Fotolitografijos technologijos įvadas
Fotolitografijos technologijos raidos istorija
Nuo tada, kai 1958 m. rugsėjo 12 d. Jackas S. Kilby išrado pirmąjį pasaulyje integrinį grandyną, integriniai grandynai sparčiai vystėsi daugiau nei 50 metų. Mažiausias linijos plotis dabar yra nuo 20 iki 30 nm. laiko, įeinant į gilų submikroninį diapazoną. Fotolitografijos technologija, viena iš pagrindinių technologijų, taip pat išsivystė nuo pradinio didinamųjų lęšių, panašių į fotografijos įrangos naudojimo, iki šiandieninės panardinimo tipo 1,35 didelės skaitmeninės diafragmos, kuri turi galimybę automatiškai valdyti ir reguliuoti vaizdo kokybę, esant skersmeniui. daugiau nei pusės metro ir pusės tonos svorio. milžiniškas objektyvų rinkinys. Fotolitografijos funkcija yra spausdinti puslaidininkių grandinių raštus ant silicio plokštelių sluoksnis po sluoksnio. Jo idėja kilusi iš ilgametės spausdinimo technologijos. Skirtumas tas, kad spausdinant informacija įrašoma naudojant rašalą, kad būtų pakeisti šviesos atspindys popieriuje. , o fotolitografija naudoja fotocheminę šviesai ir šviesai jautrių medžiagų reakciją kontrasto pokyčiams pasiekti.
Spausdinimo technologija pirmą kartą atsirado vėlyvojoje Hanų dinastijoje Kinijoje. Po daugiau nei 800 metų Bi Sheng iš Song dinastijos padarė revoliucinius patobulinimus ir fiksuotą blokų spausdinimą pavertė kilnojamojo tipo spausdinimu, kuris vėliau sparčiai vystėsi. Šiais laikais buvo sukurta lazerinio fototipavimo technologija. „Fotolitografija“ dabartine prasme prasidėjo nuo Aloiso Senefedlerio bandymų 1798 m. Bandydamas išleisti savo knygą Miunchene (Vokietija), jis išsiaiškino, kad jei naudotų aliejinį pieštuką piešdamas iliustracijas ant poringo kalkakmenio, o nenupieštas vietas sudrėkintų vandeniu. , rašalas būtų tik Klijai ten, kur piešėte pieštuku. Ši technika vadinama litografija arba piešimas ant akmens. Litografija buvo šiuolaikinės kelių registracijų pirmtakas.
Pagrindiniai fotolitografijos metodai
Nors yra tam tikrų panašumų, fotolitografijoje integriniuose grandynuose vietoj rašalo naudojama šviesa, o sritys su rašalu ir be rašalo tampa sritimis su šviesa ir be šviesos ant kaukės. Integrinių grandynų gamybos pramonėje litografija taip pat vadinama fotolitografija arba litografija. Lygiai taip pat, kaip aliejinis rašalas selektyviai nusodinamas ant kalkakmenio, šviesa gali prasiskverbti tik per skaidrias kaukės sritis, o projekcinė šviesa įrašoma ant šviesai jautrios medžiagos, vadinamos fotorezistu. Paprasta schematinė fotolitografijos proceso schema parodyta 7.1 pav.
Kadangi po ultravioletinės (UV) šviesos fotorezisto tirpimo greitis keičiasi, kaukės raštas perkeliamas į fotorezisto sluoksnį, esantį silicio plokštelės viršuje. Sritys, padengtos fotorezistu, gali užtikrinti tolesnį kaukės rašto perkėlimą, užkertant kelią tolesniam apdorojimui (pvz., ėsdinimui ar jonų implantavimui).
Nuo 1960 m. fotolitografijos technologijas galima suskirstyti į tris tipus: kontaktinė ekspozicija, artumo ekspozicija ir projekcinė ekspozicija. Ankstyviausias buvo kontaktinis arba artumo poveikis, kuris buvo pagrindinė gamybos kryptis iki -20amžiaus vidurio. Dėl kontaktinio poveikio, kadangi teoriškai tarp kaukės ir silicio plokštelės viršaus nėra tarpo, skiriamoji geba nėra problema. Tačiau, kadangi kontaktas sukels defektų dėl kaukės ir fotorezisto nusidėvėjimo, žmonės galiausiai pasirinko artimą ekspoziciją. Žinoma, esant artimam ekspozicijai, nors defektų išvengiama, artumo ekspozicijos skiriamoji geba yra apribota iki 3 μm ar didesnės dėl tarpų ir šviesos sklaidos. Teorinė artumo poveikio skiriamosios gebos riba yra
Tarp jų,
k reiškia fotorezisto parametrus, paprastai tarp 1 ir 2;
CD reiškia minimalų dydį, tai yra kritinį matmenį, kuris paprastai atitinka mažiausią išsprendžiamą erdvinio periodo linijos plotį;
λ reiškia poveikio bangos ilgį;
g reiškia atstumą nuo kaukės iki fotorezisto paviršiaus tarpo (g=0 atitinka kontakto ekspoziciją)
Kadangi g paprastai yra didesnis nei 10 μm (ribojamas kaukės ir silicio plokštelės paviršiaus lygumo), skiriamoji geba yra labai ribota, pvz., 3 μm, kai apšvietimo bangos ilgis yra 450 nm. Kontaktinis poveikis gali siekti 0,7 μm.
Siekiant įveikti dvigubus defektų ir skiriamosios gebos sunkumus, buvo pasiūlyta projekcijos ekspozicijos schema, kurioje kaukę ir silicio plokštelę skiria daugiau nei keli centimetrai. Optiniai lęšiai naudojami kaukės modelio lęšiui vaizduoti ant silicio plokštelės. Kadangi rinka reikalauja didesnių lustų dydžių ir griežtesnės linijos pločio vienodumo kontrolės, projekcijos ekspozicija taip pat palaipsniui pasikeitė nuo pradinio
Viso silicio plokštelės ekspozicija visos silicio plokštelės skenavimo ekspozicija (žr. 7.2 pav. (a))
laipsniškas ir kartotinis poveikis (žr. 7.2 pav. b)
veiksmas ir nuskaitymas (žr. 7.2 pav. (c))
Viso silicio plokštelės 1:1 ekspozicijos metodas yra paprastos struktūros ir nereikalauja didelio šviesos monochromatiškumo. Tačiau, kadangi lusto dydis ir silicio plokštelės dydis tampa vis didesni, o linijos plotis tampa vis smulkesnis, optinė sistema negali vienu metu projektuoti modelio ant visos silicio plokštelės nepakenkdama vaizdo kokybei, todėl bloko ekspozicija tampa neišvengiama. .
Vienas iš blokinio poveikio metodų yra visos silicio plokštelės skenavimo metodas, kaip parodyta 7.2 paveiksle (a). Šis metodas nuolat nuskaito ir atskleidžia ant kaukės esantį raštą silicio plokštelei per lanko formos matymo lauką. Sistemoje naudojami du sferiniai veidrodžiai su ta pačia optine ašimi, o jų kreivio spindulys ir montavimo atstumas nustatomas pagal aberacijos nebuvimo reikalavimą.
Tačiau, kadangi lusto dydis ir silicio plokštelės dydis tampa vis didesni, o linijos plotis tampa vis smulkesnis, 1x ekspozicija daro vis sunkiau sukurti kaukę, kuri būtų labai tiksli rašto gamybai ir išdėstymo tikslumui.
Todėl aštuntojo dešimtmečio pabaigoje atsirado sumažinto didinimo blokinio eksponavimo aparatas. Lustų raštas po vieną apšviečiamas silicio plokštele, kaip parodyta 7.2 paveiksle (b). Todėl ši ekspozicijos sistema su sumažintu padidinimu vadinama žingsnio ir kartojimo sistema arba žingsniu.
Tačiau didėjant lusto dydžiui ir silicio plokštelės dydžiui, o linijos pločio valdymui griežtėjant, net techninės stepperio galimybės negali patenkinti poreikių. Išsprendus prieštaravimą tarp šios paklausos ir dabartinės technologijos, tiesiogiai atsirado žingsninio ir nuskaitymo ekspozicijos aparatas, kaip parodyta 7.2 paveiksle (c). Šis įrenginys yra hibridas, apjungiantis ankstyvojo viso plokštelės skenavimo ekspozicijos aparato ir vėlesnio žingsninio ir kartotinio ekspozicijos aparato pranašumus: kaukė nuskaitoma ir projektuojama, o ne projektuojama iš karto, o visa silicio plokštelė taip pat eksponuojama blokai. Šis įrenginys optinius sunkumus perkelia į aukštą mechaninį padėties nustatymą ir valdymą. Šis prietaisas pramonėje naudojamas iki šių dienų, ypač puslaidininkinių lustų gamyboje esant 65 nm ir mažesniems technologiniams mazgams.
Pagrindiniai litografijos aparatų gamintojai pasaulyje yra ASML Nyderlanduose, Nikon ir Canon Japonijoje bei kiti ne pilno dydžio litografijos aparatų gamintojai, pavyzdžiui, Ultrastepper.
Buitinių pažangių skenuojamųjų litografijos mašinų gamyba pradėta vėlai. Po 2002 d. jį daugiausia sukūrė Shanghai Microelectronics Equipment Co., Ltd. (SMEE). Buitinės litografijos mašinos išsivystė nuo naudotų litografijos mašinų remonto iki savarankiško litografijos kūrimo ir gamybos. Pažangiausias šiuo metu kuriamas litografijos aparatas yra 193 nm SSA600/20 (žr. 7.3 pav.). Nors vis dar yra didelis atotrūkis nuo pasaulio pažengusio lygio, reikia pasakyti, kad padaryta džiuginanti pažanga. Jo skaitmeninė diafragma yra 0,75, standartinis ekspozicijos laukas yra 26 × 33 mm, skiriamoji geba yra 90 nm, perdangos tikslumas yra 20 nm, o 300 mm gamybos pajėgumas yra 80 vienetų per valandą.
Kiti vaizdo perdavimo būdai
Gerai žinoma, kad viena iš tolesnio fotolitografijos plėtros krypčių yra sumažinti bangos ilgį. Tačiau šias pastangas sutrukdė tokie veiksniai kaip tinkamų 157 nm fotorezistų, kaukių apsauginių plėvelių (granulių) sukūrimas ir lęšių medžiagų, tokių kaip kalcio fluoridas, gamybos apimtis.
). Tačiau per pastaruosius 20 metų žmonės daug investavo į ekstremalaus ultravioletinio (EUV) bangos ilgio fotolitografiją. Ši technologija naudoja 13,5 nm ekstremalią ultravioletinę šviesą, kurią skleidžia ksenonas arba alavo plazma, kurią sukuria stiprūs lazeriai arba aukštos įtampos išlydžiai. Nors EUV technologijos suteikiama aukšta skiriamoji geba yra labai patraukli, ši technologija turi ir daug techninių sunkumų, pvz., veidrodis lengvai užteršiamas impulso generuojamų purslų medžiaga, itin lengvai sugeriama ekstremali ultravioletinė šviesa (reikalaujama, kad sistema būtų itin didelė didelis vakuumas ir minimalus atspindinčių lęšių skaičius), griežti kaukei keliami reikalavimai (jokių defektų ir didelis atspindėjimas), trumpo bangos ilgio sukeliamas blyksnis, fotorezisto reakcijos greitis ir skiriamoji geba ir kt.
Žmonės ne tik naudoja tradicinę šviesą kaukės modeliui perduoti, bet ir ieško kitų mikrolitografijos metodų, tokių kaip rentgeno spinduliai, nanoimprintas, tiesioginis kelių elektronų pluošto rašymas, elektronų pluoštas, jonų pluošto projekcija ir kt.
Sisteminiai fotolitografijos parametrai
Bangos ilgis, skaitmeninė diafragma, vaizdo erdvės vidutinis lūžio rodiklis
Anksčiau buvo minėta, kad artumo poveikio skiriamoji geba greitai blogėja, kai atstumas tarp kaukės ir silicio plokštelės didėja. Taikant projekcijos ekspozicijos metodą, optinė skiriamoji geba nustatoma pagal šią formulę, ty:
Tarp jų,
yra proporcinis koeficientas, apibūdinantis fotolitografijos proceso sudėtingumą. Paprastai kalbant,
yra nuo {{0}}.25 iki 1.0. Tai iš tikrųjų yra garsioji Rayleigh formulė. Pagal šią formulę optinę skiriamąją gebą lemia bangos ilgis λ, skaitmeninė diafragma NA ir su procesu susiję
. Jei reikia spausdinti mažesnį raštą, gali būti naudojamas būdas vienu metu sumažinti ekspozicijos bangos ilgį, padidinti skaitmeninę diafragmą, sumažinti
vertę arba pakeisti vieną iš veiksnių. Šiame skyriuje pirmiausia pristatysime esamus skiriamosios gebos gerinimo mažinant bangos ilgį ir didinant skaitmeninę diafragmą rezultatus. Kaip pagerinti skiriamąją gebą sumažinant
veiksnys pagal fiksuoto bangos ilgio ir skaitmeninės diafragmos prielaidą bus aptartas vėliau.
Nors trumpas bangos ilgis gali pasiekti didelę skiriamąją gebą, taip pat reikia atsižvelgti į keletą kitų svarbių parametrų, susijusių su šviesos šaltiniu, pvz., šviesos intensyvumą (ryškumą), dažnio juostos plotį ir darną (nuoseklumas bus išsamiai aprašytas vėliau). Po išsamaus patikrinimo aukšto slėgio gyvsidabrio lempa buvo pasirinkta kaip patikimas šviesos šaltinis dėl savo ryškumo ir daug ryškių spektro linijų. Naudojant skirtingų bangų ilgių filtrus, galima pasirinkti skirtingus ekspozicijos bangos ilgius. Galimybė pasirinkti vieną šviesos bangos ilgį yra labai svarbi fotolitografijai, nes bendras žingsninis ne monochromatinei šviesai sukurs chromatinę aberaciją, todėl pablogės vaizdo kokybė. Pramonėje naudojamos G linija, H linija ir I linija nurodo atitinkamai 436 nm, 405 nm ir 365 nm gyvsidabrio lempos spektrus, naudojamus ekspozicijos aparato (žr. 7.4 pav.).
Kadangi I-line stepperio optinė skiriamoji geba gali siekti tik 0,25 μm, dėl didesnės skyros poreikio ekspozicijos bangos ilgis buvo sumažintas iki trumpesnio bangos ilgio, pvz., Deep Ultraviolet (DUV) spektras {{3} }nm. Tačiau aukšto slėgio gyvsidabrio lempų išplėtimas giliuose ultravioletiniuose spinduliuose nėra idealus ne tik dėl nepakankamo intensyvumo, bet ir dėl to, kad ilgos bangos juostos spinduliuotė sukels šilumą ir deformuos. Įprasti ultravioletiniai lazeriai taip pat nėra idealūs, pavyzdžiui, argono jonų lazeriai, nes per didelė erdvinė darna sukels dėmes ir paveiks apšvietimo vienodumą. Priešingai, eksimeriniai lazeriai buvo pasirinkti kaip idealūs šviesos šaltiniai giliai ultravioletiniams spinduliams dėl šių pranašumų.
(1) Jų didelė galia padidina litografijos mašinos našumą;
(2) Jų erdvinis nenuoseklumas, skirtingai nuo kitų lazerių, pašalina dėmes;
(3) Didelė galia leidžia lengvai sukurti tinkamus fotorezistus;
(4) Optiniu požiūriu galimybė sukurti giliųjų ultravioletinių spindulių išvestį siauru dažniu (iki kelių pm) leidžia sukurti aukštos kokybės viso kvarco litografijos mašinų lęšius.
Todėl eksimeriniai lazeriai tapo pagrindiniu apšvietimo šviesos šaltiniu integrinių grandynų gamybos linijose, kurių dydis yra 0.5 μm ir mažesnis, o anksčiausią ataskaitą paskelbė Jain ir kt. Visų pirma, du eksimeriniai lazeriai, kriptono fluoridas (KrF), kurio bangos ilgis yra 248 nm, ir argono fluoridas (ArF), kurio bangos ilgis yra 193 nm, parodė puikų ekspozicijos energijos, dažnių juostos pločio, pluošto formos, tarnavimo laiką ir patikimumą. Todėl jie plačiai naudojami pažangiuose žingsninio ir nuskaitymo litografijos įrenginiuose, pvz., ASML dviejų platformų Twinscan XT: 1000H (KrF), Twinscan XT: 1450G (ArF) ir Nikon NSR-S210D (KrF), NSR{11 }}F (ArF).
Žinoma, žmonės vis dar ieško trumpesnio bangos ilgio šviesos šaltinių, pavyzdžiui, 157 nm lazerio, kurį generuoja fluoro molekulės.
Tačiau dėl sunkumų kuriant tinkamus fotorezistus, kaukių apsaugines plėveles (granulius) ir lęšių medžiagos kalcio fluorido gamybos apimties
), 157 nm litografijos technologija gali išplėsti puslaidininkių procesą tik vienu mazgu, ty nuo 65 nm iki 45 nm; o ankstesnė 193 nm litografijos technologija išplėtė gamybos mazgą nuo 130 nm iki dviejų mazgų: 90 nm ir 65 nm, todėl buvo galutinai atsisakyta pastangų komercializuoti masinę 157 nm litografijos technologijos gamybą. Ekspozicijos bangos ilgio raida su proceso mazgais parodyta 7.5 pav.
Be ekspozicijos bangos ilgio sutrumpinimo, kitas būdas padidinti skiriamąją gebą yra padidinti projekcijos / nuskaitymo įrenginio skaitmeninę diafragmą (NA).
Kur n reiškia lūžio rodiklį vaizdo erdvėje, o θ – didžiausią objektyvo lęšio pusę kampo vaizdo erdvėje, kaip parodyta 7.6 pav.
Jei vaizdo erdvės terpė yra oras arba vakuumas, jos lūžio rodiklis yra artimas 1.0 arba 1.0, o skaitmeninė diafragma yra sinθ. Kuo didesnis objektyvo lęšio kampas vaizdo erdvėje, tuo didesnė optinės sistemos skiriamoji geba. Žinoma, jei atstumas tarp objektyvo ir silicio plokštelės nesikeičia, kuo didesnė skaitmeninė diafragma, tuo didesnis objektyvo skersmuo. Kuo didesnis objektyvo dydis, tuo didesnis gamybos sunkumas ir sudėtingesnė struktūra.
Paprastai maksimali pasiekiama skaitmeninė diafragma nustatoma atsižvelgiant į objektyvo technologijos pagaminamumą ir gamybos sąnaudas. Šiuo metu tipiškame I linijos skenavimo litografijos aparate (ASML Twinscan XT: 450G) yra objektyvas, kurio didžiausias NA yra 0.65, kuris gali atskirti tankias 22{ {11}}nm ir 440 nm erdvinis periodas. Didžiausia kriptono fluorido (KrF) bangos ilgio skaitmeninė apertūra yra 0,93 (ASML Twinscan XT: 1000H), kuri gali atskirti tankias 80 nm linijas (160 nm erdvinis periodas). Pažangiausias ArF litografijos aparatas turi 0,93 skaitmeninę diafragmą (ASML Twinscan XT: 1450G), kuri gali spausdinti 65 nm tankias linijas (120 nm erdvinis periodas).
Kaip minėta anksčiau, skaitmeninę diafragmą galima padidinti ne tik padidinus objektyvo diafragmos kampą vaizdo erdvėje, bet ir padidinus vaizdo erdvės lūžio rodiklį. Jei vaizdo erdvei užpildyti naudojamas vanduo, o ne oras, vaizdo erdvės lūžio rodiklis bus padidintas iki 1,44, kai bangos ilgis yra 193 nm. Tai prilygsta 0,93 NA padidinimui ore iki 1,34 NA vienu metu. Rezoliucija pagerinama nuo 30% iki 40%. Todėl 2001 m. prasidėjo nauja imersinės litografijos era. Pažangiausi komerciniai panardinamojo skenavimo litografijos aparatai yra ASML Twinscan NXT: 1950i ir Nikon NSR-S610C, kaip parodyta 7.7 (a) ir 7.7 (b) paveiksluose. Imersinės litografijos situacija bus išsamiai aprašyta vėliau.
Fotolitografijos raiškos vaizdavimas
Anksčiau buvo minėta, kad fotolitografijos skiriamąją gebą lemia skaitmeninė sistemos diafragma ir bangos ilgis, ir, žinoma, tai susiję su fotolitografijos raiškos didinimo metodu, susijusiu su faktoriumi.
. Šiame skyriuje daugiausia pristatoma, kaip įvertinti fotolitografijos proceso skiriamąją gebą. Žinome, kad optinės sistemos skiriamąją gebą suteikia garsusis Rayleigh kriterijus. Kai du vienodo dydžio taškiniai šviesos šaltiniai yra arti vienas kito, atstumas nuo jų centro iki centro yra lygus atstumui nuo didžiausios vertės iki pirmosios minimalios kiekvieno optiniu prietaisu nufotografuoto šviesos šaltinio šviesos intensyvumo vertės, optinė sistema negali atskirti, ar tai yra du ar vienas šviesos šaltinis, kaip parodyta 7.8 paveiksle. Tačiau net jei jis atitinka Rayleigh kriterijų, šviesos intensyvumas srityje tarp dviejų taškinių šviesos šaltinių vis tiek yra mažesnis nei didžiausia vertė, o kontrastas yra apie 20%. Linijinio šviesos šaltinio atveju, kai šviesos šaltinio plotis yra be galo mažas, optinei sistemai, kurios skaitmeninė diafragma NA ir apšvietimo šviesos šaltinio bangos ilgis λ, šviesos intensyvumo pasiskirstymas vaizdo plokštumoje yra lygus.
Tai reiškia, kad šviesos intensyvumas pasiekia pirmąjį mažiausią tašką, palyginti su centrine vaizdo padėtimi (2NA). I0 reiškia šviesos intensyvumą vaizdo centre. Galima manyti, kad mažiausias atstumas, kurį ši optinė sistema gali išspręsti, yra λ/(2NA). Pavyzdžiui, kai bangos ilgis yra 193 nm, o NA yra 1,35 (panardinimas), mažiausias optinės sistemos skiriamosios gebos atstumas yra 71,5 nm.
Žinoma, ar fotolitografijos procesui tai reiškia, kad galima atspausdinti raštą, kurio erdvinis periodas yra 71,5 nm? Atsakymas yra ne. Yra dvi priežastys:
① Procesas reikalauja tam tikros atsargos ir proceso rodiklių, kad būtų gaminama masiškai;
② Komercinis visų mašinų ir įrangos gamybos tikslumas ir mašinos veikimo visapusiškumas, kad mašina galėtų spausdinti tankias linijas esant skiriamosios gebos ribai ir atskirtus raštus, taip pat turi sumažinti likusių aberacijų poveikį procesui.
1,35 NA litografijos aparatui ASML žada, kad minimalus erdvinis modelio periodas, kurį galima sukurti, yra 76 nm, tai yra, 38 nm tankios linijos su vienodais tarpais. Fotolitografijos procese ribinė skiriamoji geba yra tik pamatinė vertė. Realiame darbe kalbama tik apie tai, kokio dydžio proceso langas yra tam tikru erdviniu periodu ir tam tikru linijos plotiu ir ar jo pakanka masinei gamybai. Proceso langą apibūdinantys parametrai bus išsamiai aptarti 7.4 skyriuje. Štai trumpas įvadas. Paprastai parametrai, apibūdinantys proceso langą, apima ekspozicijos energijos platumą (EL), fokusavimo gylį arba fokusavimo gylį (DOF), kaukės klaidos koeficientą (MEF), perdangos tikslumą, linijos pločio vienodumą ir kt.
Ekspozicijos energijos platuma reiškia didžiausią leistiną ekspozicijos energijos nuokrypį leistinoje linijos pločio kitimo diapazone. Pavyzdžiui, linijos, kurios linijos plotis yra 90 nm, linijos plotis keičiasi priklausomai nuo energijos 3 nm/mJ, o leistinas linijos pločio kitimo diapazonas yra ± 9 nm, tada leistinas ekspozicijos energijos kitimo diapazonas yra 9 × 2/{ {5}} mJ. Jei ekspozicijos energija yra 30 mJ, energijos platuma yra 20%, palyginti su ekspozicijos energija.
Fokusavimo gylis paprastai yra susijęs su litografijos aparato fokusavimo valdymo našumu. Pavyzdžiui, 193 nm litografijos aparato fokusavimo valdymo tikslumas, įskaitant įrenginio židinio plokštumos stabilumą, objektyvo lauko kreivumą, astigmatizmą, niveliavimo tikslumą ir silicio plokštelės platformos lygumą, yra 120 nm. Tada minimalus proceso, kurį galima gaminti masiškai, židinio gylis turėtų būti didesnis nei 120 nm. Jei pridedama kitų procesų, tokių kaip cheminis-mechaninis planarizavimas, įtaka, reikia pagerinti minimalų fokusavimo gylį, pvz., 200 nm. Žinoma, kaip bus aptarta vėliau, fokusavimo gylis gali būti pagerintas energijos atsargos sąskaita.
Kaukės klaidos koeficientas (MEF) apibrėžiamas kaip silicio plokštelės linijos pločio nuokrypio dėl linijos pločio nuokrypio ant kaukės ir nuokrypio ant kaukės santykis, kaip parodyta formulėje (7-5).
Paprastai MEF yra artimas arba lygus 1.0. Tačiau, kai modelio erdvinis periodas artėja prie difrakcijos ribos, MEF sparčiai didės. Dėl per didelio klaidos koeficiento silicio plokštelės linijos pločio tolygumas pablogės. Arba, atsižvelgiant į pateiktą linijos pločio vienodumo reikalavimą, kaukės linijos pločio vienodumas yra per didelis.
Perdangos tikslumą paprastai lemia judančios litografijos aparato platformos žingsnių, nuskaitymo sinchronizavimo tikslumas, temperatūros valdymas, objektyvo aberacija ir aberacijos stabilumas. Žinoma, perdangos tikslumas priklauso ir nuo perdangos ženklo atpažinimo ir nuskaitymo tikslumo, proceso įtakos perdangos ženklui, proceso deformacijos silicio plokštelėje (pvz., įvairūs šildymo procesai, atkaitinimo procesai) ir kt. Šiuolaikinės litografijos mašinos žingsniavimas gali kompensuoti tolygų silicio plokštelės išsiplėtimą, taip pat gali kompensuoti nevienodą silicio plokštelės iškraipymą, pavyzdžiui, ASML paleista „tinklelio sudarymo“ GridMapper programinė įranga. Jis gali ištaisyti netiesinės silicio plokštelės poveikio tinklelio iškraipymą.
Linijos pločio vienodumas skirstomas į dvi kategorijas: vienodumą poveikio srityje (vidiniame lauke) ir vienodumą tarp poveikio sričių (tarplaukų).
Linijos pločio vienodumą ekspozicijos srityje daugiausia lemia kaukės linijos pločio vienodumas (perduodamas naudojant kaukės paklaidos koeficientą), energijos stabilumas (nuskaitymo metu), apšvietimo vienodumas skenavimo plyšyje, fokusavimo / niveliavimo vienodumas kiekviename ekspozicijos srities taške, objektyvas. aberacija (pvz., koma, astigmatizmas), nuskaitymo sinchronizavimo tikslumo klaida (Moving Standard Deviation, MSD) ir kt.
Linijos pločio vienodumą tarp ekspozicijos sričių daugiausia lemia apšvietimo energijos stabilumas, silicio plokštelės pagrindo plėvelės storio pasiskirstymas ant silicio plokštelės paviršiaus (daugiausia dėl klijų dangos vienodumo ir plėvelės storio vienodumo, atsirandančio dėl kitų procesų), silicio plokštelės lygumas. paviršius, su ryškalu susijusio kepimo vienodumas, ryškalo purškimo vienodumas ir kt.
Fotolitografijos proceso eiga
Pagrindinė 8-žingsnio fotolitografijos proceso eiga parodyta 7.9 pav.
žingsnis01-HMDS paviršiaus apdorojimas
žingsnis02-Klijavimas
žingsnis03-Kepimas prieš ekspoziciją
žingsnis04-Lygiavimas ir ekspozicija
veiksmas05-Kepimas po ekspozicijos
žingsnis06-Kūrimas
žingsnis07-Kepimas po kūrimo
žingsnis08-Matavimas
1. Dujinės silicio plokštelės paviršiaus paruošimas
Prieš fotolitografiją silicio plokštelė bus drėgnai nuvaloma ir nuplaunama dejonizuotu vandeniu, kad būtų pašalinti teršalai. Po valymo silicio plokštelės paviršių reikia hidrofobizuoti, kad būtų sustiprintas sukibimas tarp silicio plokštelės paviršiaus ir fotorezisto (dažniausiai hidrofobinio). Hidrofobiniam apdorojimui naudojama medžiaga, vadinama heksametildisilazanu, kurios molekulinė formulė yra (CH3)3SiNHSi(CH₃)₃. Gaminami heksametildisilazano (HMDS) garai. Šis išankstinis apdorojimas dujomis yra panašus į grunto purškimą ant medienos ir plastiko prieš dažymą. Heksametildisilazano vaidmuo yra pakeisti hidrofilinį hidroksilą (OH) silicio plokštelės paviršiuje hidrofobiniu hidroksilu (OH) per cheminę reakciją.OSi(CH₃)₃. Kad būtų pasiektas pirminio apdorojimo tikslas.
Pirminio dujų apdorojimo temperatūra kontroliuojama 200-250 laipsniu, o laikas paprastai yra 30 s. Dujų išankstinio apdorojimo įrenginys yra prijungtas prie plokštelės takelio fotorezisto apdorojimui, o jo pagrindinė struktūra parodyta 7.10 pav.
2. Sukasi padengtas fotorezistas, antirefleksinis sluoksnis
Po išankstinio apdorojimo dujomis silicio plokštelės paviršių reikia padengti fotorezistu. Plačiausiai naudojamas dengimo metodas yra gręžimo metodas. Fotorezistas (apie kelis mililitrus) iš pradžių vamzdynu transportuojamas į silicio plokštelės centrą, o po to silicio plokštelė bus sukama ir palaipsniui greitinama, kol stabilizuosis tam tikru greičiu (greitis lemia klijų storį, o storis atvirkščiai proporcingas greičio kvadratinei šaknims). Kai silicio plokštelė sustoja, jos paviršius iš esmės yra sausas, o storis stabilus esant iš anksto nustatytam dydžiui. Dangos storio vienodumas turi būti ±20Å („Å, tariamas „angstrom“, yra dalelių fizikos ilgio vienetas. 1Å yra lygus
m, tai yra viena dešimtoji nanometro) 45 nm ar daugiau pažangių technologijų mazguose. Paprastai yra trys pagrindiniai fotorezisto komponentai, organinė derva, cheminis tirpiklis ir šviesai jautrus junginys (PAC).
Išsamus fotorezistas bus aptartas skyriuje apie fotorezistą. Šiame skyriuje aptariama tik pagrindinė skysčių dinamika. Dengimo procesas yra padalintas į tris etapus:
① Fotorezisto transportavimas;
② Paspartinkite silicio plokštelės sukimąsi iki galutinio greičio;
③ Sukite pastoviu greičiu, kol storis stabilizuosis ties iš anksto nustatyta verte;
Galutinis fotorezisto storis yra tiesiogiai susijęs su fotorezisto klampumu ir galutiniu sukimosi greičiu. Fotorezisto klampumą galima reguliuoti didinant arba sumažinant cheminio tirpiklio kiekį. Sukimo dangos skysčio mechanika buvo kruopščiai ištirta.
Aukštus fotorezisto storio vienodumo reikalavimus galima pasiekti visiškai kontroliuojant šiuos parametrus:
① Fotorezisto temperatūra;
② Aplinkos temperatūra;
③ Silicio plokštelės temperatūra;
④ Išmetimo srautas ir dangos modulio slėgis;
Kitas iššūkis – kaip sumažinti su danga susijusius defektus. Praktika rodo, kad naudojant šį procesą galima žymiai sumažinti defektų atsiradimą.
(1) Pats fotorezistas turi būti švarus ir be kietųjų dalelių. Prieš dengiant, jis turi būti Naudojamas filtravimo procesas, o filtro porų dydis turi atitikti technologijos mazgo reikalavimus.
(2) Pačiame fotoreziste neturi būti sumaišyto oro, nes burbuliukai sukels vaizdo defektus. Burbulai elgiasi panašiai kaip dalelės.
(3) Dengimo dubenėlio konstrukcija turi būti apsaugota nuo išmesto fotorezisto aptaškymo.
(4) Fotorezisto tiekimo siurbimo sistema turi būti suprojektuota taip, kad po kiekvieno fotorezisto pristatymo galėtų įsiurbti atgal. Siurbimo atgal funkcija yra įsiurbti fotorezisto perteklių iš antgalio atgal į vamzdyną, kad perteklinis fotorezistas nenulašėtų ant silicio plokštelės arba perteklinis fotorezistas neišdžiūtų ir nesukeltų granulių defektų kito pristatymo metu. Siurbimo atgal veiksmas turi būti reguliuojamas, kad oro perteklius nepatektų į dujotiekį.
(5) Plokščių briaunų atrišimas (kraštas) granulių šalinimo (EBR) procese naudojamas tirpiklis turi būti gerai kontroliuojamas. Silicio plokštelių dengimo sukimosi metu fotorezistas tekės į silicio plokštelės kraštą ir nuo jo krašto. Silicio plokštelė prie silicio plokštelės galo dėl išcentrinės jėgos Silicio plokštelės krašte susidarys apskritimas, kuriame yra fotorezisto liekanos, kaip parodyta 7.11 paveiksle Jei jis nebus pašalintas, po džiovinimo šis rutuliukų ratas nusilups ir susidarys dalelės ir nukris ant silicio plokštelės, silicio plokštelės transportavimo įrankio ir silicio plokštelių apdorojimo įrangos, todėl padidės defektų dažnis. fotorezisto likučiai, esantys silicio plokštelės gale, prilips prie silicio plokštelės platformos (plokštelės griebtuvo), sukeldami prastą silicio plokštelės adsorbciją, sukeldami ekspozicijos defokusavimą ir padidindami perdangos klaidas dengimo įranga. Funkcija pašalinti fotorezistą tam tikru atstumu nuo silicio plokštelės krašto pasiekiama sukant silicio plokštelę prie silicio plokštelės krašto (vienas antgalis viršuje ir vienas apačioje, o antgalio padėtis nuo reguliuojamas silicio plokštelės kraštas).
(6) Po kruopštaus skaičiavimo buvo nustatyta, kad apie 90–99 % fotorezisto buvo nusukta nuo silicio plokštelės ir buvo švaistoma. Žmonės bandė iš anksto apdoroti silicio plokštelę prieš sukdami fotorezistą ant silicio plokštelės, naudodami cheminį tirpiklį, vadinamą propilenglikolio metilo eterio acetatu (molekulinė formulė CH3COOCH(CH₃)CH₃OCH₃), PGMEA). Šis metodas vadinamas atsparumo mažinimo danga (RRC). Tačiau jei šis metodas naudojamas netinkamai, atsiras defektų. Defektai gali būti susiję su cheminiu poveikiu RRC-fotorezisto sąsajoje ir RRC tirpiklio užteršimu ore esančiu amoniaku.
(7) Palaikykite ryškalo arba ryškinimo modulio išmetimo slėgį, kad ryškinimo proceso metu, kai silicio plokštelė sukasi, nepataškytų atgal mažyčiai ryškalo lašeliai.
Kadangi fotorezisto klampumas kinta priklausomai nuo temperatūros, sąmoningai keičiant silicio plokštelės arba fotorezisto temperatūrą galima gauti skirtingus storius. Jei skirtingose silicio plokštelės vietose nustatomos skirtingos temperatūros, ant silicio plokštelės galima gauti skirtingą fotorezisto storį. Optimalų fotorezisto storį galima nustatyti pagal linijos pločio ir fotorezisto storio dėsnį (svyravimo kreivę), kad būtų taupomos silicio plokštelės, mašinos laikas ir medžiagos. Svyravimo kreivių aptarimas bus aptartas tolesniuose skyriuose. Antirefleksinio sluoksnio dengimo sukimosi būdas ir principas yra vienodi.
3. Kepimas prieš ekspoziciją
Po to, kai fotorezistas padengiamas sukimo būdu ant silicio plokštelės paviršiaus, jis turi būti iškeptas. Kepimo tikslas – nuvaryti beveik visus tirpiklius. Šis kepimas vadinamas „kepimu prieš ekspoziciją“ arba „išankstiniu kepimu“, nes jis atliekamas prieš ekspoziciją. Išankstinis kepimas pagerina fotorezisto sukibimą, pagerina fotorezisto vienodumą ir kontroliuoja linijos pločio vienodumą ėsdinimo proceso metu. 6.3 skirsnyje minėtame chemiškai sustiprintame fotoreziste taip pat galima naudoti išankstinį kepimą, kad būtų galima tam tikru mastu pakeisti fotorūgšties difuzijos ilgį, kad būtų galima pakoreguoti proceso lango parametrus. Įprasta išankstinio kepimo temperatūra ir laikas yra 90-100 laipsnis, apie 30 s. Po išankstinio kepimo silicio plokštelė bus perkelta iš kepimui naudojamos karštos plokštės į šaltą lėkštę, kad būtų grąžinta kambario temperatūra, ruošiantis ekspozicijos etapui.
4. Lygiavimas ir ekspozicija
Veiksmai po išankstinio kepimo yra išlyginimas ir eksponavimas. Taikant projekcijos ekspozicijos metodą, kaukė perkeliama į iš anksto nustatytą apytikslę padėtį ant silicio plokštelės arba į tinkamą padėtį, palyginti su esamu modeliu ant silicio plokštelės, o tada objektyvas perkelia savo raštą į silicio plokštelę fotolitografijos būdu. Artumo arba kontaktinio poveikio atveju kaukės raštas bus tiesiogiai veikiamas silicio plokštelės ultravioletinės šviesos šaltinio.
Pirmajame raštų sluoksnyje ant silicio plokštelės gali nebūti rašto, o fotolitografijos aparatas perkelia kaukę santykinai į iš anksto nustatytą (lustų diferenciacijos metodas) apytikslę padėtį ant silicio plokštelės (priklausomai nuo silicio plokštelės šoninio išdėstymo tikslumo). ant fotolitografijos mašinos platformos, paprastai apie 10–30 μm).
Antrojo sluoksnio ir vėlesnių raštų atveju fotolitografijos aparatas turi sulygiuoti išlygiavimo ženklą, paliktą po ankstesnio sluoksnio ekspozicijos, kad šio sluoksnio kaukė būtų atspausdinta ant esamo ankstesnio sluoksnio rašto. Šis perdangos tikslumas paprastai yra 25–30 % minimalaus rašto dydžio. Pavyzdžiui, naudojant 90 nm technologiją, perdangos tikslumas paprastai yra nuo 22 iki 28 nm (3 kartus didesnis už standartinį nuokrypį). Kai išlygiavimo tikslumas atitinka reikalavimus, prasideda ekspozicija. Šviesos energija aktyvuoja šviesai jautrius komponentus fotoreziste ir pradeda fotocheminę reakciją. Pagrindiniai fotolitografijos kokybės matavimo rodikliai paprastai yra kritinio matmens (CD) skiriamoji geba ir vienodumas, perdangos tikslumas, dalelių ir defektų skaičius.
Pagrindinė perdangos tikslumo reikšmė reiškia grafikos išlygiavimo tikslumą (3σ) tarp dviejų fotolitografijos procesų. Jei išlygiavimo nuokrypis yra per didelis, tai tiesiogiai paveiks produkto išeigą. Aukštos klasės fotolitografijos aparatams bendrosios įrangos tiekėjai pateiks dvi perdangos tikslumo vertes: viena yra vienos mašinos dviejų kartų perdangos klaida, o kita – dviejų įrenginių (skirtingų įrenginių) perdangos klaida.
5. Kepimas po ekspozicijos
Pasibaigus ekspozicijai, fotorezistą reikia kepti dar kartą. Kadangi šis kepimas yra po ekspozicijos, jis vadinamas kepimu po ekspozicijos, sutrumpintai kaip kepimas po ekspozicijos (PEB). Pokepimo tikslas – visiškai užbaigti fotocheminę reakciją kaitinant. Šviesai jautrūs komponentai, susidarę ekspozicijos proceso metu, kaitinant išsisklaidys ir chemiškai reaguos su fotorezistu, paversdami fotorezisto medžiagą, kuri beveik netirpi ryškalo skystyje, į medžiagą, kuri tirpsta ryškalo skystyje, sudarydamos tirpius raštus. ryškalo skystyje ir netirpsta ryškalo skystyje fotorezisto plėvelėje.
Kadangi šie raštai atitinka kaukėje esančius raštus, bet nerodomi, jie taip pat vadinami „latentiniais vaizdais“. Naudojant chemiškai sustiprintus fotorezistus, per aukšta kepimo temperatūra arba per ilgas kepimo laikas sukels per didelę fotorūgščių (fotocheminių reakcijų katalizatorių) difuziją, pažeisdama pradinį vaizdo kontrastą, taip sumažindama proceso lango ir linijos pločio vienodumą. Išsami diskusija bus vykdoma tolesniuose skyriuose. Norint iš tikrųjų parodyti latentinį vaizdą, reikia tobulinti.
6. Vystymasis
Pasibaigus kepimui, silicio plokštelė pereis į kūrimo etapą. Kadangi fotorezistas po fotocheminės reakcijos yra rūgštus, kaip ryškalas naudojamas stiprus šarminis tirpalas. Paprastai naudojamas 2,38 % tetrametilamonio hidroksido vandeninis tirpalas (TMAH), kurio molekulinė formulė yra (CH3)4NOH. Po to, kai fotorezisto plėvelė yra ryškinama, ryškalas nuplauna eksponuotas vietas, o kaukės raštas ant silicio plokštelės fotorezisto plėvelės rodomas įgaubtų ir išgaubtų formų su fotorezistu arba be jo. Kūrimo procesą paprastai sudaro šie žingsniai:
(1) Išankstinis purškimas (iš anksto sudrėkintas): purškite šiek tiek dejonizuoto vandens (DI vandens) ant silicio plokštelės paviršiaus, kad pagerintumėte ryškalo sukibimą su silicio plokštelės paviršiumi.
(2) Ryškiklio dozavimas (ryškinimo dozatorius): pristatykite ryškalą ant silicio plokštelės paviršiaus. Kad visos silicio plokštelės paviršiaus dalys kuo labiau liestųsi su tokiu pat kiekiu ryškalo, ryškalo dozatorius sukūrė šiuos metodus. Pavyzdžiui, naudokite E2 purkštukus, LD antgalius ir kt.
(3) Ryškiklio paviršiaus likimas (balta): išpurškus ryškalą, jis turi išlikti ant silicio plokštelės paviršiaus tam tikrą laiką, paprastai nuo dešimčių sekundžių iki vienos ar dviejų minučių, kad ryškalas galėtų veikti. visiškai reaguoti su fotorezistu.
(4) Ryškiklio pašalinimas ir nuplovimas: ryškaliui sustojus, ryškalas bus išmestas, o ant silicio plokštelės paviršiaus bus purškiamas dejonizuotas vanduo, kad būtų pašalintas ryškalas ir fotorezisto likučiai.
(5) Sausas gręžimas: silicio plokštelė sukasi dideliu greičiu, kad būtų nusuktas ant paviršiaus esantis dejonizuotas vanduo.
7. Kepimas po vystymo, kepimas kietoje plėvelėje
Po kūrimo, kadangi silicio plokštelė yra veikiama vandens, fotorezistas sugers šiek tiek vandens, o tai nėra naudinga tolesniems procesams, pvz., šlapiam ėsdinimui. Todėl reikalingas kietos plėvelės kepimas, kad iš fotorezisto pašalintų vandens perteklių. Kadangi dauguma ėsdinimo dabar naudoja plazminį ėsdinimą, taip pat žinomą kaip „sausasis ėsdinimas“, kietos plėvelės kepimas daugelyje procesų buvo praleistas.
8. Matavimas
Pasibaigus ekspozicijai, reikia išmatuoti kritinį matmenį (kritinį matmenį, sutrumpintai CD), kurį sudaro litografija, ir perdangos tikslumą (metrologija). Kritinis matmuo paprastai matuojamas naudojant skenuojantį elektroninį mikroskopą, o perdangos tikslumas matuojamas optiniu mikroskopu ir įkrovimu sujungtu matriciniu vaizdo detektoriumi (CCD). Skenuojančio elektroninio mikroskopo naudojimo priežastis yra ta, kad linijos plotis puslaidininkio procese paprastai yra mažesnis už matomos šviesos bangos ilgį, pvz., 400–700 nm, o elektronų mikroskopo elektronų ekvivalento bangos ilgis nustatomas pagal greitinamąją įtampą. elektronas. Pagal kvantinės mechanikos principus elektrono De Broglie bangos ilgis yra
Kur h (6,626 × 10-³⁴Js) yra Planko konstanta, m (9,1 × 10-³¹kg) – elektrono masė vakuume, o v – elektrono greitis. Jei pagreičio įtampa yra V, elektrono de Broglie bangos ilgį galima parašyti kaip
Kur q (1,609 × 10-19c) yra elektrono krūvis. Pakeičiant skaitines reikšmes, lygtis (7-7) gali būti apytiksliai parašyta kaip
Jei pagreičio įtampa yra 300V, elektrono bangos ilgis yra 0,07 nm, to pakanka linijos pločiui išmatuoti. Realiame darbe elektroninio mikroskopo skiriamąją gebą lemia daugkartinė elektronų pluošto sklaida medžiagoje ir elektroninio lęšio aberacija. Paprastai elektroninio mikroskopo skiriamoji geba yra dešimtys nanometrų, o linijos matmens matavimo paklaida yra apie 1–3 nm. Nors perdangos tikslumas pasiekė nanometro lygį, kadangi perdangos matavimui reikia tik galimybės nustatyti storesnės linijos centrinę padėtį, perdangos tikslumui matuoti galima naudoti optinį mikroskopą.
7.12 paveikslas (a) yra skenuojančiu elektroniniu mikroskopu išmatuoto dydžio ekrano kopija. Baltos dvigubos linijos ir santykinės rodyklės paveikslėlyje rodo tikslinį dydį. Skenuojančio elektroninio mikroskopo vaizdo kontrastas susidaro išspinduliuojant ir kaupiant antrinius elektronus, generuojamus elektronų bombardavimo būdu. Matyti, kad linijos pakraštyje galima surinkti daugiau antrinių elektronų. Iš esmės kuo daugiau elektronų surenkama, tuo tikslesnis matavimas. Tačiau, kadangi negalima ignoruoti elektronų pluošto poveikio fotorezistui, fotorezistas susitrauks po elektronų pluošto apšvitinimo, ypač 193 nm fotorezistas. Taigi tampa labai svarbu nustatyti pusiausvyrą tarp išmatuojamumo ir minimalių trikdžių.
7.12 (b) paveikslas yra tipinė perdangos matavimo schema, kurioje linijos storis paprastai yra 1–3 μm, išorinės rėmo pusės ilgis paprastai yra 20–30 μm, o vidinės rėmo pusės ilgis paprastai yra 10–20 μm . Šiame paveikslėlyje skirtingos spalvos arba kontrastai, rodomi vidiniuose ir išoriniuose kadruose, atsiranda dėl atspindėtos šviesos spalvų ir kontrasto skirtumų, atsirandančių dėl skirtingų plonų plėvelių sluoksnių storio. Perdangos matavimas pasiekiamas nustatant erdvinį skirtumą tarp vidinio rėmo centro ir išorinio rėmo vidurio taško. Praktika įrodė, kad tol, kol užtikrinamas pakankamas signalo intensyvumas, net optiniu mikroskopu galima pasiekti maždaug 1 nm matavimo tikslumą.
Litografijos proceso langas ir modelio vientisumo vertinimo metodas
Ekspozicijos energijos riba, normalizuotas vaizdo logaritminis nuolydis (NILS)
2 skyriuje buvo paminėta, kad ekspozicijos energijos riba (EL) reiškia didžiausią leistiną ekspozicijos energijos nuokrypį leistinoje linijos pločio kitimo diapazone. Tai pagrindinis litografijos proceso matavimo parametras.
7.13 paveiksle (a) parodytas litografijos modelio kitimas su ekspozicijos energija ir židinio nuotoliu.
7.13 (b) paveiksle parodytas dvimatis pasiskirstymo bandymo modelis su skirtinga energija ir židinio nuotoliu, eksponuotu ant silicio plokštelės. Tai tarsi matrica ir dar vadinama fokusavimo-ekspozicijos matrica (FEM).
Ši matrica naudojama fotolitografijos proceso langui matuoti pagal vieną ar kelis modelius, tokius kaip energijos atsarga ir židinio gylis. Jei ant kaukės pridedami specialūs bandymo modeliai, „Focus-Energy Matrix“ taip pat gali išmatuoti kitus su procesu ir įranga susijusius veikimo parametrus, tokius kaip įvairios litografijos mašinos objektyvo aberacijos, išsklaidyta šviesa (blyksniai), kaukės paklaidos faktorius, fotorūgščių difuzija. fotorezisto ilgis, fotorezisto jautrumas, kaukės gamybos tikslumas ir kt.
7.13 (a) paveiksle pilka diagrama vaizduoja fotorezisto (teigiamo fotorezisto) skerspjūvio morfologiją po ekspozicijos ir vystymosi. Kai ekspozicijos energija ir toliau didėja, linijos plotis tampa vis mažesnis. Keičiantis židinio nuotoliui, keičiasi ir vertikali fotorezisto morfologija. Pirmiausia aptarkime pokyčius energingai. Jei židinio nuotolis pasirinktas kaip -0.1μm, tai yra, projektuojama židinio plokštuma yra 0.1μm žemiau fotorezisto viršaus. Jei linijos plotis matuojamas kintant energijai, galima gauti kreivę, kaip parodyta 7.14 pav.
Jei pasirinksime bendrą linijos pločio CD toleranciją kaip ±10% linijos pločio 90 nm, tai yra 18 nm, o linijos pločio nuolydis, keičiantis ekspozicijos energijai, yra 6,5 nm/(mJ/cm²), ir optimali ekspozicijos energija yra 20 (mJ/cm²), tada energijos riba EL yra 18/6,5/20=13,8%.
Ar užtenka? Šis klausimas yra susijęs su tokiais veiksniais kaip litografijos mašinos stiprumas, proceso gamybos kontrolės galimybė ir įrenginio reikalavimai linijos pločiui. Energijos atsarga taip pat susijusi su fotorezisto gebėjimu išsaugoti erdvinį vaizdą. Paprastai tariant, 90 nm, 65 nm, 45 nm ir 32 nm mazguose EL reikalavimas vartų sluoksnio litografijai yra nuo 15% iki 20%, o EL reikalavimas metalinių laidų sluoksniui yra apie 13% iki 15%.
Energijos riba taip pat tiesiogiai susijusi su vaizdo kontrastu, tačiau vaizdas čia yra ne erdvinis vaizdas iš objektyvo, o „latentinis vaizdas“ po fotorezisto fotocheminės reakcijos. Dėl fotorezisto šviesos sugerties ir fotocheminių reakcijų atsiradimo fotorezisto plėvelėje reikia išsklaidyti šviesai jautrius komponentus. Šiai fotocheminei reakcijai reikalinga difuzija sumažins vaizdo kontrastą. Kontrastas apibrėžiamas kaip
Tarp jų U yra lygiavertis „latentinio vaizdo“ šviesos intensyvumas (iš tikrųjų šviesai jautraus komponento tankis).
Tankioms linijoms, jei erdvinis periodas P yra mažesnis nei λ /NA, tai jo erdvinio vaizdo ekvivalentinis šviesos intensyvumas U(x) turi būti sinusinė banga, kaip parodyta 7.15 pav., kurią galima parašyti kaip
Pagal EL apibrėžimą, kartu su formule (7-10), kaip parodyta 7.16 pav., EL gali būti parašyta kaip tokia išraiška, ty:
Kad eilutė ir tarpas būtų vienodos, CD=P/2. Yra glaustesnė ir intuityvesnė išraiška, būtent
Tai yra, jei dCD naudoja bendrą 10% CD, tada kontrastas yra maždaug lygus 3,2 karto EL. Nuolydis formulėje (7-11) yra
Jis taip pat vadinamas vaizdo žurnalo nuolydžiu (ILS). Dėl tiesioginio ryšio su vaizdo kontrastu ir EL jis taip pat naudojamas kaip svarbus parametras matuojant litografijos proceso langą. Jei jis normalizuojamas, ty padauginamas iš linijos pločio, galima gauti normalizuoto vaizdo žurnalo nuolydį (NILS), kaip apibrėžta formulėje (7-15), ty
Paprastai U (x) reiškia erdvinį vaizdą, kurį objektyvas projektuoja į fotorezistą, kuris čia reiškia „latentinį vaizdą“ po fotocheminės fotorezisto reakcijos. Tankioms linijoms su vienodais tarpais, CD=P/2, o erdvinis periodas P yra mažesnis nei λ/NA, NILS galima parašyti kaip
Pavyzdžiui, 90nm atminties procesui, linijos plotis CD yra lygus 0.09 μm, jei kontrastas yra 50%, o erdvinis periodas yra 0,18 μm, tada NILS yra 1,57.
Fokusavimo gylis (niveliavimo metodas)
Fokusavimo gylis (DOF) reiškia didžiausią židinio nuotolio kitimo diapazoną leistinoje linijos pločio kitimo diapazone. Kaip parodyta 7.13 pav., keičiantis židinio nuotoliui fotorezistas pasikeis ne tik linijos pločiu, bet ir morfologija. Paprastai kalbant, didelio skaidrumo fotorezistai, tokie kaip 193 nm fotorezistai ir 248 nm didelės skiriamosios gebos fotorezistai, kai fotolitografijos įrenginio židinio plokštumos reikšmė yra neigiama, židinio plokštuma yra arti fotorezisto viršaus; kai formato santykis yra didesnis nei 2.{5}}, dėl didelio linijos pločio fotorezisto apačioje gali atsirasti net „perpjovimas“, dėl kurio gali atsirasti mechaninis nestabilumas ir apvirtimas. Kai židinio plokštuma yra teigiama, dėl didelio linijos pločio fotorezisto griovelio viršuje kvadratiniai kampai viršuje bus suapvalinti (viršutinis apvalinimas). Šis „viršutinis apvalinimas“ gali būti perkeltas į medžiagos morfologiją po ėsdinimo, todėl reikia vengti ir „apvalinimo“, ir „apvalinimo“.
Jei nubraižyti linijos pločio duomenys 7.13 pav., bus gauta linijos pločio ir židinio nuotolio kreivė esant skirtingoms ekspozicijos energijoms, kaip parodyta 7.17 pav.
Linijos pločio kitimas su židinio nuotoliu, kai ekspozicijos energija yra 16, 18, 20, 22, 24, taip pat vadinamas Puasono diagrama.
Jei leistinas linijos pločio kitimo diapazonas yra ribojamas iki ±9 nm, didžiausią leistiną židinio nuotolio kitimą esant optimaliai ekspozicijos energijai galima rasti 7.17 pav. Negana to, kad realiame darbe vienu metu kinta ir energija, ir židinio nuotolis, pavyzdžiui, litografijos aparato dreifas, energijos dreifo sąlygomis būtina gauti didžiausią leistiną židinio nuotolio kitimo diapazoną. Kaip parodyta 7.17 pav., apskaičiuojant didžiausią leistiną židinio nuotolio kitimo diapazoną, kuris yra tarp 19 ir 21 mJ/cm2. EL duomenis galima nubraižyti pagal leistiną židinio nuotolio diapazoną, kaip parodyta 7.18 pav. Galima pastebėti, kad 90nm procese, esant 10 % EL variacijos diapazonui, didžiausias židinio gylio diapazonas yra apie 0,30 μm.
Ar užtenka? Apskritai, fokusavimo gylis yra susijęs su fotolitografijos aparatu, pvz., fokusavimo valdymo tikslumu, įskaitant įrenginio židinio plokštumos stabilumą, objektyvo lauko kreivumą, astigmatizmą, niveliavimo tikslumą ir silicio plokštelės platformos lygumą. . Žinoma, tai susiję ir su pačios silicio plokštelės plokštumu bei lygumo sumažėjimo laipsniu, kurį sukelia cheminis-mechaninis išlyginimo procesas. Įvairių technologijų mazgų tipiniai fokusavimo gylio reikalavimai pateikti 7.1 lentelėje.
Kadangi fokusavimo gylis yra labai svarbus, niveliavimas, svarbi litografijos mašinos dalis, yra labai svarbi. Šiuo metu pramonėje dažniausiai naudojamas niveliavimo metodas yra vertikalios silicio plokštelės padėties z ir pasvirimo kampų R nustatymas.xir Ry
horizontalia kryptimi, matuojant šviesos dėmės, kurią atspindi įstrižai krintanti šviesa ant silicio plokštelės paviršiaus, padėtį, kaip parodyta 7.19 paveiksle.
Tikroji sistema yra daug sudėtingesnė, įskaitant tai, kaip atskirti nepriklausomus z, Rx, ir Ry. Kadangi šiuos tris nepriklausomus parametrus reikia matuoti vienu metu, vieno šviesos pluošto nepakanka (šoniniam poslinkiui yra tik du laisvės laipsniai), reikia bent dviejų šviesos pluoštų.
Be to, jei reikia aptikti z, Rx, ir Ryskirtinguose ekspozicijos srities ar plyšio taškuose reikia padidinti šviesių dėmių skaičių. Paprastai poveikio srityje gali būti nuo 8 iki 10 matavimo taškų. Tačiau šis išlyginimo būdas turi savo apribojimų. Kadangi naudojama įstrižai krintanti šviesa, pvz., 15–20 laipsnių kritimo kampas (arba 70–75 laipsnių krintimo kampas silicio plokštelės paviršiaus vertikalios krypties atžvilgiu), tokiems paviršiams kaip fotorezistas ir silicio dioksidas su baltos šviesos lūžio rodiklis yra apie 1,5, tik apie 18–25 % šviesos atsispindi atgal, kaip parodyta 7.20 pav., o kita apie 75–82 % šviesos, patenkančios į detektorių, prasiskverbs per skaidrios terpės paviršių. . Ši perduodamos šviesos dalis sklis tol, kol susidurs su nepermatoma terpe arba atspindinčia terpe, tokia kaip silicis, polisilicis, metalas arba didelio lūžio rodiklio terpė, pvz., silicio nitridas, ir tada atsispindės.
Todėl išlyginimo sistemos aptiktas „paviršius“ bus kažkur žemiau viršutinio fotorezisto paviršiaus. Kadangi linijos galinėje dalyje (BEOL) daugiausia yra gana storas oksido sluoksnis, pvz., įvairūs silicio dioksidai, tarp linijos priekinės dalies (FEOL) bus tam tikras židinio nuotolio nuokrypis. ir galinė dalis, paprastai tarp 0.05–0,20 μm, priklausomai nuo skaidrios terpės storio ir nepermatomos terpės atspindžio. Todėl galinėje dalyje lusto dizaino modelis turi būti kuo vienodesnis; kitu atveju dėl netolygaus rašto tankio pasiskirstymo sukels niveliavimo klaidas, dėl kurių bus neteisingai kompensuojamas posvyris ir sukels defokusavimą.
Paprastai yra du fotolitografijos mašinų niveliavimo režimai:
(1) Plokštuminis režimas: išmatuokite kelių ekspozicijos srities taškų arba visos silicio plokštelės aukštį ir raskite plokštumą pagal mažiausiųjų kvadratų metodą;
(2) Dinaminis režimas (išskyrus nuskaitymo fotolitografijos aparatus): dinamiškai išmatuokite kelių taškų aukštį nuskaitytoje plyšio srityje ir nuolat kompensuokite nuskaitymo kryptimi. Žinoma, svarbu žinoti, kad niveliavimo grįžtamasis ryšys pasiekiamas judant silicio plokštelės platformą aukštyn ir žemyn bei pakreipiant išilgai neskenavimo krypties. Jo kompensacija gali būti tik makroskopinė, paprastai milimetro lygyje. Be to, neskenavimo kryptimi (X kryptimi) jis gali būti apdorojamas tik pagal pirmos eilės pakreipimą, o bet koks netiesinis kreivumas (pvz., lęšio lauko kreivumas ir silicio plokštelės deformacija) negali būti kompensuojamas, kaip parodyta 7.21 pav. .
Dinaminiu režimu kai kurios litografijos aparatai taip pat gali sustabdyti niveliavimo matavimą nebaigtoms ekspozicijos zonoms (kadrams) arba drožlių zonoms silicio plokštelės krašte (ekspozicijos plotas, kurio didžiausia
gali turėti daug lusto zonų, vadinamų matricomis), ir naudokite aplink jį esančius ekspozicijos arba lusto ploto išlyginimo duomenis epitaksijai, kad išvengtumėte matavimo klaidų, atsirandančių dėl per didelio aukščio nuokrypio ir neužbaigto plėvelės sluoksnio silicio plokštelės krašte. ASML litografijos įrenginiuose ši funkcija vadinama „Circuit Dependent Focus Edge Clearance“ (CDFEC).
Yra keletas pagrindinių veiksnių, turinčių įtakos fokusavimo gyliui: skaitmeninė sistemos diafragma, apšvietimo sąlygos, rašto linijos plotis, rašto tankis, fotorezisto kepimo temperatūra ir kt. Kaip parodyta 7.22 pav., pagal bangų optiką , esant geriausiam židinio nuotoliui, visi šviesos spinduliai, susilieję su židiniu, turi tą pačią fazę;
Tačiau defokusuotoje padėtyje šviesos spinduliai, einantys per objektyvo kraštą, ir šviesos spinduliai, einantys per objektyvo centrą, sklinda skirtingais optiniais keliais, o jų skirtumas yra (FF′- OF′). Didėjant skaitmeninei diafragmai, didėja ir optinio kelio skirtumas, o faktinis židinio šviesos intensyvumas defokusavimo taške sumažėja arba židinio gylis sumažėja. Lygiagrečios šviesos apšvietimo sąlygomis fokusavimo gylis (Rayleigh) paprastai apskaičiuojamas pagal šią formulę, ty:
Kur θ yra didžiausias objektyvo atsidarymo kampas, atitinkantis skaitmeninę diafragmą NA. Kai NA yra santykinai mažas, jis gali būti apytiksliai parašytas kaip
Matyti, kad kai NA didesnė, židinio gylis mažesnis, o židinio gylis atvirkščiai proporcingas skaitinės diafragmos kvadratui.
Ne tik skaitmeninė diafragma turi įtakos židinio gyliui, bet ir apšvietimo sąlygoms. Pavyzdžiui, esant tankiai grafikai, o erdvinis periodas yra mažesnis nei λ /NA, apšvietimas už ašies padidins fokusavimo gylį. Ši dalis bus dar kartą aptarta 7 skyriaus 7.1 skirsnyje su apšvietimu ne ašyje. Be to, grafikos linijos plotis taip pat turės įtakos fokusavimo gyliui. Pavyzdžiui, mažos grafikos fokusavimo gylis paprastai yra mažesnis nei stambios grafikos. Taip yra todėl, kad mažos grafikos difrakcijos bangos kampas yra palyginti didelis, o kampas tarp jų konvergencijos židinio plokštumoje yra gana didelis. Kaip minėta aukščiau, fokusavimo gylis bus mažesnis. Be to, fotorezisto kepimo temperatūra tam tikru mastu turės įtakos fokusavimo gyliui. Didesnis poekspozicijos kepimas (PEB) sukels erdvinio vaizdo kontrasto vidurkį vertikalia kryptimi (Z) fotorezisto storio ribose, todėl padidės fokusavimo gylis. Tačiau tai daroma didžiausio vaizdo kontrasto sumažinimo sąskaita.
Kaukės klaidos faktorius
Kaukės klaidos koeficientas (MEF) arba kaukės klaidos pagerinimo koeficientas (MEEF) apibrėžiamas kaip silicio plokštelėje matomos linijos pločio dalinė išvestinė kaukės linijos pločio atžvilgiu. Kaukės klaidos koeficientą daugiausia lemia optinės sistemos difrakcija ir jis padidės dėl riboto fotorezisto tikslumo erdviniam vaizdui. Veiksniai, turintys įtakos kaukės paklaidos veiksniui, yra apšvietimo sąlygos, fotorezisto savybės, litografijos aparato lęšių aberacijos, post-kepimo (PEB) temperatūra ir kt. Per pastarąjį dešimtmetį literatūroje buvo daug pranešimų apie kaukės paklaidos veiksnių tyrimus. Iš šių tyrimų matyti, kad kuo mažesnis erdvinis periodas arba mažesnis vaizdo kontrastas, tuo didesnis kaukės paklaidos koeficientas. Modeliams, kurie yra daug didesni už ekspozicijos bangos ilgį arba yra vadinamajame tiesiniame diapazone, kaukės paklaidos koeficientas paprastai yra labai artimas 1. Modeliams, kurie yra artimi bangos ilgiui arba mažesni už jį, kaukės paklaidos koeficientas žymiai padidės. . Tačiau, išskyrus šiuos specialius atvejus, kaukės paklaidos koeficientas paprastai yra ne mažesnis kaip 1:
(1) Linijinė litografija naudojant kintamą fazių poslinkio kaukę gali sukurti kaukės paklaidos koeficientą, žymiai mažesnį nei 1. Taip yra todėl, kad mažiausią šviesos intensyvumą erdvinio vaizdo lauko pasiskirstyme daugiausia lemia 180 laipsnių fazės mutacija, kurią sukuria gretima fazių zona. . Metalinės linijos pločio keitimas ant kaukės fazės mutacijos metu turi mažai įtakos linijos pločiui.
(2) Kaukės paklaidos koeficientas bus žymiai mažesnis nei 1, esant mažajai kompensavimo struktūrai optinio artumo efekto korekcijoje. Taip yra todėl, kad mažų pagrindinio modelio pokyčių negali jautriai atpažinti vaizdo gavimo sistema, kurios skiriamoji geba yra ribota dėl difrakcijos.
Paprastai erdviškai išplėstų raštų, tokių kaip linijos, grioveliai ir kontaktinės skylės, kaukės paklaidos koeficientas yra lygus 1 arba didesnis. Kadangi kaukės paklaidos koeficiento svarba priklauso nuo jo santykio su linijos pločiu ir kaukės kaina, jis tampa labai svarbus. svarbu apriboti jį iki nedidelio diapazono. Pavyzdžiui, vartų sluoksniui, kuriam taikomi itin aukšti linijos pločio vienodumo reikalavimai, kaukės paklaidos koeficientas paprastai turi būti kontroliuojamas žemiau 1,5 (90 nm ir platesniems procesams).
Dar visai neseniai norint gauti duomenis apie kaukės klaidų veiksnius, reikėjo skaitinio modeliavimo arba eksperimentinio matavimo. Norint pasiekti skaitinį modeliavimą, norint pasiekti tam tikrą tikslumo laipsnį, reikia pasikliauti modeliavimo parametrų nustatymo patirtimi. Jeigu reikalinga informacija apie kaukės paklaidos faktorių pasiskirstymą visoje litografijos parametrų erdvėje, tokie metodai užtruks ilgai. Tiesą sakant, tiriant tankias linijas ar griovelius, kaukės paklaidos koeficientas teoriškai turi analitinę apytikslę išraišką. Esant ypatingoms sąlygoms, kai erdvinis periodas p yra mažesnis už λ /NA, o linijos plotis lygus griovelio pločiui, esant žiediniam apšvietimui, analitinė išraiška gali būti supaprastinta ir užrašoma tokia forma, ty ,
+, - atitinkamai taikomi grioveliams ir linijoms. Tarp jų σ yra dalinės koherencijos parametras (0＜σ ＜1), yra amplitudės pralaidumo koeficientas susilpnintos fazės poslinkio kaukėje (pvz., 6 % susilpninta kauke yra 0.25 ), n yra fotorezisto lūžio rodiklis (dažniausiai nuo 1,7 iki 1,8), o a yra lygiavertis fotorūgščių difuzijos ilgis žemiau slenksčio modelio (priklausomai nuo skirtingų technologijos mazgų, paprastai nuo 5 iki 1 0 nm, kai 32 45 nm mazgai iki 70 nm 0,18–0,25 μm mazgams).
Kintamos fazės poslinkio kaukė (Alt-PSM) MEF turi paprastesnę išraišką, būtent
Tarp jų erdvinis laikotarpis p<3λ / (2NA), CD refers to the line width on the silicon wafer, and δ refers to the line width on the mask. If we plot equation (7-21), we can get the result in Figure 7.23. It can be seen that MEF increases rapidly as the spatial period decreases, and increases as the photoacid diffusion length increases.
Jei visi parametrai, išskyrus fotorūgšties difuzijos ilgį formulėje (7-21), yra žinomi, fotorūgšties difuzijos ilgį galima gauti pritaikius eksperimentinius duomenis. Rezultatai rodo, kad po 40 sekundžių po kepimo tam tikro tipo 193 nm fotorezisto fotorūgščių difuzijos ilgis yra 27 nm; po 60 sekundžių po kepimo difuzijos ilgis tampa 33 nm. O dėl duomenų tikslumo fotorūgšties difuzijos ilgio matavimo tikslumas yra ±2nm. Tai yra eilės tvarka didesnis nei ankstesnių matavimo metodų tikslumas, kaip parodyta 7.24 pav. Kaukės paklaidos koeficientas taip pat gali būti naudojamas apskaičiuojant kaukės linijos pločio reikalavimus linijos pločio vienodumui, taip pat dvimatės grafikos tarpų taisyklių nustatymui optinio artumo efekto korekcijoje. Dvimačiai grafikai su sutrumpintais linijų galais, kaip parodyta 7.25 pav., apskaičiuojant paprastą taško sklaidos funkciją ir tam tikrą fotorūgšties difuzijos aproksimacijos laipsnį, galima gauti beveik analitinę linijos galo optinio artumo efekto formulę. gautas, tai yra
Kai PSF yra taško sklaidos funkcija, apatinis indeksas "D" reiškia fotorūgšties difuziją, a reiškia fotorūgšties difuzijos ilgį, n=1, 2 atitinka koherentines ir nenuoseklias apšvietimo sąlygas ir
Linijos pločio vienodumas
Linijos pločio vienodumas puslaidininkiniuose procesuose paprastai skirstomas į: lusto plotą, šūvio plotą, plokštelės plotą, partijos plotą ir plotą nuo partijos iki partijos. Veiksniai, turintys įtakos linijos pločio vienodumui ir bendrai poveikio diapazono analizei, išvardyti 7.2 lentelėje. Iš 7.2 lentelės matome, kad:
1) Paprastai litografijos mašinų ir proceso langų sukeltos problemos turi didelį poveikį.
(2) Problemos, kylančios dėl kaukės gamybos klaidų arba optinio artumo efektų, paprastai apsiriboja poveikio sritimi.
(3) Problemos, kylančios dėl dangos arba pagrindo, paprastai apsiriboja silicio plokštelėmis.
CMOS įrenginiams paprastai reikalingas maždaug ±10 % linijos pločio vienodo linijos plotis. Vartams bendras valdymo tikslumas yra ±7%. Taip yra todėl, kad procesuose, mažesniuose nei 0,18 μm mazgas, po litografijos ir prieš ėsdinimą paprastai atliekamas linijos pločio ėsdinimo procesas, dėl kurio litografijos linijos plotis dar labiau sumažinamas iki įrenginio linijos pločio arba artimas įrenginio linijos pločiui. paprastai yra 70 % litografijos linijos pločio. Kadangi prietaiso linijos pločio valdymas yra ±10%, litografijos linijos plotis tampa ±7%.
Yra daug būdų, kaip pagerinti litografijos linijos pločio vienodumą, pavyzdžiui, kompensuoti ekspozicijos energijos pasiskirstymą litografijos aparato apšvietimo pasiskirstyme, remiantis ekspozicijos vienodumo matavimo rezultatais ekspozicijos srityje. Šią kompensaciją galima pasiekti dviem lygiais. Jis gali būti kompensuojamas mašinos konstantose, kurios yra taikomos visoms apšvietimo sąlygoms, arba gali būti kompensuojamos ekspozicijos paprogramėje (atsižvelgiant į tam tikrą ekspozicijos programą). Tokiu būdu jis gali tiksliai nukreipti į tam tikrą lygį, laikydamasis griežtų vienodumo reikalavimų. Jį taip pat galima pagerinti analizuojant pagrindinę netolygaus litografijos linijos pločio priežastį. Pavyzdžiui, tipiška problema yra aukščio skirtumo, kurį sukelia silicio plokštelės substrato proceso struktūra, įtaka vartų linijos pločio vienodumui. Pavyzdžiui, lokalus linijos pločio vienodumas (Local CD Variation, LCDV) vartų sluoksnyje, aptartas [6], pablogės dėl pagrindo aukščio svyravimų. Šis svyravimas parodytas 7.28 pav.
Linijos pločio pokyčiai, atsirandantys dėl aukščio skirtumo, parodyti 7.29 ir 7.30 pav. Galima pastebėti, kad palaipsniui mažėjant aukščio skirtumui, linijos plotis palaipsniui mažėja iki stabilios vertės.
1. Linijos pločio vienodumo tobulinimas lusto srityje arba grafinėje srityje
Kadangi šiam diapazonui įtakos turi daug veiksnių, aptariami tik kai kurie pagrindiniai metodai.
(1) Patobulinkite proceso langą ir optimizuokite proceso langą.
Tankiai grafikai gali būti naudojamas ne ašies apšvietimas, kad būtų pagerintas kontrastas ir fokusavimo gylis, o fazės poslinkio kaukės gali būti naudojamos kontrastui pagerinti;
Atskirai grafikai gali būti naudojamos subdifrakcijos sklaidos juostos (SRAF), kad būtų pagerintas izoliuotos grafikos fokusavimo gylis;
Pusiau izoliuotos grafikos atveju, ty erdvinis laikotarpis yra mažesnis nei du kartus už minimalų erdvinį periodą ir šiek tiek didesnis nei minimalus erdvinis periodas, proceso langas pasieks beveik sudėtingą būseną, dar vadinamą "uždraustuoju žingsniu", kaip parodyta. 7.31 pav
Kaip matyti iš 7.31 paveikslo, palyginti su minimaliu 310 nm erdviniu periodu, linijos plotis sumažėja nuo 130 nm iki maždaug 90 nm, esant 500 nm periodui. Tai (čia nerodoma) taip pat reiškia reikšmingą kontrasto ir fokusavimo gylio sumažėjimą. Erdvinio periodo draudimas atsiranda dėl poreikio išlaikyti fiksuotą minimalų linijos plotį loginių grandinių litografijoje, dėl ko labai trūksta kontrasto nevienodo atstumo vaizduose skirtinguose erdviniuose perioduose arba gretimuose modeliuose. Tai daugiausia sukelia ne ašies apšvietimas, kuris riboja pusiau tankią grafiką. Paprastai ne ašies apšvietimas stipriai padeda tik minimaliam erdvės periodui, tačiau turi tam tikrą neigiamą poveikį vadinamajai „pusiau tankiai“ grafikai esant minimaliam erdvės periodui ir 2 kartus didesniam už minimalų erdvės periodą. Siekiant pagerinti proceso langą vadinamuoju draudžiamu laikotarpiu, ne ašies apšvietimo kampas turėtų būti atitinkamai sumažintas, kad būtų pasiektas subalansuotas linijos pločio vienodumas.
(2) Pagerinti optinio artumo efekto korekcijos tikslumą ir patikimumą.
Pagrindinis optinio artumo efekto korekcijos procesas yra toks: kurdami modelį, pirmiausia suprojektuokite kalibravimo grafiką ant bandymo kaukės, kaip parodyta 7.32 pav. Tada, apšviečiant silicio plokštelę, gaunamas fotorezisto rašto dydis ant silicio plokštelės, tada modelis kalibruojamas (nustatomi atitinkami modelio parametrai) ir tuo pačiu apskaičiuojama korekcijos suma. Tada, remiantis tikrojo grafiko ir kalibravimo grafiko panašumu, jis koreguojamas pagal modelį.
Optinio artumo efekto korekcijos tikslumas priklauso nuo šių veiksnių: silicio plokštelės linijos pločio duomenų matavimo tikslumo, modelio pritaikymo tikslumo ir modelio grandinės modelio korekcijos algoritmo racionalumo ir patikimumo, pvz., atrankos (fragmentavimo) metodo, atrankos taško tankio Pasirinkti, teisingas žingsnio dydis ir tt Fotorezisto modeliams paprastai yra paprasti slenksčio modeliai, įskaitant Gauso difuziją (slenksčio modelis su Gauso difuzija) ir kintamo slenksčio atsparumo modelius. Pirmoji daro prielaidą, kad fotorezistas yra šviesos jungiklis. Šviesos intensyvumui pasiekus tam tikrą slenkstį fotorezisto tirpimo greitis ryškale staiga pasikeičia. Pastarasis yra dėl pirmojo nukrypimo nuo eksperimentinių duomenų. Pastarasis mano, kad fotorezistas yra sudėtinga sistema, o jo reakcijos slenkstis yra susijęs su didžiausiu šviesos intensyvumu ir didžiausio šviesos intensyvumo gradientu (tai sukels šviesai jautraus agento kryptingą sklaidą) ir gali būti netiesinis ryšys. Pastarasis taip pat gali apibūdinti kai kuriuos ėsdinimo linijos pločio nuokrypius nuo tankių iki izoliuotų raštų. Žinoma, toks modelis fiziškai negali labai aiškiai parodyti fizinio vaizdo. Paprastai kalbant, slenksčio modelio plius Gauso difuzijos fizinis vaizdas yra labai aiškus, ir žmonės juo dažniau naudojasi, ypač procesų kūrimo ir procesų optimizavimo darbuose. Kalbant apie optinio artumo efekto korekciją, kadangi būtina per labai trumpą laiką sukurti kelių nanometrų tikslumo modelį, neišvengiama ir kai kurių papildomų parametrų, kurių fizinės reikšmės negalima aiškiai paaiškinti, ir tai yra laikina priemonė.
Žinoma, toliau tobulėjant fotolitografijos procesui, fotolitografijos artumo efekto korekcijos modelis toliau vystysis ir sugers fizines reikšmes turinčius parametrus. Norėdami padidinti modelio tikslumą, galite išplėsti matavimo grafikos reprezentatyvumą padidindami matavimo taškų skaičių (pvz., 3–5 kartus), tai yra pagerindami kalibravimo (manometro) grafiką, kaip parodyta pav. 7.32. Ta pati grandinės dizaino grafika yra geometrinių formų koreliacijose ir panašumuose. Modelio derinimo proceso metu stenkitės naudoti fizinius parametrus ir grąžinkite montavimo klaidas litografijos inžinieriui analizei, kad pašalintumėte galimas klaidas. Optinio artumo efekto korekcija bus išsamiai aptarta kitame skyriuje.
(3) Optimizuokite antirefleksinio sluoksnio storį.
Dėl fotorezisto ir pagrindo lūžio rodiklio (n ir k reikšmių) skirtumo dalis apšvietimo šviesos atsispindės nuo fotorezisto ir pagrindo sąsajos, o tai trikdys krintančio vaizdo šviesą. Kai šie trukdžiai yra rimti, jie netgi gali sukelti stovinčios bangos efektą, kaip parodyta 7.33 paveiksle (c). 7.33 paveiksle (c) parodytas i-line 365nm arba 248nm fotorezisto skerspjūvis. Kadangi atstumas tarp smailių stovinčioje bangoje yra pusė bangos ilgio, o fotorezisto lūžio rodiklis n paprastai yra apie 1,6–1,7, atsižvelgiant į smailių skaičių (~10), galima daryti išvadą kad fotorezisto storis yra apie 0,7–1,2 μm. 193 nm fotorezisto storis paprastai yra mažesnis nei 300 nm. Norint pašalinti atspindėtą šviesą fotorezisto apačioje, paprastai naudojama apatinė antirefleksinė danga (BARC), kaip parodyta 7.34 paveiksle (a). 7.34 (a) paveiksle sąsaja pridedama pridėjus apatinį antirefleksinį sluoksnį. Atsispindėjusios šviesos fazę tarp neatspindinčio sluoksnio ir pagrindo galima reguliuoti reguliuojant antirefleksinio sluoksnio storį, kad būtų kompensuota atsispindėjusi šviesa tarp fotorezisto ir antirefleksinio sluoksnio, taip pašalinant atspindėtą šviesą fotorezisto apačioje. Jei antirefleksiniam sluoksniui reikia pasiekti griežtą antirefleksiškumą, kurio storis yra maždaug 1/4 bangos ilgio, antirefleksinio sluoksnio lūžio rodiklis n turi būti tiksliai sureguliuotas taip, kad jis būtų tarp n.Substratasir nFotorezistassubstrato, tai yra,
(4) Optimizuokite fotorezisto storį ir svyravimo kreivę
Net esant apatiniam antirefleksiniam sluoksniui, nuo fotorezisto apačios vis tiek atsispindės tam tikras likutinės šviesos kiekis. Ši šviesos dalis trukdys atsispindėjusiai šviesai iš fotorezisto viršaus, kaip parodyta 7.35 (a) ir 7.35 (b) pav. Keičiantis fotorezisto storiui, periodiškai keičiasi „atspindėjusios šviesos 0“ ir „atspindėjusios šviesos 1“ fazė, todėl atsiranda trikdžių. Energijos perskirstymas trukdžių dėka periodiškai keisis į fotorezisto įeinanti energija, keičiantis fotorezisto storiui, todėl linijos plotis periodiškai keisis keičiantis fotorezisto storiui, kaip parodyta 7.35 (b) pav. Paprastai yra keletas būdų, kaip išspręsti linijos pločio, svyruojančio nuo fotorezisto storio, problemą:
Optimizuokite antirefleksinio sluoksnio storį ir lūžio rodiklį (pasirinkite tinkamą antirefleksinį sluoksnį)
Pasirinkite du antirefleksinius sluoksnius (paprastai vienas iš jų yra neorganinis antirefleksinis sluoksnis, pvz., silicio oksinitrido SiON)
Uždėkite viršutinę antirefleksinę dangą (Top ARC, TARC), kad pašalintumėte atspindėtą šviesą fotorezisto viršuje.
Tačiau pridėjus antirefleksinį sluoksnį procesas bus sudėtingesnis ir brangesnis. Kai proceso langas vis dar yra priimtinas, dažniausiai pasirenkamas storis su mažiausiu linijos pločiu. Taip yra todėl, kad pasislinkus fotorezisto storiui, linijos plotis bus didesnis, o ne mažesnis, todėl proceso langas smarkiai sumažėja.
2. Kiti metodai, skirti pagerinti linijos pločio vienodumą
Pagerinkite plyšio apšvietimo vienodumą, aberaciją, židinio nuotolio ir niveliavimo valdymą, platformos sinchronizavimo tikslumą ir litografijos aparato temperatūros valdymo tikslumą; pagerinti kaukės linijos pločio vienodumą; pagerinti pagrindą ir sumažinti substrato įtaką litografijai (įskaitant fokusavimo gylio didinimą ir antirefleksinio sluoksnio tobulinimą). Tarp jų 4.2 skirsnyje paminėta, kad projektavimo modelio vienodumo didinimas padeda pagerinti niveliavimo tikslumą ir iš tikrųjų padidinti fokusavimo gylį. Modelio krašto šiurkštumą paprastai lemia šie veiksniai:
(1) Būdingas fotorezisto šiurkštumas: jis susijęs su fotorezisto molekuline mase, molekulinės masės pasiskirstymu pagal dydį ir fotorūgščių generatoriaus (PAG) koncentracija.
(2) Fotorezisto išsivystymo tirpimo greičio kontrastas didėjant šviesos intensyvumui: kuo staigesnis tirpimo greičio pokytis, esant šviesos intensyvumui arti slenkstinės energijos, tuo mažesnis nelygumas, kurį sukelia dalinis vystymasis.
(3) Fotorezisto jautrumas: kuo mažiau fotorezistas priklauso nuo kepimo post-exposure (PEB), tuo didesnis linijos pločio šiurkštumas. Kepimas po ekspozicijos gali pašalinti kai kuriuos netolygumus.
(4) Fotolitografinio vaizdo kontrastas arba energijos paraštė: kuo didesnis kontrastas, tuo siauresnė sritis, kurioje išryškėja rašto kraštas, ir tuo mažesnis šiurkštumas. Paprastai tai išreiškiama ryšiu tarp linijos pločio šiurkštumo ir vaizdo žurnalo nuolydžio (ILS).
Naudojant chemiškai sustiprintus fotorezistus, kiekviena fotorūgšties molekulė, sukurta fotocheminės reakcijos metu, bus katalizinė apsaugos pašalinimo reakcija difuzijos ilgio diapazone, kai generavimo taškas bus apskritimo centras, o spindulys – spindulys. Paprastai kalbant, 193 nm fotorezistų difuzijos ilgis yra nuo 5 iki 30 nm. Kuo ilgesnis difuzijos ilgis, tuo geresnis rašto šiurkštumas, kai vaizdo kontrastas išlieka nepakitęs. Tačiau netoli skiriamosios gebos ribos, pavyzdžiui, šalia 45 nm pusės žingsnio, padidėjus difuzijos ilgiui sumažės erdvinio vaizdo kontrastas, o sumažėjus erdvinio vaizdo kontrastui taip pat padidės modelio šiurkštumas.
Keičiantis šviesos intensyvumui, fotorezisto tirpimo greitis paprastai keičiasi nuo labai žemo iki labai aukšto lygio. Jei šis pakopinis pokytis yra statesnis, bus sumažinta vadinamoji „dalinio vystymosi“ sritis, ty pereinamoji sritis žingsnio pokyčio viduryje, taip sumažinant modelio nelygumą. Žinoma, per didelis tirpimo kontrastas taip pat turės įtakos fokusavimo gyliui. Kai kuriems 248 nm ir 365 nm fotorezistams šiek tiek mažesnis kontrastas gali tam tikru mastu padidinti židinio gylį, kaip parodyta 7.36 pav.
Kuo didesnis fotorezisto jautrumas, tuo trumpesnis fotorūgščių difuzijos ilgis (tuo didesnis oro vaizdo tikslumas ir didesnė skiriamoji geba), nes tokie fotorezistai paprastai mažiau priklauso nuo kepimo po ekspozicijos, o tai gali sukelti tam tikrą laipsnį. modelio šiurkštumo. Tačiau jei tuo pačiu metu padidinama fotorūgščių generatoriaus koncentracija, ši situacija gali būti pagerinta. Padidinus fotorezisto vaizdo kontrastą, galima sumažinti rašto šiurkštumą, kaip parodyta 7.37 pav.
Kontaktinių angų ir angų apvalumas panašus į rašto šiurkštumą. Jis taip pat susijęs su fotorūgšties difuzija, fotorūgšties koncentracija, erdvinio vaizdo kontrastu ir fotorezisto vystymosi kontrastu. Čia jų po vieną nekalbėsime.
Fotorezisto morfologija
Fotorezisto morfologijos anomalijos apima šoninės sienelės pasvirimo kampą, stovinčią bangą, storio praradimą, apačią, pjūvį iš apačios, T formos viršų, viršaus apvalinimą, linijos pločio šiurkštumą, kraštinių santykį / rašto išmetimą, dugno likučius ir tt Mes juos aptarsime po vieną. , kaip parodyta 7.38 pav.
Šoninės sienelės kampas: paprastai taip yra dėl to, kad šviesa, patenkanti į fotorezisto apačią, yra silpnesnė už šviesą viršuje (dėl fotorezisto sugertos šviesos). Paprastai sprendimas yra sumažinti fotorezisto šviesos sugertį, tuo pačiu padidinant fotorezisto jautrumą šviesai. Tai galima pasiekti padidinus šviesai jautrių komponentų pridėjimą ir padidinus fotorūgščių katalizinį poveikį apsaugos pašalinimo reakcijoje (difuzijos-katalizės reakcija). Šoninės sienelės kampas turės tam tikrą poveikį ėsdinimui, o sunkiais atvejais šoninės sienelės kampas bus perkeltas į išgraviruotą pagrindo medžiagą.
Stovinčios bangos: stovinčios bangos efektas gali būti veiksmingai išspręstas pridedant antirefleksinį sluoksnį ir atitinkamai padidinus fotosensibilizatoriaus difuziją (pvz., padidinus temperatūrą arba kepimo laiką, kad padidėtų fotorūgščių difuzija).
Storio praradimas: kadangi fotorezisto viršus gauna stipriausią šviesą, o viršus apšviečiamas daugiausiai ryškalo, fotorezisto storis tam tikru mastu prarandamas baigus ryškinimą.
Pagrindas: apatinį pagrindą paprastai sukelia rūgščių ir šarmų disbalansas tarp fotorezisto ir pagrindo (pvz., apatinio antirefleksinio sluoksnio). Jei substratas yra santykinai šarminis arba hidrofilinis, fotorūgštis bus neutralizuota arba absorbuojama į substratą, todėl fotorezisto apačioje bus pažeista apsaugos pašalinimo reakcija. Šios problemos sprendimas paprastai yra padidinti substrato rūgštingumą, padidinti fotorezisto ir antirefleksinio sluoksnio kepimo temperatūrą prieš ekspoziciją, kad būtų apribota fotorūgšties difuzija fotoreziste ir substrate. Tačiau difuzijos ribojimas turės įtakos ir kitoms savybėms, tokioms kaip rašto šiurkštumas, fokusavimo gylis ir kt.
Apatinis įpjovimas: priešingai nei apatinis pamatas, sumažinimas atsiranda dėl didesnio rūgštingumo fotorezisto apačioje, o apsaugos pašalinimo reakcija apačioje yra didesnė nei kitose vietose. Sprendimas yra visiškai priešingas aukščiau aprašytam.
T formos užpildas: T formos padengimą sukelia gamyklos ore esantys šarminiai (baziniai) komponentai, tokie kaip amoniakas, amoniakas (amoniakas) ir amino organiniai junginiai (aminas), kurie prasiskverbia į fotorezisto viršų ir neutralizuoja. dalis fotorūgšties, todėl viršuje bus didesnis vietinės linijos plotis, o sunkiais atvejais tai sukels linijos sukibimą. Išeitis – griežtai kontroliuoti šarmų kiekį ore fotolitografijos srityje, paprastai mažiau nei 20 ppb (parts per milijardą), ir stengtis sutrumpinti laiką nuo ekspozicijos iki vėlavimo po ekspozicijos.
Viršutinis apvalinimas: Paprastai fotorezisto viršuje apšvitintos šviesos intensyvumas yra gana didelis. Kai fotorezisto vystymosi kontrastas nėra labai didelis, ši padidintos šviesos dalis padidins tirpimo greitį, todėl viršus suapvalės.
Linijos pločio šiurkštumas: Linijos pločio šiurkštumas buvo aptartas anksčiau.
Kraštinių santykis / modelio žlugimas: Kraštinių santykis aptariamas, nes ryškinimo proceso metu ryškalas, dejonizuotas vanduo ir tt po ryškinimo sukurs šoninę įtampą, susidariusią dėl paviršiaus įtempimo fotorezisto rašte, kaip parodyta 7.39 pav. Dėl tankių raštų, kadangi abiejų pusių įtempimas yra maždaug vienodas, problema nėra per didelė. Tačiau, jei raštas tankaus rašto krašte yra didelis, jis bus vienpusis įtemptas. Kartu su didelio greičio sukimosi sutrikimu kūrimo proceso metu modelis gali žlugti. Eksperimentai rodo, kad aukščio ir pločio santykis didesnis nei 3:1 paprastai yra pavojingesnis.
Apipurškimas: Apačios fotorezistas paprastai nesugeria pakankamai šviesos, todėl atsiranda dalinis vystymasis. Siekiant pagerinti fotorezisto skiriamąją gebą, reikia sumažinti fotorūgšties difuzijos ilgį ir sumažinti erdvinio vystymosi vienodumą, atsirandantį dėl fotorūgšties difuzijos. Tokiu būdu padidėja erdvės šiurkštumas. Apačios purškimas paprastai gali būti sumažintas optimizuojant apšvietimo sąlygas, kaukės linijos pločio paklaidą ir kepimo temperatūrą bei laiką, siekiant pagerinti erdvinio vaizdo kontrastą ir padidinti ekspoziciją ploto vienetui.
Lygiavimo ir perdangos tikslumas
Lygiavimas reiškia registraciją tarp sluoksnių. Paprastai tariant, perdangos tikslumas tarp sluoksnių turi būti maždaug 25–30 % kritinio silicio plokštelės dydžio (minimalaus dydžio). Čia aptarsime šiuos aspektus: perdangos procesą, perdangos parametrus ir lygtis, perdangos žymes, įrangą ir technines problemas, susijusias su perdanga, ir procesus, turinčius įtakos perdangos tikslumui.
Perdengimo procesas yra padalintas į pirmojo sluoksnio (arba priekinio sluoksnio) lygiavimo žymos gamybą, lygiavimą, lygiavimo sprendimą, fotolitografijos aparato kompensavimą, ekspoziciją, perdangos tikslumo matavimą po ekspozicijos ir kito lygiavimo kompensavimo etapo apskaičiavimą, kaip parodyta 7.40 pav. . Perdangos tikslas yra maksimaliai sutapti silicio plokštelės koordinatės su silicio plokštelės platforma (tai yra fotolitografijos mašinos koordinatės). Linijinei daliai yra keturi parametrai: vertimas (Tx, Ty), aplink vertikalią ašį (Z), pasukimą (R) ir padidinimą (M). Galima nustatyti tokį ryšį tarp silicio plokštelės koordinačių sistemos (Xw, Yw) ir fotolitografijos mašinos koordinačių sistema (XM, YM):
XM=TX+M[XW cos(R)-YW nuodėmė (R)]
