Контактная литография , также известная как контактная печать, представляет собой форму фотолитографии, при которой изображение для печати получается путем освещения фотошаблона в прямом контакте с подложкой, покрытой слоем фоторезиста для формирования изображения .
История
Первые интегральные схемы имели размеры 200 микрометров, которые были напечатаны с использованием контактной литографии. Этот метод был популярен в 1960-х годах, пока его не заменила бесконтактная печать, когда между фотомаской и подложкой вводится зазор. Близкая печать имела более низкое разрешение, чем контактная (из-за зазора, допускающего большую дифракцию), но вызывала гораздо меньше дефектов. Разрешение было достаточным для производства до 2 микрометров. В 1978 году появилась система пошагового проецирования. [1] Платформа получила широкое признание из-за уменьшения изображения маски и используется до сих пор.
Контактная литография все еще широко практикуется сегодня, в основном в приложениях, требующих толстого фоторезиста и / или двустороннего выравнивания и экспонирования. В эту категорию попадают передовые приложения для трехмерной упаковки, оптических устройств и микроэлектромеханических систем (МЭМС). Кроме того, контактная платформа такая же, как и в процессах выходных данных.
Недавно две разработки открыли возможность возвращения контактной литографии 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] Экзотическое соотношение дисперсии поверхностного плазмона привело к чрезвычайно короткой длине волны, которая помогает преодолеть дифракционный предел. [2] Во-вторых, литография наноимпринтов уже завоевала популярность за пределами сектора полупроводников (например, жесткие диски, биотехнология) и является кандидатом на полупроводниковую литографию с длиной волны менее 45 нм, что позволяет уменьшить количество дефектов и улучшить однородность масок, контактирующих с подложкой. . Ступенчатая литография отпечатка (SFIL), популярная форма литографии наноимпринта, которая включает УФ- отверждение пленки для отпечатка, по существу использует ту же установку, что и контактная литография.
Принцип работы
Обычно покупается / создается фотошаблон , который состоит из непрозрачных хромовых узоров на прозрачной стеклянной пластине. Образец (или « подложка ») покрывается тонкой пленкой фоторезиста, чувствительного к ультрафиолетовому излучению . Затем образец помещается под фотошаблон и прижимается к нему, «соприкасаясь». Образец подвергается «экспонированию», во время которого УФ-свет падает с верхней стороны фотошаблона. Фоторезист, лежащий под прозрачным стеклом, подвергается воздействию и становится способным растворяться проявителем , в то время как фоторезист, расположенный под хромом, не подвергается воздействию УФ-излучения и останется нетронутым после проявления. Таким образом, узор может быть перенесен с фотошаблона на образец в виде светочувствительного резиста. Затем узор может быть навсегда перенесен на подложку с помощью любого количества процессов микротехнологии , таких как травление или отрыв . Одну фотомаску можно использовать много раз для многократного воспроизведения рисунка на разных подложках. « Контактный выравниватель » [5] обычно используется для выполнения этой операции, так что предыдущие рисунки на подложке могут быть выровнены по рисунку, который нужно обнажить.
На выходе из границы раздела фотошаблон-фоторезист свет, формирующий изображение, подвергается дифракции в ближней зоне при распространении через фоторезист. Дифракция приводит к потере контрастности изображения с увеличением глубины фоторезиста. Это можно объяснить быстрым затуханием затухающих волн высших порядков по мере удаления от границы раздела фотошаблон-фоторезист. Этот эффект можно частично смягчить, если использовать более тонкий фоторезист. Недавно были обнаружены улучшения контрастности на основе плазмонных резонансов и линзирующих пленок. [3] Основным преимуществом контактной литографии является устранение необходимости в сложной проекционной оптике между объектом и изображением. Предел разрешения в сегодняшних проекционных оптических системах происходит из-за конечного размера конечного объектива для формирования изображения и его расстояния от плоскости изображения. В частности, проекционная оптика может захватывать только ограниченный пространственный частотный спектр от объекта (фотошаблона). Контактная печать не имеет такого предела разрешения, но чувствительна к наличию дефектов на маске или подложке.
Виды контактных масок
Есть несколько видов масок для контактной литографии.
Стандартная двоичная маска амплитуды интенсивности определяет темные и светлые области, где свет блокируется или проходит, соответственно. Темные области представляют собой узорчатые пленки из хрома или другого металла.
Света маска муфты имеет гофрированную поверхность диэлектрика. Каждый выступ действует как локализованный волновод. [6] Свет передается в основном через выступы в результате этого локализованного направляющего эффекта. Поскольку требуется меньшая площадь контакта, вероятность возникновения дефектов меньше.
В гибридной контактной маске наноимпринт используется как контактное изображение, так и механическое нанесение [7], и было предложено оптимизировать визуализацию как крупных, так и мелких деталей одновременно за счет устранения проблем с остаточным слоем оттиска.
Контактные маски традиционно были довольно большими (> 100 мм), но возможно, что допуски совмещения могут потребовать меньшего размера маски, чтобы можно было переключаться между экспозициями.
Как и в литографии наноимпринтов, маска должна иметь примерно такой же размер элемента, что и желаемое изображение. Контактные маски могут быть сформированы непосредственно из других контактных масок или путем прямого письма (например, электронно-лучевая литография ).
Улучшения разрешения
Как отмечалось выше, более тонкий фоторезист может помочь улучшить контраст изображения. Отражения от слоя, лежащего под фоторезистом, также необходимо учитывать при уменьшении поглощения и затухания затухающей волны.
Было предсказано, что разрешение контактной литографии превосходит периодичность λ / 20. [8]
Шаговое разрешение контактной литографии может быть легко улучшено за счет многократных экспозиций, генерирующих изображения признаков между ранее экспонированными деталями. 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 плазмон- 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, достигаемое 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 позволяют создавать резонансы, которые усиливают свет, проходящий через щели. [10]
Слой металлической пленки был предложен в качестве «идеальной линзы» для усиления исчезающих волн, что приводит к увеличению контрастности изображения. Это требует настройки диэлектрической проницаемости, чтобы иметь отрицательную действительную часть, например, серебро на длине волны 436 нм. [11] Использование такой линзы позволяет получать изображения с широким допуском расстояния между маской и фоторезистом, достигая при этом экстремального повышения разрешения за счет использования поверхностной плазмонной интерференции, например, полутона 25 нм с длиной волны 436 нм. . [11] Эффект идеальной линзы эффективен только в определенных условиях, но допускает разрешение, примерно равное толщине слоя. [12] Следовательно, разрешение менее 10 нм также представляется возможным при использовании этого подхода.
Использование поверхностной плазмонной интерференции 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] В то время как серебро является наиболее часто используемым металлом для демонстрации поверхностных плазмонов для литографии, алюминий также используется при длине волны 365 нм. [14]
Хотя эти методы повышения разрешения позволяют рассматривать особенности 10 нм, для практической реализации необходимо учитывать другие факторы. Наиболее фундаментальным ограничением является шероховатость фоторезиста, которая становится преобладающей для более коротких субволновых периодов, когда ожидается распространение только нулевого порядка дифракции. [3] Все детали рисунка в этом случае передаются затухающими волнами, которые затухают быстрее для лучшего разрешения. В результате присущая фоторезисту шероховатость после проявления может стать более значительной, чем рисунок.
Проблемы с дефектами и загрязнениями
Как и в случае с любой другой технологией, основанной на контакте с поверхностью, большое беспокойство вызывают дефекты. Дефекты особенно вредны для контактной литографии в двух отношениях. Во-первых, жесткий 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 изменять распределение затухающих волн или разрушать условия интерференции поверхностных плазмонов.
Окисление поверхности металла [15] также разрушает условия плазмонного резонанса (поскольку поверхность оксида не является металлом).
Рекомендации
- ^ Су, Фредерик (1997-02-01). «Микролитография: от контактной печати до проекционных систем». Отдел новостей SPIE . SPIE-Intl Soc Optical Eng. DOI : 10.1117 / 2.6199702.0001 . ISSN 1818-2259 .
- ^ а б в г д Ло, Сянган; Исихара, Теруя (07.06.2004). «Метод поверхностной плазмонной резонансной интерференционной нанолитографии». Письма по прикладной физике . Издательство AIP. 84 (23): 4780–4782. DOI : 10.1063 / 1.1760221 . ISSN 0003-6951 .
- ^ а б в Мелвилл, Дэвид ОС; Блейки, Ричард Дж. (2005). «Получение изображений сверхвысокого разрешения через плоский серебряный слой» . Оптика Экспресс . Оптическое общество. 13 (6): 2127-2134. DOI : 10.1364 / opex.13.002127 . ISSN 1094-4087 .
- ^ Гао, Пин; Яо, На; Ван, Чангтао; Чжао, Зэю; Ло, Юньфэй; и другие. (2015-03-02). «Улучшение профиля формы литографии половинного шага 32 нм и 22 нм с помощью линзы с плазмонным резонатором». Письма по прикладной физике . Издательство AIP. 106 (9): 093110. DOI : 10,1063 / 1,4914000 . ISSN 0003-6951 .
- ^ http://www.nanotech.ucsb.edu/index.php?option=com_content&view=article&id=127:contact-lithography&catid=42&Itemid=22
- ^ Мартин, Оливье Дж. Ф.; Пиллер, Николас Б .; Шмид, Хайнц; Бибайк, Ганс; Мишель, Бруно (28 сентября 1998). «Поток энергии в световых масках для безлинзовой оптической литографии» . Оптика Экспресс . Оптическое общество. 3 (7): 280-285. DOI : 10.1364 / oe.3.000280 . ISSN 1094-4087 .
- ^ Ченг, Син; Джей Го, Л. (2004). «Комбинированная техника формирования рисунка наноимпринт-фотолитография». Микроэлектронная инженерия . Elsevier BV. 71 (3–4): 277–282. DOI : 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 . Оптическое общество. 39 (1): 20-25. DOI : 10,1364 / ao.39.000020 . ISSN 0003-6935 .
- ^ Ло, Сянган; Исихара, Теруя (2004). «Субволновая фотолитография на основе поверхностно-плазмонного поляритонного резонанса» . Оптика Экспресс . Оптическое общество. 12 (14): 3055-3065. DOI : 10.1364 / opex.12.003055 . ISSN 1094-4087 .
- ^ Порту, JA; Гарсия-Видаль, Ф.Дж.; Пендри, Дж. Б. (1999-10-04). «Проходящие резонансы на металлических решетках с очень узкими щелями». Письма с физическим обзором . Американское физическое общество (APS). 83 (14): 2845–2848. arXiv : cond-mat / 9904365 . DOI : 10.1103 / physrevlett.83.2845 . ISSN 0031-9007 .
- ^ а б X. Jiao et al. , Progress in Electromagnetics Research Symposium 2005, стр. 1-5 (2005).
- ^ Смит, Дэвид Р .; Шуриг, Дэвид; Розенблют, Маршалл; Шульц, Шелдон; Рамакришна, С. Ананта; Пендри, Джон Б. (2003-03-10). «Ограничения на субдифракционную визуализацию с пластиной с отрицательным показателем преломления». Письма по прикладной физике . Издательство AIP. 82 (10): 1506–1508. arXiv : cond-mat / 0206568 . DOI : 10.1063 / 1.1554779 . ISSN 0003-6951 .
- ^ Саломон, Лоран; Грилло, Фредерик; Заяц, Анатолий В .; де Форнель, Фредерик (05.02.2001). "Распределение оптического пропускания периодических субволновых отверстий в металлической пленке в ближнем поле". Письма с физическим обзором . Американское физическое общество (APS). 86 (6): 1110–1113. DOI : 10.1103 / physrevlett.86.1110 . ISSN 0031-9007 .
- ^ Шритураванич, Верают; Фанг, Николай; Сунь, Ченг; Ло, Ци; Чжан, Сян (2004). «Плазмонная нанолитография». Нано-буквы . Американское химическое общество (ACS). 4 (6): 1085–1088. DOI : 10.1021 / nl049573q . ISSN 1530-6984 .
- ^ Например, W. Cai et al. , Прил. Phys. Lett. т. 83, стр. 1705-1710 (1998).