Контактная литография - Contact lithography

Контактная литография, также известная как контактная печать, представляет собой форму фотолитография при этом изображение для печати получается путем освещения фотомаска в прямом контакте с субстратом, покрытым изображением фоторезист слой.

История

Первый интегральные схемы имел размеры 200 микрометров, которые были напечатаны с использованием контактной литографии. Этот метод был популярен в 1960-х годах, пока его не заменила бесконтактная печать, когда между фотошаблоном и подложкой создается зазор. Бесконтактная печать имела более низкое разрешение, чем контактная (из-за зазора, допускающего большую дифракцию), но вызывала гораздо меньше дефектов. Разрешение было достаточным для производства до 2 микрометров. В 1978 году появилась система «шаг-и-повтор».[1]Платформа получила широкое распространение благодаря уменьшению изображения маски и используется до сих пор.

Контактная литография все еще широко практикуется сегодня, в основном в приложениях, требующих толстого фоторезиста и / или двустороннего выравнивания и экспонирования. К этой категории относятся передовые приложения для трехмерной упаковки, оптических устройств и микроэлектромеханических систем (МЭМС). Кроме того, контактная платформа такая же, как и в процессах выходных данных.

Недавно, благодаря двум разработкам, контактная литография может вернуться в литографию полупроводников. Во-первых, было продемонстрировано, что усиление поверхностного плазмонного резонанса, включая использование серебряных пленок в качестве линз, дает разрешение менее 50 и даже 22 нм с использованием длин волн 365 и 436 нм.[2][3][4] Экзотическое соотношение дисперсии поверхностного плазмона привело к чрезвычайно короткой длине волны, которая помогает преодолеть дифракционный предел.[2]Второй, литография наноимпринтов уже завоевала популярность за пределами сектора полупроводников (например, жесткие диски, биотехнологии) и является кандидатом для литографии полупроводников с длиной волны менее 45 нм, применяя методы уменьшения дефектов и улучшения однородности масок, контактирующих с подложкой. Ступенчатая литография отпечатков (SFIL), популярная форма литографии наноимпринтов, которая включает УФ Для отверждения пленки для оттиска используется та же установка, что и для контактной литографии.

Принцип работы

Как правило, фотомаска покупается / генерируется, состоит из непрозрачных Хром узоры на прозрачной стеклянной пластине. Образец (или "субстрат ") покрыта тонкой пленкой УФ -чувствительный фоторезист. Затем образец помещается под фотошаблон и прижимается к нему, «соприкасаясь». Образец подвергается «экспонированию», во время которого УФ-свет падает с верхней стороны фотошаблона. Фоторезист, лежащий под прозрачным стеклом, обнажается и может растворяться под действием разработчик, в то время как фоторезист, лежащий под хромом, не подвергался воздействию УФ-излучения и останется нетронутым после проявления. Таким образом, рисунок может быть перенесен с фотошаблона на образец в виде светочувствительного резиста. Затем узор может быть навсегда перенесен на подложку с помощью любого количества микротехнология процессы, такие как травление или же отрыв. Одна фотомаска может использоваться много раз для многократного воспроизведения рисунка на разных подложках. A "контактный выравниватель "[5] обычно используется для выполнения этой операции, так что предыдущие рисунки на подложке могут быть выровнены по рисунку, который нужно экспонировать.

На выходе из границы раздела фотошаблон-фоторезист свет, формирующий изображение, подвергается воздействию ближнего поля. дифракция поскольку он распространяется через фоторезист. Дифракция приводит к потере контрастности изображения с увеличением глубины фоторезиста. Это можно объяснить быстрым затуханием затухающих волн высших порядков по мере удаления от границы раздела фотошаблон-фоторезист. Этот эффект можно частично смягчить, если использовать более тонкий фоторезист. Недавно были обнаружены улучшения контрастности на основе плазмонных резонансов и линзирующих пленок. [3] Главное преимущество контактной литографии - устранение необходимости в сложной проекционной оптике между объектом и изображением. Предел разрешения в сегодняшних проекционных оптических системах происходит из-за конечного размера конечного объектива для формирования изображения и его расстояния от плоскости изображения. В частности, проекционная оптика может захватывать только ограниченное пространственная частота спектр от объекта (фотошаблона). Контактная печать не имеет такого предела разрешения, но чувствительна к наличию дефектов на маске или подложке.

Виды контактных масок

Есть несколько видов масок для контактной литографии.

Стандарт бинарная маска амплитуды интенсивности определяет темные и светлые области, где свет блокируется или пропускается соответственно. Темные области представляют собой узорчатые пленки из хрома или другого металла.

В световая маска связи имеет гофрированную диэлектрическую поверхность. Каждый выступ действует как локализованный волновод.[6]Свет передается в основном через выступы в результате этого локализованного направляющего эффекта. Поскольку требуется меньшая площадь контакта, вероятность дефектов меньше.

А гибридная наноимпринт-контактная маска использует как контактную визуализацию, так и механическую печать,[7]и было предложено оптимизировать отображение больших и малых объектов одновременно за счет устранения проблем с остаточным слоем отпечатка.

Контактные маски традиционно были довольно большими (> 100 мм), но возможно, что допуски совмещения могут потребовать меньших размеров маски, чтобы можно было ступенчато переключаться между экспозициями.

Как и в литографии наноимпринтов, маска должна иметь примерно такой же размер элемента, что и желаемое изображение. Контактные маски могут быть сформированы непосредственно из других контактных масок или путем прямого письма (например, электронно-лучевая литография ).

Улучшение разрешения

Как отмечалось выше, более тонкий фоторезист может помочь улучшить контраст изображения. Отражения от слоя, лежащего под фоторезистом, также необходимо учитывать при уменьшении поглощения и затухания затухающей волны.

Было предсказано, что разрешение контактной литографии превосходит периодичность λ / 20. [8]

Шаговое разрешение контактной литографии может быть легко улучшено за счет многократных экспозиций, генерирующих изображения признаков между ранее экспонированными деталями. Это подходит для функций вложенных массивов, например, для макетов памяти.

Поверхностные плазмоны коллективные колебания свободных электронов, удерживаемых металлическими поверхностями. Они прочно соединяются со светом, образуя поверхностный плазмон. поляритоны. Такие возбуждения эффективно ведут себя как волны с очень короткой длиной волны (приближающиеся к рентгеновскому режиму).[2] При возбуждении таких колебаний в правильных условиях между парой канавок в контактной маске может появиться множество деталей.[9]Разрешение, достигаемое с помощью стоячих волн поверхностного плазмон-поляритона на тонкой металлической пленке, составляет <10 нм с длиной волны в диапазоне 380–390 нм при использовании серебряной пленки <20 нм.[2] Кроме того, было показано, что глубокие узкие щели в металлических пропускающих решетках позволяют резонансы, усиливающие свет, проходящий через щели. [10]

Слой металлической пленки был предложен в качестве «идеальной линзы» для усиления исчезающих волн, что приводит к увеличению контрастности изображения. Это требует настройки диэлектрической проницаемости, чтобы иметь отрицательную действительную часть, например, серебро на длине волны 436 нм.[11]Использование такой линзы позволяет получить изображение с широким допуском расстояния между маской и фоторезистом, достигая при этом экстремального повышения разрешения за счет использования поверхностной плазмонной интерференции, например, полутона 25 нм с длиной волны 436 нм.[11] Эффект идеальной линзы эффективен только в определенных условиях, но допускает разрешение, примерно равное толщине слоя.[12]Следовательно, с этим подходом также представляется возможным разрешение менее 10 нм.

Использование поверхностной плазмонной интерференции дает преимущество перед другими методами литографии, так как количество элементов маски может быть намного меньше, чем количество элементов в желаемом изображении, что упрощает изготовление и проверку маски.[2][13]В то время как серебро является наиболее часто используемым металлом для демонстрации поверхностных плазмонов для литографии, алюминий также использовался при длине волны 365 нм.[14]

Хотя эти методы повышения разрешения позволяют рассматривать особенности 10 нм, для практической реализации необходимо учитывать другие факторы. Самым фундаментальным ограничением, по-видимому, является шероховатость фоторезиста, которая становится преобладающей для более коротких субволновых периодов, когда ожидается распространение только нулевого порядка дифракции.[3] Все детали рисунка в этом случае передаются исчезающими волнами, которые затухают быстрее для лучшего разрешения. В результате естественная шероховатость фоторезиста после проявления может стать более значительной, чем рисунок.

Проблемы с дефектами и загрязнениями

Как и в случае с любой другой технологией, основанной на контакте с поверхностью, большое беспокойство вызывают дефекты. Дефекты особенно вредны для контактной литографии в двух отношениях. Во-первых, жесткий дефект может увеличить зазор между маской и подложкой. Это может легко привести к исчезновению изображений, основанных на затухающих волнах или интерференции поверхностных плазмонов. Во-вторых, более мелкие и мягкие дефекты, прикрепленные к металлической поверхности маски, могут не нарушать зазор, но все же могут изменять распределение затухающих волн или разрушать условия интерференции поверхностных плазмонов.

Окисление металлической поверхности[15] также разрушает условия плазмонного резонанса (поскольку поверхность оксида не является металлом).

Рекомендации

  1. ^ Су, Фредерик (1 февраля 1997 г.). «Микролитография: от контактной печати до проекционных систем». Отдел новостей SPIE. SPIE-Intl Soc Optical Eng. Дои:10.1117/2.6199702.0001. ISSN  1818-2259.
  2. ^ а б c d е Ло, Сянган; Исихара, Теруя (07.06.2004). «Метод поверхностной плазмонной резонансной интерференционной нанолитографии». Письма по прикладной физике. Издательство AIP. 84 (23): 4780–4782. Дои:10.1063/1.1760221. ISSN  0003-6951.
  3. ^ а б c Мелвилл, Дэвид О. С .; Блейки, Ричард Дж. (2005). «Получение изображений сверхвысокого разрешения через плоский серебряный слой». Оптика Экспресс. Оптическое общество. 13 (6): 2127-2134. Дои:10.1364 / опекс.13.002127. ISSN  1094-4087.
  4. ^ Гао, Пин; Яо, На; Ван, Чангтао; Чжао, Зэю; Ло, Юньфэй; и другие. (2015-03-02). «Улучшение профиля изображения половинной литографии 32 нм и 22 нм с помощью линзы с плазмонным резонатором». Письма по прикладной физике. Издательство AIP. 106 (9): 093110. Дои:10.1063/1.4914000. ISSN  0003-6951.
  5. ^ http://www.nanotech.ucsb.edu/index.php?option=com_content&view=article&id=127:contact-lithography&catid=42&Itemid=22
  6. ^ Martin, Olivier J. F .; Пиллер, Николас Б .; Шмид, Хайнц; Бибайк, Ганс; Мишель, Бруно (1998-09-28). «Поток энергии в световых масках для безлинзовой оптической литографии». Оптика Экспресс. Оптическое общество. 3 (7): 280-285. Дои:10.1364 / oe.3.000280. ISSN  1094-4087.
  7. ^ Ченг, Син; Джей Го, Л. (2004). «Комбинированная техника формирования рисунка наноимпринт-фотолитография». Микроэлектронная инженерия. Elsevier BV. 71 (3–4): 277–282. Дои:10.1016 / j.mee.2004.01.041. ISSN  0167-9317.
  8. ^ Макнаб, Шари Дж .; Блейки, Ричард Дж. (1 января 2000 г.). «Контраст в исчезающем ближнем поле решеток с периодом λ / 20 для фотолитографии». Прикладная оптика. Оптическое общество. 39 (1): 20-25. Дои:10.1364 / АО.39.000020. ISSN  0003-6935.
  9. ^ Ло, Сянган; Исихара, Теруя (2004). «Субволновая фотолитография на основе поверхностно-плазмонного поляритонного резонанса». Оптика Экспресс. Оптическое общество. 12 (14): 3055-3065. Дои:10.1364 / opex.12.003055. ISSN  1094-4087.
  10. ^ Porto, J. A .; García-Vidal, F.J .; Пендри, Дж. Б. (1999-10-04). «Проходящие резонансы на металлических решетках с очень узкими щелями». Письма с физическими проверками. Американское физическое общество (APS). 83 (14): 2845–2848. arXiv:cond-mat / 9904365. Дои:10.1103 / Physrevlett.83.2845. ISSN  0031-9007.
  11. ^ а б X. Цзяо и другие., Progress in Electromagnetics Research Symposium 2005, стр. 1-5 (2005)
  12. ^ Смит, Дэвид Р .; Шуриг, Дэвид; Розенблют, Маршалл; Шульц, Шелдон; Рамакришна, С. Ананта; Пендри, Джон Б. (2003-03-10). «Ограничения на субдифракционную визуализацию с пластиной с отрицательным показателем преломления». Письма по прикладной физике. Издательство AIP. 82 (10): 1506–1508. arXiv:cond-mat / 0206568. Дои:10.1063/1.1554779. ISSN  0003-6951.
  13. ^ Саломон, Лоран; Грилло, Фредерик; Заяц, Анатолий В .; де Форнель, Фредерик (05.02.2001). "Распределение оптического пропускания периодических субволновых отверстий в металлической пленке в ближнем поле". Письма с физическими проверками. Американское физическое общество (APS). 86 (6): 1110–1113. Дои:10.1103 / Physrevlett.86.1110. ISSN  0031-9007.
  14. ^ Шритураванич, Верают; Клык, Николай; Сунь, Ченг; Ло, Ци; Чжан, Сян (2004). «Плазмонная нанолитография». Нано буквы. Американское химическое общество (ACS). 4 (6): 1085–1088. Дои:10.1021 / nl049573q. ISSN  1530-6984.
  15. ^ Например, W. Cai и другие., Прил. Phys. Lett. т. 83, стр. 1705-1710 (1998).