Nano Lithography. Danny Porath 2007

Nano Lithography Danny Porath 2007

Lithography Lithography is a method for printing on a smooth surface. Invented by Bavarian author Alois Senefelder in 1796. It can be used to print text or artwork onto paper or another suitable material. It can also refer to photolithography, a microfabrication technique used to make integrated circuits and microelectromechanical systems. Lithography stone and mirror-image print of a map of Munich

Lithography Examples

Lithography The print principle Lithography is a printing process that uses chemical processes to create an image. For instance, the positive part of an image would be a hydrophobic chemical, while the negative image would be water. Thus, when the plate is introduced to a compatible ink and water mixture, the ink will adhere to the positive image and the water will clean the negative image. Lithography press for printing maps in Munich

With the help of. 1. Yosi Shacam TAU 2. Yossi Rosenwacks TAU 3. Delft people and site 4.

Outline SEM/TEM: 1. Examples, links and homework 2. Cleanroom 3. Photolithography

Internet Sites Handbook of Microlithography, micromachining and microfabrication, Editor P. Rai-Choudhury. http://www.cnf.cornell.edu/spiebook/toc.htm http://dsa.dimes.tudelft.nl/ http://www.dimes.tudelft.nl/ http://www.dimes.tudelft.nl/2001/report.pdf http://www.eng.tau.ac.il/~yosish/courses.html http://www.jcnabity.com/ http://www.ece.gatech.edu/research/labs/vc/theory/photolith.html http://www.ece.gatech.edu/research/labs/vc/ http://www.ee.washington.edu/research/microtech/cam/processes/pdf%20files/photolithography.pdf...

1. Read the paper: Homework 3 Scanning Gate Spectroscopy on Nanoclusters Gurevich et. al., Applied Physics Letters 76, 384 (2000). - Emphasize the lithography part. 2. Read the paper: Direct Patterning of modified oligonucleotides on metals and insulators by dip pen lithography Demers et. al., Science 283, 662 (1999). - Emphasize the lithography part.

First Transistor and First Integrated Circuit John Bardeen, William Shockley and Walter Brattain invented the transistor in 1947. This transistor was a pointcontact transistor made out of Germanium (not Silicon which is widely used today). The idea of an integrated circuit was conceived at the same time by Jack kilby of Texas Instruments and Robert Noyce of Fairchild semiconductor.

Examples (DIMES (DIMES- DELFT)

Transistors Interconnects (Intel, 130 nm technology)

Cleenroom

Cleanroom Class Ratings ( ULSI Technology, Chang & Sze)

Types of Cleanrooms ( ULSI Technology, Chang & Sze)

DIMES Basement

Clean Air Production

Vertical and Horizontal Laminar Benches

Gowning in The Cleanroom Gowning Class 10,000 Gowning Class 100

Characteristics of Cleanrooms

Clean Entrance

DIMES Facilities Class 100 Lab

DIMES Facilities Class 10,000 Lab Base Processes 20-nm E-Beam Lithography Near/Deep-UV Optical Lithography Various special dry-etch tools Metal Sputter Deposition Metal Evaporation Furnace and RTO Processes SEM, FIB, STM, MFM

Chemical Storage

Organic Clean Bench

Inorganic Clean Bench

Inspection Area

Alignment Microscopes

Mask Aligners Carl Susz DUV contact printer DUV contact printer Carl Susz NUV contact printer

Leica EBPG 5

Terminal Room

Etching Systems

Mask Plasma Stripper

Deposition Area

Hitachi SEM

Philips SEM

Focused Ion Beam (FIB)

Atomic Force Microscope (AFM)

DIMES Facilities Special Applications Lab Post-Process Labs MEMS and RF/MEMS Wafer-Scale Packaging Laser annealing Amorphous silicon Other special processes

תוכן עקרונות בסיסיים פרמטרים מאפיינים - עומק מוקד, חשיפה, רזולוציה, קונטרסט ועוד טכניקות מדידה - מה מודדים ואיך עקרונות בקרת תהליך הליתוגרפיה נושאים חדשים בליתוגרפיה עבור ULSI

ליתוגרפיה אופטית - עקרונו ת בסיסיים תאור הדמות ) Image (Aerial תהליך החשיפה תהליך הפיתוח בקרת רוחב קו, בקרת ממד קריטי

ליתוגרפיה כתהליך העברת מידע תכנון מסכה דמות אופטית דמות סמויה בחומר הצילום פיתוח הדמות העתקת הדמות למעגל המשולב

מערכת החשיפה מאירים א ת המסכה מצ ידה 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 תכנון מסכ ה דמות אופטית דמות סמויה בחומר הצילום פיתוח הדמות העתקת הדמות למעגל המשולב

תהליך העברת התמונה אל הרזיסט http://www.ece.gatech.edu/research/labs/vc/processes/process-steps.html

מערכת החשיפה מאירים א ת המסכה מצ ידה 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

מה קובע את איכות הליתוגרפיה? איכות הפוטורזיסט לאחר החשיפה בקרת רוחב קו, פרופיל הרזיסט, רזולוציה, חלון התהליך רגיסטרציה תאימות לתהליך התנגדות לאיכול, יציבות תרמית, אדהזיה, תאימות כימית, היכולת להורדה ייצוריות מחיר, בטיחות, פגמים, יציבות, זמן חיי מדף.

יצירת הדמות - דוגמה הארה קוהרנטית מסכת קוורץ עם שכבת כרום ועליה פסים עם מרחק P מחזור θn חוק בראג: p sin(θ n )= nλ

קונטרסט הדמות Intensity, I 1 I max I min 0 Image contrast = I I max max - I + I min min

מישור המוקד העדשה עדשה בקוטר D ומרחק f מהמסכה מסכה NA= nsin( α) D 2 f

הטלת דמות בע זרת עדשה דקה

מה קובע את הרזולוציה? הרזולוציה יחסית לאורך הגל, λ ככל שה- NA עולה - העדשה אוספת יותר מידע והרזולוציה משתפרת. f/#=f/d NA=n sin(a) = 1/(2 f/#) Re solution= k 1 λ NA

רזולוציה הגדרות פרקטיות הדמות הקט נה ב יותר ש י ש ל ה משמ עות עומק מוקד י יצורית. תחום ה ס ט יי ה ממש טח ה מוקד הא יד י אלי, ש יתן את הרזולוצ י ה הדרו שה.

רזולוציה של MASK ALIGNER 2b = 3 λ( s+ 0.5d ) l = exposure wavelength d = resist thickness 2b = minimum pitch of line-space pattern s = spacing between the mask and the resist

אפיון מכשיר החשיפה - ה- Stepper נתוני בחירה -,NA דרגת הקוהרנטיות σ, אורך הגל λ. תאור המסכה - רוחב הקו, המחזור. כמות הסטייה האפשרית מהמו קד המצטב רת בתהליך החשיפה. הנחה בסיסית - הדמות הטובה ביותר תיתן את תהליך הליתוגרפיה הטוב ביותר.

צילום ישיר ע י MASK ALIGNER

מסכות איכות החשיפה תלויה במערכות החשיפה אך גם במידע על המסכה.

התמונה הסמויה הדמות האופטית פועלת על שכבה דקה של חומר רגיש לאור - פוטורזיסט החומר מכיל תרכובת פעילה הקרויה: PAC - Photo Active Compound - ריכוז ה- PAC מסומן כ - m וזו התמונה הסמויה מכפלת עוצמ ת ההארה (I) אנרגיית החשיפה. בזמן ההארה נותנת את m הנו פונקציה של אנרגיית החשיפה

השפעת ההארה על חומר הצילום E=hυ - הדמות האופטית פועלת על שכבה דקה של חומר רגיש לאור - פוטורזיסט ישנם שני סוגי פוטורזיסט: אור - שליל י - החומר נשאר ב אזור המואר - חיוב י - החו מר יורד באזור המואר

NEGATIVE PHOTORESIST חומר צילום שליל י - 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 PHOTORESIST חומר צילום שלילי - ההארה יוצרת סופר מולקולות מרובות ענפים המולקולות הגדולות יוצרות מבנה המאט את קצב חדירת הנוזל 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 חיובי הדמות האופטית פועלת על שכבה דקה של חומר רגיש לאור - פוטורזיסט חיובי החומר מכיל תרכובת פעילה הקרויה: PAC - Photo Active Compound ריכוז ה- PAC מסומן כ מכפלת עוצמת ההארה אנרגיית החשיפה. - m - (I) וזו התמונה הסמויה בזמן ההארה נותנת את m הנו פונקציה של אנרגיית החשיפה

הקונטרסט של הפוטורזיסט 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 E 0 שיפוע - γ עובי רזיסט מנורמל - אנרגית הסף להורדת הרזיסט 1 10 100, E אנרגית החשיפה 1000 [mj/cm 2 ]

הפיכת הדמות

איכול - העתקת הדמות רזיסט I II שכבה שכבה איכול אנאיזוטרופי רזיסט דו-שכבתי מתאים לנידוף מתכת ומונע מגע ישיר בין המתכת והרזיסט הנותר כך שקל לסלק את הרזיסט לאחר הנידוף off) (lift

סיכום ביניים תהליך יצירת תמונה חשיפה פיתוח סה כ התהליך פונקציה מאפיינת איכות הדמות האופטית איכות הדמות הסמויה צורת חומר הצילום מרווח החשיפה - Exposure latitude

Examples: Photolithography 193 nm excimer laser litho on a fully planar substrate

בקרת רוח ב הקו מה קובע את יכולת בקרת התהליך? הש ג יאות ה אקראיות בת הל יך ה י יצור תגובת הת ה ליך לשג יאו ת הללו

הגדרת מרווח החשיפה E E no min al 100% מרווח החשיפה = E E(CD -10%) - E(CD+ 10%) רוחב הקו CD +10% CD CD-10% Nominal linewidth E(CD+10%) E(CD) E(CD-10%) אנרגית החשיפה

השפעת המצע המצע מחזיר חלק מהאור ויוצר תבני ת גלים עומדים עם החזרות ללא הח זרות

פתרון לבעיית הגלים העומדים הכנסת שכבה לא מחזירה ARC - Anti Reflective Coating דוגמה: הוספת שכבת טיטניום-ניטריד TiN) ( מעל שכבת אלומיניום. הוספת צבע בולע לרזיסט (פתרון מוגבל)

דרישות מהפוטורזיסט רוחב קו - נומינלי ± 10% זווית צד < 80 אובדן רזיסט > 10%

מציאת עומק מוקד אידאלי רוחב קו CD E עולה מיקום המוקד

עומק מוקד עומק המוקד ) DOF ( - תחום המוקד שנותן את פרופיל הרזיסט לפי הדרישות לרוחב קו נתון ועומד בדרישות של מרווח חשיפה נתון. DOF = λ k 2 NA 2

דוגמה: השגיאה במרחק המוקד שג יאות אקראיות 0.10 מיקרון 0.20 מיקרון 0.05 מיקרון 0.12 מיקרון 0.30 מיקרון 0.14 מיקרון 0.20 מיקרון 0.30 מיקרון 0.10 מיקרון 0.60 מיקרון חימום העדשה השפעת הסביבה הטית המסכה מישוריות המסכה מישוריות הפרוסה מישוריות המכשור הדירות המכשיר השגיאה בקביעת DOF רעידות סה כ

שגיאת המוקד הבנויה במערכת (BIFE) 0.6 מיקרון 0.5 מיקרון 0.4 מיקרון 0.1 מיקרון שגיאות אקראיות טופוגרפיה עקמומיות שדה ואסטיגמטיזם עובי הרזיסט 1.6 מיקרון סה כ ה שג י אה (BIFE)

קביעת חלון התהליך אנרגית החשיפה תחום ה- CD תחום אבדן רזיסט > % 10 מיקום המוקד חלון התהליך אנרגית החשיפה הנומינלית תחום זווית צד < 80 0

שיטות לשיפור חלון התהליך חשיפה במספר מרחקי מוקד המוקד למעלה פוטורזיסט המוקד למטה פוטורזיסט

הוספת חומר מגדיל קונטרסט CEL - Contrast Enhanced Lithography ה- CEM נע שה שקוף באזור המואר

הנדסת חזית הגל בקרת העוצמה והפאזה של גל האור ע יצוב המסכ ה הרזולוצי ה. - הו ספת אלמנט י ם ה קטני ם מ גבו ל OPC - Optical Phase Correction הוספת אלמנ ט י ם מס יח י פאזה PSM - Phase Shifting Masks האר ה מ יוחד ת - בזווית מסנני ם במ י שור הצמצם

תיקון פאזה אופטי (OPC) תיקון פינה Serif מסכה עם OPC מסכה רגילה הסחת פינה פנימה Pullback-

הסחת פאזה על המסכה ע י הוספת שכבות דקות דיאלקטריות שקופות שכבה מסיחת פאזה - Shifter φ=2π (n -1) d λ - מקדם השבירה של השכבה הדיאלקטר ית - עובי השכבה הדיאלקטר ית n d

הסחת הפאזה - משפרת את הקונטרסט האופטי E, mask הסחת פאזה של 180 E, Wafer I= E 2 - השדה החשמלי, - עוצמת ההארה I E

מדידות רוחב קו אפיון הליתוגרפיה מדידות אופטיות מדידות בעזרת SEM מדידות צורת הקו מדידות בעזרת SEM ו- FIB מדידות פרמטרי הרזיסט - A,B,C מדידות פרמטרי החשיפה

סיכום פוטוליתוגרפיה - תהליך העתקת המידע לפרוסה לתהליך טיפוסי יותר מ 14 מסכות. התהליך מוגבל דיפרקציה השימוש בחומר צילום לא-ליני ארי הבולע אור משפר את הרזולוציה תהליך הליתוגרפיה הנו קריטי להצלחת תהליך היצור