Фотолитография

Процесс в микропроизводстве

Фотолитография (также известная как оптическая литография ) — это процесс, используемый при производстве интегральных схем . Он предполагает использование света для переноса рисунка на подложку, обычно кремниевую пластину .

Процесс начинается с нанесения на подложку светочувствительного материала, называемого фоторезистом . Затем поверх фоторезиста помещается фотошаблон с желаемым рисунком . Свет проходит через фотомаску, обнажая фоторезист в определенных областях. Открытые участки претерпевают химические изменения, в результате чего они становятся растворимыми или нерастворимыми в растворе проявителя. После проявления рисунок переносится на подложку посредством травления , химического осаждения из паровой фазы или процессов ионной имплантации .

Обычно используется ультрафиолетовый (УФ) свет. ^[1]

Процессы фотолитографии можно классифицировать в зависимости от типа используемого света, включая ультрафиолетовую литографию, литографию в глубоком ультрафиолете, литографию в крайнем ультрафиолете (EUVL) и рентгеновскую литографию . Используемая длина волны света определяет минимальный размер элемента , который может быть сформирован в фоторезисте.

Фотолитография является наиболее распространенным методом изготовления полупроводниковых интегральных схем («ИС» или «чипов»), таких как твердотельные запоминающие устройства и микропроцессоры . Он может создавать чрезвычайно маленькие узоры размером до нескольких нанометров . Он обеспечивает точный контроль формы и размера создаваемых объектов. Он позволяет создавать узоры на всей пластине за один этап, быстро и с относительно низкими затратами. В сложных интегральных схемах пластина может проходить фотолитографический цикл до 50 раз. Это также важный метод микропроизводства в целом, например, изготовления микроэлектромеханических систем . Однако фотолитографию нельзя использовать для изготовления масок на не совсем ровных поверхностях. И, как и все процессы производства чипов, он требует чрезвычайно чистых условий эксплуатации.

Фотолитография — это подкласс микролитографии , общий термин для процессов создания тонких пленок с рисунком. Другие технологии этого более широкого класса включают использование управляемых электронных лучей или, реже, наноимпринтинга , интерференции , магнитных полей или сканирующих зондов . В более широком плане она может конкурировать с направленной самосборкой микро- и наноструктур. ^[2]

Фотолитография разделяет некоторые фундаментальные принципы с фотографией в том, что рисунок на фоторезисте создается путем воздействия на него света — либо непосредственно путем проецирования через линзу , либо путем освещения маски, помещенной непосредственно на подложку, как при контактной печати . Эту технику также можно рассматривать как высокоточную версию метода, используемого для изготовления печатных плат . Название произошло от свободной аналогии с традиционным фотографическим методом изготовления пластин для литографической печати на бумаге; ^[3] однако последующие этапы процесса имеют больше общего с травлением, чем с традиционной литографией.

Обычные фоторезисты обычно состоят из трех компонентов: смолы, сенсибилизатора и растворителя.

Этимология

Коренные слова фото , лито и графика имеют греческое происхождение и означают «свет», «камень» и «письмо» соответственно. Как следует из составленного из них названия, фотолитография — это метод печати (первоначально основанный на использовании известняковых печатных форм), в котором существенную роль играет свет.

История

В 1820-х годах Никифор Ньепс изобрел фотографический процесс, в котором в качестве первого фоторезиста использовался битум Иудеи , природный асфальт . Тонкий слой битума на листе металла, стекла или камня становился менее растворимым под воздействием света; затем неэкспонированные части можно было промыть подходящим растворителем, обнажая материал под ним, который затем подвергался химическому травлению в кислотной ванне для получения печатной формы. Светочувствительность битума была очень низкой, и требовалось очень длительное воздействие, но, несмотря на позднее появление более чувствительных альтернатив, его низкая стоимость и превосходная устойчивость к сильным кислотам продлили его коммерческую жизнь до начала 20 века.

В 1940 году Оскар Зюсс создал позитивный фоторезист, используя диазонафтохинон , который действовал противоположным образом: покрытие изначально было нерастворимым и становилось растворимым под воздействием света. ^[4] В 1954 году Луи Пламбек-младший разработал полимерную форму высокой печати Dycryl, которая ускорила процесс изготовления форм. ^[5] Раньше развитие фоторезистов осуществлялось партиями пластин (периодическая обработка), погруженных в ванну с проявителем, но современные технологические предложения предусматривают разработку по одной пластине за раз (обработка одной пластины), чтобы улучшить контроль процесса. ^[6]

В 1952 году военные США поручили Джею У. Латропу и Джеймсу Р. Ноллу в Национальном бюро стандартов (позже Лаборатория взрывателей алмазных боеприпасов армии США , которая в конечном итоге объединилась, чтобы сформировать нынешнюю Армейскую исследовательскую лабораторию ) с задачей найти способ уменьшить размер электронных схем, чтобы лучше разместить необходимые схемы в ограниченном пространстве, доступном внутри неконтактного взрывателя . ^[7] Вдохновленный применением фоторезиста, светочувствительной жидкости, используемой для обозначения границ отверстий для заклепок в металлических крыльях самолетов, Налл определил, что аналогичный процесс можно использовать для защиты германия в транзисторах и даже для создания рисунка на поверхности светом. ^[8] В ходе разработки Латропу и Наллу удалось создать двухмерную миниатюрную гибридную интегральную схему с транзисторами, используя эту технику. ^[7] В 1958 году во время конференции IRE Professional Group on Electronic Devices (PGED) в Вашингтоне, округ Колумбия, они представили первую статью, в которой описывалось изготовление транзисторов с использованием фотографических методов, и приняли термин «фотолитография» для описания процесса, обозначив первое опубликованное использование этого термина для описания рисунка полупроводниковых устройств. ^{[8] [3]}

Несмотря на то, что фотолитография электронных компонентов связана с травлением металлических дубликатов, а не с травлением камня для изготовления «мастера», как при обычной литографической печати, Латроп и Налл предпочли термин «фотолитография» «фототравлению», потому что первый звучит как «высокие технологии». " ^[7] Через год после конференции патент Латропа и Налла на фотолитографию был официально одобрен 9 июня 1959 года. ^[9] Позже фотолитография способствовала разработке первых полупроводниковых ИС, а также первых микрочипов. ^[7]

Процесс

Упрощенная иллюстрация сухого травления с использованием позитивного фоторезиста в процессе фотолитографии при микропроизводстве полупроводников (не в масштабе).

Одна итерация фотолитографии объединяет несколько последовательных этапов. В современных чистых помещениях для координации процесса используются автоматизированные роботизированные системы отслеживания пластин. ^[10] В описанной здесь процедуре отсутствуют некоторые сложные методы обработки, такие как разбавление или удаление краевых валиков. ^[11] Процесс фотолитографии осуществляется с помощью дорожки пластины и шагового устройства/сканера, а система дорожек пластины и шагового устройства/сканера установлены рядом. Системы трековых пластин также известны как системы нанесения покрытия/проявки на пластины, которые выполняют те же функции. ^{[12] [13]} Вафельные дорожки названы в честь «гусениц», используемых для транспортировки пластин внутри машины, ^[14] но современные машины не используют гусеницы. ^[13]

Очистка

Если на поверхности пластины присутствуют органические или неорганические загрязнения, их обычно удаляют влажной химической обработкой, например, процедурой очистки RCA , основанной на растворах, содержащих перекись водорода . Для очистки также можно использовать другие растворы, приготовленные на основе трихлорэтилена, ацетона или метанола. ^[15]

Подготовка

Пластину сначала нагревают до температуры, достаточной для удаления влаги, которая может присутствовать на поверхности пластины; Достаточно 150 °C в течение десяти минут. Пластины, находившиеся на хранении, должны быть подвергнуты химической очистке для удаления загрязнений . Жидкий или газообразный «промотор адгезии » , такой как бис(триметилсилил)амин («гексаметилдисилазан», HMDS) , применяется для усиления адгезии фоторезиста к пластине. Поверхностный слой диоксида кремния на пластине реагирует с ГМДС с образованием триметилированного диоксида кремния, сильно водоотталкивающего слоя, мало чем отличающегося от слоя воска на автомобильной краске. Этот водоотталкивающий слой предотвращает проникновение водного проявителя между слоем фоторезиста и поверхностью пластины, тем самым предотвращая так называемое поднятие небольших структур фоторезиста в (проявляющем) рисунке. Чтобы обеспечить проявление изображения, его лучше всего накрыть и положить на горячую плиту и дать высохнуть, стабилизируя температуру на уровне 120 °С. ^[16]

Применение фоторезиста

Пластина покрывается фоторезистной жидкостью методом центрифугирования . Таким образом, верхний слой резиста быстро выталкивается из края пластины, в то время как нижний слой все еще медленно ползет в радиальном направлении вдоль пластины. Таким образом, любые «выпуклости» или «гребни» резиста удаляются, оставляя очень ровный слой. Однако вязкие пленки могут привести к образованию крупных краевых шариков, планаризация которых имеет физические ограничения. ^[17] Конечная толщина также определяется испарением жидких растворителей из резиста. Для очень маленьких, плотных элементов (<125 нм или около того) необходима меньшая толщина резиста (<0,5 микрон), чтобы преодолеть эффекты коллапса при высоких соотношениях сторон; типичное соотношение сторон составляет < 4:1.

Затем пластину с покрытием из фоторезиста предварительно обжигают для удаления излишков растворителя фоторезиста, обычно при температуре от 90 до 100 °C в течение 30–60 секунд на горячей пластине. ^[18] Покрытие BARC (нижнее антибликовое покрытие) может быть нанесено перед нанесением фоторезиста, чтобы избежать отражений, возникающих под фоторезистом, и улучшить характеристики фоторезиста на меньших полупроводниковых узлах, таких как 45 нм и ниже. ^{[19] [20] [21]} Также существуют верхние антибликовые покрытия (TARC). ^[22]

Экспозиция и развитие

После предварительного обжига фоторезист подвергается воздействию интенсивного света. Воздействие света вызывает химические изменения, которые позволяют удалить часть фоторезиста специальным раствором, называемым «проявителем» по аналогии с фотографическим проявителем . Позитивный фоторезист, наиболее распространенный тип, при экспонировании растворяется в проявителе; в случае негативного фоторезиста неэкспонированные участки растворимы в проявителе.

Перед проявкой выполняется запекание после экспозиции (PEB), как правило, чтобы помочь уменьшить явления стоячей волны, вызванные деструктивными и конструктивными интерференционными картинами падающего света. В литографии в глубоком ультрафиолете используется химически усиленный резист (CAR). Этот процесс гораздо более чувствителен к времени, температуре и задержке PEB, поскольку большая часть реакции «воздействия» (образование кислоты, делая полимер растворимым в основном проявителе) фактически происходит в PEB. ^[23]

Химический проявитель наносится на вращающуюся головку, как фоторезист. Первоначально проявители часто содержали гидроксид натрия (NaOH). Однако натрий считается крайне нежелательным примесем при производстве МОП-транзисторов , поскольку он ухудшает изолирующие свойства оксидов затвора (в частности, ионы натрия могут мигрировать внутрь и наружу затвора, изменяя пороговое напряжение транзистора и затрудняя или упрощая его включение). транзистор включается с течением времени). Сейчас используются проявители, не содержащие ионов металлов, такие как гидроксид тетраметиламмония (ТМАГ). Температуру проявителя можно строго контролировать с помощью шлангов с оболочкой (с двойными стенками) с точностью до 0,2°C. ^[6] Сопло, покрывающее пластину проявителем, может влиять на необходимое количество проявителя. ^{[24] [13]}

Полученную пластину затем «запекают», если использовался нехимически усиленный резист, обычно при температуре от 120 до 180 ° C ^[25] в течение 20-30 минут. Твердое запекание затвердевает оставшийся фоторезист, чтобы создать более прочный защитный слой при будущей ионной имплантации , влажном химическом травлении или плазменном травлении .

От подготовки до этого этапа процедура фотолитографии выполнялась на двух машинах: фотолитографическом шагере или сканере и устройстве для нанесения покрытия/проявителе. Две машины обычно устанавливаются рядом и «связаны» вместе. ^{[26] [21] [27]}

Травление, имплантация

При травлении жидкий («мокрый») или плазменный («сухой») химический агент удаляет самый верхний слой подложки на участках, не защищенных фоторезистом. При производстве полупроводников обычно используются методы сухого травления , поскольку их можно сделать анизотропными , чтобы избежать значительного подрезания рисунка фоторезиста. Это важно, когда ширина определяемых элементов равна толщине травимого материала или меньше ее (т. е. когда соотношение сторон приближается к единице). Процессы мокрого травления, как правило, носят изотропный характер, что зачастую незаменимо для микроэлектромеханических систем , где взвешенные структуры должны «освободиться» от нижележащего слоя.

Разработка анизотропного процесса сухого травления с низкой дефектностью позволила перенести на материал подложки все более мелкие детали, определенные фотолитографически в резисте.

Удаление фоторезиста

После того, как фоторезист отпадет, его необходимо удалить с подложки. Обычно для этого требуется жидкий «смыватель резиста», который химически изменяет резист так, что он больше не прилипает к подложке. Альтернативно фоторезист можно удалить с помощью плазмы, содержащей кислород , который окисляет его. Этот процесс называется плазменным озолением и напоминает сухое травление. Использование растворителя 1-метил-2-пирролидона (NMP) для фоторезиста — еще один метод удаления изображения. Когда резист растворится, растворитель можно удалить нагреванием до 80 °C, не оставляя следов. ^[28]

Системы экспонирования («печати»)

Часть пластины выравнивателя, в которой используется ультрафиолетовый свет с длиной волны 365 нм.

Системы экспонирования обычно создают изображение на пластине с помощью фотомаски . Фотомаска блокирует свет в одних областях и пропускает его в других. ( Безмасочная литография проецирует точный луч непосредственно на пластину без использования маски, но она не получила широкого распространения в коммерческих процессах.) Системы экспонирования можно классифицировать по оптике, которая передает изображение с маски на пластину.

Фотолитография создает более качественные тонкопленочные транзисторные структуры, чем печатная электроника , благодаря более гладким печатным слоям, меньшему количеству волнистых узоров и более точной регистрации электродов стока-истока. ^[29]

Контакт и близость

Контактный принтер, простейшая система экспонирования, приводит фотомаску в непосредственный контакт с пластиной и подвергает ее равномерному освещению. Бесконтактный принтер создает небольшой зазор между фотомаской и пластиной. В обоих случаях маска покрывает всю пластину и одновременно моделирует каждый кристалл.

Контактная печать может повредить как маску, так и пластину, и это была основная причина, по которой от нее отказались из-за крупносерийного производства. Как контактная, так и бесконтактная литография требуют, чтобы интенсивность света была равномерной по всей пластине, а маска точно совпадала с элементами, уже имеющимися на пластине. Поскольку в современных процессах используются все более крупные пластины, эти условия становятся все более трудными.

В процессах исследований и прототипирования часто используется контактная или бесконтактная литография, поскольку она использует недорогое оборудование и позволяет достичь высокого оптического разрешения. Разрешение в бесконтактной литографии примерно равно квадратному корню из произведения длины волны и расстояния между зазорами. Следовательно, за исключением проекционной литографии (см. ниже), контактная печать обеспечивает наилучшее разрешение, поскольку расстояние между зазорами примерно равно нулю (без учета толщины самого фоторезиста). Кроме того, литография наноимпринтов может возродить интерес к этой знакомой технике, тем более что стоимость владения, как ожидается, будет низкой; однако обсуждавшиеся выше недостатки контактной печати остаются проблемами.

Проекция

В литографии очень большой интеграции (СБИС) используются проекционные системы. В отличие от масок контакта или близости, которые покрывают всю пластину, проекционные маски (известные как «сетки») отображают только один кристалл или массив кристаллов (известный как «поле»). Системы проекционного экспонирования (степперы или сканеры) многократно проецируют маску на пластину, чтобы создать полный рисунок, полностью повторяющий рисунок на пластине. Разница между степперами и сканерами заключается в том, что во время экспонирования сканер перемещает фотошаблон и пластину одновременно, а степпер перемещает только пластину. Контакт, близость и проекция. Выравниватели масок предшествовали степперам и не перемещали фотомаску или пластину во время экспонирования и использовали маски, закрывающие всю пластину. В сканерах иммерсионной литографии для увеличения разрешения между линзой и пластиной используется слой сверхчистой воды . Альтернативой фотолитографии является наноимпринтная литография . Максимальный размер изображения, которое можно спроецировать на пластину, известен как предел сетки.

Фотомаски

Изображение маски берется из компьютеризированного файла данных. Этот файл данных преобразуется в серию многоугольников и записывается на квадрат подложки из плавленого кварца , покрытой слоем хрома с помощью фотолитографического процесса. Лазерный луч (лазерный писатель) или луч электронов (электронный луч) используется для экспонирования рисунка, определенного в файле данных, и перемещается по поверхности подложки в режиме векторного или растрового сканирования. Там, где фоторезист на маске открыт, хром можно вытравить, оставив свободный путь для прохождения света освещения в системе шагового двигателя/сканера.

Разрешение в проекционных системах

Флуоресцентное освещение с фильтром , желтые светодиоды или натриевое освещение низкого давления в чистых помещениях для фотолитографии не содержат ультрафиолетового или синего света, чтобы избежать воздействия фоторезиста. Спектр света, излучаемого такими светильниками, придает практически всем подобным помещениям ярко-желтый цвет.

Спектр дифракционного порядка с частичной когерентностью. Спектр порядка дифракции (до 3-го порядка) линейно-пространственной структуры (шаг <3 длины волны/числовая число) показан разными цветами, обозначающими разные углы освещения в условиях частичной когерентности.

Возможность проецировать четкое изображение небольшого элемента на пластину ограничена длиной волны используемого света и способностью системы редукционных линз улавливать достаточное количество порядков дифракции от освещенной маски. Современные инструменты фотолитографии используют свет глубокого ультрафиолета (DUV) от эксимерных лазеров с длинами волн 248 (KrF) и 193 (ArF) нм (поэтому доминирующая сегодня технология литографии также называется « эксимерлазерной литографией »). которые допускают минимальные размеры элементов до 50  нм. Таким образом, эксимерлазерная литография сыграла решающую роль в дальнейшем развитии закона Мура в течение последних 20 лет (см. ниже ^[30] ).

Минимальный размер объекта, который может напечатать проекционная система, примерно определяется как:

${\displaystyle CD=k_{1}\cdot {\frac {\lambda }{NA}}}$

где — минимальный размер элемента (также называемый критическим размером , целевым правилом проектирования или « полушагом »), — длина волны используемого света и — числовая апертура линзы, если смотреть с пластины. ${\displaystyle \,CD}$ ${\displaystyle \,\lambda }$ ${\displaystyle \,NA}$

${\displaystyle \,k_{1}}$(обычно называемый коэффициентом k1 ) — это коэффициент, который объединяет факторы, связанные с процессом, и обычно равен 0,4 для производства. ( на самом деле является функцией таких факторов процесса, как угол падения света на сетку и распределение интенсивности падающего света. Он фиксируется для каждого процесса.) Минимальный размер элемента можно уменьшить, уменьшив этот коэффициент с помощью компьютерной литографии . ${\displaystyle \,k_{1}}$

Влияние направления освещения. Осевое освещение обеспечивает более высокий контраст, но только внеосевое освещение разрешает наименьший шаг.

Критерий Рэлея определяет минимальное расстояние для сохранения расстояния между двумя точками проецируемого изображения.

Согласно этому уравнению, минимальные размеры элементов можно уменьшить, уменьшив длину волны и увеличив числовую апертуру (чтобы добиться более узко сфокусированного луча и меньшего размера пятна). Однако этот метод проектирования сталкивается с конкурирующим ограничением. В современных системах глубина фокуса также вызывает беспокойство:

${\displaystyle D_{F}=k_{2}\cdot {\frac {\lambda }{\,{NA}^{2}}}}$

Вот еще один коэффициент, связанный с процессом. Глубина фокуса ограничивает толщину фоторезиста и глубину топографии пластины. Химико-механическая полировка часто используется для выравнивания топографии перед этапами литографии с высоким разрешением. ${\displaystyle \,k_{2}}$

Из классической оптики k1=0,61 по критерию Рэлея . ^[31] Изображение двух точек, разделенных расстоянием менее 1,22 длины волны/числовая апертура, не сохранит это разделение, но будет больше из-за интерференции между дисками Эйри двух точек. Однако следует также помнить, что расстояние между двумя объектами также может меняться при расфокусировке. ^[32]

Освещение может существенно повлиять на видимую высоту изображения одного и того же объекта (в данном случае пары ярких линий).

Прямые края укороченных элементов искажаются, превращаясь в изогнутые, поскольку шаг уменьшается в обоих направлениях.

Ширина зазора в зависимости от полушага. Чем меньше шаг линий, тем шире зазор между концами линий (перпендикулярно шагу).

Разрешение также нетривиально в двумерном контексте. Например, более узкий шаг линий приводит к увеличению промежутков (в перпендикулярном направлении) между концами линий. ^{[33] [34]} Более фундаментально, прямые края становятся закругленными для укороченных прямоугольных элементов, где шаг по оси x и y находится рядом с пределом разрешения. ^{[35] [36] [37] [38]}

Для продвинутых узлов ключевым фактором, ограничивающим разрешение, становится размытие, а не длина волны. Минимальный шаг определяется сигмой размытия/0,14. ^[39] На размытие влияет доза ^{[40] [41] [42]} , а также квантовый выход, ^[43] что приводит к компромиссу со стохастическими дефектами в случае EUV. ^{[44] [45] [46]}

Стохастические эффекты

Объекты, изображенные с помощью DUV (слева), имеют гораздо меньшую изменчивость положения края, чем объекты, изображенные с помощью EUV (справа).

Поскольку свет состоит из фотонов , при низких дозах качество изображения в конечном итоге зависит от количества фотонов. Это влияет на использование литографии в крайнем ультрафиолете или EUVL, которая ограничена использованием низких доз порядка 20 фотонов/нм ² . ^[47] Это связано с меньшим количеством фотонов при той же энергетической дозе для более короткой длины волны (более высокая энергия на фотон). Поскольку изображение состоит из меньшего количества фотонов, на краях появляется шум. ^[48]

Фотоны распределяются между несколькими точками источника. Фотоны, составляющие экспозиционную дозу, распределяются поровну между точками источника (здесь показаны две), расположенными внутри зрачка.

Стохастические эффекты станут более сложными при увеличении шага диаграммы направленности, большем порядке дифракции и использовании большего количества точек источников освещения. ^{[49] [50]}

Вторичные электроны в EUV-литографии ухудшают стохастические характеристики. ^[51]

Источники света

Одним из путей развития литографии стало использование более коротких волн. Стоит отметить, что один и тот же источник света может использоваться для нескольких поколений техники.

Исторически в фотолитографии использовался ультрафиолетовый свет газоразрядных ламп с использованием ртути , иногда в сочетании с благородными газами, такими как ксенон . Эти лампы излучают свет широкого спектра с несколькими сильными пиками в ультрафиолетовом диапазоне. Этот спектр фильтруется для выделения одной спектральной линии . С начала 1960-х до середины 1980-х годов ртутные лампы использовались в литографии из-за их спектральных линий на длинах волн 436 нм («g-линия»), 405 нм («h-линия») и 365 нм («i-линия»). ). Однако из-за потребности полупроводниковой промышленности как в более высоком разрешении (для производства более плотных и быстрых чипов), так и в более высокой производительности (для более низких затрат), инструменты для литографии на основе ламп больше не могли отвечать высоким требованиям отрасли.

Эта проблема была решена в 1982 году, когда Канти Джайн предложил и продемонстрировал в IBM эксимерлазерную литографию. ^{[52] [53] [54] [55]} Машины для эксимерной лазерной литографии (степперы и сканеры) стали основными инструментами в производстве микроэлектроники и позволили сократить минимальные размеры элементов при производстве чипов с 800 нанометров в 1990 году до 7 нанометров в 2018 году. ^{[56] [57]} С еще более широкой научной и технологической точки зрения, за 50-летнюю историю лазера с момента его первой демонстрации в 1960 году изобретение и развитие эксимерлазерной литографии было признано важной вехой . ^{[58] [59] [60]}

Обычно в системах литографии используются эксимерные лазеры глубокого ультрафиолета: лазер на фториде криптона (KrF) с длиной волны 248 нм и лазер на фториде аргона (ArF) с длиной волны 193 нм. Основными производителями эксимерных лазерных источников света в 1980-х годах были Lambda Physik (ныне часть Coherent, Inc.) и Lumonics. С середины 1990-х годов Cymer Inc. стала доминирующим поставщиком источников эксимерного лазера для производителей литографического оборудования, а Gigaphoton Inc. стала их ближайшим конкурентом. Обычно эксимерный лазер предназначен для работы с определенной газовой смесью; следовательно, изменение длины волны - нетривиальное дело, поскольку метод генерации новой длины волны совершенно другой, и характеристики поглощения материалов изменяются. Например, воздух начинает значительно поглощать длину волны около 193 нм; переход на длину волны ниже 193 нм потребует установки вакуумного насоса и продувочного оборудования на литографических инструментах (серьезная проблема). Иногда вместо вакуума можно использовать атмосферу инертного газа, чтобы избежать необходимости использования жесткой сантехники. Кроме того, изолирующие материалы, такие как диоксид кремния , при воздействии фотонов с энергией, превышающей ширину запрещенной зоны, высвобождают свободные электроны и дырки, которые впоследствии вызывают неблагоприятный заряд.

Оптическая литография была расширена и теперь включает размеры менее 50 нм с использованием эксимерного лазера ArF с длиной волны 193 нм и методов жидкостной иммерсии. Также называемая иммерсионной литографией , она позволяет использовать оптику с числовыми апертурами, превышающими 1,0. Используемая жидкость обычно представляет собой сверхчистую деионизированную воду, показатель преломления которой превышает показатель обычного воздушного зазора между линзой и поверхностью пластины. Вода постоянно циркулирует, чтобы устранить термические искажения. Вода допускает ЧА только до ~1,4, но жидкости с более высокими показателями преломления позволяют еще больше увеличить эффективную ЧА .

Изменение длины волны литографии существенно ограничивается поглощением. Воздух поглощает ниже c.  185 нм .

Были созданы экспериментальные инструменты, использующие длину волны 157 нм эксимерного лазера F2, аналогично современным системам воздействия. Когда-то они были нацелены на замену литографии 193 нм на узле размера элемента 65 нм, но теперь практически исчезли с появлением иммерсионной литографии. Это произошло из-за постоянных технических проблем с технологией 157 нм и экономических соображений, которые послужили сильным стимулом для дальнейшего использования технологии эксимер-лазерной литографии 193 нм. Иммерсионная литография с высоким индексом преломления является новейшим развитием литографии с длиной волны 193 нм, которое следует рассматривать. В 2006 году IBM с использованием этого метода продемонстрировала характеристики размером менее 30 нм. ^[61] В этих системах использовались линзы из фторида кальция CaF ₂ . ^{[62] [63]} Была исследована иммерсионная литография при 157 нм. ^[64]

Эксимерные УФ-лазеры были продемонстрированы на длине волны около 126 нм (для Ar ₂ *). Ртутные дуговые лампы рассчитаны на поддержание постоянного постоянного тока напряжением от 50 до 150 Вольт, однако эксимерные лазеры имеют более высокое разрешение. Эксимерные лазеры представляют собой газовые световые системы, которые обычно заполнены инертными и галогенидными газами (Kr, Ar, Xe, F и Cl), заряжаемыми электрическим полем. Чем выше частота, тем больше разрешение изображения. KrF-лазеры способны работать на частоте 4 кГц. Эксимерные лазеры не только работают на более высокой частоте, но и совместимы с более совершенными машинами, чем ртутные дуговые лампы. Они также могут работать на больших расстояниях (до 25 метров) и сохранять точность благодаря ряду зеркал и линз с антибликовым покрытием. За счет установки нескольких лазеров и зеркал количество потерь энергии сводится к минимуму, а поскольку линзы покрыты просветляющим материалом, интенсивность света остается относительно одинаковой с момента выхода из лазера до момента попадания на пластину. ^[65]

Лазеры использовались для косвенной генерации некогерентного ультрафиолетового (EUV) света с длиной волны 13,5 нм для литографии в крайнем ультрафиолете . EUV-свет излучается не лазером, а оловянной или ксеноновой плазмой, возбуждаемой эксимерным или CO ₂ -лазером. ^[66] Этот метод не требует синхротрона, а источники EUV, как уже отмечалось, не производят когерентного света. Однако для работы с УФ-излучением на краю рентгеновского спектра (который начинается с 10 нм) необходимы вакуумные системы и ряд новых технологий (включая гораздо более высокие энергии EUV, чем сейчас производятся). По состоянию на 2020 год EUV используется в массовом производстве ведущими литейными предприятиями, такими как TSMC и Samsung.

Теоретически альтернативным источником света для фотолитографии, особенно если и когда длина волны продолжает уменьшаться до экстремальных ультрафиолетовых или рентгеновских лучей, является лазер на свободных электронах (или, можно сказать, xaser для рентгеновского устройства). Лазеры на свободных электронах могут генерировать высококачественные лучи на произвольных длинах волн.

Для литографии также применялись фемтосекундные лазеры видимого и инфракрасного диапазона. В этом случае фотохимические реакции инициируются многофотонным поглощением. Использование этих источников света имеет множество преимуществ, включая возможность изготовления настоящих 3D-объектов и обработки нефотосенсибилизированных (чистых) стеклоподобных материалов с превосходной оптической устойчивостью. ^[67]

Экспериментальные методы

Фотолитография уже много лет опровергает предсказания о ее кончине. Например, к началу 1980-х годов многие в полупроводниковой промышленности пришли к выводу, что элементы размером менее 1 микрона невозможно напечатать оптически. Современные методы с использованием эксимер-лазерной литографии уже печатают детали размером в доли длины волны используемого света – удивительный оптический подвиг. Новые методы, такие как иммерсионная литография , двухцветный резист и множественное нанесение рисунка, продолжают улучшать разрешение литографии 193 нм. Между тем, текущие исследования изучают альтернативы обычному УФ-излучению, такие как электронно-лучевая литография , рентгеновская литография , литография в крайнем ультрафиолете и ионно-проекционная литография . Литография в экстремальном ультрафиолете вошла в массовое производство: с 2018 года Samsung ^[68] и другие производители последовали этому примеру.

Экономика

В 2001 году издание NIST сообщило, что процесс фотолитографии составляет около 35% от общей стоимости обработки пластины. ^{[69] : 11}

В 2021 году стоимость индустрии фотолитографии превысила 8 миллиардов долларов США. ^[70]

Смотрите также

• Нанолитография пером
• Мягкая литография
• Магнитолитография
• Наноканальные стеклянные материалы
• Стереолитография — макромасштабный процесс, используемый для создания трёхмерных форм.
• Вафельный литейный завод
• Химия фотолитографии
• Компьютерная литография
• АСМЛ Холдинг
• Альвеольная лаборатория
• Производство полупроводниковых приборов

Рекомендации

1. Кэрролл, Грегори Т.; Турро, Николас Дж.; Маммана, Анжела; Коберштейн, Джеффри Т. (2017). «Фотохимическая иммобилизация полимеров на поверхности: контроль толщины и смачиваемости пленки». Фотохимия и фотобиология . 93 (5): 1165–1169. дои : 10.1111/php.12751. ISSN  0031-8655. PMID  28295380. S2CID  32105803.
2. "DSA снова входит в литографию" . 15 марта 2018 г.
3. "Джей В. Латроп | Музей истории компьютеров" . www.computerhistory.org . Проверено 18 июня 2018 г.
4. Уилсон, К.Г., Даммел, Р.Р. и Райзер, А. (1997). Тараскон-Ориоль, Регина Дж. (ред.). «Фоторезистные материалы: историческая перспектива». Достижения в области технологии и обработки резистов XIV . 3049 : 28. Бибкод : 1997SPIE.3049...28W. дои : 10.1117/12.275826. S2CID  136616549.{{cite journal}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link)
5. "Литография".
6. Левинсон, Гарри Дж. (2005). Принципы литографии. СПАЙ Пресс. ISBN 9780819456601.
7. Латроп, Джей В. (2013). «Фотолитографический подход к микросхемам Лаборатории алмазных артиллерийских взрывателей - журналы и журналы IEEE». IEEE Анналы истории вычислений . 35 : 48–55. дои : 10.1109/MAHC.2011.83. S2CID  2562671.
8. Weightman, Гэвин (2015). Эврика: Как происходят изобретения. Издательство Йельского университета. стр. 178–179. ISBN 978-0300192087.
9. Лекуйер, Кристоф (2010). Создатели микрочипов: документальная история Fairchild Semiconductor . Массачусетский технологический институт Пресс. ISBN 978-0262014243.
10. Справочник по индустрии интегральных схем. Спрингер. 27 ноября 2023 г. ISBN 978-981-99-2836-1.
11. Джагер, Ричард К. (2002). «Литография». Введение в производство микроэлектроники (2-е изд.). Река Аппер-Седл: Прентис-Холл. ISBN 978-0-201-44494-0.
12. Кларк, Бенджамин Л.; Кочиш, Майкл; Грир, Майкл; Гренвилл, Эндрю; Сайто, Такаши; Хули, Лиор; Фаррелл, Ричард; Хетцер, Дэвид; Ху, Шан; Мацумото, Хироиэ; Мец, Эндрю; Каваками, Синчиро; Мацунага, Коичи; Эномото, Масаси; Лауэрхас, Джеффри; Раткович, Энтони; Декракер, Дэвид (2015). «Интеграция процесса нанесения покрытия и проявителя фоторезиста на основе оксидов металлов». В Уоллоу, Томас И.; Холе, Кристоф К. (ред.). Достижения в области материалов и процессов создания рисунков XXXII . Том. 9425. стр. 355–361. дои : 10.1117/12.2085982. S2CID  122169514.
13. Справочник по микролитографии СБИС, 2-е издание. Издательство Кембриджского университета. Апрель 2001 г. ISBN. 9780080946801.
14. Материалы седьмого симпозиума по автоматизированному производству интегральных схем. Электрохимическое общество. 1992. ISBN 9781566770040.
15. Чжао, XA; Колава, Э; Николет, Массачусетс (1986). «Реакции тонких металлических пленок с кристаллическим и аморфным Al2O3». Калифорнийский технологический институт . 4 (6): 3139. Бибкод : 1986JVSTA...4.3139Z. дои : 10.1116/1.573642.
16. «Полупроводниковая литография (фотолитография) - основной процесс» .
17. «С. Арскотт, 'Пределы планаризации краевых валиков и выравнивания поверхности в жидкостных пленках с центрифугированием', J. Micromech. Microeng. 30, 025003, (2020)». дои : 10.1088/1361-6439/ab60be. hdl : 20.500.12210/44092 . S2CID  214580612. {{cite journal}}: Требуется цитировать журнал |journal=( помощь )
18. Ван, Янъюань; Чи, Мин-Хва; Лу, Джесси Джен-Чанг; Чен, Чунь-Чжан (27 ноября 2023 г.). Справочник по индустрии интегральных схем. Спрингер Природа. ISBN 978-981-99-2836-1– через Google Книги.
19. Микролитография: наука и технологии, второе издание. ЦРК Пресс. 3 октября 2018 г. ISBN 9781420051537.
20. Хирои, Ёсиоми; Кишиока, Такахиро; Сакамото, Рикимару; Маруяма, Дайсуке; Охаси, Такуя; Исида, Томохиса; Кимура, Сигео; Сакаида, Ясуси; Ватанабэ, Хисаюки (2007). «BARC (нижнее антибликовое покрытие) для процесса погружения». В Линь, Цинхуан (ред.). Достижения в области резистивных материалов и технологий обработки XXIV . Том. 6519. стр. 731–740. дои : 10.1117/12.711305. S2CID  122377285.
21. Вакамидзу, Шинья; Кёда, Хидехару; Накано, Кацуши; Фудзивара, Томохару (2008). «Иммерционная литография 193 нм для крупносерийного производства с использованием нового инструмента для иммерсионного экспонирования и системы нанесения покрытия/проявителя». В Чен, Алек С.; Лин, Берн; Йен, Энтони (ред.). Литография Азия 2008 . Том. 7140. стр. 819–826. дои : 10.1117/12.804675. S2CID  109584069.
22. Вэй, Яи; Брейнард, Роберт Л. (1 января 2009 г.). Усовершенствованные процессы для иммерсионной литографии 193 нм. СПАЙ Пресс. ISBN 978-0-8194-7557-2– через Google Книги.
23. Наламасу, Омкарам; и другие. «Обзор резистной обработки для DUV-фотолитографии».
24. Ван, Хан; Нин, Фэн; Сюй, Цян; Лю, Сюэ-Пин (2015). «Краткий обзор текущего развития развивающихся технологий в области производства интегральных схем». Материалы 3-й Международной конференции по мехатронике, робототехнике и автоматизации . Том. 15. дои : 10.2991/ICMRA-15.2015.256. ISBN 978-94-62520-76-9. S2CID  54991701.
25. «Техника - литография | Основные объекты» . cores.research.asu.edu . Проверено 4 февраля 2020 г.
26. Фудзивара, Томохару; Сираиси, Кеничи; Танизаки, Хирокадзу; Исии, Юки; Кёда, Хидехару; Ямамото, Таро; Исида, Сэйки (2006). «Управление пластиной между слоем покрытия/проявителем и инструментом для иммерсионной литографии». Во Флагелло, Донис Г. (ред.). Оптическая микролитография XIX . Том. 6154. стр. 1553–1562. дои : 10.1117/12.656303. S2CID  110508653.
27. Передовые процессы для иммерсионной литографии 193 нм. СПАЙ Пресс. 2009. ISBN 9780819475572.
28. «АН-Метил-2-пирролидон» (PDF) .
29. Нет, Джинсу; Юнг, Минхун; Юнг, Юнсу; Ём, Чисун; Пё, Мёнхо; Чо, Гёджин (апрель 2015 г.). «Ключевые проблемы с печатными гибкими тонкопленочными транзисторами и их применением в одноразовых радиочастотных датчиках». Труды IEEE . 103 (4): 554–566. дои : 10.1109/JPROC.2015.2410303 . ISSN  0018-9219.
30. Лафонтен, Б., «Лазеры и закон Мура», SPIE Professional, октябрь 2010 г., стр. 20; http://spie.org/x42152.xml
31. «Пределы разрешения литографии: парные функции» .
32. «Влияние расфокусировки и освещения на изображение высоты звука».
33. «Как сокращение линий стало необходимым» .
34. М. Эрлингс и др., Proc. SPIE 4404, 266 (2001).
35. «Ограничения 1D и 2D-паттернов в продвинутой литографии» . YouTube .
36. «Исчезновение половины коэффициентов Фурье в шахматных массивах». YouTube .
37. «Прогулка по шагу от закругления углов в литографии» - через www.youtube.com.
38. ES Wu et al., J. Microlith., Microfab., Microsyst. 4, 023009 (2005).
39. «Размытие, а не длина волны определяет разрешение на расширенных узлах» .
40. А. Нарасимхан и др., Proc. ШПИЕ 9422, 942208 (2015).
41. П. де Шеппер и др., Proc. ШПИЕ 9425, 942507 (2015).
42. Ма, Дж. Х.; Нолло, П.; Ахмед, М.; Костко, О. (2020). «Определение эффективной длины затухания медленных электронов в полимерных пленках». Журнал прикладной физики . 127 (24): 245301. Бибкод : 2020JAP...127x5301M. дои : 10.1063/5.0007163 . ОСТИ  1782149. S2CID  221935438.
43. «Ограничения разрешения, LER и чувствительности фоторезиста» (PDF) .
44. П. Де Бишоп и Э. Хендрикс, Proc. ШПИЕ 10583, 105831К (2018).
45. «Возвращение к литографии EUV: стохастические распределения после размытия» .
46. А. Де Сильва и др., Proc. ШПИЕ 10957, 109570F (2019).
47. «Стохастическое поведение оптических изображений и его влияние на разрешение». www.linkedin.com .
48. «Стохастическое происхождение шероховатости кромок элементов EUV» .
49. «Необходимость заполнения зрачков в EUV-литографии» . 7 августа 2023 г.
50. «Стохастическое изменение освещения источника EUV».
51. «Стохастические характеристики DUV и EUV-литографии» - через www.youtube.com.
52. Джайн, К. «Эксимер-лазерная литография» , SPIE Press, Беллингем, Вашингтон, 1990.
53. Джайн, К. и др., «Сверхбыстрая литография в глубоком УФ-излучении с эксимерными лазерами», IEEE Electron Device Lett., Vol. EDL-3, 53 (1982): http://ieeexplore.ieee.org/xpl/freeabs_all.jsp?arnumber=1482581
54. Лин, Б.Дж., «Оптическая литография» , SPIE Press, Беллингем, Вашингтон, 2009, стр. 136.
55. Бастинг, Д. и др., «Исторический обзор развития эксимерных лазеров», в «Технологии эксимерных лазеров» , Д. Бастинг и Г. Маровски, ред., Springer, 2005.
56. «Samsung начинает первое в отрасли массовое производство системы на кристалле с 10-нанометровой технологией FinFET» . 17 октября 2016 г.
57. «TSMC начинает массовое производство 7-нм чипов» . АнандТех. 28 апреля 2018 г. Проверено 20 октября 2018 г.
58. Американское физическое общество / Лазеры / История / Хронология; http://www.laserfest.org/lasers/history/timeline.cfm
59. SPIE / Продвижение лазера / 50 лет и в будущее; http://spie.org/Documents/AboutSPIE/SPIE%20Laser%20Luminaries.pdf
60. Исследовательский совет по инженерным и физическим наукам Великобритании / Лазеры в нашей жизни / 50 лет воздействия; «Архивная копия» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 13 сентября 2011 г. Проверено 22 августа 2011 г.{{cite web}}: CS1 maint: archived copy as title (link)
61. Хэнд, Аарон. «Линзы с высоким индексом позволяют добиться погружения за пределы 32 нм». Архивировано из оригинала 29 сентября 2015 г.
62. «МИКРОЭЛЕКТРОННАЯ ОБРАБОТКА - Литография на длине волны 157 нм набирает обороты» . Август 1999 года.
63. Итани, Тосиро; Вакамия, Ватару; Кэшмор, Джулиан; Гауэр, Малькольм (2003). «Литография 157 нм с линзой с высокой числовой апертурой для узла менее 70 нм». Микроэлектронная инженерия . 67–68: 39–46. дои : 10.1016/S0167-9317(03)00057-1.
64. https://pubs.aip.org/avs/jvb/article-abstract/19/6/2353/1073785/Immersion-lithography-at-157-nm?redirectedFrom=fulltext
65. Мартини, Маттео. «Источники света, используемые в фотолитографии». Архивировано из оригинала 29 октября 2014 г. Проверено 28 октября 2014 г.
66. _ 29 августа 2019 г.
67. Йонушаускас, Линас; Гайлявичюс, Дарий; Миколюнайте, Лина; Сакалаускас, Данас; Шакирзановас, Симас; Юодказис, Саулюс; Малинаускас, Мангирдас (2 января 2017 г.). «Оптически прозрачная и эластичная микро-оптика произвольной формы, напечатанная на 3D-принтере с помощью сверхбыстрой лазерной литографии». Материалы . 10 (1): 12. Бибкод : 2017Mate...10...12J. дои : 10.3390/ma10010012 . ПМЦ 5344581 . ПМИД  28772389. 
68. «Samsung Elec становится первой в мире компанией, использующей EUV по 7-нм техпроцессу - Pulse от Maeil Business News Korea» .
69. «Офис программ микроэлектроники: программы, деятельность и достижения» (PDF) . Национальное бюро стандартов: Лаборатория электроники и электротехники. Архивировано из оригинала (PDF) 23 июля 2020 г.
70. «Рынок фотолитографии: глобальный отраслевой анализ и прогноз (2021-2029)» . МАКСИМАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ РЫНКА . Проверено 14 марта 2023 г.

Внешние ссылки

• Ресурсы BYU по фотолитографии
• Полупроводниковая литография - обзор литографии
• Введение в оптическую литографию - сайт IBM со статьями по литографии.