Fotolitográfia a nanoelektronikában

1. Fotolitográfia a nanoelektronikában Dr. Mizsei János Somlay Gergely

2. Nanogyártás (Nanofabrication) • Nagyon széles körben folynak vizsgálatok, hogy nanoszerkezetek (100 nm-nél kisebb szerkezetek) kialakítására alkalmas gyártási technológiákat találjanak • Nanogyártási technikák: • top-down módszerek felületi anyageltávolításra vagy felvitelre • fotolitográfia, lágy litográfia, pásztázó tűs módszerek • bottom-up módszerek nanoszerkezetek építésére molekulákból vagy atomokból

3. Fotolitográfia • Minták kialakítás a szilícium felületén fény segítségével • Tömegtermelés • Drága maszk • Min. csíkszélesség 70 nm

4. Tipikus litográfiai folyamat

5. Litográfia kihozatala • A tipikus gyártási kihozatal > 95% → a litográfiai lépések kihozatala > 99% • Napjainkban a litográfia a gyártási költségek 90%-át teszi ki

6. A litográfia gyártási kapacitása • Tapasztalati kapcsolat: • Felbontás (Å) ~ • At = megmunkált felület μm2/hr • Ez a tapasztalati kapcsolat 18 nagyságrenden belül jó közelítést ad

7. Elvárások litográfiai rendszerekkel szemben • Alacsony dimenziók (csíkszélesség) • Alacsony méretbeli változások (csíkszékesség ellenőrzés) • Nagy mélységélesség (nem sík hordozók és vastag rezisztek) • Egymás utáni minták pontos illesztése (registration) • Képek és minták kis torzulása (jó minőségű maszk és vetítőrendszer) • Alacsony költség (magas throughput) • Nagy megbízhatóság (magas kihozatal) • A szennyező anyagokkal szembeni tolerancia a maszkon és a mintán (tiszta szoba előírások) • Azonosság nagy felületen (nagy szeletek)

8. Litográfiai utak Megoldási utak a mintatervezéstől a minta átvitelig: • Közvetlen (elektron vagy ion sugaras litográfia) • Általában két lépéses process: • Maszk készítés • A minta átvitele nagy számú hordozóra

9. Maszkolási módszerek Kontakt Vetítés Közeli

10. Rezisztek • Rezisztek: • Pozitív: az exponálás roncsolja a rezisztet (darkfieldmask) • Negatív: az exponálás megkeményíti a rezisztet (lightfieldmask)

11. Követelmények rezisztekkel szemben • Nagy érzékenység → rövidebb expozíció → alacsonyabb költség • Kontraszt (csak a világosan megvilágított területek módosulnak) • Adhézió a hordozóra • Ellenállás a marásnak (következő lépés elősegítése) • Profile control ellenállás (lift-off alkalmazás)

12. Optikai lifográfia folyamata

13. Marás kontra Lift-off • Marás: • Reziszt felvitele a réteg felületére • Az anyagot a maszk nyílásain keresztül elmarják • Lift-off: • A felvitt rezisztre választják le az anyagot • Az anyagot a reziszt eltávolítása során távolítják el

14. Az optikai litográfia korlátai Minimális alakzat mérete: kλ/NA ahol k = arányossági tényező (tipikusan 0,5 egy diffrakció korlátozott rendszerben) λ = hullámhossz NA = numerikus nyilás = sin α (2α = befogadó szög a lencse fókusz pontjában) → a lencse fénygyűjtő képességének mértéke Ugyanakkor a mélységélesség = λ/(NA)2 → fontos mivel a szeletek nem síkok Az NA növelés nem megoldás → a méretek csökkentéséhez a λ-t kell csökkenteni

15. Mély UV litográfia Mély UV → Excimer lézer források: XeF → 351 nm XeCl → 308 nm KrF → 248 nm ArF → 193 nm F2 → 157 nm } Fused kvarc optika } CaF optika → nehéz grind és csiszolni a vízmegkötő tulajdonsága miatt

16. Fázis toló maszkok • Minimalizálja a diffrakciós hatást, de a maszk készítése bonyolultabb

17. Hordozó reflexiós hatásai A beeső és a visszavert foton sugár interferenciája miatt állóhullám alakulhat ki a rezisztben Reflexió eltemetett átmeneteken is kialakulhat, ami a csíkszélesség függését okozhatja az eltemetett réteg vastagságától

18. Anti-reflexiós rétegek hatása Anti-reflexiós réteg nélkül Anti-reflexiós réteggel

19. Extrém UV litográfia • Más néven lágy röntgen litográfia • 1996-ban fejlesztették ki a Sandia National Laboratory-ban • Az EUV forrása egy szuperszonikus sebességgel táguló Xe gáz klaszterre fókuszált lézerrel generált plazmán alapul • λ ~ 10 nm Megjegyzés: alacsony λ esetén az optikai anyagok nagy mértékben abszorbeálnak • Reflexiós optikák (pl.: Bragg tükrök) • Vékony, hibamentes maszkok • Pl.: λ = 13 nm, a tükrök 40 7 nm vastag Mo és Si rétegpárból állnak

21. Tipikus EUV maszk

22. A mélységélesség kisebb probléma rövidebb hullámhosszoknál → nagy aspect ratio reziszt profilok kialakítása lehetséges EUV-val

23. EUV litográfiával mintázott reziszt

24. Röntgensugaras litográfia • Hasonlít az optikai litográfiához • Az alkalmazott hullámhossz kisebb: 0,1 – 10 nm, de a felbontás = k(λg)½ ahol g = a maszk és a hordozó közötti távolság (a gyártásban 5 – 40 μm) • Így a felbontás = 0,07 – 0,2 μm λ = 1 nm esetén • Kontakt nyomtatás esetében 20 nm-es csíkszélesség érhető el • Nagy aspect ratio érhető el • Párhuzamos folyamat, melyben a reziszttel bevont felületet maszkon keresztül világítják meg • nehezebb a maszk készítése • nagy intenzitású röntgen forrás kell

25. Röntgensugaras litográfia

26. Röntgensugaras litográfiával mintázott reziszt

27. A röntgensugaras litográfia előnyei • Nagy mélységélesség • Kiváló reziszt profilok • Nagy processz szélesség • A csíkszélesség független a hordozó topológiájától és típusától • Relatíve immunis a kis atomi tömegű szennyezőkre

28. A röntgensugaras litográfia hátrányai • 1 maszk technológia (arany 1 -2 μm vastag szilíciumon) → hibák, aspect ratio, hajlás és melegedés a problémák • Költséges és/vagy bonyolult forrás • Illesztés nem triviális Az ipari használhatósághoz szükséges: • Egy maszk → torzulás mentes, ellenőrizhető, javítható • Egy reziszt → a jelenlegi elfogadható, de fejleszthető • Egy illesztő rendszer • Egy röntgen forrás → elfogadható költség és kapacitás

29. Ionsugaras litográfia • Tipikusan folyékony fém (pl.: gallium) ionokat használnak • 1970-es évek végén fejlesztették ki • Fejlett litográfiai csoport → ipari, kormányzati és egyetemi összefogás • ALG-1000 → 20 μm x 20 μm-es mezők 3x-os kicsinyítése 150 keV-os hidrogén ionokkal → 0,1 μm-es felbontás

30. Ionsugaras litográfia előnyei • Elektronoknál kisebb mértékű szóródás • Az ionsugár a kezdeti pálya közelében marad → nincs szükség dózis állításra különböző alakzatok vagy hordozók esetén • Közvetlen fémréteg leválasztás (fókuszált ionsugár) → alkalmas maszkok javítására

31. Ionsugaras litográfia hátrányai • Az ionok kölcsönhatnak az anyaggal: • Ion keveredés • Kristályrács amorfizálódik • Optikai tulajdonságok módosulnak • Nem tervezett adalékolás • Sputter maródás • Az ionok abszorbeáldnak (tipikusan 10 nm-es környezetben) • Stencil típusú maszkok • Egy gyűrű belseje kiesik, kivéve felbontás alatti rögzítések alkalmazása esetén

32. Elektron sugaras litográfia • A mintákat közvetlenül az elektron érzékeny reziszten alakítják ki egy a szeletet sorosan végigpásztázó elektronsugárral • Ritkán használják, leginkább a nagy pontosságú, mester fotómaszkok gyártásához

33. Elektron sugaras litográfia • Kutatásban népszerű • λ = h/(2mE)1/2→ λ = 7.7 pm 25 keV esetén • Projekciós EBL rendszerek lettek kifejlesztve: • Pl.: SCALPEL (SCALPEL = Scattering with Angular Limitation Projection Electron-beam Lithography)

34. Elektron sugaras litográfia előnyei • Nagy felbontás → egészen 5 nm-ig • Hasznos tervező eszköz → a közvetlen írás gyors minta módosítást tesz lehetővé (nem kell maszk) Elektron sugaras litográfia hátrányai • Költségek (6 – 10 millió $ a hardware) • A közvetlen írásnak kicsi a kapacitása → lassú és drága

35. Projekciós elektron sugaras litográfia

36. Lágy litográfia • Rugalmas bélyegzőket alkalmaznak nanoméretű alakzatokat tartalmazó eszközök gyártásához • Elasztikus bélyegző • A domborműves bélyegző elektronsugaras litográfiás kialakítása költséges, de a minta másolása PDMS bélyegzőkre egyszerű és csekély költségű

37. Lágy litográfia • Mikroérintkezéses nyomtatás • Elasztomer bélyegzőket használnak thiol molekulák felvitelére a felületre, mely általában egy vékony arany vagy ezüst réteg → SAM • egyszerű, közvetlen, költséghatékony, rugalmas

38. Lágy litográfia • Mikroérintkezéses nyomtatás • Két tipikus deformáció elasztomerek esetében: • magas struktúrák összetapadása • süllyesztett részek lelógása a nyomtatás során

39. Lágy litográfia • Példák a mikroérintkezéses nyomtatásra: • a) SEM kép fibrinogén szelektív abszorpciójáról SAM kialakítású arany rétegen • b) SEM kép SAM-mel készített sablonról: szelektív dewetting-gel és kristályosítással kialakított CuSO4 részecskék (nyíl)

40. Lágy litográfia • Elektromos mikroérintkezéses nyomtatás

41. Lágy litorgráfia • Mikroöntés (micromolding) kapillárisokba • alacsony viszkozitású anyagok helyezése a csatornák nyílásaihoz → a folyadék automatikusan megtölti a csatornát a kapilláris • a kezelés végén az PDMS öntőformát eltávolítják a polimer mikrostruktúráról

42. Lágy litográfia • Másolat öntés • hatékony módszer az öntőforma másolására • egy lépésben lehet 3D topológiákat másolni • a megbízhatóság a nedvesítés és a kitöltés függvénye

43. Lágy litográfia – egyéb módszerek • Merev bélyegzők → többrétegű struktúrák • Step-and-flash nyomtatási litográfia • kvarc mester bélyegző • a bélyegzőt vékony, folyékony polimer rétegre nyomják rá, amely feltölti a bélyegző mélyedéseit • a polimert UV fénnyel kezelik • ~60 nm-es csíkszélesség • Nanonyomtatási litográfia • a dombornyomás folyamat egy Tg fölé melegített polimer réteggel van megkönnyítve • 6 nm-es csíkszélességet lehet elérni • nem sík felületekre is lehet nyomtatni (ezt meg kell nézni)

44. Nanogolyós litográfia