GAČR 102/05/2325 Elektronová litografie pro přípravu nano struktur
Parametry litografu BS600 dosažené při modernizaci 2005/6 Vladimír Kolařík Bohumila Lencová Svatopluk Kokrhel František Matějka Miroslav Horáček
Jiřina Matějková Tomáš Radlička Michal Urbánek Lukáš Daněk Stanislav Král
Brno, 6.2.2007
Přehled • • • • • •
Úvodem Zvýšení rozlišení litografu Zvýšení rychlosti expozice Metodika vyhodnocení struktur Případové studie Související aspekty 2
(1) Úvodem • Elektronová litografie – expozice (rozptyl elektronů) – vyvolávání (citlivost rezistu) – následné procesy (replikace) • Struktura v substrátu: přímé maskování • Maska: optická replikace • Master: mechanické replikace
3
Rozptyl elektronů • Rozptyl energie: dopředný rozptyl + zpětně odražené e1 1 r2 1 r2 f (r ) exp( 2 ) exp( 2 ) 2 2 (1 ) (1 )
0.9 Rt / Vb 1.5 [m, nm, kV ] 0.012 Vb1.7 [m, kV ]
• pro 15 kV a rezist tloušťky 500 nm:
0.2m 1.2m 0.74
4
Modulační přenosová funkce: MTF=fce (periody) 1 2 2 2 2 MTF exp( ) exp( ) 1 p2 1 p2
5
6
Simulace rozptylu – velké a malé razítko
7
Vyvolávání rezistu PMMA / nAAC Sensitivity (example) 100
dw [-]
80
dw
60
Kontrast 40
Citlivost 20 0 1
10
100 D [uC/cm 2]
1000 8
Typ reliéfu Binary and Greytone Relief 100 dw
dw [-]
80
binary relief greytone relief
60
• binární: • tenký rezist (do dna)
40
• reliéfní: 20
• tlustý rezist (na povrchu)
0 1
10
100 D [uC/cm 2]
1000 9
(2) Zvýšení rozlišení • Zpřesnění velikosti razítka – zvýšení rozlišení D/A převodníku tvarovacího systému – změna nastavení zmenšovací čočky
• Zpřesnění pozice razítka – zvýšení rozlišení D/A převodníku vychylovacího systému – diagonální krok 70 nm – SW korekce pozice: dvojexpozice + nastavení časů – snížení šumu 10
Zmenšení razítka (TZ): analýza • Výpočet optické soustavy ELG (Prof. Lencová) • Analýza Coulombovských interakcí (Tomáš Radlička) • Závěr: – možnost zmenšení rozměru svazku na 50% – otočení tvaru razítka o –45° vzhledem k vychylování
11
TZ - „Simulace simulace“ původní návrh výsledek v režimu TZ
12
TZ – rozměr razítka (optika)
13
TZ – rozměr razítka (AFM)
14
TZ: tvar razítka razítko 500 x 500 nm
razítko 750 x 250 nm
15
Vychylování svazku • Krok vychylování: 25 – 50 – 100 – 200 nm
Analýza šumu vychylování: sigmaX 50 nm sigmaY 80 nm 16
(3) Zvýšení expoziční rychlosti • Zkrácení expoziční režijní doby – komunikační modul DSP mezi řídícím PC a elektronikou litografu
• Zvýšení citlivosti rezistu – chemicky aktivovaný rezist (FEP-171)
• Zvýšení proudové hustoty svazku – v režimu zmenšeného razítka zvýšení 4x
• Zkrácení/upřesnění doby ustálení vychylovacího systému – nový D/A převodník a tabulka časů
• Zvýšení proudu katody – možné, ale problematické 17
FEP - citlivost Development characteristics of FEP 200nm 1 0,8 0,6
15s
h[-]
citlivost: 6-8 uC/cm2
0,4
30s 60s 120s
0,2 0 1
10 D[uC/cm2]
100 18
FEP - technologie • + promotor adheze hexa-metyl-disilazan (HMDS) • + post-exposition baking (PEB) • tloušťka rezistu 200-300 nm – ředění: 70-120 nm
19
FEP – binární struktura
20
Doba reálné expozice Exposition Time
Exposition Time [hours]
10
original new DSP new DSP + reduced stamp experiment
8
6
4
2
0 0
200
400
600
Complexity [mega stamps]
800
1000 21
(4) Metodika vyhodnocení struktur • optická mikroskopie • elektronová mikroskopie (SEM) • mikroskopie skenovací sondou (AFM)
22
AFM – 4 snímané signály
23
AFM - kalibrace X: ~ +1% --- Y: ~ +10% --- Z: -2.8% (477,491) 1,1
- 2,2 %
- 3,5 %
1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0,0 475 477 479 481 483 485 487 489 491 493 495 497 499 501 503 505 507 509 511
hloubka [nm]
24
AFM – rozlišení v ose z
25
SEM vs. AFM (anizotropní lept Si) + rozměry X-Y
+ informace o hloubce Z
- informace o hloubce Z
- artefakty (hrany)
26
(5) Případové studie • Binární reliéf • Stupňovitý reliéf • Kombinované mřížky
27
Test dvojčar (FEP, TZ) Čáry délky 1 um Rozteč 500 a 800 nm Hloubka 80 nm
28
Měření čar (FEP, TZ) Standard gratings 800 nm 1000 nm
1000
space [nm]
1200 nm 1400 nm line = 0 500
line = 200 4 3 2
0 0
500
1000
1500
2000
2500
binary
line+space+line [nm ] 1000 nm
Recent gratings
ROI binary
500
2H_600 space [nm]
2H_500 1H_600 1H_500 1H_400 1L_560 1L_420
0 0
500
1000 line+space+line [nm ]
1500
1L_350 1L_300
29
Reliéfní mřížky simulace tvaru reliéfu
30
Měření tvaru reliéfu (PMMA, V11)
31
Víceúrovňová struktura
32
Vyhlazená struktura
33
Kombinovaná mřížka - simulace
reliéf
difrakce
34
Kombinovaná mřížka (PMMA/V11)
35
36
Křížová mřížka
37
(6) Související aspekty • • • • • •
Katody SW pro nastavení čoček EXPO SW Negativní chování rezistu FEP Dolet BS elektronů Litografie AFM
38
katoda ELG (SEM)
39
Katody - parametry • Základní požadavky: – plošná homogenita – časová stálost
• Proudová hustota: – – – –
0.1 A/cm2: extrémně nízká 0.3 A/cm2: dolní limit 1.0 A/cm2: optimum (10-8 A/um2) 3.0 A/cm2: horní limit (křižiště!)
• Proud v segmentu 6.3x6.3 um : – 0.4 uA (při 1A/cm2)
• Proud v primárním svazku (6x): – 2.4 uA (odhad) ~ 23 mA/sr
• Produkce: cca 6 katod / rok 40
SW pro nastavení čoček • Řízení optické soustavy litografu (Miroslav Horáček) • SW na expozičním PC • Uložení nastavených parametrů
41
42
FEP – negativní chování (TZ) A: neexponovaná oblast B: negativní chování v oblasti přeexpozice primárními elektrony C: pozitivní chování v oblasti expozice zpětně odraženými elektrony
43
FEP – negativní chování (pokr.)
charakterizace citlivosti
44 binární + reliéfní struktury
Dolet BS
e
45
AFM litografie - hrot AFM (SEM)
46
AFM litografie - struktury vpichy, rozteč 300 nm
rýhy, poloměr 1000 nm
hloubka +/- 10 nm
hloubka +/- 40 nm
opotřebení hrotu hroty s povrchovou úpravou
47
Závěr Litograf parametr
původní
aktuální
rozměr
velikost svazku
100-6300
50-3125
[nm]
rel. proudová hustota
1
4
[-]
krok vychylování
100
<100
[nm]
režie instrukce
40
8
[us] 48
