Nano LithographyNano LithographyNano LithographyNano Lithography

Danny Porath 2007

LithographyLithographyLithographyLithographyLithography is a method for printing on a smooth surface.

Invented by Bavarian author Alois Senefelder in 1796.

It can be used to print text or artwork onto paper or another suitable material.

It can also refer to photolithography, a microfabrication technique used to make integrated circuits and microelectromechanical systems.

Lithography stone and mirror-image print of a map of Munich

Lithography Lithography Lithography Lithography –––– ExamplesExamplesExamplesExamples

Lithography Lithography Lithography Lithography –––– The print principleThe print principleThe print principleThe print principle

Lithography is a printing process

that uses chemical processes to

create an image.

For instance, the positive part of

an image would be a hydrophobic

chemical, while the negative image

would be water. Thus, when the

plate is introduced to a compatible

ink and water mixture, the ink will

adhere to the positive image and

the water will clean the negative

image.

Lithography press for printing maps

in Munich

With the help ofWith the help ofWith the help ofWith the help of……………………....

1. Yosi Shacam – TAU

2. Yossi Rosenwacks – TAU

3. Delft people and site

4. …

Outline SEM/TEM:Outline SEM/TEM:Outline SEM/TEM:Outline SEM/TEM:

1. Examples, links and homework

2. Cleanroom

3. Photolithography

Internet SitesInternet SitesInternet SitesInternet Sites“Handbook of Microlithography, micromachining and

microfabrication”, Editor P. Rai-Choudhury.

http://www.cnf.cornell.edu/spiebook/toc.htm

http://dsa.dimes.tudelft.nl/

http://www.dimes.tudelft.nl/

http://www.dimes.tudelft.nl/2001/report.pdf

http://www.eng.tau.ac.il/~yosish/courses.html

http://www.jcnabity.com/

http://www.ece.gatech.edu/research/labs/vc/theory/photolith.html

http://www.ece.gatech.edu/research/labs/vc/http://www.ee.washington.edu/research/microtech/cam/PROCESSES/PDF%20FILES/Photolithography.pdf

....

Homework Homework Homework Homework 31. Read the paper:

“Scanning Gate Spectroscopy on Nanoclusters”

Gurevich et. al., Applied Physics Letters 76, 384 (2000).

- Emphasize the lithography part.

2. Read the paper:

“Direct Patterning of modified oligonucleotides on metals and

insulators by dip pen lithography”

Demers et. al., Science 283, 662 (1999).

- Emphasize the lithography part.

First Transistor and First Integrated CircuitFirst Transistor and First Integrated CircuitFirst Transistor and First Integrated CircuitFirst Transistor and First Integrated Circuit

� � � � John Bardeen, William Shockley

and Walter Brattain invented the

transistor in 1947.

� � � � This transistor was a point-

contact transistor made out of

Germanium (not Silicon which is

widely used today).

� � � � The idea of an integrated circuit

was conceived at the same time

by Jack kilby of Texas

Instruments and Robert Noyce

of Fairchild semiconductor.

Examples Examples Examples Examples (DIMES(DIMES(DIMES(DIMES---- DELFT)DELFT)DELFT)DELFT)

Examples Examples Examples Examples (DIMES(DIMES(DIMES(DIMES---- DELFT)DELFT)DELFT)DELFT)

Transistors Interconnects Transistors Interconnects Transistors Interconnects Transistors Interconnects (Intel, 130 nm technology)(Intel, 130 nm technology)(Intel, 130 nm technology)(Intel, 130 nm technology)

CleenroomCleenroomCleenroomCleenroom

Cleanroom Class RatingsCleanroom Class RatingsCleanroom Class RatingsCleanroom Class Ratings

(“ULSI Technology, Chang & Sze)

(“ULSI Technology, Chang & Sze)

Cleanroom Class RatingsCleanroom Class RatingsCleanroom Class RatingsCleanroom Class Ratings

(“ULSI Technology, Chang & Sze)

Types of Types of Types of Types of CleanroomsCleanroomsCleanroomsCleanrooms

(“ULSI Technology, Chang & Sze)

Types of Types of Types of Types of CleanroomsCleanroomsCleanroomsCleanrooms

DIMES BasementDIMES BasementDIMES BasementDIMES Basement

Clean Air ProductionClean Air ProductionClean Air ProductionClean Air Production

Vertical and Horizontal Laminar BenchesVertical and Horizontal Laminar BenchesVertical and Horizontal Laminar BenchesVertical and Horizontal Laminar Benches

Gowning in The CleanroomGowning in The CleanroomGowning in The CleanroomGowning in The CleanroomGowning – Class 10,000

Gowning – Class 100

Characteristics of Characteristics of Characteristics of Characteristics of CleanroomsCleanroomsCleanroomsCleanrooms

““““Clean EntranceClean EntranceClean EntranceClean Entrance””””

DIMES Facilities DIMES Facilities DIMES Facilities DIMES Facilities –––– Class 100Class 100Class 100Class 100 LabLabLabLab

DIMES Facilities DIMES Facilities DIMES Facilities DIMES Facilities –––– Class 10,000Class 10,000Class 10,000Class 10,000 LabLabLabLab

Base Processes

• 20-nm E-Beam Lithography • Near/Deep-UV Optical Lithography

• Various special dry-etch tools

• Metal Sputter Deposition • Metal Evaporation • Furnace and RTO Processes

• SEM, FIB, STM, MFM

Chemical StorageChemical StorageChemical StorageChemical Storage

Organic Clean BenchOrganic Clean BenchOrganic Clean BenchOrganic Clean Bench

Inorganic Clean BenchInorganic Clean BenchInorganic Clean BenchInorganic Clean Bench

Inspection AreaInspection AreaInspection AreaInspection Area

Alignment MicroscopesAlignment MicroscopesAlignment MicroscopesAlignment Microscopes

Mask AlignersMask AlignersMask AlignersMask Aligners

DUV contact printer

Carl Susz NUV contact printer

Carl Susz DUV contact printer

LeicaLeicaLeicaLeica EBPG 5EBPG 5EBPG 5EBPG 5

Terminal RoomTerminal RoomTerminal RoomTerminal Room

Etching SystemsEtching SystemsEtching SystemsEtching Systems

Mask Plasma StripperMask Plasma StripperMask Plasma StripperMask Plasma Stripper

Deposition AreaDeposition AreaDeposition AreaDeposition Area

Hitachi SEMHitachi SEMHitachi SEMHitachi SEM

Philips SEMPhilips SEMPhilips SEMPhilips SEM

Focused Ion Beam (FIB)Focused Ion Beam (FIB)Focused Ion Beam (FIB)Focused Ion Beam (FIB)

Atomic Force Microscope (AFM)Atomic Force Microscope (AFM)Atomic Force Microscope (AFM)Atomic Force Microscope (AFM)

DIMES Facilities DIMES Facilities DIMES Facilities DIMES Facilities –––– Special Special Special Special

Applications LabApplications LabApplications LabApplications Lab

Post-Process Labs

• MEMS and RF/MEMS

• Wafer-Scale Packaging

• Laser annealing

• Amorphous silicon

• Other special processes

Post-Process Labs

• MEMS and RF/MEMS

• Wafer-Scale Packaging

• Laser annealing

• Amorphous silicon

• Other special processes

תוכן

עקרונות בסיסיים

, חשיפה, עומק מוקד-פרמטרי ם מאפיינ ים

קונטרסט ועוד, רזולוציה

מה מודדים ואיך-טכניקות מ דידה

עקרונות בקרת תהליך הליתוגרפיה

ULSIנושאים חדשים בליתוגרפיה עבור

עקרונו ת בסיסיים-ליתוגרפיה אופטית

)Aerial Image( תאור הדמות

תהליך החשיפה

תהליך הפיתוח

בקרת מ מד קרי טי , בקרת רוחב קו

ליתוגרפיה כתהליך העברת מידע

מסכה

דמות אופטית

דמות סמויה בחומר הצילום

פיתוח הדמות

העתקת הדמות למעגל המשולב

תכנון

מערכת החשיפהמאירים א ת המסכה

מצ ידה 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

מסכ

ה

דמות

אופטית

דמות סמויה בחומר

הצילום

פיתוח

הדמות

העתקת הדמות

למעגל המשולב

תכנון

תהליך העברת התמונה אל הרזיסט

http://www.ece.gatech.edu/research/labs/vc/processes/process-steps.html

מערכת החשיפה

מאירים א ת המסכה מצ ידה 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

?מה קובע את איכות הליתוגרפיה

לאחר החשיפההפוטורזיסטאיכות חלון התהליך, רזולוציה, פרופיל הר זי סט, בקרת רוחב קו

רגיסטרצי ה

תאימות לתהליך, תאימות כימית, אדהזיה, יציבות תרמית, התנגדות לאיכ ול

היכולת להורדה

ייצוריות.זמן חיי מדף, יצ יבות, פגמים, בטיחות, מחיר

דוגמה-יצירת הדמות

θn

λλλλn) ====nsin(θ p

:בראגחוק

מסכת קוורץ עם שכבת

כרום ועליה פסים עם מרחק

P מחזור

הארה קוהרנטית

קונטרסט הדמות

0

1Intensity, I

Imax

Imin

minmax

minmax

II

I-Icontrast Image

+=

העדשהמישור

המוקד

Dעדשה בקוטר מהמסכה f ומרחק

מסכה

f

DnNA

2)sin( ≈= α

הטלת דמות בע זרת עדשה דקה

? מה קובע את הרזולוציה λλλλ, הרזולוציה יחסית לאורך הגל

העדשה אוספת יותר מידע -עולה NA -ככל שה

.והרזולוציה משתפרת

NAksolution

λ1Re =

f/#=f/D

NA=n sin(a) = 1/(2 f/#)

הגדרות פרקטיות

רזולוציה

.י יצורית הדמות הקט נה ב יותר ש י ש ל ה משמ עות

עומק מוקד

ש יתן , תחום ה ס ט יי ה ממש טח ה מוקד הא יד י אלי

. את הרזולוצ י ה הדרו שה

MASK ALIGNERרזולוציה של

• l = exposure wavelength

• d = resist thickness

• 2b = minimum pitch of line-space pattern

• s = spacing between the mask and the resist

)5.0(32 dsb += λ

Stepper - ה-אפיון מכשיר החשיפה

אורך , σσσσדרגת הקוהרנטיות , NA -נתוני בחירה

.λλλλהגל

.המחזור, רוחב הקו-תאור המסכה

כמות הסטייה האפשרית מהמו קד המצטב רת

.בתהליך החשיפה

הדמות הטובה ביותר תיתן את -הנחה בסיסית

.תהליך הליתוגרפיה הטוב ביותר

MASK ALIGNERי ”צילום ישיר ע

מסכות

איכות החשיפה תלויה במערכות החשיפה אך גם במידע על

.המסכה

התמונה הסמויה

הדמות האופטית פועלת על שכבה דקה של חומר

פוטורזיסט-רגיש לאור

:החומר מכיל תרכובת פעילה הקרויה

PAC - Photo Active Compound

וזו התמונה הסמויה - m -מסומן כ PAC -ריכוז ה

בזמן ההארה נותנת את ) I(מכפלת עוצמ ת ההארה

.אנרגיית החשיפה

mהנו פונקציה של אנרגיית החשיפה

השפעת ההארה על חומר הצילום

הדמות האופטית פועלת על שכבה דקה

פוטורזיסט-של חומר רגיש לאור

:ישנם שני סוגי פוטורזיסט

- החומר נשאר ב אזור המואר -שליל י

- החו מר יורד באזור המואר -חיוב י

E=hυυυυ -אור

NEGATIVE PHOTORESIST -חומר צילום שליל י

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:

NEGATIVE PHOTORESIST -חומר צילום שלילי

ההארה יוצרת סופר מולקולות מרובות ענפים

המולקולות הגדולות יוצרות מבנה המאט את

. קצב חדירת הנוזל למוצק

, בה המוצק הופך להיות לא מסיס, ישנה נקודה

. ל’הקרויה נקודת הג

ישנם ממסים . באזורים המוארים הפולימר מצולב

, יתפיחו אותם, אורגנים שיחדרו באזורים הלא מוארים

.יגרמו לפירוק הקשרים ה כימיים הקיימים וישטפו אותם

פיתוח

פוטורזיסט חיובי

הדמות האופטית פועלת על שכבה דקה של חומר

פוטורזיסט חיובי-רגיש לאור

:החומר מכיל תרכובת פעילה הקרויהPAC - Photo Active Compound

וזו התמונה הסמויה - m -מסומן כ -PACריכוז ה

בזמן ההארה נותנת את ) I(מכפלת עוצמ ת ההארה

.אנרגיית החשיפה

mהנו פונקציה של אנרגיית החשיפה

הפוטורזיסטהקונטרסט של

1 10 100 1000 E , אנרגית החשיפה

]mJ/cm2[

1

0.8

0.6

0.4

0.2

0.0

אנרגית הסף - γγγγE0 -שיפוע

להורדת הרזיסט

רזיסטעובי

מנורמל

הפיכת הדמות

העתקת הדמות-איכול רזיסט

Iשכבה

IIשכבה

איכול

אנאיזוטרופי

שכבתי מתאים לני דוף מתכת ומונע מגע ישיר בין המתכת והרזיסט - דורזיסט

(lift off)הנותר כך שקל לסלק את הרזיסט לאחר הנ ידוף

סיכום ביניים

פונקציה מאפיינת תהליך

איכות הדמות האופטי ת יציר ת ת מונה•

איכות הדמות הסמויהחשיפה•

צורת חומר הצילוםפיתוח•

-מרווח החשיפה התהליךכ”סה

Exposure latitude

Examples: Photolithography

193 nm excimer laser litho on a fully planar substrate

בקרת רוח ב הקו

?מה קובע את יכולת בקרת התהליך

הש ג יאות ה אקראיות בת הל יך ה י יצור

תגובת הת ה ליך לשג יאו ת הללו

הגדרת מרווח החשיפה

%100= מרווח החשיפה min

×∆

alnoE

E

10%) E(CD- 10%)- E(CD∆E +≡

CD +10%

CD

CD-10%

Nominal linewidth

E(CD+10%) E(CD) E(CD-10%)

אנרגית

החשיפה

רוחב הקו

השפעת המצע

המצע מחזיר חלק מהאור ויוצר תבני ת גלים עומדים

ללא הח זרות עם החזרות

פתרון לבעיית הגלים העומדים

הכנסת שכבה לא מחזירה

ARC - Anti Reflective Coating

: דוגמה

מע ל ) TiN ( ני טר יד -הוספת שכב ת ט י טנ יום

. שכבת אלומ ינ יום

)פתרון מוגבל (לרזיסטהוספת צבע בולע

מהפוטורזיסטדרישות

10%± נומינלי -רוחב קו

÷÷÷ ÷÷°80> זווית צד

10% < רזיסטאובדן

אידאלימציאת עומק מוקד

E עולה

רוחב קו

מיקום המוקד

CD

עומק מוקד

תחום המוקד שנותן - ) DOF( עומק המוקד

את פרופיל הרזיסט לפי הדרישות לרוחב קו נתון

.ועומד בדרישות של מרווח חשיפה נתון

22NA

kDOFλ

=

השגיאה במרחק המוקד: דוגמה

מיקרון0.10חימום העדשה

מיקרון0.20השפעת הסביבה

מיקרון0.05 הטית המסכה

מיקרון0.12מישוריות המסכה

מיקרון0.30מישוריות הפרוסה

מיקרון0.14מישוריות המכשור

מיקרון0.20הדירות המכשיר

מיקרוןDOF0.30השגיאה בקביעת

מיקרון0.10רעידות

מיקרון0.60כ”סה

שג יאות אקראיות

)BIFE(שגיאת המוקד הבנויה במערכת

מיקרון 0.6שג יאות אקראיות

מיקרון 0.5טופוג רפ יה

מיקרון 0.4עקמומיות שד ה ואס ט י גמט יז ם

מיקרון 0.1עוב י הרז י ס ט

מיקרון BIFE1.6)( ה שג י אה כ”סה

קביעת חלון התהליךאנרגית

החשיפה

אנרגית

החשיפה

הנומינלית

מיקום

0המוקד

CD -תחום ה

% 10 < רזיסטתחום אבדן

ת יזוותחום

80> צד

חלון התהליך

שיטות לשיפור חלון התהליך

חשיפה במספר מרחקי מוקד

המוקד למעלה

המוקד למטה

פוטורזיסט

פוטורזיסט

הוספת חומר מגדיל קונטרסט

CEL - Contrast Enhanced Lithography

נע שה שקוף באזור המואר CEM -ה

הנדסת חזית הגל

בקרת העוצמה והפאזה של גל האור

הו ספת אלמנט י ם ה קטני ם מ גבו ל -ע יצוב המסכ ה

. הרזולוצי ה

OPC - Optical Phase Correction

הוספת אלמנ ט י ם מס יח י פאזה

PSM - Phase Shifting Masks

בזווית -האר ה מ יוחד ת

מסנני ם במ י שור הצמצם

)OPC(תיקון פאזה אופטי

מסכה רגילה OPCמסכה עם

תיקון פינה Serif

הסחת פינה פנ ימה -Pullback

הסחת פאזה על המסכה

שקופותדיאלקטריותי הוספת שכבות דקות ”ע

Shifter - פאזה מסיחתשכבה

λπ d1)-(n2∆φ =

n - הדיאלקטר יתמקדם השבירה של השכבה

d - הדיאלקטר יתעובי השכבה

משפרת את -הסחת הפאזה

הקונטרסט האופטי

E, mask

E, Wafer

I=|E|2

°180הסחת פאזה של

E - השדה החשמלי ,I - עוצמת ההארה

אפיון הליתוגרפיה

מדידות רוחב קו

מדי דות אופט יות

SEMמדי דות ב עזרת

מדידות צורת הקו

FIB -ו SEMמדי דות ב עזרת

A,B,C -מדידות פרמטר י הרזיסט

מדידות פרמטר י החשיפה

סיכום

תהליך העתקת המידע לפרוסה- פוטוליתוגרפיה

. מסכות14לתהליך טיפוסי יותר מ

דיפרקציההתהליך מוגבל

ליני ארי הבולע אור משפר -השימוש בחומר צילום לא

את הרזולוציה

תהליך הליתוגרפיה הנו קריטי להצלחת תהליך היצור