Lithografische spiegels meten met subnanonauwkeurigheid

wetenschap & onderzoek

7

Lithografische spiegels meten met subnanonauwkeurigheid De absolute interferometer voor extreem ultraviolet licht Het wordt druk op de micro-chips, de opvolgende generaties worden voorzien van

bennie mols

steeds fijnere elektrische patronen. Het lithografische proces om die patronen op het silicium aan te brengen gebruikt nu nog lenzen. Maar na 2010, wanneer de

Toekomstige generaties chips worden waarschijnlijk gemaakt met extreem ultraviolet licht van dertien nanometer. Optische lenzen kunnen bij dit fabricageproces dan niet meer worden gebruikt omdat die licht van deze korte golflengte absorberen. Spiegels bieden de oplossing. Grootste belemmering daarbij is momenteel de benodigde precisie om de kromming van de spiegel tot op de nanometer nauwkeurig vast te kunnen stellen. Delftse onderzoekers hebben een nieuw meetsysteem gebouwd dat op weg is die precisie te realiseren: een absolute interferometer. Dit meetsysteem kent vele voordelen ten opzichte van concurrerende methoden.

delft

∫

i n t e g r a a l 2004.2

dichtheid zo groot is geworden dat er met zogenoemd extreem ultra-violet van 13 nanometer moet worden geschreven, zullen de lenzen plaast moeten maken voor spiegels. Om die heel nauwkeurig te kunnen meten, heeft Luke Krieg een absolute interfometer ontwikkeld. Dit bovenaanzicht van zijn meetkolom toont het licht uit een optische vezel door het hart van een te meten spiegel.

8

illustratie: carl zeiss smt


De Wet van Moore stelt dat de capaciteit van microchips elke achtien

Elektromagnetische straling beïnvloedt het dagelijks leven op vele

Vier verschillende methoden om silicium chips te

maanden zal verdubbelen. Hoewel de Amerikaan Gordon Moore in 1965

manieren, zowel positief als negatief. Radiogolven stellen de mens in

voorzien van een patroon. Hoewel zichtbaarlicht-

eerst over één jaar sprak, toen over twee jaar, heeft hij met zijn aanpas-

staat om televisie te kijken, mobiel te kunnen telefoneren en te koken

lithografie en uv-lithografie beperkt zijn door de

sing naar achttien maanden tot nog toe gelijk gekregen. De eerste litho-

met een magnetron. Infrarood biedt ons warmte, nachtzichtkijkers en

golflengte van het gebruikte licht, zijn deze technie-

grafische processen werkten met licht van 436 nm om elektrische ver-

afstandbedieningen. Zichtbaar licht, verantwoordelijk voor de grote

ken makkelijk te schalen en snel en eenvoudig toe

bindingen van 5 micron (1/200 mm) te maken. De huidige generatie

hoeveelheid kleuren die we kunnen zien, beslaat slechts een klein deel

te passen. Met elektronen- of ionenbundel-lithogra-

werkt met 193 nm licht en maakt verbindingen van slechts 100 nanome-

van het spectrum. Hoewel de hoge-energie straling voorbij het zicht-

fie kunnen steeds fijnere patronen worden gemaakt,

ter. Naar verwachting zal lithografie binnen enkele jaren worden bedre-

bare gebied, bestaande uit uv, extreem uv, röntgen-straling, gamma-

maar vooralsnog zijn deze technieken langzaam,

ven met licht van 157 nanometer, al denken sceptici dat die stap wordt

straling, in het algemeen schadelijk is voor een levend organisme,

duur en kampen ze nog met kinderziektes. Röntgen-

overgeslagen en om direct over te gaan op de 13 nanometertechniek.

wordt het tevens ingezet voor de medische zorg, astronomie en de

lithografie kent ook een aantal nadelen, dat betreft

halfgeleiderindustrie. De huidige lithografiesystemen zijn beperkt tot

voornamelijk de constructie en het onderhoud. De

licht van golflengtes langer dan extreem UV, omdat de lenzen het licht

maskers moeten vrijwel in contact zijn met het te

zouden absorberen. De enige manier om toch chips te kunnen beschrij-

beschrijven oppervlak. Ook is er nog geen goede

ven met dit licht is door spiegels te gebruiken.

maskeerlak gevonden die geschikt is voor röntgen-

Steeds kleinere structuren wil de chipindustrie op chips schrijven. Kleine en nog eens kleinere circuits betekenen snellere processoren, grotere geheugencapaciteiten en een veel effectiever computergebruik. Structuren op chips schrijven gebeurt momenteel met licht. Hoe kleiner de structuren worden, hoe korter de golflengte van het licht moet zijn. Volgens de regels van de optica is de kleinste structuur evenredig met de golflengte van het gebruikte licht. Chipfabrikanten gebruiken nu al ultraviolet licht met een golflengte van 193 nanometer (zichtbaar licht heeft een golflengte van 400 tot 700 nanometer). In het begin van het volgende decennium willen chipfabrikanten al structuren kleiner dan 35 nanometer op chips schrijven. Daarvoor hebben ze extreem ultraviolet licht nodig. Groot nadeel is dat de fabrikanten dan geen optische lenzen meer kunnen gebruiken, omdat die licht met zulke korte golflengte absorberen. Er komt geen licht doorheen. Spiegels bieden dan de oplossing, want licht van die korte golflengte reflecteren lukt wel. De golflengte van het licht die dan de voorkeur verdient, is 13 nanometer: een extreem korte golflengte, maar wel een die weinig wordt geabsorbeerd door silicium. Silicium is namelijk een van de componenten van de reflecterende coatings op de spiegel. De grootste complicatie bij het gebruik van spiegels is dat ze heel precies een bepaalde vorm moeten hebben: op eentiende nanometer nauwkeurig, wat ongeveer overeenkomt met de diameter van een waterstofatoom. Welk meetprincipe haalt die precisie, is niet te duur en valt ook nog in een gewone optische werkplaats toe te passen? Dat zijn de grote uitdagingen. Delftse onderzoekers bedachten zo’n meetmethode. Na voorbereidend theoretisch werk van promovendus René Klaver slaagde promovendus Luke Krieg erin om een meetopstelling te bouwen die de gewenste nauwkeurigheid kan halen. Let wel: kan, want helemaal gelukt is het nog niet, alhoewel Krieg ervan is overtuigd dat het binnenkort gaat lukken. Krieg werkt bij de sectie Optica van professor Joseph Braat bij de faculteit Technische Natuurwetenschappen van de TU Delft. Het onderzoek gebeurt met steun van diverse partners: fabrikant van optische systemen Carl Zeiss, fabrikant van lithografiemachines asml, tno-tpd en de technologiestichting stw. Absolute lichtinterferentie ¶ De opstelling die Krieg heeft ontworpen en gebouwd is een absolute interferometer. De interferometer gebruikt twee bundels licht die met elkaar interfereren om het bolvormige oppervlak van de holle spiegel te bepalen. De ene bundel valt rechtstreeks op de spiegel, weerkaatst en valt dan op de sensor. De andere bundel komt onderweg geen hindernis tegen. Het woord ‘absoluut’ slaat op het feit dat de bundel die van de spiegel reflecdelft

∫

i n t e g r a a l 2004.2

foto & illustratie sandia national laboratories / www.sandia.gov

stralen.

Proefopstelling van een extreem uv-belichter bij het Sandia National Laboratories. De zware contructie van roestvaststaal is nodig voor zowel de hoge stabiliteit van de schrijfinrichting als voor het werken onder vacuüm.


9

teert geen andere belemmeringen op zijn hele optische pad heeft in de vorm van optische lenzen of glasfibers. Alle bestaande interferometers die zijn ontworpen om de kromming van spiegels te bepalen, zijn niet-absoluut en hebben allemaal een of meerdere lenzen of optische fibers op hun weg. Omdat lenzen en fibers nooit perfect zijn, introduceren ze systematische fouten die de precisiemeting verstoren. ‘Ons uitgangspunt’, vertelt Krieg staande bij de meetopstelling, ‘was een interferometer die zonder tussenkomst van lenzen en fibers het spiegeloppervlak meet. Het moest een geheel nieuw soort interferometer worden.’ De uiteindelijke meetopstelling ziet er op papier eenvoudig uit, maar is o zo moeilijk te realiseren. De opstelling valt uiteen in drie belangrijke onderdelen: de lichtbron, het realiseren van ‘absolute’ interferentie en tot slot de interpretatie van het ingewikkelde interferentiepatroon. Krieg: ‘Alle onderdelen kenden zo hun eigen problemen. Ik heb aan elk onderdeel ongeveer evenveel tijd moeten besteden: ruim een jaar.’ Allereerst moest hij het principe van ‘absolute’ interferentie realiseren. ‘De precisiemeting van een oppervlak is een soort kip-ei-probleem’, legt Krieg uit. ‘Elke interferometer heeft een referentie nodig. Daarvoor gebruiken we een stabiele lengtemaat, de golflengte van het licht van een helium-neonlaser. Die is stabiel voor één deel op honderd miljoen. Over die lengtemaat bestaat geen discussie. Maar dan begint het. Zodra we optische lenzen in het meetsysteem zouden zetten, beïnvloeden de optische elementen de gemeten vorm van de spiegel. Dus om de vorm van de spiegel heel nauwkeurig te meten, moet je eerst de vorm van de optische elementen heel precies kennen. Dan heb je eigenlijk het apparaat dat je wilt bouwen nodig, en dat kan dus niet.

Truc & Helium ¶ De slimme truc die de promovendus gebruikt om absolute interferentie te krijgen, werkt als volgt. Krieg plaatst een optische fiber een klein stukje naast het kromtemiddelpunt van de spiegel. De fiber moet dicht bij het kromtemiddelpunt liggen, maar ook weer niet te dicht, anders kaatst het licht precies terug op het uiteinde van de fiber en dat mag niet. De fiberkern waar de lichtstraal doorheen gaat, meet slechts drie micrometer. Het laserlicht dat de lichtbron door de fiber stuurt, komt er aan het uiteinde als een perfecte bolgolf uit: een golf die zich naar alle richtingen radieel voortplant, als een soort uitdijende bol. Vervolgens valt de bolgolf op de spiegel en wordt hij weerkaatst naar een lichtgevoelige sensor. Precies aan de tegenovergestelde kant van het kromtemiddelpunt van de spiegel bevindt zich het uiteinde van een referentiefiber. Ook hier komt een bolgolf uit, die echter rechtstreeks op de sensor valt. Het weerkaatste licht en het referentielicht interfereren met elkaar, terwijl de sensor het interferentiepatroon registreert. ‘We vergelijken dus een signaal dat onderweg een spiegel ontmoet met een signaal dat onderweg geen belemmering ontmoet’, zegt Krieg. ‘Het verschil wordt dus alleen bepaald door de vorm van de spiegel. Wij hoeven dus ook maar één keer te kalibreren in tegenstelling tot alle andere methoden.’ Omdat lucht ook als een optisch element met een zekere brekingsindex werkt, mag een absolute interferometer niet in lucht opereren. De opstelling onder delft

∫

i n t e g r a a l 2004.2

Deze tekening toont het traject van het extreem uv (paars) via spiegels door de belichter.

foto sandia national laboratories/www.sandia.gov

Optiek niet perfect ¶ Maar dan is er nog een probleem. De vorm van de optische elementen kan in de tijd veranderen. De promovendus: ‘Als we vandaag de vorm meten, en het hele systeem op die vorm kalibreren, dan kunnen we dezelfde meting volgende week al niet meer herhalen. De temperatuur kan anders zijn, wat weer de vorm van de lenzen beïnvloedt. Het kalibreren kan opnieuw beginnen. Bovendien kan een oppervlak in de loop van de tijd door ‘slijtage’ veranderen. Als alle optiek perfect zou zijn, is het eenvoudiger om optische elementen in de meetopstelling te gebruiken, maar optiek is niet perfect. Alleen wanneer de lichtbundel onderweg geen enkel optisch element tegenkomt, hebben we een absolute meting. Dat stelt hoge eisen aan ons ontwerp.’ Krieg toont de nu veilig in een doos ingepakte spiegel die hij gebruikt voor zijn metingen. Hij heeft een diameter van twintig centimeter, is doorzichtig en geelachtig van kleur. Prijs van een dergelijk prototype: minstens een miljoen euro. De vorm van de holle spiegel lijkt perfect bolvormig, maar wijkt daar een klein beetje van af. Iets in de orde van micrometers, en dat is ook zo bedoeld. De spiegel bestaat uit een glasachtig substraat dat zo min mogelijk uitzet of inkrimpt bij temperatuurverandering. Op het substraat worden later zo’n honderd uiterst dunne reflecterende laagjes aangebracht, om de spiegel zo reflecterend mogelijk te maken. Het geheel moet een balans kennen tussen een goede reflectie en een zo klein mogelijke absorptie.

Foto van een extreem uv-masker. Het bevat de patronen die uiteindelijk op duizenden wafers worden geprojecteerd.


10

vacuüm zetten zou een oplossing zijn, maar is omslachtig. Handiger is het om de opstelling onder een stolp te zetten, de lucht er voor een groot deel uit te zuigen en dan vullen met heliumgas. Krieg, terwijl hij de stolp van de optische tafel tilt: ‘Helium werkt qua brekingsindex vrijwel hetzelfde als vacuüm. Het is makkelijker om bij ons meetsysteem een gasfles met helium te leveren, dan dat gebruikers zelf voor een vacuümsysteem moeten zorgen.’

Voorbeeld van de drager van een extreem uvspiegel van Zerodur. Deze glassoort, met een typisch gele kleur, is gemaakt om de verandering in vorm en grootte door temperatuurschommelingen te minimaliseren. Op dit vrijwel transparente materiaal wordt in meerdere etappes een spiegelende laag opgedampt.

Talloze voordelen ¶ Naast het grote voordeel dat de absolute interferometer geen systematische fout introduceert via eventueel storende optische elementen onderweg, kent het systeem nog meer voordelen. ‘Ons systeem kan veel grotere afwijkingen van de perfecte bolvorm aan dan andere interferometers’, zegt Krieg. ‘De andere interferometers hebben sowieso moeite om de afwijking van een perfecte bolvorm te meten, en hoe groter de afwijking, hoe problematischer. Zelfs binnen de lithografie zullen straks verschillende spiegels worden gebruikt. Sommige zullen een grotere, andere een kleinere afwijking van de perfecte bolvorm hebben. Doordat wij twee verschillende golflengten gebruiken, hebben wij nauwelijks een beperking. Dat maakt de absolute interferometer het meest multifunctioneel. Verder kan ons systeem naast spiegels ook lenzen meten.’ delft

∫

i n t e g r a a l 2004.2

De Fizeau interferometer die momenteel wordt gebruikt voor proeven met een extreem uv-substraat bevat een aantal optische elementen, zoals lenzen, prisma’s en deelspiegels. Paradoxaal is dat al deze elementen eerst moeten worden getest met een nauwkeurigheid die gelijk is aan die van het instrument zelf. Daarmee ontstaat er illustratie carl zeiss

Actief gestabiliseerd ¶ Een probleem was echter dat er geen commercieel verkrijgbare lichtbron bestaat die een ultrastabiele golflengte haalt; ongelijk aan maar wel dichtbij 633 nanometer. Zo’n bron moesten de onderzoekers dus zelf maken. ‘Daarvoor hebben we een standaard varieerbare diodelaser als uitgangspunt genomen’, zegt Krieg. ‘Normaal verandert daarvan de golflengte. Maar wij hebben hem actief gestabiliseerd waardoor hij alleen maar licht van 637 nanometer produceert.’ Het interferentiepatroon tussen de van de spiegel teruggekaatste bundel en de ongestoorde referentiebundel komt op een ccd-sensor terecht. Momenteel gebruikt Krieg een tien jaar oude sensor, die echter onvoldoende nauwkeurig is. ‘Bij de faculteit ewi hier in Delft wordt in het kader van hetzelfde onderzoeksproject momenteel een geheel nieuw type sensor gemaakt, die wel voldoet aan de specificaties die voor onze absolute interferometer nodig zijn. Die sensor is speciaal bedoeld voor onze opstelling, maar hij is helaas nog niet klaar. Dat project is later begonnen omdat het niet zo makkelijk was een geschikte promovendus te vinden.’ Momenteel kan de Delftse interferometer de vorm van de spiegel op vier nanometer nauwkeurig bepalen, waar ééntiende nanometer gewenst is. ‘Maar’, zegt Krieg, ‘de sensor die we nu gebruiken is de belangrijkste beperkende factor. Het feit dat we met deze oude sensor al vier nanometer halen, betekent dat we met de nieuwe sensor van dimes die eentiende nanometer wel halen. Daar ben ik van overtuigd. Alle andere onderdelen van onze opstelling voldoen namelijk aan de vereiste nauwkeurigheden.’ Overigens betekent een vormnauwkeurigheid van eentiende nanometer niet dat de positie van elk atoom op het spiegeloppervlak is bepaald. Het betekent dat de vorm van de spiegel op eentiende nanometer nauwkeurig wordt bepaald. Maar dat zegt niets over de locale, kleine vervormingen. Om die te bepalen bestaan reeds andere methoden.

foto sandia national laboratories/www.sandia.gov

Lijnen, ringen & rommel ¶ De promovendus laat op een computerscherm het ontstane interferentiepatroon zien. Het ziet er veel ingewikkelder uit dan bekende interferentiepatronen zoals lijnen en ringen. Om niet te zeggen dat het een rommel is. Bovendien weet de promovendus dat er meer interferentielijnen zijn dan pixels in de sensor die het interferentiepatroon meet. De resolutie van de sensor is dus in eerste instantie onvoldoende om het interferentiepatroon volledig te zien. Krieg: ‘Elke onderzoeker die werkt met interferometrie en dit patroon ziet, zal zeggen: «daar kan ik niks mee». Toch hebben we het interpretatieprobleem kunnen oplossen.’De promovendus gebruikt namelijk twee interferentiepatronen, afkomstig van licht met twee licht verschillende golflengten. Eerst gebruikt hij een standaard helium-neonlaser met een golflengte van 633 nanometer. Vervolgens neemt hij laserlicht van 637 nanometer. Allebei zichtbaar licht dus. Beide experimenten leveren een interferentiepatroon, maar de patronen verschillen iets ten opzichte van elkaar. ‘Wanneer we het ene van het andere patroon aftrekken’, zegt de promovendus, ‘ontstaat er een nieuw interferentiepatroon, dat we wel kunnen interpreteren.’

een kip-ei-probleem. Zelfs wanneer de vorm van optische elementen bekend zou zijn, dan nog moeten ze vaak opnieuw worden gemeten om rekening te kunnen houden met optredende afwijkingen.

Het prototype van de absolute interferometer, ontwikkeld door de afdeling Optica van de tu Delft, bestaat grofweg uit een zespotige meetkolom (links) en een lichtbron, een doos met een complexe optische opstelling (rechts). De twee zijn met elkaar verbonden met twee optische glasvezels. Tijdens de metingen wordt de stolp gevuld met helium om kleine turbulentie-effecten ten gevolge van minieme temperatuurschommelingen sterk te reduceren.


11

En dan is er nog een groot voordeel. Veel spiegels hebben in het midden een gat of andere vreemde vormen, al naar gelang de toepassing vereist. Aan de randen van een gat of van andere verstoringen treedt er optische buiging van het licht op: diffractie. Dat introduceert ongewenste verstoringen in het interferentiepatroon. Voor meetnauwkeurigheden beneden de nanometer worden die afwijkingen belangrijk. Krieg: ‘Andere methoden meten alleen maar aan spiegels die geen scherpe kanten hebben, en als de spiegel die wel heeft, meten ze alleen een heel eind van de

Ook precisiespiegels voor astronomen, fysici en biologen

Het licht verlaat het optische blok via twee glasvezels. Het licht uit een van de vezels wordt gereflecteerd op de spiegel en zo gefocusseerd dat het tussen de twee optische vezels in op de sensor valt, waar het interfereert met het licht dat direct afkomtig is van de andere vezel. Een continu wisselend interferentiepatroon wordt vastgelegd door de sensor. De meetgegevens worden verwerkt met het zogenoemde Inverse Propagatie Algoritme (ipa), ontwikkeld door Krieg. Hiermee wordt uiteindelijk de vorm van de spiegel tot op sub-nanometer-niveau berekend.

die korte golflengten. Dat zou slechts een heel laag contrast opleveren. Toevallig kent water echter een klein gebiedje waarin geen absorptie optreedt, het zogeheten ‘water window’. Biologen willen dus licht gebruiken dat precies binnen dit bereik valt. Gewone optische elementen kunnen ze hier niet gebruiken. Vandaar dat ze microscopen op spiegelbasis nodig hebben.

Evenals in de lithografie, betekent een kortere golflengte ook een hogere resolutie voor microscopie. Voor “natte” biologische toepassingen zijn heel tekening: internet

illustratie nasa

Niet alleen chipfabrikanten hebben zeer nauwkeurig gekromde spiegels nodig. Astronomen die meten in het extreem ultraviolette lichtbereik (meestal tussen 5 en 30 nanometer) hebben ze eveneens nodig. Extreem ultraviolette straling wordt geproduceerd door gas met een temperatuur van minstens een miljoen graden. De ijle dampkring van de zon (de De Chandra ruimtetelescoop die in 1999 werd corona) en de directe omgeving van zwarte gaten kunnen dit soort stragelanceerd door nasa om nova’s, pulsars en ling produceren. Ook bij sterexploandere hoge energiebronnen te detecteren, sies komt licht met een zeer korte maakt al gebruik van spiegels voor het euvgolflengte vrij. en röntgen-bereik. Met betere meetmethoden Fysici die de toestand van een kan de resolutie van zulke telescopen sterk plasma (een mengsel van vrije elekworden verbeterd. tronen en ionen dat bijvoorbeeld in een kernfusiereactor ontstaat) willen analyseren, krijgen eveneens te maken met zeer kortgolvig licht waarvoor ze geen optische lenzen meer kunnen gebruiken. Biologen die minuscule structuren in een levende cel willen bestuderen, gebruiken eveneens steeds kleinere golflengten. Normaliter absorbeert water heel sterk bij

korte golflengten echter een probleem, omdat water deze sterk absorbeert. Alleen in een klein golflengtebereik rond 3 nanometer, het “water

randen vandaan. Die methoden kunnen de diffractie niet verwerken. Onze methode is automatisch in staat de diffractie in rekening te brengen.’ Het interferentiepatroon wordt dus allereerst van een heel druk tot een heel rustig en interpreteerbaar patroon verwerkt. Vervolgens wordt er de storende diffractie van afgetrokken. Ten slotte geeft het meetsysteem de vorm van de spiegel in minimaal zeshonderd getallen. Elk van die getallen geeft informatie over welke correcties op welke plek van de spiegel noodzakelijk zijn. Achter al deze interpretatiestappen schuilt veel wiskunde. Concurrent ¶ De grootste concurrent voor de absolute interferometer van de Delftse groep, is de Sommargren-interferometer van de Lawrence Livermore National Laboratories in samenwerking het National Institute of Standards & Technology (nist) in de VS. Krieg: ‘Gary Sommargren beweerde al in 1999 dat hij een absolute interferometer had, maar dat was niet zo. In eerste instantie gebruikte hij nog een lens vlak voor de sensor, maar die heeft hij inmiddels weggehaald. Maar nog steeds is het geen absoluut systeem. Dezelfde fiber waarmee hij het licht op de spiegel stuurt, dient ook als reflectie-oppervlak voor het licht dat van de spiegel terugkeert. Na reflectie valt het dan pas op de sensor. Dat fiberoppervlak is echter ook nooit perfect en kan bovendien in de tijd veranderen. Die factor maakt zijn methode nog steeds niet absoluut. Hij claimt dan wel dat hij een nauwkeurigheid van 0,25 nanometer haalt, maar die nauwkeurigheid is niet herhaalbaar. Als hij de meting een paar weken later weer doet kan er iets anders uitkomen, zonder dat het spiegeloppervlak is veranderd. Bovendien kunnen wij veel grotere spiegels in een keer meten dan de Sommargren-interferometer.’ Daarnaast lijdt de Sommargren-interferentie ook aan de genoemde nadelen van niet-absolute interferentie. Andere systemen dan die van Sommargren

window” genoemd, valt de absorptie van water onder de absorptie van interessante stoffen zoals proteïnen. Ook hier zijn spiegels met een extreme nauwkeurigheid nodig om de gewenste resolutie te halen.

De ophanging van de interferometer moet ervoor zorgen dat de relatieve positie van optische vezels, de sensor en de spiegel binnen enkele miljoensten van een millimeter blijven. De constructie is gemaakt van een speciale legering die bij dezelfde temperatuurschommelingen tienmaal minder uitzet dan roestvaststaal. De te meten spiegel (niet afgebeeld) wordt bovenop in een ring geplaatst. De vatting is zodanig geconstrueerd dat de spiegel bij terugplaatsen altijd op exact dezelfde plaats glijdt.

delft

∫

i n t e g r a a l 2004.2


12

gebruiken nog meer optiek, en zijn dus nog verder verwijderd van een absolute interferometer. ‘Of onze absolute interferometer uiteindelijk commercieel wordt gebruikt, hangt van veel factoren af’, zegt Krieg. ‘Doorslaggevend zal de economische haalbaarheid van het gehele, nieuwe productieproces van de toekomstige chips worden.’ Alhoewel de chipindustrie de grote stuwende kracht is achter de precisiemeting van de spiegels, kunnen ook biologen, fysici en astronomen van de vinding profiteren. In toenemende mate hebben zij te maken met waarnemingen waarbij licht van een korte golflengte noodzakelijk is en die vereisen spiegels met nano-precisievorm. Het principe van de Delftse absolute interferometer is inmiddels via een patent beschermd. Krieg blijft tot december 2004 bij de sectie Optica werkzaam. Hij hoopt dat in de tussentijd de nieuwe sensor gereed komt en dat hij het kleinood kan gebruiken om definitief aan te tonen dat zijn absolute interferometer de kromming van de spiegel met een nauwkeurigheid van een tiende nanometer kan meten. Krieg twijfelt er niet aan dat dat moet lukken met de nieuw ontworpen sensor. Hopelijk kan hij het zelf nog bewijzen, maar anders ligt er een mooie klus voor zijn opvolger. Zijn promotiewerk heeft hij inmiddels afgerond. Krieg promoveert in november 2004. n

Het licht van elk van de twee lasers moet worden gefocusseerd tot een puntje van slechts enkele microns, voordat het effectief de optische vezel in kan worden gestuurd.

Voor nadere informatie over dit onderwerp kunt u contact opnemen met Luke Krieg MSc, tel. (015) 278 2455, e-mail [email protected] of met prof.dr.ir. Joseph Braat, tel. (015) 278 6146, [email protected]

Concurrerende nanolithografische methoden voor toekomstige chips In de race om de standaard methode te worden voor de volgende generatie chips is het schrijven met extreem ultraviolet licht (euvl) momenteel de beste kandidaat. Zowel in Europa als in de VS en in Japan wordt er aan gewerkt. De International Roadmap for Semiconductors omschrijft euvl als ‘potentiële oplossing’ voor de lithografie van de toekomst. Grote bedrijven als asml, Intel, ibm en Motorola werken eraan, evenals een aantal grote onderzoekslaboratoria zoals Lawrence Livermore National Laboratory, Berkeley National Laboratory en Sandia National Laboratories. Maar of euvl de volgende-generatie-methode wordt, is nog niet zeker. Critici menen dat het systeem nauwkeurigheidseisen stelt waarvan nog maar de vraag is of ze haalbaar zijn. Een van de grote problemen voor commercieel gebruik is de nauwkeurigheid van de spiegel. Sleutelvraag is of de methode voldoende kosteneffectief zal blijken. Niemand die dat nu al weet. Een andere mogelijke kandidaat, maar vaak gezien als tweede keus, is het schrijven met elektronen (Electron Beam Projection Lithography (epl)). De golflengte van elektronen bedraagt eentienduizendste nanometer, en is dus veel kleiner dan de grootte van een atoom. Zo’n bundel kan gemakkelijk worden gefocusseerd op een punt met een doorsnede van een nanometer. Ondanks de kleine golflengte zijn er echter grote belemmeringen. Het productietempo van de schrijftechniek is veel te laag voor toepassing in massaproductie. Verder wordt de resolutie beperkt door verstrooiing van elektronen in verschillende stappen van het schrijfproces op de chip, onder andere verstrooiing door de gevoelige laag op de chip. Verder bestaan nog methoden als röntgenlithografie en ionenbundelprojectielithografie. Het principe van röntgenlithografie is dat een (erg kostbaar) synchroton de röntgenstraling met golflengten van ongeveer één nanometer levert. Het een-op-een-schaduwmasker projecteert de straling vervolgens op de chipwafer. Door sterke absorptie moet het grootste deel van de installatie in vacuüm worden geplaatst. Röntgenmaskers zijn fragiel en kostbaar en zijn tot nu toe een groot obstakel gebleken voor commercialisering van de röntgenlithografie. Bij ionenbundel-projectielithografie worden waterstof- of heliumatomen gebruikt. Complementaire sjabloonmaskers worden gebruikt voor het opbouwen van een beeld. Elektrostatische lenzen verkleinen het beeld. De productie van maskers, het ontwerpen van een ionenbeeldvormingssysteem, het aan elkaar passen van complementaire maskers en een geschikte verhouding van onscherpte en productietempo vormen vooralsnog de voornaamste belemmeringen bij deze methode van chips schrijven.

delft

∫

i n t e g r a a l 2004.2

Kriegs flexibele lichtbron kan met verschillende optische technieken werken, zodat met diverse sensoren kan worden gemeten. De bundels van drie lasers worden door een matrix van spiegels, deelspiegels, modulatoren, wave-plates en glasvezelkoppelaars geleid voor ze de te testen spiegel bereiken. Een terugkoppelsysteem regelt de golflengte van de afstembare laser ten opzichte van de reeds gestabiliseerde laser

Deze schematische weergave van de lichtbron toont het traject van de laserbundels. De bron produceert tegelijkertijd licht van 633 en 637 nanometer.


13

Veel spiegels hebben een gat of afwijkende vormen om aan de eisen van de optische ontwerpers te voldoen. Aan de randen van die gebieden treedt optische buiging op, ofwel diffractie, die de nauwkeurigheid van de metingen negatief beïnvloedt.

De meetgegevens van Kriegs interferometer woren uitgedrukt in een ‘druk’ interferentiepatroon. Het patroon bevat meer oscillaties dan het aantal pixels van de meetsensor. Om het patroon eenduidig te kunnen interpreteren, is extra informatie nodig. Deze wordt geleverd door een tweede interferentiepatroon, afkomstig van een andere golflengte. De regio in het midden van het plaatje toont het gebied waar het gat in de spiegel zit. Er is geen regelmatig patroon, omdat er maar weinig licht valt. Het gebiedje is niet betrokken bij de meting.

De interferentiepatronen van twee bijna identieke golflengtes verschillen nauwelijks. Maar wanneer ze van elkaar worden afgetrokken, verschijnt er een patroon dat afkomstig blijkt te zijn van licht met een veel langere “synthetische” golflengte.

delft

∫

i n t e g r a a l 2004.2


14

Delftse lithografie: De Mapper Het “synthetische” interferentiepatroon, gemeten

Dit herstelde interferentiepatroon is, fysiek

met twee golflengtes, toont minder variatie dan

gezien, identiek aan het patroon van het drukke

het patroon van slechts één golflengte.

patroon van de eerste golflengte, maar maakt gebruik van de informatie afkomstig van het rustigere synthetische interferentiepatroon in de vorige afbeelding. Pas na deze herstelprocedure geeft het interferentiepatroon voldoende informatie om de vorm van de spiegel te berekenen. Ironisch genoeg heeft het anders zo storende fenomeen diffractie tegelijkertijd ook de ongekende nauwkeurigheid van deze interferometer tot gevolg. Door diffractie verandert het golffront van licht afkomstig van een klein puntje (zoals het uiteinde van een glasvezel) heel snel tot een perfecte bol, ook al is het front oorspronkelijk vrij onregel-

Als spin-off van zijn universitaire werk aan de tu Delft richtte prof.dr. ir. Pieter Kruit in juli 2000 het bedrijf Mapper Lithography op. Mapper werkt aan een alternatieve lithografiemethode naast de methoden waar momenteel wereldwijd de meeste aandacht naar uitgaat: Extreme Ultraviolet Lithography (euvl) en Electron Beam Projection Lithography (epl). Mapper combineert het tegelijkertijd schrijven met 13.000 elektronenbundels met methoden van razendsnel optisch datatransport, zoals gebruikt in de telecommunicatie-industrie. Eén enkele elektronenbundel wordt opgesplitst in 13.000 elektronenbundels. Met elektrostatische lenzen worden al die bundels op het te beschrijven oppervlak (‘de chipwafer’) gefocusseerd. In één scan wordt een beeldveld op de wafer van 26 bij 33 millimeter belicht. De elektronenbundels worden aan- en uitgeschakeld door 13.000 lichtsignalen, eentje voor elke elektronenbundel. De lichtbundels worden gegenereerd door een datasysteem dat precies de informatie bevat hoe het gewenste chippatroon eruitziet. Het doel van Mapper is om zowel snel wafers te kunnen beschrijven (meer dan tien per uur), als een hoge resolutie te halen (kleiner dan 45 nanometer). De methode bevindt zich nog in de ontwikkelingsfase.

De Sommargren interferometer is ook gebaseerd op glasvezels, maar in tegenstelling tot de interferometer van Krieg wordt hier gebruik gemaakt van optische elementen tussen de vezels en de

foto laser focus world

matig.

geteste optiek.

Het licht afkomstig van de optische vezel in een Sommargren interferometer wordt door de geteste spiegel naar de vezel teruggekaatst, waar het licht onder een andere hoek naar de ccd wordt gereflecteerd en met de rest van het licht uit de vezel interfereert. Het reflecterend oppervlak van de vezel en de optiek voor de ccd zijn optische elementen. Net als de elementen in een Fiezeau interferometer, moeten ze nauwkeurig worden gemeten, omdat ze in de loop van de tijd kunnen vervormen. Om deze redenen mag de Sommargren interferometer geen absolute interferometer worden genoemd. delft

∫

i n t e g r a a l 2004.2

Lithografische spiegels meten met subnanonauwkeurigheid

Recommend Documents