F3390 – Výroba mikro a nanostruktur 2022 Lekcia 4 Prenos vzoru (patterning) Fotóny, nabité zväzky a atomárne sondy Základné procesy mikroobrábania Základný vývojový diagram procesov pri mikrobrábaní: Prebehne depozícia vrstiev; Na fotorezist sa litograficky vytvorí motív ktorý slúži jako maska pri leptaní podkladového materiálu. Proces sa opakuje až kým nedôjde k dokončeniu požadovanej mikroštruktúry. N. Maluf: An Introduction to Micromechanical Systems Engineering, Artech House 2004 Vytvorenie vrstvy Leptanie Obrazový motív viď. F3370 Optická litografia Vyčerpávajúca prednáška viď. F6540 Fyzikální principy technologie výroby polovodičů, RNDr. Petr Pánek, Ph.D. Základné kroky: - Nanesenie fotosenzitívneho filmu - fotorezistu - Zorientovanie masky/retiklu (alligement) - Expozícia fotorezistu - Vyvolanie vzorky Výzva: - Schopnosť efektívne prenášať čo najmenšie a-periodické štruktúry na forezist s danou hrúbkou. Fotorezist Positive or negative? Fotóny - základné expozičné metódy Svetlo Kondenzor Maska + Pelikula Redukčný objektív Substrát Rezist Kontaktná litografiaProjekčná litografia Separačná litografia (proximity lithography) • Medzera 3-50 m • Fresnelova, nie Franhouferova difrakcia • Umožní projekciu zmenšeniny masky (5x typicky) • Polohu substrátu je možné krokovať, a opakovane tak exponovať ostrý obraz čipu na celý wafer. • Cena masky je privysoká pre sériovú výrobu mikro/nano štruktúr Stepper v. skenner Step-and-scan Step-and-repeat Difrakčný limit => krátke  Prechod svetla cez malú štrbinu v maske šírky a vyvolá difrakciu (tu Franhoferovu), tj. vznik svetelných maxím pod uhlom . Problém nastane keď a ≈  Redukčný objektív fokusuje z difrakčného obrazca na rezist iba časť, v závislosti od rozmerov šošovky, resp. jej numerickej apertúry NA = n.sin θ, čím sa obraz rozmaže. Rozlišovacia schopnosť (Rayleighovo kritérium): xmin = k1 / NA vs. Skracovanie vlnovej dĺžky  • UV svetlo z ortuťových lámp, limitovaná dostupná intenzita žiarenia. – ‘g’-čiara ( =436 nm).. rozlíšenie 7-1 m – ‘i’-čiara ( =365 nm).. rozlíšenie 1-0,35 m • Excimérové lasery Deep UV (DUV) –  =248 nm (KrF excimér laser) rozlíšenie 350-118 nm –  =193 nm (ArF excimér laser) rozlíšenie 180-32 nm / imerzná technika • Vakuové UV (VUV) –  = 157 nm (F2 excimér laser), • Extrémne UV (EUV) –  = 13 nm, menej než 32 nm • X-ray   1 nm . ?? Materiál pre výrobu • optických šošoviek (CaF, dvojlom) • priesvitné a odolné pelikuly pre masky (CaF nevhodný) • fotorezist (okamžite absorbuje) Extrémne UV – EUV, 13 nm Rezonančná odrazivosť pre 50x Mo(2.76 nm)–Si(4.14 nm) • Prísne vzaté, ide už o mäkké RTG žiarenie • Využíva reflexnú optiku Hlavné komponenty: EUV zdroj Synchrotrónové žiarenie – extrémne drahé. Kritickým faktorom je životnosť a shot noise. Plazma – vysokoionizované ióny Li, Xe+10, Sn+8 až +12, pomocou pulzného pinču. Problémom je malá intezita sveteln. toku (aspoň 100W v ohnisku). Laser – laserom indukovaný prieraz EUV optika Základom je multivrstvové zrkadlo, tzv. distributed Bragg reflector. Kritickým faktorom je jeho životnosť. EUV maska Pracuje na odraz, podobne ako EUV zrkadlo. Našťastie je optika EUV redukčná (4:1) Pre kvalitné zobrazenie je potrebná maximálna rovinnosť. Maska musí byť tepelne odolná. Prierez maskou EUV rezist Musí byť veľmi citlivý, pretože slabá intenzita žiarenia To však vedie k neostrým kontúram. RTG žiarenie 1 – 0,1 nm Nie je možné použiť ani reflexnú optiku. Musíme používať separačnú litografiu 1:1. Kontaktná je vylúčená extrémne malou hrúbkou masky. Maska z Au, W, Ta (300-500 nm) nanesených na Si, SiC(1-2m). Problémy: - Presná vzdialenosť medzi tenučkou maskou a substrátom. -Augerovské elektróny a fotoelektróny vyvolané RTG vyvolávajú nežiaducu expozíciu rezistu (účinnejšiu než samotné RTG). Zväčšovanie NA NA > 0,5 Zvýšenie NA zlepší rozlíšenie, ale zhorší hĺbku ostrosti: (pozn. zhoršenie DOF platilo aj pri skracovaní ) Pre výrobu veľkých waferov, ktoré nikdy nie sú ideálne rovné je DOF dôležitejší parameter ako rozlíšenie. Plus DOF vs. hrúbka rezistu. Až keď sme boli schopní pracovať s DOF < 0,5 m, mohli sme začať zvyšovať NA. Imerzná optická litografia – prielom k 22 nm @ 193 nm technológii. NA = n.sin θ. Vďaka kvapaline s vysokým indexom lomu (voda n=1,44) vytvára obraz väčšia čas šošovky (hranola). Problémy: - Rýchly pohyb waferu bez toho, aby vznikli v kvapaline mikrobubliny. - Sušenie fotorezistu bez zanechania škvŕn po kvapaline. xmin = k1 / NA Zmenšovanie k1 - resolution enhancement technique RET Pre kruhové apertúry (Airyho krúžok) k1=0,65. Analogicky fungujú aj čiarové štruktúry. xmin = k1 / NA Off-Axis Illumination (OAI) Pomocou vhodnej clonky prinútime svetlo dopadať na masku pod uhlom. Vďaka tomu sa otvor a javí pre svetlo väčší. Ďalej sa zlepší DOF. Zlepšenie funguje len pre istý typ štruktúr. Kvadrupól – čiarové štruktúry. Anulárna clona je univerzálnejšia, ale efekt už nie taký dramatický. Preto existujú programovateľné OAI, ktoré menia svoj tvar podľa potrieb. Phase-Shifting Mask (PSM) Niektoré oblasti masky sa zámerne urobia tenšie/hrubšie, aby svetlo prechádzajúce cez tieto oblasti zmenilo svoju fázu. Problémom sú oblasti, kde tenšie/hrubšie miesta končia. Ilustrácia ako môže PSM vytvoriť ostrejší obraz Optical Proximity Correction (OPC) Difrakčný limit sa prejavuje „zaobľovaním“ ostrých hrán motívu na maske. Tieto hrany môžeme zámerne zmeniť tak, že zmenená hrana po „zaoblení“ bude mať práve požadovaný tvar. upravená maska výsledok na reziste Interferometrická optická litografia Známa od 1970 z výroby hologramov. Fotorezist je exponovaný interferenčným obrazcom. Je schopná vytvoriť iba čiary alebo body (2x čiara otočená o 90°)‚ ale aj tie majú význam (fotonické kryštály, pamäťové prvky). Sub 100nm štruktúry je možné získať ladením doby expozície a citlivosti fotorezistu. Schéma Doba expozície určí šírku čiary Bezmasková litografia Nároky na masku (výroba, defekty, transparentnosť) sa pri sub 100nm javia byť natoľko zásadné, že začína byť reálne masovo využívať skanovacie techniky (uplatnené zatiaľ iba pri výrobe masiek). 24 zrkadiel s 20 000 rpm skanuje lúč 16 úrovní intezity pre každý lúč 32 lúčov Iné systémy používajú na projekciu lasera Digital Micromirror Devices (DMDs).Tieto systémy nepotrebujú aby bol laser cw, a môžu tak ísť do kratších vlnových dĺžok. Litografia nabitými zväzkami • E-beam litografia sa vyvinula v 1960 tych rokoch z SEM, keď sa zistilo, že PMMA (polymetylmetakrylát - plexisklo) možno použiť ako rezist citlivý na nabité častice. Napriek nižšej citlivosti zostáva vďaka výbornému priestorovému rozlíšeniu najpoužívanejší rezistom. • Na rozdiel od fotónov dokážame nabité zväzky veľmi presne manipulovať (viď SEM). • Elektróny sú viac ako 1000 ľahšie než ióny, preto nevyvolávajú rozprašovanie. Manipulácia zväzkov E(r) zabezpečí fokusovanie zväzku, preto nás zaujíma r(z). Vidíme že: – Fokusovanie nezávisí od q a m – Fokusovanie je priamo úmerné priestorovej zmene V(z)/z - riziko elektrického prierazu – Vysoká hodnota V(r, z) v menovateli zhorší efekt zaostrenia, častica preletí príliš rýchlo cez šošovku + zväzok získava od E energiu. • Pre základnú predstavu (časovo nemenné pole) nám stačí použiť výraz pre Lorentzovu silu: Elektrické pole (rotačne súmerné):  Magnetické pole (rotačne súmerné)  Vidíme že: • Fokusovanie závisí od q a m • Vysoké elektrické pole zvýši rýchlosť V a tým zhorší zaostrovaciu silu dr2/dz2 Na fokusovanie elektrónov sa používajú hlavne magnetické polia, ktoré možno na rozdiel od E zväčšovať bez hrozby elektrického prierazu. Pre ióny sa fokusovanie pomocou B nepoužíva, kvôli citlivosti na q a m. V - rýchlosť Zdroje elektrónov Horúca katóda – problém so zabezpečením bodovosti zdroja • Horúce a studené katódy Wehneltov valec Studená katóda – emisia poľom z veľmi ostrého hrotu Zdroje iónov Plošné - Kaufmanov iónový zdroj Vyvinutý pôvodne pre vesmírne pohony 90% účinnosť, priemer až 1,5m Slabé magnetické pole 5-12 mT zmagnetizuje dráhu elektrónov, čo vedie k efektívnejším ionizačným zrážkam Bodové – LMIS – Liquid metal ion source Ga – 30° teplota topenia + nízky tlak pár (vhodné do vysokého vákua). Plyny ako H sa schladia na kvapalinu. Taylorov kužeľ FIB (Focused Ion Beam) system Rozptyl elektrónov 10 keV 3 keV Vysoko-energetické elektróny sa lepšie fokusujú, veľká kinetická energia potlačí význam Coulombovských odpudivých síl. Pretože sú elektróny ľahké, budú sa na atómoch rezistu významne rozpyľovať, kým úplne stratia svoju kinetickú energiu. Navyše sú schopné vyrábať sekundárne elektróny. Zníženie energie elektrónov však znemožní exponovať hlbšie vrstvy resistu. Simulácia rozptylu v reziste: rezist substrát rezist substrát Rozptyl iónov Ťažké ióny majú menší rozptyl než elekróny (viď. grafy), súčasne však ale majú menšiu hĺbku prieniku. 50keV ión PSF – point spread function Projekčná litografia nabitých častíc Single beam nemôže konkurovať pri masovej výrobe optickej litografii (60ks/hod). Projekcia cez masku narazí na problém jej pevnosti a coulombovského odpudzovania širokého zväzku ktorý je potrebný (viď SCALPEL system). Multibeam projekcia masku nepotrebuje. Pre elektróny napr. MAPPER, pre ióny je systém podobný. MAPPER 13 tis. elektrónových lúčov, každý ovládaný vlastnou MEMS – napätie na laserom ovládanej fotodióde vychýli individuálny zväzok . Sondové metódy STM, AFM a NSOM Výnimočnú rozlišovaciu schopnosť skanovacieho tunelového mikroskopu (STM), mikroskopu atomárnych síl (AFM) alebo optického mikroskopu v blízkom poli (NSOM) možno úspešne použiť na litografiu (STM, NSOM) alebo obrábanie materiálu (STM, AFM). STM AFM NSOM Litografia – pomalé, malá hĺbka expozície, horšie rozlíšenie než pri SPM. STM + AFM – lokálna oxidačná litografia, ak je hrot pripojený k zápornému pólu. Uberanie materiálu – ak hrot použijem ako rydlo Nanášanie materiálu – dip pen method AFM nanolitografia Priložením zodpovedajúcej intenzity elektrického poľa bude prebiehať elektrochemická reakcia na hranici vodapovrch a voda-ihla, cez vytvorený vodný mostík. Pri kladnom náboji na povrchu titánovej vrstvy a zápornom napätí na ihle bude narastať oxid v bode priamo pod ihlou. Schematic illustration of Bias-Assisted AFM Nanolithography [Park systems] Dip pen nanolitografia Dip-Pen Nanolitografia (DPN) je technika sondovej litografie pri ktorej je AFM hrot použitý na umiestnenie molekúl na povrch cez meniskus rozpúšťadla, ktorý sa prirodzene vytvorí vo vonkajšej atmosfére. Veľkokapacitné sondové metódy • Bežné STM a AFM hroty skanujú rýchlosťou 1-10 μm/s. Optimalizácia realizácie spätnej väzby umožnila dosiahnuť 3 mm/s, stále je to však málo pre veľkokapacitné využitie. • Riešením sa javí byť konštrukcia multisondových zostáv (napr. IBM Zurich – Millipede, pre zápis dát) Konvenčné litografické techniky • Optická litografia (fotoligrafia) (436 –157 nm) • Elektrónová litografia (10 keV –100 keV) • Röntgenová litografia (5 nm – 0,4 nm) • Iónová litografia (50 keV – 3 MeV) Sondové litografické techniky • AFM (Atomic force microscope) • mechanicky vtláčanie ihly do materiálu (kontaktný mód) • lokálnou oxidáciou - elektrickým poľom (polokontaktný mód) • STM (Scanning probe microscope) • odparenie z ihly alebo desorpcia z povrchu elektrickým poľom • zdroj nízkoenergetických elektrónov (1-10 eV) Literatúra Zheng Cui: Nanofabrication Principles, Capabilities and Limits, Springer Science & Business Media, 2008 Sami Fransilla: Introduction to Microfabrication, Wiley; 2nd Edition 2010 Harry J. Levinson: Principles of Lithography, 3rd Edition, SPIE, 2010