Fotolitográfia a nanoelektronikában Dr. Mizsei János Somlay Gergely

Nanogyártás (Nanofabrication) Nagyon széles körben folynak vizsgálatok, hogy nanoszerkezetek (100 nm-nél kisebb szerkezetek) kialakítására alkalmas gyártási technológiákat találjanak Nanogyártási technikák: top-down módszerek felületi anyageltávolításra vagy felvitelre fotolitográfia, lágy litográfia, pásztázó tűs módszerek bottom-up módszerek nanoszerkezetek építésére molekulákból vagy atomokból

Fotolitográfia Minták kialakítás a szilícium felületén fény segítségével Tömegtermelés Drága maszk Min. csíkszélesség 70 nm

Tipikus litográfiai folyamat

Litográfia kihozatala A tipikus gyártási kihozatal > 95% → a litográfiai lépések kihozatala > 99% Napjainkban a litográfia a gyártási költségek 90%-át teszi ki

A litográfia gyártási kapacitása Tapasztalati kapcsolat: Felbontás (Å) ~ At = megmunkált felület μm2/hr Ez a tapasztalati kapcsolat 18 nagyságrenden belül jó közelítést ad

Elvárások litográfiai rendszerekkel szemben Alacsony dimenziók (csíkszélesség) Alacsony méretbeli változások (csíkszékesség ellenőrzés) Nagy mélységélesség (nem sík hordozók és vastag rezisztek) Egymás utáni minták pontos illesztése (registration) Képek és minták kis torzulása (jó minőségű maszk és vetítőrendszer) Alacsony költség (magas throughput) Nagy megbízhatóság (magas kihozatal) A szennyező anyagokkal szembeni tolerancia a maszkon és a mintán (tiszta szoba előírások) Azonosság nagy felületen (nagy szeletek)

Litográfiai utak Megoldási utak a mintatervezéstől a minta átvitelig: Közvetlen (elektron vagy ion sugaras litográfia) Általában két lépéses process: Maszk készítés A minta átvitele nagy számú hordozóra

Maszkolási módszerek Kontakt Vetítés Közeli

Rezisztek Rezisztek: Pozitív: az exponálás roncsolja a rezisztet (dark field mask) Negatív: az exponálás megkeményíti a rezisztet (light field mask)

Követelmények rezisztekkel szemben Nagy érzékenység → rövidebb expozíció → alacsonyabb költség Kontraszt (csak a világosan megvilágított területek módosulnak) Adhézió a hordozóra Ellenállás a marásnak (következő lépés elősegítése) Profile control ellenállás (lift-off alkalmazás)

Optikai lifográfia folyamata

Marás kontra Lift-off Marás: Lift-off: Reziszt felvitele a réteg felületére Az anyagot a maszk nyílásain keresztül elmarják Lift-off: A felvitt rezisztre választják le az anyagot Az anyagot a reziszt eltávolítása során távolítják el

Az optikai litográfia korlátai Minimális alakzat mérete: kλ/NA ahol k = arányossági tényező (tipikusan 0,5 egy diffrakció korlátozott rendszerben) λ = hullámhossz NA = numerikus nyilás = sin α (2α = befogadó szög a lencse fókusz pontjában) → a lencse fénygyűjtő képességének mértéke Ugyanakkor a mélységélesség = λ/(NA)2 → fontos mivel a szeletek nem síkok Az NA növelés nem megoldás → a méretek csökkentéséhez a λ-t kell csökkenteni

} } Mély UV litográfia Mély UV → Excimer lézer források: XeF → 351 nm XeCl → 308 nm KrF → 248 nm ArF → 193 nm F2 → 157 nm } Fused kvarc optika } CaF optika → nehéz grind és csiszolni a vízmegkötő tulajdonsága miatt

Fázis toló maszkok Minimalizálja a diffrakciós hatást, de a maszk készítése bonyolultabb

Hordozó reflexiós hatásai A beeső és a visszavert foton sugár interferenciája miatt állóhullám alakulhat ki a rezisztben Reflexió eltemetett átmeneteken is kialakulhat, ami a csíkszélesség függését okozhatja az eltemetett réteg vastagságától

Anti-reflexiós rétegek hatása Anti-reflexiós réteg nélkül Anti-reflexiós réteggel

Extrém UV litográfia Más néven lágy röntgen litográfia 1996-ban fejlesztették ki a Sandia National Laboratory-ban Az EUV forrása egy szuperszonikus sebességgel táguló Xe gáz klaszterre fókuszált lézerrel generált plazmán alapul λ ~ 10 nm Megjegyzés: alacsony λ esetén az optikai anyagok nagy mértékben abszorbeálnak Reflexiós optikák (pl.: Bragg tükrök) Vékony, hibamentes maszkok Pl.: λ = 13 nm, a tükrök 40 7 nm vastag Mo és Si rétegpárból állnak

Tipikus EUV maszk

A mélységélesség kisebb probléma rövidebb hullámhosszoknál → nagy aspect ratio reziszt profilok kialakítása lehetséges EUV-val

EUV litográfiával mintázott reziszt

Röntgensugaras litográfia Hasonlít az optikai litográfiához Az alkalmazott hullámhossz kisebb: 0,1 – 10 nm, de a felbontás = k(λg)½ ahol g = a maszk és a hordozó közötti távolság (a gyártásban 5 – 40 μm) Így a felbontás = 0,07 – 0,2 μm λ = 1 nm esetén Kontakt nyomtatás esetében 20 nm-es csíkszélesség érhető el Nagy aspect ratio érhető el Párhuzamos folyamat, melyben a reziszttel bevont felületet maszkon keresztül világítják meg nehezebb a maszk készítése nagy intenzitású röntgen forrás kell

Röntgensugaras litográfia

Röntgensugaras litográfiával mintázott reziszt

A röntgensugaras litográfia előnyei Nagy mélységélesség Kiváló reziszt profilok Nagy processz szélesség A csíkszélesség független a hordozó topológiájától és típusától Relatíve immunis a kis atomi tömegű szennyezőkre

A röntgensugaras litográfia hátrányai 1 maszk technológia (arany 1 -2 μm vastag szilíciumon) → hibák, aspect ratio, hajlás és melegedés a problémák Költséges és/vagy bonyolult forrás Illesztés nem triviális Az ipari használhatósághoz szükséges: Egy maszk → torzulás mentes, ellenőrizhető, javítható Egy reziszt → a jelenlegi elfogadható, de fejleszthető Egy illesztő rendszer Egy röntgen forrás → elfogadható költség és kapacitás

Ionsugaras litográfia Tipikusan folyékony fém (pl.: gallium) ionokat használnak 1970-es évek végén fejlesztették ki Fejlett litográfiai csoport → ipari, kormányzati és egyetemi összefogás ALG-1000 → 20 μm x 20 μm-es mezők 3x-os kicsinyítése 150 keV-os hidrogén ionokkal → 0,1 μm-es felbontás

Ionsugaras litográfia előnyei Elektronoknál kisebb mértékű szóródás Az ionsugár a kezdeti pálya közelében marad → nincs szükség dózis állításra különböző alakzatok vagy hordozók esetén Közvetlen fémréteg leválasztás (fókuszált ionsugár) → alkalmas maszkok javítására

Ionsugaras litográfia hátrányai Az ionok kölcsönhatnak az anyaggal: Ion keveredés Kristályrács amorfizálódik Optikai tulajdonságok módosulnak Nem tervezett adalékolás Sputter maródás Az ionok abszorbeáldnak (tipikusan 10 nm-es környezetben) Stencil típusú maszkok Egy gyűrű belseje kiesik, kivéve felbontás alatti rögzítések alkalmazása esetén

Elektron sugaras litográfia A mintákat közvetlenül az elektron érzékeny reziszten alakítják ki egy a szeletet sorosan végigpásztázó elektronsugárral Ritkán használják, leginkább a nagy pontosságú, mester fotómaszkok gyártásához

Elektron sugaras litográfia Kutatásban népszerű λ = h/(2mE)1/2 → λ = 7.7 pm 25 keV esetén Projekciós EBL rendszerek lettek kifejlesztve: Pl.: SCALPEL (SCALPEL = Scattering with Angular Limitation Projection Electron-beam Lithography)

Elektron sugaras litográfia előnyei Nagy felbontás → egészen 5 nm-ig Hasznos tervező eszköz → a közvetlen írás gyors minta módosítást tesz lehetővé (nem kell maszk) Elektron sugaras litográfia hátrányai Költségek (6 – 10 millió $ a hardware) A közvetlen írásnak kicsi a kapacitása → lassú és drága

Projekciós elektron sugaras litográfia

Lágy litográfia Rugalmas bélyegzőket alkalmaznak nanoméretű alakzatokat tartalmazó eszközök gyártásához Elasztikus bélyegző A domborműves bélyegző elektronsugaras litográfiás kialakítása költséges, de a minta másolása PDMS bélyegzőkre egyszerű és csekély költségű

Lágy litográfia Mikroérintkezéses nyomtatás Elasztomer bélyegzőket használnak thiol molekulák felvitelére a felületre, mely általában egy vékony arany vagy ezüst réteg → SAM egyszerű, közvetlen, költséghatékony, rugalmas

Lágy litográfia Mikroérintkezéses nyomtatás Két tipikus deformáció elasztomerek esetében: magas struktúrák összetapadása süllyesztett részek lelógása a nyomtatás során

Lágy litográfia Példák a mikroérintkezéses nyomtatásra: a) SEM kép fibrinogén szelektív abszorpciójáról SAM kialakítású arany rétegen b) SEM kép SAM-mel készített sablonról: szelektív dewetting-gel és kristályosítással kialakított CuSO4 részecskék (nyíl)

Lágy litográfia Elektromos mikroérintkezéses nyomtatás

Lágy litorgráfia Mikroöntés (micromolding) kapillárisokba alacsony viszkozitású anyagok helyezése a csatornák nyílásaihoz → a folyadék automatikusan megtölti a csatornát a kapilláris a kezelés végén az PDMS öntőformát eltávolítják a polimer mikrostruktúráról

Lágy litográfia Másolat öntés hatékony módszer az öntőforma másolására egy lépésben lehet 3D topológiákat másolni a megbízhatóság a nedvesítés és a kitöltés függvénye

Lágy litográfia – egyéb módszerek Merev bélyegzők → többrétegű struktúrák Step-and-flash nyomtatási litográfia kvarc mester bélyegző a bélyegzőt vékony, folyékony polimer rétegre nyomják rá, amely feltölti a bélyegző mélyedéseit a polimert UV fénnyel kezelik ~60 nm-es csíkszélesség Nanonyomtatási litográfia a dombornyomás folyamat egy Tg fölé melegített polimer réteggel van megkönnyítve 6 nm-es csíkszélességet lehet elérni nem sík felületekre is lehet nyomtatni (ezt meg kell nézni)

Nanogolyós litográfia