Sissejuhatus fotolitograafia tehnoloogiasse
Fotolitograafiatehnoloogia arengulugu
Alates sellest ajast, kui Jack S. Kilby leiutas 12. septembril 1958 maailma esimese integraallülituse, on integraallülitused läbinud kiire arengu juba üle 50 aasta. Minimaalne joone laius on nüüd 20–30 nm. aega, sisenedes sügavale submikronivahemikku. Fotolitograafia tehnoloogia, mis on üks võtmetehnoloogiaid, on samuti arenenud alates algsest fotoseadmetega sarnaste suurendusobjektiivide kasutamisest tänapäevase keelekümblustüüpi 1,35 suure numbrilise avani, millel on võimalus automaatselt juhtida ja reguleerida pildikvaliteeti läbimõõduga. üle poole meetri ja kaaluga pool tonni. hiiglaslik objektiivide komplekt. Fotolitograafia ülesanne on kiht-kihi haaval trükkida pooljuhtahela mustreid räniplaatidele. Selle idee pärineb kauaaegsest trükitehnoloogiast. Erinevus seisneb selles, et printimine salvestab teabe, kasutades tinti, et tekitada muutusi paberi valguse peegelduvuses. , samas kui fotolitograafia kasutab kontrastsuse muutuste saavutamiseks valguse ja valgustundlike ainete fotokeemilist reaktsiooni.
Trükitehnoloogia tekkis esmakordselt hilisel Hani dünastial Hiinas. Rohkem kui 800 aastat hiljem tegi Songi dünastia esindaja Bi Sheng revolutsioonilisi täiustusi ja muutis fikseeritud plokkprintimise teisaldatavaks trükiks, mis seejärel kiiresti arenes. Tänapäeval on välja töötatud laserfototüüpimise tehnoloogia. "Fotolitograafia" praeguses mõistes sai alguse Alois Senefedleri katsetest aastal 1798. Kui ta üritas oma raamatut Saksamaal Münchenis välja anda, avastas ta, et kui ta kasutas õlipliiatsit poorsele lubjakivile illustratsioonide joonistamiseks ja niisutab joonistamata alasid veega. , oleks tint ainult liimiga sinna, kuhu sa pliiatsiga joonistasid. Seda tehnikat nimetatakse litograafiaks ehk kivile joonistamiseks. Litograafia oli tänapäevase multiregistreerimise eelkäija.
Fotolitograafia põhimeetodid
Kuigi on mõningaid sarnasusi, kasutab integraallülituste fotolitograafia tindi asemel valgust ning tindiga ja tindita alad muutuvad maskil valguse ja valguseta aladeks. Integraallülitust tootvas tööstuses nimetatakse litograafiat seetõttu ka fotolitograafiaks või litograafiaks. Nii nagu õlipõhine tint sadestatakse valikuliselt lubjakivile, pääseb valgus läbi ainult maski läbipaistvad alad ja projitseeritud valgus salvestatakse valgustundlikule materjalile, mida nimetatakse fotoresistiks. Fotolitograafia protsessi lihtne skemaatiline diagramm on näidatud joonisel 7.1.
Kuna pärast ultraviolettkiirguse (UV) valgusega kokkupuudet fotoresisti lahustumise kiirus ilmutis muutub, kantakse maskil olev muster räniplaadi ülaosas asuvale fotoresisti kihile. Fotoresistiga kaetud alad võivad saavutada maski mustri edasise ülekande, takistades edasist töötlemist (nt söövitamist või ioonide implanteerimist).
Alates 1960. aastast võib fotolitograafiatehnoloogia jagada kolmeks järgmiseks tüübiks: kontaktsäritus, lähedussäritus ja projektsioonsäritus. Varasem oli kontakt või lähedus, mis oli tootmise peavool kuni -20sajandi keskpaigani. Kuna teoreetiliselt pole maski ja räniplaadi ülaosa vahel vahet, ei ole eraldusvõime probleem kokkupuute korral. Kuna aga kontakt põhjustab maski ja fotoresisti kulumise tõttu defekte, valisid inimesed lõpuks lähisärituse. Muidugi, kuigi defekte välditakse, on lähedussärituse korral lünkade ja valguse hajumise tõttu lähisärituse eraldusvõime piiratud 3 μm või suuremaga. Lähedussärituse eraldusvõime teoreetiline piir on
Nende hulgas
k tähistab fotoresisti parameetreid, tavaliselt vahemikus 1 kuni 2;
CD tähistab minimaalset suurust, st kriitilist mõõdet, mis tavaliselt vastab minimaalsele lahendatavale ruumiperioodi joone laiusele;
λ viitab kokkupuute lainepikkusele;
g tähistab kaugust maskist fotoresistpinnal oleva piluni (g=0 vastab kontakti säritamisele)
Kuna g on tavaliselt suurem kui 10 μm (mida piirab maski ja räniplaadi pinnatasasus), on eraldusvõime väga piiratud, näiteks 3 μm 450 nm valgustuse lainepikkuse korral. Kontakti kokkupuude võib ulatuda 0,7 μm-ni.
Defektide ja eraldusvõime topeltraskuste ületamiseks pakuti välja projektsioonisärituse skeem, milles maski ja ränivahvlit eraldab rohkem kui mitu sentimeetrit. Optilisi läätsi kasutatakse maskil oleva mustriläätse kujutiseks räniplaadile. Kuna turg nõuab suuremaid kiibi suurusi ja rangemat joonelaiuse ühtluse kontrolli, on ka projektsiooni säritus järk-järgult muutunud algsest.
täieliku räniplaadiga kokkupuude täieliku räniplaadi skaneerimisega (vt joonis 7.2 (a))
astmeline ja korduv kokkupuude (vt joonis 7.2 (b))
samm-skaneerimine (vt joonis 7.2 (c))
Kogu räniplaadi 1:1 säritusmeetodil on lihtne struktuur ja see ei nõua valguse kõrget monokromaatilisust. Kuna aga kiibi suurus ja räniplaadi suurus muutuvad üha suuremaks ning joone laius muutub aina peenemaks, ei saa optiline süsteem projitseerida mustrit korraga tervele räniplaadile, ilma et see mõjutaks pildikvaliteeti ja ploki kokkupuude muutub vältimatuks. .
Üks plokk-särituse meetoditest on kogu räniplaadi skaneerimise meetod, nagu on näidatud joonisel 7.2 (a). See meetod skaneerib pidevalt ja paljastab maskil oleva mustri räniplaadile läbi kaarekujulise vaatevälja. Süsteem kasutab kahte sama optilise teljega sfäärilist peeglit ning nende kõverusraadius ja paigalduskaugus määratakse aberratsiooni puudumise nõude järgi.
Kuna aga kiibi suurus ja ränivahvli suurus muutuvad aina suuremaks ja joone laius aina peenemaks, muudab 1-kordne säritamine järjest keerulisemaks suure mustri valmistamise ja paigutuse täpsusega maski valmistamise.
Seetõttu hakati 1970. aastate lõpus kasutusele võtma vähendatud suurendusega plokk-särituse masin. Kiibi muster eksponeeritakse ükshaaval räniplaadile, nagu on näidatud joonisel 7.2 (b). Seetõttu nimetatakse seda vähendatud suurendusega säritussüsteemi samm- ja kordussüsteemiks ehk stepperiks.
Kuna aga kiibi suurus ja ränivahvli suurus muutuvad suuremaks ja joone laiuse kontroll muutub rangemaks, ei suuda isegi stepperi tehnilised võimalused vajadusi rahuldada. Selle nõudluse ja praeguse tehnoloogia vahelise vastuolu lahendamine viis otseselt sammu- ja skannimissäritusmasina sünnini, nagu on näidatud joonisel 7.2 (c). See seade on hübriid, mis ühendab endas varajase täisvahvel skaneeriva säritusmasina ja hilisema samm- ja kordussäritusmasina eelised: maski skannitakse ja projitseeritakse, mitte ei projitseerida korraga, samuti eksponeeritakse kogu räniplaat. plokid. See seade kannab optilised raskused üle kõrgele mehaanilisele positsioneerimisele ja juhtimisele. Seda seadet on tööstus siiani kasutanud, eriti pooljuhtkiipide tootmisel lainepikkusel 65nm ja alla selle tehnoloogia sõlmedest.
Peamised litograafiamasinate tootjad maailmas on ASML Hollandis, Nikon ja Canon Jaapanis ning teised mittetäissuuruses litograafiamasinate tootjad, näiteks Ultrastepper.
Kodumaiste täiustatud skaneerivate litograafiamasinate tootmine algas hilja. Pärast 2002. aastat töötas selle välja peamiselt Shanghai Microelectronics Equipment Co., Ltd. (SMEE). Kodused litograafiamasinad on arenenud kasutatud litograafiamasinate remondist kuni litograafiamasinate iseseisva arendamise ja valmistamiseni. Kõige arenenum litograafiamasin hetkel arenduses on 193nm SSA600/20 (vt joonis 7.3). Kuigi maailma kõrgtasemega on veel suur vahe, tuleb tõdeda, et on tehtud rõõmustavaid edusamme. Selle numbriline ava on 0,75, standardne säritusväli on 26 × 33 mm, eraldusvõime on 90 nm, ülekatte täpsus on 20 nm ja 300 mm tootmisvõimsus on 80 tükki tunnis.
Muud pildiedastusmeetodid
On hästi teada, et fotolitograafia jätkuva arendamise üks suund on lainepikkuse vähendamine. Seda pingutust on aga takistanud sellised tegurid nagu sobivate 157 nm fotoresistide, maski kaitsekilede (pelliklite) väljatöötamine ja läätsematerjalide, nagu kaltsiumfluoriid, tootmismaht (
). Kuid viimase 20 aasta jooksul on inimesed investeerinud palju uuringuid äärmusliku ultraviolettkiirguse (EUV) lainepikkusega fotolitograafiasse. See tehnoloogia kasutab 13,5 nm äärmist ultraviolettvalgust, mida kiirgab ksenoon või tinaplasma, mis on genereeritud tugevate laserite või kõrgepingelahenduste abil. Kuigi EUV tehnoloogiaga kaasa toodud kõrge eraldusvõime on väga atraktiivne, on sellel tehnoloogial ka palju tehnilisi raskusi, näiteks on peegel kergesti saastunud impulsi tekitatud pritsmematerjaliga, ekstreemne ultraviolettvalgus neeldub kergesti (nõuab, et süsteemil oleks ülimalt kõrge vaakum ja minimaalne peegeldavate läätsede arv), ranged nõuded maskile (puuduvad defektid ja kõrge peegeldusvõime), lühikesest lainepikkusest tingitud peegeldus, fotoresisti reaktsioonikiirus ja eraldusvõime jne.
Lisaks traditsioonilise valguse kasutamisele maski mustri ülekandmiseks otsivad inimesed ka muid mikrolitograafia meetodeid, nagu röntgen, nanoimprint, mitme elektronkiire otsekirjutamine, elektronkiir, ioonkiirte projektsioon jne.
Fotolitograafia süsteemiparameetrid
Lainepikkus, numbriline ava, pildiruumi keskmine murdumisnäitaja
Varem mainiti, et lähedussärituse eraldusvõime halveneb kiiresti, kui maski ja räniplaadi vaheline kaugus suureneb. Projektsiooni särituse meetodil määratakse optiline eraldusvõime järgmise valemiga, st
Nende hulgas
tähistab proportsionaalset koefitsienti, mis iseloomustab fotolitograafia protsessi raskust. Üldiselt öeldes,
on vahemikus {{0}}.25 kuni 1.0. See on tegelikult kuulus Rayleighi valem. Selle valemi kohaselt määrab optilise eraldusvõime lainepikkus λ, numbriline ava NA ja protsessiga seotud
. Kui teil on vaja printida väiksemat mustrit, võib meetodiks samaaegselt vähendada särituse lainepikkust, suurendada numbrilist ava või vähendada
väärtust või muuda ühte teguritest. Selles jaotises tutvustame esmalt olemasolevaid tulemusi eraldusvõime parandamisel lainepikkuse vähendamise ja numbrilise ava suurendamise kaudu. Kuidas eraldusvõimet parandada, vähendades
Fikseeritud lainepikkuse ja numbrilise ava eeldusel põhinevat tegurit arutatakse hiljem.
Kuigi lühikese lainepikkusega on võimalik saavutada kõrge eraldusvõime, tuleb arvesse võtta ka mitmeid muid valgusallikaga seotud olulisi parameetreid, nagu valgustugevus (heledus), sagedusribalaius ja koherentsus (koherentsust kirjeldatakse üksikasjalikumalt hiljem). Pärast põhjalikku läbivaatust valiti kõrgsurve elavhõbedalamp selle heleduse ja paljude teravate spektrijoonte tõttu usaldusväärseks valgusallikaks. Erinevaid särituse lainepikkusi saab valida erinevate lainepikkustega filtrite abil. Valguse ühe lainepikkuse valimise võimalus on fotolitograafia jaoks ülioluline, sest üldine stepper tekitab mittemonokromaatilise valguse kromaatilise aberratsiooni, mille tulemuseks on pildikvaliteedi langus. Tööstuses kasutatavad G-, H- ja I-joon viitavad vastavalt 436 nm, 405 nm ja 365 nm elavhõbedalambi spektritele, mida säritusmasin kasutab (vt joonis 7.4).
Kuna I-rea astmelise optiline eraldusvõime võib ulatuda ainult 0,25 μm-ni, on nõudlus kõrgema eraldusvõime järele viinud särituse lainepikkuse lühemale lainepikkusele, näiteks Deep Ultraviolet (DUV) spekter {{3} }nm. Kõrgsurve-elavhõbelampide laiendamine sügavale ultraviolettkiirgusele ei ole aga ideaalne mitte ainult ebapiisava intensiivsuse tõttu, vaid ka seetõttu, et pika lainepikkusega riba kiirgus tekitab kuumust ja deformatsioone. Ka tavalised ultraviolettlaserid, näiteks argoonioonlaserid, ei ole ideaalsed, sest liigne ruumiline koherentsus põhjustab täppe ja mõjutab valgustuse ühtlust. Seevastu eksimerlaserid on valitud sügava ultraviolettkiirguse ideaalseteks valgusallikateks nende järgmiste eeliste tõttu.
(1) Nende suur väljundvõimsus maksimeerib litograafiamasina tootlikkust;
(2) Erinevalt teistest laseritest kõrvaldab nende ruumiline ebaühtlus laigud;
(3) Suur võimsus muudab sobivate fotoresistide väljatöötamise lihtsaks;
(4) Optiliselt võimaldab kitsa sagedusega (nii kitsas kui paar pm) sügava ultraviolettkiirguse väljundit kujundada kvaliteetseid täiskvartslitograafiamasina objektiive.
Seetõttu on eksimeerlaserid muutunud peamiseks valgusallikaks integraallülituste tootmisliinidel, mille suurus on 0,5 μm ja alla selle, ning varaseima aruande avaldasid Jain et al. Eelkõige on kaks eksimerlaserit, krüptoonfluoriid (KrF) lainepikkusega 248 nm ja argoonfluoriid (ArF) lainepikkusega 193 nm, näidanud suurepärast jõudlust kokkupuute energia, ribalaiuse, kiire kuju, eluea ja töökindluse osas. Seetõttu kasutatakse neid laialdaselt täiustatud samm-skannimislitograafiamasinates, nagu ASML-i kaheplatvormiline Twinscan XT: 1000H (KrF), Twinscan XT: 1450G (ArF) ja Nikoni NSR-S210D (KrF), NSR{11 }}F (ArF).
Muidugi otsivad inimesed endiselt lühema lainepikkusega valgusallikaid, näiteks fluorimolekulide poolt genereeritud 157nm laserit.
Kuid sobivate fotoresistide, maski kaitsekilede (pelliklite) väljatöötamise ja läätsematerjali kaltsiumfluoriidi tootmismahu tõttu on keeruline.
), saab 157 nm litograafiatehnoloogia pikendada pooljuhtprotsessi ainult ühe sõlme võrra, st 65 nm-lt 45 nm-ni; samas kui eelmine 193 nm litograafiatehnoloogia arendus laiendas tootmissõlme 130 nm-lt kahele sõlmele: 90 nm ja 65 nm, mille tulemusel loobuti jõupingutustest 157 nm litograafiatehnoloogia masstootmise turundamiseks. Särituse lainepikkuse kujunemine protsessisõlmedega on näidatud joonisel 7.5.
Lisaks särituse lainepikkuse lühendamisele on veel üks viis eraldusvõime suurendamiseks projektsiooni-/skaneerimisseadme numbrilise apertuuri (NA) suurendamine.
Kus n tähistab murdumisnäitaja kujutise ruumis ja θ tähistab objektiivi maksimaalset poolnurka kujutise ruumis, nagu on näidatud joonisel 7.6.
Kui pildiruumi keskkonnaks on õhk või vaakum, on selle murdumisnäitaja 1.0 või 1.0 lähedal ja arvuline ava on sinθ. Mida suurem on objektiivi objektiivi nurk pildiruumis, seda suurem on optilise süsteemi eraldusvõime. Muidugi, kui objektiivi ja räniplaadi vaheline kaugus jääb muutumatuks, siis mida suurem on numbriline ava, seda suurem on objektiivi läbimõõt. Mida suurem on objektiivi suurus, seda suurem on valmistamisraskus ja seda keerulisem on struktuur.
Tavaliselt määrab maksimaalse saavutatava numbrilise ava objektiivitehnoloogia valmistatavus ja tootmiskulud. Praegu on tüüpiline I-rea skaneeriv litograafiamasin (ASML-i Twinscan XT: 450G) varustatud objektiiviga, mille maksimaalne NA on 0.65, mis suudab eristada tihedaid jooni 22{ {11}}nm ja ruumiline periood 440 nm. Krüptoonfluoriidi (KrF) lainepikkuse suurim arvuline ava on 0,93 (ASML-i Twinscan XT: 1000H), mis suudab eristada tihedaid jooni pikkusega 80 nm (160 nm ruumiline periood). Kõige arenenuma ArF litograafiamasina arvuline ava on 0,93 (ASML-i Twinscan XT: 1450G), mis suudab printida 65 nm tihedaid jooni (120 nm ruumiline periood).
Nagu varem mainitud, saab numbrilist ava suurendada mitte ainult objektiivi avanurga suurendamisega pildiruumis, vaid ka pildiruumi murdumisnäitaja suurendamisega. Kui pildiruumi täitmiseks kasutatakse õhu asemel vett, suurendatakse pildiruumi murdumisnäitajat 1,44-ni lainepikkusel 193 nm. See võrdub 0,93 NA suurendamisega õhus korraga 1,34 NA-ni. Eraldusvõimet paraneb 30% kuni 40%. Seetõttu algas 2001. aastal uus keelekümbluslitograafia ajastu. Kõige arenenumad kaubanduslikud keelekümblusskaneerivad litograafiamasinad on ASML-i Twinscan NXT: 1950i ja Nikoni NSR-S610C, nagu on näidatud joonistel 7.7 (a) ja 7.7 (b). Keelekümbluslitograafia olukorda kirjeldatakse üksikasjalikult hiljem.
Fotolitograafia eraldusvõime kujutamine
Varem oli mainitud, et fotolitograafia eraldusvõime määrab süsteemi numbriline ava ja lainepikkus ning loomulikult on see seotud faktoriga seotud fotolitograafia eraldusvõime suurendamise meetodiga.
. See osa tutvustab peamiselt seda, kuidas hinnata fotolitograafiaprotsessi eraldusvõimet. Teame, et optilise süsteemi eraldusvõime on antud kuulsa Rayleighi kriteeriumi järgi. Kui kaks ühesuurust punktvalgusallikat on üksteise lähedal, on kaugus nende keskpunktist keskpunktini võrdne kaugusega iga optilise instrumendiga pildistatud valguse intensiivsuse maksimumväärtusest esimese minimaalse valguse intensiivsuse väärtuseni, optiline süsteem ei suuda eristada, kas tegemist on kahe või ühe valgusallikaga, nagu on näidatud joonisel 7.8. Isegi kui see vastab Rayleighi kriteeriumile, on valguse intensiivsus kahe punktvalgusallika vahelises piirkonnas siiski madalam kui tippväärtus, kontrastsus on umbes 20%. Joonvalgusallika puhul, kui valgusallika laius on lõpmatult väike, optilise süsteemi puhul, mille numbriline ava on NA ja valgustusvalgusallika lainepikkus λ, on valguse intensiivsuse jaotus kujutise tasapinnal
See tähendab, et valguse intensiivsus jõuab esimese miinimumpunktini kujutise keskse asukoha suhtes (2NA). I0 tähistab valguse intensiivsust pildi keskel. Võib arvata, et minimaalne vahemaa, mida see optiline süsteem suudab lahendada, on λ/(2NA). Näiteks kui lainepikkus on 193 nm ja NA on 1,35 (immersioon), on optilise süsteemi minimaalne eraldusvõime kaugus 71,5 nm.
Muidugi, kas fotolitograafia protsessi puhul tähendab see seda, et saab printida mustri ruumilise perioodiga 71,5 nm? Vastus on eitav. Sellel on kaks põhjust.
① Protsess nõuab masstootmiseks teatud varu ja protsessiindikaatoreid;
② Kõikide masinate ja seadmete kaubanduslik tootmistäpsus ning masina jõudluse terviklikkus, et masin saaks printida tihedaid jooni eraldusvõime piiril ja isoleeritud mustreid, ning samuti peab minimeerima jääkaberratsioonide mõju protsessile.
1,35 NA litograafiamasina puhul lubab ASML, et mustri minimaalne ruumiline periood, mida saab toota, on 76 nm, st 38 nm tihedad jooned võrdse vahega. Fotolitograafia protsessis on piireraldusvõime ainult referentsväärtus. Tegelikus töös räägime vaid sellest, kui suur on protsessiaken teatud ruumiperioodil ja teatud joonelaiusega ning kas sellest piisab masstootmiseks. Protsessi akent iseloomustavaid parameetreid käsitletakse üksikasjalikult jaotises 7.4. Siin on lühike sissejuhatus. Tavaliselt on protsessi akent iseloomustavateks parameetriteks särituse energia laiuskraad (EL), fookuse sügavus või fookuse sügavus (DOF), maski veategur (MEF), ülekatte täpsus, joonelaiuse ühtlus jne.
Särituse energia laiuskraad viitab särituse energia maksimaalsele lubatud hälbele joone laiuse variatsiooni lubatud vahemikus. Näiteks 90 nm laiusega joone puhul muutub joone laius energia mõjul 3 nm/mJ ja joone laiuse varieeruvuse lubatud vahemik on ±9 nm, siis on särituse energia variatsiooni lubatud vahemik 9×2/{ {5}} mJ. Kui särituse energia on 30 mJ, on energia laiuskraad 20% kokkupuute energiast.
Fookuse sügavus on üldiselt seotud litograafiamasina fookuse juhtimise toimivusega. Näiteks 193 nm litograafiamasina fookuse juhtimise täpsus, sealhulgas masina fookustasandi stabiilsus, objektiivi väljakõverus, astigmatism, nivelleerimistäpsus ja räniplaadi platvormi tasapinnalisus, on 120 nm. Siis peaks masstootmise protsessi minimaalne fookussügavus olema üle 120 nm. Kui lisada ka muude protsesside, näiteks keemilis-mehaanilise planariseerimise mõju, tuleb parandada minimaalset fookussügavust, näiteks 200 nm. Muidugi, nagu hiljem arutatakse, võib fookuse sügavuse parandamine toimuda energiamarginaali arvelt.
Maski veategur (MEF) on defineeritud kui räniplaadi joone laiuse kõrvalekalde suhe maskil oleva joone laiuse kõrvalekalde ja maski hälbe vahel, nagu on näidatud valemis (7-5).
Tavaliselt on MEF 1-le lähedane või sellega võrdne.0. Kui aga mustri ruumiline periood läheneb difraktsioonipiirile, suureneb MEF kiiresti. Liiga suur veategur põhjustab räniplaadi joone laiuse ühtluse halvenemise. Või vastavalt antud joone laiuse ühtluse nõudele on maski joone laiuse ühtlus liiga kõrge.
Ülekatte täpsuse määravad üldiselt litograafiamasina liikuva platvormi samm, skaneerimise sünkroonimise täpsus, temperatuuri juhtimine, objektiivi aberratsioon ja aberratsiooni stabiilsus. Muidugi sõltub ülekatte täpsus ka ülekattemärgi äratundmisest ja lugemise täpsusest, protsessi mõjust kattemärgile, protsessi deformatsioonist räniplaadil (näiteks erinevad kuumutamisprotsessid, lõõmutamise protsessid) jne. Kaasaegne litograafiamasina samm võib kompenseerida räniplaadi ühtlast paisumist ja võib kompenseerida ka räniplaadi ebaühtlast moonutust, näiteks ASML-i käivitatud GridMapperi "võrgu kaardistamise" tarkvara. See võib parandada mittelineaarse räniplaadi särituse ruudustiku moonutusi.
Joone laiuse ühtlus jaguneb kahte kategooriasse: ühtlus kokkupuuteala piires (väljasisene) ja ühtlus kokkupuutealade vahel (väljadevaheline).
Joone laiuse ühtlus säritusalal määratakse peamiselt maski joone laiuse ühtsusega (edastatakse maski veateguri kaudu), energia stabiilsusega (skaneerimise ajal), valgustuse ühtsusega skaneerimispilus, fookuse/nivelleerimise ühtsusega säriala iga punkti jaoks, objektiiv aberratsioon (nagu kooma, astigmatism), skaneerimise sünkroonimise täpsuse viga (Moving Standard Deviation, MSD) jne.
Joone laiuse ühtluse kokkupuutealade vahel määrab peamiselt valgustuse energiastabiilsus, räniplaadi substraadi kile paksuse jaotus räniplaadi pinnal (peamiselt liimkatte ühtluse ja muude protsesside põhjustatud kile paksuse ühtluse tõttu), räniplaadi tasapinnalisus. pind, ilmutiga seotud küpsemise ühtlus, ilmuti pritsimise ühtlus jne.
Fotolitograafia protsessi voog
Põhiline 8-etapiline fotolitograafia protsessi voog on näidatud joonisel 7.9.
samm01-HMDS-i pinnatöötlus
samm02-Liimimine
samm03-Särituseelne küpsetamine
samm04-Joondamine ja säritus
samm05-Säritusjärgne küpsetamine
samm06-Arendus
samm07-Arendusjärgne küpsetamine
samm08-Mõõtmine
1. Gaasilise räni vahvli pinna eeltöötlus
Enne fotolitograafiat läbib ränivahv saasteainete eemaldamiseks märgpuhastuse ja deioniseeritud veega loputamise. Pärast puhastamist tuleb ränivahvli pind hüdrofobiseerida, et tugevdada haardumist räniplaadi pinna ja fotoresisti vahel (tavaliselt hüdrofoobne). Hüdrofoobsel töötlemisel kasutatakse materjali, mida nimetatakse heksametüüldisilasaaniks, mille molekulvalem on (CH3)3SiNHSi(CH3)₃. Tekib heksametüüldisilasaani (HMDS) aur. See gaasiga eeltöötlus sarnaneb puidu ja plasti krundipihusti kasutamisega enne värvimist. Heksametüüldisilasaani ülesanne on asendada hüdrofiilne hüdroksüül (OH) räniplaadi pinnal hüdrofoobse hüdroksüüliga (OH) keemilise reaktsiooni teel.OSi(CH₃)₃.Eeltöötluse eesmärgi saavutamiseks
Gaasi eeltöötluse temperatuuri reguleeritakse 200-250 kraadi juures ja aeg on tavaliselt 30 sekundit. Gaasi eeltöötlusseade on fotoresisti töötlemiseks ühendatud vahvlirajaga ja selle põhistruktuur on näidatud joonisel 7.10.
2. Spin-kattega fotoresist, peegeldusvastane kiht
Pärast gaasi eeltöötlust tuleb räniplaadi pind katta fotoresistiga. Kõige laialdasemalt kasutatav katmismeetod on tsentrifuugimise meetod. Fotoresist (umbes paar milliliitrit) transporditakse esmalt torujuhtme abil ränivahvli keskele, seejärel pööratakse räniplaati ja kiirendatakse järk-järgult, kuni see teatud kiirusel stabiliseerub (kiirus määrab liimi paksuse, ja paksus on pöördvõrdeline kiiruse ruutjuurega). Kui räniplaat peatub, on selle pind põhimõtteliselt kuiv ja paksus eelseadistatud suuruse juures stabiilne. Katte paksuse ühtlus peaks olema ±20Å ("Å, hääldatakse "angstrom", on osakeste füüsikas pikkuse ühik. 1Å on võrdne
m, mis on üks kümnendik nanomeetrist) 45 nm või enama kõrgtehnoloogilise sõlme juures. Tavaliselt on fotoresisti, orgaanilise vaigu, keemilise lahusti ja valgustundliku ühendi (PAC) kolm põhikomponenti.
Üksikasjalikumat fotoresisti käsitletakse fotoresisti peatükis. Selles jaotises käsitletakse ainult põhilist vedeliku dünaamikat. Katteprotsess on jagatud kolmeks etapiks:
① Fotoresisti transport;
② Kiirendage räniplaadi pöörlemist lõppkiiruseni;
③ Pöörake konstantsel kiirusel, kuni paksus stabiliseerub eelseadistatud väärtusel;
Fotoresisti lõplik paksus on otseselt seotud fotoresisti viskoossusega ja lõpliku pöörlemiskiirusega. Fotoresisti viskoossust saab reguleerida keemilise lahusti suurendamise või vähendamisega. Kattevedeliku tsentrifuugimise mehaanikat on hoolikalt uuritud.
Fotoresisti paksuse ühtluse kõrged nõuded on saavutatavad järgmiste parameetrite täieliku kontrollimisega:
① fotoresisti temperatuur;
② ümbritseva õhu temperatuur;
③ räniplaadi temperatuur;
④ Kattemooduli väljalaskevool ja rõhk;
Teine väljakutse on kattega seotud defektide vähendamine. Praktika näitab, et järgmise protsessi kasutamine võib oluliselt vähendada defektide esinemist.
(1) Fotoresist ise peab olema puhas ja ilma tahkete osakesteta. Enne katmist peab see olema Kasutatakse filtreerimisprotsessi ja filtri pooride suurus peab vastama tehnoloogiasõlme nõuetele.
(2) Fotoresist ise ei tohi sisaldada segatud õhku, sest mullid põhjustavad kujutise defekte. Mullid käituvad sarnaselt osakestega.
(3) Kattenõu konstruktsioon peab välistama väljapaiskunud fotoresisti pritsimise.
(4) Fotoresisti väljastamiseks mõeldud pumpamissüsteem peab olema konstrueeritud nii, et see suudab pärast iga fotoresisti kohaletoimetamist tagasi imeda. Tagasiimemise funktsioon on imeda üleliigne fotoresisti otsikust tagasi torusse, et vältida liigse fotoresisti tilkumist räniplaadile või liigse fotoresisti kuivamist ja graanulite defektide tekkimist järgmisel tarnimisel. Imemise tagasitõmbejõud peaks olema reguleeritav, et vältida liigse õhu sattumist torujuhtmesse.
(5) Vahvli serva lahtiühendamine (serv) Bead Removal (EBR) protsessis kasutatav lahusti peab olema hästi kontrollitud. Räniplaatide tsentrifuugimise ajal katmise protsessis voolab fotoresist ränivahvli servale ja selle servast. ränivahv tsentrifugaaljõu toimel räniplaadi tagaküljele Ränikujulise fotoresisti jäägi pind moodustub selle pindpinevuse tõttu, nagu on näidatud joonisel 7.11 Kui seda ei eemaldata, koorub see rõngas pärast kuivatamist osakesed maha ning langeb ränivahvlile, ränivahvlite edastustööriistale ja ränivahvli töötlemise seadmele, põhjustades lisaks ka defektide esinemise suurenemise. räniplaadi tagaküljel olev fotoresisti jääk kleepub räniplaadi platvormile (vahvlipadrunile), põhjustades räniplaadi halba adsorptsiooni, põhjustades särituse defokuseerimist ja suurendades ülekattevigu. Tavaliselt paigaldatakse fotoresistile servaeemaldusseade katmisseadmed. Fotoresisti eemaldamise funktsioon teatud kaugusel räniplaadi servast saavutatakse ränivahvli pööramisega ränivahvli servas (üks otsik peal ja üks all ning otsiku asend alates räniplaadi serv on reguleeritav).
(6) Pärast hoolikat arvutamist leiti, et umbes 90–99% fotoresistist kedrati räniplaadilt maha ja läks raisku. Inimesed on proovinud ränivahvlit enne fotoresisti keerutamist räniplaadil eeltöödelda, kasutades keemilist lahustit, mida nimetatakse propüleenglükoolmetüüleeteratsetaadiks (molekulvalem CH3COOCH(CH₃)CH₃OCH₃), PGMEA). Seda meetodit nimetatakse resist Reduction Coatingiks (RRC). Kuid kui seda meetodit kasutatakse valesti, tekivad defektid. Defektid võivad olla seotud keemilise mõjuga RRC-fotoresisti liidesele ja RRC lahusti saastumisega õhus leiduva ammoniaagiga.
(7) Säilitage ilmuti või ilmutusmooduli väljalaskerõhk, et vältida ilmuti väikeste tilkade tagasipritsimist ilmutusprotsessi ajal, kui räniplaat pööratakse.
Kuna fotoresisti viskoossus muutub koos temperatuuriga, saab räniplaadi või fotoresisti temperatuuri tahtliku muutmise teel saada erinevaid paksusi. Kui räniplaadi erinevates piirkondades on seatud erinevad temperatuurid, võib räniplaadil saada erineva paksuse fotoresisti. Optimaalse fotoresisti paksuse saab määrata joone laiuse ja fotoresisti paksuse seadusega (swing curve), et säästa räniplaate, masina aega ja materjale. Kiigekõverate arutelu käsitletakse järgmistes peatükkides. Peegeldusvastase kihi tsentrifuugimise meetod ja põhimõte on samad.
3. Särituseelne küpsetamine
Pärast seda, kui fotoresist on ränivahvli pinnale tsentrifuugimisega kaetud, tuleb see küpsetada. Küpsetamise eesmärk on peaaegu kõik lahustid minema ajada. Seda küpsetamist nimetatakse "särituseelseks küpsetamiseks" või "eelküpsetamiseks", kuna seda tehakse enne kokkupuudet. Eelküpsetamine parandab fotoresisti adhesiooni, parandab fotoresisti ühtlust ja kontrollib joone laiuse ühtlust söövitusprotsessi ajal. Punktis 6.3 mainitud keemiliselt võimendatud fotoresisti puhul saab eelküpsetamist kasutada ka fotohappe difusioonipikkuse teatud määral muutmiseks protsessiakna parameetrite reguleerimiseks. Tüüpiline eelküpsetustemperatuur ja -aeg on 90-100 kraadi, umbes 30 s. Pärast eelküpsetamist teisaldatakse ränivahv küpsetamisel kasutatavalt kuumutusplaadilt külmale plaadile, et see säritusetapiks valmistudes toatemperatuurile tagasi viia.
4. Joondamine ja säritus
Etapid pärast eelküpsetamist on joondamine ja eksponeerimine. Projektsioon-särituse meetodil liigutatakse mask räniplaadil eelnevalt määratletud ligikaudsesse asendisse või räniplaadil olemasoleva mustri suhtes õigesse asendisse ja seejärel kannab lääts fotolitograafia abil oma mustri räniplaadile. Läheduse või kontaktiga kokkupuute korral puutub maskil olev muster ultraviolettvalguse allika poolt otse räniplaadiga kokku.
Esimese mustrite kihi puhul ei pruugi räniplaadil mustrit olla ja fotolitograafiamasin liigutab maski räniplaadil eelmääratletud (kiibi eristamise meetod) ligikaudsesse asendisse (olenevalt räniplaadi külgsuunalise paigutuse täpsusest fotolitograafiamasina platvormil, tavaliselt umbes 10–30 μm).
Teise kihi ja järgnevate mustrite puhul peab fotolitograafiamasin joondama eelmise kihi särituse jäetud joondusmärgi, et trükkida selle kihi mask eelmise kihi olemasolevale mustrile üle. See ülekatte täpsus on tavaliselt 25–30% mustri minimaalsest suurusest. Näiteks 90 nm tehnoloogias on ülekatte täpsus tavaliselt 22–28 nm (3 korda suurem standardhälbest). Kui joondamise täpsus vastab nõuetele, algab kokkupuude. Valgusenergia aktiveerib fotoresisti valgustundlikud komponendid ja käivitab fotokeemilise reaktsiooni. Fotolitograafia kvaliteedi mõõtmise peamised näitajad on üldiselt kriitilise mõõtme (CD) lahutusvõime ja ühtlus, ülekatte täpsus ning osakeste ja defektide arv.
Ülekatte täpsuse põhitähendus viitab kahe fotolitograafia protsessi vahelise graafika joondamise täpsusele (3σ). Kui joonduse hälve on liiga suur, mõjutab see otseselt toote saagist. Tipptasemel fotolitograafiamasinate puhul pakuvad üldseadmete tarnijad ülekatte täpsuse jaoks kahte väärtust, millest üks on ühe masina enda kahekordne ülekatteviga ja teine kahe seadme (erinevate seadmete) vaheline ülekatteviga.
5. Säritusjärgne küpsetamine
Pärast särituse lõppu tuleb fotoresisti uuesti küpsetada. Kuna see küpsetamine toimub pärast kokkupuudet, nimetatakse seda "säritusjärgseks küpsetamiseks", lühendatult post-exposure baking (PEB). Järelküpsetamise eesmärk on fotokeemiline reaktsioon kuumutamise teel täielikult lõpule viia. Särituse käigus tekkivad valgustundlikud komponendid hajuvad kuumutamisel ja reageerivad keemiliselt fotoresistiga, muutes ilmuti vedelikus peaaegu lahustumatu fotoresisti materjaliks ilmuti vedelikus lahustuvaks materjaliks, moodustades lahustuvad mustrid. ilmuti vedelikus ja ei lahustu ilmuti vedelikus fotoresistkiles.
Kuna need mustrid on kooskõlas maski mustritega, kuid neid ei kuvata, nimetatakse neid ka "varjatud kujutisteks". Keemiliselt võimendatud fotoresistide puhul põhjustavad ülemäärased küpsetustemperatuurid või ülemäärased küpsetusajad fotohapete (fotokeemiliste reaktsioonide katalüsaatorite) liigset difusiooni, kahjustades esialgset kujutise kontrasti, vähendades seeläbi protsessi akna ja joone laiuse ühtlust. Üksikasjalik arutelu toimub järgmistes peatükkides. Varjatud pildi tõeliseks kuvamiseks on vaja arendust.
6. Areng
Pärast järelküpsetamise lõppu siseneb ränivahv arendusetappi. Kuna fotoresist pärast fotokeemilist reaktsiooni on happeline, kasutatakse ilmutina tugevat aluselist lahust. Üldiselt kasutatakse 2,38% tetrametüülammooniumhüdroksiidi vesilahust (TMAH), mille molekulvalem on (CH3)4NOH. Pärast seda, kui fotoresistkile on ilmutusprotsessi läbinud, peseb ilmuti säritatud alad ära ja maski muster kuvatakse räniplaadil olevale fotoresistkilele nõgusate ja kumerate kujunditena koos fotoresistiga või ilma. Arendusprotsess koosneb tavaliselt järgmistest etappidest:
(1) Eelpihustamine (eelmärg): pihustage ränivahvli pinnale veidi deioniseeritud vett (DI vett), et parandada ilmuti nakkumist räniplaadi pinnale.
(2) ilmuti doseerimine (ilmuti väljastus): toimetage ilmuti räniplaadi pinnale. Selleks, et kõik ränivahvli pinna osad saaksid võimalikult palju kokku puutuda sama koguse ilmutiga, on ilmuti dosaator välja töötanud järgmised meetodid. Kasutage näiteks E2 otsikuid, LD otsikuid jne.
(3) ilmuti pinnale jäämine (loik): pärast ilmuti pihustamist peab see püsima teatud aja jooksul, tavaliselt kümnetest sekunditest kuni ühe või kahe minutini, et ilmuti saaks fotoresistiga täielikult reageerida.
(4) Agentuuri eemaldamine ja loputamine: pärast ilmuti seiskumist visatakse ilmuti välja ja ränivahvli pinnale pihustatakse deioniseeritud vett, et eemaldada ilmuti jääk ja fotoresisti jääkfragmendid.
(5) Kuiva tsentrifuugimine: ränivahvlit pööratakse suurel kiirusel, et eemaldada pinnalt deioniseeritud vesi.
7. Arengujärgne küpsetamine, kõvakileküpsetamine
Kuna ränivahv puutub kokku veega, imab fotoresist pärast väljatöötamist veidi vett, mis ei ole kasulik järgmisteks protsessideks, näiteks märgsöövitamiseks. Seetõttu on fotoresistist liigse vee väljutamiseks vajalik kõvakileküpsetamine. Kuna enamik söövitamist kasutab nüüd plasmasöövitamist, mida tuntakse ka kui "kuivsöövitust", on kõvakile küpsetamine paljudes protsessides välja jäetud.
8. Mõõtmine
Pärast särituse lõpetamist tuleb mõõta litograafiast moodustatud kriitiline mõõde (kriitiline mõõde, lühendatult CD) ja ülekatte täpsus (metroloogia). Kriitiline mõõde mõõdetakse tavaliselt skaneeriva elektronmikroskoobi abil, samas kui ülekatte täpsust mõõdetakse optilise mikroskoobi ja laenguga ühendatud massiivi kujutise detektori (CCD) abil. Skaneeriva elektronmikroskoobi kasutamise põhjuseks on see, et pooljuhtprotsessis on joone laius tavaliselt väiksem kui nähtava valguse lainepikkus, näiteks 400 kuni 700 nm, ja elektronmikroskoobi elektronekvivalendina lainepikkus määratakse elektrilise mikroskoobi kiirenduspinge järgi. elektron. Kvantmehaanika põhimõtete kohaselt on elektroni De Broglie lainepikkus
Kus h (6,626 × 10-³⁴Js) on Plancki konstant, m (9,1 × 10-³¹kg) on elektroni mass vaakumis ja v on elektroni liikumiskiirus. Kui kiirenduspinge on V, saab elektroni de Broglie lainepikkuse kirjutada järgmiselt
Kus q (1,609 × 10-19c) on elektroni laeng. Arvväärtusi asendades saab võrrandi (7-7) ligikaudselt kirjutada järgmiselt
Kui kiirenduspinge on 300V, on elektroni lainepikkuseks 0,07nm, mis on piisav joone laiuse mõõtmiseks. Tegelikus töös määrab elektronmikroskoobi lahutusvõime elektronkiire mitmekordne hajumine materjalis ja elektronläätse aberratsioon. Tavaliselt on elektronmikroskoobi eraldusvõime kümneid nanomeetreid ja joone mõõtme mõõtmise viga on umbes 1 kuni 3 nm. Kuigi ülekatte täpsus on jõudnud nanomeetrini, on ülekatte mõõtmiseks vaja vaid jämedama joone keskse asukoha määramist, saab ülekatte täpsuse mõõtmiseks kasutada optilist mikroskoopi.
Joonis 7.12 (a) on skaneeriva elektronmikroskoobiga tehtud suuruse mõõtmise ekraanipilt. Valged topeltjooned ja suhtelised nooled joonisel tähistavad sihtsuurust. Skaneeriva elektronmikroskoobi kujutise kontrastsus moodustub elektronpommitamisel tekkivate sekundaarsete elektronide emissioonist ja kogumisest. On näha, et joone servale saab koguda rohkem sekundaarseid elektrone. Põhimõtteliselt, mida rohkem elektrone kogutakse, seda täpsem on mõõtmine. Kuna aga elektronkiire mõju fotoresistile ei saa eirata, väheneb fotoresist pärast elektronkiire kiiritamist, eriti 193 nm fotoresist. Seetõttu on väga oluline leida tasakaal mõõdetavuse ja minimaalsete häirete vahel.
Joonis 7.12 (b) on tüüpiline ülekatte mõõtmise skemaatiline diagramm, kus joone paksus on tavaliselt 1–3 μm, raami välimise külje pikkus on tavaliselt 20–30 μm ja sisemise raami külje pikkus on üldiselt 10–20 μm . Sellel joonisel on sisemise ja välimise kaadri erinevad värvid või kontrastid tingitud peegeldunud valguse värvide ja kontrasti erinevustest, mis on põhjustatud õhukeste kilede erinevate kihtide erinevast paksusest. Ülekatte mõõtmine saavutatakse sisemise raami keskpunkti ja välimise raami keskpunkti vahelise ruumilise erinevuse määramisega. Praktika on tõestanud, et seni, kuni on tagatud piisav signaaliintensiivsus, võib isegi optiline mikroskoop saavutada mõõtmistäpsuse umbes 1 nm.
Litograafia protsessi aken ja mustri terviklikkuse hindamise meetod
Särituse energiavaru, normaliseeritud kujutise logaritmiline kalle (NILS)
Jaotises 2 mainiti, et särituse energiavaru (EL) viitab särituse energia maksimaalsele lubatud hälbele joone laiuse variatsiooni lubatud vahemikus. See on litograafiaprotsessi mõõtmise põhiparameeter.
Joonis 7.13 (a) näitab litograafiamustri varieerumist koos särituse energia ja fookuskaugusega.
Joonisel 7.13 (b) on kujutatud kahemõõtmelise jaotuse katsemuster erineva energia ja fookuskaugusega, mis on eksponeeritud räniplaadil. See on nagu maatriks ja seda nimetatakse ka fookus-särimaatriksiks (FEM).
Seda maatriksit kasutatakse fotolitograafia protsessi protsessiakna mõõtmiseks ühel või mitmel mustril, näiteks energiavaru ja fookuse sügavus. Kui maskile lisatakse spetsiaalsed testmustrid, saab Focus-Energy Matrix mõõta ka muid protsessi ja seadmetega seotud jõudlusparameetreid, nagu litograafiamasina objektiivi erinevad aberratsioonid, hajuv valgus (helk), maski veategur, fotohappe difusioon. fotoresisti pikkus, fotoresisti tundlikkus, maski valmistamise täpsus jne.
Joonisel 7.13 (a) kujutab hall graafik fotoresisti (positiivse fotoresisti) ristlõike morfoloogiat pärast eksponeerimist ja arendamist. Kuna särituse energia kasvab jätkuvalt, muutub joone laius aina väiksemaks. Fookuskauguse muutudes muutub ka fotoresisti vertikaalne morfoloogia. Arutleme kõigepealt energiaga muutuse üle. Kui fookuskauguseks on valitud -0,1 μm, see tähendab, et projitseeritud fookustasand on fotoresisti ülaosast allpool 0,1 μm. Kui joone laiust mõõdetakse selle muutumisel energiaga, võib saada joonisel 7.14 näidatud kõvera.
Kui valime joone laiuse CD kogutolerantsiks ±10% joone laiusest 90 nm, st 18 nm, ja särituse energiaga muutuva joone laiuse kalle on 6,5 nm/(mJ/cm²) ja optimaalne kokkupuuteenergia on 20 (mJ/cm²), siis on energiavaru EL 18/6,5/20=13,8%.
Kas sellest piisab? See küsimus on seotud selliste teguritega nagu litograafiamasina tugevus, tootmisprotsessi juhtimise võime ja seadme nõuded joone laiusele. Energiavaru on seotud ka fotoresisti võimega ruumilist pilti säilitada. Üldiselt on 90 nm, 65 nm, 45 nm ja 32 nm sõlmedes paisukihi litograafia EL-i nõue 15% kuni 20% ja metalljuhtmestiku kihi EL-i nõue on umbes 13% kuni 15%.
Energiavaru on samuti otseselt seotud pildi kontrastsusega, kuid pilt ei ole siin mitte ruumiline kujutis objektiivist, vaid "latentse kujutis" pärast fotoresisti fotokeemilist reaktsiooni. Valguse neeldumine fotoresisti poolt ja fotokeemiliste reaktsioonide toimumine nõuavad valgustundlike komponentide hajumist fotoresistkilesse. Selle fotokeemilise reaktsiooni jaoks vajalik difusioon vähendab pildi kontrastsust. Kontrastsus on määratletud kui
Nende hulgas on U "latentse kujutise" ekvivalentne valgustugevus (tegelikult valgustundliku komponendi tihedus).
Tihedate joonte korral, kui ruumiline periood P on väiksem kui λ /NA, siis selle ruumilise kujutise ekvivalentvalguse intensiivsus U(x) peab olema siinuslaine, nagu on näidatud joonisel 7.15, mille saab kirjutada järgmiselt.
Vastavalt EL definitsioonile koos valemiga (7-10), nagu on näidatud joonisel 7.16, saab EL kirjutada järgmise avaldisena, see tähendab,
Võrdsete ridade ja tühikute jaoks CD=P/2. On ülevaatlikum ja intuitiivsem väljend, nimelt
See tähendab, et kui dCD kasutab üldist 10% CD-d, on kontrastsus ligikaudu 3,2-kordne EL. Valemi (7-11) kalle on
Seda nimetatakse ka pildilogi kalleks (ILS). Selle otsese seose tõttu pildi kontrasti ja EL-iga kasutatakse seda ka olulise parameetrina litograafiaprotsessi akna mõõtmisel. Kui see on normaliseeritud, st korrutada joone laiusega, saab normaliseeritud kujutise logi kalle (NILS), nagu on määratletud valemis (7-15), st
Üldiselt tähistab U (x) objektiivi poolt fotoresisti projitseeritud ruumipilti, mis siin viitab "varjatud kujutisele" pärast fotoresisti fotokeemilist reaktsiooni. Võrdse vahega tihedate joonte korral CD=P/2 ja ruumiperiood P on väiksem kui λ/NA, saab NILS kirjutada järgmiselt
Näiteks 90nm mäluprotsessi puhul on joonelaius CD võrdne 0,09 μm, kui kontrast on 50% ja ruumiperiood on 0,18 μm, siis NILS on 1,57.
Fookuse sügavus (nivelleerimismeetod)
Fookuse sügavus (DOF) viitab fookuskauguse variatsiooni maksimaalsele vahemikule joone laiuse variatsiooni lubatud vahemikus. Nagu on näidatud joonisel 7.13, ei muutu fotoresisti fookuskauguse muutumisel mitte ainult joone laius, vaid ka morfoloogia. Üldiselt võib öelda, et suure läbipaistvusega fotoresistide (nt 193 nm fotoresistid ja 248 nm kõrge eraldusvõimega fotoresistid) puhul, kui fotolitograafiamasina fookustasand on negatiivse väärtusega, on fookustasand fotoresisti ülaosa lähedal; kui kuvasuhe on suurem kui 2.{5}}, võib fotoresisti allosas oleva suure joone laiuse tõttu tekkida isegi "allalõige", mis võib põhjustada mehaanilist ebastabiilsust ja ümberminekut. Kui fookustasand on positiivsel väärtusel, muutuvad fotoresisti soone ülaosas oleva suure joone laiuse tõttu ümarad ruudu nurgad ülaosas (ülemine ümardamine). See "ülemine ümardamine" võib pärast söövitamist üle kanda materjali morfoloogiasse, seega tuleb vältida nii "allalõikamist" kui ka "ümardamist".
Kui joonisel 7.13 kujutatud joone laiuse andmed on joonistatud, saadakse erinevate särituse energiate korral joone laiuse ja fookuskauguse kõver, nagu on näidatud joonisel 7.17.
Joone laiuse varieerumist fookuskaugusega särituse energia 16, 18, 20, 22, 24 korral nimetatakse ka Poissoni graafikuks.
Kui joone laiuse lubatud varieeruvus on piiratud ±9 nm-ga, võib fookuskauguse maksimaalse lubatud variatsiooni optimaalse särituse energia juures leida jooniselt 7.17. Vähe sellest, kuna tegelikus töös muutuvad samaaegselt nii energia kui ka fookuskaugus, näiteks litograafiamasina triiv, on vaja saavutada fookuskauguse maksimaalne lubatud varieeruvus energia triivi tingimustes. Nagu on näidatud joonisel 7.17, saab fookuskauguse maksimaalse lubatud kõikumise vahemiku arvutamiseks kasutada joone laiuse EL teatud lubatud variatsioonivahemikku, näiteks ±5% standardina (EL=10%). 19 ja 21 mJ/cm2. EL-andmeid saab joonistada lubatud fookuskauguse vahemiku alusel, nagu on näidatud joonisel 7.18. Võib leida, et 90nm protsessis, 10% EL variatsioonivahemikus, on maksimaalne fookussügavuse vahemik umbes 0,30 μm.
Kas sellest piisab? Üldiselt on fookuse sügavus seotud fotolitograafiamasinaga, näiteks fookuse juhtimise täpsusega, sealhulgas masina fookustasandi stabiilsusega, objektiivi väljakõverusega, astigmatismiga, nivelleerimise täpsusega ja räniplaadi platvormi tasasusega. . Loomulikult on see seotud ka ränivahvli enda tasasuse ja keemilis-mehaanilise lamestamise protsessist tingitud tasasuse vähenemise astmega. Erinevate tehnoloogiasõlmede jaoks on tüüpilised teravustamissügavuse nõuded loetletud tabelis 7.1.
Kuna fookuse sügavus on nii oluline, on litograafiamasina oluline osa nivelleerimine väga oluline. Tänapäeval on tööstuses kõige sagedamini kasutatav nivelleerimismeetod räniplaadi vertikaalasendi z ja kaldenurkade R määramine.xja Ry
horisontaalsuunas, mõõtes räniplaadi pinnale kaldu langevast valgusest peegeldunud valgustäpi asukohta, nagu on näidatud joonisel 7.19.
Tegelik süsteem on palju keerulisem, sealhulgas sõltumatute z, R eraldaminexja Ry. Kuna neid kolme sõltumatut parameetrit tuleb mõõta üheaegselt, siis ühest valgusvihust ei piisa (külgnihke jaoks on ainult kaks vabadusastet) ja vaja on vähemalt kahte valguskiirt.
Veelgi enam, kui on vaja tuvastada z, Rxja Rysärituse ala või pilu erinevates punktides tuleb heledate täppide arvu suurendada. Üldiselt võib kokkupuutepiirkonnas olla kuni 8 kuni 10 mõõtmispunkti. Sellel tasandusmeetodil on aga omad piirangud. Kuna pindade, nagu fotoresist ja ränidioksiid valge valguse murdumisnäitaja on umbes 1,5, vaid umbes 18–25% valgusest peegeldub tagasi, nagu on näidatud joonisel 7.20, ja ülejäänud umbes 75–82% detektorisse sisenevast valgusest tungib läbi läbipaistva keskmise pinna . See osa läbivast valgusest levib edasi, kuni see puutub kokku läbipaistmatu või peegeldava keskkonnaga, nagu räni, polüräni, metalli või kõrge murdumisnäitajaga keskkond, nagu räninitriid, ja seejärel peegeldub.
Seetõttu asub nivelleerimissüsteemi poolt tegelikult tuvastatud "pind" kuskil fotoresisti ülemisest pinnast allpool. Kuna rea tagaküljel (BEOL) on peamiselt suhteliselt paks oksiidikiht, näiteks mitmesugused ränidioksiidid, on rea esiotsa (FEOL) vahel teatud fookuskauguse kõrvalekalle. ja tagaosa, üldiselt vahemikus 0.05 kuni 0,20 μm, olenevalt läbipaistva kandja paksusest ja läbipaistmatu keskkonna peegelduvusest. Seetõttu peab kiibi kujundusmuster tagaosas olema võimalikult ühtlane; vastasel juhul põhjustab see mustri tiheduse ebaühtlase jaotumise tõttu nivelleerimisvigu, mis toob kaasa vale kaldekompensatsiooni ja põhjustab defookuse.
Fotolitograafiamasinate tasandamiseks on üldiselt kaks režiimi:
(1) Tasapinnaline režiim: mõõtke mitme punkti kõrgust säritusalal või kogu räniplaadil ja seejärel leidke tasapind vähimruutude meetodil;
(2) Dünaamiline režiim (ainult skaneerivatele fotolitograafiamasinatele): mõõtke dünaamiliselt mitme punkti kõrgust skannitud pilu piirkonnas ja seejärel kompenseerige seda pidevalt piki skaneerimissuunda. Muidugi on oluline teada, et nivelleerimise tagasiside saavutatakse räniplaadi platvormi üles-alla liigutamisega ja mitteskaneerimise suunas kallutamisega. Selle kompensatsioon võib olla ainult makroskoopiline, üldiselt millimeetri tasemel. Veelgi enam, mitteskaneerimise suunas (X-suund) saab seda töödelda ainult vastavalt esimest järku kaldele ja mis tahes mittelineaarset kumerust (nt läätsevälja kõverust ja räniplaadi kõverust) ei saa kompenseerida, nagu on näidatud joonisel 7.21. .
Dünaamilises režiimis võivad mõned litograafiamasinad peatada nivelleerimise ka mittetäielike särituste alade (võtete) või räniplaadi servas olevate killupiirkondade jaoks (säritusala, mille maksimaalne väärtus on
võib sisaldada palju kiibi piirkondi, mida nimetatakse stantsiks) ja kasutage selle ümber olevaid säritus- või kiibiala tasandusandmeid epitakseerimiseks, et vältida mõõtmisvigu, mis on põhjustatud liigsest kõrguse kõrvalekaldest ja mittetäielikust kilekihist räniplaadi servas. ASML-i litograafiamasinates nimetatakse seda funktsiooni "Circuit Dependent Focus Edge Clearance" (CDFEC).
Fookuse sügavust mõjutavad mitmed peamised tegurid: süsteemi numbriline ava, valgustus, mustri joone laius, mustri tihedus, fotoresisti küpsetustemperatuur jne. Nagu näidatud joonisel 7.22, vastavalt laineoptikale , parima fookuskauguse korral on kõigil fookusesse koondunud valguskiirtel sama faas;
Defokuseeritud asendis aga läbivad läätse serva läbivad valguskiired ja läätse keskpunkti läbivad valguskiired erinevaid optilisi teid ning nende erinevus on (FF′- OF′). Kui numbriline ava suureneb, suureneb ka optilise tee erinevus ja tegelik fookusvalguse intensiivsus defookuspunktis muutub väiksemaks või teravustamise sügavus. Paralleelse valguse tingimustes antakse fookuse sügavus (Rayleigh) tavaliselt järgmise valemiga, st
Kus θ on objektiivi maksimaalne avanemisnurk, mis vastab numbrilisele avale NA. Kui NA on suhteliselt väike, võib selle ligikaudu kirjutada kui
On näha, et kui NA on suurem, on fookuse sügavus väiksem ja fookuse sügavus on pöördvõrdeline numbrilise ava ruuduga.
Fookuse sügavust ei mõjuta mitte ainult numbriline ava, vaid ka valgustingimused. Näiteks tiheda graafika puhul, mille ruumiline periood on väiksem kui λ /NA, suurendab teljeväline valgustus fookuse sügavust. Seda osa arutatakse uuesti 7. jaotise jaotises 7.1 teljevälise valgustusega. Lisaks mõjutab fookuse sügavust ka graafika joone laius. Näiteks väikese graafika fookussügavus on üldiselt väiksem kui jämegraafika oma. Selle põhjuseks on asjaolu, et väikese graafika difraktsioonilaine nurk on suhteliselt suur ja nurk nende lähenemise vahel fokaaltasandil on suhteliselt suur. Nagu eespool mainitud, on fookuse sügavus väiksem. Lisaks mõjutab fotoresisti küpsetustemperatuur teatud määral ka fookuse sügavust. Kõrgem säritusjärgne küpsetus (PEB) põhjustab fotoresisti paksuse piires vertikaalsuunas (Z) ruumilise kujutise kontrasti keskmise, mille tulemuseks on suurem fookussügavus. Seda aga pildi maksimaalse kontrastsuse vähendamise arvelt.
Maski veategur
Maski veategur (MEF) või maski vea suurendamise tegur (MEEF) on defineeritud kui räniplaadil eksponeeritud joone laiuse osaline tuletis maski joone laiuse suhtes. Maski veategur on peamiselt põhjustatud optilise süsteemi difraktsioonist ja see muutub suuremaks fotoresisti piiratud täpsuse tõttu ruumilise kujutise suhtes. Maski veategurit mõjutavad tegurid hõlmavad valgustingimusi, fotoresisti omadusi, litograafiamasina läätsede aberratsioone, küpsetusjärgset (PEB) temperatuuri jne. Viimasel kümnendil on kirjanduses olnud palju teateid maski veategurite uurimisest. Nendest uuringutest on näha, et mida väiksem on ruumiperiood või väiksem pildi kontrastsus, seda suurem on maski veategur. Mustrite puhul, mis on palju suuremad kui särituse lainepikkus ehk nn lineaarses vahemikus, on maski veategur tavaliselt väga lähedane 1-le. Mustrite puhul, mis on lainepikkusele lähedased või sellest väiksemad, suureneb maski veategur oluliselt . Kuid välja arvatud järgmistel erijuhtudel, ei ole maski veategur üldjuhul väiksem kui 1:
(1) Vahelduva faasinihke maski kasutav joonlitograafia võib anda maski veateguri, mis on oluliselt väiksem kui 1. Selle põhjuseks on asjaolu, et ruumilise kujutise väljajaotuse minimaalne valgusintensiivsus on peamiselt põhjustatud külgneva faasitsooni tekitatud 180-kraadisest faasimutatsioonist. . Maski metalljoone laiuse muutmine faasimutatsiooni korral mõjutab joone laiust vähe.
(2) Optilise lähedusefekti korrigeerimise väikese kompensatsioonistruktuuri lähedal on maski veategur oluliselt väiksem kui 1. Selle põhjuseks on asjaolu, et difraktsioonist tingitud piiratud eraldusvõimega pildisüsteem ei suuda peamustri väikseid muutusi tundlikult tuvastada.
Tavaliselt on ruumiliselt laiendatud mustrite (nt jooned või sooned ja kontaktaugud) puhul maski veategur 1 või suurem. Kuna maski veategur on seotud joone laiuse ja maski maksumusega, muutub see väga suureks. oluline piirata seda väikese vahemikuga. Näiteks väga kõrgete joonlaiuse ühtsuse nõuetega väravakihi puhul tuleb maski veategur tavaliselt reguleerida alla 1,5 (90 nm ja laiemate protsesside puhul).
Kuni viimase ajani nõudis maski veategurite kohta andmete saamine numbrilist simulatsiooni või eksperimentaalset mõõtmist. Numbrilise simulatsiooni jaoks on teatud täpsuse saavutamiseks vaja tugineda simulatsiooniparameetrite seadistamise kogemusele. Kui on vaja teavet maski veategurite jaotuse kohta kogu litograafia parameetriruumis, võtab selliste meetodite kasutamine palju aega. Tegelikult on tihedate joonte või soonte kujutamisel maski veateguril teoreetiliselt analüütiline ligikaudne avaldis. Eritingimustel, kus ruumiperiood p on väiksem kui λ /NA ja joone laius on võrdne soone laiusega, saab rõngakujulise valgustuse tingimustes analüütilist avaldist lihtsustada ja kirjutada järgmisel kujul, st. ,
+, - kehtivad vastavalt soonte ja joonte puhul. Nende hulgas on σ osalise koherentsuse parameeter (0＜σ ＜1), amplituudi läbilaskvustegur nõrgestatud faasinihkemaskis (nt 6% nõrgestatud maski puhul on 0.25 ), n on fotoresisti murdumisnäitaja (tavaliselt vahemikus 1,7 kuni 1,8) ja a on samaväärne fotohappe difusiooni pikkus lävimudeli all (olenevalt erinevatest tehnoloogiasõlmedest, tavaliselt 5 kuni 1 0 nm 32 kuni 45 nm sõlmed kuni 70 nm 0,18 kuni 0,25 μm sõlmede puhul).
Vahelduva faasinihke maski (Alt-PSM) jaoks on MEF-il lihtsam väljend, nimelt
Nende hulgas ruumiperiood lk<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.
Kui kõik parameetrid peale fotohappe difusioonipikkuse valemis (7-21) on teada, saab fotohappe difusioonipikkuse saada katseandmete sobitamisega. Tulemused näitavad, et pärast 40 sekundilist järelküpsetamist on teatud tüüpi 193 nm fotoresisti fotohappe difusiooni pikkus 27 nm; pärast 60 sekundit järelküpsetamist muutub difusioonipikkuseks 33 nm. Ja tänu andmete täpsusele on fotohappe difusioonipikkuse mõõtmise täpsus ±2nm. See on suurusjärgu võrra suurem kui eelmiste mõõtmismeetodite täpsus, nagu on näidatud joonisel 7.24. Maski veategurit saab kasutada ka maski joone laiuse nõuete arvutamiseks joone laiuse ühtlusele, samuti kahemõõtmelise graafika vahereeglite seadmiseks optilise läheduse efekti korrigeerimisel. Kahemõõtmelise lühendatud jooneotstega graafika jaoks, nagu on näidatud joonisel 7.25, saab lihtsa punktide hajutamise funktsiooni arvutamise ja fotohappe difusiooni teatud lähendusastme abil saada peaaegu analüütilise valemi joonelõpu optilise läheduse efekti jaoks. saadud, see tähendab
Kui PSF on punkti hajutamise funktsioon, siis alaindeks "D" tähistab fotohappe difusiooni, a tähistab fotohappe difusiooni pikkust, n=1, 2 vastab koherentsetele ja ebajärjekindlatele valgustingimustele ja
Joone laiuse ühtlus
Joone laiuse ühtlus pooljuhtprotsessides jaguneb üldiselt kiibi pindalaks, löögialaks, vahvlialaks, partii pindalaks ja partii-partii alaks. Joone laiuse ühtlust mõjutavad tegurid ja mõjuvahemiku üldine analüüs on toodud tabelis 7.2. Tabelist 7.2 leiame, et:
1) Üldiselt on litograafiamasinate ja protsessiakende põhjustatud probleemidel suur mõju.
(2) Maski valmistamise vigadest või optilistest lähedusefektidest põhjustatud probleemid piirduvad üldjuhul kokkupuutealaga.
(3) Kattest või aluspinnast põhjustatud probleemid piirduvad üldiselt räniplaadiga.
CMOS-seadmed nõuavad tavaliselt joone laiuse ühtlust umbes ±10% joone laiusest. Väravate puhul on üldine juhtimistäpsus ±7%. Selle põhjuseks on asjaolu, et protsessides, mis on alla 0,18 μm sõlme, toimub tavaliselt pärast litograafiat ja enne söövitamist joonelaiuse "kärpimine" söövitusprotsess, mis vähendab veelgi litograafiajoone laiust seadme joone laiusele või seadme joone laiusele, mis on üldiselt 70% litograafiajoone laiusest. Kuna seadme joone laiuse kontroll on ±10%, muutub litograafiajoone laius ±7%.
Litograafia joone laiuse ühtluse parandamiseks on mitmeid viise, näiteks särituse energiajaotuse kompenseerimine litograafiamasina valgustusjaotuses kokkupuutealal särituse ühtluse mõõtmise tulemuste põhjal. Seda hüvitist on võimalik saavutada kahel tasemel. Seda saab kompenseerida masina konstantides, mis on rakendatav kõikidele valgustingimustele, või seda saab kompenseerida särituse alamprogrammis (järgides teatud säriprogrammi). Sel viisil saab see rangete ühtsusnõuetega täpselt sihtida teatud taseme. Seda saab parandada ka litograafiajoone ebaühtlase laiuse algpõhjuse analüüsimisega. Näiteks on tüüpiliseks probleemiks protsessistruktuurist tingitud räniplaadi substraadi kõrguste erinevuse mõju värava joone laiuse ühtlikkusele. Näiteks punktis [6] käsitletud väravakihi lokaalne joonelaiuse ühtlus (Local CD Variation, LCDV) halveneb substraadi kõrguse kõikumise tõttu. See kõikumine on näidatud joonisel 7.28.
Kõrguste erinevusest tingitud joone laiuse muutused on näidatud joonistel 7.29 ja 7.30. On näha, et kõrguste vahe järk-järgult vähenedes väheneb joone laius järk-järgult stabiilse väärtuseni.
1. Joone laiuse ühtluse parandamine kiibi piirkonnas või graafilises piirkonnas
Kuna seda vahemikku mõjutavad paljud tegurid, käsitletakse vaid mõningaid peamisi meetodeid.
(1) Täiustage protsessi akent ja optimeerige protsessi akent.
Tiheda graafika puhul saab kasutada teljevälist valgustust nii kontrasti kui ka teravustamise sügavuse parandamiseks ning faasinihke maske kontrasti parandamiseks;
Eraldatud graafika puhul saab kasutada isoleeritud graafika fookussügavuse parandamiseks alamdifraktsiooni hajumise ribasid (SRAF);
Poolisoleeritud graafika puhul, st ruumiline periood on väiksem kui kahekordne minimaalne ruumiperiood ja veidi suurem minimaalsest ruumiperioodist, jõuab protsessiaken siin peaaegu raskesse olekusse, mida nimetatakse ka "keelatud helikõrgusele", nagu näidatud. joonisel 7.31
Nagu on näha jooniselt 7.31, väheneb joone laius minimaalse ruumiperioodi 310 nm suhtes 130 nm-lt umbes 90 nm-le 500 nm perioodi lähedal. See (siin pole näidatud) hõlmab ka kontrasti ja fookuse sügavuse olulist langust. Ruumiperioodi keelamine on tingitud vajadusest säilitada loogikaahelate litograafias fikseeritud minimaalne joonelaius, mille tulemuseks on tõsine kontrasti puudumine ebavõrdse vahega pildistamisel erinevatel ruumiperioodidel või külgnevates mustrites. Selle põhjuseks on peamiselt teljeväline valgustus, mis piirab pooltihedat graafikat. Tavaliselt on teljevälisel valgustusel tugev abi ainult minimaalse ruumiperioodi puhul, kuid sellel on teatud negatiivne mõju nn "pooltihedale" graafikale minimaalse ruumiperioodi ja 2-kordse minimaalse ruumiperioodi korral. Protsessi akna täiustamiseks nn keelatud perioodil tuleks teljevälise valgustuse nurka vastavalt vähendada, et saavutada tasakaalustatud joone laiuse ühtlus.
(2) Parandage optilise lähedusefekti korrigeerimise täpsust ja usaldusväärsust.
Optilise lähedusefekti korrigeerimise põhiprotsess on järgmine: mudeli loomisel kujundage kõigepealt testmaskile kalibreerimisgraafika, nagu on näidatud joonisel 7.32. Seejärel saadakse räniplaadi särituse teel fotoresisti mustri suurus räniplaadil ja seejärel kalibreeritakse mudel (määratakse mudeli vastavad parameetrid) ja arvutatakse samal ajal parandussumma. Seejärel korrigeeritakse seda vastavalt mudelile tegeliku graafiku ja kalibreerimisgraafiku sarnasuse alusel.
Optilise lähedusefekti korrigeerimise täpsus sõltub järgmistest teguritest: räniplaadi joonelaiuse andmete mõõtmise täpsus, mudeli sobitamise täpsus ning mudeli vooluahela mustri korrigeerimise algoritmi ratsionaalsus ja usaldusväärsus, nagu diskreetimismeetod, diskreetimispunkti tihedus Select, õige sammu suurus jne. Fotoresisti mudelite jaoks on üldiselt olemas lihtsad lävimudelid, sealhulgas Gaussi difusiooniga (Gaussi difusiooniga lävimudel) ja muutuva läve takistusega mudelid. Esimene eeldab, et fotoresist on valguslüliti. Kui valguse intensiivsus saavutab teatud läve, muutub fotoresisti lahustumiskiirus ilmutis järsult. Viimane on tingitud esimese kõrvalekaldumisest katseandmetest. Viimane usub, et fotoresist on keerukas süsteem ja selle reaktsioonilävi on seotud maksimaalse valguse intensiivsuse ja maksimaalse valguse intensiivsuse gradiendiga (mis põhjustab valgustundliku aine suunalist difusiooni) ning võib olla mittelineaarne seos. Ja viimane võib kirjeldada ka mõningaid söövitusjoone laiuse kõrvalekaldeid tihedatel kuni isoleeritud mustritel. Muidugi ei suuda selline mudel füüsiliselt väga selgelt füüsilist pilti näidata. Üldiselt on lävemudeli pluss Gaussi difusiooni füüsiline pilt väga selge ja inimesed kasutavad seda rohkem, eriti protsesside arendamise ja protsesside optimeerimise töös. Optilise lähedusefekti korrigeerimise seisukohalt, kuna väga lühikese ajaga on vaja ehitada mõne nanomeetri täpsusega mudel, siis on vältimatu ja ajutine meede ka mõnede täiendavate parameetrite lisamine, mille füüsikalist tähendust ei saa selgelt seletada.
Muidugi, kuna fotolitograafia protsess areneb edasi, areneb fotolitograafia lähedusefekti korrigeerimise mudel edasi ja neelab füüsikalise tähendusega parameetreid. Mudeli täpsuse suurendamiseks saab mõõtmisgraafika esinduslikkust laiendada, suurendades mõõtmispunktide arvu (näiteks 3 kuni 5 korda), st täiustades kalibreerimis (gabariidi) graafikat, nagu on näidatud joonisel. 7.32. Sama vooluringi disaini graafika on geomeetriliste kujundite korrelatsioonid ja sarnasused. Proovige mudeli sobitamise käigus kasutada füüsilisi parameetreid ja anda sobitusvead litograafiainsenerile analüüsimiseks tagasi, et võimalikud vead kõrvaldada. Optilise lähedusefekti korrigeerimist käsitletakse põhjalikult teises peatükis.
(3) Optimeerige peegeldusvastase kihi paksus.
Fotoresisti ja substraadi murdumisnäitaja (n ja k väärtused) erinevuse tõttu peegeldub osa valgustusvalgust fotoresisti ja põhimiku vaheliselt liideselt tagasi, põhjustades häireid langeva pildivalgusega. Kui see häire on tõsine, võib see isegi tekitada seisulaine efekti, nagu on näidatud joonisel 7.33 (c). Joonis 7.33 (c) näitab i-line 365nm või 248nm fotoresisti ristlõiget. Kuna seisulaine tippude vaheline kaugus on pool lainepikkust ja fotoresisti murdumisnäitaja n on piikide arvu järgi (~10) üldiselt umbes 1,6–1,7, võib sellest järeldada. et fotoresisti paksus on umbes 0,7–1,2 μm. 193 nm fotoresisti paksus on tavaliselt alla 300 nm. Peegeldunud valguse kõrvaldamiseks fotoresisti põhjas kasutatakse tavaliselt põhja peegeldusvastast katet (BARC), nagu on näidatud joonisel 7.34 (a). Joonisel 7.34 (a) lisatakse liides pärast alumise peegeldusvastase kihi lisamist. Peegelduva valguse faasi peegeldusvastase kihi ja aluspinna vahel saab reguleerida peegeldusvastase kihi paksuse reguleerimisega, et kompenseerida peegeldunud valgust fotoresisti ja peegeldusvastase kihi vahel, kõrvaldades seeläbi peegeldunud valguse fotoresisti alumine osa. Kui peegeldusvastase kihi puhul tahetakse saavutada ranget peegeldusvastasust paksusega umbes 1/4 lainepikkusest, tuleb peegeldusvastase kihi murdumisnäitaja n täpselt reguleerida nii, et see oleks vahemikus n.Substraatja nFotoresistsubstraadist, see tähendab
(4) Optimeerige fotoresisti paksust ja pöördekõverat
Isegi alumise peegeldusvastase kihi korral peegeldub fotoresisti põhjast teatud hulk jääkvalgust. See valguse osa häirib fotoresisti ülaosast peegeldunud valgust, nagu on näidatud joonisel 7.35 (a) ja joonisel 7.35 (b). Kuna fotoresisti paksus muutub, muutub "peegeldunud valguse 0" ja "peegeldunud valguse 1" faas perioodiliselt, põhjustades seega häireid. Energia ümberjaotumine interferentsi abil põhjustab fotoresisti siseneva energia perioodilise muutumise, kui fotoresisti paksus muutub, seega muutub joone laius perioodiliselt fotoresisti paksuse muutudes, nagu on näidatud joonisel 7.35 (b). Üldiselt on fotoresisti paksusest muutuva joone laiuse probleemi lahendamiseks mitu võimalust:
Optimeerige peegeldusvastase kihi paksus ja murdumisnäitaja (valige sobiv peegeldusvastane kiht)
Valige kaks peegeldusvastast kihti (tavaliselt on üks neist anorgaaniline peegeldusvastane kiht, näiteks ränioksünitriid SiON)
Lisage ülemine peegeldusvastane kate (Top ARC, TARC), et eemaldada peegeldunud valgus fotoresisti ülaosast
Peegeldusvastase kihi lisamine muudab aga protsessi keerulisemaks ja kulukamaks. Kui protsessiaken on endiselt vastuvõetav, valitakse üldjuhul väikseima joonelaiusega paksus. Seda seetõttu, et kui fotoresisti paksus nihkub, muutub joone laius suuremaks, mitte väiksemaks, nii et protsessi aken muutub järsult väiksemaks.
2. Muud meetodid joone laiuse ühtluse parandamiseks
Parandage litograafiamasina pilu valgustuse, aberratsiooni, fookuskauguse ja nivelleerimise ühtlust, platvormi sünkroonimise täpsust ja temperatuuri reguleerimise täpsust; parandada maski joone laiuse ühtlust; parandada substraati ja vähendada substraadi mõju litograafiale (sh suurendada fookuse sügavust ja parandada peegeldusvastast kihti). Nende hulgas mainiti jaotises 4.2, et kujundusmustri ühtsuse suurendamine aitab parandada nivelleerimise täpsust ja tegelikult suurendab fookuse sügavust. Mustri serva karedust põhjustavad tavaliselt järgmised tegurid:
(1) Fotoresisti omane karedus: see on seotud fotoresisti molekulmassi, molekulmassi suurusjaotuse ja fotohappegeneraatori (PAG) kontsentratsiooniga.
(2) Fotoresisti arenemiskiiruse kontrastsus valguse intensiivsuse suurenemisega: Mida järsem on lahustumiskiiruse muutus valguse intensiivsusega lävienergia lähedal, seda väiksem on osalisest arengust põhjustatud karedus.
(3) Fotoresisti tundlikkus: mida vähem toetub fotoresist säritusjärgsele küpsetamisele (PEB), seda suurem on tõenäoliselt joone laiuse karedus. Kokkupuutejärgne küpsetamine võib eemaldada ebaühtluse.
(4) Fotolitograafilise kujutise kontrastsus või energiavaru: mida suurem on kontrast, seda kitsam on ala, kus mustri serv areneb, ja seda väiksem on karedus. Seda väljendatakse üldiselt joone laiuse kareduse ja kujutise logi kalde (ILS) vahelise seosega.
Keemiliselt võimendatud fotoresistide puhul läbib iga fotokeemilise reaktsiooni käigus genereeritud fotohappemolekul kaitse eemaldamise katalüütilise reaktsiooni difusioonipikkuse vahemikus, kusjuures generatsioonipunkt on ringi keskpunkt ja raadius on raadius. Üldiselt on 193 nm fotoresistide difusiooni pikkus vahemikus 5 kuni 30 nm. Mida pikem on difusiooni pikkus, seda parem on mustri karedus, kui pildi kontrastsus jääb muutumatuks. Kuid eraldusvõime piiri lähedal, näiteks 45 nm poolsammu lähedal, põhjustab difusioonipikkuse suurenemine ruumilise kujutise kontrasti vähenemist ja ruumilise kujutise kontrasti vähenemine toob kaasa ka mustri kareduse suurenemise.
Fotoresisti lahustumiskiirus muutub üldiselt väga madalast tasemest väga kõrgeks astmeliselt, kui valguse intensiivsus muutub. Kui see astmetaoline muutus on järsem, väheneb nn "osalise arengu" piirkond, see tähendab üleminekuala astme muutuse keskel, vähendades sellega mustri karedust. Muidugi mõjutab liiga suur lahustumiskontrast ka fookuse sügavust. Mõne 248 nm ja 365 nm fotoresisti puhul võib veidi väiksem kontrastsus fookuse sügavust teatud määral laiendada, nagu on näidatud joonisel 7.36.
Mida suurem on fotoresisti tundlikkus, seda lühem on fotohappe difusiooni pikkus (seda kõrgem on õhupildi täpsus ja suurem eraldusvõime), sest sellised fotoresistid sõltuvad üldiselt vähem säritusjärgsest küpsetamisest, mis võib teatud määral kaasa tuua. mustri kareduse kohta. Kui aga fotohappe generaatori kontsentratsiooni samal ajal suurendada, saab seda olukorda parandada. Fotoresisti kujutise kontrasti parandamine võib vähendada mustri karedust, nagu on näidatud joonisel 7.37.
Kontaktavade ja läbiviikude ümarus on sarnane mustri karedusega. See on seotud ka fotohappe difusiooni, fotohappe kontsentratsiooni, ruumilise kujutise kontrasti ja fotoresisti arengu kontrastsusega. Me ei käsitle neid siin ükshaaval.
Fotoresisti morfoloogia
Fotoresisti morfoloogia kõrvalekalded hõlmavad külgseina kaldenurka, seisulainet, paksuse kadu, põhja aluspinda, põhja sisselõiget, T-kujulist ülaosa, ülemist ümardamist, joone laiuse karedust, kuvasuhet/mustri mahajätmist, põhja jääke jne. Me käsitleme neid ükshaaval , nagu on näidatud joonisel 7.38.
Külgseina nurk: see on üldiselt tingitud sellest, et fotoresisti põhja sisenev valgus on nõrgem kui ülaosa valgus (valguse neeldumise tõttu fotoresisti poolt). Lahenduseks on üldiselt vähendada valguse neeldumist fotoresisti poolt, suurendades samal ajal fotoresisti valgustundlikkust. Seda on võimalik saavutada, suurendades valgustundlike komponentide lisamist ja suurendades fotohapete katalüütilist toimet kaitse eemaldamise reaktsioonis (difusioon-katalüüsi reaktsioon). Külgseina nurk mõjutab söövitamist teatud määral ja rasketel juhtudel kandub külgseina nurk üle söövitatud alusmaterjalile.
Seisulaine: Seisulaine efekti saab tõhusalt lahendada peegeldusvastase kihi lisamisega ja valgustundliku aine difusiooni sobiva suurendamisega (näiteks suurendades temperatuuri või järelküpsetusaega, et suurendada fotohapete difusiooni).
Paksuse kadu: kuna fotoresisti ülaosa saab kõige tugevama valguse ja ülaosa jääb kõige rohkem esile, siis pärast arenduse lõppu kaob fotoresisti paksus teatud määral.
Alumine: alumine alus on üldiselt põhjustatud happe-aluse tasakaalust fotoresisti ja aluspinna (näiteks alumine peegeldusvastane kiht) vahel. Kui substraat on suhteliselt leeliseline või hüdrofiilne, siis fotohape neutraliseeritakse või imendub substraati, mis põhjustab kaitse eemaldamise reaktsiooni fotoresisti põhjas. Selle probleemi lahenduseks on üldiselt suurendada substraadi happesust, tõsta fotoresisti ja peegeldusvastase kihi kokkupuuteeelset küpsetustemperatuuri, et piirata fotohappe difusiooni fotoresistis ja aluspinnas. Kuid difusiooni piiramine mõjutab ka muid omadusi, nagu mustri karedus, fookuse sügavus jne.
Alumine: vastupidiselt alumisele alusele on allalõikamine tingitud suuremast happesusest fotoresisti põhjas ja kaitse eemaldamise reaktsioon põhjas on kõrgem kui muudes kohtades. Lahendus on täpselt vastupidine ülaltoodule.
T-kattekiht: T-katte põhjustavad tehase õhus olevad leeliselised (aluselised) komponendid, nagu ammoniaak, ammoniaak (ammoniaak) ja amiini orgaanilised ühendid (amiin), mis tungivad fotoresisti ülaossa ja neutraliseerivad. osa fotohappest, mille tulemuseks on suurem lokaalne joone laius ülaosas ja rasketel juhtudel põhjustab see joone adhesiooni. Lahenduseks on rangelt kontrollida fotolitograafiapiirkonna õhu leelisesisaldust, tavaliselt alla 20 ppb (osa miljardi kohta), ja püüda lühendada aega kokkupuutest kokkupuutejärgse viivituseni.
Ülemine ümardamine: üldiselt on fotoresisti ülaosale kiiritatud valguse intensiivsus suhteliselt suur. Kui fotoresisti arengukontrastsus ei ole väga kõrge, põhjustab see suurenenud valguse osa suuremat lahustumiskiirust, põhjustades seega ülaosa ümardamist.
Joonelaiuse karedus: Joonelaiuse karedusest on varem juttu olnud.
Kuvasuhe/mustri kokkuvarisemine: kuvasuhet arutatakse seetõttu, et arendusprotsessi ajal tekitavad ilmuti, deioniseeritud vesi jne fotoresisti mustris pärast väljatöötamist külgpinevusi, mis moodustuvad pindpinevusest, nagu on näidatud joonisel 7.39. Tihedate mustrite puhul, kuna mõlema külje pinge on ligikaudu sama, pole probleem liiga suur. Kui aga tiheda mustri servas oleva mustri kuvasuhe on suur, mõjutab see ühepoolset pinget. Koos arendusprotsessi ajal toimuva kiire pöörlemise häirimisega võib muster kokku kukkuda. Katsed näitavad, et kõrguse ja laiuse suhe üle 3:1 on üldiselt ohtlikum.
Scmming: Scmming põhjus on üldiselt see, et alumine fotoresist ei neela piisavalt valgust, mille tulemuseks on osaline areng. Fotoresisti eraldusvõime parandamiseks tuleb minimeerida fotohappe difusiooni pikkust ja vähendada fotohappe difusioonist tingitud ruumilise arengu ühtlust. Sel viisil suureneb ruumi karedus. Alumist määrdumist saab üldiselt vähendada valgustingimuste optimeerimise, maski joone laiuse nihke ning küpsetustemperatuuri ja -aja optimeerimisega, et parandada ruumilise kujutise kontrasti ja suurendada säritust pindalaühiku kohta.
Joondus ja ülekatte täpsus
Joondamine viitab kihtidevahelisele registreerimisele. Üldiselt peab kihtidevahelise ülekatte täpsus olema umbes 25–30% räniplaadi kriitilisest suurusest (minimaalne suurus). Siin käsitleme järgmisi aspekte: ülekatteprotsess, ülekatte parameetrid ja võrrandid, ülekatte märgid, ülekattega seotud seadmed ja tehnilised probleemid ning protsessid, mis mõjutavad ülekatte täpsust.
Ülekatteprotsess jaguneb esimese kihi (või esikihi) joondusmärgi tootmiseks, joondamiseks, joonduslahenduseks, fotolitograafia masina kompenseerimiseks, särituseks, ülekatte täpsuse mõõtmiseks pärast säritust ja järgmise joonduskompensatsiooni vooru arvutamiseks, nagu on näidatud joonisel 7.40. . Ülekatte eesmärk on maksimeerida räniplaadi koordinaatide kattumist räniplaadi platvormiga (st fotolitograafia masina koordinaatidega). Lineaarse osa jaoks on neli parameetrit: translatsioon (Tx, Ty), ümber vertikaaltelje (Z), pööramise (R) ja suurenduse (M). Räniplaadi koordinaatsüsteemi vahel (Xw, Yw) ja fotolitograafia masina koordinaatide süsteem (XM, YM):
XM=TX+M[XW cos(R)-YW patt (R)]
