Fotolithografie - Wikipedia

Photolithographie auch als optische Lithographie oder UV-Lithographie bezeichnet, ist ein Prozess, der bei der Mikrofabrikation zum Strukturieren von Teilen eines dünnen Films oder des Volumens eines Substrats verwendet wird. Es verwendet Licht, um ein geometrisches Muster von einer Fotomaske auf ein lichtempfindliches chemisches "Fotoresist" oder einfach "Resist" auf dem Substrat zu übertragen. Eine Reihe chemischer Behandlungen graviert dann entweder das Belichtungsmuster in das Material oder ermöglicht die Ablagerung eines neuen Materials im gewünschten Muster auf dem Material unter dem Fotolack. Beispielsweise durchläuft ein moderner CMOS-Wafer in komplexen integrierten Schaltungen den photolithographischen Zyklus bis zu 50 Mal.

Photolithography teilt einige grundlegende Prinzipien mit der Fotografie, indem das Muster im Ätzresist erzeugt wird, indem es entweder direkt (ohne Verwendung einer Maske) oder mit einem projizierten Bild unter Verwendung einer optischen Maske Licht ausgesetzt wird. Dieses Verfahren ist vergleichbar mit einer hochpräzisen Version des Verfahrens zur Herstellung von Leiterplatten. Nachfolgende Verfahrensschritte haben mehr mit dem Ätzen als mit dem Lithografiedruck zu tun. Es wird verwendet, weil es extrem kleine Muster erzeugen kann (bis zu einigen zehn Nanometern Größe), es ermöglicht eine genaue Kontrolle der Form und Größe der Objekte, die es erstellt, und weil es Muster auf einer gesamten Oberfläche kostengünstig erzeugen kann . Die Hauptnachteile bestehen darin, dass zunächst ein flaches Substrat benötigt wird. Es ist nicht sehr effektiv bei der Erzeugung von nicht flachen Formen, und es können extrem saubere Betriebsbedingungen erforderlich sein. Photolithographie ist die Standardmethode für die Herstellung von Leiterplatten (PCB) und Mikroprozessoren.

Geschichte [ edit ]

Die Wurzelwörter litho und graphy haben alle griechische Ursprünge mit den Bedeutungen "Licht", "Stein" bzw. "Schrift". Wie aus dem aus ihnen zusammengesetzten Namen hervorgeht, ist Photolithographie ein Druckverfahren (ursprünglich basierend auf der Verwendung von Kalksteinplatten), bei dem Licht eine wesentliche Rolle spielt. In den 1820er Jahren erfand Nicephore Niepce ein fotografisches Verfahren, bei dem Bitumen von Judäa, ein natürlicher Asphalt, als erster Fotolack verwendet wurde. Eine dünne Beschichtung des Bitumens auf einem Blech, Glas oder Stein wurde an der Stelle, an der es Licht ausgesetzt war, weniger löslich; Die unbelichteten Teile konnten dann mit einem geeigneten Lösungsmittel weggespült werden, wobei das darunterliegende Material abgeschreckt wurde, das dann in einem Säurebad chemisch geätzt wurde, um eine Druckplatte herzustellen. Die Lichtempfindlichkeit von Bitumen war sehr schlecht und es waren sehr lange Belichtungszeiten erforderlich, aber trotz der späteren Einführung empfindlicherer Alternativen verlängerten die niedrigen Kosten und die hervorragende Widerstandsfähigkeit gegen starke Säuren seine kommerzielle Lebensdauer bis in das frühe 20. Jahrhundert. Im Jahr 1940 schuf Oskar Süß einen positiven -Photoresist unter Verwendung von Diazonaphthochinon, der auf die entgegengesetzte Weise arbeitete: Die Beschichtung war anfangs unlöslich und wurde dort löslich, wo sie Licht ausgesetzt war. ^[1] 1954, Louis Plambeck Jr. entwickelte die Dycryl-Polymer-Hochdruckplatte, die die Plattenherstellung beschleunigte. ^[2]

Im Jahr 1952 beauftragte das US-Militär Jay W. Lathrop und James R. Nall im National Bureau of Standards (später dem US Army Diamond Ordnance Fuze Laboratory) , die sich schließlich zum heutigen Army Research Laboratory zusammenschlossen, um einen Weg zu finden, die Größe elektronischer Schaltungen zu reduzieren, um die erforderlichen Schaltkreise besser in den begrenzten Platz innerhalb eines Nahfeldzünders einzupassen. ^[3] Inspired Durch die Anwendung von Photoresist, einer lichtempfindlichen Flüssigkeit, die zum Markieren der Grenzen von Nietlöchern in Flugzeugflügeln aus Metall verwendet wird, stellte Nall fest, dass ein ähnlicher Prozess zum Schutz des Germaniums verwendet werden kann in den Transistoren und gleichmäßigen Strukturen der Oberfläche mit Licht. ^[4] Während der Entwicklung gelang es Lathrop und Nall, einen zweidimensionalen miniaturisierten Hybrid-Schaltkreis mit Transistoren unter Verwendung dieser Technik herzustellen. ^[3] 1958, während der IRE Professional Group on Electron Devices (PGED) -Konferenz in Washington, DC, präsentierten sie den ersten Artikel, der die Herstellung von Transistoren unter Verwendung fotografischer Techniken beschreibt, und verwendeten den Begriff "Photolithographie", um den Prozess zu beschreiben. Dies war die erste veröffentlichte Verwendung des Begriffs zur Beschreibung der Strukturierung von Halbleiterbauelementen. 19659011] Trotz der Tatsache, dass die Photolithographie elektronischer Komponenten das Ätzen von Metallduplikaten anstelle des Ätzens von Steinen zu einem "Master" wie beim konventionellen Lithographiedruck betrifft, wählten Lathrop und Nall den Begriff "Photolithographie" statt "Photoätzen", da der erste "High" klang tech. ”^[3] Ein Jahr nach der Konferenz wurde von Lathrop und Nall ein Patent auf die Fotolithografie gemacht ^[6] Die Photolithographie würde später zur Entwicklung der ersten Halbleiter-ICs sowie der ersten Mikrochips beitragen. ^[3]

Grundverfahren [

] Vereinfachte Darstellung des Trockenätzens mit positivem Photoresist während eines Photolithographieprozesses in der Halbleiterfertigung (nicht maßstabsgerecht).

Eine einzelne Iteration der Photolithographie kombiniert mehrere aufeinanderfolgende Schritte. In modernen Reinräumen werden automatisierte, robotergestützte Wafer-Track-Systeme zur Prozesskoordination eingesetzt. Bei dem hier beschriebenen Verfahren werden einige fortgeschrittene Behandlungen wie Verdünnungsmittel oder Randentfernung weggelassen. ^[7]

Reinigung edit

Wenn organische oder anorganische Verunreinigungen auf der Waferoberfläche vorhanden sind, Sie werden normalerweise durch nasschemische Behandlung entfernt, z das RCA-Clean-Verfahren basiert auf Lösungen, die Wasserstoffperoxid enthalten. Andere Lösungen, die mit Trichlorethylen, Aceton oder Methanol hergestellt wurden, können ebenfalls zum Reinigen verwendet werden. ^[8]

Herstellung [ edit ]

Der Wafer wird anfänglich auf eine Temperatur erhitzt, die ausreicht, um jegliche Feuchtigkeit abzutreiben Auf der Waferoberfläche können 150 ° C für 10 Minuten ausreichend sein. Gelagerte Wafer müssen chemisch gereinigt werden, um Verunreinigungen zu entfernen. Ein flüssiger oder gasförmiger "Haftvermittler", wie Bis (trimethylsilyl) amin ("Hexamethyldisilazan", HMDS), wird aufgebracht, um die Haftung des Photoresists an dem Wafer zu fördern. Die Oberflächenschicht aus Siliziumdioxid auf dem Wafer reagiert mit HMDS unter Bildung von trimethyliertem Siliziumdioxid, einer stark wasserabweisenden Schicht, die der Wachsschicht auf der Autolackierung nicht unähnlich ist. Diese wasserabweisende Schicht verhindert, dass der wässrige Entwickler zwischen die Photoresistschicht und die Oberfläche des Wafers eindringt, wodurch das sogenannte Abheben kleiner Photoresiststrukturen im (Entwicklungs-) Muster verhindert wird. Um die Entwicklung des Bildes zu gewährleisten, wird es am besten abgedeckt und über einer heißen Platte platziert und trocknen lassen, während die Temperatur bei 120 ° C stabilisiert wird. ^[9]

Photoresist-Anwendung [ edit ]

Der Wafer wird durch Spincoating mit Photolack bedeckt. Somit wird die obere Resistschicht schnell von der Kante des Wafers ausgeworfen, während die untere Schicht noch langsam radial entlang des Wafers kriecht. Auf diese Weise wird jeglicher "Buckel" oder "Grat" des Resists entfernt, wobei eine sehr flache Schicht verbleibt. Die Enddicke wird auch durch das Verdampfen von flüssigen Lösungsmitteln aus dem Resist bestimmt. Für sehr kleine, dichte Strukturen (<125 nm) sind niedrigere Resistdicken (<0,5 Mikrometer) erforderlich, um Kollaps-Effekte bei hohen Aspektverhältnissen zu überwinden; typische Aspektverhältnisse sind <4: 1. Der mit Fotolack beschichtete Wafer wird dann vorgebacken, um überschüssiges Photoresistlösungsmittel, typischerweise bei 90 bis 100 ° C, 30 bis 60 Sekunden lang auf einer Heizplatte auszutreiben.

Belichtung und Entwicklung [ edit ]

Nach dem Vorbacken wird der Photoresist einem Muster aus intensivem Licht ausgesetzt. Die Belichtung mit Licht verursacht eine chemische Veränderung, die es ermöglicht, einen Teil des Photoresists durch eine spezielle Lösung zu entfernen, die in Analogie zum fotografischen Entwickler "Entwickler" genannt wird. Positiver Photoresist, der häufigste Typ, wird bei Belichtung im Entwickler löslich. mit negativem Fotolack sind unbelichtete Bereiche im Entwickler löslich.

Ein Post-Exposure-Bake (PEB) wird vor der Entwicklung durchgeführt, um typischerweise Stehwellenphänomene zu reduzieren, die durch die destruktiven und konstruktiven Interferenzmuster des einfallenden Lichts verursacht werden. In der Ultraviolettlithographie mit tiefem Ultraviolett wird die chemisch verstärkte Resistchemie (CAR) verwendet. Dieser Prozess ist sehr viel empfindlicher gegenüber der PEB-Zeit, der Temperatur und der Verzögerung, da der Großteil der "Expositions" -Reaktion (Säure erzeugen, das Polymer in dem basischen Entwickler löslich macht) tatsächlich im PEB auftritt. ^[10]

Die Entwicklungschemie wird ähnlich wie bei Fotolack auf einem Spinner abgegeben. Entwickler enthielten ursprünglich oft Natriumhydroxid (NaOH). Natrium wird jedoch als äußerst unerwünschte Verunreinigung bei der MOSFET-Herstellung angesehen, da es die isolierenden Eigenschaften von Gateoxiden verschlechtert (insbesondere können Natriumionen in das Gate hinein und aus dem Gate herauswandern, wodurch die Schwellenspannung des Transistors geändert wird und das Drehen schwieriger oder einfacher wird der Transistor im Laufe der Zeit eingeschaltet ist). Jetzt werden metallionenfreie Entwickler wie Tetramethylammoniumhydroxid (TMAH) verwendet.

Der resultierende Wafer wird dann "hart gebacken", wenn ein nicht chemisch verstärkter Resist verwendet wurde, typischerweise bei 120 bis 180 ° C. ^{Zitat erforderlich} für 20 bis 30 Protokoll. Das harte Brennen verfestigt den verbleibenden Photoresist, um eine dauerhaftere Schutzschicht bei der zukünftigen Ionenimplantation, dem chemischen Nassätzen oder dem Plasmaätzen zu schaffen.

Ätzen [ edit ]

Beim Ätzen entfernt ein flüssiger ("nasser") oder plasmabasierter ("trockener") Wirkstoff die oberste Schicht des Substrats in den Bereichen, die sich befinden nicht durch Fotolack geschützt. Bei der Halbleiterherstellung werden im Allgemeinen Trockenätztechniken verwendet, da sie anisotrop gemacht werden können, um ein erhebliches Unterschneiden des Fotoresistmusters zu vermeiden. Dies ist wesentlich, wenn die Breite der zu definierenden Merkmale der Dicke des zu ätzenden Materials ähnlich ist oder geringer als diese ist (d. H. Wenn sich das Aspektverhältnis der Einheit nähert). Nassätzprozesse sind im Allgemeinen isotroper Natur, was für mikroelektromechanische Systeme, in denen aufgehängte Strukturen aus der darunterliegenden Schicht "freigesetzt" werden müssen, oft unverzichtbar ist.

Durch die Entwicklung eines anisotropen Trockenätzprozesses mit niedriger Defektivität konnten die immer kleineren, im Fotolack fotographisch definierten Merkmale auf das Substratmaterial übertragen werden.

Entfernung des Fotolacks [ edit ]

Nachdem ein Fotolack nicht mehr benötigt wird, muss er vom Substrat entfernt werden. Dies erfordert normalerweise einen flüssigen "Resist-Stripper", der den Resist chemisch verändert, so dass er nicht mehr auf dem Substrat haftet. Alternativ kann der Fotolack durch ein Sauerstoff enthaltendes Plasma entfernt werden, das ihn oxidiert. Dieser Vorgang wird Veraschung genannt und ähnelt Trockenätzen. Die Verwendung von 1-Methyl-2-pyrrolidon (NMP) -Lösungsmittel für Photoresist ist ein anderes Verfahren, das zum Entfernen eines Bildes verwendet wird. Wenn der Resist gelöst ist, kann das Lösungsmittel durch Erhitzen auf 80 ° C ohne Rückstände entfernt werden. ^[11]

Belichtungs- ("Druck") -Systeme [ edit ]

Der Wafer Spurabschnitt eines Ausrichters, der 365 nm ultraviolettes Licht verwendet

Belichtungssysteme erzeugen typischerweise ein Bild auf dem Wafer unter Verwendung einer Fotomaske. Die Fotomaske blockiert Licht in einigen Bereichen und lässt es in anderen Bereichen passieren. (Maskenlose Lithographie projiziert einen präzisen Strahl ohne Verwendung einer Maske direkt auf den Wafer, wird jedoch bei kommerziellen Prozessen nicht weit verbreitet.) Belichtungssysteme können durch die Optik klassifiziert werden, die das Bild von der Maske auf den Wafer überträgt.

Die Photolithographie erzeugt aufgrund glatter gedruckter Schichten, weniger Wellenmuster und genauerer Registrierung der Drain-Source-Elektrode bessere Dünnfilmtransistorstrukturen als gedruckte Elektronik. ^[12]

Kontakt und Nähe [ edit ]

Ein Kontaktdrucker, das einfachste Belichtungssystem, bringt eine Fotomaske in direkten Kontakt mit dem Wafer und belichtet sie mit einem gleichmäßigen Licht. Ein Proximity-Drucker legt eine kleine Lücke zwischen Fotomaske und Wafer fest. In beiden Fällen bedeckt die Maske den gesamten Wafer und strukturiert gleichzeitig jeden Die.

Durch den Kontaktdruck werden wahrscheinlich sowohl die Maske als auch der Wafer beschädigt, und dies war der Hauptgrund, weshalb er aus Gründen der Massenproduktion aufgegeben wurde. Sowohl für die Kontakt- als auch für die Proximity-Lithographie ist es erforderlich, dass die Lichtintensität über einen gesamten Wafer gleichmäßig ist und die Maske sich präzise an bereits auf dem Wafer vorhandenen Elementen ausrichtet. Da moderne Verfahren immer größere Wafer verwenden, werden diese Bedingungen zunehmend schwieriger.

Forschungs- und Prototyping-Verfahren verwenden häufig Kontakt- oder Proximity-Lithographie, da sie preiswerte Hardware verwendet und eine hohe optische Auflösung erreichen kann. Die Auflösung in der Proximity-Lithographie ist ungefähr die Quadratwurzel des Produkts aus Wellenlänge und Spaltabstand. Mit Ausnahme der Projektionslithographie (siehe unten) bietet Kontaktdruck daher die beste Auflösung, da der Spaltabstand ungefähr null ist (wobei die Dicke des Fotolacks selbst vernachlässigt wird). Darüber hinaus kann die Nanoimprint-Lithographie das Interesse an dieser bekannten Technik wiederbeleben, zumal die Betriebskosten voraussichtlich niedrig sind. Die oben diskutierten Nachteile des Kontaktdrucks bleiben jedoch eine Herausforderung.

Projektion [ edit ]

Die Lithographie in sehr großem Maßstab (VLSI) verwendet Projektionssysteme. Im Gegensatz zu Kontakt- oder Näherungsmasken, die einen gesamten Wafer abdecken, zeigen Projektionsmasken (als "Retikel" bezeichnet) nur einen Chip oder ein Array von Dies (als "Feld" bekannt). Projektionsbelichtungssysteme (Stepper oder Scanner) projizieren die Maske viele Male auf den Wafer, um das vollständige Muster zu erzeugen.

Photomasks [ edit ]

Das Bild für die Maske stammt aus einer computerisierten Datendatei. Diese Datendatei wird in eine Reihe von Polygonen umgewandelt und mit einem photolithographischen Verfahren auf ein Quadrat aus Quarzglas aufgetragen, das mit einer Chromschicht bedeckt ist. Ein Laserstrahl (Laserschreiber) oder ein Elektronenstrahl (E-Beam-Schreiber) wird verwendet, um das durch die Datendatei definierte Muster zu belichten, und bewegt sich entweder vektoriell oder durch Rasterabtastung über die Oberfläche des Substrats. Wenn der Fotolack auf der Maske belichtet wird, kann das Chrom weggeätzt werden, wodurch ein freier Weg für das Beleuchtungslicht im Stepper / Scannersystem entsteht.

Auflösung in Projektionssystemen [ edit ]

Die gefilterte Leuchtstofflampe in Fotolithografie-Reinräumen enthält kein ultraviolettes oder blaues Licht, um die Belichtung von Fotolacken zu vermeiden. Das von solchen Scheinwerfern emittierte Lichtspektrum verleiht praktisch allen solchen Räumen eine helle gelbe Farbe.

Die Fähigkeit, ein klares Bild eines kleinen Merkmals auf den Wafer zu projizieren, ist durch die Wellenlänge des verwendeten Lichts und die Fähigkeit begrenzt des Reduktionslinsensystems, um genügend Beugungsordnungen von der beleuchteten Maske zu erfassen. Gegenwärtige Fotolithographiewerkzeuge des Standes der Technik verwenden tiefes ultraviolettes (DUV) Licht von Excimer-Lasern mit Wellenlängen von 248 und 193 nm (die heute dominante Lithographietechnologie wird daher auch als "Excimer-Laser-Lithographie" bezeichnet), die minimale Strukturgrößen ermöglichen bis 50 nm. Die Excimer-Laser-Lithographie hat somit eine entscheidende Rolle für das Fortschreiten des sogenannten Moore-Gesetzes in den letzten 20 Jahren gespielt (siehe unten ^[13]).

Die minimale Feature-Größe, die ein Projektionssystem drucken kann, ist ungefähr gegeben durch:

$A A A A A A A { frac { lambda} {NA}}$

wobei

$D D D$ $k_1$ (allgemein als k1-Faktor bezeichnet) ist ein Koeffizient, der prozessbedingte Faktoren einkapselt und für die Produktion typischerweise 0,4 beträgt. Die minimale Strukturgröße kann reduziert werden, indem dieser Koeffizient durch Computational Lithography verringert wird.

${ displaystyle , lambda}$ $NA$ der Linse vom Wafer aus gesehen

Gemäß dieser Gleichung können minimale Strukturgrößen durch Verringern der Wellenlänge und Erhöhen der numerischen Apertur verringert werden (um einen engeren fokussierten Strahl und eine kleinere Fleckgröße zu erreichen). Diese Entwurfsmethode führt jedoch zu einer konkurrierenden Einschränkung. In modernen Systemen ist die Tiefenschärfe ebenfalls ein Problem:

${\displaystyle D_F=k_{2}19\; <!--\; \cdot \; -->\frac{\mathrm{\lambda \; <!--\; \lambda \; -->}}{{NA}^2}}$

Hier ${ displaystyle , k_ {2}}$ Chemisch-mechanisches Polieren wird häufig verwendet, um die Topographie vor hochauflösenden Lithographieschritten zu glätten.

Stochastische Effekte [ edit ]

Stochastische Wirkung auf das Luftbild. Aufgrund der im Allgemeinen niedrigen EUV-Dosen sind die statistischen Grenzen des Bildes merklich groß. Ein einzelner Ort innerhalb einer großen Objektgruppe könnte, wie hier dargestellt, eine starke Bildverzerrung erleiden.

Da Licht aus Photonen besteht, hängt die Bildqualität bei niedrigen Dosen letztendlich von der Photonenzahl ab. Dies betrifft die Verwendung der extremen Ultraviolett-Lithographie oder EUVL, die auf die Verwendung niedriger Dosen in der Größenordnung von 20 Photonen / nm beschränkt ist . ^[14] Dies liegt an weniger Photonen bei gleicher Energiedosis für eine kürzere Wellenlänge (höhere Energie pro Photon).

Lichtquellen [ edit ]

Einer der evolutionären Wege der Lithographie ist die Verwendung kürzerer Wellenlängen. Es ist erwähnenswert, dass dieselbe Lichtquelle für mehrere Technologiegenerationen verwendet werden kann.

In der Photolithographie wurde früher ultraviolettes Licht aus Gasentladungslampen mit Quecksilber verwendet, manchmal in Kombination mit Edelgasen wie Xenon. Diese Lampen erzeugen Licht über ein breites Spektrum mit mehreren starken Peaks im ultravioletten Bereich. Dieses Spektrum wird gefiltert, um eine einzelne Spektrallinie auszuwählen. Von den frühen 1960er bis Mitte der 1980er Jahre wurden Hg-Lampen in der Lithographie für ihre Spektrallinien bei 436 nm (&quot;g-Linie&quot;), 405 nm (&quot;h-Linie&quot;) und 365 nm (&quot;i-Linie&quot;) verwendet. ). Da die Halbleiterindustrie jedoch sowohl eine höhere Auflösung (für die Herstellung dichter und schnellerer Chips) als auch einen höheren Durchsatz (für niedrigere Kosten) benötigt, waren die lampenbasierten Lithographietools nicht mehr in der Lage, die High-End-Anforderungen der Branche zu erfüllen.

Diese Herausforderung wurde überwunden, als 1982 in einer wegweisenden Entwicklung die Excimer-Laser-Lithographie bei Kanti Jain vorgeschlagen und vorgeführt wurde, ^{[15][16][17][18]} und heute sind Excimer-Laser-Lithographiemaschinen (Stepper und Scanner) weltweit die wichtigsten Werkzeuge der Mikroelektronik Produktion. Aufgrund der phänomenalen Fortschritte in der Werkzeugtechnologie in den letzten zwei Jahrzehnten war die Ansicht der Halbleiterindustrie ^[13] der Ansicht, dass die Excimer-Laser-Lithographie ein entscheidender Faktor für den weiteren Fortschritt des Mooreschen Gesetzes war, der es ermöglichte, die minimale Strukturgröße der Chip-Fertigung von 0,5 zu schrumpfen Mikrometer 1990 bis 45 Nanometer und darunter 2010. Dieser Trend setzte sich in diesem Jahrzehnt für noch dichtere Chips fort, wobei die minimalen Merkmale 2016 10 Nanometer erreichten. ^[19] Aus einer noch breiteren wissenschaftlichen und technologischen Perspektive in der 50-jährigen Geschichte Seit seiner ersten Demonstration im Jahr 1960 wurde die Erfindung und Entwicklung der Excimer-Laser-Lithographie als wichtiger Meilenstein gewertet. ^{[20] [21] [22]}

Die in Lithographiesystemen üblicherweise verwendeten tiefen Ultraviolett-Excimerlaser sind der Kryptonfluoridlaser bei einer Wellenlänge von 248 nm und der Argonfluoridlaser bei einer Wellenlänge von 193 nm. Die Haupthersteller von Excimer-Laserlichtquellen in den 1980er Jahren waren Lambda Physik (jetzt Teil von Coherent, Inc.) und Lumonics. Seit Mitte der 1990er Jahre ist Cymer Inc. der dominierende Lieferant von Excimer-Laserquellen für Hersteller von Lithographieausrüstungen, wobei Gigaphoton Inc. der nächste Konkurrent ist. Im Allgemeinen ist ein Excimer-Laser so ausgelegt, dass er mit einem bestimmten Gasgemisch arbeitet. Daher ist das Ändern der Wellenlänge keine triviale Angelegenheit, da das Verfahren zur Erzeugung der neuen Wellenlänge völlig unterschiedlich ist und sich die Absorptionseigenschaften von Materialien ändern. Zum Beispiel beginnt Luft bei der Wellenlänge von 193 nm signifikant zu absorbieren; Um zu Wellenlängen von unter 193 nm zu gelangen, müssten Vakuumpumpen- und Spülvorrichtungen an den Lithographiewerkzeugen installiert werden (eine erhebliche Herausforderung). Außerdem setzen isolierende Materialien wie Siliziumdioxid, wenn sie Photonen mit einer Energie ausgesetzt werden, die größer als die Bandlücke ist, freie Elektronen und Löcher frei, die anschließend eine nachteilige Aufladung verursachen.

Die optische Lithographie wurde mit dem 193-nm-ArF-Excimerlaser und der Flüssigkeitsimmersionstechnik auf Merkmalsgrößen unter 50 nm erweitert. Dies wird auch als Immersionslithographie bezeichnet und ermöglicht die Verwendung von Optiken mit numerischen Aperturen über 1,0. Die verwendete Flüssigkeit ist typischerweise ultrareines, entionisiertes Wasser, das für einen Brechungsindex sorgt, der über dem des üblichen Luftspalts zwischen der Linse und der Waferoberfläche liegt. Das Wasser wird ständig umgewälzt, um thermisch bedingte Verzerrungen zu beseitigen. Wasser erlaubt nur NA &#39; s von bis zu ~ 1,4, aber Flüssigkeiten mit höheren Brechungsindizes würden die effektive NA weiter erhöhen.

Die Veränderung der Lithographiewellenlänge ist durch die Absorption signifikant begrenzt. Luft absorbiert darunter ca. 185 nm .

Experimentelle Werkzeuge, bei denen die 157 nm-Wellenlänge des F2-Excimer-Lasers auf ähnliche Weise wie derzeitige Belichtungssysteme verwendet wird, wurden gebaut. Diese waren einst darauf ausgerichtet, die 193-nm-Lithographie am Knoten mit einer Strukturgröße von 65 nm zu erreichen, wurden jedoch durch die Einführung der Immersionslithographie fast vollständig eliminiert. Dies war auf anhaltende technische Probleme mit der 157-nm-Technologie und wirtschaftlichen Erwägungen zurückzuführen, die starke Anreize für die weitere Verwendung der 193-nm-Excimerlaser-Lithographietechnologie gaben. Die Immersionslithographie mit hohem Index ist die neueste Erweiterung der 193-nm-Lithographie. Im Jahr 2006 demonstrierte IBM mit dieser Technik Merkmale unter 30 nm. ^[23]

Es wurden UV-Excimer-Laser mit einer Wellenlänge von etwa 126 nm nachgewiesen (für Ar ₂ *). . Quecksilberbogenlampen sind so ausgelegt, dass sie einen konstanten Gleichstrom von 50 bis 150 Volt aufrechterhalten, jedoch haben Excimer-Laser eine höhere Auflösung. Excimer-Laser sind gasbasierte Lichtsysteme, die normalerweise mit Inert- und Halogenidgasen (Kr, Ar, Xe, F und Cl) gefüllt sind, die durch ein elektrisches Feld aufgeladen werden. Je höher die Frequenz, desto höher ist die Auflösung des Bildes. KrF-Laser können mit einer Frequenz von 4 kHz arbeiten. Excimer-Laser arbeiten nicht nur mit einer höheren Frequenz, sondern sind auch mit moderneren Maschinen als Quecksilberbogenlampen kompatibel. Sie können auch aus größeren Entfernungen (bis zu 25 Metern) betrieben werden und ihre Genauigkeit mit einer Reihe von Spiegeln und Antireflex-beschichteten Gläsern beibehalten. Durch das Aufstellen mehrerer Laser und Spiegel wird der Energieverlust minimiert. Da die Linsen mit antireflektierendem Material beschichtet sind, bleibt die Lichtintensität vom Verlassen des Lasers bis zum Auftreffen auf den Wafer relativ gleich. ^[24]

Laser wurden verwendet, um indirekt nichtkohärentes extremes UV-Licht (EUV-Licht) bei 13,5 nm für die Ultraviolettlithographie mit extremer Ultraviolettstrahlung zu erzeugen. Das EUV-Licht wird nicht vom Laser emittiert, sondern von einem Zinn- oder Xenonplasma, das von einem Excimerlaser angeregt wird. Die Herstellung von Strukturgrößen von 10 nm wurde in Produktionsumgebungen demonstriert, jedoch noch nicht für die Kommerzialisierung. Dies wird jedoch bis 2016 erwartet. ^[25] Diese Technik erfordert kein Synchrotron, und EUV-Quellen erzeugen, wie erwähnt, kein kohärentes Licht. Vakuumsysteme und eine Reihe neuartiger Technologien (einschließlich viel höherer EUV-Energien als jetzt produziert) sind jedoch erforderlich, um am Rand des Röntgenspektrums (das bei 10 nm beginnt) mit UV zu arbeiten.

Theoretisch ist eine alternative Lichtquelle für die Photolithographie der Freie-Elektronen-Laser (insbesondere, wenn die Wellenlängen weiter zu extremen UV- oder Röntgenstrahlen abnehmen) (oder man könnte sagen, Xaser für ein Röntgengerät). Freie-Elektronen-Laser können bei beliebigen Wellenlängen Strahlen hoher Qualität erzeugen.

Für die Lithographie wurden auch sichtbare und infrarote Femtosekundenlaser eingesetzt. In diesem Fall werden photochemische Reaktionen durch Multiphotonenabsorption ausgelöst. Die Verwendung dieser Lichtquellen hat viele Vorteile, einschließlich der Möglichkeit, echte 3D-Objekte herzustellen und nicht photosensibilisierte (reine) glasartige Materialien mit hervorragender optischer Elastizität zu verarbeiten. ^[26]

Experimentelle Methoden [ edit ]]

Die Photolithographie hat viele Vorhersagen über ihren Untergang besiegt. In den frühen achtziger Jahren waren viele in der Halbleiterbranche beispielsweise der Meinung, dass Merkmale unter 1 Mikrometer nicht optisch gedruckt werden könnten. Moderne Techniken, bei denen die Excimer-Laser-Lithographie verwendet wird, drucken bereits Merkmale mit einem Bruchteil der Wellenlänge des verwendeten Lichts - eine erstaunliche optische Leistung. Neue Tricks wie Immersionslithographie, Dual-Tone-Resist und Multiple Patterning verbessern weiterhin die Auflösung der 193-nm-Lithographie. In der aktuellen Forschung werden derzeit Alternativen zu konventionellem UV gesucht, wie Elektronenstrahllithographie, Röntgenlithographie, Extrem-Ultraviolett-Lithographie und Ionenprojektionslithographie.

Siehe auch [ edit ]

Referenzen [ edit

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External links[edit]