Ievads fotolitogrāfijas tehnoloģijā
Fotolitogrāfijas tehnoloģijas attīstības vēsture
Kopš Džeks S. Kilbijs 1958. gada 12. septembrī izgudroja pasaulē pirmo integrālo shēmu, integrālās shēmas ir piedzīvojušas strauju attīstību vairāk nekā 50 gadus. Minimālais līnijas platums tagad ir no 20 līdz 30 nm. laikā, ieejot dziļā submikronu diapazonā. Fotolitogrāfijas tehnoloģija, kas ir viena no galvenajām tehnoloģijām, arī ir attīstījusies no sākotnējās palielināmo lēcu izmantošanas, kas līdzīgas fotoiekārtām, līdz mūsdienu iegremdēšanas tipa 1,35 lielai skaitliskajai apertūrai, kurai ir iespēja automātiski kontrolēt un pielāgot attēla kvalitāti ar diametru. vairāk nekā pusmetru un pustonnu svaru. milzu objektīvu komplekts. Fotolitogrāfijas funkcija ir drukāt pusvadītāju ķēdes modeļus uz silīcija plāksnēm slāni pa slānim. Tās ideja nāk no ilggadējās drukas tehnoloģijas. Atšķirība ir tāda, ka drukāšana ieraksta informāciju, izmantojot tinti, lai radītu izmaiņas gaismas atstarošanā uz papīra. , savukārt fotolitogrāfija izmanto gaismas un gaismas jutīgu vielu fotoķīmisko reakciju, lai panāktu kontrasta izmaiņas.
Drukas tehnoloģija pirmo reizi parādījās vēlīnā Han dinastijas laikā Ķīnā. Vairāk nekā 800 gadus vēlāk Bi Sheng no Song dinastijas veica revolucionārus uzlabojumus un pārveidoja fiksēto bloku drukāšanu kustīga tipa drukā, kas pēc tam strauji attīstījās. Mūsdienās ir izstrādāta lāzera fototipēšanas tehnoloģija. "Fotolitogrāfija" pašreizējā izpratnē aizsākās ar Aloiza Senefedlera mēģinājumiem 1798. gadā. Kad viņš mēģināja izdot savu grāmatu Minhenē, Vācijā, viņš atklāja, ka, izmantojot eļļas zīmuli, lai zīmētu ilustrācijas uz poraina kaļķakmens un samitrinātu neuzzīmētās vietas ar ūdeni. , tinte būtu tikai līme, kur zīmējāt ar zīmuli. Šo paņēmienu sauc par litogrāfiju jeb zīmēšanu uz akmens. Litogrāfija bija mūsdienu daudzreģistrācijas priekštecis.
Fotolitogrāfijas pamatmetodes
Lai gan ir dažas līdzības, fotolitogrāfija integrālajās shēmās tintes vietā izmanto gaismu, un apgabali ar tinti un bez tinti kļūst par zonām ar gaismu un bez gaismas uz maskas. Tāpēc integrālo shēmu ražošanas nozarē litogrāfiju sauc arī par fotolitogrāfiju vai litogrāfiju. Tāpat kā uz eļļas bāzes tinte tiek selektīvi uzklāta uz kaļķakmens, gaisma var iziet tikai caur maskas caurspīdīgajām vietām, un projicētā gaisma tiek ierakstīta uz gaismas jutīga materiāla, ko sauc par fotorezistu. Vienkārša fotolitogrāfijas procesa shematiska diagramma ir parādīta 7.1. attēlā.
Tā kā pēc ultravioletās (UV) gaismas iedarbības fotorezistam tiek mainīts šķīdināšanas ātrums izstrādātājā, maskas raksts tiek pārnests uz fotorezista slāni silīcija vafeles augšpusē. Fotorezista pārklājuma zonas var nodrošināt turpmāku maskas raksta pārnešanu, novēršot turpmāku apstrādi (piemēram, kodināšanu vai jonu implantāciju).
Kopš 1960. gada fotolitogrāfijas tehnoloģiju var iedalīt šādos trīs veidos: kontaktekspozīcija, tuvuma ekspozīcija un projekcijas ekspozīcija. Agrākais no tiem bija kontakts vai tuvums, kas bija galvenais ražošanas virziens līdz pat gadsimta vidum. Kontakta iedarbībai, jo teorētiski starp masku un silīcija plāksnītes augšdaļu nav atstarpes, izšķirtspēja nav problēma. Tomēr, tā kā saskare radīs defektus maskas un fotorezista nodiluma dēļ, cilvēki beidzot izvēlējās tuvuma ekspozīciju. Protams, tuvuma ekspozīcijas gadījumā, lai gan tiek novērsti defekti, tuvuma ekspozīcijas izšķirtspēja ir ierobežota līdz 3 μm vai lielākai spraugu un gaismas izkliedes dēļ. Tuvuma ekspozīcijas izšķirtspējas teorētiskā robeža ir
Viņu vidū
k apzīmē fotorezista parametrus, parasti no 1 līdz 2;
CD apzīmē minimālo izmēru, tas ir, kritisko izmēru, kas parasti atbilst minimālajam atrisināmam telpiskā perioda līnijas platumam;
λ attiecas uz ekspozīcijas viļņa garumu;
g apzīmē attālumu no maskas līdz spraugai uz fotorezista virsmas (g=0 atbilst kontakta ekspozīcijai)
Tā kā g parasti ir lielāks par 10 μm (to ierobežo maskas un silīcija plāksnītes virsmas līdzenums), izšķirtspēja ir ļoti ierobežota, piemēram, 3 μm 450 nm apgaismojuma viļņa garumam. Kontakta iedarbība var sasniegt 0,7 μm.
Lai pārvarētu dubultās defektu un izšķirtspējas grūtības, tika piedāvāta projekcijas ekspozīcijas shēma, kurā masku un silīcija plāksni atdala vairāk nekā vairāki centimetri. Optiskās lēcas tiek izmantotas, lai attēlotu objektīvu uz maskas uz silīcija plāksnītes. Tā kā tirgus pieprasa lielākus mikroshēmas izmērus un stingrāku līniju platuma vienmērīguma kontroli, arī projekcijas ekspozīcija ir pakāpeniski attīstījusies no sākotnējās.
pilna silīcija plāksnītes ekspozīcija pilnai silīcija plāksnītes skenēšanas ekspozīcijai (sk. 7.2. attēlu (a))
pakāpeniska iedarbība (sk. 7.2. b) attēlu)
soli un skenēšanas ekspozīcija (sk. 7.2. (c) attēlu)
Visai silīcija vafeles 1:1 ekspozīcijas metodei ir vienkārša struktūra un tai nav nepieciešama augsta gaismas vienkrāsainība. Tomēr, tā kā mikroshēmas izmērs un silīcija plāksnītes izmērs kļūst arvien lielāks un līnijas platums kļūst arvien smalkāks, optiskā sistēma nevar projicēt zīmējumu uz visu silīcija plāksni vienlaikus, neietekmējot attēlveidošanas kvalitāti, un bloka ekspozīcija kļūst neizbēgama. .
Viena no bloku ekspozīcijas metodēm ir visa silīcija plāksnīšu skenēšanas metode, kā parādīts 7.2. (a) attēlā. Šī metode nepārtraukti skenē un pakļauj maskas rakstu silīcija plāksnei caur loka formas redzes lauku. Sistēma izmanto divus sfēriskus spoguļus ar vienu un to pašu optisko asi, un to izliekuma rādiusu un uzstādīšanas attālumu nosaka prasība bez aberācijas.
Tomēr, tā kā mikroshēmas izmērs un silīcija vafeles izmērs kļūst arvien lielāks un līnijas platums kļūst arvien smalkāks, 1x ekspozīcija apgrūtina maskas izgatavošanu ar augstu raksta ražošanas precizitāti un izvietojuma precizitāti.
Tāpēc 1970. gadu beigās parādījās samazināta palielinājuma bloka ekspozīcijas mašīna. Mikroshēmas raksts tiek pakļauts silīcija plāksnītei pa vienam, kā parādīts 7.2. (b) attēlā. Tāpēc šo ekspozīcijas sistēmu ar samazinātu palielinājumu sauc par soļu un atkārtošanas sistēmu vai stepperi.
Tomēr, tā kā mikroshēmas izmērs un silīcija vafeles izmērs kļūst lielāki un līnijas platuma kontrole kļūst stingrāka, pat steppera tehniskās iespējas nevar apmierināt vajadzības. Atrisinot pretrunu starp šo pieprasījumu un pašreizējo tehnoloģiju, tiešā veidā tika izveidota soli un skenēšanas ekspozīcijas mašīna, kā parādīts 7.2. (c) attēlā. Šī ierīce ir hibrīds, kas apvieno agrīnās pilnas plāksnītes skenēšanas ekspozīcijas mašīnas un vēlākās pakāpeniskās un atkārtotās ekspozīcijas iekārtas priekšrocības: maska tiek skenēta un projicēta, nevis projicēta uzreiz, kā arī visa silīcija plāksne tiek eksponēta bloki. Šī ierīce pārnes optiskās grūtības uz augstu mehānisko pozicionēšanu un vadību. Šo ierīci nozare izmanto līdz mūsdienām, īpaši pusvadītāju mikroshēmu ražošanā pie 65 nm un zemākiem tehnoloģiju mezgliem.
Galvenie litogrāfijas iekārtu ražotāji pasaulē ir ASML Nīderlandē, Nikon un Canon Japānā un citi litogrāfijas iekārtu ražotāji, kas nav pilnizmēra, piemēram, Ultrastepper.
Vietējo moderno skenēšanas litogrāfijas iekārtu ražošana sākās vēlu. Pēc 02. gada 02. gada to galvenokārt izstrādāja Shanghai Microelectronics Equipment Co., Ltd. (SMEE). Vietējās litogrāfijas iekārtas ir attīstījušās no lietotu litogrāfijas iekārtu remonta līdz patstāvīgai litogrāfijas iekārtu izstrādei un izgatavošanai. Vismodernākā litogrāfijas iekārta, kas pašlaik tiek izstrādāta, ir 193 nm SSA600/20 (sk. 7.3. attēlu). Lai gan joprojām ir liela plaisa starp pasaules augstāko līmeni, jāsaka, ka ir panākts iepriecinošs progress. Tā skaitliskā apertūra ir 0,75, standarta ekspozīcijas lauks ir 26 × 33 mm, izšķirtspēja ir 90 nm, pārklājuma precizitāte ir 20 nm, un 300 mm ražošanas jauda ir 80 gabali stundā.
Citas attēlu pārsūtīšanas metodes
Ir labi zināms, ka viens no virzieniem turpmākai fotolitogrāfijas attīstībai ir samazināt viļņa garumu. Tomēr šos centienus ir kavējuši tādi faktori kā piemērotu 157 nm fotorezistu izstrāde, masku aizsargplēves (pilikulas) un lēcu materiālu, piemēram, kalcija fluorīda, ražošanas apjoms (
). Tomēr pēdējo 20 gadu laikā cilvēki ir ieguldījuši daudz pētījumu ekstremālā ultravioletā (EUV) viļņa garuma fotolitogrāfijā. Šī tehnoloģija izmanto 13,5 nm ekstrēmo ultravioleto gaismu, ko izstaro ksenons vai alvas plazma, ko rada spēcīgi lāzeri vai augstsprieguma izlādes. Lai gan EUV tehnoloģijas radītā augstā izšķirtspēja ir ļoti pievilcīga, šai tehnoloģijai ir arī daudz tehnisku grūtību, piemēram, spogulis ir viegli piesārņots ar impulsa radīto šļakatu materiālu, ārkārtējā ultravioletā gaisma ir viegli absorbējama (lai sistēmai būtu ārkārtīgi nepieciešams augsts vakuums un minimālais atstarojošo lēcu skaits), stingras prasības maskai (bez defektiem un augsta atstarošanās spēja), uzliesmojums, ko izraisa īss viļņa garums, fotorezista reakcijas ātrums un izšķirtspēja utt.
Papildus tradicionālās gaismas izmantošanai maskas modeļa pārnešanai cilvēki meklē arī citas mikrolitogrāfijas metodes, piemēram, rentgenstaru, nanoimprintu, vairāku elektronu staru tiešo rakstīšanu, elektronu staru, jonu staru projekciju utt.
Fotolitogrāfijas sistēmas parametri
Viļņa garums, skaitliskā apertūra, attēla telpas vidējais laušanas koeficients
Iepriekš tika minēts, ka tuvuma ekspozīcijas izšķirtspēja strauji pasliktinās, palielinoties attālumam starp masku un silīcija plāksni. Projekcijas ekspozīcijas metodē optisko izšķirtspēju nosaka pēc šādas formulas, tas ir,
Viņu vidū
apzīmē proporcionālu koeficientu, kas raksturo fotolitogrāfijas procesa sarežģītību. Vispārīgi runājot,
ir no {{0}}.25 līdz 1.0. Šī patiesībā ir slavenā Rayleigh formula. Saskaņā ar šo formulu optisko izšķirtspēju nosaka viļņa garums λ, skaitliskā apertūra NA un ar procesu saistītais
. Ja jādrukā mazāks raksts, izmantotā metode var būt vienlaikus samazināt ekspozīcijas viļņa garumu, palielināt skaitlisko apertūru, samazināt
vērtību vai mainīt kādu no faktoriem. Šajā sadaļā mēs vispirms iepazīstināsim ar esošajiem rezultātiem izšķirtspējas uzlabošanai, samazinot viļņa garumu un palielinot skaitlisko apertūru. Kā uzlabot izšķirtspēju, samazinot
faktors saskaņā ar fiksēta viļņa garuma un skaitliskās apertūras pieņēmumu tiks apspriests vēlāk.
Lai gan īss viļņa garums var sasniegt augstu izšķirtspēju, jāņem vērā arī vairāki citi svarīgi parametri, kas saistīti ar gaismas avotu, piemēram, gaismas intensitāte (spilgtums), frekvenču joslas platums un saskaņotība (saskaņotība tiks sīkāk aprakstīta vēlāk). Pēc visaptverošas pārbaudes augstspiediena dzīvsudraba lampa tika izvēlēta kā uzticams gaismas avots tās spilgtuma un daudzo asu spektra līniju dēļ. Izmantojot dažādu viļņu garumu filtrus, var izvēlēties dažādus ekspozīcijas viļņu garumus. Spēja izvēlēties vienu gaismas viļņa garumu ir ļoti svarīga fotolitogrāfijai, jo vispārējs stepperis radīs hromatisko aberāciju nemonohromatiskajai gaismai, kā rezultātā samazinās attēla kvalitāte. Nozarē izmantotā G līnija, H līnija un I līnija attiecas uz 436 nm, 405 nm un 365 nm dzīvsudraba lampas spektriem, ko izmanto attiecīgi ekspozīcijas iekārta (sk. 7.4. attēlu).
Tā kā I-line stepper optiskā izšķirtspēja var sasniegt tikai 0,25 μm, pieprasījums pēc augstākas izšķirtspējas ir palielinājis ekspozīcijas viļņa garumu uz īsāku viļņa garumu, piemēram, Deep UltraViolet (DUV) spektru {{3} }nm. Tomēr augstspiediena dzīvsudraba spuldžu paplašināšana dziļajā ultravioletajā gaismā nav ideāla ne tikai nepietiekamas intensitātes dēļ, bet arī tāpēc, ka starojums gara viļņa garuma joslā radīs siltumu un deformāciju. Arī parastie ultravioletie lāzeri nav ideāli, piemēram, argona jonu lāzeri, jo pārmērīga telpiskā saskaņotība radīs plankumus un ietekmēs apgaismojuma vienmērīgumu. Turpretim eksimēru lāzeri ir izvēlēti kā ideāli gaismas avoti dziļam ultravioletajam starojumam, ņemot vērā to priekšrocības.
(1) To lielā jauda palielina litogrāfijas iekārtas produktivitāti;
(2) To telpiskā nesakarība, atšķirībā no citiem lāzeriem, novērš plankumus;
(3) Liela jauda ļauj viegli izveidot piemērotus fotorezistus;
(4) Optiski spēja radīt dziļu ultravioleto staru izvadi ar šauru frekvenci (līdz dažiem pm) ļauj izveidot augstas kvalitātes kvarca litogrāfijas iekārtu objektīvus.
Tāpēc eksimēru lāzeri ir kļuvuši par galveno apgaismojuma gaismas avotu integrēto shēmu ražošanas līnijās, kuru izmērs ir 0,5 μm un mazāks, un agrāko ziņojumu publicēja Jain et al. Jo īpaši divi eksimēru lāzeri, kriptona fluorīds (KrF) ar viļņa garumu 248 nm un argona fluorīds (ArF) ar viļņa garumu 193 nm, ir uzrādījuši lielisku veiktspēju ekspozīcijas enerģijas, joslas platuma, staru kūļa formas, kalpošanas laika un uzticamības ziņā. Tāpēc tos plaši izmanto progresīvās soli un skenēšanas litogrāfijas iekārtās, piemēram, ASML divu platformu Twinscan XT: 1000H (KrF), Twinscan XT: 1450G (ArF) un Nikon NSR-S210D (KrF), NSR{11. }}F (ArF).
Protams, cilvēki joprojām meklē īsāka viļņa garuma gaismas avotus, piemēram, 157 nm lāzeru, ko ģenerē fluora molekulas
Tomēr, ņemot vērā grūtības izstrādāt piemērotus fotorezistus, masku aizsargplēves (pilikulus) un lēcu materiāla ražošanas apjomu kalcija fluorīds (
), 157 nm litogrāfijas tehnoloģija var pagarināt pusvadītāju procesu tikai par vienu mezglu, tas ir, no 65 nm līdz 45 nm; savukārt iepriekšējā 193 nm litogrāfijas tehnoloģijas izstrāde paplašināja ražošanas mezglu no 130 nm līdz diviem mezgliem: 90 nm un 65 nm, kā rezultātā tika galīgi atmests centieni komercializēt 157 nm litogrāfijas tehnoloģijas masveida ražošanu. Ekspozīcijas viļņa garuma attīstība ar procesa mezgliem parādīta 7.5. attēlā.
Papildus ekspozīcijas viļņa garuma saīsināšanai vēl viens veids, kā uzlabot izšķirtspēju, ir palielināt projekcijas/skenēšanas ierīces skaitlisko apertūru (NA).
Kur n apzīmē laušanas koeficientu attēla telpā un θ apzīmē objektīva lēcas maksimālo pusleņķi attēla telpā, kā parādīts 7.6. attēlā.
Ja attēla telpas vide ir gaiss vai vakuums, tā laušanas koeficients ir tuvu 1.0 vai 1.0, un skaitliskā apertūra ir sinθ. Jo lielāks ir objektīva leņķis attēla telpā, jo lielāka ir optiskās sistēmas izšķirtspēja. Protams, ja attālums starp objektīvu un silīcija plāksni paliek nemainīgs, jo lielāka ir skaitliskā apertūra, jo lielāks ir objektīva diametrs. Jo lielāks ir objektīva izmērs, jo lielākas ir ražošanas grūtības un sarežģītāka struktūra.
Parasti maksimālo sasniedzamo skaitlisko apertūru nosaka objektīva tehnoloģijas izgatavojamība un ražošanas izmaksas. Pašlaik tipiskā I-line skenējošā litogrāfijas iekārta (ASML Twinscan XT: 450G) ir aprīkota ar objektīvu ar maksimālo NA 0.65, kas spēj atšķirt blīvas līnijas 22{ {11}}nm un telpiskais periods 440 nm. Kriptona fluorīda (KrF) viļņa garuma lielākā skaitliskā apertūra ir 0,93 (ASML Twinscan XT: 1000H), kas var atšķirt blīvas līnijas 80 nm (160 nm telpiskais periods). Vismodernākajai ArF litogrāfijas iekārtai ir 0,93 skaitliskā apertūra (ASML Twinscan XT: 1450G), kas var izdrukāt 65 nm blīvas līnijas (120 nm telpiskais periods).
Kā jau minēts iepriekš, skaitlisko apertūru var palielināt ne tikai palielinot objektīva apertūras leņķi attēla telpā, bet arī palielinot attēla telpas refrakcijas indeksu. Ja attēla telpas aizpildīšanai izmanto ūdeni, nevis gaisu, attēla telpas laušanas koeficients tiks palielināts līdz 1,44 pie viļņa garuma 193 nm. Tas ir līdzvērtīgs 0.93 NA palielināšanai gaisā līdz 1.34 NA uzreiz. Izšķirtspēja ir uzlabota par 30% līdz 40%. Tāpēc 2001. gadā sākās jauns imersijas litogrāfijas laikmets. Vismodernākās komerciālās iegremdēšanas skenējošās litogrāfijas iekārtas ir ASML Twinscan NXT: 1950i un Nikon NSR-S610C, kā parādīts 7.7. a) un 7.7. b attēlā. Imersijas litogrāfijas situācija tiks sīkāk aprakstīta vēlāk.
Fotolitogrāfijas izšķirtspējas attēlojums
Iepriekš tika minēts, ka fotolitogrāfijas izšķirtspēju nosaka sistēmas skaitliskā apertūra un viļņa garums, un tas, protams, ir saistīts ar fotolitogrāfijas izšķirtspējas uzlabošanas metodi, kas saistīta ar faktoru.
. Šajā sadaļā galvenokārt ir aprakstīts, kā spriest par fotolitogrāfijas procesa izšķirtspēju. Mēs zinām, ka optiskās sistēmas izšķirtspēju nosaka slavenais Rayleigh kritērijs. Ja divi vienāda izmēra punktveida gaismas avoti atrodas tuvu viens otram, attālums no to centra līdz centram ir vienāds ar attālumu no katra gaismas avota gaismas intensitātes maksimālās vērtības līdz pirmajai minimālajai vērtībai, kas attēlota ar optisko instrumentu, optiskā sistēma nevar atšķirt, vai tie ir divi vai viens gaismas avots, kā parādīts 7.8. attēlā. Tomēr, pat ja tas atbilst Rayleigh kritērijam, gaismas intensitāte apgabalā starp diviem punktveida gaismas avotiem joprojām ir zemāka par maksimālo vērtību ar aptuveni 20% kontrastu. Līnijas gaismas avotam, kad gaismas avota platums ir bezgalīgi mazs, optiskajai sistēmai ar skaitlisko apertūru NA un apgaismojuma gaismas avota viļņa garumu λ gaismas intensitātes sadalījums attēla plaknē ir šāds.
Tas nozīmē, ka gaismas intensitāte sasniedz pirmo minimālo punktu attiecībā pret attēla centrālo pozīciju (2NA). I0 apzīmē gaismas intensitāti attēla centrā. Var uzskatīt, ka minimālais attālums, ko šī optiskā sistēma var atrisināt, ir λ/(2NA). Piemēram, ja viļņa garums ir 193 nm un NA ir 1,35 (iegremdēšana), optiskās sistēmas minimālais izšķirtspējas attālums ir 71,5 nm.
Protams, vai fotolitogrāfijas procesam tas nozīmē, ka var izdrukāt rakstu ar telpisko periodu 71,5 nm? Atbilde ir nē. Ir divi iemesli:
① Lai process tiktu ražots masveidā, ir nepieciešama noteikta rezerve un procesa rādītāji;
② Visu mašīnu un iekārtu komerciālā ražošanas precizitāte un iekārtu veiktspējas visaptverošums, lai iekārta varētu izdrukāt blīvas līnijas pie izšķirtspējas robežas un izolētus modeļus, kā arī jāsamazina atlikušo aberāciju ietekme uz procesu.
1,35 NA litogrāfijas iekārtai ASML sola, ka minimālais modeļa telpiskais periods, ko var izveidot, ir 76 nm, tas ir, 38 nm blīvas līnijas ar vienādu atstarpi. Fotolitogrāfijas procesā robežizšķirtspēja ir tikai atsauces vērtība. Reālajā darbā mēs runājam tikai par to, cik liels ir procesa logs noteiktā telpiskā periodā un noteiktā līnijas platumā un vai tas ir pietiekams masveida ražošanai. Parametri, kas raksturo procesa logu, tiks detalizēti apskatīti 7.4. sadaļā. Šeit ir īss ievads. Parasti parametri, kas raksturo procesa logu, ietver ekspozīcijas enerģijas platumu (EL), fokusa dziļumu vai fokusa dziļumu (DOF), maskas kļūdas faktoru (MEF), pārklājuma precizitāti, līnijas platuma vienmērīgumu utt.
Ekspozīcijas enerģijas platums attiecas uz maksimāli pieļaujamo ekspozīcijas enerģijas novirzi pieļaujamā līnijas platuma variācijas diapazonā. Piemēram, līnijai ar līnijas platumu 90nm līnijas platums mainās atkarībā no enerģijas par 3nm/mJ, un pieļaujamais līnijas platuma variācijas diapazons ir ±9nm, tad pieļaujamais ekspozīcijas enerģijas variācijas diapazons ir 9×2/{ {5}} mJ. Ja ekspozīcijas enerģija ir 30 mJ, enerģijas platums ir 20% attiecībā pret ekspozīcijas enerģiju.
Fokusa dziļums parasti ir saistīts ar litogrāfijas iekārtas fokusa vadības veiktspēju. Piemēram, 193 nm litogrāfijas iekārtas fokusa vadības precizitāte, ieskaitot iekārtas fokusa plaknes stabilitāti, objektīva lauka izliekumu, astigmatismu, izlīdzināšanas precizitāti un silīcija vafeļu platformas plakanumu, ir 120 nm. Tad procesa minimālajam fokusa dziļumam, ko var ražot masveidā, vajadzētu būt virs 120 nm. Ja tiek pievienota citu procesu ietekme, piemēram, ķīmiski mehāniskā planarizācija, ir jāuzlabo minimālais fokusa dziļums, piemēram, 200 nm. Protams, kā tiks apspriests vēlāk, fokusa dziļuma uzlabošana var notikt uz enerģijas rezerves rēķina.
Maskas kļūdas koeficients (MEF) ir definēts kā attiecība starp silīcija plāksnītes līnijas platuma novirzi, ko rada līnijas platuma novirze uz maskas, un novirze uz maskas, kā parādīts formulā (7-5).
Parasti MEF ir tuvu 1 vai vienāds ar to.0. Tomēr, kad modeļa telpiskais periods tuvojas difrakcijas robežai, MEF strauji palielināsies. Pārāk liels kļūdas koeficients pasliktinās līnijas platuma vienmērīgumu uz silīcija plāksnītes. Vai arī atbilstoši norādītajai līnijas platuma vienmērīguma prasībai maskas līnijas platuma viendabīgums ir pārāk augsts.
Pārklājuma precizitāti parasti nosaka litogrāfijas iekārtas kustīgās platformas pakāpju, skenēšanas sinhronizācijas precizitāte, temperatūras kontrole, objektīva aberācija un aberācijas stabilitāte. Protams, pārklājuma precizitāte ir atkarīga arī no pārklājuma zīmes atpazīšanas un nolasīšanas precizitātes, procesa ietekmes uz pārklājuma atzīmi, procesa deformācijas uz silīcija plāksnītes (piemēram, dažādi karsēšanas procesi, atkausēšanas procesi) utt. Mūsdienu litogrāfijas mašīnas soļi var kompensēt silīcija vafeles vienmērīgu izplešanos, kā arī var kompensēt nevienmērīgos silīcija vafeles kropļojumus, piemēram, ASML palaitā GridMapper programmatūra "režģa kartēšana". Tas var labot nelineārās silīcija plātnes ekspozīcijas režģa kropļojumus.
Līnijas platuma vienmērīgums ir sadalīts divās kategorijās: viendabīgums ekspozīcijas apgabalā (lauka iekšienē) un viendabīgums starp ekspozīcijas zonām (starplauki).
Līnijas platuma viendabīgumu ekspozīcijas apgabalā galvenokārt nosaka maskas līnijas platuma vienmērīgums (tiek pārraidīts caur maskas kļūdas koeficientu), enerģijas stabilitāte (skenēšanas laikā), apgaismojuma vienmērīgums skenēšanas spraugā, fokusa/līmeņošanas vienmērīgums katram ekspozīcijas apgabala punktam, objektīvs. aberācija (piemēram, koma, astigmatisms), skenēšanas sinhronizācijas precizitātes kļūda (Moving Standard Deviation, MSD) utt.
Līnijas platuma viendabīgumu starp ekspozīcijas zonām galvenokārt nosaka apgaismojuma enerģijas stabilitāte, silīcija plāksnītes substrāta plēves biezuma vienmērīgums uz silīcija plāksnītes virsmas (galvenokārt līmes pārklājuma viendabīguma un citu procesu radītā plēves biezuma viendabīguma dēļ), silīcija plāksnītes plakanums. virsma, ar attīstītāju saistītās cepšanas viendabīgums, attīstītāja izsmidzināšanas viendabīgums utt.
Fotolitogrāfijas procesa plūsma
Pamata 8-pakāpju fotolitogrāfijas procesa plūsma ir parādīta 7.9. attēlā.
solis01-HMDS virsmas apstrāde
solis02-Līmēšana
solis03-Cepšana pirms ekspozīcijas
solis04-Izlīdzināšana un ekspozīcija
solis05-Cepšana pēc ekspozīcijas
solis06-Izstrāde
solis07-Cepšana pēc izstrādes
solis08-Mērīšana
1. Gāzes silīcija vafeles virsmas pirmapstrāde
Pirms fotolitogrāfijas silīcija plāksnītei tiks veikta mitrā tīrīšana un dejonizēta ūdens skalošana, lai noņemtu piesārņotājus. Pēc tīrīšanas silīcija vafeles virsma ir jāhidrofobizē, lai uzlabotu saķeri starp silīcija vafeles virsmu un fotorezistu (parasti hidrofobu). Hidrofobā apstrādē tiek izmantots materiāls, ko sauc par heksametildisilāzānu, ar molekulāro formulu (CH₃)3SiNHSi(CH₃)₃. Tiek iegūti heksametildisizilzāna (HMDS) tvaiki. Šī gāzes pirmapstrāde ir līdzīga grunts aerosola izmantošanai uz koka un plastmasas pirms krāsošanas. Heksametildisizāna uzdevums ir aizstāt hidrofilo hidroksilu (OH) uz silīcija vafeles virsmas ar hidrofobu hidroksilu (OH) ķīmiskās reakcijas ceļā.OSi(CH₃)₃.Lai sasniegtu pirmapstrādes mērķi.
Gāzes pirmapstrādes temperatūra tiek kontrolēta uz 200-250 grādiem, un laiks parasti ir 30 s. Gāzes pirmapstrādes ierīce ir savienota ar vafeļu trasi fotorezista apstrādei, un tās pamatstruktūra ir parādīta 7.10. attēlā.
2. Fotorezists ar vērpšanas pārklājumu, pretatstarojošs slānis
Pēc pirmapstrādes ar gāzi silīcija vafeles virsma jāpārklāj fotorezists. Visplašāk izmantotā pārklāšanas metode ir vērpšanas metode. Fotorezists (apmēram daži mililitri) vispirms pa cauruļvadu tiek transportēts uz silīcija vafeles centru, un pēc tam silīcija plāksne tiks pagriezta un pakāpeniski paātrināta, līdz tā nostabilizējas noteiktā ātrumā (ātrums nosaka līmes biezumu, un biezums ir apgriezti proporcionāls ātruma kvadrātsaknei). Kad silīcija vafele apstājas, tās virsma būtībā ir sausa un biezums ir stabils iepriekš iestatītā izmērā. Pārklājuma biezuma viendabīgumam jābūt ±20Å robežās ("Å, izrunā "angstrom", daļiņu fizikā ir garuma vienība. 1Å ir vienāds ar
m, kas ir viena desmitā daļa no nanometra) 45 nm vai vairāk progresīvu tehnoloģiju mezglos. Parasti ir trīs galvenās fotorezista sastāvdaļas, organiskie sveķi, ķīmiskais šķīdinātājs un gaismjutīgs savienojums (PAC).
Detalizēts fotorezists tiks apspriests sadaļā par fotorezistu. Šajā sadaļā ir apskatīta tikai pamata šķidruma dinamika. Pārklāšanas process ir sadalīts trīs posmos:
① Fotorezista transportēšana;
② Paātriniet silīcija vafeles griešanos līdz galīgajam ātrumam;
③ Rotējiet ar nemainīgu ātrumu, līdz biezums stabilizējas iepriekš iestatītajā vērtībā;
Galīgais fotorezista biezums ir tieši saistīts ar fotorezista viskozitāti un galīgo rotācijas ātrumu. Fotorezista viskozitāti var regulēt, palielinot vai samazinot ķīmisko šķīdinātāju. Centrifugēšanas pārklājuma šķidruma mehānika ir rūpīgi pētīta.
Augstās prasības fotorezista biezuma viendabīgumam var sasniegt, pilnībā kontrolējot šādus parametrus:
① fotorezista temperatūra;
② Apkārtējās vides temperatūra;
③ Silīcija vafeles temperatūra;
④ Pārklājuma moduļa izplūdes plūsma un spiediens;
Kā samazināt ar pārklājumu saistītos defektus ir vēl viens izaicinājums. Prakse rāda, ka sekojošā procesa izmantošana var ievērojami samazināt defektu rašanos.
(1) Pašam fotorezistam jābūt tīram un bez daļiņām. Pirms pārklājuma tam jābūt Tiek izmantots filtrēšanas process, un filtra poru izmēram jāatbilst tehnoloģiju mezgla prasībām.
(2) Pats fotorezists nedrīkst saturēt sajauktu gaisu, jo burbuļi radīs attēla defektus. Burbuļi uzvedas līdzīgi kā daļiņas.
(3) Pārklājuma trauka konstrukcijai ir strukturāli jānovērš izstumtā fotorezista izšļakstīšanās.
(4) Sūknēšanas sistēmai fotorezista piegādei jābūt konstruētai tā, lai tā varētu atsūkties pēc katras fotorezista piegādes. Atsūkšanas atpakaļsūkšanas funkcija ir iesūkt lieko fotorezistu no sprauslas atpakaļ cauruļvadā, lai izvairītos no liekā fotorezista pilēšanas uz silīcija plāksnītes vai liekā fotorezista izžūšanas un granulu defektu rašanās nākamās piegādes laikā. Sūkšanas atpakaļ darbībai jābūt regulējamai, lai novērstu liekā gaisa iekļūšanu cauruļvadā.
(5) Vafeļu malu atdalīšana (mala) Lodīšu noņemšanas (EBR) procesā izmantotais šķīdinātājs ir labi jākontrolē. Silīcija plāksnīšu pārklāšanas procesa laikā fotorezists plūst uz silīcija vafeles malu un no tās malas. Silīcija plāksnīte pie silīcija plāksnītes aizmugures centrbēdzes spēka ietekmē Silīcija vafeles malā izveidosies aplis ar fotorezista atlikumu, kā parādīts 7.11. attēlā Ja tas netiek noņemts, pēc žāvēšanas šis lodīšu aplis nolobīsies un veidos daļiņas, un tas nokrīt uz silīcija vafeles, silīcija vafeles transportēšanas instrumenta un silīcija vafeles apstrādes iekārtas, tādējādi palielinot defektu biežumu. fotorezista atlikums silīcija vafeles aizmugurē pielips pie silīcija vafeles platformas (vafeles patrona), izraisot sliktu silīcija vafeles adsorbciju, izraisot ekspozīcijas defokusu un palielinot pārklājuma kļūdas. Parasti fotorezistam tiek uzstādīta malu noņemšanas ierīce pārklāšanas iekārtas. Fotorezista noņemšanas funkcija noteiktā attālumā no silīcija vafeles malas tiek panākta, pagriežot silīcija plāksnīti pie silīcija vafeles malas (viena sprausla augšpusē un viena apakšā, un sprauslas novietojums no plkst. silīcija vafeles mala ir regulējama).
(6) Pēc rūpīga aprēķina tika konstatēts, ka aptuveni 90% līdz 99% fotorezista tika nogriezti no silīcija plāksnītes un tika izlietoti. Cilvēki ir mēģinājuši iepriekš apstrādāt silīcija plāksni pirms fotorezista vērpšanas uz silīcija plāksnītes, izmantojot ķīmisku šķīdinātāju, ko sauc par propilēnglikola metilētera acetātu (molekulārā formula CH3COOCH(CH₃)CH₃OCH₃), PGMEA). Šo metodi sauc par pretestības samazināšanas pārklājumu (RRC). Tomēr, ja šī metode tiek izmantota nepareizi, radīsies defekti. Defekti var būt saistīti ar ķīmisko ietekmi uz RRC-fotorezista saskarni un RRC šķīdinātāja piesārņojumu ar amonjaku gaisā.
(7) Uzturiet attīstītāja vai attīstītāja moduļa izplūdes spiedienu, lai novērstu sīku attīstītāja pilienu izšļakstīšanos izstrādes procesa laikā, kad silīcija plāksne tiek pagriezta.
Tā kā fotorezista viskozitāte mainās atkarībā no temperatūras, apzināti mainot silīcija vafeles vai fotorezista temperatūru, var iegūt dažādus biezumus. Ja dažādās silīcija vafeles vietās ir iestatītas dažādas temperatūras, uz silīcija plāksnītes var iegūt dažādus fotorezista biezumus. Optimālo fotorezista biezumu var noteikt pēc līnijas platuma un fotorezista biezuma (šūpošanās līknes) likuma, lai ietaupītu silīcija vafeles, mašīnas laiku un materiālus. Diskusija par šūpošanās līknēm tiks apspriesta nākamajās nodaļās. Pretatstarojošā slāņa griešanās pārklājuma metode un princips ir vienādi.
3. Cepšana pirms ekspozīcijas
Pēc tam, kad fotorezists ir pārklāts ar centrifugēšanu uz silīcija vafeles virsmas, tas ir jāizcep. Cepšanas mērķis ir aizdzīt gandrīz visus šķīdinātājus. Šo cepšanu sauc par "cepšanu pirms ekspozīcijas" vai "pirmscepšanu", jo tā tiek veikta pirms iedarbības. Iepriekšēja cepšana uzlabo fotorezista adhēziju, uzlabo fotorezista viendabīgumu un kontrolē līnijas platuma viendabīgumu kodināšanas procesa laikā. 6.3. sadaļā minētajā ķīmiski pastiprinātajā fotorezistā var izmantot arī iepriekšēju cepšanu, lai zināmā mērā mainītu fotoskābes difūzijas garumu, lai pielāgotu procesa loga parametrus. Tipiskā pirmscepšanas temperatūra un laiks ir 90-100 grādi, aptuveni 30 s. Pēc iepriekšējas cepšanas silīcija vafele tiks pārvietota no cepšanai izmantotās sildvirsmas uz aukstu plāksni, lai to atgrieztu istabas temperatūrā, gatavojoties ekspozīcijas posmam.
4. Izlīdzināšana un ekspozīcija
Darbības pēc iepriekšējas cepšanas ir izlīdzināšana un ekspozīcija. Projekcijas ekspozīcijas metodē maska tiek pārvietota uz iepriekš noteiktu aptuvenu pozīciju uz silīcija plāksnītes vai pareizā pozīcijā attiecībā pret esošo zīmējumu uz silīcija plāksnītes, un pēc tam objektīvs ar fotolitogrāfijas palīdzību pārnes savu zīmējumu uz silīcija plāksni. Tuvuma vai kontakta ekspozīcijas gadījumā maskas raksts tiks tieši pakļauts silīcija plāksnītei ar ultravioletās gaismas avota palīdzību.
Pirmajam rakstu slānim uz silīcija plāksnītes var nebūt raksta, un fotolitogrāfijas iekārta pārvieto masku attiecībā pret iepriekš noteiktu (mikroshēmas diferenciācijas metode) aptuveno pozīciju uz silīcija plāksnītes (atkarībā no silīcija plāksnītes sānu izvietojuma precizitātes). uz fotolitogrāfijas iekārtas platformas, parasti no 10 līdz 30 μm).
Otrajam slānim un nākamajiem rakstiem fotolitogrāfijas iekārtai ir jāizlīdzina izlīdzināšanas atzīme, ko atstāja iepriekšējā slāņa ekspozīcija, lai pārdrukātu šī slāņa masku uz esošā iepriekšējā slāņa parauga. Šī pārklājuma precizitāte parasti ir no 25% līdz 30% no minimālā raksta izmēra. Piemēram, 90 nm tehnoloģijā pārklājuma precizitāte parasti ir no 22 līdz 28 nm (3 reizes lielāka par standarta novirzi). Kad izlīdzināšanas precizitāte atbilst prasībām, sākas ekspozīcija. Gaismas enerģija aktivizē fotorezistā esošās gaismas jutīgās sastāvdaļas un sāk fotoķīmisko reakciju. Galvenie fotolitogrāfijas kvalitātes mērīšanas rādītāji parasti ir kritiskās dimensijas (CD) izšķirtspēja un vienmērīgums, pārklājuma precizitāte, daļiņu un defektu skaits.
Pārklājuma precizitātes pamatnozīme attiecas uz grafikas izlīdzināšanas precizitāti (3σ) starp diviem fotolitogrāfijas procesiem. Ja izlīdzināšanas novirze ir pārāk liela, tas tieši ietekmēs produkta ražu. Augstākās klases fotolitogrāfijas iekārtām vispārējā aprīkojuma piegādātāji nodrošinās divas pārklājuma precizitātes vērtības, viena ir vienas iekārtas divreizējā pārklājuma kļūda, bet otra ir pārklājuma kļūda starp divām ierīcēm (dažādām ierīcēm).
5. Cepšana pēc ekspozīcijas
Kad ekspozīcija ir pabeigta, fotorezists ir jācep vēlreiz. Tā kā šī cepšana notiek pēc ekspozīcijas, to sauc par "pēcekspozīcijas cepšanu", saīsināti kā pēcekspozīcijas cepšana (PEB). Pēccepšanas mērķis ir pilnībā pabeigt fotoķīmisko reakciju, karsējot. Ekspozīcijas procesā radušās gaismjutīgās sastāvdaļas karsējot izkliedēsies un ķīmiski reaģēs ar fotorezistu, mainot fotorezista materiālu, kas gandrīz nešķīst attīstītāja šķidrumā, par materiālu, kas šķīst attīstītāja šķidrumā, veidojot šķīstošas formas. attīstītāja šķidrumā un nešķīst attīstītāja šķidrumā fotorezista plēvē.
Tā kā šie raksti atbilst maskas rakstiem, bet netiek parādīti, tos sauc arī par "slēptiem attēliem". Ķīmiski pastiprinātiem fotorezistiem pārmērīga cepšanas temperatūra vai pārmērīgs cepšanas laiks izraisīs pārmērīgu fotoskābju (fotoķīmisko reakciju katalizatoru) difūziju, sabojājot sākotnējo attēla kontrastu, tādējādi samazinot procesa loga un līnijas platuma viendabīgumu. Sīkāka diskusija tiks veikta nākamajās nodaļās. Lai patiesi parādītu latento attēlu, ir nepieciešama attīstība.
6. Attīstība
Pēc pēccepšanas pabeigšanas silīcija vafele nonāks izstrādes posmā. Tā kā fotorezists pēc fotoķīmiskās reakcijas ir skābs, kā attīstītājs tiek izmantots spēcīgs sārmains šķīdums. Parasti tiek izmantots 2,38% tetrametilamonija hidroksīda ūdens šķīdums (TMAH) ar molekulāro formulu (CH3)₄NOH. Pēc tam, kad fotorezista plēve ir izgājusi cauri izstrādes procesam, attīstītājs nomazgā eksponētās zonas, un uz silīcija plāksnītes esošās fotorezista plēves tiek parādīts maskas raksts ieliektu un izliektu formu veidā ar fotorezistu vai bez tā. Izstrādes process parasti sastāv no šādiem posmiem:
(1) Iepriekšēja izsmidzināšana (iepriekš mitra): izsmidziniet nedaudz dejonizēta ūdens (DI ūdens) uz silīcija vafeles virsmas, lai uzlabotu attīstītāja saķeri ar silīcija vafeles virsmu.
(2) Izstrādātāja dozēšana (attīstītāja dozēšana): nogādājiet izstrādātāju uz silīcija vafeles virsmas. Lai visas silīcija vafeles virsmas daļas pēc iespējas vairāk saskartos ar tādu pašu attīstītāja daudzumu, attīstītāja dozators ir izstrādājis šādas metodes. Piemēram, izmantojiet E2 sprauslas, LD sprauslas utt.
(3) Izstrādātāja virsmas noturība (peļķe): pēc attīstītāja izsmidzināšanas tam ir jāpaliek uz silīcija vafeles virsmas kādu laiku, parasti no desmitiem sekunžu līdz vienai vai divām minūtēm, lai attīstītājs varētu lai pilnībā reaģētu ar fotorezistu.
(4) Attīstītāja noņemšana un skalošana: pēc attīstītāja apstāšanās attīstītājs tiks izmests un uz silīcija plāksnītes virsmas tiks izsmidzināts dejonizēts ūdens, lai noņemtu atlikušo attīstītāju un atlikušos fotorezista fragmentus.
(5) Centrifugēšana: silīcija vafele tiek pagriezta lielā ātrumā, lai noņemtu dejonizēto ūdeni uz virsmas.
7. Cepšana pēc izstrādes, cepšana cietajā plēvē
Pēc izstrādes, jo silīcija plāksne ir pakļauta ūdens iedarbībai, fotorezists absorbēs nedaudz ūdens, kas nav piemērots turpmākiem procesiem, piemēram, mitrai kodināšanai. Tāpēc ir nepieciešama cietās plēves cepšana, lai no fotorezista izvadītu lieko ūdeni. Tā kā lielākā daļa kodināšanas tagad izmanto plazmas kodināšanu, kas pazīstama arī kā "sausā kodināšana", cietās plēves cepšana daudzos procesos ir izlaista.
8. Mērīšana
Kad ekspozīcija ir pabeigta, ir jāmēra kritiskā dimensija (Critical Dimension, saīsināti CD), ko veido litogrāfija un pārklājuma precizitāte (metroloģija). Kritisko dimensiju parasti mēra, izmantojot skenējošo elektronu mikroskopu, savukārt pārklājuma precizitāti mēra ar optisko mikroskopu un uzlādes masīva attēlveidošanas detektoru (CCD). Skenējošā elektronu mikroskopa izmantošanas iemesls ir tas, ka līnijas platums pusvadītāju procesā parasti ir mazāks par redzamās gaismas viļņa garumu, piemēram, no 400 līdz 700 nm, un elektronu mikroskopa elektronu ekvivalento viļņa garumu nosaka pēc paātrinājuma sprieguma. elektrons. Saskaņā ar kvantu mehānikas principiem elektrona De Broglie viļņa garums ir
Kur h (6,626 × 10-³⁴Js) ir Planka konstante, m (9,1 × 10-³¹kg) ir elektrona masa vakuumā, un v ir elektrona ātrums. Ja paātrinājuma spriegums ir V, elektrona de Broglie viļņa garumu var uzrakstīt kā
Kur q (1,609 × 10-19c) ir elektrona lādiņš. Aizstājot skaitliskās vērtības, vienādojumu (7-7) var aptuveni uzrakstīt kā
Ja paātrinājuma spriegums ir 300V, elektrona viļņa garums ir 0,07 nm, kas ir pietiekams līnijas platuma mērīšanai. Faktiskajā darbā elektronu mikroskopa izšķirtspēju nosaka daudzkārtēja elektronu stara izkliede materiālā un elektronu lēcas aberācija. Parasti elektronu mikroskopa izšķirtspēja ir desmitiem nanometru, un līnijas izmēra mērīšanas kļūda ir aptuveni 1 līdz 3 nm. Lai gan pārklājuma precizitāte ir sasniegusi nanometru līmeni, tā kā pārklājuma mērīšanai ir nepieciešama tikai iespēja noteikt biezākās līnijas centrālo pozīciju, pārklājuma precizitātes mērīšanai var izmantot optisko mikroskopu.
7.12. attēls (a) ir ekrānuzņēmums no izmēra mērījuma, kas veikts ar skenējošu elektronu mikroskopu. Baltās dubultās līnijas un relatīvās bultiņas attēlā norāda mērķa izmēru. Skenējošā elektronu mikroskopa attēla kontrastu veido sekundāro elektronu emisija un savākšana, ko rada elektronu bombardēšana. Var redzēt, ka līnijas malā var savākt vairāk sekundāro elektronu. Principā, jo vairāk elektronu savākts, jo precīzāks ir mērījums. Tomēr, tā kā nevar ignorēt elektronu stara ietekmi uz fotorezistu, fotorezists saruks pēc elektronu stara apstarošanas, īpaši 193 nm fotorezists. Tāpēc ir ļoti svarīgi izveidot līdzsvaru starp izmērāmību un minimāliem traucējumiem.
7.12. attēls (b) ir tipiska pārklājuma mērījumu shematiska diagramma, kurā līnijas biezums parasti ir no 1 līdz 3 μm, rāmja ārējās malas garums parasti ir no 20 līdz 30 μm un rāmja iekšējās malas garums parasti ir no 10 līdz 20 μm. . Šajā attēlā iekšējās un ārējā kadra attēlotās dažādās krāsas vai kontrasti ir radušies atstarotās gaismas krāsu un kontrasta atšķirību dēļ, ko izraisa dažādu plānu plēvju slāņu dažādais biezums. Pārklājuma mērījumu panāk, nosakot telpisko atšķirību starp iekšējā rāmja centra punktu un ārējā rāmja centra punktu. Prakse ir pierādījusi, ka, ja tiek nodrošināta pietiekama signāla intensitāte, pat optiskais mikroskops var sasniegt aptuveni 1 nm mērījumu precizitāti.
Litogrāfijas procesa logu un rakstu integritātes novērtēšanas metode
Ekspozīcijas enerģijas rezerve, normalizēts attēla logaritmiskais slīpums (NILS)
2. sadaļā tika minēts, ka ekspozīcijas enerģijas rezerve (EL) attiecas uz maksimāli pieļaujamo ekspozīcijas enerģijas novirzi pieļaujamā līnijas platuma variācijas diapazonā. Tas ir litogrāfijas procesa mērīšanas pamatparametrs.
Attēlā 7.13 (a) parādīta litogrāfijas modeļa variācija ar ekspozīcijas enerģiju un fokusa attālumu.
Attēlā 7.13 (b) parādīts divdimensiju sadalījuma testa modelis ar dažādām enerģijām un fokusa attālumiem, kas eksponēti uz silīcija plāksnītes. Tas ir kā matrica, un to sauc arī par fokusa ekspozīcijas matricu (FEM).
Šo matricu izmanto, lai izmērītu fotolitogrāfijas procesa procesa logu vienā vai vairākos modeļos, piemēram, enerģijas rezervē un fokusa dziļumā. Ja maskai tiek pievienoti īpaši testa modeļi, Focus-Energy Matrix var izmērīt arī citus ar procesu un aprīkojumu saistītus veiktspējas parametrus, piemēram, dažādas litogrāfijas iekārtas objektīva aberācijas, izkliedētu gaismu (uzliesmojumu), maskas kļūdas faktoru, fotoskābes difūziju. fotorezista garums, fotorezista jutība, maskas izgatavošanas precizitāte utt.
7.13. (a) attēlā pelēkais grafiks attēlo fotorezista (pozitīvā fotorezista) šķērsgriezuma morfoloģiju pēc ekspozīcijas un attīstības. Ekspozīcijas enerģijai turpinot pieaugt, līnijas platums kļūst arvien mazāks. Mainoties fokusa attālumam, mainās arī fotorezista vertikālā morfoloģija. Vispirms apspriedīsim izmaiņas ar enerģiju. Ja fokusa attālums ir atlasīts kā -0,1 μm, tas ir, projicētā fokusa plakne ir 0, 1 μm zem fotorezista augšdaļas. Ja līnijas platumu mēra, mainoties enerģijai, var iegūt līkni, kas parādīta 7.14. attēlā.
Ja mēs izvēlamies līnijas platuma kopējo CD pielaidi kā ±10% no līnijas platuma 90 nm, tas ir, 18 nm, un līnijas platuma slīpums, kas mainās līdz ar ekspozīcijas enerģiju, ir 6,5 nm/(mJ/cm²), un optimālā ekspozīcijas enerģija ir 20 (mJ/cm²), tad enerģijas rezerve EL ir 18/6,5/20=13,8%.
Vai pietiek? Šis jautājums ir saistīts ar tādiem faktoriem kā litogrāfijas iekārtas stiprums, procesa ražošanas kontroles spēja un iekārtas prasības līnijas platumam. Enerģijas rezerve ir saistīta arī ar fotorezista spēju saglabāt telpisko attēlu. Vispārīgi runājot, 90 nm, 65 nm, 45 nm un 32 nm mezglos EL prasība vārtu slāņa litogrāfijai ir 15% līdz 20%, un EL prasība metāla vadu slānim ir aptuveni 13% līdz 15%.
Arī enerģijas rezerve ir tieši saistīta ar attēla kontrastu, taču attēls šeit nav telpiskais attēls no objektīva, bet gan "latents attēls" pēc fotorezista fotoķīmiskās reakcijas. Fotorezista gaismas absorbcijai un fotoķīmisko reakciju rašanās prasa gaismas jutīgo komponentu difūziju fotorezista plēvē. Šai fotoķīmiskajai reakcijai nepieciešamā difūzija samazinās attēla kontrastu. Kontrasts ir definēts kā
Starp tiem U ir "latentā attēla" ekvivalentā gaismas intensitāte (faktiski gaismas jutīgā komponenta blīvums).
Blīvām līnijām, ja telpiskais periods P ir mazāks par λ /NA, tad tā telpiskā attēla ekvivalentajai gaismas intensitātei U(x) jābūt sinusoidālajam vilnim, kā parādīts 7.15. attēlā, ko var uzrakstīt kā
Saskaņā ar EL definīciju apvienojumā ar formulu (7-10), kā parādīts 7.16. attēlā, EL var uzrakstīt kā šādu izteiksmi, tas ir,
Lai līnija un atstarpe būtu vienāda, CD=P/2. Ir arī kodolīgāks un intuitīvāks izteiciens, proti
Tas ir, ja dCD izmanto vispārējo 10% CD, tad kontrasts ir aptuveni vienāds ar 3,2 reizēm EL. Slīpums formulā (7-11) ir
To sauc arī par attēla žurnāla slīpumu (ILS). Tā kā tā ir tieša saistība ar attēla kontrastu un EL, to izmanto arī kā svarīgu parametru litogrāfijas procesa loga mērīšanai. Ja tas ir normalizēts, tas ir, reizināts ar līnijas platumu, var iegūt normalizēto attēla žurnāla slīpumu (NILS), kā noteikts formulā (7-15), tas ir,
Parasti U (x) attiecas uz telpisko attēlu, ko objektīvs projicē fotorezistā, kas šeit attiecas uz "latento attēlu" pēc fotorezista fotoķīmiskās reakcijas. Blīvām līnijām ar vienādu atstarpi CD=P/2 un telpiskais periods P ir mazāks par λ/NA, NILS var uzrakstīt kā
Piemēram, 90nm atmiņas procesam līnijas platums CD ir vienāds ar 0.09μm, ja kontrasts ir 50% un telpiskais periods ir 0.18μm, tad NILS ir 1.57.
Fokusa dziļums (nivelēšanas metode)
Fokusa dziļums (DOF) attiecas uz maksimālo fokusa attāluma variācijas diapazonu atļautajā līnijas platuma variācijas diapazonā. Kā parādīts 7.13. attēlā, mainoties fokusa attālumam, fotorezistam mainīsies ne tikai līnijas platums, bet arī morfoloģija. Vispārīgi runājot, fotorezistiem ar augstu caurspīdīgumu, piemēram, 193 nm fotorezistiem un 248 nm fotorezistiem ar augstu izšķirtspēju, kad fotolitogrāfijas iekārtas fokusa plakne ir ar negatīvu vērtību, fokusa plakne atrodas tuvu fotorezista augšdaļai; ja malu attiecība ir lielāka par 2.{5}}, lielā līnijas platuma dēļ fotorezista apakšā var rasties pat "zems griezums", kas var izraisīt mehānisku nestabilitāti un apgāšanos. Kad fokusa plakne ir pozitīvā vērtībā, lielā līnijas platuma dēļ fotorezista rievas augšpusē kvadrātveida stūri augšpusē kļūs noapaļoti (augšējā noapaļošana). Šī "augšējā noapaļošana" var tikt pārnesta uz materiāla morfoloģiju pēc kodināšanas, tāpēc ir jāizvairās gan no "apakšgriešanas", gan "noapaļošanas".
Ja tiek attēloti līnijas platuma dati 7.13. attēlā, tiks iegūta līnijas platuma līkne pret fokusa attālumu pie dažādām ekspozīcijas enerģijām, kā parādīts 7.17. attēlā.
Līnijas platuma izmaiņas ar fokusa attālumu pie ekspozīcijas enerģijas 16, 18, 20, 22, 24 sauc arī par Puasona diagrammu.
Ja pieļaujamā līnijas platuma variācijas diapazons ir ierobežots līdz ±9 nm, maksimālā pieļaujamā fokusa attāluma variācija pie optimālās ekspozīcijas enerģijas ir atrodama 7.17. attēlā. Ne tikai tas, ka reālā darbā vienlaikus mainās gan enerģija, gan fokusa attālums, piemēram, litogrāfijas iekārtas dreifa, ir nepieciešams iegūt maksimāli pieļaujamo fokusa attāluma variācijas diapazonu enerģijas novirzes apstākļos. Kā parādīts 7.17. attēlā, noteiktu pieļaujamo līnijas platuma EL variāciju diapazonu, piemēram, ±5% kā standartu (EL=10%), var izmantot, lai aprēķinātu maksimāli pieļaujamo fokusa attāluma variācijas diapazonu, kas ir starp 19 un 21 mJ/cm2. EL datus var attēlot attiecībā pret pieļaujamo fokusa attāluma diapazonu, kā parādīts 7.18. attēlā. Var konstatēt, ka 90nm procesā 10% EL variācijas diapazonā maksimālais fokusa dziļuma diapazons ir aptuveni 0,30 μm.
Vai pietiek? Vispārīgi runājot, fokusa dziļums ir saistīts ar fotolitogrāfijas iekārtu, piemēram, fokusa vadības precizitāti, tostarp iekārtas fokusa plaknes stabilitāti, objektīva lauka izliekumu, astigmatismu, izlīdzināšanas precizitāti un silīcija vafeļu platformas plakanumu. . Protams, tas ir saistīts arī ar pašas silīcija vafeles plakanumu un ķīmiski mehāniskā saplacināšanas procesa izraisīto plakanuma samazināšanās pakāpi. Dažādiem tehnoloģiju mezgliem tipiskās fokusa dziļuma prasības ir norādītas 7.1. tabulā.
Tā kā fokusa dziļums ir tik svarīgs, nivelēšana, kas ir svarīga litogrāfijas iekārtas daļa, ir ļoti svarīga. Mūsdienās rūpniecībā visbiežāk izmantotā izlīdzināšanas metode ir silīcija vafeles vertikālā stāvokļa z un slīpuma leņķu R noteikšana.xun Ry
horizontālā virzienā, mērot gaismas plankuma stāvokli, ko atstaro slīpā krītošā gaisma uz silīcija plāksnītes virsmas, kā parādīts 7.19.
Reālā sistēma ir daudz sarežģītāka, ieskaitot to, kā atdalīt neatkarīgos z, Rx, un Ry. Tā kā šie trīs neatkarīgie parametri ir jāmēra vienlaicīgi, ar vienu gaismas staru nepietiek (ir tikai divas brīvības pakāpes sānu nobīdei), un ir nepieciešami vismaz divi gaismas stari.
Turklāt, ja nepieciešams noteikt z, Rx, un Rydažādos ekspozīcijas laukuma vai spraugas punktos ir jāpalielina gaišo punktu skaits. Parasti ekspozīcijas apgabalam var būt līdz 8 līdz 10 mērījumu punktiem. Tomēr šai izlīdzināšanas metodei ir savi ierobežojumi. Tā kā tiek izmantota slīpa krītoša gaisma, piemēram, 15 grādi līdz 20 grādu krišanas leņķis (vai 70 grādu līdz 75 grādu krišanas leņķis attiecībā pret silīcija plāksnes virsmas vertikālo virzienu), tādām virsmām kā fotorezists un silīcija dioksīds ar baltās gaismas refrakcijas indekss ir aptuveni 1,5, tikai aptuveni 18% līdz 25% gaismas tiek atstaroti atpakaļ, kā parādīts 7.20. attēlā, bet otrs apmēram 75% līdz 82% gaismas, kas nonāk detektorā, iekļūs caurspīdīgā vidē. . Šī pārraidītās gaismas daļa turpinās izplatīties, līdz tā saskaras ar necaurspīdīgu vidi vai atstarojošu vidi, piemēram, silīciju, polisilīciju, metālu vai vidi ar augstu refrakcijas koeficientu, piemēram, silīcija nitrīdu, un pēc tam tiek atspoguļota.
Tāpēc izlīdzināšanas sistēmas faktiski atklātā "virsma" atradīsies kaut kur zem fotorezista augšējās virsmas. Tā kā līnijas aizmugurējai daļai (BEOL) galvenokārt ir salīdzinoši biezs oksīda slānis, piemēram, dažādi silīcija dioksīdi, starp līnijas priekšgalu (FEOL) būs noteikta fokusa attāluma novirze. un aizmugure, parasti no 0.05 līdz 0,20 μm atkarībā no caurspīdīgās vides biezuma un necaurspīdīgās vides atstarošanas. Tāpēc aizmugurējā daļā mikroshēmas dizaina modelim ir jābūt pēc iespējas vienveidīgam; pretējā gadījumā raksta blīvuma nevienmērīgā sadalījuma dēļ tas radīs izlīdzināšanas kļūdas, kas ieviesīs nepareizu slīpuma kompensāciju un izraisīs defokusu.
Parasti fotolitogrāfijas iekārtu izlīdzināšanai ir divi režīmi:
(1) Plaknes režīms: izmēriet vairāku punktu augstumu ekspozīcijas laukumā vai visā silīcija plāksnē un pēc tam atrodiet plakni pēc mazāko kvadrātu metodes;
(2) Dinamiskais režīms (tikai skenējošām fotolitogrāfijas iekārtām): dinamiski mēra vairāku punktu augstumu skenētajā spraugas zonā un pēc tam nepārtraukti kompensē skenēšanas virzienā. Protams, ir svarīgi zināt, ka izlīdzināšanas atgriezeniskā saite tiek panākta, pārvietojot silīcija vafeļu platformu uz augšu un uz leju un noliecot pa neskenējošo virzienu. Tā kompensācija var būt tikai makroskopiska, parasti milimetra līmenī. Turklāt neskenēšanas virzienā (X virziens) to var apstrādāt tikai saskaņā ar pirmās kārtas slīpumu, un jebkuru nelineāru izliekumu (piemēram, objektīva lauka izliekumu un silīcija plāksnes deformāciju) nevar kompensēt, kā parādīts 7.21. .
Dinamiskajā režīmā dažas litogrāfijas iekārtas var arī pārtraukt nivelēšanas mērījumus nepilnīgām ekspozīcijas zonām (uzņēmumiem) vai mikroshēmu apgabaliem silīcija vafeles malās (ekspozīcijas laukums ar maksimālo
var saturēt daudzas mikroshēmas zonas, ko sauc par die), un izmantojiet ekspozīcijas vai mikroshēmas laukuma izlīdzināšanas datus ap to epitaksijai, lai izvairītos no mērījumu kļūdām, ko izraisa pārmērīga augstuma novirze un nepilnīgs plēves slānis silīcija vafeles malā. ASML litogrāfijas iekārtās šo funkciju sauc par "Circuit Dependent Focus Edge Clearance" (CDFEC).
Ir vairāki galvenie faktori, kas ietekmē fokusa dziļumu: sistēmas skaitliskā apertūra, apgaismojuma stāvoklis, raksta līnijas platums, raksta blīvums, fotorezista cepšanas temperatūra utt. Kā parādīts 7.22. attēlā, saskaņā ar viļņu optiku , vislabākajā fokusa attālumā visiem gaismas stariem, kas saplūst ar fokusu, ir viena un tā pati fāze;
Tomēr defokusētā stāvoklī gaismas stari, kas iet cauri objektīva malai, un gaismas stari, kas iet caur objektīva centru, iziet dažādus optiskos ceļus, un to atšķirība ir (FF′-OF′). Palielinoties skaitliskajai apertūrai, palielinās arī optiskā ceļa atšķirība, un faktiskā fokusa gaismas intensitāte defokusa punktā vai arī fokusa dziļums kļūst mazāks. Paralēlā apgaismojuma apstākļos fokusa dziļumu (Reili) parasti nosaka pēc šādas formulas, tas ir,
Kur θ ir objektīva maksimālais atvēršanas leņķis, kas atbilst skaitliskajai apertūrai NA. Ja NA ir salīdzinoši mazs, to var aptuveni rakstīt kā
Var redzēt, ka, ja NA ir lielāks, fokusa dziļums ir mazāks, un fokusa dziļums ir apgriezti proporcionāls skaitliskās apertūras kvadrātam.
Fokusa dziļumu ietekmē ne tikai skaitliskā diafragma, bet arī apgaismojuma apstākļi. Piemēram, ja ir blīva grafika un telpiskais periods ir mazāks par λ /NA, ārpusass apgaismojums palielinās fokusa dziļumu. Šī daļa tiks vēlreiz apspriesta 7. sadaļas 7.1. sadaļā ar ārpusass apgaismojumu. Turklāt grafikas līniju platums ietekmēs arī fokusa dziļumu. Piemēram, mazās grafikas fokusa dziļums parasti ir mazāks nekā rupjās grafikās. Tas ir tāpēc, ka mazās grafikas difrakcijas viļņu leņķis ir salīdzinoši liels, un leņķis starp to konverģenci fokusa plaknē ir salīdzinoši liels. Kā minēts iepriekš, fokusa dziļums būs mazāks. Turklāt fotorezista cepšanas temperatūra zināmā mērā ietekmēs arī fokusa dziļumu. Augstāka pēcekspozīcijas izgriešana (PEB) izraisīs telpiskā attēla vidējo kontrastu vertikālā virzienā (Z) fotorezista biezumā, kā rezultātā palielinās fokusa dziļums. Taču tas notiek uz maksimālā attēla kontrasta samazināšanas rēķina.
Maskas kļūdas faktors
Maskas kļūdas koeficients (MEF) vai maskas kļūdas uzlabošanas faktors (MEEF) ir definēts kā daļējs līnijas platuma atvasinājums, kas atklāts uz silīcija plāksnītes attiecībā pret maskas līnijas platumu. Maskas kļūdas koeficientu galvenokārt izraisa optiskās sistēmas difrakcija, un tas kļūs lielāks, jo fotorezistam ir ierobežota precizitāte pret telpisko attēlu. Faktori, kas ietekmē maskas kļūdas faktoru, ir apgaismojuma apstākļi, fotorezista īpašības, litogrāfijas iekārtas lēcu aberācijas, pēccepšanas (PEB) temperatūra utt. Pēdējā desmitgadē literatūrā ir bijuši daudzi ziņojumi par maskas kļūdu faktoru izpēti. No šiem pētījumiem var redzēt, ka jo mazāks ir telpiskais periods vai mazāks attēla kontrasts, jo lielāks ir maskas kļūdas koeficients. Modeļiem, kas ir daudz lielāki par ekspozīcijas viļņa garumu vai tā sauktajā lineārajā diapazonā, maskas kļūdas koeficients parasti ir ļoti tuvu 1. Modeļiem, kas ir tuvu viļņa garumam vai mazāki par to, maskas kļūdas koeficients ievērojami palielināsies. . Tomēr, izņemot šādus īpašos gadījumus, maskas kļūdas koeficients parasti nav mazāks par 1:
(1) Līniju litogrāfija, izmantojot mainīgas fāzes nobīdes masku, var radīt maskas kļūdas koeficientu, kas ir ievērojami mazāks par 1. Tas ir tāpēc, ka minimālo gaismas intensitāti telpiskā attēla lauka sadalījumā galvenokārt izraisa 180 grādu fāzes mutācija, ko ģenerē blakus esošā fāzes zona. . Metāla līnijas platuma maiņa uz maskas fāzes mutācijas gadījumā maz ietekmē līnijas platumu.
(2) Mazās kompensācijas struktūras tuvumā optiskā tuvuma efekta korekcijā maskas kļūdas koeficients būs ievērojami mazāks par 1. Tas ir tāpēc, ka attēlveidošanas sistēma nevar jutīgi identificēt nelielas galvenā modeļa izmaiņas ar ierobežotu izšķirtspēju, ko izraisa difrakcija.
Parasti telpiski paplašinātiem rakstiem, piemēram, līnijām vai rievām un kontakta caurumiem, maskas kļūdas koeficients ir vienāds ar 1 vai lielāks par to. Tā kā maskas kļūdas faktora nozīme ir tā attiecībās ar līnijas platumu un maskas izmaksām, tas kļūst ļoti liels. svarīgi to ierobežot līdz nelielam diapazonam. Piemēram, vārtu slānim ar ļoti augstām līnijas platuma viendabīguma prasībām maskas kļūdas koeficients parasti ir jākontrolē zem 1,5 (90 nm un plašākiem procesiem).
Vēl nesen, lai iegūtu datus par masku kļūdu faktoriem, bija nepieciešama skaitliska simulācija vai eksperimentāls mērījums. Skaitliskajai simulācijai, lai sasniegtu noteiktu precizitātes pakāpi, jāpaļaujas uz pieredzi simulācijas parametru iestatīšanā. Ja ir nepieciešama informācija par masku kļūdu faktoru sadalījumu visā litogrāfijas parametru telpā, šādu metožu izmantošana prasīs ilgu laiku. Faktiski blīvu līniju vai rievu attēlveidošanai maskas kļūdas koeficientam teorētiski ir analītiski aptuvena izteiksme. Īpašos apstākļos, kad telpiskais periods p ir mazāks par λ /NA un līnijas platums ir vienāds ar rievas platumu, gredzenveida apgaismojuma apstākļos analītisko izteiksmi var vienkāršot un uzrakstīt šādā formā, tas ir, ,
+, - attiecas attiecīgi uz rievām un līnijām. Starp tiem σ ir daļējas koherences parametrs (0＜σ ＜1), ir amplitūdas caurlaidības koeficients novājinātās fāzes nobīdes maskā (piemēram, 6% novājinātai maskai ir 0.25). ), n ir fotorezista refrakcijas koeficients (parasti no 1,7 līdz 1,8), un a ir ekvivalentais fotoskābes difūzijas garums zem sliekšņa modeļa (atkarībā no dažādiem tehnoloģiju mezgliem, parasti no 5 līdz 10 nm 32 līdz 45 nm mezgli līdz 70 nm 0,18 līdz 0,25 μm mezgliem).
Maiņstrāvas fāzes maiņas maskai (Alt-PSM) MEF ir vienkāršāka izteiksme, proti
Tostarp telpiskais periods lpp<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.
Ja ir zināmi visi parametri, izņemot fotoskābes difūzijas garumu formulā (7-21), fotoskābes difūzijas garumu var iegūt, pielāgojot eksperimentālos datus. Rezultāti liecina, ka pēc 40 sekundēm pēc cepšanas noteikta veida 193nm fotorezista fotoskābes difūzijas garums ir 27nm; pēc 60 sekundēm pēccepšanas difūzijas garums kļūst 33 nm. Un datu precizitātes dēļ fotoskābes difūzijas garuma mērījumu precizitāte ir ±2nm. Tas ir par lielumu augstāks nekā iepriekšējo mērījumu metožu precizitāte, kā parādīts 7.24. attēlā. Maskas kļūdas koeficientu var izmantot arī, lai aprēķinātu maskas līnijas platuma prasības līnijas platuma vienmērīgumam, kā arī divdimensiju grafikas atstatuma noteikumu iestatīšanai optiskā tuvuma efekta korekcijā. Divdimensiju grafikai ar saīsinātiem līniju galiem, kā parādīts 7.25. attēlā, aprēķinot vienkāršu punktu izkliedes funkciju un noteiktu fotoskābes difūzijas tuvinājuma pakāpi, līnijas beigu optiskā tuvuma efektam var iegūt gandrīz analītisko formulu. iegūts, tas ir,
Ja PŠŠ ir punkta izkliedes funkcija, apakšindekss "D" apzīmē fotoskābes difūziju, a apzīmē fotoskābes difūzijas garumu, n=1, 2 atbilst koherentiem un nesakarīgiem apgaismojuma apstākļiem, un
Līnijas platuma viendabīgums
Līnijas platuma viendabīgums pusvadītāju procesos parasti ir sadalīts: mikroshēmas laukums, kadru laukums, vafeļu laukums, partijas laukums un partijas laukums. Faktori, kas ietekmē līnijas platuma vienmērīgumu un ietekmes diapazona vispārīgo analīzi, ir uzskaitīti 7.2. tabulā. No 7.2. tabulas mēs varam secināt, ka:
1) Parasti problēmām, ko rada litogrāfijas iekārtas un procesa logi, ir plaša ietekme.
(2) Problēmas, ko izraisa maskas ražošanas kļūdas vai optiskā tuvuma efekti, parasti attiecas tikai uz ekspozīcijas apgabalu.
(3) Problēmas, ko izraisa pārklājums vai pamatne, parasti attiecas tikai uz silīcija plāksnēm.
CMOS ierīcēm parasti ir nepieciešams līnijas platuma vienmērīgums aptuveni ±10% no līnijas platuma. Vārtiem vispārējā vadības precizitāte ir ±7%. Tas ir tāpēc, ka procesos zem 0,18 μm mezgla parasti pēc litogrāfijas un pirms kodināšanas notiek līnijas platuma "apgriešanas" kodināšanas process, kas vēl vairāk samazina litogrāfijas līnijas platumu līdz ierīces līnijas platumam vai tuvu ierīces līnijas platumam, kas parasti ir 70% no litogrāfijas līnijas platuma. Tā kā ierīces līnijas platuma kontrole ir ±10%, litogrāfijas līnijas platums kļūst par ±7%.
Ir daudzi veidi, kā uzlabot litogrāfijas līnijas platuma viendabīgumu, piemēram, kompensēt ekspozīcijas enerģijas sadalījumu litogrāfijas iekārtas apgaismojuma sadalījumā, pamatojoties uz ekspozīcijas vienmērīguma mērījumu rezultātiem ekspozīcijas zonā. Šo kompensāciju var sasniegt divos līmeņos. To var kompensēt mašīnas konstantēs, kas attiecas uz visiem apgaismojuma apstākļiem, vai arī to var kompensēt ekspozīcijas apakšprogrammā (pēc noteiktas ekspozīcijas programmas). Tādā veidā tas var precīzi mērķēt uz noteiktu līmeni ar stingrām vienveidības prasībām. To var arī uzlabot, analizējot nevienmērīgās litogrāfijas līnijas platuma galveno cēloni. Piemēram, tipiska problēma ir augstuma starpības, ko rada procesa struktūra uz silīcija vafeles substrāta, ietekme uz vārtu līnijas platuma viendabīgumu. Piemēram, [6] aplūkotā vārtu slāņa lokālā līnijas platuma viendabīgums (Local CD Variation, LCDV) pasliktināsies substrāta augstuma svārstību dēļ. Šīs svārstības parādītas 7.28. attēlā.
Augstuma starpības izraisītās līnijas platuma izmaiņas ir parādītas 7.29. un 7.30. attēlā. Var redzēt, ka, pakāpeniski samazinoties augstuma starpībai, līnijas platums pakāpeniski samazinās līdz stabilai vērtībai.
1. Līniju platuma vienmērīguma uzlabošana mikroshēmas zonā vai grafiskajā zonā
Tā kā šo diapazonu ietekmē daudzi faktori, ir apskatītas tikai dažas galvenās metodes.
(1) Uzlabojiet procesa logu un optimizējiet procesa logu.
Blīvai grafikai var izmantot ārpusass apgaismojumu, lai uzlabotu gan kontrastu, gan fokusa dziļumu, un fāzes nobīdes maskas var izmantot, lai uzlabotu kontrastu;
Izolētas grafikas gadījumā var izmantot subdifrakcijas izkliedes joslas (SRAF), lai uzlabotu izolētas grafikas fokusa dziļumu;
Daļēji izolētai grafikai, tas ir, telpiskais periods ir mazāks par divreiz minimālo telpisko periodu un nedaudz lielāks par minimālo telpisko periodu, procesa logs šeit sasniegs gandrīz sarežģītu stāvokli, ko sauc arī par "aizliegto augstumu", kā parādīts attēlā. attēlā 7.31
Kā redzams 7.31. attēlā, attiecībā pret minimālo telpisko periodu 310 nm līnijas platums samazinās no 130 nm līdz aptuveni 90 nm pie 500 nm perioda. Tas (šeit nav parādīts) ir saistīts arī ar ievērojamu kontrasta un fokusa dziļuma samazināšanos. Telpiskā perioda aizliegumu rada nepieciešamība saglabāt fiksētu minimālo līnijas platumu loģisko ķēžu litogrāfijā, kā rezultātā rodas nopietns kontrasta trūkums nevienādu atstarpi attēlos dažādos telpiskajos periodos vai blakus rakstos. To galvenokārt izraisa ārpusass apgaismojums, kas ierobežo daļēji blīvu grafiku. Parasti ārpusass apgaismojumam ir spēcīga palīdzība tikai minimālajam telpas periodam, bet tam ir zināma negatīva ietekme uz tā saukto "daļēji blīvo" grafiku minimālajā telpas periodā un 2 reizes mazākā telpā. Lai uzlabotu procesa logu tā dēvētajā aizliegtajā periodā, ārpusass apgaismojuma leņķis ārpus ass ir attiecīgi jāsamazina, lai panāktu līdzsvarotu līnijas platuma viendabīgumu.
(2) Uzlabojiet optiskā tuvuma efekta korekcijas precizitāti un uzticamību.
Optiskā tuvuma efekta korekcijas pamatprocess ir šāds: veidojot modeli, vispirms uz testa maskas izveidojiet kalibrēšanas grafiku, kā parādīts 7.32. attēlā. Pēc tam, eksponējot silīcija plāksni, iegūst fotorezista raksta izmēru uz silīcija plāksnītes, un pēc tam tiek kalibrēts modelis (tiek noteikti attiecīgie modeļa parametri), un vienlaikus tiek aprēķināta korekcijas summa. Pēc tam, pamatojoties uz līdzību starp faktisko grafiku un kalibrēšanas grafiku, tas tiek koriģēts atbilstoši modelim.
Optiskā tuvuma efekta korekcijas precizitāte ir atkarīga no šādiem faktoriem: silīcija plāksnītes līnijas platuma datu mērījumu precizitāte, modeļa pielāgošanas precizitāte un modeļa ķēdes modeļa korekcijas algoritma racionalitāte un uzticamība, piemēram, paraugu ņemšanas (fragmentēšanas) metode, paraugu ņemšanas punkta blīvuma izvēle, pareizs soļa izmērs utt. Fotorezistu modeļiem parasti ir vienkārši sliekšņa modeļi, tostarp Gausa difūzijas (sliekšņa modelis ar Gausa difūziju) un mainīga sliekšņa pretestības modeļi. Pirmais pieņem, ka fotorezists ir gaismas slēdzis. Kad gaismas intensitāte sasniedz noteiktu slieksni, fotorezista šķīdināšanas ātrums attīstītājā pēkšņi mainās. Pēdējais ir saistīts ar pirmās novirzes no eksperimentālajiem datiem. Pēdējais uzskata, ka fotorezists ir sarežģīta sistēma, un tā reakcijas slieksnis ir saistīts ar maksimālo gaismas intensitāti un maksimālās gaismas intensitātes gradientu (kas izraisīs gaismas jutīgā aģenta virziena izkliedi), un tā var būt nelineāra sakarība. Un pēdējais var arī aprakstīt dažas kodināšanas līnijas platuma novirzes no blīviem līdz izolētiem modeļiem. Protams, šāda veida modelis nevar fiziski ļoti skaidri parādīt fizisko attēlu. Vispārīgi runājot, sliekšņa modeļa un Gausa difūzijas fiziskais attēls ir ļoti skaidrs, un cilvēki to izmanto vairāk, īpaši procesu izstrādē un procesu optimizācijas darbā. Runājot par optiskā tuvuma efekta korekciju, tā kā ļoti īsā laikā ir nepieciešams izveidot modeli ar precizitāti līdz dažiem nanometriem, ir neizbēgami jāpievieno daži papildu parametri, kuru fizisko nozīmi nevar skaidri izskaidrot, un tas ir arī pagaidu pasākums.
Protams, fotolitogrāfijas procesam turpinot attīstīties, fotolitogrāfijas tuvuma efekta korekcijas modelis turpinās attīstīties un absorbēt parametrus ar fizikālu nozīmi. Lai palielinātu modeļa precizitāti, var paplašināt mērījumu grafikas reprezentativitāti, palielinot mērījumu punktu skaitu (piemēram, 3 līdz 5 reizes), tas ir, uzlabojot kalibrēšanas (gabarīta) grafiku, kā parādīts attēlā. 7.32. Tāda pati shēmas dizaina grafika ir ģeometrisko formu korelācijās un līdzībās. Modeļa pielāgošanas procesa laikā mēģiniet izmantot fiziskos parametrus un atgrieziet pielāgošanas kļūdas litogrāfijas inženierim analīzei, lai novērstu iespējamās kļūdas. Optiskā tuvuma efekta korekcija tiks padziļināti aplūkota citā nodaļā.
(3) Optimizējiet pretatstarošanas slāņa biezumu.
Sakarā ar atšķirību refrakcijas indeksā (n un k vērtības) starp fotorezistu un substrātu, daļa apgaismojuma gaismas tiks atspoguļota atpakaļ no saskarnes starp fotorezistu un substrātu, radot traucējumus krītošajā attēlveidošanas gaismā. Ja šie traucējumi ir nopietni, tie var radīt pat stāvoša viļņa efektu, kā parādīts 7.33. (c) attēlā. Attēlā 7.33 (c) parādīts i-line 365nm vai 248nm fotorezista šķērsgriezums. Tā kā attālums starp stāvošā viļņa virsotnēm ir puse no viļņa garuma un fotorezista refrakcijas indekss n parasti ir aptuveni 1,6 līdz 1,7, atkarībā no pīķu skaita (~10), to var secināt. ka fotorezista biezums ir aptuveni 0,7 līdz 1,2 μm. 193 nm fotorezista biezums parasti ir mazāks par 300 nm. Lai novērstu atstaroto gaismu fotorezista apakšā, parasti izmanto apakšējo pretatspīdumu pārklājumu (BARC), kā parādīts 7.34. (a) attēlā. Attēlā 7.34 (a) saskarne tiek pievienota pēc apakšējā pretatspīdumu slāņa pievienošanas. Atstarotās gaismas fāzi starp pretatstarošanas slāni un substrātu var regulēt, pielāgojot pretatstarošanas slāņa biezumu, lai kompensētu atstaroto gaismu starp fotorezistu un pretatstarošanās slāni, tādējādi novēršot atstaroto gaismu. fotorezista apakšdaļa. Ja pretatstarojuma slānim ir jāpanāk stingra pretatspīdība apmēram 1/4 viļņa garuma biezumā, pretatstarošanas slāņa refrakcijas koeficients n ir precīzi jānoregulē tā, lai tas būtu starp n.Substrātsun nFotorezistsno substrāta, tas ir,
(4) Optimizējiet fotorezista biezumu un šūpošanās līkni
Pat ar apakšējo pretatspīdumu slāni no fotorezista apakšas joprojām būs zināms atlikušās gaismas daudzums. Šī gaismas daļa traucēs atstarotajai gaismai no fotorezista augšdaļas, kā parādīts 7.35 (a) un 7.35 (b) attēlā. Mainoties fotorezista biezumam, "atspoguļotās gaismas 0" un "atspoguļotās gaismas 1" fāze periodiski mainās, tādējādi radot traucējumus. Enerģijas pārdale ar traucējumiem izraisīs fotorezista iekļūšanas enerģijas periodiskas izmaiņas, mainoties fotorezista biezumam, tāpēc līnijas platums periodiski mainīsies, mainoties fotorezista biezumam, kā parādīts 7.35. (b) attēlā. Parasti ir vairāki veidi, kā atrisināt problēmu, kas saistīta ar līnijas platuma svārstībām atkarībā no fotorezista biezuma:
Optimizējiet pretatstarošanās slāņa biezumu un refrakcijas indeksu (izvēlieties piemērotu pretatspīdumu slāni)
Izvēlieties divus pretatstarošanas slāņus (parasti viens no tiem ir neorganisks pretatspīdumu slānis, piemēram, silīcija oksinitrīda SiON)
Pievienojiet augšējo pretatspīdumu pārklājumu (Top ARC, TARC), lai noņemtu atstaroto gaismu fotorezista augšpusē.
Tomēr, pievienojot pretatspīdumu slāni, process kļūs sarežģītāks un dārgāks. Kad procesa logs joprojām ir pieņemams, parasti tiek izvēlēts biezums ar mazāko līnijas platumu. Tas ir tāpēc, ka, mainoties fotorezista biezumam, līnijas platums kļūs lielāks, nevis mazāks, tādējādi procesa logs kļūst krasi mazāks.
2. Citas metodes līnijas platuma viendabīguma uzlabošanai
Uzlabot spraugas apgaismojuma viendabīgumu, aberāciju, fokusa attālumu un izlīdzināšanas kontroli, platformas sinhronizācijas precizitāti un litogrāfijas iekārtas temperatūras kontroles precizitāti; uzlabot maskas līnijas platuma viendabīgumu; uzlabot substrātu un samazināt substrāta ietekmi uz litogrāfiju (tai skaitā palielināt fokusa dziļumu un uzlabot pretatspīdumu slāni). Tostarp 4.2. sadaļā minēts, ka dizaina modeļa viendabīguma palielināšana palīdz uzlabot izlīdzināšanas precizitāti un faktiski palielina fokusa dziļumu. Raksta malu nelīdzenumu parasti izraisa šādi faktori:
(1) Fotorezistam raksturīgais raupjums: tas ir saistīts ar fotorezista molekulmasu, molekulmasas sadalījumu pēc izmēra un fotoskābes ģeneratora (PAG) koncentrāciju.
(2) Fotorezista attīstības šķīdināšanas ātruma kontrasts ar gaismas intensitātes pieaugumu: Jo straujākas izšķīdināšanas ātruma izmaiņas ar gaismas intensitāti tuvu sliekšņa enerģijai, jo mazāks ir daļējas attīstības radītais raupjums.
(3) Fotorezista jutība: jo mazāk fotorezists ir atkarīgs no pēcekspozīcijas cepšanas (PEB), jo lielāks ir līnijas platuma nelīdzenums. Cepšana pēc ekspozīcijas var novērst dažas nevienmērības.
(4) Fotolitogrāfiskā attēla kontrasts vai enerģijas robeža: jo lielāks kontrasts, jo šaurāks ir apgabals, kurā tiek attīstīta raksta mala, un mazāks raupjums. To parasti izsaka attiecība starp līnijas platuma nelīdzenumu un attēla žurnāla slīpumu (ILS).
Ķīmiski pastiprinātiem fotorezistiem katrai fotoķīmiskās reakcijas rezultātā radītajai fotoskābes molekulai tiks veikta aizsardzības noņemšanas katalītiskā reakcija difūzijas garuma diapazonā ar ģenerēšanas punktu kā apļa centru un rādiusu kā rādiusu. Vispārīgi runājot, 193 nm fotorezistiem difūzijas garums ir diapazonā no 5 līdz 30 nm. Jo garāks ir difūzijas garums, jo labāks ir raksta raupjums, kad attēla kontrasts paliek nemainīgs. Tomēr tuvu izšķirtspējas robežai, piemēram, 45 nm puspiķa tuvumā, difūzijas garuma palielināšanās izraisīs telpiskā attēla kontrasta samazināšanos, un telpiskā attēla kontrasta samazināšanās izraisīs arī modeļa raupjuma palielināšanos.
Fotorezista šķīdināšanas ātrums parasti mainās no ļoti zema līmeņa uz ļoti augstu līmeni pakāpeniski, mainoties gaismas intensitātei. Ja šīs soļiem līdzīgās izmaiņas ir stāvākas, tiks samazināts tā sauktais "daļējas attīstības" apgabals, tas ir, pārejas laukums soļa maiņas vidū, tādējādi samazinot raksta nelīdzenumu. Protams, pārāk liels izšķīdināšanas kontrasts ietekmēs arī fokusa dziļumu. Dažiem 248 nm un 365 nm fotorezistiem nedaudz mazāks attīstības kontrasts var zināmā mērā paplašināt fokusa dziļumu, kā parādīts 7.36. attēlā.
Jo augstāka ir fotorezista jutība, jo īsāks ir fotoskābes difūzijas garums (jo augstāka ir aeroattēla precizitāte un augstāka izšķirtspēja), jo šādi fotorezisti parasti ir mazāk atkarīgi no pēcekspozīcijas cepšanas, kas var izraisīt zināmu pakāpi. no raksta raupjuma. Tomēr, ja vienlaikus tiek palielināta fotoskābes ģeneratora koncentrācija, šo situāciju var uzlabot. Fotorezista attēla kontrasta uzlabošana var samazināt raksta raupjumu, kā parādīts 7.37. attēlā.
Kontakta caurumu un caurumu apaļums ir līdzīgs raksta raupjumam. Tas ir saistīts arī ar fotoskābes difūziju, fotoskābes koncentrāciju, telpiskā attēla kontrastu un fotorezista attīstības kontrastu. Mēs tos šeit neapspriedīsim pa vienam.
Fotorezista morfoloģija
Fotorezista morfoloģijas novirzes ietver sānu malas slīpuma leņķi, stāvviļņu, biezuma zudumu, apakšējo pamatni, iegriezumu apakšā, T-veida augšējo daļu, augšējo noapaļošanu, līnijas platuma nelīdzenumu, malu attiecību/raksta dempingu, apakšējo atlikumu utt. Mēs tos apspriedīsim pa vienam. , kā parādīts 7.38. attēlā.
Sānu malas leņķis: parasti tas notiek tāpēc, ka gaisma, kas nonāk fotorezista apakšā, ir vājāka nekā gaisma augšpusē (jo fotorezists absorbē gaismu). Parasti risinājums ir samazināt fotorezista gaismas absorbciju, vienlaikus palielinot fotorezista jutību pret gaismu. To var panākt, palielinot gaismjutīgu komponentu pievienošanu un palielinot fotoskābju katalītisko efektu deprotekcijas reakcijā (difūzijas-katalīzes reakcijā). Sānu leņķim būs noteikta ietekme uz kodināšanu, un smagos gadījumos sānu malas leņķis tiks pārnests uz iegravēto pamatnes materiālu.
Stāvošais vilnis: Stāvviļņu efektu var efektīvi atrisināt, pievienojot pretatstarošanas slāni un atbilstoši palielinot fotosensibilizatora difūziju (piemēram, palielinot temperatūru vai pēccepšanas laiku, lai palielinātu fotoskābju difūziju).
Biezuma zudums: tā kā fotorezista augšdaļa saņem spēcīgāko gaismu un augšdaļa ir pakļauta visvairāk attīstītājam, fotorezista biezums zināmā mērā tiks zaudēts pēc izstrādes pabeigšanas.
Pamatne: apakšējo pamatni parasti izraisa skābju-bāzes nelīdzsvarotība starp fotorezistu un substrātu (piemēram, apakšējo pretatstarošanas slāni). Ja substrāts ir relatīvi sārmains vai hidrofils, fotoskābe tiks neitralizēta vai absorbēta substrātā, izraisot deprotezēšanas reakciju fotorezista apakšā. Šīs problēmas risinājums parasti ir palielināt substrāta skābumu, paaugstināt fotorezista un pretatstarojošā slāņa pirmsekspozīcijas cepšanas temperatūru, lai ierobežotu fotoskābes difūziju fotoresistā un substrātā. Tomēr difūzijas ierobežošana ietekmēs arī citas īpašības, piemēram, raksta nelīdzenumu, fokusa dziļumu utt.
Apakšgriezums: Pretēji apakšējai pamatnei, samazinājums ir saistīts ar augstāku skābumu fotorezista apakšā, un aizsargreakcija apakšā ir augstāka nekā citās vietās. Risinājums ir tieši pretējs iepriekšminētajam.
T veida pārklājums: T veida pārklājumu izraisa rūpnīcas gaisā esošie sārmaini (bāzes) komponenti, piemēram, amonjaks, amonjaks (amonjaks) un amīnu organiskie savienojumi (amīns), kas iekļūst fotorezista augšpusē un neitralizē. daļa no fotoskābes, kā rezultātā palielinās lokālās līnijas platums augšpusē, un smagos gadījumos tas izraisīs līnijas saķeri. Risinājums ir stingri kontrolēt sārmu saturu gaisā fotolitogrāfijas zonā, kas parasti ir mazāks par 20 ppb (daļas uz miljardu), un mēģināt saīsināt laiku no iedarbības līdz aizkavei pēc ekspozīcijas.
Augšējā noapaļošana: parasti fotorezista augšpusē izstarotā gaismas intensitāte ir salīdzinoši liela. Ja fotorezista attīstības kontrasts nav ļoti augsts, šī palielinātā gaismas daļa izraisīs palielinātu šķīšanas ātrumu, tādējādi izraisot augšdaļas noapaļošanu.
Līnijas platuma raupjums: Līnijas platuma raupjums ir apspriests iepriekš.
Malu attiecība/raksta sabrukums: Forma attiecība tiek apspriesta, jo izstrādes procesā attīstītājs, dejonizēts ūdens utt. radīs sānu spriegumu, ko veido virsmas spraigums fotorezista rakstā pēc izstrādes, kā parādīts 7.39. attēlā. Blīviem rakstiem, jo spriegums abās pusēs ir aptuveni vienāds, problēma nav pārāk liela. Tomēr rakstam blīvā raksta malā, ja malu attiecība ir liela, tas tiks pakļauts vienpusējai spriedzei. Kopā ar ātrgaitas rotācijas traucējumiem izstrādes procesā modelis var sabrukt. Eksperimenti liecina, ka augstuma un platuma attiecība virs 3:1 parasti ir bīstamāka.
Smieklēšana: izkropļošanas iemesls parasti ir tas, ka apakšējais fotorezists neuzsūc pietiekami daudz gaismas, kā rezultātā notiek daļēja attīstība. Lai uzlabotu fotorezista izšķirtspēju, ir jāsamazina fotoskābes difūzijas garums un jāsamazina telpiskās attīstības vienveidība, ko izraisa fotoskābes difūzija. Tādā veidā palielinās telpas nelīdzenums. Apakšējo notraipījumu parasti var samazināt, optimizējot apgaismojuma apstākļus, maskas līnijas platuma novirzi un cepšanas temperatūru un laiku, lai uzlabotu telpiskā attēla kontrastu un palielinātu ekspozīciju uz laukuma vienību.
Izlīdzināšanas un pārklājuma precizitāte
Izlīdzināšana attiecas uz reģistrāciju starp slāņiem. Vispārīgi runājot, pārklājuma precizitātei starp slāņiem ir jābūt aptuveni 25% ~ 30% no silīcija plāksnītes kritiskā izmēra (minimālā izmēra). Šeit mēs apspriedīsim šādus aspektus: pārklājuma process, pārklājuma parametri un vienādojumi, pārklājuma atzīmes, aprīkojums un tehniskie jautājumi, kas saistīti ar pārklājumu, un procesi, kas ietekmē pārklājuma precizitāti.
Pārklājuma process ir sadalīts pirmā slāņa (vai priekšējā slāņa) izlīdzināšanas atzīmju izgatavošanā, izlīdzināšanā, izlīdzināšanas risinājumā, fotolitogrāfijas iekārtas kompensācijā, ekspozīcijā, pārklājuma precizitātes mērījumos pēc ekspozīcijas un nākamās izlīdzināšanas kompensācijas kārtas aprēķināšanā, kā parādīts 7.40. . Pārklājuma mērķis ir maksimāli palielināt koordinātu pārklāšanos uz silīcija vafeles ar silīcija vafeles platformu (tas ir, fotolitogrāfijas iekārtas koordinātas). Lineārajai daļai ir četri parametri: translācija (Tx, Ty), ap vertikālo asi (Z), rotāciju (R) un palielinājumu (M). Starp silīcija plāksnīšu koordinātu sistēmu (Xw, Yw) un fotolitogrāfijas iekārtas koordinātu sistēma (XM, YM):
XM=TX+M[XW cos(R)-YW grēks (R)]
