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 e - f 2 2 1 1 r 1 r ( r) exp( ) exp( ) 2 2 2 2 (1 ) (1 ) 0.9 R 0.012 t / V V b 1.7 b 1.5 [ m, nm, kv] [ m, kv] pro 15 kv a rezist tloušťky 500 nm: 0.2 m 1.2 m 0.74 4
Modulační přenosová funkce: MTF=fce (periody) MTF 2 2 2 2 1 exp( ) exp( ) 2 2 1 p 1 p 5
6
Simulace rozptylu velké a malé razítko 7
dw [-] Vyvolávání rezistu PMMA / naac Sensitivity (example) 100 80 60 40 20 Kontrast Citlivost dw 0 1 10 100 1000 D [uc/cm 2 ] 8
dw [-] Typ reliéfu Binary and Greytone Relief 100 80 60 binární: dw binary relief greytone relief 40 20 reliéfní: tenký rezist (do dna) tlustý rezist (na povrchu) 0 1 10 100 1000 D [uc/cm 2 ] 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: sigma X 50 nm sigma Y 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
h[-] FEP - citlivost Development characteristics of FEP 200nm 1 0,8 0,6 0,4 citlivost: 6-8 uc/cm 2 15s 30s 60s 120s 0,2 0 1 10 100 D[uC/cm2] 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
Exposition Time [hours] Doba reálné expozice Exposition Time 10 8 original new DSP new DSP + reduced stamp experiment 6 4 2 0 0 200 400 600 800 1000 Complexity [mega stamps] 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% 1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 (477,491) 1,1-2,2 % - 3,5 % 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
space [nm] space [nm] Měření čar (FEP, TZ) 1000 500 0 Standard gratings 0 500 1000 1500 2000 2500 line+space+line [nm] 800 nm 1000 nm 1200 nm 1400 nm line = 0 line = 200 4 3 2 binary 500 0 Recent gratings 0 500 1000 1500 line+space+line [nm] 1000 nm ROI binary 2H_600 2H_500 1H_600 1H_500 1H_400 1L_560 1L_420 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/cm 2 : extrémně nízká 0.3 A/cm 2 : dolní limit 1.0 A/cm 2 : optimum (10-8 A/um 2 ) 3.0 A/cm 2 : horní limit (křižiště!) Proud v segmentu 6.3x6.3 um : 0.4 ua (při 1A/cm 2 ) 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 hloubka +/- 10 nm rýhy, poloměr 1000 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