρό υπερήχων 30 sec σε ροή απιονισμένου νερού στέγνωμα σε ροή Ν 2 ή σε περιστροφικό επιστρωτή Για δύσκολα λίπη: Αρχικά 2-5 min σε 1,1,1-τριχλωροαιθάνιο (TCA) ή τριχλωροαιθυλένιο (TCE) σε λουτρό υπερήχων πριν την εμβάπτιση στην ακετόνη

13 Priming Αφυδάτωση σε φούρνο σε θερμοκρασία ~ C για ~ 30min ( Primer Hexamethyldisilazane (HMDS) Με ατμούς σε φούρνο C για 30-60s Spin-coating Εμβάπτιση HMDS Prof. M. Madou, class notes, UC Irvine

14 Priming Σχηματική αναπαράσταση της πρόσφυσης της ρητίνης σε ένα ενυδατωμένο δισκίο. Χημεία του HMDS (hexamethyldisilazane), το οποίο δρα ως μέσο πρόσφυσης για τα φωτοπολυμερή. W.M. Moreau, Semiconductor Lithography, Plenum Press, 1998

15 Priming

16 Επίστρωση Το δισκίο συγκρατείται με κενό σε περιστροφικό επιστρωτή. Ρίπτεται φωτοπολυμερές στο κέντρο του δισκίου Αργή περιστροφή~ 500 rpm Αύξηση σε ~ rpm Edge bead removal Η ποιότητα εξαρτάται από: χρόνος ταχύτητα πάχος ομοιομορφία σωματίδια και ελαττώματα Αντλία κενού Διανεμητής φωτοπολυμερούς Περιστροφέας με κενό Άξονας περιστροφής Prof. M. Madou, class notes, UC Irvine

17 Επίστρωση Το πάχος της ρητίνης εξαρτάται από: Ταχύτητα περιστροφής Συγκέντρωση του διαλύματος Μοριακό βάρος (από το εσωτερικό ιξώδες) Το K είναι μία σταθερά βαθμονόμησης, C συγκέντρωση πολυμερούς σε grams ανά 100 ml διαλύματος, h το εσωτερικό ιξώδες, και w στροφές ανά λεπτό (rpm) Μόλις προσδιοριστούν οι εκθέτες(a, b και g) η εξίσωση μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την πρόβλεψη του πάχους του υμενίου από διαλύματα διαφορετικών συγκεντρώσεων, διαφορετικά μοριακά βάρη πολυμερούς και διάφορες ταχύτητες επιστρώσεων για ένα προκαθορισμένο σύστημα πολυμερούς/διαλύτη Εμπειρική εξίσωση

18 Επίστρωση Η ομοιομορφία του υμενίου (και από υμένιο σε υμένιο) πρέπει να είναι της τάξης του ± 0.3% (δηλαδή ένα υμένιο 1,5μm να έχει απόκλιση το πολύ ± 5nm) Η ρίψη μεγάλης ποσότητας φωτοπολυμερούς έχει ως αποτέλεσμα το υμένιο να είναι παχύτερο στις άκρες, να έχει αυλακώσεις, αυξάνοντας τα ελαττώματα στην τελική δομή Η ρίψη μικρότερης ποσότητας έχει ως αποτέλεσμα την μη κάλυψη ολόκληρου του δισκίου με φωτοπολυμερικό υλικό Στα Ο.Κ. χρησιμοποιούνται συνήθως υμένια πάχους 0,5 2,0 μm (πάχος μετά το soft bake) Για μικρογραφίες 3D δομών χρησιμοποιούνται πολύ παχύτερα υμένια (μέχρι και 1 cm) τα οποία συχνά κατασκευάζονται με άλλες μεθόδους (π.χ. έτοιμα φύλλα πολυμερούς, πολυμερισμός στην επιφάνεια του υποστρώματος κ.α.)

19 Photoresist Spin Coater Wafer PR EBR Water Sleeve Drain Exhaust Chuck Vacuum Presentation on Photolithography by Dersun Lee

20 Photoresist Applying PR dispenser nozzle Wafer Spindle Chuck To vacuum pump Presentation on Photolithography by Dersun Lee

21 Photoresist Suck Back PR suck back PR dispenser nozzle Wafer Spindle Chuck To vacuum pump Presentation on Photolithography by Dersun Lee

22 Photoresist Spin Coating PR suck back PR dispenser nozzle Wafer Spindle Chuck To vacuum pump Presentation on Photolithography by Dersun Lee

31 Αφαίρεση του Edge Bead Solvent Wafer Spindle Chuck To vacuum pump Presentation on Photolithography by Dersun Lee

32 Αφαίρεση του Edge Bead Solvent Wafer Spindle Chuck To vacuum pump Presentation on Photolithography by Dersun Lee

33 Αφαίρεση του Edge Bead Light source Light beam Photoresist Wafer Exposed Photoresist Spindle Chuck Presentation on Photolithography by Dersun Lee

34 Επίστρωση

35 Θερμικές διεργασίες πριν την έκθεση (Soft Bake ή PAB) Μερική εξάτμιση του διαλύτη Βελτιώνει την πρόσφυση Βελτιώνει την ομοιομορφία Βελτιώνει την αντοχή στην εγχάραξη Βελτιώνει τον έλεγχο της δομής Βελτιώνει την διακριτική ικανότητα του φωτοπολυμερικού υμενίου Prof. M. Madou, class notes, UC Irvine

36 Θερμικές διεργασίες πριν την έκθεση Τ πολυμερισμό / αποικοδόμηση του πολυμερικού υμενίου / δημιουργία ραγισμάτων λόγω μηχανικών τάσεων Τ μείωση της διακριτικής ικανότητας του υμενίου λόγω του εναπομείναντος διαλύτη / μείωση του T g του υμενίου / διόγκωση του αρνητικού τόνου υλικού κατά την εμφάνιση Μικροκύματα Μεταφορά θερμότητας (θερμός αέρας) Αγωγή της θερμότητας (θερμαινόμενη πλάκα)

37 Θερμικές διεργασίες πριν την έκθεση Μηχανισμοί των διαφορετικών φυσικών διεργασιών που συμβαίνουν τα πρώτα 10s της θέρμανσης του φωτοπολυμερούς (a) Αύξηση της θερμοκρασίας του δισκίου, (b) Εξάτμιση διαλύτη, (c) Διάχυση του διαλύτη (d) Μεταβολή του πάχους του υμενίου Συνήθης θερμική διεργασία πριν από την έκθεση: ⁰C για 60s σε θερμαινόμενη πλάκα με κενό Σημείο βρασμού διαλυτών 140 ⁰C U. Okoroanyanwu, Chemistry and lithography, SPIE press, Wiley, 2010

38 Ευθυγράμμιση και Έκθεση Αποτυπώνει το σχήμα της μάσκας στο φωτοπολυμερικό υμένιο Ενεργοποιεί τα φωτοευαίσθητα στοιχεία του υμενίου Η ποιότητα εξαρτάται από : Διακριτική ικανότητα Ακρίβεια επικάλυψης Σωματίδια και ελαττώματα Πηγή έκθεσης Υμένιο l Μάσκα Prof. M. Madou, class notes, UC Irvine

39 Πηγές έκθεσης Λυχνίες εκκένωσης Hg ή Hg-Xe Φάσμα εκπομπής της λυχνίας εκκένωσης Hg-Xe Excimer lasers (Μονοχρωματική ακτινοβολία) laser XeCl : Cl 2 2Cl, Xe Xe* Xe*+Cl (XeCl)* Xe+Cl+hv Excimer = excited dimer Excimer λ (nm) XeF 351 XeCl 308 KrF 248 KrCl nm (G-line) 405 nm (H-line) 365 nm (I-line) ArF 193 F 2 157

40 Μήκος κύματος έκθεσης υπεριώδες ( nm)(UV) βαθύ υπεριώδες (248,193,157nm) (DUV) ακραίο υπεριώδες (0,2-100nm) (EUV ή soft X-ray) ακτίνες Χ (3-0.03nm) (X-ray) Ακτίνες-Χ, πηγή το σύχροτρον Extreme UV (13nm) Πηγή: Θερμό πλάσμα που παράγεται από λέιζερ ή από παλμούς εκκένωσης

41 Συστήματα εκτύπωσης Επαφής Γειτνίασης Προβολής Πηγή έκθεσης Οπτικό σύστημα Μάσκα Φωτοπολυμερές κενό Δισκίο πυριτίου α) αντιγραφή μέσω φυσικής επαφής της μάσκας με το φωτοπολυμερικό υμένιο (contact mode photolithography) β) με εκτύπωση μέσω γειτνίασης (proximity printing) γ)με προβολή της δομής της μάσκας, συνήθως με μία μείωση των δομών, (πέντε φορές ως επί το πλείστον) στο φωτοπολυμερές μέσω ενός οπτικού συστήματος (projection mode photolithography)

42 Ευθυγραμμιστής μασκών (επαφής)

43 Stepper (step and repeat, προβολής) CNF, Cornell University

44 Ευθυγράμμιση μάσκας-δισκίου CNF notes, Cornell University

45 Ηλεκτρομαγνητική Ακτινοβολία

46 Ηλεκτρομαγνητικά κύματα Ένα ηλεκτρικό πεδίο που μεταβάλλεται ως προς τον χρόνο παράγει μαγνητικό πεδίο Ένα μαγνητικό πεδίο που μεταβάλλεται ως προς τον χρόνο παράγει ηλεκτρικό πεδίο Στο κενό διαδίδονται με την ταχύτητα του φωτός: km/s Δημιουργούνται από επιταχυνόμενα ηλεκτρικά φορτία Ταλαντούμενα ηλεκτρικά και μαγνητικά πεδία, τα οποία είναι κάθετα μεταξύ τους και, ταυτοχρόνως, κάθετα προς την κατεύθυνση διάδοσης της κυματικής διαταραχής Μεταφέρουν ενέργεια, στροφορμή και ορμή c = f λ c: ταχύτητα του φωτός f: συχνότητα λ: μήκος κύματος

47 Φως Αποτελείται από φωτόνια. Ενέργεια φωτονίου: E = h f h= 6,63 x Js σταθερά του Plank Διττή υπόσταση: κύμα και σωματίδιο Διαδίδεται ευθύγραμμα και αν προσπέσει σε εμπόδιο, διάφραγμα με κυκλική οπή διαμέτρου d όπου λ<<d συνεχίζει την ευθύγραμμη πορεία του και είμαστε στα όρια της Γεωμετρικής Οπτικής (το φως το θεωρούμε ως κύμα). Όταν λ d δεν είναι πλέον ευθύγραμμη η διάδοση του φωτός και εισερχόμαστε στην Κυματική Οπτική

48 Γεωμετρική Οπτική ο λόγος της ταχύτητας διάδοσης του φωτός "κενό" c προς την ταχύτητα διάδοσης στο υπό εξέταση διαπερατό μεσο u. Iσχύει δηλαδή Ανάκλαση Διάθλαση Ανάκλαση από επίπεδο κάτοπτρο: Η γωνία πρόσπτωσης είναι ίση με την γωνία ανάκλασης (θ = θ ) Διάθλαση του φωτός στην επιφάνεια μεταξύ δύο μέσων διαφορετικών δεικτών διάθλασης, με n 2 > n 1. Η ταχύτητα είναι μικρότερη στο δεύτερο μέσο (u 2 < u 1 ), οπότε και η γωνία διάθλασης θ 2 είναι μικρότερη από τη γωνία πρόσπτωσης θ 1

49 Κυματική Οπτική Συμβολή φωτός Για στάσιμη συμβολή πρέπει: 1. Οι πηγές να είναι σύμφωνες (σταθερή διαφορά φάσης μεταξύ τους) 2. Οι πηγές να είναι μονοχρωματικές d L Για d<<λ η οπή παίζει το ρόλο της Σημειακής πηγής Ενισχυτική συμβολή: d sinθ = m λ (m= 0, ±1, ±2, ) Καταστρεπτική συμβολή: d sinθ = (m+1/2) λ (m= 0, ±1, ±2, ) Για L>>d

50 Περίθλαση Η απόκλιση του φωτός από την αρχικά ευθύγραμμη πορεία του όταν συναντά ένα εμπόδιο ή οπή με διαστάσεις της ίδιας τάξης μεγέθους προς το μήκος κύματος του διαδιδόμενου κύματος. Δύο κατηγορίες περίθλασης: Περίθλαση Fraunhofer και περίθλαση Fresnel.

51 Περίθλαση

52 Περίθλαση Fraunhofer Οι ακτίνες που προσπίπτουν καθώς και οι ακτίνες που φτάνουν στο σημείο παρατήρησης είναι σχεδόν παράλληλες. Η οθόνη παρατήρησης βρίσκεται μακριά από την σχισμή. Κάθε περιοχή της σχισμής είναι μια πηγή δευτερογενούς κυμάτων. Το φως που εκπέμπει μια περιοχή της σχισμής θα συμβάλλει με το φως που εκπέμπει μία άλλη περιοχή της σχισμής.

53 Διακριτική Ικανότητα Κριτήριο του Rayleigh: Δύο είδωλα μόλις που διακρίνονται όταν το κεντρικό μέγιστο του ενός πέφτει πάνω στο πρώτο ελάχιστο του άλλου. l πρώτο ελάχιστο sin, α: εύρος της σχισμής. Για λ<<α, sinθ θ a m l a l Ορθογώνια σχισμή m 1, 22 Κυκλική οπή D θm σε rad

54 Διακριτική ικανότητα του οφθαλμού Υπολογίστε την οριακή γωνία διάκρισης του οφθαλμού υποθέτοντας ότι η κόρη του έχει διάμετρο 2mm, ότι χρησιμοποιούμε φως μήκους κύματος λ=500nm στον αέρα και ότι ο δείκτης διάθλασης του οφθαλμού είναι 1,33. l nm 500 / 1,33 376nm m m l 3,76x10 m D 2x10 m 7 1,22 4 1,22 2,29x10 rad d L 4 3 d L m d 25cm x 2,29x10 rad 5,73x10 cm

55 Περίθλαση Fresnel

56 Διαφορά Fresnel/Fraunhofer 0,5 x 0,5mm 0,5mm 2 x 2mm Fresnel Fraunhofer

57 Fresnel Fraunhofer 2mm 0,5 x 0,5 mm Απόσταση σχισμής/ παρατήρησης 100mm 2 τετράγωνα 5 τετράγωνα 10 τετράγωνα 1000 mm

58 Αριθμός Fresnel Fresnel number F 2 a b l α: μέγεθος της οπής b: απόσταση οπής/οθόνης παρατήρησης λ: μήκος κύματος φωτός Για F <<1 περίθλαση Frauhofer Για F 1 περίθλαση Fresnel Έστω ότι κάνουμε έκθεση σε λ=365nm, με μάσκα με σχισμή 1μm σε α) ευθυγραμμιστή μασκών (b=1μm) (επαφή) β) γειτνίαση (b=3μm) και β) σε stepper (b=1m)(προβολή). Τι κατηγορία περίθλασης έχουμε στην κάθε περίπτωση; α) F a 10 m b l 10 x 365 x 10 m 2.7 Περίθλαση Fresnel β) F a 10 m 1.4 b x l 10 x 365 x 10 m Περίθλαση Fresnel γ) F a 10 m 2,7x bl 1x365x10 m 6 Περίθλαση Frauhofer

59 Διακριτική ικανότητα οπτικής λιθογραφίας Νόμος του Rayleigh R k 1 NA l λ: το μήκος κύματος της ακτινοβολίας έκθεσης k 1 : μία παράμετρος που εξαρτάται από τη διαδικασία αποτύπωσης και τις ιδιότητες των υλικών που τυχόν χρησιμοποιούνται σε αυτήν, με τιμές μεταξύ (συντελεστής λιθογραφίας) ΝΑ: το αριθμητικό άνοιγμα του αντικειμενικού φακού ΝΑ=n sinθ n : δείκτης διάθλασης του μέσου Για τον αέρα n=1, οπότε sinθ (D/2)/f = D/2f ΝΑ=D/2f

60 Διακριτική ικανότητα οπτικής λιθογραφίας λ: Μήκος κύματος ακτινοβολίας ΝΑ: Άνοιγμα φακού (τεχνική έκθεσης) Κ1 : Συντελεστής λιθογραφίας CD=38.6 nm Θεωρητικά όρια ΚΡΙΣΙΜΗ ΔΙΑΣΤΑΣΗ CD=21.4 nm λ = 193nm NA = 1.35 (immersion) K 1 = 0.27 K 1 = 0.15 (double exposure) Μείωση κρίσιμης διάστασης Μείωση μήκους κύματος (193) 436 nm-365 nm-248 nm-193 nm- 157 nm - EUV Υψηλό κόστος μεταφοράς της τεχνολογίας έκθεσης στο EUV (13,4 nm) Αύξηση ΝΑ (1,35) Έκθεση μέσα από νερό (αύξηση του ΝΑ από 0,6 σε 1,35) Μικρή περαιτέρω αύξηση λόγω αδυναμίας επιλογής διαλύτη υψηλού δείκτη διάθλασης και μικρής απορρόφησης στα 193 nm

61 Βάθος της εστίασης DOF k 2 l NA 2 για μικρές γωνίες θ k 2 : μία παράμετρος που εξαρτάται από την διαδικασία με τιμές μεταξύ 0,5-1,0. Το τετράγωνο του αριθμητικού ανοίγματος είναι ένα μέτρο της δυνατότητας του φακού συγκέντρωσης του φωτός.

62 Περίθλαση Fresnel (επαφή) 2 bmin = 3 [ λ ( s d ) ] 1/2 2 bmin = περίοδος s = απόσταση μάσκας/ επιφάνειας ρητίνης d = πάχος ρητίνης λ = μήκος κύματος έκθεσης Για s = 0, τότε: 2 bmin = 3 [ λ d / 2 ] 1/2 λ = 405 nm λ= 220 nm d = 1.0 μm 0.68 μm 0.50 μm d = 0.5 μm 0.48 μm 0.35 μm

63 Πλεονεκτήματα-Μειονεκτήματα Επαφής Μικρά μήκη κύματος, Λεπτά υμένια ρητίνης και Τέλεια επαφή Πλεονεκτήματα 1. Μεταφορά σχεδίου 1:1 2. Δεν υπεισέρχονται προβλήματα εστίασης της δέσμης 3. Υποστρώματα που δεν είναι τελείως επίπεδα 4. Λιθογραφία μεγάλης διακριτικής ικανότητας 5. Είναι απλή στη χρήση Μειονεκτήματα 1. Είναι δύσκολο να επιτευχθεί καλή επαφή 2. Μικροσωματιδία που υπάρχουν εισάγουν ατέλειες 3. Μικρές δομές (< 2 μm) απαιτούν μάσκες που έχουν κατασκευαστεί σε e- beam 4. Η ευθυγράμμιση είναι χρονοβόρα και όχι μεγάλης ακρίβειας

64 Γειτνίαση Σε αυτή τη μέθοδο η μάσκα έρχεται πολύ κοντά στο δισκίο (περίπου 10μm) χωρίς όμως να την ακουμπάει 2 bmin ~ 3 [ λs ] 1/2 Για πάχος ρητίνης αμελητέο μπροστά στο διάκενο μεταξύ μάσκας ρητίνης Αν το διάκενο s = 10 μm, και λ= 405 nm, bmin = 3.0 μm. Για λ= 220 nm, το bmin βελτιώνεται μόνο κατά 2.2 μm. H μεταφορά του σχήματος της μάσκας στη ρητίνη συναρτήσει του μεταξύ τους διακένου, από s = 0 μέχρι s = 15 μm W.M. Moreau, Semiconductor Lithography, Plenum Press, 1998

65 Πλεονεκτήματα-Μειονεκτήματα Γειτνίασης Πλεονεκτήματα 1. Αποφυγή της καταπόνησης της μάσκας 2. Αποφυγή μικροσωματιδίων που εισάγουν ατέλειες 3. Υποστρώματα που δεν είναι τελείως επίπεδα 4. Είναι απλή στη χρήση Μειονεκτήματα 1. Μείωση της διακριτικής ικανότητας

66 Λιθογραφία Προβολής W.M. Moreau, Semiconductor Lithography, Plenum Press, 1998

67 Περίθλαση Fraunhofer Ένα επίπεδο κύμα που προσπίπτει σε ένα πλέγμα περιόδου d (φράγμα περίθλασης), οι γωνίες θ στις οποίες η ένταση του φωτός παρουσιάζει μέγιστο δίνονται από την εξίσωση sin θ = N λ/d όπου N = 0, 1, 2,... καθώς η περίοδος d μικραίνει (λ/d μεγαλώνει), το Ν μικραίνει (δηλαδή λιγότεροι κροσσοί περίθλασης). Διάγραμμα της έντασης προς το ημθ για διαφορετικό αριθμό σχισμών W.M. Moreau, Semiconductor Lithography, Plenum Press, 1998

68 Πλεονεκτήματα-Μειονεκτήματα Προβολής Πλεονεκτήματα 1. Σμίκρυνση του σχεδίου (5:1 ή και 10:1) 2. Αποφυγή μικροσωματιδίων που εισάγουν ατέλειες 3. Λιθογραφία μεγάλης διακριτικής ικανότητας 4. Δεν καταστρέφονται οι μάσκες 5. Καλή ευθυγράμμιση 6. Προηγμένα συστήματα έκθεσης (αυτοματοποιημένα) Μειονεκτήματα 1. Εστίαση πολύ σημαντική 2. Μόνο επίπεδα υποστρώματα

69 Διακριτική ικανότητα / Βάθος εστίασης Νόμος του Rayleigh Βάθος της εστίασης Μείωση του k 1 Μείωση του λ Μειώνεται καθώς το λ R k 1 NA l DOF k 2 l NA 2 Αύξηση του NA Μειώνεται καθώς το ΝΑ

70 W.M. Moreau, Semiconductor Lithography, Plenum Press, 1998 Θερμικές διεργασίες μετά την έκθεση Στα χημικώς ενισχυμένα υλικά, πριν την εμφάνιση του φωτοπολυμερούς γίνεται ακόμα μία θερμική διεργασία, η θέρμανση μετά την έκθεση (Post Exposure Bake, PEB) για την ολοκλήρωση των επιθυμητών χημικών αντιδράσεων / μείωση των στάσιμων κυμάτων.

71 Εμφάνιση Οι διαλυτές περιοχές του φωτοπολυμερούς απομακρύνονται με την βοήθεια υγρού εμφανιστή. Οι δομές εμφανίζονται στο δισκίο παράθυρα νησιά Η ποιότητα εξαρτάται από : Διακριτική ικανότητα Ομοιομορφία Σωματίδια και ελαττώματα Διανεμητής εμφανιστή Περιστροφέας με κενό Άξονας περιστροφής Prof. M. Madou, class notes, UC Irvine

72 Θερμικές διεργασίες μετά την εμφάνιση (hard bake) Απομάκρυνση διαλύτη / σκλήρυνση του πολυμερούς Καλύτερη συνοχή φωτοπολυμερούς υποστρώματος Μεγαλύτερη αντοχή στην εγχάραξη Θερμοχημικές αντιδράσεις του πλαστικοποιητή (αν υπάρχει) Σε μεγαλύτερη θερμοκρασία από το soft bake Prof. M. Madou, class notes, UC Irvine

73 Έλεγχος Οπτική ή SEM μετρολογία Η ποιότητα εξαρτάται από: σωματίδια ελαττώματα Κρίσιμες διαστάσεις Διακριτική ικανότητα Ακρίβεια επικάλυψης Prof. M. Madou, class notes, UC Irvine

74 Εγχάραξη με πλάσμα ή προσθήκη υλικού Μεταφορά του σχήματος από το υμένιο στο άνω στρώμα του δισκίου: Αφαιρετικό Δύο βασικές μέθοδοι: Υγρή εγχάραξη (με οξέα) Εγχάραξη πλάσματος Η ποιότητα εξαρτάται από: Σωματίδια και ελαττώματα επιλεκτικότητα Κρίσιμες διαστάσεις Προσθήκη υλικού (προσθετικό) Δύο βασικές μέθοδοι: Sputtering εξάτμιση CF 4 Πλάσμα Prof. M. Madou, class notes, UC Irvine

75 Εγχάραξη Μεταφορά του σχήματος από το φωτοπολυμερικό υμένιο στο αγώγιμο, ημιαγώγιμο ή μονωτικό υμένιο 1. Υγρά μέσα (συνήθως ισχυρά οξέα, όπως ΗF ή H 3 PO 4 ) 2. Πλάσμα (ιοντισμένο αέριο το οποίο δημιουργείται με ηλεκτρική εκκένωση πλάσματος)

76 Εγχάραξη με πλάσμα ή προσθήκη υλικού

77 Αφαίρεση ρητίνης Το φωτοπολυμερές δεν χρειάζεται μετά την εγχάραξη Δύο βασικές μέθοδοι: Υγρή απομάκρυνση με διαλύτες Απομάκρυνση με εγχάραξη Στη συνέχεια γίνεται υγρός καθαρισμός του δισκίου για την απομάκρυνση υποπροϊόντων O 2 Πλάσμα Prof. M. Madou, class notes, UC Irvine

78 Αφαίρεση ρητίνης Απομάκρυνση με διαλύτες (Lift-off): Πρώτα γίνεται η λιθογραφία, μετά η επιμετάλλωση και τέλος η απομάκρυνση του φωτοπολυμερούς Απομάκρυνση με πλάσμα:

79 Επιμετάλλωση α γ β Επιμετάλλωση α) Συνήθης πλάγια κλίση δομής θετικής ρητίνης β) κατά την επιμετάλλωση το μέταλλο δημιουργεί ένα ενιαίο υμένιο γ) η σωστή πλάγια κλίση της ρητίνης για επιμετάλλωση (επιτυγχάνεται με την αλλαγή του τόνου της ρητίνης)

80 Τελικός έλεγχος Το φωτοπολυμερές απομακρύνθηκε Η δομή στο δισκίο είναι ίδια (ή αντίστροφη) της μάσκας Η ποιότητα εξαρτάται από: σωματίδια ελαττώματα Κρίσιμες διαστάσεις Prof. M. Madou, class notes, UC Irvine

81 Λιθογραφικές Μάσκες Αποτελείται από γυαλί ή χαλαζία (για λ<300nm) όπου η μια πλευρά είναι επιστρωμένη συνήθως με χρώμιο. Με τη βοήθεια δέσμης ηλεκτρονίων ή λέιζερ, η επιθυμητή γεωμετρία της δομής αποτυπώνεται στη μάσκα. Hoya Product Literature

82 Υλικά για μάσκες

83 Δυαδική Μάσκα (binary mask) Αποτελείται από χαλαζία και χρώμιο και είναι η πιο ευρέως χρησιμοποιούμενη μάσκα

84 Μάσκες Ολίσθησης Φάσης (phase-shift masks)

85 Μάσκες Διόρθωσης Οπτικής Γειτνίασης Κατασκευάζεται μάσκα με τέτοιο σχέδιο, ώστε λόγω της περίθλασης να αποτυπωθεί τελικά το επιθυμητό σχήμα

86 Κατασκευή Μάσκας 1. Σχεδίαση μάσκας στον Υπολογιστή 2. Μεταφορά του σχεδίου στο κατάλληλο όργανο (λέιζερ ή e-beam) 3. Επιλογή τόνου μάσκας 4. Έκθεση μάσκας 5. Εμφάνιση 6. Εγχάραξη χρωμίου IMEL Σχέδιο στον υπολογιστή IMEL IMEL Μάσκα θετικού τόνου (dark field) Μάσκα αρνητικού τόνου (clear field)

87 Τόνος Μάσκας IMEL Μάσκα αρνητικού τόνου IMEL Μάσκα θετικού τόνου IMEL IMEL IMEL IMEL Ρητίνη θετικού τόνου Ρητίνη αρνητικού τόνου Ρητίνη θετικού τόνου Ρητίνη αρνητικού τόνου