Παρουσίαση 8.pdf

Μικροηλεκτρονική τεχνολογία Διάλεξη 8ο Λιθογραφία-Εγχάραξη Διδάσκων: Δρ. Γεωργακόπουλος Τηλέμαχος [email protected] [email protected]...

Μικροηλεκτρονική τεχνολογία Διάλεξη 8ο Λιθογραφία-Εγχάραξη Διδάσκων: Δρ. Γεωργακόπουλος Τηλέμαχος [email protected] [email protected] Λιθογραφία Δημιουργία δομών σε μια επιφάνεια  «Αφαίρεση» υλικού  «Προσθήκη υλικού  «χειραγώγηση» ατόμων (manipulate atoms)  Η λιθογραφία είναι μια διαδικασία μεταφοράς εικόνων από μια μάσκα σε ένα λεπτό στρώμα φωτοευαίσθητου υλικού το οποίο καλύπτει την επιφάνεια ενός δισκίου ημιαγωγού. Τεχνικές λιθογραφίας Photolithography (optical, UV, EUV) E-bean/Ion-beam/Neutral atomic beam lithography X-ray lithography Laser lithography Scanning probe  Voltage pulse  CVD  Local ectrodeposition  Dip-pen Imprinting/embossing Nano templates «Εργαλεία εγγραφής» Δέσμες: Ακίδες SPM (Scanning probe  Optical lithography microscopes)  (E)UV lithography  AFM mechanical patterning  Laser lithography  Dip pen lithography  X-ray lithography  Oxidizing lithography  E-beam lithography  Electrochemical dip pen  Ion-beam lithography Οπτική Λιθογραφία Επίστρωση ενός υποστρώματος, συνήθως πυριτίου, με ένα στρώμα φωτοανθεκτικου- φωτοευαίσθητου υλικού (αντίσταση), το οποίο μπορεί να είναι δύο τύπων:  Θετικό: Είναι διαλυτά όταν εκτίθενται στο φως και έτσι μπορούν να ξεπλυθούν αφήνοντας πίσω το επιθυμητό σχέδιο.  Αρνητικό: αντιδρούν «αντίθετα», οι εκτεθειμένες στο φως περιοχές σκληραίνουν και γίνονται αδιάλυτες, σχηματίζοντας το σχέδιο αφού ξεπλυθούν οι εκτεθειμένες περιοχές. Οπτική Λιθογραφία Για φωτοευαίσθητα υλικά συνήθως χρησιμοποιούνται ρητίνες ευαισθητοποιημένες στο επιθυμητό μήκος κύματος. Τοποθετείται μια μάσκα, με το επιθυμητό σχέδιο, μεταξύ φωτεινής πηγής και του υποστρώματος. Το φως περνάει μέσα από την μάσκα και προσπίπτει πάνω στο σχέδιο- φωτοανθεκτικο υλικό και δημιουργεί την επιθυμητή δομή. Το υπόστρωμα μπορεί να υποβληθεί και σε άλλες διεργασίες όπως εγχάραξη ή εμφύτευση ιόντων για την δημιουργία της τελικής δομής. https://www.youtube.com/watch?v=oBKhN4n-EGI Οπτική Λιθογραφία, Πρόβλημα –μειονέκτημα Το μικρότερο μέγεθος που μπορεί να δημιουργήσει περιορίζεται στο μήκος κύματος του φωτός που χρησιμοποιείται και το αριθμητικό άνοιγμα του οπτικού συστήματος, μια σχέση που περιγράφεται από το κριτήριο Rayleigh.  Η περίθλαση περιορίζει την ανάλυση-διακριτική ικανότητα.  Άρα αν η μάσκα έχει σχήματα στο συγκρίσιμα με το μήκος κύματος της πηγής τότε θα έχουμε το φαινόμενο της περίθλασης. Προσπάθεια για μείωση του προβλήματος Χρησιμοποιούνται μικρότερα μήκη κύματος λιθογραφίας φωτός και εμβάπτισης, παρεμβάλλοντας ένα υγρό μεταξύ του φακού και wafer (μεταβάλλεται ο δείκτης διάθλασης) Ανάπτυξη τεχνικών λιθογραφίας επόμενης γενιάς, όπως η ακραία υπεριώδης λιθογραφία (EUVL), η οποία χρησιμοποιεί ακόμη μικρότερα μήκη κύματος φωτός για να επιτύχει μικρότερα χαρακτηριστικά. Electron Beam Lithography- λιθογραφίας με δέσμη ηλεκτρονίων Εξελιγμένη μέθοδος λιθογραφίας που ξεκίνησε το 1960, ως εναλλακτική λύση στη φωτολιθογραφίας. Έλυνε το πρόβλημα των μικρότερων δομών σε υποστρώματα. Αντί για φώς είχε εστιασμένη δέσμη ηλεκτρονίων. Τα ηλεκτρόνια έχουν σημαντικά μικρότερο μήκος κύματος από το φώς, δίνοντας μοτίβο υψηλότερης ανάλυσης Δίνει χαρακτηρίστηκα μικρότερα από 10nm. Αντίστοιχα έχουμε επικάλυψη με υλικό ευαίσθητο στα ηλεκτρόνια. Η δέσμη προσπίπτει στην επιφάνεια και σαρώνεται στο επιθυμητό σχέδιο Electron Beam Lithography- λιθογραφίας με δέσμη ηλεκτρονίων Αντίστοιχα τα ήλεκτρο-ευαίσθητα υλικά χωρίζονται σε θετικά και αρνητικά. Θετικά:  Οι εκτεθειμένες περιοχές γίνονται πιο διαλυτές και μπορούν να ξεπλυθούν στη διαδικασία ανάπτυξης, αφήνοντας πίσω την μη εκτεθειμένη περιοχή ως τελικό σχέδιο. Αρνητικά:  Αντιστρέφεται η κατάσταση, οι εκτεθειμένες περιοχές γίνονται λιγότερο διαλυτές, αφήνοντας αυτές πίσω μετά την ανάπτυξη. Πλεονέκτημα του EBL Η ικανότητα να δημιουργεί εξαιρετικά περίπλοκα και προσαρμοσμένα σχέδια- μοτίβα με υψηλή ανάλυση. Απουσία φυσική μάσκας παρέχει μεγαλύτερη ευελιξία για αλλαγές σχεδιασμού. Έλεγχος της δέσμης ηλεκτρονίων Φωτολιθογραφία κατασκευή νέας μάσκας. 2.2nm-υψηλή ανάλυση Μειονεκτήματα EBL Αργή τεχνική  Δέσμη ηλεκτρονίων σαρώνει γραμμή προς γραμμή. Για μικρότερες κατασκευές, άρα δεν ευνοείται για βιομηχανία. Υψηλό κόστος εξοπλισμού  Πηγή ηλεκτρονίων υψηλής τάσης  Συνθήκες εξαιρετικά υψηλού κενού.  Προηγμένη οπτική ηλεκτρονίων (425) Electron Beam Lithography – YouTube  Nanoimprint lithography Lithography nanoimprint (NIL), προτάθηκε το 1995, ως μια απλη, χαμηλού κόστους και υψηλής απόδοσης μέθοδος για την παραγωγή σχεδίων. Λιθογραφίας επαφής που μεταφέρει απευθείας ένα σχέδιο από ένα πρότυπο πάνω σε ένα υπόστρωμα το οποίο έχει επικαλυφθεί με ένα στρώμα μονομερούς ή πολυμερούς. Μηχανική παραμόρφωση στο υπόστρωμα, χρησιμοποιώντας ένα καλούπι για την διαμόρφωση του επιθυμητού σχεδίου. Nanoimprint lithography Το υπόστρωμα συνήθως είναι θερμοπλαστικό  Μαλακώνει με την θερμότητα (θερμαίνεται πάνω από την θερμοκρασία υαλώδους μεταβάσεις για να γίνει ελατό)  Είναι ανθεκτικό στο UV (ακτινοβόληση UV σε διαφανή μάσκα και σκληραίνει το υπόστρωμα-υλικό) Πλεονεκτήματα:  Δημιουργεί σχέδια με μικρά χαρακτηρίστηκα κάτω των 10nm με υψηλή απόδοση και χαμηλό κόστος  Δεν περιορίζει το φαινόμενο περίθλασης  Μπορείς να έχεις μεγάλες περιοχές με ένα μονο βήμα, καθιστώντας το μια γρήγορη διαδικασία για την δημιουργία επαναλαμβανόμενων μοτίβων. Nanoimprint lithography Μειονεκτήματα: Η φυσική επαφή μεταξύ υποστρώματος και καλουπιού μπορεί να οδηγήσει σε ατέλειες εξαιτίας των σωματιδίων στην επιφάνεια του υποστρώματος ή του καλουπιού. Τα καλούπια φθείρονται με την πάροδο του χρόνου. Κάθε καλούπι έχει το δικό του σχέδιο και δεν μπορεί να αλλάξει εύκολα. Παρά τα μειονεκτήματα έχει εφαρμοστή σε διάφορα πεδία όπως:  Η μικροηλεκτρονική, φωτονική και αποθήκευση δεδομένων και σε αναδυόμενους τομείς όπως η βιοτεχνολογια Λιθογραφία ακτίνων Χ Οι περιορισμοί της φωτολιθογραφίας όπως είναι η ανάλυση, οδηγεί σε εναλλακτικές τεχνικές λιθογραφίας που χρησιμοποιείται μικρότερο μηκός κύματος όπως οι ακτίνες χ. Μικρότερο μήκος κύματος-μεγαλύτερο βάθος διείσδυσης (σε σχέση με το UV), προσφέρει νέες δυνατότητες για την κατασκευή μικροσυσκευών, πιο παχιά υποστρώματα και σχεδόν κάθετα πλευρικά τοιχώματα. Το υπόστρωμα(αντίσταση) εδώ είναι ευαίσθητο στις ακτίνες X Η μάσκα αποτελείται από ένα υλικό που απορροφά τις ακτίνες Χ, πάνω από το οποίο υπάρχει μια λεπτή μεμβράνη που κατασκευάζεται από υλικό χαμηλού ατομικού αριθμού όπως το πυρίτιο, βόριο (διαπερνά τις ακτίνες X). Λιθογραφία ακτίνων Χ Οι ακτίνες πέφτουν πάνω στην μάσκα, απορροφώνται από τις περιοχές που υπάρχει το μοτίβο και διαπερνά την υπόλοιπη περιοχή (χωρίς μοτίβο) Απαιτείται πηγή ακτίνων X (ακριβή, πολύπλοκη) Διαδικασία υπό κενό (σκέδαση από τα μόρια του αέρα) Εφαρμογή σε πολλές μικροηλεκτρονικές διατάξεις, διατάξεις ισχύος, συσκευές υψηλής τεχνολογίας. Τα οφέλη υπερτερούν του υψηλού κόστους. Λιθογραφία ακραίου υπεριώδους (EUVL) Το βασικό χαρακτηριστικό του EUVL είναι η χρήση ακραίου υπεριώδους φωτός, με μήκος κύματος 13,5 nm (πολύ μικρότερο από το βαθύ υπεριώδες που χρησιμοποιείται στην παραδοσιακή φωτολιθογραφία) Διαμόρφωση μικρών χαρακτηριστικών (5nm και κάτω). Ακτινοβολία Laser προσπίπτει πάνω σε μια σταγόνα κασσιτέρου, η οποία δημιουργεί ένα πλάσμα που εκπέμπει στο EUV. Το φως συλλέγεται, εστιάζεται και αντανακλάται από μια σειρά καθρεπτών (αντί φακών, κόστος συντήρησης) πριν χτυπήσει τη μάσκα (που έχει το σχέδιο). Απαιτείται υψηλό κενό (η ακτινοβολία απορροφάτε από τα μόρια του αέρα, υδρατμούς)  Νανολιθογραφία Dip-pen (NDP) Τεχνική άμεσης εγγραφής για την δημιουργία νανοδομών. Η πένα είναι μια ακίδα μικροσκοπίου σάρωσης και το μελάνι αποτελείται από μόρια σχεδιασμένα να σχηματίζουν μια συγκεκριμένη δομή στο υπόστρωμα. Ένα η ακίδα μικροσκοπίου ατομικής δύναμης (AFM) επικαλύπτεται από ένα μοριακό «μελάνι». Έρχεται σε επαφή, με το υπόστρωμα, σχηματίζοντας ένα υδατικό μηνίσκο και μέσω αυτού τα μόρια μεταφέρονται πάνω σε αυτό με την βοήθεια τριχοειδούς σωλήνα Η κίνηση της ακίδας επιτρέπει σχηματισμό μοτίβο με ακρίβια στην κλιμακα των νανομέτρων Μπορούν να εγγράφουν στο υπόστρωμα χημικά και βιολογικά υλικά  Νανολιθογραφία Dip-pen (NDP) Πλεονεκτήματα:  Μπορεί να χρησιμοποιηθεί μεγάλο πλήθος μελανιών (μικρων μορίων, πολυμερών και νανοσωματιδίων).  Εναπόθεση σε ποικιλία υποστρωμάτων.  Λειτουργία σε θερμοκρασία δωματίου.  Άμεση εγγραφή χωρίς μάσκες Μειονεκτήματα:  Ταχύτητα εγγραφής (γράφει σειριακά)  Η ανάλυση εξαρτάται από την ακίδα (AFM)  Η επίτευξη ομοιομορφία σε μεγάλες επιφάνειες Εφαρμογή σε δημιουργία βιουλικών. The Extreme Physics Pushing Moore’s Law to the Next Level - YouTube Εστιασμένη λιθογραφία δέσμης ιόντων (FIBL) Συμπληρωματική της λιθογραφίας δέσμης ηλεκτρονίων (ιόντα αντί ηλεκτρονίων ή φωτονίων). Δημιουργεί μοτίβα στο υπόστρωμα ή απευθείας στο υλικό. Υπόστρωμα ανθεκτικό ή ευαίσθητο στα ιόντα Συνήθως χρησιμοποιούνται ιόντα γαλλίου Τα ιόντα επιδρούν στο υπόστρωμα δημιουργώντας τις κατάλληλες ιδιότητες (μπορεί να αφαιρέσει επιλεκτικά περιοχές ) Μπορεί να τροποποιεί απευθείας το υλικό  Μπορούν να αφαιρέσουν άτομα από την επιφάνεια (άμεση εγχάραξη)  Ή προκαλέσουν χημικές αντιδράσεις με την εισαγωγή πρόδρομων αερίων, επιτρέποντας την άμεση εναπόθεση υλικών Εστιασμένη λιθογραφία δέσμης ιόντων (FIBL) Πλεονεκτήματα:  Δυνατότητα άμεσης εγγραφής  Τροποποίηση υλικού  Δημιουργία τρισδιάστατων δομών  Προσθήκη και αφαίρεση υλικού Μειονεκτήματα:  Αργή διαδικασία (ακατάλληλο για κατασκευές μεγάλου όγκου)  Οι αλληλεπιδράσεις ιόντος-υλικού μπορεί να προκαλέσει βλάβη στο υλικό  Οι πηγές ιόντων συνήθως χρησιμοποιούν πηγές ιόντων υγρού μετάλλου (γάλλιο), όποτε υπάρχει περίπτωση μόλυνσης του υλικού μας. Παρά τα μειονεκτήματα έχουν ευρεία εφαρμογή στη βιομηχανία ημιαγωγών για επεξεργασία κυκλωμάτων και ανάλυση αστοχιών. Introduction to Focused Ion Beam (FIB) - YouTube  Τα βήματα της διαδικασίας αποτύπωσης με οπτική λιθογραφία. α) Εφαρμογή του φωτοευαίσθητου υλικού. β) έκθεση (φωτισμός) του φωτοευαίσθητου υλικού διαμέσου της μάσκας. γ) Εμφάνιση του φωτοευαίσθητου υλικού. δ) εγχάραξη του SiO2. ε) Αφαίρεση του φωτοευαίσθητου υλικού. Το πάχος του φωτοευαίσθητου υλικού είναι 0,5-1μm Εγχάραξη Απομάκρυνση μέρους του υλικού ώστε να φτιάξουμε «αυλάκια», «κοιλότητες» κλπ στην επιφάνεια μέσα στα οποία σε ένα επόμενο στάδιο μπορούμε να εναποθέσουμε ένα άλλο υλικό. Τύποι εγχάραξης:  Υγρή εγχάραξη  Εμβάπτιση σε υγρό διάλυμα-χημική διεργασία  Ξηρή εγχάραξη  Έκθεση σε πλάσμα-επικρατούσα τεχνική στην μικροηλεκτρονική  Ιοντοβολή: φυσική διεργασία  Χημική προσβολή  Χημική προσβολή ενισχυμένη από ιόντα Εγχάραξη Ορισμοί Ισότροπη: Η εγχάραξη γίνεται προς όλες τις κατευθύνσεις Ανισότροπη: Η εγχάραξη πραγματοποιείται προς μια κατεύθυνση Ρυθμός εγχάραξης: εύρος (διαστάσεις μήκους) του υλικού που απομακρύνεται στη μονάδα του χρόνου 𝑟𝜊𝜌𝜄𝜁𝜊𝜈𝜏𝜄𝛼 Βαθμός ανισοτροπίας: 𝐴 = 1 − 𝑟𝜅𝛼𝜃𝜀𝜏𝛼 r ρυθμός A=1 ανισότροπο Α=0 ισότροπο Εγχάραξη Όταν έχουμε χημική αντίδραση προσβάλλουμε το υλικό προς όλες τις κατευθύνσεις. Όταν επικρατούν φυσικές διεργασίες ευνοείται η ανισοτροπία εγχάραξη. Υγρή εγχάραξη Κατά την κοπή των ράβδων είχε αναφερθεί ο χημικός τρόπος εγχάραξης. Χημικός καθαρισμός από ρύπους πριν την εναπόθεση του υλικού Η διεργασία υγρής χημικής εγχάραξης είναι ιδιαιτέρως κατάλληλη για εγχαράξεις πλήρους κάλυψης σε στρώματα πολυκρυσταλλικού Si, οξειδίων, νιτριδίων, μετάλλων και άλλων ημιαγωγών III-V. Η διαδικασία υγρής χημικής εγχάραξης περιλαμβάνει τρία βασικά βήματα: 1. Μεταφορά αντιδρώντων, μέσω διάχυσης, στην επιφάνεια-στόχο 2. Πραγματοποίηση των προβλεπόμενων χημικών αντιδράσεων στην επιφάνεια- στόχο 3. Απομάκρυνση των προϊόντων αντίδρασης από την επιφάνεια, μέσω διάχυσης. Ανάδευση και θερμοκρασία του διαλύματος-εγχαράκτη επηρεάζουν τον ρυθμό εγχάραξης Ο ρυθμός εγχάραξης εκφράζει την ποσότητα του στρώματος που απομακρύνεται δια της εγχάραξης στην μονάδα του χρόνου.  Υγρή εγχάραξη Στα ΟΚ οι διεργασίες υγρής χημικής εγχάραξης γίνοντα:  Εγχάραξη με εμβάπτιση  Μηχανική ανάδευση για ομοιομορφία και σταθερό ρυθμός εγχάραξης.  Με ψεκασμό του διαλύματος-εγχαράκτη  Η συνεχής παροχή νέων ποσοτήτων εγχαράκτη στην επιφάνεια του δισκίου αυξάνει κατά πολύ και τον ρυθμό και την ομοιομορφία της εγχάραξης. 𝜇𝜀𝛾𝜄𝜎𝜏𝜊 𝜌𝜐𝜃𝜇ό 𝜀𝛾𝜒𝛼𝜌𝛼𝜉𝜂𝜍 −(𝜀𝜆𝛼𝜒𝜄𝜎𝜏𝜊𝜍 𝜌𝜐𝜃𝜇𝜊𝜍) 𝜊𝜇𝜊𝜄𝜊𝜇𝜊𝜌𝜑𝜄𝛼 𝜀𝛾𝜒𝛼𝜌𝛼𝜉𝜂𝜍 % = × 100 𝜇𝜀𝛾𝜄𝜎𝜏𝜊 𝜌𝜐𝜃𝜇ό 𝜀𝛾𝜒𝛼𝜌𝛼𝜉𝜂𝜍 +(𝜀𝜆𝛼𝜒𝜄𝜎𝜏𝜊𝜍 𝜌𝜐𝜃𝜇𝜊𝜍) Οικονομικότερη και ευκολότερη, αλλά οι απαιτήσεις για μικρότερες δομές την κάνουν μη εφαρμόσιμη στην μικροηλεκτρονική. Είναι ισοτροπική (υγρη χημική διεργασία) και πιθανόν ανισότροπη εγχάραξη σε πολυκρυσταλλικά υλικά. Παράδειγμα Υπολογίστε τον μεσοσταθμικό ρυθμό εγχάραξης στρώματος Al και την ομοιομορφία ρυθμού εγχάραξης σε δισκίο Si διαμέτρου 300nm, υποθέτοντας ότι οι ρυθμοί εγχάραξης στο κέντρο και στα άκρα (αριστερό, δεξιό, πάνω και κάτω) του δισκίου είναι 750, 812, 765, 743 και 798 nm/ min, αντίστοιχα. Λύση Μεσοσταθμικός ρυθμός εγχάραξης 𝐴𝑙 = 750 + 812 + 765 + 743 + 798 ÷ 5 = 773,6𝑛𝑚/𝑚𝑖𝑛 Ομοιομορφία ρυθμού εγχάραξης (812 − 743) × 100% = 4,4% (812 + 743) Εγχάραξη πυριτίου Στους ημιαγωγούς η υγρή χημική εγχάραξη ξεκινά με ένα στάδιο οξείδωσης και ακολουθεί η διάλυση του σχηματιζόμενου οξειδίου μέσω χημικής αντίδρασης. Οι εγχαράκτες που χρησιμοποιούνται είναι μίγματα νιτρικού οξέος HNO3 και υδροφθορικού οξέος σε μορφή διαλύματος, είτε σε νερό είτε σε οξικό οξύ (CH3COOH). Το νιτρικό οξύ οξειδώνει το Si και σχηματίζεται ένα στρώμα SiO2. 𝑆𝑖 + 4𝐻𝑁𝑂3 → 𝑆𝑖𝑂2 + 2𝐻2 𝑂 + 4𝑁𝑂2 Υδροφορικό οξύ (μπορεί και νέρο) χρησιμοποιείται για την διάλυση του στρώματος SiO2. 𝑆𝑖𝑂2 + 6𝐻𝐹 → 𝐻2 𝑆𝑖𝐹6 + 2𝐻2 𝑂 Ορισμένοι εγχαράκτες διαλύουν ορισμένα κρυσταλλικά επιπεδα (π.χ {001}, {110} Υλικά εγχάραξης για μονωτικά και αγώγιμα στρώματα Ή υγρή εγχάραξη μονωτικών και μεταλλικών υμενίων συνήθως γίνεται με χημικά παρόμοια με αυτά που διαλύουν τα αντίστοιχα υλικά σε ογκώδη μορφή. Τα στρώματα εγχαράσονται ταχύτερα από τα ογκώδη υλικά του ίδιου υλικού. Ξηρή εγχάραξη α) Σχηματισμός μάσκας στο φωτοευαίσθητο υλικό Μεταφορά της εικόνας της μάσκας, β) με υγρή χημική εγχάραξη και γ) με ξηρή εγχάραξη Στην υγρή εγχαραξη είναι κατά κανόνα ισοτροπική hf πάχος στρώματος υλικού l μήκος υποκοπών (υλικό που φαγώνεται λόγω πλευρικής διείσδυσης του εγχαράκτη στο υποκείμενο στρώμα Ορίζεται βαθμός ανισοτροπίας της εγχάραξης Af: 𝑙 𝑅𝑙 𝑡 𝑅𝑙 𝐴𝑓 = 1 − = 1 − =1− ℎ𝑓 𝑅𝜐 𝑡 𝑅𝜐 t ο χρόνος, Rl , Rυ ρυθμοί εγχάραξης πλευρικοί και κατακόρυφοι, αντίστοιχα. Για ισοτροπική εγχάραξη Rl =Rυ και Αf=0 Ξηρή και υγρή εγχάραξη Για χαρακτηριστικά