Fotolitografi - Photolithography

Optik litografi veya UV litografi olarak da adlandırılan fotolitografi , mikrofabrikasyonda parçaları ince bir film veya bir substratın ( wafer olarak da adlandırılır ) üzerinde desenlemek için kullanılan bir işlemdir . Bir fotomaskeden ( optik maske olarak da adlandırılır ) geometrik bir deseni substrat üzerindeki ışığa duyarlı (yani ışığa duyarlı) bir kimyasal fotoreziste aktarmak için ışık kullanır . Bir dizi kimyasal işlem daha sonra ya maruz kalma modelini malzemeye aşındırır ya da fotorezistin altındaki malzeme üzerine istenen modelde yeni bir malzemenin birikmesini sağlar. Karmaşık entegre devrelerde , bir CMOS levha fotolitografik döngüden 50 defaya kadar geçebilir.

Fotolitografi , fotorezist aşındırmadaki desenin doğrudan (maske kullanmadan) veya bir fotomaske kullanılarak yansıtılan bir görüntüyle ışığa maruz bırakılarak oluşturulması bakımından fotoğrafçılıkla bazı temel ilkeleri paylaşır . Bu prosedür, baskılı devre kartları yapmak için kullanılan yöntemin yüksek hassasiyetli versiyonuyla karşılaştırılabilir . İşlemdeki sonraki aşamaların, litografik baskıdan çok aşındırma ile ortak noktası vardır . Bu yöntem, birkaç on nanometre boyutuna kadar son derece küçük desenler oluşturabilir . Oluşturduğu nesnelerin şekil ve boyutunun hassas kontrolünü sağlar ve uygun maliyetli bir şekilde tüm yüzey üzerinde desenler oluşturabilir. Başlıca dezavantajları, başlangıçta düz bir alt tabaka gerektirmesi, düz olmayan şekiller oluşturmada çok etkili olmaması ve son derece temiz çalışma koşulları gerektirebilmesidir. Fotolitografi, baskılı devre kartı (PCB) ve mikroişlemci üretiminin standart yöntemidir . Yönlendirilmiş kendiliğinden montaj , fotolitografiye bir alternatif olarak değerlendirilmektedir.

Tarih

Fotoğraf , lito ve grafik kök sözcüklerinin tümü, sırasıyla 'ışık', 'taş' ve 'yazı' anlamlarıyla birlikte Yunanca kökenlidir. Fotolitografi , onlardan türetilen adından da anlaşılacağı gibi, ışığın önemli bir rol oynadığı bir baskı yöntemidir (başlangıçta kireçtaşı baskı plakalarının kullanımına dayanmaktadır). 1820'lerde Nicephore Niepce , ilk fotorezist olarak doğal bir asfalt olan Bitüm of Judea'yı kullanan bir fotoğraf işlemi icat etti . Bir metal, cam veya taş levha üzerindeki bitümün ince bir kaplaması, ışığa maruz kaldığında daha az çözünür hale geldi; maruz kalmayan parçalar daha sonra uygun bir çözücü ile durulanarak, altındaki malzeme açığa çıktı ve daha sonra bir baskı plakası üretmek için bir asit banyosunda kimyasal olarak dağlandı. Bitümün ışığa duyarlılığı çok zayıftı ve çok uzun maruziyetler gerekliydi, ancak daha sonra daha hassas alternatiflerin ortaya çıkmasına rağmen, düşük maliyeti ve güçlü asitlere karşı üstün direnci, ticari ömrünü 20. yüzyılın başlarına kadar uzattı. 1940'ta Oskar Süß , diazonaftokinon kullanarak pozitif bir fotorezist yarattı , bu da tersi şekilde çalıştı: kaplama başlangıçta çözünmezdi ve ışığa maruz kaldığında çözünür hale geldi. 1954'te Louis Plambeck Jr., plaka yapım sürecini daha hızlı hale getiren Dycryl polimerik tipo baskı plakasını geliştirdi.

1952 yılında Jay W. Lathrop ve James R. Nall atanan ABD askeri , Ulusal Standartlar Bürosu (daha sonra ABD ordusu Elmas Mühimmat Fuze Laboratuvarı sonunda artık mevcut oluşturmak üzere birleşti, Ordu Araştırma Laboratuarı bulgunun göreviyle) Bir yakınlık fünyesi içindeki sınırlı alana gerekli devreyi daha iyi oturtmak için elektronik devrelerin boyutunu küçültmenin bir yolu . Metal uçak kanatlarındaki perçin deliklerinin sınırlarını işaretlemek için kullanılan ışığa duyarlı bir sıvı olan fotorezist uygulamasından ilham alan Nall, benzer bir işlemin transistörlerdeki germanyumu korumak ve hatta yüzeyi ışıkla şekillendirmek için kullanılabileceğini belirledi. Geliştirme sırasında, Lathrop ve Nall, bu tekniği kullanarak transistörlerle 2D minyatürleştirilmiş bir hibrit entegre devre oluşturmada başarılı oldular. 1958'de Washington DC'deki IRE Professional Group on Electron Devices (PGED) konferansı sırasında, fotografik teknikler kullanılarak transistörlerin üretimini tanımlayan ilk makaleyi sundular ve süreci tanımlamak için "fotolitografi" terimini benimsediler ve yayınlanan ilk makaleyi işaretlediler. yarı iletken cihaz modelini tanımlamak için terimin kullanımı.

Elektronik bileşenlerin fotolitografisinin, geleneksel litografik baskıda olduğu gibi bir "usta" üretmek için taş gravürlemek yerine metal kopyaları gravürlemekle ilgili olmasına rağmen, Lathrop ve Nall "fotolitografi" terimini "foto gravür" yerine "fotolitografi" terimini seçti çünkü birincisi "yüksek teknoloji" gibi geliyordu. " Konferanstan bir yıl sonra, Lathrop ve Nall'in fotolitografi üzerindeki patenti 9 Haziran 1959'da resmen onaylandı. Fotolitografi daha sonra ilk mikroçiplerin yanı sıra ilk yarı iletken IC'lerin geliştirilmesine de katkıda bulunacaktı.

Temel prosedür

Yarı iletken mikrofabrikasyonda (ölçeksiz) bir fotolitografi işlemi sırasında pozitif fotorezist kullanılarak kuru aşındırma işleminin basitleştirilmiş gösterimi.

Tek bir fotolitografi yinelemesi, sırayla birkaç adımı birleştirir. Modern temiz odalar , süreci koordine etmek için otomatik, robotik gofret parça sistemlerini kullanır. Burada açıklanan prosedür, inceltici maddeler veya kenar boncuk çıkarma gibi bazı gelişmiş tedavileri atlar. Fotolitografi işlemi gofret izi ve stepper/tarayıcı tarafından gerçekleştirilir ve gofret ray sistemi ile stepper/tarayıcı yan yana kurulur. Wafer ray sistemleri, aynı işlevleri yerine getiren kaplama/geliştirme sistemleri ile değiştirilmiştir.

Temizlik

Gofret yüzeyinde organik veya inorganik kontaminasyonlar varsa, bunlar genellikle ıslak kimyasal işlemle, örneğin hidrojen peroksit içeren çözeltilere dayalı RCA temizleme prosedürüyle giderilir . Temizlemek için trikloroetilen, aseton veya metanol ile yapılan diğer solüsyonlar da kullanılabilir.

Hazırlık

Gofret, başlangıçta gofret yüzeyinde mevcut olabilecek herhangi bir nemi uzaklaştırmak için yeterli bir sıcaklığa ısıtılır; On dakika için 150 °C yeterlidir. Depolanan gofretlerin kontaminasyonu gidermek için kimyasal olarak temizlenmesi gerekir . Bir sıvı ya da gaz halindeki "yapışma destekleyici", örneğin bis (trimetilsilil) amin ( "heksametildisilazan", HMDS) , gofrete fotorezist yapışmasını sağlamak için uygulanır. Gofret üzerindeki silikon dioksitin yüzey tabakası, HMDS ile reaksiyona girerek, bir arabanın boyası üzerindeki mum tabakasından farklı olmayan, oldukça su itici bir tabaka olan tri-metillenmiş silikon-dioksit oluşturur. Bu su itici tabaka, sulu geliştiricinin fotorezist tabaka ile gofret yüzeyi arasına nüfuz etmesini önler, böylece (gelişmekte olan) modelde küçük fotodirenç yapılarının sözde kalkmasını önler. Görüntünün gelişmesini sağlamak için, en iyi şekilde örtülerek bir sıcak plakanın üzerine yerleştirilir ve 120 °C'de sıcaklık sabitlenirken kurumaya bırakılır.

Fotorezist uygulaması

Gofret ile kaplıdır fotorezist ile sıkma kaplama . Bu nedenle, alt tabaka hala gofret boyunca radyal olarak yavaşça sürünürken, direncin üst tabakası gofretin kenarından hızla dışarı atılır. Bu şekilde, herhangi bir 'çarpma' veya 'çıkıntı' kaldırılır ve çok düz bir tabaka bırakılır. Bununla birlikte, viskoz filmler, düzlemselleşmesi fiziksel sınırlara sahip olan büyük kenar boncuklarıyla sonuçlanabilir. Nihai kalınlık, sıvı çözücülerin rezistörden buharlaşmasıyla da belirlenir. Çok küçük, yoğun özellikler için (< 125 nm), yüksek en boy oranlarında çökme etkilerinin üstesinden gelmek için daha düşük direnç kalınlıkları (< 0,5 mikron) gereklidir; tipik en boy oranları < 4:1'dir.

Fotodirençle kaplanmış gofret daha sonra, tipik olarak 90 ila 100 °C'de 30 ila 60 saniye boyunca bir ocak plakasında fazla fotorezist çözücüyü uzaklaştırmak için önceden pişirilir. Fotorezist altında yansımaların oluşmasını önlemek ve fotorezistin daha küçük yarı iletken düğümlerdeki performansını iyileştirmek için, fotorezist uygulanmadan önce bir BARC kaplaması (Alt Yansıma Önleyici Kaplama) uygulanabilir.

Maruz kalma ve geliştirme

Ön pişirmeden sonra, fotorezist yoğun bir ışık modeline maruz bırakılır. Işığa maruz kalma, fotorezistin bir kısmının, fotoğraf geliştiricisine benzer şekilde "geliştirici" adı verilen özel bir solüsyonla çıkarılmasına izin veren kimyasal bir değişikliğe neden olur . En yaygın tür olan pozitif fotorezist, maruz kaldığında geliştiricide çözünür hale gelir; negatif fotorezist ile, maruz kalmayan bölgeler geliştiricide çözünür.

Tipik olarak , gelen ışığın yıkıcı ve yapıcı girişim modellerinin neden olduğu duran dalga fenomenini azaltmaya yardımcı olmak için geliştirmeden önce bir pozlama sonrası fırınlama (PEB) gerçekleştirilir . Olarak derin ultraviyole litografi , karşı kimyasal olarak güçlendirilmiş (CAR) kimyası kullanılır. Bu süreç, "maruziyet" reaksiyonunun çoğu (asit oluşturma, polimeri bazik geliştirici içinde çözünür hale getirme) gerçekte PEB'de meydana geldiğinden, PEB süresine, sıcaklığına ve gecikmesine çok daha duyarlıdır.

Geliştirme kimyası, fotorezist gibi bir döndürücü üzerinde teslim edilir. Geliştiriciler başlangıçta genellikle sodyum hidroksit (NaOH) içeriyordu . Bununla birlikte, sodyum , MOSFET imalatında son derece istenmeyen bir kirletici olarak kabul edilir, çünkü kapı oksitlerinin yalıtım özelliklerini bozar (özellikle, sodyum iyonları kapıya girip çıkabilir, transistörün eşik voltajını değiştirir ve dönüşü zorlaştırır veya kolaylaştırır) transistör zamanla açılır). Artık tetrametilamonyum hidroksit (TMAH) gibi metal iyonu içermeyen geliştiriciler kullanılmaktadır.

Elde edilen gofret, kimyasal olarak güçlendirilmemiş bir direnç kullanılmışsa, tipik olarak 120 ila 180 °C'de 20 ila 30 dakika süreyle "sert pişirilir". Sert fırınlama, gelecekteki iyon implantasyonu , ıslak kimyasal aşındırma veya plazma aşındırma işlemlerinde daha dayanıklı bir koruyucu tabaka oluşturmak için kalan fotorezisti katılaştırır .

Hazırlıktan bu adıma kadar, fotolitografi prosedürü iki makine tarafından gerçekleştirilmiştir: fotolitografi adımlayıcı veya tarayıcı ve kaplayıcı/geliştirici. İki makine genellikle yan yana kurulur.

dağlama

Dağlama işleminde, bir sıvı ("ıslak") veya plazma ("kuru") kimyasal ajan, fotorezist tarafından korunmayan alanlarda alt tabakanın en üst katmanını kaldırır. Olarak yarı iletken üretimi de yapılabilir olarak, kuru aşındırma teknikleri, genel olarak, kullanılan anizotropik fotorezist modelin önemli undercutting önlemek amacıyla,. Bu, tanımlanacak özelliklerin genişliği aşındırılan malzemenin kalınlığına benzer veya bundan daha az olduğunda (yani en-boy oranı birliğe yaklaştığında) önemlidir. Islak aşındırma işlemleri genellikle doğada izotropiktir ve askıdaki yapıların alttaki katmandan "serbest bırakılması" gereken mikroelektromekanik sistemler için genellikle vazgeçilmezdir .

Düşük kusurlu anizotropik kuru aşındırma işleminin geliştirilmesi, dirençte fotolitografik olarak tanımlanan daha küçük özelliklerin altlık malzemesine aktarılmasını sağlamıştır.

Fotorezist kaldırma

Bir fotorezist artık gerekli olmadığında, alt tabakadan çıkarılmalıdır. Bu genellikle, direnci kimyasal olarak değiştiren bir sıvı "direnç sıyırıcı" gerektirir, böylece artık alt tabakaya yapışmaz. Alternatif olarak, fotorezist, onu oksitleyen oksijen içeren bir plazma ile çıkarılabilir . Bu işleme külleme denir ve kuru aşındırma işlemine benzer. Kullanımı 1-metil-2-pirolidon (NMP) fotorezist için çözücü bir görüntü çıkarmak için kullanılan başka bir yöntemdir. Direnç çözüldüğünde, çözücü herhangi bir kalıntı bırakmadan 80 °C'ye ısıtılarak çıkarılabilir.

Pozlama ("baskı") sistemleri

365 nm ultraviyole ışık kullanan bir hizalayıcının gofret izi kısmı

Pozlama sistemleri tipik olarak bir fotomaske kullanarak gofret üzerinde bir görüntü üretir . Fotomaske bazı alanlarda ışığı engeller ve diğerlerinde geçmesine izin verir. ( Maskesiz litografi , maske kullanmadan doğrudan gofret üzerine hassas bir ışını yansıtır , ancak ticari işlemlerde yaygın olarak kullanılmaz.) Pozlama sistemleri, görüntüyü maskeden gofrete aktaran optiklere göre sınıflandırılabilir.

Fotolitografi, daha düzgün baskılı katmanlar, daha az dalgalı desenler ve daha doğru drenaj kaynaklı elektrot kaydı nedeniyle basılı elektroniklerden daha iyi ince film transistör yapıları üretir .

İletişim ve yakınlık

En basit pozlama sistemi olan bir kontak yazıcı, bir fotomaskeyi gofret ile doğrudan temasa sokar ve onu tek tip bir ışığa maruz bırakır. Bir yakınlık yazıcısı, fotomaske ve gofret arasına küçük bir boşluk koyar. Her iki durumda da, maske tüm gofreti kaplar ve aynı anda her kalıbı düzenler.

Kontak baskı, hem maskeye hem de gofrete zarar verebilir ve bu, yüksek hacimli üretim için terk edilmesinin başlıca nedeniydi. Hem temas hem de yakınlık litografisi, ışık yoğunluğunun tüm gofret boyunca tek tip olmasını ve maskenin zaten gofret üzerindeki özelliklere tam olarak hizalanmasını gerektirir. Modern süreçler giderek daha büyük gofretler kullandığından, bu koşullar giderek daha zor hale geliyor.

Ucuz donanım kullandığı ve yüksek optik çözünürlük elde edebildiği için, araştırma ve prototip oluşturma süreçlerinde genellikle temas veya yakınlık litografisi kullanılır. Yakınlık litografisindeki çözünürlük, dalga boyu ve boşluk mesafesinin çarpımının yaklaşık olarak kareköküne eşittir. Bu nedenle, projeksiyon litografisi dışında (aşağıya bakın), temaslı baskı en iyi çözünürlüğü sunar, çünkü boşluk mesafesi yaklaşık olarak sıfırdır (fotodirencin kendisinin kalınlığı ihmal edilerek). Ek olarak, nano baskılı litografi , özellikle sahip olma maliyetinin düşük olması beklendiğinden, bu tanıdık tekniğe olan ilgiyi canlandırabilir; bununla birlikte, yukarıda tartışılan kontak yazdırmanın eksiklikleri zorluklar olarak kalır.

Projeksiyon

Çok büyük ölçekli entegrasyon (VLSI) litografisi, projeksiyon sistemlerini kullanır. Tüm bir gofreti kaplayan temas veya yakınlık maskelerinin aksine, projeksiyon maskeleri ("retiküller" olarak bilinir) yalnızca bir kalıp veya bir dizi kalıp ("alan" olarak bilinir) gösterir. Projeksiyon pozlama sistemleri (stepperlar veya tarayıcılar), tam deseni oluşturmak için maskeyi gofrete birçok kez yansıtır. Adımlayıcılar ve tarayıcılar arasındaki fark, pozlama sırasında bir tarayıcının fotoğraf maskesini ve gofreti aynı anda hareket ettirmesi, bir adımın ise yalnızca gofreti hareket ettirmesidir. Maske hizalayıcıları, adım adımlarından önce gelir ve pozlama sırasında fotomaskeyi veya levhayı hareket ettirmez. Daldırma litografi tarayıcıları , çözünürlüğü artırmak için lens ile gofret arasında bir Ultra Saf su tabakası kullanır . Fotolitografiye bir alternatif nanoimprint litografidir .

Fotoğraf maskeleri

Maskenin görüntüsü, bilgisayarlı bir veri dosyasından kaynaklanır. Bu veri dosyası bir dizi çokgene dönüştürülür ve bir fotolitografik işlem kullanılarak bir krom tabakasıyla kaplanmış bir kare kaynaşmış kuvars substrat üzerine yazılır . Veri dosyası tarafından tanımlanan modeli ortaya çıkarmak için bir lazer ışını (lazer yazıcı) veya bir elektron ışını (e-ışın yazıcı) kullanılır ve bir vektör veya raster tarama şeklinde alt tabakanın yüzeyi üzerinde hareket eder. Maske üzerindeki fotorezistin açıkta olduğu yerlerde, adım/tarayıcı sistemindeki aydınlatma ışığının geçmesi için açık bir yol bırakarak krom aşındırılabilir.

Projeksiyon sistemlerinde çözünürlük

Fotolitografi temiz odalarda filtrelenmiş floresan aydınlatma , sarı LED veya düşük basınçlı sodyum aydınlatma, fotorezistlerin açığa çıkmasını önlemek için ultraviyole veya mavi ışık içermez. Bu tür armatürlerin yaydığı ışık spektrumu, bu tür alanların hemen hemen tümüne parlak sarı bir renk verir.
Kısmi tutarlılık ile kırınım dereceli spektrum. Bir çizgi-uzay modelinin (3. dereceye kadar) kırınım derecesi spektrumu (3. dereceye kadar), kısmi bir tutarlılık ayarında farklı aydınlatma açılarını gösteren farklı renklerle gösterilir.

Gofret üzerine küçük bir özelliğin net bir görüntü proje yeteneği olan sınırlı tarafından dalga boyu kullanılır ışığın ve aydınlatmalı maskesi yeterli kırınım emir yakalamak için indirgeme mercek sisteminin yeteneği. Mevcut son teknoloji fotolitografi araçları , 248 ve 193 nm dalga boylarına sahip excimer lazerlerden gelen derin ultraviyole (DUV) ışığı kullanır (bugünkü baskın litografi teknolojisi bu nedenle "excimer lazer litografi" olarak da adlandırılır), minimum özellik boyutlarının küçülmesine izin verir 50 nm'ye kadar. Excimer lazer litografi, Moore Yasasının son 20 yıldır devam eden ilerlemesinde kritik bir rol oynamıştır (aşağıya bakınız).

Bir projeksiyon sisteminin yazdırabileceği minimum özellik boyutu yaklaşık olarak şu şekilde verilir:

nerede

olan asgari özellik boyutu (diğer adıyla kritik boyut , hedef tasarım kuralı ). Tesiste 2 yazmak için de yaygındır kez yarı sahayı .

(yaygın olarak k1 faktörü olarak adlandırılır ) süreçle ilgili faktörleri kapsayan bir katsayıdır ve üretim için tipik olarak 0,4'e eşittir. Minimum öznitelik boyutu, hesaplamalı litografi yoluyla bu katsayı azaltılarak azaltılabilir .

kullanılan ışığın dalga boyu

bir sayısal açıklık gofret lens görüldüğü gibi

Aydınlatma yönü etkisi. Eksen üstü aydınlatma daha yüksek kontrast sağlar, ancak yalnızca eksen dışı aydınlatma en küçük perdeyi çözer.
Rayleigh kriteri, yansıtılan görüntüdeki iki nokta arasındaki mesafeyi korumak için minimum ayrımı tanımlar.

Bu denkleme göre, minimum öznitelik boyutları, dalga boyunu azaltarak ve sayısal açıklığı artırarak azaltılabilir (daha sıkı odaklanmış bir ışın ve daha küçük bir nokta boyutu elde etmek için). Ancak, bu tasarım yöntemi rekabet eden bir kısıtlamayla karşılaşır. Modern sistemlerde, odak derinliği de bir endişe kaynağıdır:

Burada, süreçle ilgili başka bir katsayıdır. Odak derinliği, fotorezistin kalınlığını ve gofret üzerindeki topografinin derinliğini sınırlar. Kimyasal mekanik cilalama , yüksek çözünürlüklü litografik adımlardan önce topografyayı düzleştirmek için sıklıkla kullanılır.

Klasik optikten, Rayleigh kriterine göre k1=0.61 . 1.22'den daha az dalga boyu/NA ile ayrılan iki noktanın görüntüsü bu ayrımı korumayacaktır, ancak iki noktanın Airy diskleri arasındaki girişim nedeniyle daha büyük olacaktır . Bununla birlikte, iki özellik arasındaki mesafenin de odaklama ile değişebileceği de unutulmamalıdır.

Aydınlatma, aynı nesnenin görüntüsünün görünen perdesini önemli ölçüde etkileyebilir (bu durumda bir çift parlak çizgi).
Kısaltılmış unsurların düz kenarları, her iki yönde de adım küçültüldüğünden eğri kenarlara dönüştürülür.
Boşluk genişliği ve yarım adım. Çizgi aralığı ne kadar sıkı olursa, çizgilerin uçları arasındaki boşluk o kadar geniş olur (perdeye dik).

Çözünürlük ayrıca iki boyutlu bir bağlamda önemsizdir. Örneğin, daha dar bir çizgi aralığı, çizgilerin uçları arasında daha geniş boşluklara (dikey yönde) neden olur. Daha temel olarak, hem x hem de y aralıklarının çözünürlük sınırına yakın olduğu kısaltılmış dikdörtgen özellikler için düz kenarlar yuvarlatılır.

Gelişmiş düğümler için, dalga boyundan ziyade bulanıklık, çözünürlüğü sınırlayan temel faktör haline gelir. Minimum adım, blur sigma/0.14 ile verilir.

Stokastik etkiler

DUV (solda) ile görüntülenen özellikler, EUV (sağda) tarafından görüntülenenlerden çok daha az kenar konumu değişkenliğine sahiptir.

Işık fotonlardan oluştuğu için düşük dozlarda görüntü kalitesi sonuçta foton sayısına bağlıdır. Bu kullanımını etkiler , aşırı ultraviyole litografi 20 foton / nm mertebesinde düşük dozlarının kullanılması ile sınırlıdır veya EUVL, 2 . Bunun nedeni, daha kısa bir dalga boyu için aynı enerji dozu için daha az foton (foton başına daha yüksek enerji). Görüntüyü oluşturan daha az fotonla kenar yerleşiminde parazit olur.

Fotonlar birden çok kaynak noktası arasında bölünür. Maruz kalma dozunu oluşturan fotonlar, göz bebeği içinde konumlanan kaynak noktaları (burada iki tanesi gösterilmiştir) arasında eşit olarak bölünür.

Stokastik etkiler, daha fazla kırınım sırasına sahip daha büyük perde desenleri ve daha fazla aydınlatma kaynağı noktası kullanarak daha karmaşık hale gelecektir.

Işık kaynakları

Litografinin evrimsel yollarından biri, daha kısa dalga boylarının kullanılması olmuştur. Aynı ışık kaynağının birkaç teknoloji nesli için kullanılabileceğini belirtmekte fayda var.

Tarihsel olarak, fotolitografi , bazen ksenon gibi soy gazlarla kombinasyon halinde cıva kullanan gaz deşarjlı lambalardan gelen ultraviyole ışığı kullanmıştır . Bu lambalar, ultraviyole aralığında birkaç güçlü tepe noktası ile geniş bir spektrumda ışık üretir. Bu spektrum, tek bir spektral çizgi seçmek için filtrelenir . 1960'ların başından 1980'lerin ortalarına kadar, Hg lambaları litografide 436 nm ("g-hattı"), 405 nm ("h-hattı") ve 365 nm ("i-hattı") spektral çizgileri için kullanılmıştır. ). Bununla birlikte, yarı iletken endüstrisinin hem daha yüksek çözünürlük (daha yoğun ve daha hızlı yongalar üretmek için) hem de daha yüksek verim (daha düşük maliyetler için) ihtiyacı ile birlikte, lamba tabanlı litografi araçları artık endüstrinin üst düzey gereksinimlerini karşılayamadı.

1982'de öncü bir gelişmede, excimer lazer litografi Kanti Jain tarafından IBM'de önerildiğinde ve gösterildiğinde bu zorluğun üstesinden gelindi ve şimdi excimer lazer litografi makineleri (stepperlar ve tarayıcılar) dünya çapında mikroelektronik üretiminde kullanılan başlıca araçlar. Son yirmi yılda alet teknolojisinde kaydedilen hızlı gelişmelerle birlikte, yarı iletken endüstrisinin görüşü, excimer lazer litografinin, Moore Yasası'nın devam eden ilerlemesinde çok önemli bir faktör olduğu ve çip üretiminde minimum özellik boyutlarının 800 nanometreden küçülmesini sağladığıdır. 1990'dan 2018'e 7 nanometre. Daha da geniş bir bilimsel ve teknolojik perspektiften, lazerin 1960'taki ilk gösteriminden bu yana 50 yıllık tarihinde, excimer lazer litografisinin icadı ve gelişimi önemli bir kilometre taşı olarak kabul edildi.

Litografi sistemlerinde yaygın olarak kullanılan derin ultraviyole eksimer lazerler , 248 nm dalga boyunda kripton florür (KrF) lazer ve 193 nm dalga boyunda argon florür lazerdir (ArF). 1980'lerde excimer lazer ışık kaynaklarının başlıca üreticileri Lambda Physik (şimdi Coherent, Inc.'in bir parçası) ve Lumonics idi. 1990'ların ortalarından bu yana Cymer Inc. , Gigaphoton Inc.'in en yakın rakibi olduğu litografi ekipmanı üreticilerine excimer lazer kaynaklarının baskın tedarikçisi haline geldi . Genel olarak, bir excimer lazer, belirli bir gaz karışımı ile çalışmak üzere tasarlanmıştır; bu nedenle, yeni dalga boyunu üretme yöntemi tamamen farklı olduğundan ve malzemelerin absorpsiyon özellikleri değiştiğinden, dalga boyunun değiştirilmesi önemsiz bir mesele değildir. Örneğin, hava 193 nm dalga boyunda önemli ölçüde emmeye başlar; 193 nm'nin altındaki dalga boylarına geçiş, litografi araçlarına vakum pompası ve temizleme ekipmanı kurulmasını gerektirecektir (önemli bir zorluk). Sert tesisat ihtiyacını önlemek için bazen bir vakum yerine bir soy gaz atmosferi kullanılabilir. Ayrıca, silikon dioksit gibi yalıtkan malzemeler , bant aralığından daha büyük enerjiye sahip fotonlara maruz kaldıklarında, serbest elektronları ve delikleri serbest bırakırlar ve bu da daha sonra ters şarja neden olur.

Optik litografi, 193 nm ArF excimer lazer ve sıvı daldırma teknikleri kullanılarak 50 nm'nin altındaki boyutlara genişletildi. Daldırma litografisi olarak da adlandırılan bu, 1.0'ı aşan sayısal açıklıklara sahip optiklerin kullanılmasını sağlar. Kullanılan sıvı tipik olarak ultra saf, iyonu giderilmiş sudur ve bu , lens ile gofret yüzeyi arasındaki olağan hava boşluğunun üzerinde bir kırılma indisi sağlar . Termal kaynaklı bozulmaları ortadan kaldırmak için su sürekli olarak sirküle edilir. Su, yalnızca ~1.4'e kadar NA'lara izin verecektir , ancak daha yüksek kırılma indislerine sahip sıvılar , etkin NA'nın daha da arttırılmasına izin verecektir .

Litografi dalga boyunun değiştirilmesi, absorpsiyon ile önemli ölçüde sınırlıdır. C'nin altında hava emer .  185nm .

F2 excimer lazerden gelen 157 nm dalga boyunu mevcut pozlama sistemlerine benzer şekilde kullanan deneysel araçlar yapılmıştır. Bunlar bir zamanlar 65 nm özellik boyutu düğümünde 193 nm litografiyi başarmayı hedefliyordu, ancak şimdi daldırma litografisinin tanıtılmasıyla neredeyse hepsi ortadan kaldırıldı. Bunun nedeni, 157 nm teknolojisindeki kalıcı teknik sorunlar ve 193 nm excimer lazer litografi teknolojisinin sürekli kullanımı için güçlü teşvikler sağlayan ekonomik hususlardı. Yüksek indeksli daldırma litografi, dikkate alınması gereken 193 nm litografinin en yeni uzantısıdır. 2006 yılında, bu teknik kullanılarak IBM tarafından 30 nm'den daha küçük özellikler gösterildi.

UV excimer lazerlerin yaklaşık 126 nm'ye kadar olduğu gösterilmiştir (Ar 2 * için). Cıva ark lambaları, 50 ila 150 Volt arasında sabit bir DC akımı sağlamak üzere tasarlanmıştır, ancak excimer lazerler daha yüksek çözünürlüğe sahiptir. Excimer lazerler, genellikle bir elektrik alanı tarafından yüklenen inert ve halojenür gazlarla (Kr, Ar, Xe, F ve Cl) doldurulan gaz bazlı ışık sistemleridir. Frekans ne kadar yüksek olursa, görüntünün çözünürlüğü o kadar yüksek olur. KrF lazerler 4 kHz frekansta çalışabilmektedir. Excimer lazerler, daha yüksek frekansta çalışmaya ek olarak, cıva ark lambalarından daha gelişmiş makinelerle uyumludur. Ayrıca daha uzak mesafelerden (25 metreye kadar) çalışabilirler ve bir dizi ayna ve yansıma önleyici kaplamalı lenslerle doğruluklarını koruyabilirler. Çoklu lazerler ve aynalar kurarak, enerji kaybı miktarı en aza indirilir, ayrıca lensler yansıma önleyici malzeme ile kaplandığından, ışık yoğunluğu lazerden çıktığı andan gofrete çarptığı ana kadar nispeten aynı kalır.

Lazerler, aşırı ultraviyole litografi için 13,5 nm'de tutarlı olmayan aşırı UV (EUV) ışığını dolaylı olarak üretmek için kullanılmıştır . EUV ışığı lazer tarafından değil, bir eksimer veya CO2 lazer tarafından uyarılan bir kalay veya ksenon plazma tarafından yayılır. 10 nm'lik özellik boyutlarının üretimi, üretim ortamlarında kanıtlanmıştır, ancak henüz ticarileştirme için gereken oranlarda değildir. Ancak bunun 2016 yılına kadar olması bekleniyor. Bu teknik bir senkrotron gerektirmez ve belirtildiği gibi EUV kaynakları tutarlı ışık üretmez. Bununla birlikte, X-ışını spektrumunun (10 nm'de başlayan) kenarında UV ile çalışmak için vakum sistemleri ve bir dizi yeni teknoloji (şimdi üretilenden çok daha yüksek EUV enerjileri dahil) gereklidir. 2020 itibariyle EUV, TSMC ve Samsung gibi önde gelen dökümhaneler tarafından seri üretimde kullanılmaktadır.

Teorik olarak, fotolitografi için alternatif bir ışık kaynağı, özellikle dalga boyları aşırı UV veya X-ışınlarına düşmeye devam ederse ve devam ederse, serbest elektron lazeridir (veya bir X-ışını cihazı için xaser denilebilir). Serbest elektron lazerleri, keyfi dalga boylarında yüksek kaliteli ışınlar üretebilir.

Litografi için görünür ve kızılötesi femtosaniye lazerler de uygulandı. Bu durumda fotokimyasal reaksiyonlar multifoton absorpsiyonuyla başlatılır. Bu ışık kaynaklarının kullanımı, gerçek 3B nesneler üretme ve mükemmel optik esnekliğe sahip ışığa duyarlı olmayan (saf) cam benzeri malzemeleri işleme imkanı dahil olmak üzere birçok faydaya sahiptir.

deneysel yöntemler

Fotolitografi, uzun yıllardır ölümünün tahminlerini boşa çıkarıyor. Örneğin, 1980'lerin başında, yarı iletken endüstrisindeki birçok kişi, 1 mikrondan daha küçük özelliklerin optik olarak yazdırılamayacağına inanmaya başladı. Excimer lazer litografi kullanan modern teknikler, halihazırda kullanılan ışığın dalga boyunun çok küçük bir kısmı boyutlarında özellikler yazdırıyor – inanılmaz bir optik başarı. Daldırma litografisi , çift tonlu direnç ve çoklu desenleme gibi yeni teknikler , 193 nm litografinin çözünürlüğünü geliştirmeye devam ediyor. Bu arada, mevcut araştırmalar, elektron ışını litografisi , X-ışını litografisi , aşırı ultraviyole litografisi ve iyon projeksiyon litografisi gibi geleneksel UV'ye alternatifleri araştırıyor . Extreme ultraviyole litografi, Samsung tarafından 2020 itibariyle seri üretimde kullanılıyor.

Ayrıca bakınız

Referanslar

Dış bağlantılar