Фотолитография. И. С. Батурин
 Скачать 2.13 Mb.
|
|
Министерство образования и науки Российской Федерации И.С. БАТУРИН ФОТОЛИТОГРАФИЯ Электронный образовательный ресурс УрФУ Учебно-методическое обеспечение модуля Для студентов всех форм обучения направления 222900 «Нанотехнологии и микросистемная техника» Разработано на кафедре компьютерной физики Екатеринбург 2012 2 МЕТАДАННЫЕ Названия поля метаданных Пример заполнения Наименование ФОТОЛИТОГРАФИЯ Аннотация Учебно-методическое обеспечение модуля «Фотолитография» для сту- дентов всех форм обучения направления 210600 «Нанотехнология» и 222900 «Нанотехнологии и микросистемная техника». Предназначен для ознакомление с методиками формирования микро- и наноструктур на поверхности и в объеме различных материалов с помощью совре- менных методов микро- и нанолитографии. Ключевые слова Фотолитография, микролитография, нанолитография, микросистемная техника, микроэлектроника, микроструктуры, наноструктуры Авторы Батурин И.С. Предназначение ООП 210600, 222900, кафедра низких температур – Фотолитография Рубрикатор Математика. Естественные науки Физика 3 ОГЛАВЛЕНИЕ Метаданные ................................................................................................................... 2 Оглавление .................................................................................................................... 3 Аннотация ...................................................................................................................... 6 Введение ........................................................................................................................ 7 1.1 Предмет курса ................................................................................................... 7 1.2 История фотолитографии ................................................................................ 8 1.3 Применение фотолитографии ......................................................................... 8 1.4 Развитие микроэлектронной промышленности, закон Мура ......................... 9 1.5 Основные операции процесса фотолитографии .......................................... 13 2 Резисты .................................................................................................................. 15 2.1 Назначение и параметры резистов ............................................................... 15 2.2 Спектральный диапазон резистов ................................................................. 17 2.3 Тональность резистов .................................................................................... 20 2.3.1 Позитивные резисты ........................................................................... 20 2.3.2 Негативные резисты ........................................................................... 22 2.4 Хранение резистов ......................................................................................... 23 3 Подготовка поверхности ....................................................................................... 24 3.1 Необходимость подготовки поверхности ...................................................... 24 3.2 Типы загрязнения поверхности и их источники ............................................ 24 3.3 Методы очистки .............................................................................................. 26 3.3.1 Жидкостные методы очистки ............................................................. 26 3.3.2 Оборудование для жидкостных методов очистки ............................ 29 3.3.3 Методы очистки в газовой фазе ......................................................... 31 3.4 Обработка поверхности промоутерами адгезии .......................................... 32 4 Процессы нанесения резиста ............................................................................... 34 4.1 Требуемые характеристики пленок резиста ................................................. 34 4.2 Методы нанесения резиста ............................................................................ 34 5 Термическая обработка резиста .......................................................................... 38 5.1 Типы термической обработки ........................................................................ 38 5.1.1 Сушка резиста после нанесения ......................................................... 38 5.1.2 Задубливание резиста после проявки ................................................. 39 5.1.3 Постэкспозиционная термическая обработка .................................. 40 5.2 Оборудование для термической обработки резиста ................................... 41 6 Совмещение и экспонирование ........................................................................... 43 6.1 Типы фотолитографии ................................................................................... 43 4 6.1.1 Контактная фотолитография ........................................................... 44 6.1.2 Проекционная фотолитография......................................................... 48 6.2 Совмещение .................................................................................................... 50 6.3 Пространственное разрешение проекционной литографии ........................ 52 6.3.1 Изменение основных параметров оптической системы ............................ 53 6.3.2 Технические приемы улучшения разрешения .............................................. 55 6.3.3 Многократное экспонирование и проявка .................................................. 57 6.3.4 Состояние на 2012 год ......................................................................... 59 7 Проявление резиста ............................................................................................. 60 7.1 Механизмы проявки изображения ................................................................. 60 7.1.1 Проявка ДХН резистов ......................................................................... 60 7.1.2 Проявка негативных резистов ............................................................ 62 7.2 Поперечный профиль резистной маски ........................................................ 62 7.3 Методы и оборудование для проявки резиста ............................................. 63 8 Снятие резиста ...................................................................................................... 65 9 Фотошаблоны ........................................................................................................ 66 9.1 Назначение и параметры фотошаблонов ..................................................... 66 9.2 Процесс разработки и изготовления фотошаблонов ................................... 67 10 Методы переноса изображения ........................................................................... 71 10.1 Назначение и классификация методов переноса изображения ................. 71 10.2 Перенос изображений с помощью нанесения тонких пленок ...................... 71 10.2.1 Прямая литография .............................................................................. 71 10.2.2 Обращенная (взрывная) литография .................................................. 72 10.2.3 Методы нанесения тонких пленок ...................................................... 73 10.3 Перенос изображения с помощью травления .............................................. 77 10.3.1 Жидкостное химическое травление ................................................... 78 10.3.2 Сухое травление ................................................................................... 79 10.3.3 Перенос изображений с помощью модификации поверхностного слоя ......................................................................................................... 83 11 От микро- к нанолитографии ................................................................................ 85 11.1 Потребность в разработке методов нанолитографии.................................. 85 11.2 Литография в области экстремального ультрафиолета (EUV). .................. 85 11.3 Электронно-лучевая нанолитография .......................................................... 87 11.4 Наноимпринт литография .............................................................................. 88 11.5 Нанолитография с использованием сканирующей зондовой микроскопии 90 12 Технологии чистоты в микро- и нанолитографии ............................................... 91 5 12.1 Введение в технологии чистоты .................................................................... 91 12.2 Стандарты классификации чистых помещений ........................................... 91 12.3 Классификация чистых помещений .............................................................. 92 12.4 Способы обеспечения чистоты ...................................................................... 93 Список использованных источников .......................................................................... 94 6 АННОТАЦИЯ Учебно-методическое обеспечение модуля «Фотолитография» для сту- дентов всех форм обучения направления 210600 «Нанотехнология» и 222900 «Нанотехнологии и микросистемная техника». Предназначен для ознакомле- ние с методиками формирования микро- и наноструктур на поверхности и в объеме различных материалов с помощью современных методов микро- и нанолитографии. ЭОР разработан на кафедре компьютерной физики Института есте- ственных наук УрФУ. Автор – доцент кафедры компьютерной физики Бату- рин И.С. 7 ВВЕДЕНИЕ 1.1 Предмет курса Данный курс предназначен для ознакомления с методиками формиро- вания микро- и наноструктур на поверхности и в объеме различных материа- лов с помощью современных методов микро- и нанолитографии. Фотолитография (от греч. photos - свет, lithos - камень и grapho - пишу) – наиболее часто используемая методика микро- и нанолитографии, основан- ная на использовании фотохимических процессов. В качестве одного из ва- риантов определений можно предложить такое: фотолитография – это спо- соб переноса рисунка с фотошаблона на поверхность материала с помощью освещения слоя фотоактивного вещества (фоторезиста), нанесенного на поверхность и его последующей обработки. Более общим понятием является «микро- и нанолитография» (в англоязычной литературе часто встречаются термины «micro- and nanomanufacturing», «microlithography», «nanolithography»), которое включает все методы создания искусственных структур микро- и нанометровых размеров. В рамках данного курса будут рассмотрены все основные составляю- щие процесса классической фотолитографии, а также представлены совре- менные достижения данного метода. Кроме того, будут рассмотрены иные современные методики нанолитографии, в которых фотопроцессы не приме- няются. Литографические процессы можно разделить на два основных класса: 1) получение рисунка в слое резиста; 2) перенос изображения, сформированного в резисте на подложку. Для получения рисунка в слое фоторезиста может использоваться оп- тическая литография (фотолитография), электронно-лучевая литография, наноимпринт литография и другие методы. Формирование рисунка в слое ре- зиста будет подробно рассмотрено в главах 2-9 и 11. 8 Для переноса изображения используются такие методики как травле- ние, нанесение тонких пленок и модификация поверхности. Данные методы будут подробно рассмотрены в главе 10. 1.2 История фотолитографии Изобретателем литографии считается Иога́нн А́лоиз Зе́нефельдер (нем. Johann Alois Senefelder; 1771-1834), который в 1798 году предложил новый способ печати, основанный на несмешиваемости масла и воды и получил на него патент. Следующий шаг в развитии литографии был сделан в 1826 году с изоб- ретением фотографии французом Жозефом Нисефором Ньепсом (Joseph Nicéphore Niépce, 1765-1833). Первая фотография представляла собой рель- ефное изображение, полученное в битуме на оловянной пластинке, при этом проявка изображения осуществилась лавандовым масло и уайт-спиритом. В 1935 году Louis Minsk из компании Eastman Kodak изобрел синтети- ческий фотополимер поли (циннамат винила), основу негативного фоторези- ста. В 1940 году Otto Suess изобрел первый позитивный резист на основе ди- азохинонового эфира, который до сих пор не потерял своей актальности. Первые применения фотолитографии в микроэлектронике относятся к 1955 г., когда Jules Andrus и Walter L. Bond из Bell Labs адаптировали фото- литографическую методику для получения сложных рисунок печатных плат. Затем в течении всего нескольких лет фотолитография прочно вошла в арсе- нал технологий производства полупроводниковых устройств, а затем и полу- проводниковых интегральных схем (Jack Kilby, Texas Instruments и Robert Noyce, Fairchild Semiconductor, 1958-1959 гг.). 1.3 Применение фотолитографии Невозможно переоценить роль процесса фотолитографии в современ- ной технике. Во-первых, на этой технологии базируется вся микроэлек- тронная промышленность (изготовление интегральных полупроводнико- вых электрических схем – от простейших цифровых микросхем двоичной ло- 9 гики до элементов памяти и процессоров). Микроэлектронное производство в настоящее время выполняется в основном по планарной технологии, то есть структуры формируются на плоской пластине. В подавляющем большинстве случаев в качестве исходного материала используется монокристаллический кремний. Кроме микроэлектронной промышленности есть еще множество дру- гих применений данной технологии, например: в оптоэлектронике фотолитография позволяет создавать массивы источ- ников или детекторов света (например, для цифровых фото- и видеока- мер), дисплеи на жидких кристаллах; устройства интегральной оптики позволяют управлять светом по анало- гии с электрическими сигналами; фотовольтаические элементы являются актуальным возобновляемым ис- точником электроэнергии; микро- и наноэлектромеханические системы (МЭМС и НЭМС или мик- росистемная техника) позволяют интегрировать механические элементы, движители, сенсоры и управляющую электронику на одной кремниевой пластине; в нанофотонике методами микро- и нанолитографии создаются фотон- ные кристаллы, обладающие необычными оптическими свойствами. Таким образом, методы микро- и нанолитографии (а в частности и фо- толитографии) используются очень широко. 1.4 Развитие микроэлектронной промышленности, закон Мура Несмотря на широкое применение методов микро- и нанолитографии в различных областях техники, основной вектор развития этих методов задает все-таки микроэлектронная промышленность. C самого начала своего разви- тия микроэлектроника демонстрирует высокие скорости роста отрасли. Сложность микроэлектронных устройств можно характеризовать, например, по количеству транзисторов, изготавливаемых в одной интегральной схеме 10 без существенного увеличения размера схемы. Увеличение количества тран- зисторов приводит к росту функциональности и интеграции разных функций в одну интегральную схему. В 1965 году Гордон Мур (Gordon Moore), в то время один из основате- лей и директор отдела разработок Fairchild Semiconductor, а впоследствии один из основателей компании Intel, опубликовал знаменитую работу в жур- нале Electronics, в которой рассмотрел развитие интегральных схем с 1959 года и показал, что экономически выгодное количество элементов в одной интегральной схеме (рис. 1, а) увеличивается в два раза каждый год и экстра- полировал данную зависимость в будущее (рис. 1, б), предсказав, таким обра- зом, экспоненциальный рост (названный позднее «закон Мура» - «Moore’s Law»). В 1975 г. Мур, основываясь на новых данных, скорректировал свой прогноз как удвоение каждые два года. Впоследствии термин «закон Мура» стал использоваться в более широком смысле как символ развития микро- электронной промышленности. Кроме того, зачастую он формулируется как удвоение за 18 месяцев (1,5 года), хотя сам Мур в своих работах такую фор- мулировку не применял. Стоит отметить, что формулировка закона носит чи- сто экономический характер. Тем не менее, на протяжении вот уже более 45 лет закон Мура является своеобразным флагом всей микроэлектронной про- мышленности, а непрерывное развитие технологических возможностей мик- ролитографии делают возможным выполнение этого закона. На рис. 2 показана зависимость количества транзисторов в микропро- цессорах с 1970 по 2011 гг. Видно, что полученная зависимость в целом удо- влетворяет закону Мура при изменении количества транзисторов на 6 поряд- ков! Неотъемлемым атрибутом роста количества транзисторов на одной ин- тегральной схеме является уменьшение размеров отдельных элементов. 11 (а) (б) Рисунок 1. Иллюстрация Закона Мура: (а) относительная себестоимости одного элемента интегральной схемы в зависимости от полного количества элементов для разных лет; (б) логарифм наиболее экономически выгодного количества элементов в одной схеме в зави- симости от года. Рисунок 2. Рост количества транзисторов в микропроцессорах. Линией показана зависи- мость, соответствующая удвоению количества транзисторов за два года. В микроэлектронике технологии с точки зрения размеров элементов принято характеризовать технологической нормой (technology node), соот- ветствующей половине периода размещения наименьших элементов инте- гральной схемы (half-pitch). Как правило, переход от одной нормы к другой происходит при уменьшении размера примерно в 2 раз. Таким образом, на примере последних поколений процессоров технологические нормы будут соответствовать 90, 65, 45, 32, 22 нм (к 2012 г). В будущем планируется пе- 12 реход на нормы 16 и 11 нм и далее. В настоящее время технологические нор- мы регулируются организацией ITRS (The International Technology Roadmap for Semiconductors, http://www.itrs.net ), публикующей дорожные карты (road maps) развития технологий микроэлектроники. Переход на следующую технологическую норму происходит в среднем за 2-3 года. Из рис. 3 видно, что с 1970 г. идет непрерывное уменьшение раз- меров и к настоящему времени они уже составляют десятки нанометров! Следует также отметить, что размеры отдельных элементов (например, длина канала транзистора) могут быть даже меньше численного значения техноло- гической нормы. В процессе многолетней эволюции микроэлектронной тех- нологии неоднократно предсказывалось, что дельнейшее уменьшение разме- ров приведет к невозможности использования методики фотолитографии в скором времени. Тем не менее, фотолитография до сих пор используется в качестве основной технологии. Факторы, которые этому способствуют будут рассмотрены в главе 11. Уменьшение размеров элементов и увеличение степени интеграции также сопровождается увеличением размера используемых кремниевых пла- стин. Рисунок 3. Уменьшение размеров элементов с течением времени. Вертикальной чертой отмечен 2012 г. Цветом выделены прогнозируемые значения. 13 На сегодняшний день (2012 г.) наиболее широко используются пласти- ны диаметром 300 мм и планируется переход на пластины диаметром 450 мм. |