19. Литографический процесс. Оценка качества и разрешения.

Литографический процесс — это технология формирования тонких структур на поверхности полупроводниковых подложек для создания интегральных схем, микросенсоров и других микро- и наноустройств. Литография является ключевым этапом в микроэлектронике, определяющим размеры и точность воспроизводимых структур.

Этапы литографического процесса

1. Подготовка подложки:

   • На подложку (обычно из кремния) наносится слой фоторезиста (светочувствительного полимера).

   • Это может быть выполнено методом центрифугирования, чтобы создать равномерное покрытие.

2. Экспонирование:

   • Подложка с фоторезистом экспонируется через маску с помощью источника излучения (ультрафиолет, рентген, электронный или ионный пучок).

   • Излучение изменяет химические свойства фоторезиста в облучённых областях.

3. Проявление:

   • Облучённые (или необлучённые, в зависимости от типа резиста) области удаляются химическим проявителем.

   • Формируется желаемая структура.

4. Травление:

   • Травление проводится для удаления материала подложки в открытых областях.

   • Типы травления:

     • Сухое травление: Ионное или плазменное воздействие.

     • Мокрое травление: Химическая обработка жидкими травителями.

5. Удаление резиста:

   • После травления остатки фоторезиста удаляются, оставляя сформированные структуры.

Типы литографических процессов

1. Оптическая литография:

   • Использует ультрафиолетовое излучение (Deep UV, Extreme UV).

   • Ограничено дифракцией света, что определяет минимальные размеры структуры.

2. Электронно-лучевая литография (EBL):

   • Использует пучок электронов.

   • Высокое разрешение (до нескольких нанометров), но низкая производительность.

3. Рентгеновская литография:

   • Использует рентгеновское излучение для достижения меньших размеров структуры.

   • Высокая стоимость из-за сложного оборудования.

4. Ионно-лучевая литография:

   • Основана на фокусировке ионов для создания структур.

   • Обеспечивает высокую точность, но медленный процесс.

5. Нанопечать:

   • Прямая механическая печать наноструктур с использованием штампов.

Оценка качества литографического процесса

1. Разрешение:

   • Минимальный размер структуры, который может быть воспроизведён.

   • Для оптической литографии ограничено длиной волны излучения (R≈k1⋅λNAR \approx k_1 \cdot \frac{\lambda}{NA}, где NA — числовая апертура, k1k_1 — коэффициент процесса).

   • В современных процессах с экстремальным ультрафиолетом (EUV) разрешение может достигать 7-10 нм.

2. Точность наложения слоёв (overlay):

   • Погрешность при совмещении масок разных слоёв.

   • Измеряется в нанометрах и должна быть меньше размеров структур, чтобы избежать дефектов.

3. Контроль линейных размеров (CD, Critical Dimension):

   • Ширина и другие размеры структур должны быть строго выдержаны.

   • Погрешности приводят к изменению электрических характеристик устройства.

4. Однородность:

   • Постоянство толщины и свойств фоторезиста по всей площади подложки.

   • Контролируется методами измерения толщины слоя, такими как эллипсометрия.

5. Дефекты:

   • Наличие загрязнений, пропусков, трещин или других нарушений.

   • Контролируются автоматическими системами инспекции.

Факторы, влияющие на разрешение и качество

1. Длина волны излучения:

   • Чем меньше длина волны, тем выше разрешение.

   • Современные технологии используют экстремальный ультрафиолет (EUV) с длиной волны 13,5 нм.

2. Числовая апертура (NA):

   • Увеличение NA повышает разрешение, но уменьшает глубину резкости.

3. Качество маски:

   • Неточности в маске приводят к ошибкам на подложке.

4. Фоторезист:

   • Химическая чувствительность, толщина, и разрешающая способность резиста критически влияют на процесс.

5. Процесс экспонирования:

   • Дифракция, рассеяние и эффекты многократного отражения могут ухудшить качество изображения.

6. Стабильность оборудования:

   • Колебания, вибрации и неточности в настройке оборудования приводят к дефектам.

Методы оценки и контроля качества

1. Методы контроля размеров (CD metrology):

   • Сканирующая электронная микроскопия (SEM): Для измерения ширины и профиля структур.

   • Атомно-силовая микроскопия (AFM): Для анализа поверхности с высоким разрешением.

2. Инспекция дефектов:

   • Автоматизированные системы оптического и рентгеновского контроля.

3. Контроль однородности слоёв:

   • Спектроскопическая эллипсометрия для измерения толщины.

4. Анализ совмещения (overlay metrology):

   • Оптические методы измерения смещения масок.

5. Симуляции и моделирование:

   • Используются для прогнозирования дефектов и оптимизации процесса.

Современные тренды и вызовы

1. Миниатюризация:

   • Литография для технологий 3-нм и ниже требует использования EUV и новых материалов.

2. Технологии многомасочной литографии:

   • Для сложных структур используются несколько масок, что повышает точность, но увеличивает сложность.

3. Новые фоторезисты:

   • Разработка резистов для EUV, устойчивых к высокоэнергетическому излучению и обеспечивающих высокую разрешающую способность.

4. Экономичность:

   • Уменьшение стоимости процесса, особенно на стадиях разработки и массового производства.