Litografi Vad är litografi? Vad är syftet med litografi? Vilka parametrar styr litografi?

Litografi Föreläsningens mål: Introducera följande begrepp: Litografi, speciellt fotolitografi Material inom litografi, speciellt fotoresister Exponeringsmetoder Nya metoder inom litografi - Förklara: En vanlig litografiprocess inom CMOS teknologi Begränsningar hos fotolitografi Föreläsningens mål: Introducera begreppet litografi Introducera material inom fotolitografi, speciellt fotoresister Visa på exponeringsmöjligheter för fotolitografi Visa på begränsningar inom fotolitografi, upplösning etc. Introducera nya metoder inom fotolitografi Youtubeklipp Målet för dagens föreläsning är att ni ska kunna förklara hur en litografi- process går till (vi ska gå in på lite mer detaljerad nivå än andra delar men det beror på litografins så centrala betydelse, dels kommer ni utföra litografi på labb) Mål är också att ni ska känna till teknikens begränsningar

Litografi Att överföra ett mönster från en förlaga till ett solitt material Historiskt sett från grekiskans lithos = sten och gráphein = skriva Dateras från början av 1800-tal, inom konst mönstrade bitumen på glas och gjorde kemisk etsning. Inom integrerade kretsar (IC) industri på 1960-talet. Idag ytterst viktigt för all beräkningsstyrd elektronik. 60% av tiden och 30% av kostnaden för IC-tillverkning. State of the art 22nm linjebredd, 16 och 11 nm ligger i pipeline 32nm litografi med hjälp av immersions exponering Första litografin följt av etsning, 1827

Olika typer av litografi Skrivande tekniker: Projektionstekniker: Trycktekniker: Typer av litografi: ¤ Skrivande tekniker: Laserwriting, e-beam, ion beam, scanning probe techniques, ink jet, SPM; Direkt skrivande med ”färg” eller med en energi- stråle i en förändringsbar film från en virtuell förlaga. Upplösning ända ner till atomnivå men mycket tidskrävande. Maskerna görs på detta sätt här på Liu. ¤ Projektionstekniker: UV, EUV, X ray, e-beam, ion beam Att projicera en energistråle genom en mönster (förlaga) ner på en film så att de belysta områdena förändras. Den vanligaste tekniken inom IC industri. ¤ Trycktekniker: Mjuk litografi, NIL (nano imprint lithography), screenprinting Att överföra mönster, av molekyler eller till polymer filmer genom stämpling. De två första möjlighet till mycket små mönster, men förlaga skapas av ovan metoder. Screenprint endast till stora mönster. Fokusera på projektions tekniker idag. Övriga diskuteras under nano- föreläsningen

Parametrar inom litografi Upplösning: Critical dimension: Aspect ratio: Begränsas av : Strålningsegenskaper Filmegenskaper; Substratets reflektivitet ¤ Upplösning: Ofta definierad av linjebredd, minsta halva perioden på ett linjärt gitter Kan också sägas vara de minsta två objekt som man kan skapa på wafer utan överlapp ¤ Critical dimension: minsta möjliga dimension i mönstret eller dess användning ¤ Aspect ratio: djup-till-bredd ratio Begränsas av : ¤ diffraktion, vibrationer, partiklar, strålens divergens/konvergens ¤ filmegenskaper;scattering, kontrast, absorbans, homogenitet ¤ Substratets reflektivitet

Titta på animeringen Gå igenom propcessen på tavlan först Förbehandling ¤ Rengöra wafer: Organiskt, metalliskt, damm (Ytterst viktigt, minsta damm kan förstöra bra kontakt vid exponering)TL1, Ultraljud, CO2, Plasma, Ozon ¤ Dehydration bake (Ger bättre addition, Extra viktigt om oxidskit – innehåller mkt vatten) 250 C, 30 min Applicera fotoresist ¤ Dispensera (static/dynamic) (kallas också spread): 500 rpm, 5 sec ¤ Spinna: 4000 rpm, 30 sec Beror på viskositet, önskad tjocklek (mer om under för om additiva tekniker) ¤ Pre-bake: 110 C, 30 min, bort med lösningsmedel och jämna ut Exponera (själva fotolitografisteget) ¤ 6 MJ/cm2, 10 secDos efter resist, tjocklek (Kan behöva slutföra/stoppa reaktioner, t.ex. kemiskt eller med annan typ av exponerng) Framkalla ¤ NaOH solution, 60 sec, Post-bake (extra viktigt vid t.ex. mjuk litografi) ¤ 120 C, 30 min (Härda, bli av med lösningsmedelsrester. Hellst under Tg) Processa, etsa I kisel, metall, belägg med material mm Strippa resist UV ozone, HNO3, H2SO4+Cr2O3,, Butylene Propyl glycol, O2 plasma Acetone, Isopropylalcohol Ytterst viktigt är att inspektera de olika stegen. Nu ska vi gå igenom några av dessa steg (fotoresist – typer,exponeringskälla, exponeringstyo)

Var i värdekedjan är vi? Relatera till modell-systemet

Visa film https://www.youtube.com/watch?v=9x3Lh1ZfggM

UV litografi Idag från flera μm till 10-tals nm Tre avgörande delar: Metod att överföra mönster till filmer på mikrometerskala Idag från flera μm till 10-tals nm Tre avgörande delar: Ljuskänslig lager – fotoresist Förlaga – mask Exponeringkälla UV-litografi som modellexempel Den vanligaste metoden att överföra mönster på mikroskala. Idag från flera mikrometer till 22 nm med RET (resolution enhanced techniques. DRAM direct random access memory. Här i huset, 1 mikrometer litografi (praktiken 3 µm). Tre delar är absolut avgörande: ¤ Ljuskänsligt lager, fotoresist, är olika typer av polymerer på ett substrat ¤ Mask – ofta ett kromlager ca 800 Å på quartz eller UV-glas, men enklast OH film. Ritas i vanliga CAD-program ¤ Ljuskälla, UV: Hg, 350-500 nm, DUV: Hg/Xe, 150-300 nm, EUV: X-ray, 13- 14 nm. I huset UV g-linje 435 nm och i linje 365 nm. Hela setupen, med alignment av alla tre, submikro upplösning krävs. Visa på bilden Oftast begränsad till plana ytor!!

Fotoresister Vad är en fotoresist? Hur belägger man en yta med dem? Olika typer – negativ/positiv resist Egenskaper

Resisten ska ju beläggas på ytan innan alignmetn och exponering Resisten ska ju beläggas på ytan innan alignmetn och exponering. Vad styr detta? -främst spinnhastigheten. Återkommer om detta när vi pratar tunnfilmer. I spinncoatningsgrafer kan man utläsa vilken hastighet som ger önskad tjocklek

Resist coverage Ytterligare saker som kopmmer upp senare på kursen men attt tänka på är att man ser till att hela ytan är belagd med resist

Fotoresister – ljuskänslighet Negativ resist Exponering förstärker polymeren Ljuskällan skapar bindningar i polymeren Dexp < D0 Positiv resist Exponering försvagar polymeren Ljuskällan bryter bindningar i polymeren Dexp > D0 Det finns två olika huvudtyper av resister beroende på ljuskänslighet (tone): positiv och negativ. ¤ Positiv resist försvagar polymer, bryter bidningar eller tvärbindningar. Består av: Polymer, härdare, lösningmedel Exponering förstör härdaren. Framkallas ofta i basiska lösningsmedel. Upplösning ner till 0.1 um ¤ Negativ förstärks av ljuskällan genom att tvärlänkning skapas. Skillnaden blir olika löslighet för framkallningsvätska. Består av: Polymer, fotoinitiator och kösningsmedel. Framkallas ofta i organiska lösningsmedel. Upplösning ner till 2-3 µm för en 1 µm tjock film. n Det kan också vara hydrofoba/hydrofila grupper som skapas och ändrar löslighet Där D0 är löslighet före exponering och Dexp efter.

Fotoresist Negativ resist Positiv resist Framkallning Exponering Mask Metall, SiO2 Si Resist Etsning Resist stripping Kolla på bilden till höger, strukturer i positiv, negatuv resist’. P.g.a av det här är det lättare att göra enskilda hål eller diken med positiv resist och enskilda linjer med negativ resist Rita bright field (mest genomskinlig) och darkfield mask (mest mörk) (Insert 1.2) Visa med OH-film Negativ resist Nackdel: Måste överexponera så att resisten härdas ända ner till substratinterfacet. (strukturen lossnar annars) Ger också att tjockleken avgör upplösningen. Resisten sväller också av lösningsmedlet Viktiga punkter: ¤ framkallningsvätska, negativa ofta hälsofarliga och sväller vid framkallning ¤ Neg:känsliga för syre och smuts ¤ Neg större linjebredd ¤ Neg ofta kemiskt tåliga

Exempel på resister - positiv Shipley’s 18 00 Series, standard resist PMMA Positiva framkallas ofta i basiska lösningar, ex KOH PMMA En mycket vanlig resist, finns i flera varianter, 1813, 1818 osv som ger viss tjocklek vid viss spinnhastighet. PMMA: DUV bryter bindning och gör löslig. DQN: diazoquinone ester (DQ) och phenolic novolak resin (N). N är alkalisk löslig. DQ görs alkalisk lösning genom exponering. (N+DQ ej alkaliskt löslig innan exponering!!) N abs under 300nm DQ abs runt 400nm.. Dvs DQN funkar för 365, 405 och 435 nm av kvicksilver linjer. Framkallas i basisk lösning KOH.

Exempel på negativ resist SU8 från Microchem (patent IBM) (Epoxybaserad bis-phenol-A novolak) SU8 tillhör negativa resister som är vanliga för tjocka 3D strukturer – upp till 500 um i en coating Epoxy baserad bis-phenol-A novolak Lewis syra katalyserar katjonisk polymerisation med hjälp av onium salt – termisk stabilitet och ej syrekänsliga. ¤ Låg molekylvikt, hög polymerisationsgrad (bra korslänkning) ger mindre svällning ¤ Tg 200 på polymeriserad ¤ Höga aspect ratios – 20 ¤ Total abs vid 2 mm Ledande och magnetisk finns Mycket stabil, ”omöjlig” att lösa efter exponering tillhör de ”permanenta” resisterna . DVS EJ möjlig att strippa! Fig 1.23 Fler resister: se tabell 1.2

Resister (profiler) Ljusspridningseffekter Profiler för positiv resist Exponering Lagom dos, lagom tid Mask Resist Framkallad negativ resist Låg dos med lång tid Områden utsatta för ljusspridning Framkallad positiv resist Hög dos, kort tid Resistprofil beror på typ av resist, exponeringsdos och exponeringstid Ljusspridning i resisten och reflektionen mot skivan mycket avgörande. Exemplen här är lite överexponerade. Positiva resister går avhjälpa med olika ratio R/R0. R=dev av exponerat, R0=dev av oexp. Till höger visas positivt resist. ¤ Underst: Vinkel > 90 grader kallas undercut. – Överexponerad och högt R/R0 (>10) ¤ Mitten: Overcut. – underexponerad och aggressiv develop som tunnar ut hela resistlagret (R/R0 <5) ¤ Överst: Ok exponering och antagligen quenchad develop 5-10. Undercut bra för liftoff! (Rita på tavla) Spridning i substrat är avgörande Fler profiler i fig 1.8

Resister: önskade egenskaper Resisters önskade egenskaper ¤ Hög känslighet (för ljus), mått intrinsic sensitivity ¤ Hög kontrast – skillnad exponerad oexponerad ¤ Bra upplösning - beror på ovanstående ¤ Enkel processesering ¤ Hög renhet ¤ Lång hållbarhet ¤ Minimalt med lösningsmedel, person och miljövänlighet ¤ Hög glasövergångstemperatur Tg – stabil vid RT, men kan dras upp till gummitillståndet för softbake – blir av med lösningsmedel Resisters önskade egenskaper ¤ Hög känslighet (för ljus), mått intrinsic sensitivity ¤ Hög kontrast – skillnad exponerad oexponerad ¤ Bra upplösning - beror på ovanstående ¤ Enkel processesering ¤ Hög renhet ¤ Lång hållbarhet ¤ Minimalt med lösningsmedel, person och miljövänlighet ¤ Hög glasövergångstemperatur Tg – stabil vid RT, men kan dras upp till gummitillståndet för softbake – blir av med lösningsmedel Okänslig för gult (grönt) ljus. Används som belysning i renrum. Intrinsic Sensitivity:  =

Resister kontrast Kontrast: Hur bra upplösning man kan generera med en resist är direkt relaterad till kontrast. ,Relaterat till hur lösligheten ändras av exponering. Upplösning hos en resist beror på kontrast Positiv resist: relaterat till hastighet på bidningsbrytning Negativ resist: relaterat till polymeriseringshastighet Båda: kopplad till ändring i löslighet ¤ Beror hos positiv resist på hur kedjor bryts och hur löslighet ändras för olika kejdelängder. Fås av att plotta en nomaliserad tjocklek mot en log Dos. Dp är dos då film försvinner helt och Dp0 är då resisten börjar påverkas. ¤ Neg resist Dgi = interface gel dose, dvs då gel börjar bildas av resist. Kolla på lutningen så fås kontrast Hög kontrast högre upplösning.

Mask Masken, dvs förlagan till det önskade mönstret, vad är det och hur gör man en sån? -i regel med skrivande tekniker, dvs en bläckstråle, laserstråle eller elektronstråle som ritar det mönster som man konstruerat i ett vanligt CAD-program Standardformat, kvartskiva med kromskikt, används under lab kostar 1000 SEK Kan ibland ersättas av en vanlig OH-film (håll upp) som man skrivit ut med en bättre laserskrivare Essensena av en mask är att den är selektivt genomskinlig, dvs transparent i vissa områden och ogenomskinlig (maskar av) andra områden

Exponering Diffraktion Olika ljuskällor Exponeringssätt Alignment

Diffraktion Rayleigh’s criteria: Two objects are just resolvable if the centre of the diffraction pattern from one object diffraction pattern coincides with the first minimum of the diffraction pattern from the other. Viktigaste problemet fotolitografi är diffraktion

Exponering - ljuskälla Lasrar Kvicksilverlampa Vanligt är UV lampa är Hg-gaslampa dvs ett plasma. Linjer: E, G H I. Tänk på transparens., se material. 365 mest använt. Lägre vågländger – excimer (excited dimer) lasrar använda XeF Används i högupplöst lito. Tänk på optikens transparens glas/kvarts/CaF2 - kostnad... Transparancy

Exponeringssätt Shadow printing Projection printing Contact printing Proximity printing Exponerings sätt shadow printing och projektion printing Shadow printing: Contact eller proximity printing. Mask direkt i kontakt med substrat eller med ett litet gap. Projektion printing: Linssystem som normalt sett förminskar mönstret.

Shadow printing Fig 1.12 bmin= upplösningen λ= ljusets våglängd s= avstånd mellan mask och fotoresist z= fotoresistens tjocklek Shadow printing, Enkelt. 1 till 1 överföring – ej förminskning. Bäst upplösning givetvis med contact printing. Contakt printing – Pressas mask med 0.05 – 0.3 atm mot substrat. Ser direkt fördelen med tunn resist och kort våglängd. Men problem med slitage på mask samt kontaminering. Fungerar därför ej på modern storskalig mikrokretstillverkning. (Vi används contact printing i renrummet) Formeln för upplösning bygger på en enkel gitterstruktur och vi kan se hur mönstret bli till vänster. Givetvis idealt: planhet, alignment mm kommer förvärra Vid proximity brukar minst s = 10 µm men ofta 20 – 50. Om s>>z. Exempel s=10 µm och λ=400 nm ger som bäst 3 µm. Mindre dimension ofta projektionsprinting Fig 1.12

Projection printing Critical dimension NA är numerisk apertur normalt 0,16- 0,6 k1=processparameter (~0.4) NA= n sin θ Fokusdjup, Depth of focus = Upplösning som formel ovan där k1 beror av process, resist m m. Kommer inte mycket under 0.4. Na = numerisk apertur ca mellan 0.16 och 0.6. Formeln kan fås förenklat ur Raylaigh kriteriet för hur icke koherent ljus diffrakteras i en lins. Punktkälla blurras ut till Airy disc... Dessutom NA = nsin θ, dvs hur vid vinkel som är ok för ljus att komma in i linsen. DOF - för att det ska bli bra måste DOF vara minst resist tjockleken. k1 och k2 processberoende. K2 ca 0.5. Nödvändighet med mkt plan wafer och tunn resist.

Sammanfattning En sammanfattning av kontakt , proximity och projektionstekniker. Viktigast att komma ihåg är vad som begränsar med respektive teknik Kontakt: bra upplösning med bäst profil med risk för maskskada Proximity sämre upplösning, mer diffraktion med ingen risk för masken Projektion, något mer diffraktion än kontakt men ingen risk för mask Varför kör man inte alltid projektion? - högre grad av komplexitet-> dyrare. High tec är inte alltid bäst

Mask design - alignment Ofta handlar det om standardkomponenter. Förr oss viktigt med aspect ration och resist tålighet – hörn tex känsliga Aligment kan vara svårt, speciellt komponenter på båda sidor wafer. Enkelt – hål igenom, IR ljus, med spegelsystem, elektronisk lagring. Wafer flats Alignment patterns. Rutor Vernier mönster. Precis som skjutmått. Kanske dubbla. Ger att man kan upplösa aligningsfel som är mindre än minsta möjliga dimensionen. Verniermönster: www.schlenkent.com/vernier.htm

Mask aligner Stepper Alignment Exponering Vanliga Karl Zeuss mask aligner (gammal), manuell, mikroskop för alignment med viss automatik för själva exponeringen Alignment Exponering

Resolution Enhancement Techniques Optimera: Resist, mask och exponering Exponering: k1 är enligt Rayleigh krit. teoretiskt 0.25, idag 0.3 – 0.4 minska λ Öka NA genom immersionsteknik Vätskor med högt brytnings index vatten mkt bra n ~1,3 För att nå högre upplösning, optimering Exponering: Ragykeih krtiieriet ger k1 till 0,25 Låga våglängder EUV. Från lasrar, Fluorlaser, mkt effektiv 157 nm, men svårt med optik. 193 nm vanligt idag tillsammans med vätskeimmersion. NA ökas genom immersion n. Vatten 1.44, rent o bra, högtbrytningsindex nära glas.. Ger motsvarande 134nm i luft av 193 nm Jfr: Olje objektiv för vanliga mikroskåp. Problem med material att förbättra många krav

Stepper En stepper är en maskin som automatiskt exponerar delar av en wafer, genom projektion. Fördelar: Projektion, ofta 1:5, dvs förminskar mönstret från masken till wafer Upprepning, istället för att ha en massa upprepningar på masken (=risk för fel) reproducerar man samma bild om och om igen Minimalt med slitage på mask, kan kombineras med immersionstekniker Stepper används vid masstillverkning, vanliga mask aligner mer för speciella applikationer

Litografi-ordlista Litografi Spin coat, exposure, develop, stripping ,contact printing,proximity printing, shaddow printing, projection printing, stepper, 193 nm XeF, UV, immersion lithography, positive resist, negative resist, PMMA, SU-8, verniermönster, mask aligner Lista på ett antal termer som kommit upp idag-känns de igen?

Litografi Spin coat, exposure, develop, stripping ,contact printing,proximity printing, shaddow printing, projection printing, stepper, 193 nm XeF, UV, immersion lithography, positive resist, negative resist, PMMA, SU-8, verniermönster, mask aligner

Titta på animeringen Gå igenom propcessen på tavlan först Förbehandling ¤ Rengöra wafer: Organiskt, metalliskt, damm (Ytterst viktigt, minsta damm kan förstöra bra kontakt vid exponering)TL1, Ultraljud, CO2, Plasma, Ozon ¤ Dehydration bake (Ger bättre addition, Extra viktigt om oxidskit – innehåller mkt vatten) 250 C, 30 min Applicera fotoresist ¤ Dispensera (static/dynamic) (kallas också spread): 500 rpm, 5 sec ¤ Spinna: 4000 rpm, 30 sec Beror på viskositet, önskad tjocklek (mer om under för om additiva tekniker) ¤ Pre-bake: 110 C, 30 min, bort med lösningsmedel och jämna ut Exponera (själva fotolitografisteget) ¤ 6 MJ/cm2, 10 secDos efter resist, tjocklek (Kan behöva slutföra/stoppa reaktioner, t.ex. kemiskt eller med annan typ av exponerng) Framkalla ¤ NaOH solution, 60 sec, Post-bake (extra viktigt vid t.ex. mjuk litografi) ¤ 120 C, 30 min (Härda, bli av med lösningsmedelsrester. Hellst under Tg) Processa, etsa I kisel, metall, belägg med material mm Strippa resist UV ozone, HNO3, H2SO4+Cr2O3,, Butylene Propyl glycol, O2 plasma Acetone, Isopropylalcohol Ytterst viktigt är att inspektera de olika stegen. Nu ska vi gå igenom några av dessa steg (fotoresist – typer,exponeringskälla, exponeringstyo)