1. מבוא לתהליכי מזעור - טכנולוגיות ייצור VLSI חלק ב’ - תהליכי ליתוגרפיה
Yosi Shacham-Diamand
Department of Physical Electronics
Tek-Aviv University, Ramat-Aviv, 69978
Introduction to VLSI, TAU 2001

2. תוכן
מהי ליתוגרפיה - פרמטרים מאפיינים - עומק מוקד, חשיפה, רזולוציה, קונטרסט ועוד
ליתוגרפיה אופטית
ליתוגרפיה של קרני אלקטרונים
ליתוגרפיה של קרני יונים
ליתוגרפיה של קרני X
ליתוגרפיה בעזרת SPM

4. ליתוגרפיה אופטית - עקרונות בסיסים
תאור הדמות ( Aerial Image)
תהליך החשיפה
תהליך הפיתוח
בקרת רוחב קו , בקרת ממד קריטי

5. ליתוגרפיה כתהליך העברת מידע
מסכה
תכנון
דמות אופטית
דמות סמויה בחומר הצילום
פיתוח הדמות
העתקת הדמות למעגל המשולב

6. מערכת החשיפה מאירים את המסכה מצידה האחורי האור עובר דרך המסכה ומתאבך
תמונת ההתאבכות נעה מהמסכה לעדשה
העדשה אוספת חלק מהגל המתאבך ויוצרת דמות משוחזרת במישור המוקד
יש אובדן מידע הנובע מהגודל הסופי של העדשה

7. יצירת הדמות - דוגמה הארה קוהרנטית
מסכת קוורץ עם שכבת כרום ועליה פסים עם מרחק מחזור P q n
חוק בראג:

8. העדשה
מישור המוקד
עדשה בקוטר D ומרחק f מהמסכה
מסכה

9. קונטרסט הדמות
Intensity, I 1
Imax
Imin

10. הטלת דמות בעזרת עדשה דקה

11. במה תלויה הרזולוציה של עדשה ?
ביכולתה לאסוף אור מהמסכה שיחסי ל- #/F ויחסי הפוך לגודל אחר הקרוי NA.
f/#=f/D
NA=n sin(a)
NA = 1/(2 f/#)

12. הגדרות רזולוציה עומק מוקד הדמות הקטנה ביותר שיש לה משמעות ייצורית.
תחום הסטייה ממשטח המוקד האידיאלי, שיתן את הרזולוציה הדרושה.

13. מה קובע את הרזולוציה ? הרזולוציה יחסית לאורך הגל, l
הרזולוציה משתפרת ככל שה- NA עולה - העדשה אוספת יותר מידע.

14. צילום ישיר ע”י MASK ALIGNER

15. רזולוציה של MASK ALIGNER
• l = exposure wavelength
• d = resist thickness
• 2b = minimum pitch of line-space pattern
• s = spacing between the mask and the resist

16. מסכות
איכות החשיפה תלויה במערכות החשיפה אך גם במידע על המסכה .

17. השפעת ההארה על חומר הצילום
אור - E=hu
הדמות האופטית פועלת על שכבה דקה
של חומר רגיש לאור - פוטורזיסט
ישנם שני סוגי חמרי צילום:
שלילי - החומר נשאר באזור המואר -
חיובי - החומר יורד באזור המואר -

18. חומר צילום שלילי - NEGATIVE PHOTORESIST
1. Non-photosensitive substrate material
– About 80 % of solids content
– Usually cyclicized poly(cis-isoprene)
2. Photosensitive cross-linking agent
– About 20 % of solids content
– Usually a bis-azide ABC compound
3. Coating solvent
– Fraction varies
– Usually a mixture of n-butyl acetate, n-hexyl acetate, and 2-
butanol
Example: Kodak KTFR thin film resist:

19. חומר צילום שלילי - NEGATIVE PHOTORESIST
ההארה יוצרת סופר מולקולות מרובות ענפים
המולקולות הגדולות יוצרות מבנה המאיט קצב חדירת נוזל למוצק.
ישנה נקודה, בה המוצק הופך להיות לא מסיס, הקרויה נקודת הג’ל,

21. פיתוח
באזורים המוארים הפולימר מצולב. ישנם ממסים אורגנים שיחדרו באזורים הלא מוארים, יתפיחו אותם, יגרמו לפירוק הקשרים הכימיים הקיימים וישטפו אותם.

22. פוטורזיסט חיובי
הדמות האופטית פועלת על שכבה דקה של חומר רגיש לאור - פוטורזיסט חיובי
החומר מכיל תרכובת פעילה הקרויה:
PAC - Photo Active Compound
ריכוז הPAC מסומן כ - m - וזו התמונה הסמויה
מכפלת עוצמת ההארה (I) בזמן ההארה נותנת את אנרגיית החשיפה.
m הנו פונקציה של אנרגיית החשיפה

23. הקונטרסט של הפוטורזיסט
עובי רזיסט מנורמל 1
0.8
0.6
0.4
0.2
0.0
שיפוע - g
E0 - אנרגית הסף להורדת הרזיסט
E, אנרגית החשיפה [mJ/cm2]

24. הפיכת הדמות

25. תזכורת - מהי ליתוגרפיה אור פוגע בחומר הצילום - “פוטורזיסט”
האור יוצר דמות סמויה
הפיתוח “חושף” את הדמות ומשאיר פוטורזיסט במקומות מוגדרים מראש

26. סיכום ביניים תהליך פונקציה מאפיינת יצירת תמונה איכות הדמות האופטית
תהליך פונקציה מאפיינת
יצירת תמונה איכות הדמות האופטית
חשיפה איכות הדמות הסמויה
פיתוח צורת חומר הצילום
סה”כ התהליך מרווח החשיפה Exposure latitude

27. Example- high resolution photo lithography
193 nm excimer laser litho on a fully planar substrate

28. טכנולוגיות ננו-ליתוגרפיה
ליתוגרפיה עם קרני אלקטרונים
ליתוגרפיה עם קרני יונים
ליתוגרפית קרני-X
ליתוגרפיה עם גשש סורק.

29. ליתוגרפיה בקרני אלקטרונים
כתיבה ישירה בקרן אלקטרונים
SCALPEL - Scattering with Angular Limitation Projection Electron Beam Lithography

30. EBL-Electron Beam Lithography
פולט אלקטרונים
עדשות מיקוד אלקטרוסטטיות
בקרת עוצמת אלומה
מערכות הסחה אלקטרוסטטיות
מערכות מיקוד מגנטיות
(EBES system)

31. SCALPEL

32. קו ברוחב 180 ננומטר על PETEOS

33. ליתוגרפית קרני אלקטרונים: חורים בקוטר 80 ננומטר

34. ליתוגרפיה בקרני-X חשיפה ישירה דרך מסכת בליעה High Z Low Z שכבה דקה מצע
XRAY רזיסט
שכבה דקה
מצע

35. ליתוגרפית קרני יונים מיקוד אלומת יונים _ הליום, גליום ועוד)
רזולוציה גבוהה
איכול וליתוגרפיה באותה מערכת.

36. Ion protection lithography with 75 keV He + ions of a pattern on an open stencil mask (Si, 2 µm thick) onto a wafer coated with 300 nm of Shipley UV II HS resist. Exposure dose: 0.3 µC/cm 2 with research type ion projector operated with multi cusp ion source (2eV energy spread) [Brunger 1999].

37. Nanolithography: STM
By pulsing the bias voltage on the STM tip, one can remove and deposite material from a surface, in this case copper onto gold.
STM image of a Au(111) surface patterned with 12 Cu clusters arranged in a circle by means of an STM tip. The Cu clusters are only 4 atomic layers high
and each cluster consists of about 100 single Cu atoms.

38. Nanolithography: STM
Here, the artist, shortly after discovering how to move atoms with the STM,
found a way to give something back to the corporation which gave him a job when he needed one and provided him with the tools he needed in order to be successful. (Xe on Nickel, Nature 344, 524 (1990).
Here they have positioned 48 iron atoms into a circular ring in order to "corral" some surface state electrons and force them into "quantum" states of the circular structure. The ripples in the ring of atoms are the density distribution of a particular set of quantum states of the corral. The artists were delighted to discover that they could predict what goes on in the corral by solving the classic eigenvalue problem in quantum mechanics -- a particle in a hard-wall box. [Crommie, Lutz & Eigler, Science 262, 218 (1993)]

39. Iron (on Cu) “Coral”

40. (Asai 97)

41. סיכום
ליתוגרפיה אופטית - הגדרת מצעים, מעגלים אלקטרונים רכיבי MEMS, רכיבים אופטיים
ליתוגרפיה בקרני אלקטרונים - בניית צורות בממדים מתחת ל 100 ננומטר
ליתוגרפית גשש סורק - מניפולציה של אטומים ומולקולות.