Uvod u tehnologiju fotolitografije
Istorija razvoja fotolitografske tehnologije
Otkako je Jack S. Kilby izumio prvo integrirano kolo na svijetu 12. septembra 1958. godine, integrirana kola su doživljavala brzi razvoj više od 50 godina. Minimalna širina linije sada je između 20 i 30 nm. vrijeme, ulazeći u duboki submikronski raspon. Tehnologija fotolitografije, jedna od ključnih tehnologija, također je evoluirala od početne upotrebe povećala sličnih onima u fotografskoj opremi do današnjeg tipa imersionog tipa 1,35 visokog numeričkog otvora, koji ima mogućnost automatske kontrole i podešavanja kvalitete slike, s promjerom od više od pola metra i težine od pola tone. gigantski set sočiva. Funkcija fotolitografije je štampanje uzoraka poluvodičkih kola na silikonskim pločicama sloj po sloj. Njegova ideja potiče od dugogodišnje tehnologije štampanja. Razlika je u tome što štampa bilježi informacije korištenjem tinte za promjenu refleksije svjetlosti na papiru. , dok fotolitografija koristi fotohemijsku reakciju svjetlosti i supstanci osjetljivih na svjetlost kako bi se postigla promjena kontrasta.
Tehnologija štampe prvi put se pojavila u kasnoj dinastiji Han u Kini. Više od 800 godina kasnije, Bi Sheng iz dinastije Song napravio je revolucionarna poboljšanja i transformisao fiksnu blok štampu u pokretnu štampu, koja se potom brzo razvijala. Danas je razvijena tehnologija laserskog fototipiziranja. "Fotolitografija" u današnjem smislu počela je pokušajima Aloisa Senefedlera 1798. godine. Kada je pokušao da objavi svoju knjigu u Minhenu u Njemačkoj, otkrio je da ako je koristio uljanu olovku za crtanje ilustracija na poroznom krečnjaku i navlažio nenacrtane površine vodom , mastilo bi bilo samo ljepilo tamo gdje ste crtali olovkom. Ova tehnika se zove litografija ili crtanje na kamenu. Litografija je bila preteča moderne višestruke registracije.
Osnovne metode fotolitografije
Iako postoje neke sličnosti, fotolitografija u integriranim kolima koristi svjetlo umjesto tinte, a područja sa tintom i bez tinte postaju područja sa svjetlom i bez svjetla na maski. U industriji proizvodnje integriranih kola, litografija se stoga naziva i fotolitografija ili litografija. Baš kao što se mastilo na bazi ulja selektivno nanosi na krečnjak, svetlost može proći samo kroz prozirne delove maske, a projektovana svetlost se snima na materijal osetljiv na svetlost zvan fotorezist. Jednostavan šematski dijagram procesa fotolitografije prikazan je na slici 7.1.
Budući da fotorezist prolazi kroz promjenu brzine rastvaranja u razvijaču nakon izlaganja ultraljubičastom (UV) svjetlu, uzorak na maski se prenosi na sloj fotorezista na vrhu silikonske pločice. Područja pokrivena fotorezistom mogu postići daljnji prijenos uzorka maske sprečavanjem dalje obrade (kao što je jetkanje ili ionska implantacija).
Od 1960. godine, fotolitografska tehnologija se može podijeliti u sljedeća tri tipa: kontaktna ekspozicija, ekspozicija blizine i ekspozicija projekcijom. Najraniji je bio kontakt ili izlaganje u blizini, što je bio glavni tok proizvodnje do sredine{1}} stoljeća. Za kontaktno izlaganje, budući da teoretski ne postoji razmak između maske i vrha silikonske pločice, rezolucija nije problem. Međutim, budući da će kontakt uzrokovati defekte zbog trošenja maske i fotootpora, ljudi su konačno odabrali ekspoziciju u blizini. Naravno, kod ekspozicije blizine, iako su defekti izbjegnuti, rezolucija ekspozicije blizine je ograničena na 3 μm ili više zbog prisutnosti praznina i raspršenja svjetlosti. Teorijska granica rezolucije ekspozicije blizine je
među njima,
k predstavlja parametre fotorezista, obično između 1 i 2;
CD predstavlja minimalnu veličinu, odnosno kritičnu dimenziju, koja obično odgovara minimalnoj razlučivoj širini linije prostornog perioda;
λ se odnosi na talasnu dužinu ekspozicije;
g predstavlja udaljenost od maske do otvora na površini fotorezista (g=0 odgovara ekspoziciji kontakta)
Budući da je g obično veći od 10 μm (ograničeno ravnošću površine maske i silikonske pločice), rezolucija je jako ograničena, kao što je 3 μm za talasnu dužinu osvjetljenja od 450 nm. Izloženost kontaktu može doseći 0,7 μm.
Kako bi se prevazišle dvostruke poteškoće defekta i rezolucije, predložena je shema projekcijskog ekspozicije, u kojoj su maska i silikonska pločica razdvojeni više od nekoliko centimetara. Optička sočiva se koriste za slikanje uzorka sočiva na maski na silikonskoj pločici. Kako tržište zahtijeva veće veličine čipova i strožu kontrolu uniformnosti širine linije, ekspozicija projekcije je također postupno evoluirala od originalne
potpuna ekspozicija silicijumske pločice do pune ekspozicije skeniranja silicijumske pločice (vidi sliku 7.2 (a))
postepena ekspozicija (vidi sliku 7.2 (b))
ekspozicija korak i skeniranje (vidi sliku 7.2 (c))
Celokupna silicijumska pločica 1:1 metoda ekspozicije ima jednostavnu strukturu i ne zahteva visoku monohromatnost svetlosti. Međutim, kako veličina čipa i veličina silikonske pločice postaju sve veće i veće, a širina linije postaje sve finija i finija, optički sistem ne može istovremeno projicirati uzorak na cijelu silikonsku pločicu bez utjecaja na kvalitet slike, a izlaganje bloka postaje neizbježno. .
Jedna od metoda blok ekspozicije je metoda skeniranja cijele silikonske pločice, kao što je prikazano na slici 7.2 (a). Ova metoda kontinuirano skenira i izlaže uzorak na maski silikonskoj pločici kroz vidno polje u obliku luka. Sistem koristi dva sferna ogledala sa istom optičkom osom, a njihov radijus zakrivljenosti i instalacijska udaljenost određuju se zahtjevom da nema aberacije.
Međutim, kako veličina čipa i veličina silikonske pločice postaju sve veće i veće, a širina linije postaje sve finija i finija, ekspozicija 1x čini sve težim izradu maske s visokom preciznošću proizvodnje uzorka i preciznošću postavljanja.
Stoga je kasnih 1970-ih nastao uređaj sa smanjenim uvećanjem, blok ekspozicijom. Uzorak čipa je izložen silikonskoj pločici jedan po jedan, kao što je prikazano na slici 7.2 (b). Stoga se ovaj sistem ekspozicije sa smanjenim uvećanjem naziva step-and-repeat sistem ili stepper.
Međutim, kako veličina čipa i veličina silikonske pločice postaju sve veće, a kontrola širine linije postaje stroža, čak ni tehničke mogućnosti stepera ne mogu zadovoljiti potrebe. Rešavanje kontradikcije između ove potražnje i trenutne tehnologije direktno je dovelo do rođenja mašine za ekspoziciju korak i skeniraj, kao što je prikazano na slici 7.2 (c). Ovaj uređaj je hibrid koji kombinuje prednosti rane mašine za skeniranje sa punim vaferom i kasnije mašine za ekspoziciju korak-i-ponavlja: maska se skenira i projicira umesto da se projektuje odjednom, a cela silikonska pločica je takođe izložena u blokova. Ovaj uređaj prenosi optičke poteškoće na visoko mehaničko pozicioniranje i kontrolu. Ovaj uređaj se do danas koristi u industriji, posebno u proizvodnji poluvodičkih čipova na 65nm i ispod tehnoloških čvorova.
Glavni proizvođači litografskih mašina u svetu su ASML u Holandiji, Nikon i Canon u Japanu, i drugi proizvođači mašina za litografiju koji nisu u punoj veličini, kao što je Ultrastepper.
Proizvodnja domaćih naprednih mašina za skeniranje litografije počela je kasno. Nakon 2002, uglavnom ga je razvio Shanghai Microelectronics Equipment Co., Ltd. (SMEE). Domaće litografske mašine su se razvile od popravke polovnih mašina za litografiju do samostalnog razvoja i proizvodnje mašina za litografiju. Najnaprednija litografska mašina koja se trenutno razvija je 193nm SSA600/20 (vidi sliku 7.3). Iako još uvijek postoji veliki jaz sa svjetskim naprednim nivoom, treba reći da je postignut zadovoljavajući napredak. Njegov numerički otvor blende je 0,75, standardno polje ekspozicije je 26×33mm, rezolucija je 90nm, tačnost preklapanja je 20nm, a proizvodni kapacitet od 300mm je 80 komada na sat.
Drugi načini prijenosa slika
Dobro je poznato da je jedan pravac za dalji razvoj fotolitografije smanjenje talasne dužine. Međutim, ovaj napor je ometen faktorima kao što su razvoj odgovarajućih 157nm fotootpornika, zaštitnih filmova za maske (pelikule) i obima proizvodnje materijala za sočiva kao što je kalcijev fluorid (
). Međutim, u proteklih 20 godina, ljudi su uložili mnogo istraživanja u fotolitografiju ekstremne ultraljubičaste (EUV) talasne dužine. Ova tehnologija koristi ekstremno ultraljubičasto svjetlo od 13,5 nm koje emituje ksenon ili kalajna plazma koju generiraju snažni laseri ili visokonaponska pražnjenja. Iako je visoka rezolucija koju donosi EUV tehnologija vrlo atraktivna, ova tehnologija također ima mnogo tehničkih poteškoća, kao što je ogledalo lako kontaminirano materijalom prskanja koji stvara impuls, ekstremno ultraljubičasto svjetlo se lako apsorbira (što zahtijeva da sistem ima ekstremno visoki vakuum i minimalan broj reflektirajućih sočiva), strogi zahtjevi za masku (bez defekata i visoka reflektivnost), odbljesak uzrokovan kratkom talasnom dužinom, brzina reakcije fotorezista i rezolucija, itd.
Osim korištenja tradicionalnog svjetla za prijenos uzorka maske, ljudi traže i druge metode mikrolitografije, kao što su rendgenski zraci, nanoimprint, direktno pisanje višeelektronskim snopom, elektronski snop, projekcija jonskog snopa itd.
Sistemski parametri fotolitografije
Talasna dužina, numerički otvor, srednji indeks prelamanja prostora slike
Ranije je spomenuto da se rezolucija ekspozicije u blizini brzo pogoršava kako se povećava udaljenost između maske i silikonske pločice. U metodi projekcijske ekspozicije, optička rezolucija se određuje sljedećom formulom, tj.
među njima,
predstavlja proporcionalni koeficijent koji karakteriše težinu procesa fotolitografije. generalno govoreći,
je između {{0}}.25 i 1.0. Ovo je zapravo poznata Rayleighova formula. Prema ovoj formuli, optička rezolucija je određena talasnom dužinom λ, numeričkim otvorom NA i procesom
. Ako trebate ispisati manji uzorak, metoda koja se koristi može biti da istovremeno smanjite talasnu dužinu ekspozicije, povećate numerički otvor, smanjite
vrijednost, ili promijeniti jedan od faktora. U ovom odeljku ćemo prvo predstaviti postojeće rezultate poboljšanja rezolucije smanjenjem talasne dužine i povećanjem numeričke blende. Kako poboljšati rezoluciju smanjenjem
faktor pod pretpostavkom fiksne talasne dužine i numeričkog otvora biće diskutovano kasnije.
Iako kratka talasna dužina može da postigne visoku rezoluciju, nekoliko drugih važnih parametara koji se odnose na izvor svetlosti se takođe moraju uzeti u obzir, kao što su intenzitet svetlosti (osvetljenost), frekventni opseg i koherentnost (koherentnost će biti detaljno opisana kasnije). Nakon sveobuhvatnog pregleda, visokotlačna živina lampa je odabrana kao pouzdan izvor svjetlosti zbog svoje svjetline i mnogih oštrih spektralnih linija. Različite talasne dužine ekspozicije mogu se odabrati korišćenjem filtera različitih talasnih dužina. Sposobnost odabira jedne valne dužine svjetlosti je ključna za fotolitografiju, jer će opći steper proizvesti kromatsku aberaciju za nemonokromatsko svjetlo, što rezultira smanjenjem kvalitete slike. G linija, H linija i I linija koje se koriste u industriji odnose se na spektre živine lampe od 436 nm, 405 nm i 365 nm koje koristi mašina za izlaganje (vidi sliku 7.4).
Budući da optička rezolucija I-line stepera može doseći samo 0.25μm, potražnja za višom rezolucijom je gurnula talasnu dužinu ekspozicije na kraću talasnu dužinu, kao što je Deep Ultraviolet (DUV) spektar {{3} }nm. Međutim, proširenje živinih lampi visokog pritiska u dubokom ultraljubičastom nije idealno, ne samo zbog nedovoljnog intenziteta, već i zbog toga što će zračenje u dugovalnom opsegu proizvoditi toplinu i deformacije. Uobičajeni ultraljubičasti laseri također nisu idealni, kao što su argon jonski laseri, jer će prekomjerna prostorna koherentnost uzrokovati spekle i utjecati na ujednačenost osvjetljenja. Nasuprot tome, ekscimer laseri su odabrani kao idealni izvori svjetlosti za duboku ultraljubičastu svjetlost zbog svojih sljedećih prednosti.
(1) Njihova velika izlazna snaga maksimizira produktivnost litografske mašine;
(2) Njihova prostorna nekoherentnost, za razliku od drugih lasera, eliminiše spekle;
(3) Velika izlazna snaga olakšava razvoj odgovarajućih fotootpornika;
(4) Optički, sposobnost proizvodnje dubokog ultraljubičastog izlaza sa uskom frekvencijom (usko samo nekoliko pm) omogućava dizajniranje visokokvalitetnih sočiva mašina za litografiju od potpunog kvarca.
Stoga su ekscimer laseri postali glavni izvor svjetla za osvjetljavanje na proizvodnim linijama integriranih kola od 0.5μm i niže, a najraniji izvještaj su objavili Jain et al. Konkretno, dva excimer lasera, kripton fluorid (KrF) sa talasnom dužinom od 248 nm i argon fluorid (ArF) sa talasnom dužinom od 193 nm, pokazali su odlične performanse u smislu energije izlaganja, propusnog opsega, oblika snopa, veka trajanja i pouzdanosti. Stoga se naširoko koriste u naprednim mašinama za step-and-scan litografiju, kao što su ASML-ov Twinscan XT: 1000H (KrF), Twinscan XT: 1450G (ArF) i Nikonov NSR-S210D (KrF), NSR{{11 }}F (ArF).
Naravno, ljudi još uvijek traže izvore svjetlosti kraće talasne dužine, kao što je laser od 157 nm koji stvaraju molekuli fluora.
Međutim, zbog poteškoća u razvoju odgovarajućih fotootpornika, zaštitnih filmova za maske (pelikule) i zapremine proizvodnje materijala za sočiva kalcijum fluorida (
), tehnologija litografije od 157 nm može produžiti poluprovodnički proces samo za jedan čvor, odnosno sa 65 nm na 45 nm; dok je prethodni razvoj tehnologije litografije od 193 nm proširio proizvodni čvor sa 130 nm na dva čvora: 90 nm i 65 nm, što je rezultiralo konačnim napuštanjem napora za komercijalizaciju masovne proizvodnje 157 nm litografske tehnologije. Razvoj talasne dužine ekspozicije sa procesnim čvorovima prikazan je na slici 7.5.
Pored skraćivanja talasne dužine ekspozicije, drugi način za poboljšanje rezolucije je povećanje numeričke blende (NA) uređaja za projekciju/skeniranje.
Gdje n predstavlja indeks prelamanja u prostoru slike, a θ predstavlja maksimalnu polovinu ugla sočiva objektiva u prostoru slike, kao što je prikazano na slici 7.6.
Ako je medij prostora slike zrak ili vakuum, njegov indeks loma je blizu 1.0 ili 1.0, a numerički otvor je sinθ. Što je veći ugao sočiva objektiva u prostoru slike, veća je rezolucija optičkog sistema. Naravno, ako razmak između sočiva i silikonske pločice ostane nepromijenjen, što je veći numerički otvor, veći je i prečnik sočiva. Što je veća veličina sočiva, veća je poteškoća u proizvodnji i složenija je struktura.
Obično je maksimalni mogući numerički otvor određen proizvodnošću i troškovima proizvodnje tehnologije sočiva. Trenutno, tipična mašina za skeniranje I-line litografije (ASML-ov Twinscan XT: 450G) je opremljena sočivom sa maksimalnim NA od 0.65, koje može razlikovati guste linije od 22{ {11}}nm i prostorni period od 440 nm. Najveći numerički otvor talasne dužine kripton fluorida (KrF) je 0,93 (ASML-ov Twinscan XT: 1000H), što može razlikovati guste linije od 80 nm (prostorni period od 160 nm). Najnaprednija ArF litografska mašina ima numerički otvor od 0,93 (ASML-ov Twinscan XT: 1450G), koji može da štampa 65nm guste linije (120nm prostorni period).
Kao što je ranije pomenuto, numerički otvor blende se može povećati ne samo povećanjem ugla blende sočiva u prostoru slike, već i povećanjem indeksa prelamanja prostora slike. Ako se za popunjavanje prostora slike koristi voda umjesto zraka, indeks prelamanja prostora slike će se povećati na 1,44 na valnoj dužini od 193 nm. Ovo je ekvivalentno povećanju 0.93 NA u zraku na 1,34 NA odjednom. Rezolucija je poboljšana za 30% do 40%. Stoga je 2001. započela nova era litografije uronjavanja. Najnaprednije komercijalne mašine za skeniranje uronjavanjem su ASML-ov Twinscan NXT: 1950i i Nikonov NSR-S610C, kao što je prikazano na slikama 7.7 (a) i 7.7 (b). Situacija uronjene litografije će biti detaljno opisana kasnije.
Prikaz rezolucije fotolitografije
Ranije je spomenuto da je rezolucija fotolitografije određena numeričkim otvorom i talasnom dužinom sistema, a naravno vezana je i za metodu povećanja rezolucije fotolitografije koja se odnosi na faktor
. Ovaj odjeljak uglavnom uvodi kako ocijeniti rezoluciju procesa fotolitografije. Znamo da je rezolucija optičkog sistema data poznatim Rayleighovim kriterijumom. Kada su dva tačkasta izvora svjetlosti iste veličine blizu jedan drugom, udaljenost od njihovog centra do centra jednaka je udaljenosti od maksimalne vrijednosti do prve minimalne vrijednosti intenziteta svjetlosti svakog izvora svjetlosti snimljenog optičkim instrumentom, optički sistem ne može razlikovati da li se radi o dva ili jedan izvor svjetlosti, kao što je prikazano na slici 7.8. Međutim, čak i ako ispunjava Rayleighov kriterij, intenzitet svjetlosti u području između dva izvora svjetlosti je i dalje niži od vršne vrijednosti, sa kontrastom od oko 20%. Za linijski izvor svetlosti, kada je širina izvora svetlosti beskonačno mala, za optički sistem sa numeričkim otvorom NA i talasnom dužinom izvora svetlosti osvetljenja od λ, distribucija intenziteta svetlosti na ravni slike je
Odnosno, intenzitet svetlosti dostiže prvu minimalnu tačku u odnosu na centralnu poziciju slike (2NA). I0 predstavlja intenzitet svjetlosti u centru slike. Može se smatrati da je minimalna udaljenost koju ovaj optički sistem može razlučiti λ/(2NA). Na primjer, kada je talasna dužina 193 nm, a NA 1,35 (uranjanje), minimalna rezolucija optičkog sistema je 71,5 nm.
Naravno, za proces fotolitografije, da li to znači da se uzorak sa prostornim periodom od 71,5 nm može štampati? Odgovor je ne. Dva su razloga:
① Proces zahtijeva određenu marginu i indikatore procesa da bi bili masovno proizvedeni;
② Komercijalna proizvodna tačnost svih mašina i opreme i sveobuhvatnost performansi mašine, tako da mašina može da štampa guste linije na granici rezolucije i izolovanim uzorcima, a takođe mora da minimizira uticaj preostalih aberacija na proces.
Za mašinu za litografiju 1.35 NA, ASML obećava da je minimalni prostorni period uzorka koji se može proizvesti 76 nm, odnosno 38 nm guste linije sa jednakim razmakom. U procesu fotolitografije, granična rezolucija je samo referentne vrijednosti. U konkretnom radu govorimo samo o tome koliko je veliki procesni prozor u određenom prostornom periodu i određenoj širini linije i da li je dovoljan za masovnu proizvodnju. Parametri koji karakteriziraju procesni prozor bit će detaljno razmotreni u Odjeljku 7.4. Evo kratkog uvoda. Obično parametri koji karakterišu prozor procesa uključuju geografsku širinu ekspozicije (EL), dubinu fokusa ili dubinu fokusa (DOF), faktor greške maske (MEF), tačnost preklapanja, uniformnost širine linije, itd.
Geografska širina ekspozicije se odnosi na maksimalno dozvoljeno odstupanje energije ekspozicije unutar dozvoljenog opsega varijacije širine linije. Na primjer, za liniju sa širinom linije od 90nm, širina linije se mijenja sa energijom za 3nm/mJ, a dozvoljeni raspon varijacije širine linije je ±9nm, tada je dozvoljeni raspon varijacije energije ekspozicije 9×2/{ {5}}mJ. Ako je energija ekspozicije 30mJ, energetska širina je 20% u odnosu na energiju ekspozicije.
Dubina fokusa je općenito povezana s performansama kontrole fokusa litografske mašine. Na primjer, preciznost kontrole fokusa litografske mašine od 193 nm, uključujući stabilnost fokalne ravni mašine, zakrivljenost polja sočiva, astigmatizam, tačnost nivelisanja i ravnost platforme silikonske pločice, je 120 nm. Tada minimalna dubina fokusa procesa koji se može masovno proizvoditi treba biti iznad 120 nm. Ako se doda uticaj drugih procesa, kao što je hemijsko-mehanička planarizacija, potrebno je poboljšati minimalnu dubinu fokusa, kao što je 200 nm. Naravno, kao što će se kasnije raspravljati, poboljšanje dubine fokusa može biti na račun energetske margine.
Faktor greške maske (MEF) je definiran kao omjer odstupanja širine linije silicijumske pločice zbog odstupanja širine linije na maski i odstupanja na maski, kao što je prikazano u formuli (7-5).
Normalno, MEF je blizu ili jednak 1.0. Međutim, kada se prostorni period uzorka približi granici difrakcije, MEF će se brzo povećati. Preveliki faktor greške će uzrokovati pogoršanje uniformnosti širine linije na silikonskoj pločici. Ili, u skladu sa datim zahtjevom za uniformnost širine linije, uniformnost širine linije maske je previsoka.
Preciznost preklapanja je općenito određena korakom, preciznošću sinhronizacije skeniranja, kontrolom temperature, aberacijom sočiva i stabilnošću aberacije pokretne platforme na litografskoj mašini. Naravno, tačnost preklapanja zavisi i od prepoznavanja i tačnosti očitavanja oznake preklapanja, uticaja procesa na oznaku preklapanja, deformacije procesa na silicijumskoj pločici (kao što su različiti procesi zagrevanja, procesi žarenja) itd. Moderna litografska mašina može kompenzirati ravnomjernu ekspanziju silikonske pločice, a također može kompenzirati neujednačeno izobličenje silikonske pločice, kao što je softver GridMapper za "mapiranje mreže" koji je pokrenuo ASML. Može ispraviti izobličenje mreže ekspozicije nelinearne silikonske pločice.
Ujednačenost širine linije podijeljena je u dvije kategorije: ujednačenost unutar područja ekspozicije (unutar polja) i uniformnost između područja ekspozicije (međupolja).
Ujednačenost širine linije unutar područja ekspozicije uglavnom je određena uniformnošću širine linije maske (prenošena kroz faktor greške maske), energetskom stabilnošću (tokom skeniranja), ujednačenošću osvjetljenja unutar proreza za skeniranje, ujednačenošću fokusa/niveliranja za svaku tačku u području ekspozicije, sočivom aberacija (kao što je koma, astigmatizam), greška u preciznosti sinhronizacije skeniranja (pokretna standardna devijacija, MSD) itd.
Ujednačenost širine linije između područja ekspozicije uglavnom je određena stabilnošću energije osvjetljenja, ujednačenošću distribucije debljine filma podloge silicijumske pločice na površini silikonske pločice (uglavnom zbog ujednačenosti premaza ljepila i ujednačenosti debljine filma koju donose drugi procesi), ravnosti silikonske pločice površina, ujednačenost pečenja vezanog za razvijač, ujednačenost prskanja razvijača itd.
Tok procesa fotolitografije
Osnovni tok procesa fotolitografije 8-korak prikazan je na slici 7.9.
korak{0}}HMDS površinska obrada
korak{0}}Ljepljenje
korak03-Pečenje prije izlaganja
korak04-Poravnanje i ekspozicija
korak05-Pečenje nakon izlaganja
korak{0}}Razvoj
korak07-Pečenje nakon razvoja
korak{0}}Mjerenje
1. Predtretman površine plinskog silikona
Prije fotolitografije, silikonska pločica će biti podvrgnuta mokrom čišćenju i ispiranju dejoniziranom vodom kako bi se uklonile onečišćenja. Nakon čišćenja, površinu silikonske pločice potrebno je hidrofobizirati kako bi se poboljšala adhezija između površine silikonske pločice i fotorezista (obično hidrofobnog). Hidrofobni tretman koristi materijal koji se zove heksametildisilazan, sa molekulskom formulom (CH₃)3SiNHSi(CH₃)₃, proizvodi se para heksametildisilazana (HMDS). Ovaj predtretman gasom sličan je upotrebi prajmera u spreju za drvo i plastiku pre farbanja. Uloga heksametildisilazana je da hemijskom reakcijom zamijeni hidrofilni hidroksil (OH) na površini silicijumske pločice hidrofobnim hidroksilom (OH).OSi(CH₃)₃.Da bi se postigla svrha prethodnog tretmana
Temperatura predtretmana gasa se kontroliše na 200-250 stepeni, a vreme je uglavnom 30s. Uređaj za predtretman gasa je spojen na stazu wafera za obradu fotorezista, a njegova osnovna struktura je prikazana na slici 7.10.
2. Spin-coated fotoresist, antirefleksni sloj
Nakon prethodnog tretmana gasom, fotorezist treba premazati na površini silikonske pločice. Najrasprostranjenija metoda premazivanja je metoda centrifugiranja. Fotorezist (oko nekoliko mililitara) se prvo transportuje do centra silicijumske pločice cevovodom, a zatim će se silikonska pločica rotirati i postepeno ubrzavati dok se ne stabilizuje određenom brzinom (brzina određuje debljinu lepka, a debljina je obrnuto proporcionalna kvadratnom korijenu brzine). Kada se silikonska pločica zaustavi, njena površina je u osnovi suha i debljina je stabilna na prethodno podešenoj veličini. Ujednačenost debljine prevlake treba da bude unutar ±20Å ("Å, izgovoreno "angstrom", je jedinica dužine u fizici čestica. 1Å je jednako
m, što je jedna desetina nanometra) na 45nm ili više naprednih tehnoloških čvorova. Obično postoje tri glavne komponente fotorezista, organske smole, hemijskog rastvarača i fotosenzitivnog jedinjenja (PAC).
Detaljni fotorezist će biti razmatran u poglavlju o fotorezistu. Ovaj odjeljak govori samo o osnovnoj dinamici fluida. Proces premazivanja je podijeljen u tri koraka:
① Transport fotorezista;
② Ubrzati rotaciju silikonske pločice do konačne brzine;
③ Rotirajte konstantnom brzinom dok se debljina ne stabilizuje na unapred podešenoj vrednosti;
Konačna debljina fotorezista je direktno povezana sa viskozitetom fotorezista i konačnom brzinom rotacije. Viskoznost fotorezista može se podesiti povećanjem ili smanjenjem hemijskog rastvarača. Mehanika fluida za centrifugiranje je pažljivo proučavana.
Visoki zahtjevi za ujednačenost debljine fotorezista mogu se postići potpunom kontrolom sljedećih parametara:
① Temperatura fotootpora;
② Temperatura okoline;
③ Temperatura silikonske pločice;
④ Protok izduvnih gasova i pritisak modula za oblaganje;
Kako smanjiti nedostatke vezane za premaz je još jedan izazov. Praksa pokazuje da se primenom sledećeg procesa može značajno smanjiti pojava kvarova.
(1) Sam fotorezist mora biti čist i bez čestica. Prije nanošenja premaza mora se koristiti proces filtracije, a veličina pora filtera mora zadovoljiti zahtjeve tehnološkog čvora.
(2) Sam fotorezist ne smije sadržavati miješani zrak, jer će mehurići uzrokovati defekte slike. Mjehurići se ponašaju slično česticama.
(3) Konstrukcija posude za premaz mora konstruktivno spriječiti prskanje izbačenog fotootpornika.
(4) Sistem pumpanja za isporuku fotorezista mora biti projektovan tako da može da se usisava nakon svake isporuke fotorezista. Funkcija povratnog usisavanja je da usisava višak fotorezista iz mlaznice natrag u cevovod kako bi se izbjeglo kapanje viška fotorezista na silikonsku pločicu ili da se višak fotorezista isuši i uzrokuje granularne defekte tokom sljedeće isporuke. Povratno djelovanje usisavanja treba biti podesivo kako bi se spriječilo da višak zraka uđe u cjevovod.
(5) Odljepljivanje ruba pločice (ivica Otapalo korišteno u procesu uklanjanja kuglica (EBR) treba dobro kontrolisati. Tokom procesa centrifugiranja silikonskih pločica, fotorezist će teći do ruba silikonske pločice i od ruba silikonska pločica na poleđini silicijumske pločice zbog centrifugalne sile će se formirati krug od ostatka fotorezista na ivici silikonske pločice zbog njene površinske napetosti, kao što je prikazano na slici 7.11 Ako se ne ukloni, ovaj krug perli će se oljuštiti i formirati čestice nakon sušenja i pasti na silikonsku pločicu, alat za prijenos silikonskih pločica i opremu za obradu silikonskih pločica, što će dodatno uzrokovati povećanje stope oštećenja. Ostaci fotorezista na poleđini silikonske pločice će se zalijepiti za platformu silikonske pločice (zaglavlje za pločice), uzrokujući lošu adsorpciju silikonske pločice, uzrokujući defokus ekspozicije i povećavajući greške preklapanja oprema za premazivanje. Funkcija uklanjanja fotorezista na određenoj udaljenosti od ruba silikonske pločice postiže se rotacijom silikonske pločice na rubu silikonske pločice (jedna mlaznica na vrhu i jedna na dnu, a položaj mlaznice od ivica silikonske pločice je podesiva).
(6) Nakon pažljivog proračuna, ustanovljeno je da je oko 90% do 99% fotorezista izdvojeno iz silikonske pločice i potrošeno. Ljudi su pokušali prethodno obraditi silikonsku pločicu prije nego što zavrte fotorezist na silikonskoj pločici pomoću kemijskog rastvarača zvanog propilen glikol metil eter acetat (molekulska formula CH₃COOCH(CH₃)CH₃OCH₃), PGMEA). Ova metoda se naziva premaz za smanjenje otpornosti (RRC). Međutim, ako se ova metoda koristi nepravilno, doći će do kvarova. Defekti mogu biti povezani sa hemijskim uticajem na interfejsu RRC-fotootpornika i kontaminacijom RRC rastvarača amonijakom u vazduhu.
(7) Održavajte izduvni pritisak razvijača ili modula za razvijanje kako biste spriječili prskanje sićušnih kapljica razvijača tokom procesa razvoja kada se silikonska pločica rotira.
Budući da se viskoznost fotorezista mijenja s temperaturom, različite debljine se mogu dobiti namjernim mijenjanjem temperature silikonske pločice ili fotorezista. Ako su različite temperature postavljene u različitim područjima silikonske pločice, na silikonskoj pločici se mogu dobiti različite debljine fotootpornika. Optimalna debljina fotorezista može se odrediti zakonom širine linije i debljine fotorezista (krivulja ljuljanja) kako bi se uštedjele silikonske pločice, strojno vrijeme i materijali. Diskusija o krivuljama ljuljanja će se raspravljati u narednim poglavljima. Metoda i princip centrifugiranja antirefleksnog sloja su isti.
3. Pečenje prije izlaganja
Nakon što se fotorezist nanese na površinu silikonske vafle, mora se ispeći. Svrha pečenja je da se oteraju skoro svi rastvarači. Ovo pečenje se naziva "pečenje prije izlaganja" ili "pre-pečenje" jer se izvodi prije izlaganja. Prethodno pečenje poboljšava prianjanje fotorezista, poboljšava uniformnost fotorezista i kontroliše ujednačenost širine linije tokom procesa jetkanja. U hemijski pojačanom fotorezistu spomenutom u Odjeljku 6.3, prethodno pečenje se također može koristiti za promjenu dužine difuzije fotokiseline do određene mjere kako bi se prilagodili parametri prozora procesa. Tipična temperatura i vrijeme prije pečenja su 90-100 stepeni, oko 30s. Nakon prethodnog pečenja, silikonska oblanda će se premjestiti sa vruće ploče koja se koristi za pečenje na hladnu ploču kako bi se vratila na sobnu temperaturu u pripremi za korak izlaganja.
4. Poravnanje i ekspozicija
Koraci nakon prethodnog pečenja su poravnavanje i izlaganje. U metodi ekspozicije projekcije, maska se pomjera na unaprijed definiranu približnu poziciju na silikonskoj pločici, ili na pravilan položaj u odnosu na postojeći uzorak na silikonskoj pločici, a zatim sočivo fotolitografijom prenosi svoj uzorak na silikonsku pločicu. Za izlaganje blizine ili kontakta, uzorak na maski će biti direktno izložen silikonskoj pločici od izvora ultraljubičastog svjetla.
Za prvi sloj uzoraka, možda neće biti uzorka na silikonskoj pločici, a fotolitografska mašina pomiče masku u odnosu na unaprijed definiranu (metoda diferencijacije čipa) približnu poziciju na silikonskoj pločici (ovisno o preciznosti bočnog postavljanja silikonske pločice na platformi fotolitografske mašine, uglavnom oko 10 do 30 μm).
Za drugi sloj i naredne uzorke, fotolitografska mašina treba da poravna oznaku poravnanja ostavljenu od ekspozicije prethodnog sloja kako bi preštampala masku ovog sloja na postojeći uzorak prethodnog sloja. Ova tačnost prekrivanja je obično 25% do 30% minimalne veličine uzorka. Na primjer, u 90nm tehnologiji, tačnost prekrivanja je obično 22 do 28nm (3 puta više od standardne devijacije). Kada preciznost poravnanja ispuni zahtjeve, ekspozicija počinje. Svetlosna energija aktivira komponente osetljive na svetlost u fotorezistu i pokreće fotohemijsku reakciju. Glavni indikatori za mjerenje kvaliteta fotolitografije općenito su rezolucija i uniformnost kritične dimenzije (CD), tačnost prekrivanja i broj čestica i defekata.
Osnovno značenje tačnosti preklapanja odnosi se na tačnost poravnanja (3σ) grafike između dva procesa fotolitografije. Ako je odstupanje od poravnanja preveliko, to će direktno utjecati na prinos proizvoda. Za vrhunske fotolitografske mašine, dobavljači opšte opreme će obezbediti dve vrednosti za tačnost preklapanja, jedna je dvostruka greška preklapanja same mašine, a druga je greška preklapanja između dva uređaja (različitih uređaja).
5. Pečenje nakon izlaganja
Nakon što je ekspozicija završena, fotorezist treba ponovo ispeći. Budući da je ovo pečenje nakon izlaganja, naziva se "pečenje nakon izlaganja", skraćeno kao pečenje nakon izlaganja (PEB). Svrha naknadnog pečenja je da se u potpunosti završi fotokemijska reakcija zagrijavanjem. Fotoosetljive komponente nastale tokom procesa ekspozicije će difundirati pod dejstvom zagrevanja i hemijski reagovati sa fotorezistom, menjajući fotorezistentni materijal koji je bio skoro nerastvorljiv u tečnosti za razvijanje u materijal koji je rastvorljiv u tečnosti za razvijanje, formirajući obrasce koji su rastvorljivi. u tečnosti za razvijanje i nerastvorljiv u tečnosti za razvijanje u fotorezist filmu.
Pošto su ovi uzorci u skladu sa uzorcima na maski, ali nisu prikazani, nazivaju se i "latentne slike". Za hemijski pojačane fotoreziste, previsoke temperature pečenja ili prekomerno vreme pečenja će dovesti do prekomerne difuzije fotokiselina (katalizatora fotohemijskih reakcija), oštećujući originalni kontrast slike, čime se smanjuje ujednačenost prozora procesa i širine linije. Detaljna rasprava će biti obavljena u narednim poglavljima. Da bi se latentna slika zaista prikazala, potreban je razvoj.
6. Razvoj
Nakon što je postpečenje završeno, silikonska pločica će ući u razvojni korak. Budući da je fotorezist nakon fotokemijske reakcije kiseo, kao razvijač se koristi jaka alkalna otopina. Obično se koristi 2,38% vodeni rastvor tetrametilamonijum hidroksida (TMAH) sa molekulskom formulom (CH₃)₄NOH. Nakon što je fotorezist film prošao proces razvoja, eksponirana područja se ispiru od strane razvijača, a uzorak maske se prikazuje na fotorezist filmu na silikonskoj pločici u obliku konkavnih i konveksnih oblika sa ili bez fotorezista. Proces razvoja općenito ima sljedeće korake:
(1) Prethodno prskanje (pre-mokro): poprskajte malo deionizirane vode (DI vode) na površinu silikonske pločice kako biste poboljšali prianjanje razvijača na površinu silikonske pločice.
(2) Doziranje razvijača (doziranje razvijača): dostavite razvijač na površinu silikonske pločice. Kako bi svi dijelovi površine silikonske pločice što je više moguće kontaktirali sa istom količinom razvijača, dozator za razvijanje je razvio sljedeće metode. Na primjer, koristite E2 mlaznice, LD mlaznice itd.
(3) Površinski ostanak razvijača (lokvica): Nakon što se razvijač poprska, potrebno je da ostane na površini silikonske pločice neko vrijeme, obično od desetina sekundi do jedne ili dvije minute, kako bi se omogućilo razvijaču da u potpunosti reaguje sa fotorezistom.
(4) Uklanjanje i ispiranje razvijača: Nakon što se razvijač zaustavi, razvijač će biti izbačen, a dejonizirana voda će se raspršiti na površinu silikonske pločice kako bi se uklonio zaostali razvijač i zaostale fragmente fotorezista.
(5) Sušenje centrifugiranjem: Silikonska pločica se rotira velikom brzinom kako bi se odvojila dejonizirana voda na površini.
7. Pečenje nakon razvoja, pečenje tvrdog filma
Nakon razvoja, budući da je silikonska pločica izložena vodi, fotorezist će apsorbirati nešto vode, što nije dobro za naknadne procese kao što je mokro jetkanje. Stoga je potrebno pečenje tvrdog filma kako bi se izbacila višak vode iz fotorezista. Budući da većina graviranja sada koristi plazma graviranje, poznato i kao "suvo jetkanje", pečenje tvrdog filma je izostavljeno u mnogim procesima.
8. Mjerenje
Nakon što je ekspozicija završena, potrebno je izmjeriti kritičnu dimenziju (Kritična dimenzija, skraćeno CD) formiranu litografijom i tačnost preklapanja (metrologija). Kritična dimenzija se obično mjeri pomoću skenirajućeg elektronskog mikroskopa, dok se tačnost preklapanja mjeri optičkim mikroskopom i detektorom slike sa spojenim nabojom (CCD). Razlog za korištenje skenirajućeg elektronskog mikroskopa je taj što je širina linije u poluvodičkom procesu općenito manja od valne dužine vidljive svjetlosti, kao što je 400 do 700 nm, a valna dužina ekvivalenta elektrona elektronskog mikroskopa određena je naponom ubrzanja elektron. Prema principima kvantne mehanike, De Broljeva talasna dužina elektrona je
Gdje je h (6.626×10-³⁴Js) je Plankova konstanta, m (9,1×10-³¹kg) je masa elektrona u vakuumu, a v je brzina elektrona. Ako je napon ubrzanja V, de Broglieova talasna dužina elektrona može se zapisati kao
Gdje je q (1,609×10-19c) je naboj elektrona. Zamjenom numeričkih vrijednosti, jednačina (7-7) se može približno napisati kao
Ako je napon ubrzanja 300V, talasna dužina elektrona je 0,07nm, što je dovoljno za mjerenje širine linije. U stvarnom radu, rezolucija elektronskog mikroskopa je određena višestrukim rasipanjem elektronskog snopa u materijalu i aberacijom elektronskog sočiva. Obično je rezolucija elektronskog mikroskopa desetine nanometara, a greška mjerenja dimenzije linije je oko 1 do 3 nm. Iako je tačnost preklapanja dostigla nanometarski nivo, pošto merenje preklapanja zahteva samo mogućnost određivanja centralne pozicije deblje linije, optički mikroskop se može koristiti za merenje tačnosti preklapanja.
Slika 7.12 (a) je snimak ekrana merenja veličine skeniranog elektronskog mikroskopa. Bijele dvostruke linije i relativne strelice na slici predstavljaju ciljnu veličinu. Kontrast slike skenirajućeg elektronskog mikroskopa formira se emisijom i sakupljanjem sekundarnih elektrona generiranih bombardiranjem elektrona. Može se vidjeti da se više sekundarnih elektrona može prikupiti na rubu linije. U principu, što je više elektrona prikupljeno, to je tačnije mjerenje. Međutim, budući da se uticaj elektronskog snopa na fotorezist ne može zanemariti, fotorezist će se smanjiti nakon zračenja snopom elektrona, posebno fotorezist od 193 nm. Stoga postaje veoma važno uspostaviti ravnotežu između mjerljivosti i minimalnog poremećaja.
Slika 7.12 (b) je tipičan šematski dijagram mjerenja preklapanja, u kojem je debljina linije općenito 1 do 3 μm, dužina vanjske strane okvira je općenito 20 do 30 μm, a dužina unutrašnje strane okvira je općenito 10 do 20 μm . Na ovoj slici, različite boje ili kontrasti prikazani na unutrašnjem i vanjskom okviru su posljedica razlika u boji i kontrastu reflektirane svjetlosti uzrokovane različitim debljinama različitih slojeva tankih filmova. Mjerenje preklapanja postiže se određivanjem prostorne razlike između središnje točke unutrašnjeg okvira i središnje točke vanjskog okvira. Praksa je pokazala da sve dok je dovoljan intenzitet signala, čak i optički mikroskop može postići tačnost mjerenja od oko 1 nm.
Prozor procesa litografije i metoda procjene integriteta uzorka
Energetska margina ekspozicije, normalizirani logaritamski nagib slike (NILS)
U odjeljku 2 navedeno je da se margina energije ekspozicije (EL) odnosi na maksimalno dozvoljeno odstupanje energije ekspozicije unutar dozvoljenog raspona varijacije širine linije. To je osnovni parametar za mjerenje procesa litografije.
Slika 7.13 (a) prikazuje varijaciju uzorka litografije sa energijom ekspozicije i žižnom daljinom.
Slika 7.13 (b) prikazuje dvodimenzionalni test uzorak distribucije sa različitim energijama i fokusnim daljinama izloženim na silikonskoj pločici. To je poput matrice i naziva se i matrica fokusa-ekspozicije (FEM).
Ova matrica se koristi za mjerenje procesnog prozora procesa fotolitografije na jednom ili više uzoraka, kao što su margina energije i dubina fokusa. Ako se dodaju posebni uzorci testiranja na maski, Focus-Energy Matrix može mjeriti i druge parametre performansi koji se odnose na proces i opremu, kao što su različite aberacije sočiva litografske mašine, zalutalo svjetlo (odsjaj), faktor greške maske, difuzija fotokiseline dužina fotorezista, osjetljivost fotorezista, tačnost izrade maske itd.
Na slici 7.13 (a), sivi grafikon predstavlja morfologiju poprečnog presjeka fotorezista (pozitivnog fotorezista) nakon ekspozicije i razvoja. Kako energija ekspozicije nastavlja da raste, širina linije postaje sve manja i manja. Kako se žižna daljina mijenja, mijenja se i vertikalna morfologija fotorezista. Hajde da prvo razgovaramo o promeni sa energijom. Ako je žižna daljina odabrana kao -0.1μm, to jest, projektovana fokalna ravan je 0.1μm ispod vrha fotorezista. Ako se širina linije mjeri kako se mijenja sa energijom, može se dobiti kriva kao što je prikazano na slici 7.14.
Ako odaberemo ukupnu CD toleranciju širine linije kao ±10% širine linije od 90nm, odnosno 18nm, a nagib širine linije koji se mijenja sa energijom ekspozicije je 6,5nm/(mJ/cm²), i optimalna energija ekspozicije je 20 (mJ/cm²), tada je energetska margina EL 18/6.5/20=13.8%.
Je li dovoljno? Ovo pitanje se odnosi na faktore kao što su snaga litografske mašine, sposobnost kontrole procesa proizvodnje i zahtevi uređaja za širinom linije. Energetska margina je takođe povezana sa sposobnošću fotorezista da sačuva prostornu sliku. Uopšteno govoreći, na 90nm, 65nm, 45nm i 32nm čvorovima, EL zahtjev za litografiju sloja kapije je 15% do 20%, a EL zahtjev za sloj metalne žice je oko 13% do 15%.
Energetska margina je također direktno povezana s kontrastom slike, ali slika ovdje nije prostorna slika iz sočiva, već "latentna slika" nakon fotokemijske reakcije fotorezista. Apsorpcija svjetlosti fotorezistom i pojava fotokemijskih reakcija zahtijevaju difuziju komponenti osjetljivih na svjetlost u fotorezist filmu. Difuzija potrebna za ovu fotohemijsku reakciju će smanjiti kontrast slike. Kontrast se definiše kao
Među njima, U je ekvivalentni intenzitet svjetlosti "latentne slike" (zapravo gustina komponente osjetljive na svjetlost).
Za guste linije, ako je prostorni period P manji od λ /NA, tada njegov ekvivalentni intenzitet svjetlosti u prostornoj slici U(x) mora biti sinusni val, kao što je prikazano na slici 7.15, koji se može zapisati kao
Prema definiciji EL, u kombinaciji sa formulom (7-10), kao što je prikazano na slici 7.16, EL se može napisati kao sljedeći izraz, tj.
Za jednaku liniju i razmak, CD=P/2. Postoji sažetiji i intuitivniji izraz, naime
To jest, ako dCD koristi opštih 10% CD-a, onda je kontrast približno jednak 3,2 puta EL. Nagib u formuli (7-11) je
Naziva se i nagib dnevnika slike (ILS). Zbog svoje direktne veze s kontrastom slike i EL, također se koristi kao važan parametar za mjerenje prozora procesa litografije. Ako se normalizira, odnosno pomnoži sa širinom linije, može se dobiti normalizirani nagib dnevnika slike (NILS), kako je definirano u formuli (7-15), tj.
Generalno, U (x) se odnosi na prostornu sliku koju sočivo projektuje u fotorezist, što se ovdje odnosi na "latentnu sliku" nakon fotokemijske reakcije fotorezista. Za guste linije sa jednakim razmakom, CD=P/2, a prostorni period P manji od λ/NA, NILS se može napisati kao
Na primjer, za memorijski proces od 90nm, širina linije CD je jednaka 0.09μm, ako je kontrast 50% i prostorni period 0.18μm, tada je NILS 1.57.
Dubina fokusa (metoda niveliranja)
Dubina fokusa (DOF) se odnosi na maksimalni opseg varijacije žižne daljine unutar dozvoljenog opsega varijacije širine linije. Kao što je prikazano na slici 7.13, fotorezist će se promijeniti ne samo u širini linije već iu morfologiji kako se žižna daljina mijenja. Uopšteno govoreći, za fotoreziste sa visokom transparentnošću, kao što su fotorezisti od 193 nm i fotorezisti od 248 nm sa visokom rezolucijom, kada je fokalna ravan fotolitografske mašine na negativnoj vrednosti, žižna ravan je blizu vrha fotorezista; kada je omjer širine i visine veći od 2.5-3, zbog velike širine linije na dnu fotorezista, može doći do "podrezivanja", što može uzrokovati mehaničku nestabilnost i prevrtanje. Kada je žižna ravan na pozitivnoj vrijednosti, zbog velike širine linije na vrhu žljeba fotorezista, kvadratni uglovi na vrhu će postati zaobljeni (gornje zaokruživanje). Ovo "gornje zaokruživanje" može se prenijeti na morfologiju materijala nakon jetkanja, tako da treba izbjegavati i "podrezivanje" i "zaokruživanje".
Ako se iscrtaju podaci o širini linije na slici 7.13, dobiće se kriva širine linije u odnosu na žižnu daljinu pri različitim energijama ekspozicije, kao što je prikazano na slici 7.17.
Varijacija širine linije sa žižnom daljinom pod energijom ekspozicije od 16, 18, 20, 22, 24 takođe se naziva Poissonova dijagram.
Ako je dozvoljeni raspon varijacije širine linije ograničen na ±9 nm, maksimalna dozvoljena varijacija žižne daljine pri optimalnoj energiji ekspozicije može se naći na slici 7.17. I ne samo to, jer se u stvarnom radu istovremeno mijenjaju i energija i žižna daljina, kao što je drift litografske mašine, potrebno je dobiti maksimalno dozvoljeni raspon varijacije žižne daljine pod uslovom energetskog drifta. Kao što je prikazano na slici 7.17, određeni dozvoljeni raspon varijacije širine linije EL, kao što je ±5% kao standard (EL=10%), može se koristiti za izračunavanje maksimalnog dozvoljenog raspona varijacije žižne daljine, koji je između 19 i 21 mJ/cm2. EL podaci se mogu prikazati u odnosu na dozvoljeni opseg žižne daljine, kao što je prikazano na slici 7.18. Može se naći da je u 90nm procesu, pod rasponom varijacije od 10% EL, maksimalni raspon dubine fokusa oko 0,30 μm.
Je li dovoljno? Uopšteno govoreći, dubina fokusa je povezana sa fotolitografskom mašinom, kao što je tačnost kontrole fokusa, uključujući stabilnost fokalne ravni mašine, zakrivljenost polja sočiva, astigmatizam, preciznost nivelisanja i ravnost platforme silikonske pločice. . Naravno, to je povezano i sa ravnošću same silikonske pločice i stepenom smanjenja ravnosti uzrokovanog hemijsko-mehaničkim procesom spljoštenja. Za različite tehnološke čvorove, tipični zahtjevi za dubinu fokusa navedeni su u Tabeli 7.1.
Pošto je dubina fokusa toliko važna, nivelisanje, važan deo mašine za litografiju, je veoma kritično. Danas najčešće korištena metoda niveliranja u industriji je određivanje vertikalnog položaja z silikonske pločice i uglova nagiba Rxi Ry
u horizontalnom smjeru mjerenjem položaja svjetlosne točke reflektirane kosim upadnim svjetlom na površini silikonske pločice, kao što je prikazano na slici 7.19.
Pravi sistem je mnogo komplikovaniji, uključujući i način odvajanja nezavisnog z, Rx, i Ry. Pošto ova tri nezavisna parametra treba meriti istovremeno, jedan snop svetlosti nije dovoljan (postoje samo dva stepena slobode za bočno pomeranje), a potrebna su najmanje dva snopa svetlosti.
Štaviše, ako je potrebno detektovati z, Rx, i Ryna različitim tačkama na području ekspozicije ili prorezu, potrebno je povećati broj svjetlosnih tačaka. Općenito, za područje ekspozicije može postojati do 8 do 10 mjernih tačaka. Međutim, ova metoda niveliranja ima svoja ograničenja. Budući da se koristi koso upadno svjetlo, kao što je upadni ugao od 15 stepeni do 20 stepeni (ili upadni ugao od 70 stepeni do 75 stepeni u odnosu na vertikalni pravac površine silicijumske pločice), za površine kao što su fotorezist i silicijum dioksid sa indeks loma bijele svjetlosti od oko 1,5, samo oko 18% do 25% svjetlosti se reflektira natrag, kao što je prikazano na slici 7.20, a ostalih oko 75% do 82% svjetlosti koja ulazi u detektor prodire će kroz prozirnu površinu medija . Ovaj dio propuštene svjetlosti nastavit će se širiti sve dok ne naiđe na neprozirni medij ili reflektirajući medij, kao što je silicijum, polisilicijum, metal ili medij sa visokim indeksom prelamanja, kao što je silicijum nitrid, a zatim se reflektuje.
Prema tome, "površina" koju sistem za nivelisanje zaista detektuje biće negde ispod gornje površine fotorezista. Budući da stražnji kraj linije (BEOL) uglavnom ima relativno debeo sloj oksida, kao što su razni silicijum dioksidi, postojaće određeno odstupanje žarišne daljine između prednjeg kraja linije (FEOL) i stražnji kraj, općenito između 0.05 i 0,20 μm, u zavisnosti od debljine prozirnog medija i reflektivnosti neprozirnog medija. Stoga, u pozadini, dizajn čipa treba da bude što ujednačeniji; u suprotnom, zbog neravnomjerne distribucije gustine uzorka, to će uzrokovati greške u niveliranju, što će dovesti do pogrešne kompenzacije nagiba i uzrokovati defokus.
Generalno postoje dva načina za nivelisanje fotolitografskih mašina:
(1) Planarni način rada: izmjerite visinu nekoliko tačaka na području ekspozicije ili cijele silikonske pločice, a zatim pronađite ravan prema metodi najmanjih kvadrata;
(2) Dinamički način rada (isključivo za mašine za skeniranje fotolitografije): dinamički mjerite visinu nekoliko tačaka u području skeniranog proreza, a zatim kontinuirano kompenzujte duž smjera skeniranja. Naravno, važno je znati da se povratna informacija izravnavanja postiže pomicanjem platforme silikonske pločice gore-dolje i naginjanjem u smjeru ne-skeniranja. Njegova kompenzacija može biti samo makroskopska, uglavnom na milimetarskom nivou. Štaviše, u smjeru ne-skeniranja (smjer X), može se obraditi samo prema nagibu prvog reda, a bilo koja nelinearna zakrivljenost (kao što je zakrivljenost polja sočiva i savijanje silikonske pločice) ne može se kompenzirati, kao što je prikazano na slici 7.21. .
U dinamičkom režimu, neke mašine za litografiju takođe mogu zaustaviti merenje nivelacije za nepotpune oblasti ekspozicije (snimke) ili područja čipova na ivici silikonske pločice (područje ekspozicije sa maksimalno
može sadržavati mnogo područja čipova, koja se nazivaju matrica), i koristi ekspoziciju ili podatke o niveliranju područja čipa oko sebe za epitaksiju kako bi se izbjegle greške mjerenja uzrokovane prekomjernim odstupanjem visine i nepotpunim slojem filma na rubu silikonske pločice. U ASML litografskim mašinama, ova funkcija se zove "Circuit Dependent Focus Edge Clearance" (CDFEC).
Postoji nekoliko glavnih faktora koji utiču na dubinu fokusa: numerički otvor sistema, stanje osvetljenja, širina linije šare, gustina šare, temperatura pečenja fotorezista, itd. Kao što je prikazano na slici 7.22, prema talasnoj optici , na najboljoj žižnoj daljini, svi zraci svjetlosti konvergirani u fokus imaju istu fazu;
Međutim, u defokusiranoj poziciji, svjetlosne zrake koje prolaze kroz rub sočiva i svjetlosne zrake koje prolaze kroz centar sočiva putuju različitim optičkim putanjama, a njihova razlika je (FF′- OF′). Kada se numerički otvor blende poveća, povećava se i razlika optičke putanje, a stvarni intenzitet žarišne svjetlosti u tački defokusa postaje manji ili dubina fokusa postaje manja. U uslovima paralelnog osvetljenja, dubina fokusa (Rayleigh) se generalno daje sledećom formulom, tj.
Gdje je θ maksimalni ugao otvaranja sočiva, koji odgovara numeričkom otvoru NA. Kada je NA relativno mali, može se približno napisati kao
Može se vidjeti da kada je NA veći, dubina fokusa je manja, a dubina fokusa obrnuto proporcionalna kvadratu numeričke blende.
Ne samo numerički otvor blende utiče na dubinu fokusa, već i na uslove osvetljenja. Na primjer, za gustu grafiku, a prostorni period je manji od λ/NA, osvjetljenje van ose će povećati dubinu fokusa. O ovom dijelu će se ponovo raspravljati u Odjeljku 7.1 Odjeljka 7 sa osvjetljenjem van ose. Osim toga, širina linije grafike također će utjecati na dubinu fokusa. Na primjer, dubina fokusa male grafike je općenito manja od one grube grafike. To je zato što je ugao difrakcionog talasa malih grafika relativno velik, a ugao između njihove konvergencije u fokalnoj ravni je relativno velik. Kao što je već spomenuto, dubina fokusa će biti manja. Osim toga, temperatura pečenja fotorezista će također utjecati na dubinu fokusa u određenoj mjeri. Veće pečenje nakon ekspozicije (PEB) će uzrokovati prosjek kontrasta prostorne slike u vertikalnom smjeru (Z) unutar debljine fotorezista, što rezultira povećanom dubinom fokusa. Međutim, to je na račun smanjenja maksimalnog kontrasta slike.
Faktor greške maske
Faktor greške maske (MEF) ili faktor povećanja greške maske (MEEF) definira se kao parcijalni izvod širine linije izložene na silikonskoj pločici u odnosu na širinu linije maske. Faktor greške maske je uglavnom uzrokovan difrakcijom optičkog sistema i postat će veći zbog ograničene vjernosti fotorezista prostornoj slici. Faktori koji utiču na faktor greške maske uključuju uslove osvetljenja, svojstva fotootpornosti, aberacije sočiva litografske mašine, temperaturu nakon pečenja (PEB) itd. U protekloj deceniji u literaturi je bilo mnogo izveštaja o istraživanju faktora greške maske. Iz ovih studija se može vidjeti da što je manji prostorni period ili manji kontrast slike, veći je faktor greške maske. Za uzorke koji su mnogo veći od talasne dužine ekspozicije, ili u takozvanom linearnom opsegu, faktor greške maske je obično vrlo blizu 1. Za obrasce koji su blizu ili manji od talasne dužine, faktor greške maske će se značajno povećati . Međutim, osim u sljedećim posebnim slučajevima, faktor greške maske općenito nije manji od 1:
(1) Linijska litografija koja koristi masku naizmjeničnog faznog pomaka može proizvesti faktor greške maske značajno manji od 1. To je zato što je minimalni intenzitet svjetlosti u distribuciji polja prostorne slike uglavnom uzrokovan faznom mutacijom od 180 stupnjeva koju generiše susjedna fazna zona. . Promjena širine metalne linije na maski u fazi mutacije ima mali utjecaj na širinu linije.
(2) Faktor greške maske bit će znatno manji od 1 u blizini male kompenzacijske strukture u korekciji efekta optičke blizine. To je zato što male promjene na glavnom uzorku ne mogu biti osjetljivo identificirane pomoću sistema za snimanje s ograničenom rezolucijom uzrokovanom difrakcijom.
Obično, za prostorno proširene uzorke kao što su linije ili žljebovi i kontaktne rupe, faktor greške maske je jednak ili veći od 1. Budući da važnost faktora greške maske leži u njegovom odnosu sa širinom linije i cijenom maske, on postaje vrlo važno je ograničiti ga na mali raspon. Na primjer, za sloj kapije sa ekstremno visokim zahtjevima za uniformnost širine linije, faktor greške maske se obično zahtijeva da bude ispod 1,5 (za 90 nm i šire procese).
Donedavno je dobijanje podataka o faktorima greške maske zahtijevalo numeričku simulaciju ili eksperimentalno mjerenje. Za numeričku simulaciju, postizanje određenog stepena tačnosti zahteva oslanjanje na iskustvo u postavljanju parametara simulacije. Ako su potrebne informacije o raspodjeli faktora greške maske u cijelom prostoru parametara litografije, takve metode će potrajati dugo za korištenje. Zapravo, za snimanje gustih linija ili žljebova, faktor greške maske ima analitički približan izraz u teoriji. Pod posebnim uslovima da je prostorni period p manji od λ /NA i širina linije jednaka širini žleba, pod uslovima prstenastog osvetljenja, analitički izraz se može pojednostaviti i napisati u sledećem obliku, tj. ,
+, - se primjenjuju na žljebove i linije, respektivno. Među njima, σ je parametar parcijalne koherencije (0＜σ ＜1), je faktor propustljivosti amplitude u prigušenoj maski faznog pomaka (npr. za 6% prigušenu masku, je 0.25 ), n je indeks prelamanja fotorezista (obično između 1,7 i 1,8), a a je ekvivalentna dužina difuzije fotokiseline ispod modela praga (u zavisnosti od različitih tehnoloških čvorova, obično od 5 do 10 nm za 32 do 45 nm čvorova do 70 nm za 0,18 do 0,25 μm čvorova).
Za masku naizmjeničnog pomaka faze (Alt-PSM), MEF ima jednostavniji izraz, naime
Među njima je prostorni period str<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.
Ako su poznati svi parametri osim dužine difuzije fotokiseline u formuli (7-21), dužina difuzije fotokiseline se može dobiti prilagođavanjem eksperimentalnih podataka. Rezultati pokazuju da nakon 40 sekundi nakon pečenja, dužina difuzije fotokiseline određenog tipa fotorezista od 193 nm iznosi 27 nm; nakon 60 sekundi nakon pečenja, dužina difuzije postaje 33nm. A zbog tačnosti podataka, tačnost mjerenja difuzijske dužine fotokiseline je ±2nm. Ovo je za red veličine više od tačnosti prethodnih metoda mjerenja, kao što je prikazano na slici 7.24. Faktor greške maske može se koristiti i za izračunavanje zahtjeva širine linije maske za ujednačenost širine linije, kao i za postavljanje pravila razmaka dvodimenzionalne grafike u korekciji efekta optičke blizine. Za dvodimenzionalnu grafiku sa skraćenim krajevima linija, kao što je prikazano na slici 7.25, kroz izračunavanje jednostavne funkcije širenja tačke i određenog stepena aproksimacije difuzije fotokiseline, može se dobiti skoro analitička formula za efekat optičke blizine na kraju linije. dobijeno, tj.
Gdje je PSF funkcija širenja tačke, indeks "D" predstavlja difuziju fotokiseline, a predstavlja dužinu difuzije fotokiseline, n=1, 2 odgovara uvjetima koherentnog i nekoherentnog osvjetljenja, i
Ujednačenost širine linije
Ujednačenost širine linije u poluprovodničkim procesima generalno se dijeli na: područje čipa, područje udarca, područje pločice, područje serije i područje od lota do lota. Faktori koji utiču na ujednačenost širine linije i opštu analizu opsega uticaja navedeni su u tabeli 7.2. Iz tabele 7.2 možemo naći da:
1) Generalno, problemi uzrokovani mašinama za litografiju i procesnim prozorima imaju širok uticaj.
(2) Problemi uzrokovani greškama u izradi maske ili efektima optičke blizine općenito su ograničeni na područje izloženosti.
(3) Problemi uzrokovani premazom ili podlogom općenito su ograničeni na silikonsku pločicu.
CMOS uređaji općenito zahtijevaju uniformnost širine linije od oko ±10% širine linije. Za kapije, opća tačnost upravljanja je ±7%. To je zato što u procesima ispod čvora od 0,18 μm, generalno postoji proces urezivanja širine linije nakon litografije i prije graviranja, što dodatno smanjuje širinu linije litografije na širinu linije uređaja ili blizu širine linije uređaja, što je općenito 70% širine litografske linije. Budući da je kontrola širine linije uređaja ±10%, širina linije litografije postaje ±7%.
Postoji mnogo načina da se poboljša uniformnost širine litografske linije, kao što je kompenzacija distribucije energije ekspozicije u distribuciji osvetljenja litografske mašine na osnovu rezultata merenja uniformnosti ekspozicije u oblasti ekspozicije. Ova kompenzacija se može ostvariti na dva nivoa. Može se kompenzovati u mašinskim konstantama, što je primenljivo na sve uslove osvetljenja, ili se može kompenzovati u potprogramu ekspozicije (prateći određeni program ekspozicije). Na ovaj način može precizno ciljati određeni nivo sa strogim zahtjevima uniformnosti. Također se može poboljšati analizom osnovnog uzroka neujednačene širine litografske linije. Na primjer, tipičan problem je utjecaj visinske razlike uzrokovane strukturom procesa na podlozi silikonske pločice na ujednačenost širine linije kapije. Na primjer, uniformnost širine lokalne linije (Local CD Variation, LCDV) sloja gejta o kojoj se raspravlja u [6] će se pogoršati zbog fluktuacije visine supstrata. Ova fluktuacija je prikazana na slici 7.28.
Promjene širine linije uzrokovane visinskom razlikom prikazane su na slikama 7.29 i 7.30. Može se vidjeti da kako se visinska razlika postepeno smanjuje, širina linije postepeno opada do stabilne vrijednosti.
1. Poboljšanje ujednačenosti širine linije u području čipa ili u grafičkom području
Pošto postoji mnogo faktora koji utiču na ovaj opseg, razmatraju se samo neke glavne metode.
(1) Poboljšajte prozor procesa i optimizirajte prozor procesa.
Za gustu grafiku, osvetljenje van ose se može koristiti za poboljšanje kontrasta i dubine fokusa, a maske za pomeranje faze se mogu koristiti za poboljšanje kontrasta;
Za izolovanu grafiku, trake za sub-difrakciono raspršivanje (SRAF) mogu se koristiti za poboljšanje dubine fokusa izolovane grafike;
Za poluizolovanu grafiku, to jest, prostorni period je manji od dva puta od minimalnog prostornog perioda i nešto veći od minimalnog prostornog perioda, prozor procesa će ovde dostići gotovo teško stanje, poznato i kao "zabranjeni korak", kao što je prikazano na slici 7.31
Kao što se može vidjeti sa slike 7.31, u odnosu na minimalni prostorni period od 310 nm, širina linije opada sa 130 nm na oko 90 nm blizu perioda od 500 nm. Ovo (ovdje nije prikazano) također uključuje značajan pad kontrasta i dubine fokusa. Zabrana prostornog perioda uzrokovana je potrebom da se održi fiksna minimalna širina linije u litografiji logičkih kola, što rezultira ozbiljnim nedostatkom kontrasta u slikama nejednakih razmaka u različitim prostornim periodima ili susjednim obrascima. To je uglavnom uzrokovano Off-axis rasvjetom koja nameće ograničenja na polugustu grafiku. Uobičajeno, rasvjeta van osi ima jaku pomoć samo za minimalni prostorni period, ali ima određeni negativan utjecaj na takozvanu "polugustu" grafiku na minimalnom prostornom periodu i 2 puta dužem od minimalnog prostora. Kako bi se poboljšao procesni prozor tokom takozvanog zabranjenog perioda, ugao van osvjetljenja van ose treba na odgovarajući način smanjiti kako bi se postigla izbalansirana ujednačenost širine linije.
(2) Poboljšati tačnost i pouzdanost korekcije optičkog efekta blizine.
Osnovni proces korekcije efekta optičke blizine je: prilikom uspostavljanja modela, prvo dizajnirajte neke kalibracione grafike na test maski kao što je prikazano na slici 7.32. Zatim se eksponiranjem silikonske pločice dobije veličina uzorka fotorezista na silikonskoj pločici, a zatim se model kalibrira (određuje se relevantni parametri modela), a istovremeno se izračunava količina korekcije. Zatim se, na osnovu sličnosti između stvarnog i kalibracionog grafikona, koriguje prema modelu.
Preciznost korekcije efekta optičke blizine zavisi od sledećih faktora: tačnosti merenja podataka o širini linije silicijumske pločice, tačnosti prilagođavanja modela i racionalnosti i pouzdanosti algoritma korekcije uzorka kola modela, kao što je metoda uzorkovanja (fragmentacije), gustina tačke uzorkovanja Select, tačna veličina koraka, itd. Za modele fotootpora, općenito postoje jednostavni modeli pragova uključujući Gausovu difuziju (model praga sa Gausovom difuzijom) i modele otpora s promjenjivim pragom. Prvi pretpostavlja da je fotorezist prekidač za svjetlo. Kada intenzitet svjetlosti dostigne određeni prag, brzina rastvaranja fotorezista u razvijaču se naglo mijenja. Ovo posljednje je posljedica odstupanja prvog od eksperimentalnih podataka. Potonji smatra da je fotorezist složen sistem, a njegov prag reakcije je povezan s maksimalnim intenzitetom svjetlosti i gradijentom maksimalnog intenziteta svjetlosti (koji će uzrokovati usmjerenu difuziju fotoosjetljivog agensa), a može biti nelinearna veza. A potonje također može opisati neka odstupanja širine linije graviranja na gustim do izolovanim uzorcima. Naravno, ovakav model ne može fizički prikazati fizičku sliku vrlo jasno. Generalno govoreći, fizička slika modela praga plus Gaussova difuzija je vrlo jasna i ljudi je više koriste, posebno u razvoju procesa i optimizaciji procesa. U smislu korekcije optičkog efekta blizine, s obzirom da je potrebno izgraditi model tačan do nekoliko nanometara u vrlo kratkom vremenu, dodavanje nekih dodatnih parametara čije fizičko značenje nije moguće jasno objasniti je neizbježno i također je privremena mjera.
Naravno, kako se proces fotolitografije nastavlja razvijati, model korekcije efekta fotolitografije blizine će nastaviti da se razvija i apsorbira parametre s fizičkim značenjima. Da biste povećali tačnost modela, možete proširiti reprezentativnost mjerne grafike povećanjem broja mjernih točaka (npr. 3 do 5 puta), odnosno poboljšanjem grafike kalibracije (mjernog mjerača), kao što je prikazano na slici 7.32. Ista grafika dizajna kola je u Korelacijama i sličnostima u geometrijskim oblicima. Tokom procesa prilagođavanja modela, pokušajte da koristite fizičke parametre i vratite greške pri postavljanju inženjeru litografije radi analize kako biste eliminisali moguće greške. Korekcija optičkog efekta blizine će biti detaljno razmotrena u drugom poglavlju.
(3) Optimizirajte debljinu antirefleksnog sloja.
Zbog razlike u indeksu prelamanja (n i k vrijednosti) između fotorezista i supstrata, dio svjetla osvjetljenja će se reflektirati natrag od interfejsa između fotorezista i supstrata, uzrokujući interferenciju sa upadnom svjetlošću slike. Kada je ova smetnja ozbiljna, može čak proizvesti efekat stojećeg talasa, kao što je prikazano na slici 7.33 (c). Slika 7.33 (c) prikazuje poprečni presjek i-line 365nm ili 248nm fotorezista. Budući da je udaljenost između vrhova u stojećem valu pola valne dužine, a indeks loma n fotorezista je općenito oko 1,6 do 1,7, prema broju pikova (~10), može se zaključiti da je debljina fotorezista oko 0,7 do 1,2 μm. Debljina fotorezista od 193nm obično je manja od 300nm. Da bi se eliminisala reflektovana svetlost na dnu fotorezista, obično se koristi donji antirefleksni premaz (BARC), kao što je prikazano na slici 7.34 (a). Na slici 7.34 (a), interfejs se dodaje nakon dodavanja donjeg antirefleksnog sloja. Faza reflektirane svjetlosti između antirefleksnog sloja i podloge može se podesiti podešavanjem debljine antirefleksnog sloja kako bi se neutraliziralo reflektirano svjetlo između fotootpornog i antirefleksnog sloja, čime se eliminira reflektovana svjetlost na dno fotorezista. Za antirefleksni sloj, ako se želi postići stroga antirefleksija na debljini od oko 1/4 valne dužine, indeks loma n antirefleksnog sloja treba biti precizno podešen tako da bude između nSupstrati nPhotoresistpodloge, tj.
(4) Optimizirajte debljinu i krivulju zamaha fotorezista
Čak i sa donjim antirefleksnim slojem, i dalje će postojati određena količina preostale svjetlosti koja se odbija od dna fotorezista. Ovaj dio svjetlosti će interferirati sa reflektiranom svjetlošću s vrha fotorezista, kao što je prikazano na slici 7.35 (a) i slici 7.35 (b). Kako se debljina fotorezista mijenja, faza "odbijene svjetlosti 0" i "reflektirane svjetlosti 1" se periodično mijenja, uzrokujući smetnje. Preraspodjela energije interferencijom će uzrokovati da se energija koja ulazi u fotorezist periodično mijenja kako se debljina fotorezista mijenja, tako da će se širina linije periodično mijenjati kako se debljina fotorezista mijenja, kao što je prikazano na slici 7.35 (b). Općenito, postoji nekoliko načina za rješavanje problema širine linije koja varira s debljinom fotootpornika:
Optimizirajte debljinu i indeks loma antirefleksnog sloja (odaberite odgovarajući antirefleksni sloj)
Odaberite dva antirefleksna sloja (obično jedan od njih je anorganski antirefleksni sloj, kao što je silicijum oksinitrid SiON)
Dodajte gornji antirefleksni premaz (Top ARC, TARC) da biste uklonili reflektovanu svjetlost na vrhu fotorezista
Međutim, dodavanje antirefleksnog sloja učinit će proces složenijim i skupljim. Kada je procesni prozor i dalje prihvatljiv, obično se bira debljina sa najmanjom širinom linije. To je zato što kada se debljina fotorezista pomjeri, širina linije postaje veća, a ne manja, tako da se procesni prozor naglo smanjuje.
2. Druge metode za poboljšanje uniformnosti širine linije
Poboljšati ujednačenost osvjetljenja proreza, aberacije, žižne daljine i kontrolu niveliranja, tačnost sinhronizacije platforme i tačnost kontrole temperature litografske mašine; poboljšati ujednačenost širine linije maske; poboljšati podlogu i smanjiti uticaj supstrata na litografiju (uključujući povećanje dubine fokusa i poboljšanje antirefleksnog sloja). Među njima, u Odjeljku 4.2 spominje se da povećanje uniformnosti uzorka dizajna vodi poboljšanju tačnosti niveliranja i stvarnom povećanju dubine fokusa. Hrapavost ruba uzorka općenito je uzrokovana sljedećim faktorima:
(1) Urođena hrapavost fotorezista: povezana je s molekulskom težinom fotorezista, distribucijom veličine molekulske težine i koncentracijom generatora fotokiselina (PAG).
(2) Kontrast stope rastvaranja razvoja fotorezista s povećanjem intenziteta svjetlosti: Što je veća promjena brzine rastvaranja s intenzitetom svjetlosti blizu granične energije, to je manja hrapavost uzrokovana djelomičnim razvojem.
(3) Osetljivost fotorezista: Što se fotorezist manje oslanja na pečenje nakon ekspozicije (PEB), to će verovatno biti veća hrapavost širine linije. Pečenje nakon izlaganja može ukloniti neke neujednačenosti.
(4) Kontrast ili energetska margina fotolitografske slike: Što je kontrast veći, to je uža oblast na kojoj se razvija ivica uzorka i manja je hrapavost. Općenito se izražava odnosom između hrapavosti širine linije i nagiba dnevnika slike (ILS).
Za hemijski pojačane fotoreziste, svaki molekul fotokiseline generisan fotokemijskom reakcijom će proći kroz katalitičku reakciju uklanjanja zaštite unutar raspona dužine difuzije s točkom generiranja kao središtem kruga i radijusom kao poluprečnikom. Uopšteno govoreći, za fotoreziste od 193 nm, dužina difuzije je u rasponu od 5 do 30 nm. Što je dužina difuzije veća, to je bolja hrapavost uzorka kada kontrast slike ostaje nepromijenjen. Međutim, blizu granice rezolucije, kao što je blizu pola koraka od 45 nm, povećanje dužine difuzije će dovesti do smanjenja kontrasta prostorne slike, a smanjenje kontrasta prostorne slike će također dovesti do povećanja hrapavosti uzorka.
Brzina rastvaranja fotorezista generalno se mijenja od vrlo niskog do vrlo visokog nivoa na način poput koraka kako se intenzitet svjetlosti mijenja. Ako je ova stepeničasta promjena strmija, smanjit će se takozvano područje "djelimičnog razvoja", odnosno prijelazno područje u sredini promjene koraka, čime će se smanjiti hrapavost uzorka. Naravno, preveliki kontrast rastvaranja će takođe uticati na dubinu fokusa. Za neke fotoreziste od 248 nm i 365 nm, nešto manji razvojni kontrast može proširiti dubinu fokusa do određene mjere, kao što je prikazano na slici 7.36.
Što je veća osjetljivost fotorezista, to je kraća duljina difuzije fotokiseline (to je veća vjernost slike iz zraka i veća rezolucija), jer takvi fotorezisti općenito manje ovise o pečenju nakon ekspozicije, što može dovesti do određenog stepena hrapavosti uzorka. Međutim, ako se u isto vrijeme poveća koncentracija generatora fotokiselina, ova situacija se može poboljšati. Poboljšanje kontrasta slike fotorezista može smanjiti hrapavost uzorka, kao što je prikazano na slici 7.37.
Zaobljenost kontaktnih rupa i otvora slična je hrapavosti uzorka. Također se odnosi na difuziju fotokiseline, koncentraciju fotokiseline, kontrast prostorne slike i kontrast razvoja fotorezista. Nećemo ih ovdje raspravljati jedan po jedan.
Morfologija fotorezista
Abnormalnosti u morfologiji fotootpornika uključuju ugao nagiba bočne stijenke, stojeći val, gubitak debljine, podnožje, donji rez, T-vrh, gornje zaokruživanje, hrapavost širine linije, omjer stranica/uzorak, ostatke dna, itd. Razgovarat ćemo o njima jedan po jedan. , kao što je prikazano na slici 7.38.
Ugao bočne stijenke: To je općenito zato što je svjetlost koja ulazi na dno fotorezista slabija od svjetla na vrhu (zbog apsorpcije svjetlosti od strane fotorezista). Rješenje je općenito smanjenje apsorpcije svjetlosti fotorezistom uz povećanje osjetljivosti fotorezista na svjetlost. To se može postići povećanjem dodavanja fotosenzitivnih komponenti i povećanjem katalitičkog efekta fotokiselina u reakciji deprotekcije (reakcija difuzije-katalize). Ugao bočne stijenke će imati određeni utjecaj na jetkanje, au težim slučajevima, ugao bočne stijenke će se prenijeti na ugravirani materijal podloge.
Stojeći talas: Efekat stojećeg talasa može se efikasno rešiti dodavanjem antirefleksnog sloja i odgovarajućim povećanjem difuzije fotosenzibilizatora (kao što je povećanje temperature ili vremena naknadnog pečenja da bi se povećala difuzija fotokiselina).
Gubitak debljine: Budući da vrh fotorezista prima najjače svjetlo, a gornji dio je izložen najvećem broju razvijača, debljina fotorezista će se u određenoj mjeri izgubiti nakon što se razvoj završi.
Podloga: Podnožje je općenito uzrokovano kiselinsko-baznom neravnotežom između fotorezista i podloge (kao što je donji antirefleksni sloj). Ako je supstrat relativno alkalan ili hidrofilan, fotokiselina će se neutralizirati ili apsorbirati u supstrat, uzrokujući kompromitaciju reakcije uklanjanja zaštite na dnu fotorezista. Rješenje ovog problema općenito je povećanje kiselosti podloge, povećanje temperature pečenja fotorezista i antirefleksnog sloja prije izlaganja, kako bi se ograničila difuzija fotokiseline u fotorezistu i u podlogu. Međutim, ograničavanje difuzije će uticati i na druga svojstva, kao što su hrapavost uzorka, dubina fokusa, itd.
Podrezivanje: Za razliku od donje osnove, podrezivanje je zbog veće kiselosti na dnu fotorezista, a reakcija uklanjanja zaštite na dnu je veća nego na drugim mjestima. Rješenje je upravo suprotno od gore navedenog.
T-preliv: T-preliv je uzrokovan alkalnim (baznim) komponentama u vazduhu u fabrici, kao što su amonijak, amonijak (amonijak) i aminska organska jedinjenja (amin), koji prodiru u vrh fotorezista i neutrališu dio fotokiseline, što rezultira većom lokalnom širinom linije na vrhu, au teškim slučajevima to će uzrokovati adheziju linije. Rješenje je da se striktno kontrolira sadržaj alkalija u zraku u području fotolitografije, obično manji od 20 ppb (dijelova na milijardu), i pokuša se skratiti vrijeme od izlaganja do kašnjenja nakon ekspozicije.
Zaokruživanje na vrhu: Općenito, intenzitet svjetlosti ozračenog na vrhu fotorezista je relativno velik. Kada razvojni kontrast fotorezista nije jako visok, ovaj dio povećane svjetlosti će dovesti do povećane stope rastvaranja, uzrokujući tako da se vrh zaokruži.
Hrapavost širine linije: O hrapavosti širine linije već smo raspravljali.
Omjer širine/kolaps uzorka: Omjer širine i visine je razmatran jer će tokom procesa razvoja razvijač, dejonizirana voda, itd. generirati bočnu napetost formiranu površinskom napetošću u uzorku fotorezista nakon razvoja, kao što je prikazano na slici 7.39. Za guste šare, budući da je napetost na obje strane otprilike ista, problem nije prevelik. Međutim, za uzorak na rubu gustog uzorka, ako je omjer stranica velik, bit će podložan jednostranoj napetosti. Zajedno sa poremećajem velike brzine rotacije tokom procesa razvoja, obrazac se može urušiti. Eksperimenti pokazuju da je odnos visine i širine iznad 3:1 općenito opasniji.
Oštećenje: Razlog za ljuštenje je općenito taj što donji fotorezist ne apsorbira dovoljno svjetla, što rezultira djelomičnim razvojem. Da bi se poboljšala rezolucija fotorezista, dužina difuzije fotokiseline treba minimizirati, a ujednačenost prostornog razvoja uzrokovana difuzijom fotokiseline je smanjena. Na taj način se povećava hrapavost prostora. Nagomilavanje dna općenito se može smanjiti optimizacijom uvjeta osvjetljenja, pristranosti širine linije maske, te temperature i vremena pečenja kako bi se poboljšao kontrast prostorne slike i povećala ekspozicija po jedinici površine.
Preciznost poravnanja i preklapanja
Poravnanje se odnosi na registraciju između slojeva. Uopšteno govoreći, tačnost preklapanja između slojeva treba da bude oko 25%~30% kritične veličine (minimalne veličine) silikonske pločice. Ovdje ćemo raspravljati o sljedećim aspektima: proces prekrivanja, parametri i jednačine preklapanja, oznake preklapanja, oprema i tehnička pitanja vezana za preklapanje i procesi koji utiču na tačnost preklapanja.
Proces prekrivanja je podijeljen na proizvodnju oznake poravnanja prvog sloja (ili prednjeg sloja), poravnanje, rješenje za poravnanje, kompenzaciju fotolitografske mašine, ekspoziciju, mjerenje tačnosti preklapanja nakon ekspozicije i izračunavanje sljedećeg kruga kompenzacije poravnanja, kao što je prikazano na slici 7.40. . Svrha preklapanja je maksimiziranje preklapanja koordinata na silikonskoj pločici sa platformom silikonske pločice (odnosno, koordinate fotolitografske mašine). Za linearni dio postoje četiri parametra: translacija (Tx, Ty), oko vertikalne ose (Z), rotacija (R) i uvećanje (M). Može se uspostaviti sljedeći odnos između koordinatnog sistema silikonske pločice (Xw, Yw) i koordinatni sistem fotolitografske mašine (XM, YM):
XM=TX+M[XW cos(R)-YW sin (R)]
