Контактная литография
Контактная литография , также известная как контактная печать, представляет собой форму фотолитографии , при которой печатаемое изображение получается путем освещения фотомаски в прямом контакте с подложкой, покрытой слоем фоторезиста для формирования изображения .
История
[ редактировать ]Первые интегральные схемы имели размер 200 микрометров и были напечатаны с помощью контактной литографии. Этот метод был популярен в 1960-х годах, пока его не заменила бесконтактная печать, при которой между фотомаской и подложкой создается зазор. Проксимальная печать имела худшее разрешение, чем контактная печать (из-за зазора, приводящего к большей дифракции), но приводила к гораздо меньшему количеству дефектов. Разрешения было достаточно для производства размером до 2 микрометров. В 1978 году появилась пошаговая проекционная система . [1] Платформа получила широкое признание благодаря уменьшению изображения маски и используется до сих пор.
Контактная литография до сих пор широко практикуется, главным образом в тех случаях, когда требуется толстый фоторезист и/или двустороннее выравнивание и экспонирование. В эту категорию попадают современные приложения для 3D-упаковки, оптических устройств и микроэлектромеханических систем (MEMS). Кроме того, контактная платформа такая же, как и в процессах печати.
Недавно две разработки дали возможность контактной литографии вернуться в полупроводниковую литографию. Во-первых, было продемонстрировано, что усиление поверхностного плазмонного резонанса, включая использование серебряных пленок в качестве линз, дает разрешение менее 50 и даже 22 нм при использовании длин волн 365 и 436 нм. [2] [3] [4] Экзотический закон дисперсии поверхностного плазмона привел к чрезвычайно короткой длине волны, которая помогает преодолеть дифракционный предел. [2] Во-вторых, наноимпринтная литография уже завоевала популярность за пределами полупроводникового сектора (например, жестких дисков, биотехнологии) и является кандидатом на полупроводниковую литографию с длиной волны менее 45 нм, стимулируя методы уменьшения дефектов и улучшения однородности масок, контактирующих с подложкой. Поэтапная литография с отпечатком (SFIL), популярная форма литографии наноимпринта, которая включает в себя УФ- отверждение отпечатковой пленки, по существу использует ту же установку, что и контактная литография.
Принцип работы
[ редактировать ]Обычно фотомаску создают , состоящую из непрозрачных хромированных узоров на прозрачной стеклянной пластине. Подложка УФ покрыта тонкой пленкой - чувствительного фоторезиста . Затем подложку помещают под фотомаску и прижимают к ней. Затем образец подвергается экспонированию, во время которого УФ-свет освещается с верхней стороны фотомаски. Фоторезист под прозрачным стеклом экспонируется и может быть растворен проявителем , в то время как фоторезист под хромом не подвергается воздействию УФ-излучения и остается неповрежденным после проявления.В результате получается оригинальный рисунок, воспроизведенный в виде фоторезиста. Затем рисунок можно навсегда перенести на подложку с помощью любого количества процессов микрообработки , таких как травление или отрыв . Одну фотомаску можно использовать многократно для многократного воспроизведения рисунка на разных подложках.«Контактный выравниватель» [5] обычно используется для выполнения этой операции, чтобы предыдущие рисунки на подложке можно было совместить с рисунком, который нужно экспонировать.
На выходе из границы раздела фотомаска-фоторезист свет, формирующий изображение, подвергается дифракции в ближнем поле при распространении через фоторезист. Дифракция приводит к тому, что изображение теряет контрастность по мере увеличения глубины фоторезиста. Это можно объяснить быстрым затуханием затухающих волн высшего порядка по мере удаления от границы раздела фотошаблон-фоторезист. Этот эффект можно частично смягчить, используя более тонкий фоторезист. Недавно были раскрыты методы повышения контрастности, основанные на плазмонных резонансах и линзирующих пленках. [3] Главным преимуществом контактной литографии является отсутствие необходимости в сложной проекционной оптике между объектом и изображением. Предел разрешения в современных проекционных оптических системах обусловлен конечным размером конечной линзы изображения и ее расстоянием от плоскости изображения. Точнее, проекционная оптика может улавливать только ограниченный спектр пространственных частот объекта (фотомаски). Контактная печать не имеет такого ограничения по разрешению, но чувствительна к наличию дефектов на маске или подложке.
Виды контактных масок
[ редактировать ]Существует несколько типов масок контактной литографии.
Стандартная двоичная амплитудная маска интенсивности определяет темные и светлые области, где свет блокируется или пропускается соответственно. Темные области представляют собой узорчатые пленки, состоящие из хрома или другого металла.
Маска световой связи имеет гофрированную диэлектрическую поверхность. Каждый выступ действует как локализованный волновод. [6] Свет передается преимущественно через выступы в результате этого локализованного направляющего эффекта. Поскольку требуется меньшая площадь контакта, вероятность возникновения дефектов меньше.
Гибридная маска наноимпринт-контакт использует как контактную визуализацию, так и механический импринтинг. [7] Было предложено оптимизировать визуализацию как крупных, так и мелких деталей одновременно за счет устранения проблем с остаточным слоем отпечатка.
Контактные маски традиционно были довольно большими (> 100 мм), но возможно, что допуски на выравнивание могут потребовать меньших размеров масок, чтобы можно было перемещаться между экспозициями.
Как и в литографии наноимпринта, маска должна иметь примерно тот же размер элемента, что и желаемое изображение. Контактные маски могут быть сформированы непосредственно из других контактных масок или путем прямого письма (например, электронно-лучевой литографии ).
Улучшения разрешения
[ редактировать ]Как отмечалось выше, более тонкий фоторезист может помочь улучшить контрастность изображения. При уменьшении поглощения и затухания затухающих волн также необходимо учитывать отражения от слоя, лежащего под фоторезистом.
Было предсказано, что разрешение контактной литографии превысит периодичность λ/20. [8]
Разрешение шага контактной литографии можно легко повысить за счет многократной экспозиции, создавая изображения элементов между ранее экспонированными элементами. Это подходит для функций вложенных массивов, например, для макетов памяти.
Поверхностные плазмоны — это коллективные колебания свободных электронов, удерживаемых металлическими поверхностями. Они сильно взаимодействуют со светом, образуя поверхностные плазмонные поляритоны . Такие возбуждения эффективно ведут себя как волны с очень короткой длиной волны (приближающиеся к рентгеновскому режиму). [2] При возбуждении таких колебаний при правильных условиях между парой канавок в контактной маске может появиться множество деталей. [9] Разрешение, достижимое 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 допускают резонансы, которые усиливают свет, проходящий через щели. [10]
Было предложено использовать слой металлической пленки в качестве «идеальной линзы» для усиления затухающих волн, что приводит к повышению контрастности изображения. Это требует настройки диэлектрической проницаемости так, чтобы она имела отрицательную действительную часть, например, серебро при длине волны 436 нм. [11] Использование такой линзы позволяет получать изображения с широким допуском на расстояние между маской и фоторезистом, одновременно достигая чрезвычайного повышения разрешения за счет использования интерференции поверхностных плазмонов, например, полушага 25 нм с длиной волны 436 нм. [11] Эффект идеальной линзы эффективен только при определенных условиях, но обеспечивает разрешение, примерно равное толщине слоя. [12] Следовательно, при этом подходе разрешение менее 10 нм кажется возможным.
Использование интерференции поверхностных плазмонов дает преимущество перед другими методами литографии, поскольку количество элементов маски может быть намного меньше, чем количество элементов в желаемом изображении, что упрощает изготовление и проверку маски. [2] [13] Хотя серебро является наиболее часто используемым металлом для демонстрации поверхностных плазмонов в литографии, алюминий также использовался при длине волны 365 нм. [14]
Хотя эти методы повышения разрешения позволяют рассматривать возможности 10 нм, для практической реализации необходимо учитывать и 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 узора в этом случае передаются затухающими волнами, которые затухают быстрее для более высокого разрешения. В результате присущая фоторезисту шероховатость после проявления может стать более значительной, чем рисунок.
Проблемы с дефектами и загрязнениями
[ редактировать ]Как и в любой технологии, основанной на контакте с поверхностью, серьезную проблему вызывают дефекты. Дефекты особенно вредны для контактной литографии в двух отношениях. Во-первых, твердый 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 изменить распределение затухающих волн или разрушить условия интерференции поверхностных плазмонов.
Окисление поверхности металла [15] также разрушает условия плазмонного резонанса (поскольку поверхность оксида не является металлом).
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Су, Фредерик (1 февраля 1997 г.). «Микролитография: от контактной печати к проекционным системам». Отдел новостей SPIE . SPIE-Intl Soc Optical Eng. дои : 10.1117/2.6199702.0001 . ISSN 1818-2259 .
- ^ Jump up to: а б с д и Ло, Сянган; Исихара, Теруя (7 июня 2004 г.). «Техника поверхностно-плазмонной интерференционной нанолитографии». Письма по прикладной физике . 84 (23). Издательство AIP: 4780–4782. Бибкод : 2004ApPhL..84.4780L . дои : 10.1063/1.1760221 . ISSN 0003-6951 .
- ^ Jump up to: а б с Мелвилл, Дэвид ОС; Блейки, Ричард Дж. (2005). «Визуализация сверхвысокого разрешения через плоский слой серебра» . Оптика Экспресс . 13 (6). Оптическое общество: 2127–2134. Бибкод : 2005OExpr..13.2127M . дои : 10.1364/opex.13.002127 . ISSN 1094-4087 . ПМИД 19495100 .
- ^ Гао, Пин; Яо, На; Ван, Чантао; Чжао, Цзэю; Ло, Юнфэй; и др. (2 марта 2015 г.). «Улучшение аспектного профиля литографии с полушагом 32 нм и 22 нм с помощью линзы с плазмонной полостью». Письма по прикладной физике . 106 (9). Издательство AIP: 093110. Бибкод : 2015ApPhL.106i3110G . дои : 10.1063/1.4914000 . ISSN 0003-6951 .
- ^ «Контактная литография» . www.nanotech.ucsb.edu . Архивировано из оригинала 26 июня 2010 г.
- ^ Мартин, Оливье Ж.Ф.; Пиллер, Николас Б.; Шмид, Хайнц; Бибюк, Ганс; Мишель, Бруно (28 сентября 1998 г.). «Поток энергии в светосвязывающих масках для безлинзовой оптической литографии» . Оптика Экспресс . 3 (7). Оптическое общество: 280–285. Бибкод : 1998OExpr...3..280M . дои : 10.1364/oe.3.000280 . ISSN 1094-4087 . ПМИД 19384370 .
- ^ Ченг, Син; Джей Го, Л. (2004). «Комбинированная техника нанесения рисунка наноимпринтом и фотолитографией». Микроэлектронная инженерия . 71 (3–4). Эльзевир Б.В.: 277–282. дои : 10.1016/j.mee.2004.01.041 . ISSN 0167-9317 .
- ^ Макнаб, Шари Дж.; Блейки, Ричард Дж. (1 января 2000 г.). «Контраст в исчезающем ближнем поле решеток с периодом λ / 20 для фотолитографии». Прикладная оптика . 39 (1). Оптическое общество: 20–25. Бибкод : 2000ApOpt..39...20M . дои : 10.1364/ao.39.000020 . ISSN 0003-6935 . ПМИД 18337865 .
- ^ Ло, Сянган; Исихара, Теруя (2004). «Субволновая фотолитография на основе поверхностно-плазмон-поляритонного резонанса» . Оптика Экспресс . 12 (14). Оптическое общество: 3055–3065. Бибкод : 2004OExpr..12.3055L . дои : 10.1364/opex.12.003055 . ISSN 1094-4087 . ПМИД 19483824 .
- ^ Порту, JA; Гарсиа-Видаль, Ф.Дж.; Пендри, Дж. Б. (4 октября 1999 г.). «Резонансы пропускания на металлических решетках с очень узкими щелями». Письма о физических отзывах . 83 (14). Американское физическое общество (APS): 2845–2848. arXiv : cond-mat/9904365 . Бибкод : 1999PhRvL..83.2845P . дои : 10.1103/physrevlett.83.2845 . ISSN 0031-9007 . S2CID 27576694 .
- ^ Jump up to: а б X. Цзяо и др. , Симпозиум по исследованиям в области электромагнетизма, 2005 г., стр. 1-5 (2005 г.)
- ^ Смит, Дэвид Р.; Шуриг, Дэвид; Розенблут, Маршалл; Шульц, Шелдон; Рамакришна, С. Ананта; Пендри, Джон Б. (10 марта 2003 г.). «Ограничения субдифракционной визуализации с пластиной с отрицательным показателем преломления». Письма по прикладной физике . 82 (10): 1506–1508. arXiv : cond-mat/0206568 . Бибкод : 2003ApPhL..82.1506S . дои : 10.1063/1.1554779 . ISSN 0003-6951 . S2CID 39687616 .
- ^ Саломон, Лоран; Грийо, Фредерик; Заяц Анатолий Владимирович; де Форнель, Фредерик (5 февраля 2001 г.). «Ближнепольное распределение оптического пропускания периодических субволновых дырок в металлической пленке». Письма о физических отзывах . 86 (6). Американское физическое общество (APS): 1110–1113. Бибкод : 2001PhRvL..86.1110S . дои : 10.1103/physrevlett.86.1110 . ISSN 0031-9007 . ПМИД 11178022 .
- ^ Шритураванич, Верают; Фанг, Николас; Сунь, Ченг; Ло, Ци; Чжан, Сян (2004). «Плазмонная нанолитография». Нано-буквы . 4 (6). Американское химическое общество (ACS): 1085–1088. Бибкод : 2004NanoL...4.1085S . дои : 10.1021/nl049573q . ISSN 1530-6984 .
- ^ Например, W. Cai et al. , прил. Физ. Летт. том. 83, стр. 1705-1710 (1998).