Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Лабораторная работа № 1
Фотолитография
Цель работы: 1) Изучение процессов фотолитографии; 2) расчет минимального разрешения, для различных процессов фотолитографии.
Продолжительность работы: 4 ч.
Теоретические сведения
Литография - это процесс переноса геометрического рисунка шаблона на поверхность пластины с помощью чувствительных к излучению покрытий.
Процессы формирования изображений по принципу обеспечения локальности можно подразделить на безмасочные, осуществляемые без использования трафаретов, но по определенной программе (например, управление электронным, ионным или лазерным лучом), и масочные, выполняемые с использованием специальных шаблонов.
По типу излучения литографию делят на оптическую (фотолитографию) ( = 200 : 450 нм), рентгеновскую ( = 0,4 : 1,5 нм), ионно-лучевую ( = 0,05 : 1 нм) и электронную ( = 0,01 нм).
Контактная и бесконтактная фотолитография
Фотолитография может быть контактной (шаблон при переносе изображения приводится в плотный контакт с фоторезистом (ФР)) и бесконтактной (на микрозазоре) и проекционной ФЛ.
Операции фотолитографии многократно повторяются в процессе изготовления планарных приборов. На каждом этапе фотолитографии изображение точно совмещается с полученными ранее. Поскольку на фотошаблоне содержится 107 — 1010 элементов, минимальные размеры которых могут составлять меньше 100 нм, и что элементы всех шаблонов должны последовательно совмещаться с очень высокой точностью, то требования, предъявляемые к точности передачи изображения во время фотолитографии в планарной технологии, довольно высоки.
Таблица 1
Используемые в микроэлектронике источники света и соответствующие длины волн
|
Источник света |
Спектральная линия |
Длина волны, nm |
Расположение в спектре электромагнитной радиации |
|
Ртутная дуговая лампа |
g-line |
436 нм |
Видимый |
|
h-line |
405 нм |
Видимый |
|
|
i-line |
365 нм |
ближний УФ (mUV) |
|
|
DUV |
240-255 нм |
глубокий УФ (DUV) |
|
|
Эксимерный лазер |
KrF |
248 |
глубокий УФ (DUV) |
|
ArF |
193 |
глубокий УФ (DUV) |
|
|
F2 |
157 |
вакуумный УФ (VUV) |
В общем технологическом маршруте фотолитографии можно выделить три основных этапа: формирование на поверхности материала слоя фоторезиста: передача изображения с шаблона на этот слой: формирование конфигурации элементов устройств с помощью маски из фоторезиста.
Схема переноса изображения при контактной фотолитографии показана на рис. 1 а. Одним из факторов, ограничивающих разрешающую способность, является дифракция актиничного излучения при прохождении его через светлые участки (окна) в маскирующем слое фотошаблона. Перераспределение интенсивности J актиничного излучения на поверхности фоторезиста после прохождения через фотошаблон с рисунком в виде периодической решетки с прозрачными участками равной ширины b показана на рис. 1 б. При зазоре z между шаблоном и подложкой в условиях освещения параллельным пучком света минимальный размер (разрешение) bmin:
(1)
где - длина волны актиничного излучения; h - толщина слоя фоторезиста.
Обычно фоторезисты чувствительны в области длин волн примерно 0,2-0,4 мкм.
Рис. 1 Схема переноса изображения при контактной фотолитографии (а) и перераспределение интенсивности актиничного излучения на поверхности фоторезиста (б); 1 - поток актиничного излучения; 2 - фотошаблон; 3 -рисунок в маскирующем слое фотошаблона; 4 - пленка фоторезиста; 5 - подложка. I, II - зоны идеальной и фактической (например, с учетом дифракции) передачи изображения
Разрешающую способность можно увеличить, уменьшая толщину слоя фоторезиста и используя при экспонировании фоторезиста более коротковолновое излучение. В реальных условиях зазор z значительно отличается от нуля, что приводит к более сложной зависимости разрешающей способности. Так, на дифракционное перераспределение интенсивности излучения влияет размер и форма переносимого элемента.
Проекционная фотолитография
В стандартной проекционной системе, осуществляющей перенос изображения, фокус объектива f является функцией диаметра его входного зрачка D (рис. 2). Числовая апертура объектива NA в среде с показателем преломления n определяется как
(2)
Разрешение bmin объектива, определяемое для двух непрозрачных объектов, которые едва различимы в диске Эйри, согласно критерию Рэлея равно
(3)
K – числовой коэффициент, равный для некогерентного света 0,61. На самом деле, в реальном процессе, этот коэффициент оказывается переменной величиной, существенно зависящей не только от степени когерентности, но и от метода регистрации изображения. К может принимать значение 0,3 для резистов, формирующих изображение в верхнем поверхностном слое, 0,5 для многослойных резистов и 1,1 для резистов на отражающей поверхности (например, на алюминии). При успешном применении некоторых технологических приёмов он может быть уменьшен до 0,2.
0,2
Рис. 2 Схема оптической системы
Таким образом, разрешение улучшается при использовании более коротковолнового экспонирующего излучения (дальний или вакуумный ультрафиолет) и объектива с большей числовой апертурой (за счет уменьшения размера экспонируемого поля). Однако с ростом NA глубина фокуса DF также уменьшается, и определение местоположения каждого кристалла при экспонировании требует дополнительного фокусирования:
(4)
Для объектива с числовой апертурой NA = 0,35 при экспонировании на длине волны 300 нм глубина фокуса DF составляет менее 1,5 мкм. В этом случае неплоскостность пластин, неровный топографический рельеф, а также сама толщина резиста могут привести к невозможности получения субмикронных структур.
Для того, чтобы скрытое изображение находилось в фокусе, используется метод формирования изображения в приповерхностном слое резистной пленки. Расфокусировка ведет к быстрому искажению изображения (особенно для близко расположенных линий), а также к уменьшению интенсивности дифрагировавшего на рисунке фотошаблона света, что требует увеличения времени экспозиции.
Коррекция оптической близости
При экспонировании микроизображения с размерами равными и меньшими предельного размера по Релею-Аббе, изображение претерпевает различного рода искажения. Это - сужение или недоэкспонирование узкой длинной линии, сокращение и округление её концов, заплывание узких зазоров и острых углов т.п. С этими искажениями можно бороться, создавая упреждающие компенсирующие их элементы на фотошаблоне [2,3]. Один из типичных случаев на примере Т-образного элемента ИС приводится на рис. 3.
Рис. 3. Коррекция оптической близости на примере Т-образного элемента ИС.
Здесь мы видим угловые засечки для уменьшения скруглений и предотвращения укорачивания элементов рисунка, а также локальные изменения ширины линии для предотвращения её сужения. Эти элементы позволяют воспроизвести необходимую структуру микрорисунка ИС при размерах, существенно меньших, чем «релеевский», вычисленный для заданных длины волны и числовой апертуры по формуле (3). Их введение существенно усложняют фотошаблон и повышают требования к средствам их производства, но делают в конечном итоге рисунок топологического слоя приемлемым для «штатного» функционирования элемента ИС в условиях работы с размерами, переходящими дифракционный предел. Наработаны комплекты программ, позволяющих вводить в фотошаблон набор элементов, корректирующих эффекты оптической близости и моделировать результат их применения. Приёмы коррекции эффектов оптической близости стали неотъемлемой частью технологического процесса СБИС и УБИС.
Иммерсия
Иммерсирование дало мощный импульс развитию микроэлектроники и уменьшению минимального размера воспроизводимого в ИС элемента. Хотя само по себе применение иммерсии в оптических приборах отнюдь не ново и может прослеживаться ещё с 18-го века в письмах Левенгука в Британское королевское общество. Для иммерсии в фотолитографии применима вода. Вода вполне прозрачна на 193 нм и имеет при этом коэффициент преломления 1.44. Соответственно, длина волны эксимерного лазера в иммерсионной среде составит не 193 нм, а 134 нм. Числовая апертура объектива может быть сосчитана как NA = n sinα. Близкая к пределу наилучшая полученная величина числовой апертура изображающего объектива на воздухе NA0, составляет сегодня 0,95, что с водяной иммерсией даст NA = n NA0, или 1.368 Более того, нашлись иммерсионные жидкости с коэффициентом преломления, большим, чем у воды.
Лабораторное задание
Рассчитать bmin для контактной и бесконтактной фотолитографии при различных источниках актиничного излучения. Толщина фоторезиста 0,5 мкм. Зазор 1мкм. Заполнить таблицу.
|
436 нм |
405 нм |
365 нм |
240 нм |
248 нм |
193 нм |
|
|
bmin бесконтактная фотолитография |
||||||
|
bmin контактная фотолитография |
Рассчитать bmin и DF для проекционной фотолитографии при различных источниках актиничного излучения. Числовую апертуру объектива принять равной 0,95. K – числовой коэффициент, равный для некогерентного света 0,61. Заполнить таблицу.
|
436 нм |
405 нм |
365 нм |
240 нм |
248 нм |
193 нм |
157 нм |
|
|
bmin |
|||||||
|
DF |
Требования к отчету
Отчет должен содержать:
Контрольные вопросы
Литература
1. Чистяков Ю.Д., Райнова Ю.П. Физико-химические основы технологии микроэлектроники. – М.: Металлургия, 1979. -408с.
2. Wolf S. Microchip manufacturing, Lattice press, California
3. Г.Н.Березин, А.В.Никитин, Р.А.Сурис Оптические основы контактной фотолитографии