Технология литографических процессов


Раздел 4. Наноимпринтная литография



страница5/5
Дата11.02.2016
Размер4,58 Mb.
1   2   3   4   5
Раздел 4. Наноимпринтная литография
Наноимпринт-литография (НИЛ) предлагает необычную альтернативу для производства наноструктур. Этот метод был разработан около 15 лет назад и сегодня широко используется как академическими учёными, так и в исследовательских центрах компаний. В 2003 году Массачусетский технологический институт включил НИЛ в список десяти недавно появившихся технологий, которые в будущем способны изменить мир. Уже сегодня целый ряд компаний использует НИЛ в промышленном производстве.

Ключевые преимущества НИЛ-технологии – минимальный размер получаемых структур, высокие точность и воспроизводимость при переходе от пластины к пластине и повторяемость по всей их площади. Наиболее широко распространены три метода НИЛ – термоконтактная литография, УФ-наноимпринтная фотолитография и микроконтактная печать (рис.54). Все эти три метода могут быть использованы для получения элемента размером менее 100 нм.

Концепция наноимпринтинта очень проста и во многом напоминает классическую технику горячего тиснения полимеров. При термоконтактной литографии резист из термопластичного полимера наносится на плоскую поверхность подложки и нагревается выше его температуры стеклования (Тс). Затем сверху под давлением опускается жёсткий штамп (шаблон) с микро- или наноразмерным рельефным рисунком. Образец охлаждается ниже Тс полимера, после чего давление снимается. Подвергшаяся такому воздействию полимерная плёнка запечатлевает полную реплику печати (рис. 55).

Рис.54. Виды наноимпринтной литографии


Рис.55. Схема термоконтактной НИЛ


При другом подходе используются резист, отверждающийся под действием УФ-излучения, и прозрачный для УФ кварцевый шаблон, что даёт возможность осуществлять процесс «запечатления» (импринтинга) при комнатной температуре (рис. 56).

То же самое происходит при микроконтактной печати, однако технологический рисунок в этом случае формируется методом переноса вещества с мягкого штампа на пластину или подложку.


Рис. 56. Схема УФ-НИЛ


Вследствие того, что шаблон не может полностью вытеснить полимер, его тонкий остаточный слой всегда остаётся между шаблоном и подложкой. В тех случаях, для которых наличие остаточного слоя нежелательно, он убирается реактивным ионным травлением (РИТ). Конечно, шаблон для НИЛ должен быть предварительно изготовлен каким-либо другим литографическим способом. Однако как только он сделан, его можно многократно использовать для воспроизведения рельефного рисунка шаблона. Процесс НИЛ не требует никаких сложных оптических элементов, поэтому оборудование для производства стоит на порядок меньше, чем в конкурентных методах. Стоит также отметить, что НИЛ была разработана как литографическая техника нового поколения, но она также широко используется как метод создания сложных наноструктур на поверхности.

НИЛ-методы получили в настоящее время широкое применение в ряде областей производства электронных компонентов – в полупроводниковых технологиях, оптоэлектронике, биотехнологиях.

УФ-НИЛ – одна из наиболее известных технологий этой группы, используется для получения структур на всей поверхности пластин диаметром до 300 мм. Она сочетает в себе несколько важных особенностей – высокий уровень повторяемости и точность ориентации элементов на пластине, что обеспечивает одновременное нанесение микро- и наноструктур, а также длительный срок службы используемых штампов (шаблонов), поскольку в техпроцессе последние не подвергаются воздействию высоких температур и давления. Как следствие, эта технология является наиболее предпочтительным и сравнительно дешевым решением для научно-исследовательских центров и мелкосерийных производств при создании ими на пластинах структур в нанометровом диапазоне. Для изготовления на пластине масочных структур из УФ-чувствительного фоторезиста в УФ-НИЛ могут применяться два вида штампов – жесткие из кварца и мягкие. Последние вследствие ряда особенностей привлекают сегодня серьезное внимание специалистов.

Любая полупроводниковая пластина не является идеально ровной, поэтому использование жестких штампов для получения отпечатка сразу по всей ее площади невозможно, и максимальный размер используемых в настоящее время кварцевых штампов составляет 25x25 мм. Как следствие, для создания при их помощи рисунка на всей пластине применяется метод последовательного переноса изображения.

Мягкие штампы изготавливают из специального эластомера – полидиметилсилоксана (ПДМС), который способен принимать точную форму поверхности пластины, компенсируя любые ее неровности и, тем самым позволяя наносить рисунок на всю поверхность пластины всего лишь за один отпечаток. Такой метод предпочтительнее, чем метод УФ-НИЛ с жесткими штампами, когда необходимо получать непрерывный рисунок по всей площади пластины, исключающий швы и возможные неточности совмещения двух соседних рисунков, возникающих при использовании метода переноса изображения. В оптоэлектронике, например, при производстве волноводов такие неточности недопустимы.

Для производства мягких ПДМС-штампов в отличие от сложных и дорогих жестких кварцевых штампов, производимых с использованием систем электронно-лучевой литографии и реактивного ионного травления, применяется силиконовый штамп-шаблон, который можно использовать много раз.

Фоторезистивный материал, используемый в УФ-НИЛ, обычно состоит из органического или неорганического компаунда с низкой вязкостью, смешанного с фоточувствительным веществом и разбавленного в нужной пропорции органическим растворителем для достижения при нанесении на центрифуге необходимой толщины фоторезистивного слоя. При этом важно, чтобы ни один из компонентов фоторезиста не вступал во взаимодействие с ПДМС-материалом штампа.

Стандартный УФ-НИЛ процесс состоит из следующих этапов (рис.57): фоторезист наносится на поверхность пластины или подложки, на которой необходимо получить требуемую структуру (рис.57, а). Структура формируется посредством мягкого ПДМС-штампа, легко изменяющего свою форму под неровности поверхности пластины даже при очень низких усилиях прижима (рис.57, б). Далее проводится прямое экспонирование резиста УФ-излучением сквозь прозрачный штамп (рис.57, в). После отвода штампа (рис.57, г) на пластине остается готовая твердая структура.


Рис.57. Технология УФ-НИЛ: а) центрифужное нанесение фоторезиста; б) получение функционального рисунка; в) экспонирование фоторезиста УФ-излучением сквозь прозрачный ПДМС-штамп;

г) отвод штампа
Хотя максимальное разрешение процесса составляет менее 50 нм (рис. 58), в настоящее время УФ-НИЛ наиболее широко используется для получения структур с размерами от 20 мкм до 200 нм для создания микрооптических устройств, фотонных и микрожидкостных элементов, широкого спектра всевозможных сенсорных структур.

Рис.58. Структуры с высоким разрешением, полученные при использовании ПДМС-штампа: a) ячеистая структура со стенками толщиной 45 нм; б) радиально расходящиеся из общего центра линии толщиной 41 нм

Подытоживая вышесказанное, следует отметить, что НИЛ – это многообещающая технология производства структур на пластинах как микрометрового, так и нанометрового диапазонов.

Достоинства УФ-НИЛ, начиная от протекания процесса при комнатных температурах и заканчивая низкими (менее 1 бара) усилиями прижима штампа, позволяют получать структуры с высочайшей точностью и высокой производительностью используемых УФ-НИЛ-систем. Применяемые мягкие штампы компенсируют неровности и изгибы поверхности пластины и дают возможность наносить рисунок на всю ее поверхность за один технологический цикл, обеспечивая очень высокое разрешение (менее 50 нм) на всей площади пластины.

Таким обpазом, системы НИЛ могут быть конкуpентоспособными с системами иммеpсионной фотолитогpафии с эксимеpными лазеpами на ArF (λ = 193 нм) для уpовней технологии 45—32 нм.


Заключение
Исходя из соотношения о разрешающей способности всю ФЛ можно разделить на системы с Rmin > λ и с Rmin < λ, переход между которыми произошел в 1993—1994 гг.

Воспроизведение в ФP маске элементов ФШ с pазмеpами, меньше длины волны экспонирующего облучения, требует применения техники (приемов и способов) повышения pазpешения, которая позволяет значительно уменьшить величину k1 в формуле определения разрешающей способности по сравнению с дифракционным кpитеpием (k1 = 0,61). К технике повышения pазpешения относятся:

- использование внеосевого освещения (off-axis illumination — OAI) ФШ путем вырезания с помощью диафрагм из осевого цилиндрического пучка излучения внеосевых трубчатых (кольцевых в сечении) пучков освещения;

- проведение коррекции эффектов оптической близости (optical proximity correction — OPC) элементов топологического рисунка на ФШ путем добавления к этим элементам дополнительных служебных элементов, повышающих точность передачи рисунка на ФP маску;

- использование фазосдвигающих ФШ (phase shift mask — PSM), позволяющих так изменять фазу и коэффициент пропускания проходящего через топологический рисунок ФШ излучения, чтобы повысить его pазpешение на ФP слое пластины;

- использование пленок антиотражающих покрытий (АОП) под слоем ФP для уменьшения влияния отраженного от функционального слоя (подложки) излучения на точность передачи топологического рисунка в слой ФP.


Применение этих и других способов позволяет достичь значений k1 = 0,3 (при теоретическом пределе k1 = 0,25). При использовании наиболее совершенных проекционных систем с NA = 0,93 можно получить Rmin = 0,32λ, из чего следует, что при λ = 365 нм можно достичь максимального pазpешения Rmin = 130 нм, при λ = 248 нм - Rmin = 90 нм и при λ = 193 нм - Rmin = 65 нм.

Выпуск промышленных систем иммерсионной проекционной ФЛ с λ = 193 нм и числовой апеpтуpой (NA) больше единицы (hyper-NA immersion systems) на основе воды с показателем преломления n = 1,44, подающейся в пpостpанство между выходной линзой и экспонируемой поверхностью пластины, позволяет при λ = 193 нм иметь числовую апеpтуpу NA = 1,3 (теоретический предел NA с водой составляет 1,35). Тогда при k1 = 0,3 и NA = 0,93 можно получить Rmin = 0,23λ, из чего следует, что пpи λ = 193 нм достижимо максимальное pазpешение Rmin = 45 нм.

Использование органической иммерсионной жидкости с показателем преломления n = 1,64 и выходной линзы объектива из кристаллического кварца высокой плотности с показателем преломления n = 1,67 позволяет увеличить значение числовой апертуры (NA) систем иммерсионной ФЛ до 1,55. С учетом этого значения становится Rmin = 0,12λ, из чего следует, что при λ = 193 нм при высокой производительности реализуется технологический процесс (ТП) 45 нм, а при использовании двойного экспонирования –ТП 32 нм, и есть возможность для реализации ТП 22 нм.

Среди следующих поколений систем литографии специалистами подтверждены перспективность развития только для проекционной литографии экстремального ультрафиолета (EUV lithography) на основе зеркальной оптики и УФ – НИЛ.

Каждое уменьшение минимального размера элементов (переход на следующий технологический уровень - ТУ), достигаемое проекционной литографией, сопровождается усложнением как самих литографических систем, так и комплектом используемых фотошаблонов и их стоимостью, которая может достигать миллионы долларов. Кроме того, с каждым ТУ повышается степень интеграции микросхем, а следовательно, растет число функциональных слоев, особенно слоев металлизации и изоляции, что увеличивает число ФШ в комплекте. В связи с этими факторами стоимость комплекта ФШ с каждым ТУ непрерывно растет и особенно быстро, когда минимальный размер элементов ИМС становится меньше длины волны экспонирующего излучения (Rmin < λ).

В таблице 5 приведены стоимость систем проекционной ФЛ и других перспективных систем литографии и их возможности по реализации ТУ микросхем.

Анализ данных табл. 5 подтверждает, что неиммерсионные системы литографии могут обеспечивать получение минимальных размеров (Rmin) на уровне 1/3 от длины волны λ используемого экспонирующего излучения. Однако для Rmin ≤ 0,5 λ резко увеличивается сложность и стоимость комплекта ФШ.

Поэтому необходимо использовать системы ФЛ с длиной волны экспонирующего излучения, наиболее близкой к требуемому минимальному размеру, чтобы сэкономить на стоимость комплекта ФШ.

По этой причине в настоящее время системы ФЛ с λ=365 нм практически не используются для производства микросхем с ТУ 180 нм и 130 нм, а системы ФЛ с λ=248 нм очень ограниченно используются для изготовления ИМС с ТУ 90 нм.
Таблица 5 . Системы литографии и их возможности по реализации уровней технологии ИМС


Система литографии

и ее стоимость

Уровень технологии, нм

5 500

3350

2250

1180

1130

990

665

445

332


22

Система ФЛ с λ=365 нм

Стоимость: 3 -5 млн. $











































Система ФЛ с λ=248 им

Стоимость: 8-10 млн. $








































Система ФЛ с λ=193 нм

Стоимость:13-15 млн. $





































Система иммерсион-

ной ФЛ с λ=193 нм

на основе воды

Стоимость:16-18 млн. $




































Система иммерсион-

ной ФЛ с λ=193 нм

на основе жидкостей

и линз с n≥1,7

Стоимость:19-21 млн. $



































Система ЭУФ ФЛ с

λ=13 нм


Стоимость:25-30 млн. $


































Система НИЛ

Стоимость 5-7 млн. $








































Система безмасочной

многолучевой ЭЛ

Стоимость:20-25 млн. $


































Библиографический список



  1. Готра З.Ю. Технология микроэлектронных устройств: Справочник. – М.: Радио и связь, 1991.

  2. Валиев К.А. Физика субмикронной литографии. – М.: Наука, 1990.

  3. Королев М.А. Технология, конструкции и методы моделирования кремниевых интегральных микросхем : в 2 ч. /М.А.Королев, Т.Ю. Крупкина, М.А. Ревелева; под общей ред. Ю.А. Чаплыгина. – М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2007.

  4. Попов В.К., Ячменев С.Н. Расчет и проектирование устройств электронной и ионной литографии. – М.: Радио и связь, 1985.

Содержание


Введение ……………………………………………………… 3
Раздел 1. Планарная технология и литография ………… . 4

    1. Место литографии в технологии ИМС ……………. 4

    2. Литографические процессы. Сущность, этапы

и основные операции .................................................. 8

    1. Фоторезисты и их свойства ………………………… .10

Раздел 2. Основные этапы процесса фотолитографии …… 19

2.1. Этап 1. Формирование слоя фоторезиста ……………. 19

2.1.1. Подготовка поверхности подложки ……………….. 19

2.1.2. Нанесение слоя фоторезиста ………………………. 21

2.1.3. Сушка фоторезиста ………………………………….. 26

2.2. Этап 2. Создание рельефной структуры

фоторезиста …………………………………………….. 29

2.2.1. Фотошаблон и операция совмещения …………….. . 29

2.2.2. Экспонирование фоторезиста ………………………. 33

2.2.3. Проявление фоторезиста ……………………………. 40

2.2.4. Сушка фоторезиста …………………………………. . 44

2.3. Этап 3. Перенос рельефа фоторезиста на

топологический слой ………………………………… . 45

2.3.1. Химические методы обработки ……………………... 46

2.3.2. Плазменные методы обработки ……………………. 50


Раздел 3. Развитие литографических методов …………….. 58

3.1. Ограничения фотолитографии ………………………… 58

3.2. Развитие теневых методов литографии ……………….. 63

3.2.1. Литография глубокого УФ диапазона ………………. 63

3.2.2. Иммерсионная литография ………………………….. 65

3.2.3. Литография экстремального УФ ……………………. 67

3.3. Литография высоких энергий …………………………. 68

3.3.1. Рентгеновская литография …………………………… 68

3.3.2. Электронная литография …………………………….. 75

3.3.3. Ионная литография …………………………………… 82


Раздел 4 . Наноимпринтная литография …………………… 84
Заключение ………………………………………………… .. 90

Библиографический список …………………………………..93

ЛАПШИНОВ Борис Алексеевич
Технология литографических процессов

Редактор Е.С. Резникова

Технический редактор О.Г. Завьялова

Подписано в печать . Формат 60х84/16

Бумага офсетная № 2. Ризография. Усл. печ. л. 6,0. Уч.-изд. л. 5,3.

Изд. № 77. Тираж 100 экз. Заказ .


Московский государственный институт электроники и математики.

109028, Москва, Б. Трехсвятительский пер., 3

Отдел оперативной полиграфии Московского государственного института электроники и математики

113054, Москва, ул. М. Пионерская, 12.




Каталог: data -> 2012
2012 -> Программа дисциплины [Введите название дисциплины] для направления/ специальности [код направления подготовки и «Название направления подготовки»
2012 -> Программа «Стратегическое и корпоративное управление»
2012 -> Программа предназначена для преподавателей, ведущих данную дисциплину, учебных ассистентов и студентов для направления 030300. 68 «Психология»
2012 -> Программа дисциплины Теория и методология современной психологии для направления 030300. 68 Психология для магистерских программ
2012 -> Программа исследований (предварительная версия) Москва, лас, январь 2012г
2012 -> Возможные руководители: Шляго нн., Балашов А. И., Котляров И. Д., Тарасова Ю. А., Козлова Ю. А., Рання Н. А., Смирнова Е. Э., Корчагина Е. В., Чуланова Г. Ю.,, Соколова А. А. и др
2012 -> Программа дисциплины Политическая антропология России (курс по выбору) Для направления 030200. 62 Политология
2012 -> Программа предназначена для преподавателей, ведущих данную дисциплину, учебных ассистентов и студентов для направления 030300. 68 «Психология»
2012 -> Программа предназначена для преподавателей, ведущих данную дисциплину, учебных ассистентов и студентов направления подготовки 030600. 62 «Журналистика»
2012 -> Программа разработана в соответствии с: Образовательным стандартом ниу вшэ по направлению подготовки 030300. 62 "Психология"; Образовательной программой направления


Поделитесь с Вашими друзьями:
1   2   3   4   5


База данных защищена авторским правом ©psihdocs.ru 2019
обратиться к администрации

    Главная страница