بسم الله الرحمن الرحيم
لیتوگرافی به وسیله اشعه ماوراء بنفش
لیتوگرافی به وسیله اشعه ماوراء بنفش
لیتوگرافی به وسیله اشعه ماوراء بنفش حد بالایی (EUVL/Extreme Ultraviolet Lithography ) یکی از روش های تصویرگیری پرتوافکنی است (شکل 1و2) که از اشعه ای با طول موج بین13.4 تا nm 13.5 استفاده می کند. اصول اولیه کارکرد EUVL شبیه به روش لیتوگرافی نوری است، با یک سیستم و ماسک که موج را تابانده و متمرکز می کند.
شکل 1- شماتیکی از اجزای اصلی دستگاه EUVL
لیتوگرافی پرتوافکنی نوری بیش از 20 سال از اصلی ترین راه های تولید قطعات نیمه هادی بوده است. از مدت ها قبل پیش بینی شده بود که لیتوگرافی پرتوافکنی نوری، ظرفیت تولید قطعات با هزینه اقتصادی مناسب و اندازه ویژگی (Feature size) کم همراه با تولید کنترل شده مدارهای مجتمع را دارد. پیچیدگی لیتوگرافی نوری، به طور خاص مربوط به ساخت ماسک می شود. نقشه بین المللی فناوری برای نیمه هادی ها (ITRS/International Technology Roadmap for Semiconductors ) پیش بینی می کند که احتمالا یک نمونه لیتوگرافی برای ساخت الگویی با نیم گام nm45 نیاز است. شکل 3 نمایشی از نیم گام پیش بینی شده با زمان برای چهار مدل از ITRS. هرکدام از این مدل های ITRS یک شتاب کاهشی در نیم گام را پیش بینی کرده اند. نامزد پیشرو و موفق در لیتوگرافی پرتوافکنی نوری، لیتوگرافی ماوراءبنفش حد بالایی (EUVL) و لیتوگرافی پرتوافکنی الکترونی (EPL/Electron Projection Lithography ) هستند.
شکل 2- شمایی از دستگاه EUVL
شکل 3- نمایش نیم گام لیتوگرافی استفاده شده در حجم زیادی از تولیدات همانطور که توسط مدل های متفاوت نقشه فناوری بین المللی برای نیمه هادی ها پیش بینی شده است.
همان طور که اشاره شد در لیتوگرافی پرتوافکنی از ماسک و از ماده مقاوم به پرتو استفاده می شود،که ماده مقاوم به پرتو ماده ای پلیمری است و در مقابل پرتو تابیده شده به دو صورت از خود رفتار نشان می دهد. یا ماده پلیمری در اثر پرتو نگاری شبکه آن تقویت می شود که در این حالت ماده مقاوم را منفی(Negative) می نامیم. و اگر ماده پلیمری پس از تابش پرتو شبکه آن استحکام خود را از دست بدهد در این حالت ماده مقاوم به پرتو را مثبت (Positive) می نامیم(شکل4).
شکل 4- شماتیکی از ماده مقاوم پلیمری مثبت (شکل بالایی) و منفی (شکل پایینی).
در حالتی که ماده مقاوم منفی است پس از انجام لیتوگرافی الگوی ایجاد شده روی زیرلایه برعکس الگوی ماسک خواهد بود.و در حالتی که ماده مقاوم مثبت باشد پس از انجام لیتوگرافی الگوی ایجاد شده روی زیرلایه مشابه الگوی ماسک خواهد بود (شکل های 5 و 6).
شکل 5- شماتیکی از فرایند EUVL با ماده مقاوم مثبت
شکل 6- شماتیکی از فرایند EUVL با ماده مقاوم منفی
همان طور که از شکل های 5 و6 مشخص است پس از تاباندن اشعه UV به ماده مقاوم، البته با گذر از ماسک، ماده مقاوم بسته به اینکه مثبت است یا منفی، استحکام آن به ترتیب کم و یا زیاد می شود. لذا رفتار آنها در برابر محلول شیمیایی متفاوت خواهد بود، بدان معنا که برای ماده مقاوم مثبت، آن قسمتی که پرتو به آن تابیده شده است نسبت به آن قسمتی از آن که پرتو به آن تابیده نشده است از استحکام کمتری برخوردار بوده و لذا در اثر محلول شیمیایی خورده خواهد شد و در نتیجه الگوی ماسک روی زیرلایه به وجود خواهد آمد. در مورد ماده مقاوم منفی، همان طور که قبلا اشاره شد نحوه ی ایجاد الگو برعکس ماسک خواهد بود و اصول کار مشابه ماده مقاوم مثبت است.
تابش در طول موج های EUV، به وسیله همه مواد به میزان زیادی جذب می شود، بنابراین، سطوحی از ماسک که باید نور را بازتاب کنند، با چندین لایه پوشانده می شوند. استفاده از امواج بازتاب شده میزان روزنه عددی را کاهش می دهد. روزنه عددی یک سیستم نوری، عدد بدون بعدی است که محدوده زاویه ای را که سیستم می تواند نور دریافت کند یا خیر، مشخص می کند. روزنه عددی ابزار دریافت کننده EUVL،تقریبا در یک سیستم که چهار برابر کاهش یافته است، 0.1 تا 0.25 است. از آنجاییکه تابش EUV به میزان زیادی توسط مواد جذب می شود، سطحی از ماسک که بازتاب کننده نور است، با چندین لایه پوشش داده می شود. این لایه ها یک بازتاب تشدید شده براگ (Bragg) شکل می دهند که طول موجی نزدیک به طول موج اصلی تابانده شده دارد. ماسک EUVLشامل یک زیرلایه است که در اثر گرما به میزان کم و با فاکتور شش اینچ مربع منبسط می شود، که با چندین لایه از Mo/Si پوشانده می شود. ماسک پوشانده شده با چندین لایه، با یک لایه جذب کننده که الگوی IC مورد نظر را می تواند روی زیرلایه با بزرگنمایی چهار برابر منتقل کند، پوشش داده می شود. پوشش های چند لایه برای EUVL توزیعی از بازتاب های براگ دارند که به خاطر وجود لایه های دوره ای است و به این خاطر این پوشش ها داده می شود که بازتاب را در یک طول موج خاص زیاد کند. بازتاب با زاویه برخورد و طول موج تغییر می کند. در طول موج های EUVL (nm5-20)، تقریبا می توان گفت همه مواد ضریب شکست نزدیک به یک دارند. هنک و همکارانش ضریب شکست را به صورت ترکیبی به شکل زیر ارئه کردند:
n ̅=1-δ+iβ
دو یا بیشتر از دو ماده به طور نوعی انتخاب می شود تا تشکیل چند لایه دهند، و یک ماده انتخاب می شود به طوریکه مقدار δ در طول موج عمل کننده زیاد باشد و بازتاب را حداکثر نماید. این ماده باید همچنین اتلاف بازدهی کمی داشته باشد، کم شدن β باعث حداقل شدن جذب می شود. از آنجا که بازتاببرخورد نرمال برای همه مواد در طول موج هایEUV کم است، تعداد زیادی از لایه ها آرایش پیدا می کنند و هرکدام به گونه ای قرار می گیرد که فاز بازتاب آن با فاز مربوط به لایه های دیگر جمع شود. بنابراین، دوره ای بودن لایه ها به این خاطر است که تداخل امواج ناشی از بازتاب هر یک از لایه ها که δ بزرگی دارند، را سازنده کند.ماده دیگر طوری که δو βکمی داشته باشد، انتخاب می شود تا ضریب کنتراست بین لایه ها را حداکثر و جذب را حداقل کند. در گروه موجی با طول موج حدود nm13.5، Mo و Ru هردو δ بزرگ و β نسبتا کوچکی دارد و سیسلیکون δ و β کمی دارد. مواد دیگری ممکن است جهت بهینه کردن بیشتر بازتاب اضافه شوند. بیشترین بازتاب در طول موج براگ اتفاق می افتد. اسپیلر ، باربی و آتوود معادله براگ را برای اصلاحشکست ارائه کرده اند. معادله براگ برای یک چندلایه که از دو ماده و یا بیشتر ساخته شده به صورت زیر است:
و m درجه شکست موج است،d دوره لایه ها، وd[SUB]1[/SUB] و d[SUB]2[/SUB] ضخامت دو لایه در هر دوره هستند.
جدای از شباهت به لیتوگرافی نوری، انجام EUVL برای حجم زیاد تولید IC با مشکلات زیادی روبرو است:
- ماسک و اجزای نوری با چندین لایه پوشانده می شوند تا شرایط بازتاب بالا با طول موج nm13.5 فراهم شود.
- مسیر نوری و زیرلایه تحت اشعه قرار گرفته، باید در یک خلا mTorr1 به همراه گاز خنثی مثل Ar یا He قرار داشته باشند.
- یک منبع تابش به همراه خروجی با توان بالا باید استفاده شود. معمولا لیزر یا تخلیه الکتریکی برای ایجاد یک پلاسمای گاز Xe که با طول موج های بین 10.5 تا nm14 منتشر می شود، استفاده می شود. اندازه و درخشندگی منبع نوری باید با طراحی سیستم متمرکز کننده بازتابی هماهنگ باشد.
- پلاسما در منبع باید طوری باشد که نه در جابجایی Xe و دستگاه های تخلیه بار مشکلی ایجاد کند و نه در جمع شدن امواج نوری نزدیک هم.
- پوشش چند لایه ای دوره ای روی لوازم نوری و ماسک باید دقت بالا و میزان یکنواختی متوسطی در حدود 0.1% داشته باشد. دوره باید دقیق باشد تا امواج عبوری را که در هم منعکس شده اند، با هم هماهنگ کند. فصل مشترک بین لایه ها باید کاملا از هم جدا و تیز باشد تا انعکاس را حداکثر نماید. زیرلایه نوری نیز باید کاملا صاف باشد.
- پوشش های چندلایه باید در محیط خلا و در مدت زمان زیادی که در معرض اشعه قرار دارند، اکسید نشده و با لایه های نازک اکسیدی نیز پوشیده نشوند.
- پوشش های چندلایه روی ماسک باید با نقایص کمی همراه باشند.
- از آنجا که پوشش چندلایه ای حدود 40% پرتوهای برخوردی را جذب می کند، قسمت های نوری و ماسک باید بر روی زیرلایه ای با انبساط گرمایی کم ساخته شود. این زیرلایه ها همچنین باید در حین پرتو نگاری سرد شوند.
- ماده مقاوم باید ضخامتی کمتر از nm150داشته باشد تا اشعه EUV به درستی در اعماق آن تاثیرگذار باشد.
اگر از این مشکلات چشم پوشی کنیم، EUVL پتانسیل زیادی برای توسعه وضوح لیتوگرافی تا نیم گام nm22 و حتی کمتر از این مقدار، دارد. اگرچه هنوز مشکلات زیادی در فناوری باقی مانده است، ولی واضح است که EUV به عنوان روش اصلی ایجاد الگوهای ادواتی با نیم گام nm45 و کمتر شناخته می شود(شکل7).
شکل 7- نمونه ای از تولید به روش EUVL