автореферат диссертации по электронике, 05.27.01, диссертация на тему:Физико-технические основы систем переноса изображения на эффекте обращения волнового фронта для микроэлектронной технологии

Введение.

1. История развития и современное состояние литографии.

2. Тенденции развития литографии.

3. Недостатки разрабатываемых методов литографии и обращение волнового фронта (ОВФ).

3.1 Методы достижения ОВФ.

3.1.1 Вырожденное четырехволновое смешение (ВЧВС).

3.1.2 Вынужденное Рассеяние Мандельштама-Бриллюэна.

4. Описание предыдущих экспериментов по формированию изображения для литографии с помощью ОВФ.

4.1 Эксперимент 1.

4.2 Эксперимент 2.

4.1 Эксперимент 3.

5. Предлагаемая схема формирования изображения литографии и ее описывающая математическая модель.

5.1 Математическая модель, описывающая схему.

6. Нахождение конструкции предлагаемой схемы формирования изображения с наилучшим разрешением.

6.1 Максимальное значение NA.

6.2 Нахождение параметра kj'.

6.3 Минимальный прорабатываемый в резисте размер dMHH рез и конструкция схемы формирования изображения.

7. Нахождение глубины фокуса.

8. Нахождение времени экспонирования кадра.

8.1 Нахождение максимального коэффициента пропускания света полупрозрачными зеркалами Кзер.

8.2 Коэффициент отражения света от шаблона и полученное время экспонирования.

9. Анализ полученных параметров предлагаемой схемы формирования изображения.!.

10. Возможность распространения предлагаемого принципа литографии в область меньших длин волн электромагнитного излучения.

11. Анализ стоимости изготовления предлагаемой системы формирования изображения.

Среди множества процессов при производстве интегральных схем (ИС) литография является одним из самых критических. Именно литография задает топологическую структуру интегральной схемы. К сожалению, не существует российских установок литографии, отвечающих современному уровню ~0,1 мкм. На текущий момент самым современным промышленным методом литографии является проекционная литография на длине волны 193 нм, позволяющая получить данный размер элемента. Следующим этапом будет являться литография на длине волны 157 нм, за ней последует какой-либо из разрабатываемых методов, в которых уже не используется традиционный способ формирования изображения. Эти методы ориентированы на размер элемента < 50 нм; к ним относятся проекционная литография в экстремальном ультрафиолете, электронная проекционная литография, ионная проекционная литография. Анализируя используемый и разрабатываемые способы литографии, ясно, что системы формирования изображения представляют собой чрезвычайно сложные конструкции. Так, размеры объективов для 193 нм- и 157 нм- установок литографии сопоставимы с размерами человека; стоимость 193 нм- объектива составляет несколько миллионов долларов [1]. Не менее сложны и проекционные системы установок литографии по новым методам. Разработка перечисленных систем формирования изображения займет много времени и средств.

В связи с этим обращает на себя внимание эффект обращения волнового фронта (ОВФ) излучения как механизм формирования изображения для литографии. Работы по литографии с помощью ОВФ уже имели место ранее, однако, по ряду причин, приведенных далее в диссертации, эти работы не увенчались созданием промышленных установок. Реализация системы переноса изображения на основе ОВФ гораздо проще разработки и изготовления традиционных систем и систем следующего поколения, но вместе с тем возможно достижение разрешения, отвечающего современному уровню литографии

Цель работы

Целью работы является исследование вопроса об использовании эффекта обращения волнового фронта для современной литографии. Задачами диссертации являются:

1. Определение схемы формирования изображения на основе ОВФ.

2. Нахождение математической модели, определяющей параметры схемы.

3. Анализ данной модели с целью нахождения оптимальных параметров схемы.

4. Оценка стоимости реализации предложенной схемы.

Научная новизна диссертационной работы

1. Впервые предложен принцип литографии на длине волны 193 нм на основе эффекта ОВФ и с использованием отражательного шаблона.

2. Рассчитана математическая модель схемы, определяющая следующие параметры: минимальный прорабатываемый размер элемента в резисте, глубина фокуса, время экспонирования кадра.

3. Разбиением системы уравнений математической модели на подсистемы, с помощью ЭВМ проведен анализ модели и определена конструкция схемы, дающая оптимальные значения параметров.

4. Показана возможность распространения принципа литографии на основе ОВФ в область более коротких длин волн.

Практическая значимость работы

Результатом исследований явились конструкция схемы формирования изображения, гораздо проще реализуемая в сравнении с объективом и обладающая современным разрешением 0,15 мкм. При этом глубина фокуса и время экспонирования удовлетворяют требованиям литографии. Также разработаны схемы технологии изготовления отдельных узлов модели.

Положения, выносимые на защиту

1. Схема литографии на основе эффекта ОВФ, с уходом от сложно изготавливаемого шаблона «на просвет» и применением отражательного шаблона.

2. Математическая модель схемы литографии, определяющая минимальный прорабатываемый размер элемента в резисте, глубину фокуса, время экспонирования кадра.

3. Конструкция схемы, оптимизированная на основании математической модели.

4. Оценочная стоимость изготовления конструкции предложенной схемы.

Заключение

В заключении перечислены основные результаты проведенных исследований:

1. Предложена конструктивно простая схема переноса изображения для литографии на длине волны 193 нм на основе эффекта обращения волнового фронта и с применением отражательного шаблона.

2. Заданы технологические требования к схеме и рассчитана математическая модель схемы, с целью оптимизации основных параметров - минимального прорабатываемого размера элемента в резисте, глубины фокуса и времени экспонирования кадра.

3. С помощью моделирования схемы, в том числе и компьютерного, рассчитана конструкция схемы с оптимальными указанными параметрами. Стоит отметить, что расчет содержит:

Расчет конструкции полупрозрачных зеркал с максимальным общим коэффициентом пропускания света на основе применения интерференционных покрытий и изменения поляризации света.

Расчет двух вариантов отражательного шаблона. Даны схемы технологий их изготовления на кремниевой пластине; на одной пластине может изготавливаться массив шаблонов.

4. Проведен анализ полученных параметров схемы. Указано, что достигнутый минимальный размер элемента 0,15 мкм близок к современному уровню технологии литографии, полученная глубина фокуса позволяет использовать существующие резисты. Рассчитана производительность установки литографии по предложенной схеме, на базе существующей установки литографии. Показана сравнимость производительностей рассматриваемой и базовой установок, точное значение производительности рассматриваемой установки будет зависеть от способа реализации эффекта обращения волнового фронта.

5. Рассмотрена возможность переноса предложенной схемы формирования изображения в область более коротких длин волн, с целью улучшения разрешения. Показана теоретическая возможность реализации схемы в диапазоне рентгеновского излучения.

6. Проведен анализ сложности изготовления системы формирования изображения по предложенному принципу. Указано на существенную простоту изготовления системы по сравнению с расчетом и изготовлением традиционных систем и разрабатываемых систем следующего поколения. Приведен расчет оценочной стоимости изготовления схемы, итоговая сумма которого намного меньше стоимости существующих и разрабатываемых систем.

1. Статья ежедневного журнала в Интернет Semiconductor Business News, 05.05.00, J. Robertson: SVGL says new 193-nm scanner requires no phase-shift masks.

2. Диссертация на соискание степени доктора технических наук '"''Моделирование процесса фотолитографии", X. Кирхауер, Вена, Март, 1998.

3. J. Sheats, Microlithography. Sciehce and Technology, 1998.

4. Статья в Интернете R. George, ASM Lithography: Developements in deep UV technology for high volume manufacturing of 0.25 micron semiconductor devices.

5. Daniel A. Tichenor: EUV engineering test stand, SPIE Proc., vol. 3997, p. 48 (2000).

6. Lloyd Harriot: Solid State Technology (1999, July) 73.

7. Hans C. Pfeiffer: PREVAIL IBM's e-beam technology for next generation lithography, SPIE Proc., vol. 3997, p. 206 (2000).

8. Kazuaki Suzuki: Nikon EB stepper: its system concept and countermeasures for critical issues, SPIE Proc., vol. 3997, p. 214 (2000).

9. R.S. Dhaliwal: PREVAIL — electron projection technology approach for next-generation lithography, IBM Journal of Research and Development, Vol. 45, No 5 (2001).

10. Rainer Kaesmaier: Overview of the ion projection lithography European MEDEA and international .program, SPIE Proc., vol. 3997, p. 19 (2000).

11. Technology Roadmap for Nanoelectronics (European Commission, 1ST programm "Future and Emerging Technologies", 2nd ed.,2000,November).15. "Обращение волнового фронта", Б.Я. Зельдович, М. Наука, 1985 г., 247 с.

12. М. Levenson: Projection photolithography by wave-front conjugation, JOSA, Vol. 71, No 6, pp.737-743 (1981).

13. M. Levenson: Photolithography experiments using forced Rayleigh scattering, J. Appl. Phys., Vol. 54, No 8, pp.4305-43 13 (1983).

14. Трунин Д.А., Лаврищев В.П., Никитин А.В., «Оптические свойства отражательных шаблонов», Электронный журнал Исследовано в России, 3, 496-498, 2000. http://zhurnal.mipt.rssi.ru/articles/2000/037.pdf

15. Трунин Д.А., Лаврищев В.П., " Использование фоторефрактивного кристалла и отражательного шаблона в 193-нм фотолитографии ", стендовый доклад на конференции, посвященной 30-летию аспирантуры Научного Центра г. Зеленограда, г. Зеленоград(Москва), 2000 г.

16. М. Gower: High resolution image projection using phase conjugation mirrors, Int. J. Optoelectron., Vol. 4, No 6, pp. 501-518 (1989).

17. M. C. Gower: Phase Conjugation at 193 nm, Optics Letters, Vol. 9, No 2, pp. 70-72 (1983).26. «Основы оптики», M. Борн, Э. Вульф, М., 1974г.

18. D. Cole: Derivation and Simulation of Higher Numerical Aperture Scalar Aerial Images, Jpn. J. Appl. Phys., Vol 31, No 12B, pp. 41104119 (1992).28. "Введение в Фурье-оптику", Д. Гудмен, М. Мир, 1790г., 364 с.

19. Issues and Non-issues on a 193 nm Step-and-Scan system in production, SPIE Proc., Vol. 4000, pp. 460-471 (2000).

20. New projection optical system for beyond 150 nm patterning with KrF and ArF sources, SPIE Proc., Vol. 3334, pp. 414-422.

21. Гапонов С.В., «Литография на длине волны 13 нм», Вестник российской академии наук, т. 73, № 5, с. 392 (2003).

22. SPIE Proc., vol. 2253, p. 394 (1994)36. "Оптические постоянные природных и технических сред", В.М. Золотарев, 1984 г.

23. R. DeJule: Lithography: 0.18 лт and beyond, Semiconductor International (1998, February) pp.54-60.

24. K. Lewotsky: OE magazine (2001, March) 21.

25. The International Technology Roadmap for Semiconductor. Lithography (SIA, 1999).

26. About SIA (http://www.semichips.org/about/index.html , 2000).

27. P. Rai-Choudhury: Handbook of microlithography, micromachining and microfabrication, vol. 1: Microlithography (1997).

28. Y. Nishi: Handbook of Semiconductor Manufacturing Technology (2000).47. 193 nm lithography on a full field scanner, SPIE Proc., vol. 3679, pp. 278-289.48. "Оптика", Г.С. Ландсберг, M. Наука, 1976г., 928с.

29. J. Feinberg: Self-pumped,continuous-wave phase conjugation using internal reflection, Optics Letters, Vol. 7, No 10, pp. 486-488 (1982).

30. J. Feinberg: Photorefractive unlinear optics, Physics Today (1988, October) pp. 46-54.

31. Нефедов П.В., Леонюк Н.И. "Рост и некоторые свойства KMgF3", стендовый доклад 10-й национальной конференции по росту кристаллов, 2002 г.,http://www.crys.ras.ru/nccg7REPORTS/npvll .html

32. St. Braun et. al.: Mo /Si-multilayers for EUV applications prepared by Pulsed Laser Deposition (PLD), Microelectronic Engineering 57-58 (2001), pp. 9-15.

33. St. Braun et. al.: Mo /Si-multilayers with different barrier layers for applications as extreme ultraviolet mirrors, Jpn. J. Appl. Phys., vol. 41, No 6B, Part 1, pp. 4074-4081 (2002).

34. УСЭ литографическая установка совмещения и экспонирования.