Litografia nell’estremo ultravioletto:
l’ottica di proiezione nell’apparato
realizzato all’ENEA
S. Bollanti, P. Di Lazzaro, F. Flora, L. Mezi, D. Murra, A. Torre
C.R. ENEA Frascati, Dipartimento FIM
Che cos’è la litografia EUV
• Nel campo della microelettronica con il termine
“(micro) litografia” si intende il processo che porta
alla riproduzione ripetitiva di un pattern complesso da
una maschera a un wafer ricoperto con un fotoresist
(polimero fotosensibile) per la realizzazione di
componenti (logic, DRAM, ...).
• Il termine EUV = estremo ultravioletto si riferisce
alla porzione di spettro e.m. utilizzata per “incidere” il
pattern sul fotoresist che ricopre il wafer (~ 40-400
eV, ~ 5-50 nm).
La λ EUV “standard” per la litografia è 13.5 nm.
Risoluzione δ (nm)
DRAM Memory (bits)
Logic (#/cm2)
Le richieste della litografia
Legge di Moore:
“Il numero di transistor su un
chip raddoppia ogni 2 anni!”
La risoluzione δ migliora di
un fattore 2 ogni 4-6 anni
Le unità DRAM (Dynamic
Random Access Memory)
scalano circa come δ4
λ=193 nm
NA=1.2
k1= 0.4
R = 65 nm
I limiti della risoluzione
R = k1λ/NA
DoF = k2λ/(NA)2
Lunghezza
d’onda
Apertura
numerica
NA = n⋅⋅sinθ
θ
Costanti di processo
Indice di rifrazione del
mezzo di propagazione
dopo l’ultima lente
Semi-angolo di
convergenza dopo
l’ultima lente
Il ruolo dell’ottica di proiezione
Maschera
con
patterns
LITOGRAFIA OTTICA
• Grazie all’uso di n>1 e di sofisticati
processi litografici (diminuzione
del fattore k1) la risoluzione è
scesa notevolmente al di sotto dei
193 nm della λ utilizzata.
• I sistemi per microlitografia sono
estremamente critici e molto
costosi
LITOGRAFIA EUV
Patterns riprodotti
ridotti su wafer
Mask
• Riducendo di più di un ordine di grandezza la
lunghezza d’onda di lavoro si rilassano le
richieste sugli altri parametri (k1, NA)
Plasma
source
• Le ottiche per l’estremo ultravioletto sono
riflettive (l’EUV è altamente assorbito
praticamente da tutti i materiali)
Wafer
L’ottica di proiezione:
I limiti reali di risoluzione
La dimensione del più piccolo dettaglio realizzabile con
la radiazione elettromagnetica è limitata da diversi
parametri dell’ottica di proiezione
DIFFRAZIONE
δ=k⋅λ
⋅λ/NA
⋅λ
ABERRAZIONI ( con NA)
sferica
coma
...
ERRORE DI FIGURA
ALLINEAMENTO
Prototipo per microlitografia
nell’EUV all’ENEA-Frascati
(realizzato nell’ambito del Progetto Nazionale FIRB n. RBNE01ABPB)
Projection chamber
Convex
mirror
λ = 14.4 nm
Gate
valve
Ellipsoidal
mirror
Zr
filter
∅=2’’
Ellipsoidal
collector
mirror
IFF1
Plasma
source
Flat
mirror
Flexible
duct
Mask
DMS
Schwarzschild Wafer/
/LiF
Objective
M~1/10
L’ottica di proiezione
tra la maschera ed il
wafer
Focusing
lens
XeCl
laser
Bypass
connection
Quartz
window
Vibration isolated, temperature
controlled Invar board
Source chamber
10 cm
L’obiettivo di Schwarzschild
Maschera (10°tilt)
R1
Wafer
R2
2θ
R1= 144.23 mm
R2= 45.06 mm
Zi= 36.26 mm
Z0= 340.22 mm
Φ1= 74 mm
Φ2= 12.7 mm
M=1/9.5 NA=0.23
Zo
Zi
λ=14.4 nm
NA=0.23
Φ1=74 mm
λ=14.4 nm ⇒ δdiff=38 nm
MSO
⇒ δgeo=27 nm
(Modified Schwarzschild Optics)
δtot= √(δ
δdiff2+ δgeo2) = 47 nm
δsph
δMSO
NA
Ref. MSO: Budano et al., Appl. Opt. 45, 4254-4262 (2006).
Allineare uno Schwarzschild
300
Risoluzione geometrica [nm]
Risoluzione geometrica [nm]
300
250
250
200
200
150
150
100
.
100
50
0
-40 -30 -20 -10
0
10
20
30
ZEMAX Decentramento longitudinale [µm]
best-fit
Piezo (∆θ
∆θx=
∆θy=2 µrad)
Attuatore
(∆
∆z=1 µm)
40
.
50
0
-4
-3
-2
-1
0
1
2
3
ZEMAX Decentramento trasversale [um]
best-fit
Errore di
figura totale
rms = 8 nm
4
La tecnica di Foucault
Foucaultgramma
Una lama (knife-edge, KE)
viene traslata attraverso il
fascio in diversi piani
longitudinali. Esempio:
M
P
Knife-edge
prima del piano focale
dei raggi marginali
Figura corrispondente al
knife-edge che si muove
dal basso verso l’alto
• All’osservazione di diverse figure di Foucault (foucaultgrammi)
corrispondono diversi tipi di aberrazione (sferica, coma, ...), che vengono
progressivamente corretti.
• Come per la risoluzione in fase di scrittura, anche la precisione ottenibile in
un allineamento dipende dalla lunghezza d’onda della luce utilizzata.
• L’ideale sarebbe quindi utilizzare la stessa radiazione EUV del sistema, ma
nel nostro caso la relativa intensità non è sufficiente a portare a termine in
tempi “ragionevoli” la procedura di allineamento.
La tecnica di Foucault modificata
XeCl laser
λ=308 nm
Pinholesorgente
CCD
λ >> 14.4 nm
KE
x
SO
(Ombra delle razze (Ombra dello
di sostegno)
specchio convesso)
y
Taglio del fascio al 50% in x
+ scan longitudinale
z
Decentramento
longitudinale specchi:
aberrazione sferica
KE prima dei Dopo il fuoco A metà tra i
due fuochi
marginale
due fuochi
Decentramento
trasverso specchi:
aberrazione di coma
(direzione taglio
asse di rotazione)
z
z
KE
Dopo il fuoco
parassiale
L’effetto della diffrazione
Simulazione di
aberrazioni sferica
con diffrazione
Misura sperimentale di aberrazione sferica con λ = 308 nm:
Pos. long. KE
Z=-20 µm
λ=308 nm
∆ZSO=0.66 mm
Aberrazione
longitudinale
... e con λ = 532 nm:
λ=532 nm
∆ZSO=0.76 mm
Aberrazione
longitudinale
Z=-10 µm
Z=-5 µm
Z=0 µm
Z=+5 µm
Z=+10 µm
Z=+20 µm
La minimizzazione delle aberrazioni
Esempio del coma
Z=0 µm
Z=+5 µm
Z=+10 µm
EXP
Z=-5 µm
MOD
• Si introduce un’aberrazione di
coma ben visibile in modo da
poter misurare la distanza tra i
fuochi: tilt dello specchio
concavo intorno all’asse
orizzontale di ~ 0.84 mrad
Z=-10 µm
Distanza fuochi vs. θhM1
150
Visibile
Ultravioletto
100
50
∆f
[µ
µm]
• Si ripete per vari valori del tilt
e si trova la posizione ideale
per interpolazione
0
-3,5
-3,0
-2,5
-2,0
-50
-100
-150
Intervallo proibito dalla
diffrazione nel visibile
-1,5
-1,0
-0,5
0
θvM1 [mrad]
La maschera
Maschera realizzata dal CNR-IFN di Roma: linee assorbenti in cromo di diversa
larghezza depositate su multilayer riflettivi a 14.4 nm realizzati dall’INFN-LNL
Immagine SEM di un particolare della
struttura del bordo di una linea da 1 µm
1.0 µm lines
1.5 µm lines
3.0 µm lines
Foto al microscopio
ottico di maschera con
pattern consistenti in
linee/spazi 1:1 di
diversi spessori
5.0 µm lines
8.0 µm lines
I risultati dell’esposizione di PMMA
160 nm lines
108 nm lines
150
90 nm
140
130
Height [ a.u.]
La risoluzione
ottenuta, definita
come edge response,
è di 90 nm
120
110
100
90
80
70
60
0
500
1000
1500
2000
2500
Horizontal position [nm]
3000
3500
4000
Conclusioni
• Cuore dei sistemi di litografia è l’ottica di proiezione, che riproduce sul
wafer, con un opportuno fattore di riduzione, gli schemi impressi su di
una maschera.
• Nel caso della litografia nell’estremo ultravioletto, il sistema ottico che
dà il miglior compromesso tra costo e prestazioni, quindi adatto ad
applicazioni di ricerca e sviluppo, è l’obiettivo di Schwarzschild.
• Tra i molti fattori che concorrono a limitare la risoluzione ottenibile da
un sistema litografico l’allineamento dell’ottica di proiezione è uno dei
più critici.
• Nel prototipo realizzato presso il Laboratorio Eccimeri dell’ENEA di
Frascati, l’impossibilità di effettuare l’allineamento dell’obiettivo di
Schwarzschild alla lunghezza d’onda di operazione ha portato allo
sviluppo di una tecnica di allineamento che utilizza lunghezze d’onda
circa 20 volte superiori.
• L’edge-response di 90 nm ottenuto esponendo PMMA testimonia
l’affidabilità del metodo.
Bibliografia
EUVL
J. Roberts et al., Microelectron. Eng. 83, 672 (2006).
K. Kemp and S. Wurm, C.R. Physique 7, 875 (2006).
P. J. Silverman, J. of Microlithography, Microfabrication and Microsystems 4, 1 (2005)
Obiettivo di Schwarzschild
I. A. Artioukov and K. M. Krymski, Opt. Eng. 39, 2163 (2000).
A. Budano et al., Appl. Opt. 45, 4254 (2006).
S. Bollanti, Appl. Phys. B 85, 603 (2006).
S. Bollanti, Appl. Phys. B 91, 127 (2008).
Tecnica di Foucault
M. L. Foucault, C. R. Acad. Sci. Paris 47, 958 (1858).
R. B. Korsmeyer, Sky & Telescope 3, 18 (1944).
