тмиэт / тмиэт / Презентации / Лекции ТМиЭЭТ_тема4
.pdf
Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ»,
кафедра физической электроники и технологии
Доцент Никитин Андрей Александрович Профессор Шаповалов Виктор Иванович
ТЕХНОЛОГИЯ МАТЕРИАЛОВ И ЭЛЕМЕНТОВ ЭЛЕКТРОННОЙ ТЕХНИКИ
Тема 4
Тема 4. ТЕХНОЛОГИЯ ЛИТОГРАФИИ
4.1.Процесс литографии
4.2.Фотолитография
4.3.Электронная литография
4.4.Рентгеновская литография
4.5.Технология травления
4.5.1.Погрешность
4.5.2.Жидкостное химическое травление
4.5.3.Вакуумно-плазменное травление
4.5.4.Эффект «загрузки»
(от др.-греч. λίθος «камень» + γράφω «пишу, рисую») специфический вид тиражной графики, способ плоской печати, при котором оттиски получаются переносом краски под давлением с плоской (нерельефной) печатной формы непосредственно на бумагу; также произведение, выполненное литографским способом. 1798 ( по др. данным 1796 г.)
Литография - процесс переноса геометрического рисунка шаблона на поверхность пленки или пластины.
1
FinFET транзистор (англ. fin “плавник” )
2018: Apple A12 Bionic - топологическая норма FinFET процесса7 нм, содержит 6,9 миллиардов транзисторов.
В 2019 году Samsung и TSMC объявили о планах по запуску процесса с топологической нормой 3-нм в промышленное производство.
https://en.wikipedia.org/wiki/Semiconductor_device_fabrication
Intel Pentium (1993 год) - 3 млн транз./крис.т 300 мм2 (10 тыс. эл/мм2).
Проект Xeon E7 v3 (2015 год) - 5.7 млрд транз./крист. 662 мм2 (8.6 млн эл/мм2).
Apple A12 Bionic (2018 год) - 6.9 млрд транз./крист. 83.27 мм2 (82.9 млн эл/мм2).
2
|
|
|
Литография |
|
|
|
С использованием шаблонов |
Прямого переноса |
Нанопечатная |
||||
|
|
|
изображения |
|
|
|
|
Фото |
Рентгеновская |
Электронная |
Лазерная |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Тема 4.1. Процесс фотолитографии
|
Процесс |
|
|
|
|
|
|
1. Шаблон |
|
|
|
|
|
|
|
|
2. Нанесение |
|
4. Обработка |
|
|||
|
|
|
резиста |
|
|||
|
резиста |
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
||
|
3. |
Совмещение и |
|
5. |
Травление |
||
|
|
экспонирование |
|
рабочей пленки |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
4.1.1. Резист |
|
|
|
|
|
|
|
|
- |
|
|
|
|
|
|
УФИ |
|
УФИ |
Резисты |
(полимерные материалы, |
||||
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
неподдающиеся |
|
|
процессу |
||
|
|
|
травления) |
: |
негативные |
и |
||
|
4 |
|
позитивные. |
|
|
|
|
|
|
3 |
|
|
|
|
|
|
|
1 |
2 |
|
После воздействия экспонирующего |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
5 |
|
6 |
облучения |
|
|
|
растворимость |
|
|
негативных резистов |
в проявителе |
||||||
|
|
|
||||||
|
|
|
уменьшается, |
а |
|
позитивных |
||
Позитивный резист |
Негативный резист |
увеличивается. |
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|||
|
D = hост/h0 |
D – доля резиста, остающегося |
|
|
|
|
||
|
после экспонирования и проявления |
|
|
|
||||
|
|
hост |
|
|
|
|
|
|
|
h0 |
h0 |
|
|
h |
ост |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
3
D
|
|
1 |
|
|
||||
|
|
|
|
|
hост |
– |
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
h0 |
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
0 |
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
lgE– |
lgE+ |
lgE |
|
|
|
|
|
|
t |
t |
|
D = hост/h0 |
|
|
||||||
При малой величине энергии экспонирующего облучения негативный резист обладает полной растворимостью в проявителе. По мере увеличения энергии экспонирующего облучения
выше порогового значения Et большая часть пленки резиста становится нерастворимой .
В качестве негативного резиста при оптической литографии применяют полимер, смешанный с фоточувствительным соединением. В этом соединении при активации под действием
излучения происходит образование поперечных связей между цепочками полимера
(фотополимеризация). Увеличение молекулярного веса полимера приводит к нерастворимости резиста в проявителе.
При проявлении пленка негативного резиста разбухает и неэкспонированный резист с низким молекулярным весом растворяется в проявителе. Этот эффект разбухания пленки резиста уменьшает разрешающую способность негативных резистов.
D
1
+
lgE– |
lgE+ |
lgE |
t |
t |
|
Такие резисты состоят из полимерного фоточувствительного материала нерастворимого в растворе проявителя. При экспонировании это соединение поглощает энергию и становится растворимым (фоторазложение). В отличие от негативного резиста проявитель не пропитывает всю пленку резиста и она не набухает, что обеспечивает более высокую разрешающую способность по сравнению с негативными фоторезистами.
D
1
+ |
– |
|
|
|
|
lgE– |
lgE+ |
lgE |
t |
t |
|
hост
h0
Растворимость позитивного резиста в проявителе имеется даже при нулевом значении энергии экспонирующего облучения. При увеличении энергии она значительно возрастает до тех пор, пока при некотором пороговом значении энергии Et не наступит полная растворимость резиста.
Негативные резисты, обладая меньшей разрешающей
способностью по сравнению с позитивными, имеют
высокую чувствительность.
При экспонировании позитивных резистов необходимо облучение с большей энергией (большее время экспонирования), чем для негативных резистов.
Позитивные резисты проявляются значительно медленнее, что приводит к уменьшению
производительности, однако эти резисты обладают более
высокой разрешающей способностью. Следовательно,
при определении типа резиста необходимо делать выбор между разрешением и производительностью.
4
4.2.Фотолитография
1.Контактная.(а)
2.С зазором.(b)
3.Проекционная (c).
Источник света
Оптическая система (коллиматор)
Шаблон |
|
|
Фоторезист |
|
|
|
Зазор |
|
Подложка или пленка |
Объектив |
|
Высокое разрешение. |
Меньший износ, |
Отсутствие износа. Цена. |
|
Возможно повреждение |
меньшее разрешение |
|
|
маски, что порождает |
(зависит от зазора). |
|
|
дефекты. |
|
4.2. Фотолитография
1. |
Контактная. |
|
|
2. |
С зазором. |
|
|
3. |
Проекционная. |
|
|
I/I0 |
|
|
|
|
|
|
ФШ |
1.0 |
2 |
|
|
3 |
1 |
|
|
|
S |
||
|
|
||
0.0 |
Резист |
|
|
|
|
|
|
1 - Идеальная передача изображения при контактном экспонирование (S = 0, однако нужно помнить, что слой фоторезиста имеет определённую толщину). 2 - Распределение интенсивности для экспонирования на близком расстоянии значительно отличается от прямоугольной формы. Этот эффект тем сильнее, чем ближе размер элемента на маске к размеру длины волны экспонирующего излучения и чем больше расстояние s. Причиной отклонения является дифракция, которая приводит к размытию изображения края маски.
5
4.2. Контактная фотолитография и фотолитография с зазаором
I/I0
bmin = 3 
λs
2
Минимальный размер (разрешение - минимальный размер, который может быть неоднократно перенесен на резист) для переноса двух линий ширины b, расположенных на расстоянии b
Разрешающая способность R = 1/bmin |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3 |
|
|
z |
||||
– максимально возможное число раз- |
|
|
|
|
|||||
|
|
bmin |
= |
|
|
λ s + |
|
|
|
|
|
2 |
|
||||||
дельно передаваемых полос на |
|
|
|
|
|
2 |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
единице длины (1 мм) поверхности |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
где 2bmin - период решетки, s ширина зазора между маской и поверхностью резиста, а z - толщина резиста. Например, для полного (механического) контакта (s = 0), длине волны λ=400 нм и толщине резиста z=1 мкм разрешение bmin=700 нм. В этом случае достигается почти 100% точность переноса рисунка маски на фоторезист, но такой контакт между маской и резистом является одной из причин появления и накопления дефектов при последующих экспозициях.
Недостатки, связанные с контактной фотолитографией, устраняются в случае внесения зазора s между маской и поверхностью резиста, однако разрешение ухудшается. Теоретическое разрешение при s>z (толщина резиста пренебрежимо мала по сравнению с толщиной резиста z.)
Например, для зазора s = 10 мкм при λ=400 нм, максимальное разрешение bmin = 3 мкм.
4.2. Проекционная фотолитография
Источник
Диск Эйри
Коллимаирующая Отверстие |
Фокусирующая |
линза |
линза |
Поверхность
Дифракция Собранный света свет
|
R |
|
1.22λf |
= |
1.22λf |
= |
0.61λ |
= 0.61 |
λ |
= k |
λ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
bmin |
|
d |
|
n(2 f sin α) |
|
n sin α |
|
NA |
1 NA |
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
NA – числовая апертура проекционной оптики, k1 - эмпирический коэффициент, зависящий от применяемой технологии (обычно k1 составляет от 0,6 до 0,8).
6
Источники излучения для фотолитографии
Ртутная лампа
g line λ=436 nm i line λ=365 nm
Относительная интенсивность
Длина волны, нм
Эксимерный лазер
В возбуждённом состоянии (вызванном электрическим разрядом), инертные газы могут образовывать молекулы друг с другом (димеры) или с галогенами, такими как фтор или хлор. Появление молекул в возбуждённом связанном состоянии автоматически создаёт инверсию населённостей между двумя энергетическими уровнями. Такая молекула, находящаяся в возбуждённом состоянии, может отдать свою энергию в виде спонтанного или вынужденного излучения, в результате чего молекула переходит в основное состояние, а затем очень быстро (в течение пикосекунд) распадается на составляющие атомы.
Эксимер = Excited dimer Xe* + Cl2 → XeCl* + Cl XeCl* → XeCl + DUV DUV = deep UV,
308 нм для XeCl
XeCl → Xe + Cl
“*” возбужденное состояние
KrF λ = 248 nm
ArF λ = 193 nm
Относительная интенсивность, %
Длина волны, нм
7
2. Фазосдвигающая маска λ/3
Распред. эл.- магн. поля на шаблоне
Распред. эл.-магн. поля на резисте
Интенсивн. эл.- магн. поля на резисте
0o 180o
Кварц
3. Иммерсионная фотолитография λж/3 = λ/3N = λ/4.5
b |
= k |
λ |
|
= k |
λ |
|
|
||||
min |
1 NA |
1 n sin α |
|||
1
= k |
λ / n |
= k |
λ' |
|
|
|
α |
||
1 sin α |
1 sin |
|||
5
4
3 
2
θ
α
NA=0.8 |
NA=1.44×0.8=1.3 |
sinθ/sinα = 1/nquartz |
sinθ/sinα = nwater/nquartz |
sinθ=0.8/1.56=0.51 (θ=30.9o) |
sinθ=0.8×1.44/1.56=0.74 (θ=47.6o) |
8
4. Двойная экспозиция
Фрагмент рисунка схемы
Шаблон 1
Шаблон 2
9
Повышение разрешающей способности
Экстремальный ультрафиолет (Extreme ultraviolet )
10