Лекция 6 Методы изготовления наноструктур Top-down Bottom-up

Литография Top-down Типы литографии: 1. Фотолитография (λ = 0, 05 ÷ 0, 01 нм). 2. Рентгеновская литография (λ = 0, 5÷ 2 нм) 3. Электронно-лучевая литография (поток электронов, имеющих энергию 10 – 100 Кэ. В или длину волны λ=0, 05) 4. Ионная литография (λ= 0, 05÷ 0, 01 нм) 5. Пресс-литография 6. Зондовая литография (Top-down? Bottom-up? ) 7. Литография холодными атомами (Bottom-up)

Фотолитография одна печатная маска может стоить до $1 млн. для правил дизайна 90 -нм и стоимость удваивается для 65 -нм и утраивается для 45 нм.

Структура МПП

Численные характеристики МПП (мкм) Характеристики рисунка А Ширина проводника на внешней поверхности B Зазор на внешней поверхности C Ширина проводника на внутреннем слое D Зазор на внутреннем слое Характеристики сквозных отверстий H Диаметр сверления сквозного отверстия I Контактные площадки сквозного отверстия J Отношение толщины платы к диаметру сквозного сверления Характеристики глухих отверстий E Диаметр глухого отверстия F Контактная площадка основания глухого отверстия G Контактная площадка входа глухого отверстия JJ Отношение глубины к диаметру глухого отверстия K Диаметр верхнего глухого отверстия L Диаметр нижнего глухого отверстия P Контактная площадка верхнего глухого отверстия Характеристики слепых отверстий M Глубина металлизированного слепого отверстия N Диаметр сверления слепого отверстия O Контактные площадки слепого отверстия Сегодня Завтра (2007) Послез автра 0, 1 0, 075 0, 085 0, 05 0, 062 0, 025 0, 062 0. 25 0, 55 10 0. 2 0, 5 15 0. 2 0, 4 20 0. 1 0. 25 0. 3 =1 0. 175 0. 1 0. 375 0. 075 0. 25 =1 0. 15 0. 075 0. 325 0. 05 =1 0. 075 0. 025 0. 25 0. 55 0. 15 0. 2 0. 5 0. 1 0. 2 0. 4

Чистые комнаты Класс чистоты ИСО 146444 -1 ИСО-2 ИСО-3 ИСО-4 ИСО-5 ГОСТ Р 507666 -95 Р 1 Р 2 Р 3 (1) Р 4 (10) Р 5 (100) ИСО-6 Р 6 (1000) ИСО-7 ИСО-8 ИСО-9 Р 7 (10 000) Р 8 (100 000) Р 9 (1 000) Предельно допустимое число частиц в 1 м 3 воздуха размером, равным и превышающим, мкм 0. 1 0. 2 0. 3 0. 5 10 1000 100 000 1 000 2 24 2370 23 700 10 102 1 020 10 200 237 000 102 000 4 35 352 3 520 8 83 832 29 35 200 8 320 293 352 000 83 200 2 930 3 520 000 832 000 29 300 25 200 000 8 320 293 000

Выделение чистых зон в чистых помещениях (характерно для микроэлектроники, но не приемлемо для производства ПП и ЭМ) Загрязнения среды персоналом

очистка образцов Этапы очистки: • –RCA 1 -peroxides and NH 3 удаляет органику • –RCA 2 -peroxide and HClудаляет металлы • Сухая или жидкая очистка

Определения Литография—метод получения рисунка на поверхности функционального материала (ФМ). Для получения рисунка, как правило, используется излучение (фотоны, электроны, ионы) На первом этапе рисунок создается на фоторезисте, а затем рисунок переносится на функциональный материал. Цель первого этапа создать в слое фоторезиста"окна" заданной конфигурации для доступа травителя к расположенной под этим слоем ФМ (полупроводниковой пластине с окисной плёнкой) Фоторезист—специальный материал, который изменяет свои физикохимические свойства при облучении. Фотошаблон—пластина, прозрачная излучения, с рисунком, выполненным непрозрачным красителем. Фотолитография– использует в качестве излучения видимый и УФ свет. Цель Фотолитографии – создать в слое фоторезиста "окна" заданной конфигурации для доступа травителя к расположенной под этим слоем полупроводниковой пластине с окисной пленкой .

Фотошаблон

10 шагов фотолитографии • • • 1. Подготовка поверхности (промывка и сушка) 2. Нанесение резиста 3. Сушка 4. Совмещение фотошаблона и экспонирование 5. Проявление 6. Стабилизирующий отжиг 7. Контроль и исправление дефектов 8. Травление 9. Удаление фоторезиста 10. Заключительный контроль

1. Подготовка поверхности Дегидратационная сушка в закрытой камере с откачкой Результат: чистая обезвоженная поверхность Повышение адгезии (HMDS гексаметилдисилазан в паровой фазе) Температура ~ 200 -250°C Время ~ 60 sec. Паровая сушка VBS 200 ООО"АРУАЛ-Тех"

2. Нанесение фоторезиста • Подложка фиксируется вакуумным зажимом • Дозатор ~ 5 мл фоторезиста • Медленное вращение ~ 500 об/мин • Ускорение ~ 3000 -5000 об/мин • Параметры качества: –время –скорость –толщина –однородность –Включения и др. дефекты Вал

2. Нанесение фоторезиста Нанесение Высокая скорость: Утоньшение Малая скорость: Распространение Удаление с краев

2. Нанесение фоторезиста Толщина резиста Т зависит от Скорости вращения ω Концентрации раствора С Вязкости α, β и определяются для конкретной установкой

Жидкий фоторезист Нанесение спреем по высокой топографии SUSS Alta. Spray system Лабораторная центрифуга для нанесения резиста Sawatec SM 180 Лабораторная центрифуга предназначена для нанесения резистов с помощью центрифугирования до 10'000 об/мин. Простая, но в то же время надежная модель лабораторной центрифуги идеальна для исследовательских работ и небольших производств Процессы изготовления 3 D-микроструктур обычно можно найти в таких областях, как микроэлектромеханических системах (MEMS), оптических микроэлектромеханических системах (MOEMS), сложноструктурных полупроводниках, а также корпусировании. Они также оказывают значительное влияние на остальные области полупроводниковой индустрии. Alta. Spray может наносить резисты высокого разрешения на различные 3 D-структуры, обеспечивая максимально равномерное покрытия таких сложных участков, как 90 градусные углы, протравленные КОН впадины, V-образные углы или линзы.

Пленочный фоторезист 1. 2. 3. Межслойный полиэтилен Фоторезист Полиэстровая подложка Описание Двусторонних установок нанесения фоторезиста 12” и 24” (Mega Electronics) Установка нанесения фоторезиста (ламинатор) – это наиболее удобное и эффективное устройство для горячей накатки полимерных плёнок, в том числе плёночного фоторезиста, на плоскую чистую поверхность. Позволяет за короткое время нанести плёночный фоторезист с обеих сторон заготовки печатной платы. С помощью панели управления можно точно выставить температуру и скорость подачи. Защитная плёнка автоматически удаляется и сматывается в рулон. Для нагрева используются ИК нагреватели. Время предварительного прогрева – 10 минут. Имеется звуковая сигнализация. Нагревательный и прижимной валики изготовлены из прочного силиконового сплава. Промежуток между валиками регулируется до 4 мм.

3. Сушка Частичное испарение растворителей фоторезиста Улучшение адгезии Улучшение однородности Улучшение сопротивляемости травлению Оптимизация фотопоглощения

4. Совмещение фотошаблона и экспонирование Источник излучения • Нанесение изображения на подложку с нанесенным резистом • Активация фоточувствительных компонент фоторезиста • Параметры качества: • –разрешение • –дефектность Маска

4. Совмещение фотошаблона и экспонирование • • • Погрешности совмещения Высокоточное оборудование совмещения Многоуровневое совмещение

4. Типы проекций контактная Приближенная (сзазором) проекционная

5. Проявление Растворимые области фоторезиста растворяются в химическом проявителе, на подложке проявляется рисунок: – windowы (окна) – islands (резистивная маска) Параметры качества: • Разрешение • Однородность • Дефекты

6. Отжиг • Испарение фоторезиста • Улучшение адгезии

7. Контроль Оптический и РЭМ контроль Параметры качества: Частицы Дефекты Разрешение Степень перекрытия элементов

8. Травление через фоторезист • Селективное травление верхнего слоя подложки через окна в фоторезисте • Два основных метода: – Химическое кислотное травление (wet acid etch) – Ионное травление (dry plasma etch) • Парамтеры качества – – • Дефекты и частицы Высота ступеней Селективность Критический допуск на размер элементов Нанесение других материалов

9. Удалениефоторезиста • Удаление фоторезиста - Химическое (wet acid ) -Ионное (плазменное) травление (dry plasma etching) • Очистка химическими растворами от остатков резиста

10. Заключительныйконтроль • Качество удаления резиста • Рисунок на подложке точно соответствует рисунку маски • Параметры качества – – дефекты частицы Высота ступеней Критический допуск на размер элементов

Фотолитография • Разрешение фотолитографии определяется дифракционным пределом • 3 способа увеличить разрешение

Длина волны Минимальный размер рисунка, который может быть разрешен с помощью той или иной оптической системы может быть оценен с использованием известной формулы: Для производства микросхем с 350 нм рисунками использовалась 360 нм дуговая ртутная лампа (i линия) Дальнейшее увеличение степени интеграции микросхем привело к переходу литографических систем в область так называемого глубокого ультрафиолета (deep UV). • 250 нм транзисторы рисуются с использованием 248 нм Kr. F эксимерного лазера, • 180 нм литография оперирует с излучением 198 нм Ar. F эксимерного лазера. • 118 -120 нм литография - F 2 (электроразрядный) лазер -157 нм • Рентген • Оптика с иммерсией

k 1 K 1 – комплексный фактор, зависящий от нескольких параметров: • Качество резиста • Оптическая система • Методы увеличения разрешения: – Optical proximity correction (фигуры коррекции оптического эффекта близости ) – Внеосевое и Кохлер облучение – Фазосдвигающие маски

Модуляционная передаточная функция МПФ характеризует оптическую систему МПФ зависит от характерного размера маски МПФ должно быть > 0. 5 для того, чтобы элементы маски были разрешены на резисте

Вид искажений зависит от типа дифракции, который зависит от расстояния между маской и подложкой Плотный контакт дифракция отсутствует Proximity Л ближнее поле (дифракция Френеля) Проекционная Л дальнее поле (дифракция Фраунгофера)

Уменьшение к 1: внеосевое освещение Более высокие порядки дифракции также участвуют в построении изображения

Уменьшение к 1: Схема Кохлера • Kohler illumination systems focus the light at the entrance pupil of the objective lens. This “captures”diffracted light equally well from all positions on the mask. • This method improves the resolution by bringing k 1 down.

Фигуры коррекции оптического эффекта близости Optical Proximity Correction (OPC) – компенсируют дефекты, образованные за счет обрезания высоких порядков дифракции

Фазосдвигающие маски • Extends resolution capability of current optical lithography • Takes advantage of the wave nature of light • PSM changes the phase of light by 180°in adjacent patterns leading to destructive interference rather than constructive interference • Improves MTF of aerial image on wafer. Making k 1 smaller. • The advanced masks which these make possible allow sharper resist images and/or smaller feature sizes for a given exposure system.

Иммерсионная фотолитография • Используется для увеличения числовой апертуры. • Пространство между проецирующим объективом и фоторезистом заполняется водой, которая в УФ (193 нм) имеет показатель преломления 1. 47

Next Generation Lithography (NGL) • 1. Экстремальная УФ литография • 2. Электронно-лучевая литография • 3. Ионная проекционная литография • 4. Рентгеновская литография • 5. Совершенно новые виды

Экстремальный. УФ • Экстремальный УФ Источник 13. 4 nm (плазменный лазер) • Используется только отражающая оптика. Проекционное уменьшение до 4 раз • Используются стандартные оптические возможности: облучение не по оси, • фазо-сдвигающие маски, OPC Функционирует в вакууме

• Изготовление масок (на отражение) – наиболее сложная задача Экстремальный. УФ

Электронно-лучевая литография • Дифракционный предел не влияет на разрешение (l < 1 Å for 10 -50 ke. Velectrons) Разрешение определяется рассеянием электронов и размерами пучка (can reach ~ 5 nm) Две операционные моды: Прямое «рисование» сфокусированным пучком Электронная проекционная литография: EPL Проблемы: • Прямая: маленькая скорость, толькодля НИР Проекционные сканеры (under development) Изготовление масок( under development) Обратное рассеяние электронов–уменьшение разрешения Ультравысокий вакуум (10 -6– 10 -10 torr) –медленно и дорого

Проекционная система с уменьшением изображения

Электронно-лучевая прямая литография • Преимущества: • (1) Разрешение субмикронное • (2) Автоматизированная иконтролируемая с высокой точностью • (3) Большая глубина фокуса • (4) Без масок • Недостатки • Крайне низкий выход: (approximately 5 wafers / hour at less than 0. 1 μ resolution). • Использование: НИР Изготовление фотомасок

• Электроны рассеиваются на резисте и в подложке • Рассеянныеэ лектроны также «засвечивают» резист • Взаимодействие электронов сподложкой & резистом приводит к увеличению размеров элементов: • 100 Å e-beam become 0. 2 μm line

• «Прямая» е-литография по резисту • Device is just like an SEM with • –On-off capability • –Pixelation • –Accurate positioning • –E-beam blur

Источники для электронной литографии • Thermionice mitters: Electrons “boiled”off the surface by giving them thermal energy to overcome the barrier (work function) Emitters: Takes Field advantage of the quantum mechanical properties of electrons. Electrons tunnel out when the surface barrier becomes very narrow Photo Emitters: Energy given to electrons by incident phtons. Only photo-electrons generated close to the surface are able to escape

Рентгеновская литография • • Рентгеновская литография является разновидностью оптической бесконтактной печати, в которой длина волны экспонирующего облучения лежит в диапазоне 0. 4 -5 нм. Несмотря на то, что при рентгеновской литографии используется бесконтактная экспонирующая система, проявление дифракционных эффектов уменьшено за счет малой длины волны рентгеновского излучения. Основная цель разработки метода рентгеновской литографии заключалась в возможности получения высокого разрешения и в тоже время высокой производительности оборудования. Кроме того, за счет малой величины энергии мягкого рентгеновского излучения уменьшается проявление эффектов рассеяния в резистах и подложке, следовательно, нет необходимости в коррекции эффектов близости. Поскольку рентгеновские лучи практически не поглощаются загрязнениями, состоящими из компонентов с малым атомным номером, то наличие загрязнений на шаблоне не приводит к возникновению дефектов рисунка на резисте. Кроме того, вследствие низкого поглощения рентгеновского излучения рентгеновский резист большой толщины может быть однородно экспонирован на всю толщину, в результате чего в его объеме у окон формируются вертикальные стенки, точно повторяющие рисунок шаблона. Так как изготовление рентгеновских оптических элементов связано с определенными трудностями, применение рентгеновской литографии ограничено теневой (негативной) печатью. Разрешение, получаемое при использовании метода рентгеновской литографии, ограничено геометрическими эффектами.

Next Generation Lithography: x. Rays • • • X-ray lithography employs a shadow printing method similar to optical proximity printing. The xray wavelength (4 to 50 Å) is much shorter than that of UV light (2000 to 4000 Å). Hence, diffraction effects are reduced and higher resolution can be attained. For instance, for an x-ray wavelength of 5 Åand a gap of 40 μ, R is equal to 0. 2 μ. Becamsevery important in MEMS: LIGA Despite huge efforts seems abandoned for NGL for now

Next Generation Lithography: x. Rays • Types of x-ray sources: • –Electron Impact X-ray source • –Plasma heated X-ray source • » Laser heated • » E-beam heated • –Synchrotron X-ray source

Next Generation Lithography: x. Rays • • • Mask: Needs a combination of materials that are opaque (heavy element, e. g. Au) and transparent (low atomic mass membrane, e. g. BN or S 3 N 4) to x-rays written by e-beam Mask Diffraction is not an issue (shadowing is, see next viewgraph) Masks difficult to make due to need to manage stress less of a problem because Dust they are transparent to x-rays

Next Generation Lithography: x-Rays • On account of the finite size of the x-ray source and the finite mask-to-wafer gap, a penumbral effect results which degrades the resolution at the edge of a feature. An additional geometric effect is the lateral magnification error due to the finite mask-to-wafer gap and the non-vertical incidence of the x-ray beam. The projected images of the mask are shifted laterally by an amount d, called runout. This runouterror must be compensated for during the mask making process.

Next Generation: Ионная литография Рассеяние ионов гораздо меньше, чем электронов, поэтому достижимо большее разрешение Проблемы: • Источники ионов(e. g. Gallium) • Маски • Фокусировка • На сегодня менее развиты, большая стоимость

Next Generation: Ионная литография • Разрешение ионной литографии выше, так как дифракционный предел дальше • Резисты более чувствительны к ионам, чем к электронам • Возможна прямая (безрезистная) литография • Сегодняшнее применение: корректировка масок

Новые типы литографии • Нано-пресс-литография • Dip-pen • зондовые

Нано-Пресс-литография • Мягкая пресс-литография: • Репликация «мастер» штампа • Заполнение штампа молекулами (thiols, thioethers, alkoxysilanes, chlorosilanes, etc. ) • Прижимание штампа к поверхности подложки • В области контакта остаются монослои молекул

Нано-Пресс-литография

Примеры контрольных вопросов к лекции 6 • • • Перечислите виды литографии, использующей различные виды излучения (с указанием типа излучения) Какие типы проекций используются в фотолитографии Перечислите способы увеличения предела разрешения проекционной фотолитографии, использующей заданную длину волны