פוטוליתוגרפיה

1. פוטוליתוגרפיה עקרונות הפעולה, המטרולוגיה, והבקרה של תהליכי הפוטוליתוגרפיה עבור תעשיית המוליכים למחצה פרופ’ יוסי שחם המחלקה לאלקטרוניקה פיזיקלית, אונ’ ת”א.

2. תוכן • עקרונות בסיסים • פרמטרים מאפיינים - עומק מוקד, חשיפה, רזולוציה, קונטרסט ועוד • טכניקות מדידה - מה מודדים ואיך • עקרונות בקרת תהליך הליתוגרפיה • נושאים חדשים בליתוגרפיה עבורULSI

3. עקרונות בסיסים • תאור הדמות ( Aerial Image) • תהליך החשיפה • תהליך הפיתוח • בקרת רוחב קו , בקרת ממד קריטי

4. מהי איכות הליתוגרפיה ? • איכות הפוטורזיסט לאחר החשיפה • בקרת רוחב קו, פרופילהרזיסט, רזולוציה, חלון התהליך • רגיסטרציה • תאימות לתהליך • התגדותלאיכול, יציבות תרמית, אדהזיה, תאימות כימית, היכולת להורדה • ייצוריות • מחיר, בטיחות, פגמים, יציבות, זמן חיי מדף.

5. ליתוגרפיה כתהליך העברת מידע מסכה תכנון דמות אופטית דמות סמויה בחומר הצילום פיתוח הדמות העתקת הדמות למעגל המשולב

6. מערכת החשיפה • מאירים את המסכה מצידה האחורי • האור עובר דרך המסכה ומתאבך • תמונת ההתאבכות נעה מהמסכה לעדשה • העדשה אוספת חלק מהגל המתאבך ויוצרת דמות משוחזרת במישור המוקד • יש אובדן מידע הנובע מהגודל הסופי של העדשה

7. יצירת הדמות - דוגמה הארה קוהרנטית מסכת קוורץ עם שכבת כרום ועליה פסים עם מרחק מחזור P q n חוקבראג:

8. מסכה עדשה בקוטרD ומרחק fמהמסכה מישור המוקד העדשה

9. מה קובע את הרזולוציה ? • הרזולוציה יחסית לאורך הגל, l • הרזולוציה משתפרת ככל שה- NA עולה - העדשה אוספת יותר מידע.

10. קונטרסט הדמות Intensity, I 1 Imax Imin 0

11. מגבלות הקונטרסט האופטי • מייצג רק מסכה עם פסים ורווחים שווים • לא שימושי לצורות גדולות • רגיש יותר ל-Iminמאשרהרזיסטעצמו • בעל קורלאציה נמוכה לאיכות הליתוגרפיה

12. הגדרת איכות הדמות • Image Log-Slope (ILS) ILS מוגדר כשיפוע הדמות, בסקלה לוגריתמית, בקצה הנומינלי של הדמות.

13. הגדרת איכות הדמות (2) • Normalized Image Log-Slope (NILS) NILS מוגדר כשיפועהמנורמל של הדמות, בסקלה לוגריתמית, בקצה הנומינלי של הדמות. W הנו רוחב הקו הנומינלי.

14. במה תלויה איכות הדמות? • הפרמטר המקובל הנו ה- NILS • הוא תלוי במרחק בין משטח המוקד האידיאלי למשטח הדמות האמיתית (הפרוסה). גודל זה קרוי ההסחה מהמוקד או ה- Defocus. NILS l=365 nm s=0.45, NA=0.5 p=1 mm (L=S) 6 3 0 Defocus [mm] 0 0.5 1.0 1.5

15. חלון התהליך של החשיפה • מרווח החשיפה - Process latitude • השינויים בעוצמת החשיפה גורמים לשינויים ברוחב הקו.

16. אפיון מרווח החשיפה • בדרך כלל הוא תלוי ב- NILS באופן ליניארי • NILS ניתן לחישוב בעזרת תכניות סימולציה • EL מדוד על פרוסה או מתוך סימולציה.

17. הגדרות • רזולוציה • הדמות הקטנה ביותר שתיתן ערך נתון שלILS , הגדול או שווה מערך נתון שלILS ,עבור תחום הגדרת מוקד מסוים. • עומק מוקד • תחום הסטייה ממשטח המוקד האידיאלי, שיתןILS הגדול או שווה מערך נתון שלILS, עבור דמות נתונה. ניתן להגדיר באופן דומה ביחס למרווח חשיפה (EL) נתון

18. אפיון מכשיר החשיפה - ה- Stepper • נתוני בחירה - NA, דרגת הקוהרנטיותs, אורך הגלl. • תאור המסכה - רוחב הקו, המחזור. • כמות הסטייה האפשרית מהמוקד המצטברת בתהליך החשיפה • הנחה בסיסית - הדמות הטובה ביותר תיתן את תהליך הליתוגרפיה הטוב ביותר.

19. התמונה הסמויה • הדמות האופטית פועלת על שכבה דקה של חומר רגיש לאור - פוטורזיסט • החומר מכיל תרכובת פעילה הקרויה: • PAC - Photo Active Compound • ריכוז הPAC מסומן כ - m - וזו התמונה הסמויה • מכפלת עוצמת ההארה (I) בזמן ההארה נותנת את אנרגיית החשיפה. • m הנו פונקציה של אנרגיית החשיפה

20. הקינטיקה שלריאקצית החשיפה • m - ריכוז ה- PAC • I - עוצמת האור • t - זמן ההארה • C - קבוע הקצב של החשיפה

21. בליעת האור בחומר הצילום • חומר הצילום בולע אור • הבליעה יחסית לריכוז ה- PAC

22. מאפייני הדמות הסמויה גרדיאנט הדמות הסמויה (LIG) דוגמה: פוטורזיסט עם בליעה קבועה (I לא תלוי זמן) • שיפוע התמונה הסמויה מכסימלי עבור m=0.37 • כאשר יש בליעה מקבלים ששיפוע התמונה הסמוי מכסימלי עבור 0.2 < m < 0.5

23. 1 10 100 1000 הקונטרסט של הפוטורזיסט עובירזיסט מנורמל 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 שיפוע - g E0 - אנרגית הסף להורדתהרזיסט E, אנרגית החשיפה[mJ/cm2]

24. הקונטרסט של הפוטורזיסט R = קצב הפיתוח ( בננומטרלשניה) E = אנרגית החשיפה [mJ/cm2]

25. פיתוח • פיתוח רטוב - הרזיסט מתאכלבמפתח בסיסי • קצב הפיתוח עולה כשריכוז ה- PAC יורד. חשיפה

26. סיכום ביניים תהליך פונקציה מאפיינת • יצירת תמונהILS, NILS • חשיפהגרדיאנט הדמות הסמויה • פיתוחגרדיאנט קצב הפיתוח • סה”כ התהליךמרווח החשיפה - Exposure latitude

27. אופטימיזציה של הליתוגרפיה • ILS הנו מדד טוב שכן הוא יחסי ל- EL • ILSתלוי בסטייה מהמוקד (Defocus) • הפרמטרים של הפיתוח והדמות הסמויה תלוייםברזיסט, במפתח, ובתהליכים הקשורים בהם. • האופטימום לחשיה יכול להימצא באופן ניסויי ע”י הרצת מטריצת חשיפה כנגד פיתוח עבור דמות ממוקדת היטב.

28. אופטימיזציה של הליתוגרפיה • הקונטרסט שלהרזיסטתלוי במטריצת החשיפה והפיתוח. • פיתוחהרזיסטהנו תהליך דו ממדי • הקונטרסט שלהרזיסטיכוללהמדדבמכשור מיוחד (שכנראה לא קיים בשוק יותר…)

29. בקרת רוחב הקו • מה קובע את יכולת בקרת התהליך ? • השגיאות האקראיות בתהליך הייצור • תגובת התהליך לשגיאות הללו

30. הגדרת מרווח החשיפה • מרווח החשיפה = רוחב הקו CD +10% CD CD-10% Nominal linewidth אנרגית החשיפה E(CD+10%) E(CD) E(CD-10%)

31. השפעת המצע • המצע מחזיר חלק מהאור ויוצר תבנית גלים עומדים ללא החזרות עם החזרות

32. פתרון לבעיית הגלים העומדים • הכנסת שכבה לא מחזירה • ARC - Anti Reflective Coating • דוגמה: • הוספת שכבת טיטניום-ניטריד (TiN ) מעל שכבת אלומיניום. • הוספת צבע בולעלרזיסט (פתרון מוגבל)

33. דרישות מהפוטורזיסט • רוחב קו - נומינלי 10%± • זווית צד > °80÷÷÷ ÷÷ • אובדןרזיסט < 10%

34. מציאת עומק מוקדאידאלי רוחב קו CD E עולה מיקום המוקד

35. עומק מוקד • עומק המוקד ( DOF ) - תחום המוקד שנותן את פרופילהרזיסטלפי הדרישות לרוחב קו נתון ועומד בדרישות של מרווח חשיפה נתון.

36. דוגמה: השגיאה במרחק המוקד שגיאות אקראיות • חימום העדשה 0.10 מיקרון • השפעת הסביבה 0.20 מיקרון • הטית המסכה 0.05 מיקרון • מישוריות המסכה 0.12 מיקרון • מישוריות הפרוסה 0.30 מיקרון • מישוריות המכשור 0.14 מיקרון • הדירות המכשיר 0.20 מיקרון • השגיאה בקביעתDOF 0.30 מיקרון • רעידות 0.10 מיקרון • סה”כ 0.60 מיקרון

37. שגיאת המוקד הבנויה במערכת ( BIFE ) • שגיאות אקראיות 0.6 מיקרון • טופוגרפיה 0.5 מיקרון • עקמומיות שדה ואסטיגמטיזם0.4מיקרון • עובי הרזיסט0.1מיקרון • סה”כ השגיאה ( BIFE ) 1.6 מיקרון

38. קביעת חלון התהליך אנרגית החשיפה תחום אבדןרזיסט < 10% תחום ה- CD אנרגית החשיפה הנומינלית חלון התהליך תחוםזוותצד > 80 0 מיקום המוקד

39. שיטות לשיפור חלון התהליך • חשיפה במספר מרחקי מוקד המוקד למעלה פוטורזיסט המוקד למטה פוטורזיסט

40. הוספת חומר מגדיל קונטרסט • CEL - Contrast Enhanced Lithography הCEM נעשה שקוף באזור המואר

41. הנדסת חזית הגל • בקרת העוצמה והפאזה של גל האור • עיצוב המסכה - הוספת אלמנטים הקטנים מגבול הרזולוציה. • OPC - Optical Phase Correction • הוספת אלמנטים מסיחי פאזה • PSM - Phase Shifting Masks • הארה מיוחדת - בזווית • מסננים במישור הצמצם

42. תיקון פאזה אופטי ( OPC ) מסכה רגילה מסכה עםOPC הסחת פינה פנימה -Pullback תיקון פינה Serif

43. הסחת פאזה על המסכה • ע”י הוספת שכבות דקותדיאלקטריותשקופות שכבהמסיחתפאזה - Shifter n - מקדם השבירה של השכבההדיאלקטרית d - עובי השכבה הדיאלקטרית

44. הסחת הפאזה - משפרת את הקונטרסט האופטי הסחת פאזה של °180 E, mask E, Wafer I=|E|2 E - השדה החשמלי, I - עוצמת ההארה

45. סוגיPSM • מסכות בליעה רגילות עם תיקונים ע”י הסחה ב- °180 • מסכות ללא בליעה עם העברה בהסחות של °0 ו- °180. • מסכות עם בליעה חלשה והסחת פאזה (Leaky chrome ) • מסכות עם מספר הסחות פאזה • מסכותהולוגרמיות

46. הארה לא מקבילה • קרוי גםOFF-AXIS • יותר תדרים מרחביים “נכנסים” לעדשה. הארה בזווית

47. שילובOAI ו- PSM • OAI ו- PSMמשפרת את חלון התהליך ומקטינה תלות בטופולוגיה של המעגל • משפר חורים וקווים • ניתן לשילוב עם מספר סוגיPSM

48. אפיון הליתוגרפיה • מדידות רוחב קו • מדידות אופטיות • מדידות בעזרתSEM-CD • מדידות צורת הקו • מדידות בעזרתSEM ו- FIB • מדידותפרמטרי הרזיסט - A,B,C • מדידותפרמטריהחשיפה

49. בקרת תהליך הליתוגרפיה • בקרת החשיפה • אנרגית החשיפה • מיקום יחסית למוקד • בקרת הפוטורזיסט • בקרה לפני החשיפה - Pre-exposure • בקרה אחרי החשיפה - Post-exposure • בקרת הפיתוח • טמפרטורה, זמן, ריכוזים

50. תהליכי ליתוגרפיה • תהליכי איכול • איכול כימי רטוב • איכול יבש בפלזמה • השתלת יונים • תהליכי ניקוי • הסרת הפוטורזיסט • ניקוי רטוב - בממסים אורגנים או מאכלים • ניקוי יבש - בפלזמה של חמצן - ASHING