Lithographie EUV

La lithographie EUV (EUVL en abrégé) est un procédé de photolithographie , le rayonnement électromagnétique d'une longueur d' onde de 13,5  nm (91,82  eV ) utilise un rayonnement dit extrême ultraviolet (en anglais extreme ultraviolet , EUV). Cela devrait permettre à l'avenir la miniaturisation structurelle dans l' industrie des semi - conducteurs de continuer à fabriquer des circuits intégrés plus petits, plus efficaces, plus rapides et moins chers à fabriquer.

Contexte et enjeux majeurs

La lithographie EUV peut être considérée comme une continuation de la lithographie optique avec des longueurs d'onde plus petites. Le saut technologique des systèmes d'exposition 193 nm utilisés en 2008 à 13,5 nm nécessite la solution de toute une série de problèmes techniques. En février 2008, IBM et AMD ont présenté la première exposition complète d'un wafer avec EUVL avec une vraie puce en technologie 45 nm . Les détails techniques n'ont pas été publiés.

La réduction de la longueur d'onde entraîne une multitude de défis et de changements technologiques bien plus complexes que les précédentes réductions de longueur d'onde, par exemple de 248 nm ( KrF - laser excimer ) à 193 nm ( ArF - laser excimer ). En plus des problèmes qui surviennent avec chaque réduction de longueur d'onde, tels que la fourniture de sources de rayonnement de haute qualité et stables avec une puissance de rayonnement suffisante ou un système de photoréserve qui répond aux exigences élevées de résolution et de résistance à la gravure, les nouveaux défis suivants se posent dans EUV lithographie:

  • L' absorption élevée signifie qu'aucune optique réfractive , par ex. B. des lentilles peuvent être utilisées, à la place des optiques miroir doivent être utilisées. Les masques doivent également avoir des surfaces hautement réfléchissantes (environ 70%) et donc différer des masques d'exposition conventionnels.
  • Les lasers ne sont plus disponibles en tant que sources lumineuses, il faut donc utiliser des sources plasma qui introduisent des résidus dans le système et ont des propriétés moins bonnes que les lasers.
  • En raison de la diffusion Rayleigh , la technologie EUV impose des exigences beaucoup plus élevées sur la précision de forme des masques, des miroirs et des matériaux à exposer en termes de rugosité de surface (0,25 nm).
  • Avec sa très courte longueur d'onde de 13,5 nm, le rayonnement EUV est déjà fortement absorbé par l' air et par la plupart des matériaux. La longueur moyenne d'absorption dans l'air est inférieure à un millimètre, l'utilisation d'un vide est donc inévitable.

Systèmes de lithographie EUV

En termes simplifiés, un système de lithographie EUV se compose des éléments suivants :

  • Source de rayonnement avec protection contre les résidus et collecteur
  • optique d'imagerie et masque
  • Plaquette avec photoresist

Source de rayonnement

Le rayonnement EUV est libéré lorsque les plasmas sont générés . De tels plasmas sont générés dans les gaz par de fortes décharges électriques (en anglais gas décharge made plasma , GDPP) ou par focalisation du rayonnement laser (en anglais laser-produced plasma , LPP, LPP radiation source ). Selon le type de milieu, une partie du spectre de rayonnement émis se situe dans la plage souhaitée de 2% de bande passante de la longueur d'onde centrale 13,5 nm. Le xénon a d'abord été utilisé comme milieu, mais l' étain (cf.) a pu l'emporter en raison de son efficacité de conversion plus élevée . Cette technologie a été continuellement développée au cours des dernières années par les trois sociétés les plus importantes dans ce domaine ( Xtreme Technologies (Ushio Lighting) , Cymer (qui fait maintenant partie d'ASML et du système actuellement utilisé) et Gigaphoton ).

La dose de lumière qui tombe sur la résine photosensible a une influence directe sur le temps de traitement et donc sur le débit de la plaquette. Selon la littérature, une puissance de rayonnement d'environ 100 W dans la plage de 13,5 nm était nécessaire pour la première génération de systèmes de lithographie EUV afin d'atteindre un débit suffisamment élevé et raisonnablement économique d'environ 60 plaquettes par heure pour 28 nm produits et ci-dessous pour assurer. En 2016, ASML a présenté un système de laboratoire d'une puissance rayonnée de 210 W.

Dans les appareils actuels, 50 000 gouttes d'étain sont initialement produites par seconde. Ces gouttes d'un diamètre de 25 micromètres tombent dans une chambre à vide, dans laquelle leur position est mesurée à l'aide d'une caméra ultra-rapide. Chaque goutte est ensuite d'abord frappée par une pré-impulsion laser, qui la transforme en une forme de crêpe, puis, à l'étape suivante, est convertie en plasma avec le laser à impulsions principal, qui émet une lumière EUV d'une longueur d'onde de 13,5 nanomètres.

Protection contre les résidus

Le plasma généré dans la source de rayonnement est constitué d'ions et d'électrons qui se déplacent à grande vitesse. Pour éviter que ces particules de plasma n'endommagent les optiques utilisées, elles sont interceptées (pièges à feuilles, gaz tampon) ou des procédés de nettoyage (procédés chimiques ou procédés thermiques) sont utilisés pour les optiques concernées.

Néanmoins, les surfaces des miroirs sont constamment sales, ce qui rend un nettoyage nécessaire toutes les 100 heures. Ces intervalles courts par rapport à la lithographie 193 nm augmentent l'effort de maintenance et par conséquent réduisent le débit.

collectionneur

Le plasma dans la source émet un rayonnement dans toutes les directions spatiales. Pour que ce rayonnement puisse être utilisé pour un procédé d'exposition, la plus grande partie possible de celui-ci doit être réfléchie par une optique collectrice (collecteur) en direction du système de lithographie proprement dit. Pour les sources basées sur le principe GDPP ( gaz-discharge production plasma ), des télescopes Wolter adaptés sont utilisés, dans lesquels le rayonnement est réfléchi selon un angle d'incidence rasant. Pour les sources LPP ( plasma produit par laser ), des miroirs multicouches en molybdène et silicium sont utilisés avec un angle d'incidence presque perpendiculaire.

Un foyer intermédiaire (FI) est défini comme l'interface optique avec le système de lithographie , à laquelle au moins 100 W de rayonnement EUV (largeur spectrale de 2 pour cent) doivent être disponibles.

Optique d'imagerie et masque

Un système optique complexe de six miroirs ou plus prépare le rayonnement pour le processus d'exposition réel. Pour le rayonnement EUV, des miroirs dits multicouches sont utilisés (engl. Multilayer mirror ) est utilisé, d'un grand nombre (par exemple, 50 ou 100.) Molybdène / silicium - paires de couches existent. La possibilité de produire de tels miroirs Mo-Si et leur degré de réflexion relativement élevé sont l'une des raisons du choix de la longueur d'onde de 13,5 nm. Le vieillissement des miroirs dû à la diffusion des atomes d'une couche à l'autre peut être causé par des couches intermédiaires de certaines couches atomiques L'épaisseur peut être courbée vers l'avant. La surface du miroir multicouche est protégée par une couche protectrice ( couche de coiffage ). Les exigences de planéité - environ 2 nm pour un miroir de 30 cm de diamètre - des substrats des miroirs et la qualité des couches sont énormes et représentent des défis technologiques. Le degré de réflexion théoriquement réalisable de ces miroirs est d'environ 72 %, dans un système à six miroirs, plus de 86 pour cent du rayonnement est perdu de ces miroirs. Par conséquent, d'une part, des sources de rayonnement suffisamment puissantes doivent être disponibles - des sources d'une puissance de rayonnement de 100 W à 13,5 nm sont probablement nécessaires dans la première génération de systèmes EUV - d'autre part, seul un nombre très limité d'éléments optiques peut être utilisé . En raison de la puissance de rayonnement élevée et de l'absorption élevée, le système doit également être refroidi plus que les systèmes conventionnels - malgré les exigences en matière de température constante.

Le rayonnement EUV est principalement absorbé au niveau des orbitales internes des atomes. L'absorption relativement élevée des atomes d'oxygène, d'argon ou d'azote signifie également que le rayonnement est déjà sensiblement affaibli dans le système optique. Par conséquent, l'ensemble du système optique, de la source à la plaquette, doit être au moins sous un vide faible. Cela augmente encore l'effort technique par rapport au système de lithographie 193 nm.

Comme il n'y a pas de support transparent disponible pour le rayonnement EUV, le masque de lithographie est également conçu comme un miroir multicouche avec une image des structures à réaliser sur sa surface. A cet effet, une couche absorbante en chrome ou en nitrure de tantale est structurée sur la surface du masque par un procédé de gravure sèche. Une difficulté particulière réside dans la conception sans défaut du masque. Des erreurs de structuration dans la couche absorbante ainsi que des défauts dans la multicouche sous-jacente peuvent entraîner des erreurs d'imagerie. Les tailles de défauts critiques sont bien inférieures à 30 nm. Si une particule sous la multicouche modifie la planéité des couches, un défaut de phase peut survenir. Si, par contre, il y a une particule dans la zone supérieure de l'empilement, l'absorption de la particule crée un défaut d'amplitude. Les défauts de la multicouche ne peuvent souvent être détectés que sous rayonnement EUV, ce qui rend l'inspection du masque très longue. L'absence de défauts dans la multicouche du masque est l'un des plus grands défis technologiques de la lithographie EUV.

En raison de l'incidence oblique du rayonnement EUV (typiquement 5° par rapport à la surface normale), une irrégularité de la surface du masque provoque un décalage latéral de l'image du masque, ce qui entraîne des erreurs de positionnement de la structure d'imagerie sur la surface de la plaquette. Les masques doivent donc avoir une planéité inférieure à 50 nm, ce qui rend la réalisation des substrats de masques très complexe et coûteuse.

Plaquette et résine photosensible

Le masque réfléchit le rayonnement sur la plaquette revêtue d'une résine photosensible appropriée (réserve) . Les propriétés chimiques et photochimiques de la résine photosensible déterminent essentiellement la qualité des structures pouvant être produites. Ce qui est souhaité est une sensibilité élevée au rayonnement EUV, une résolution élevée et une faible rugosité de bord , la déviation de 3σ du bord de ligne prédit, par ex. B. 1,5 nm pour le nœud technologique 45 nm. Le principal défi est de réaliser ces propriétés avec une résine photosensible en même temps. Après exposition, la résine photosensible est développée dans une chaîne de processus afin d'obtenir finalement les structures souhaitées.

En photolithographie (conventionnelle), les polymères organiques à longue chaîne sont généralement utilisés comme photoresists. Le rayonnement libère un proton dans le soi-disant générateur de photo-acide (PAG), qui réagit avec les groupes protecteurs organiques dans les chaînes latérales du polymère. Cela augmente la solubilité du polymère exposé de sorte que les zones exposées peuvent être éliminées par un solvant organique (révélateur). Dans ce cas, il s'agit d'une réserve dite positive, car les structures exposées sont supprimées. En variante, des réserves négatives peuvent être utilisées dans lesquelles la réticulation induite par rayonnement des chaînes polymères réduit la solubilité des zones exposées. Cependant, ces résists atteignent généralement une résolution inférieure à celle des résists positifs.

En raison de la haute énergie des photons EUV, seuls quelques photons contribuent à l'exposition par zone. Une sensibilité trop élevée des laques conduit donc à une augmentation de la rugosité des bords due à des effets statistiques de bruit de grenaille. Avec la rugosité des bords requise de l'ordre du nanomètre, les longueurs moyennes des chaînes polymères sont également déjà atteintes, de sorte que la structure moléculaire des laques est le facteur limitant pour la rugosité des bords. Pour cette raison, des polymères à chaîne courte sont également à l'étude en tant que laques EUV. Cependant, ceux-ci peuvent conduire à un dégazage accru dans le vide. De ce fait, il existe un risque que l'optique du miroir soit contaminée par une couche de carbone et que la transmission de l'optique soit considérablement réduite.

L'absorption du rayonnement est généralement un problème important dans la lithographie EUV. En sont responsables non seulement la puissance de rayonnement relativement faible des sources EUV actuelles et la faible section efficace d'absorption, qui diminue généralement avec la longueur d'onde, mais aussi le fait que l'absorption dans cette gamme de longueurs d'onde a lieu principalement au niveau des orbitales internes de la atomes. L'absorption dépend donc principalement de la composition élémentaire et non moléculaire des résines photosensibles. L'oxygène et le fluor ont l'un des coefficients d'absorption les plus élevés pour le rayonnement EUV. Le développement des résines photosensibles EUV est donc relativement compliqué, car les résines photosensibles haute résolution renforcées chimiquement existantes ne sont pas vraiment adaptées. L'absorption relativement élevée des atomes d'oxygène, d'argon ou d'azote signifie également que le rayonnement est déjà sensiblement affaibli dans le système optique et donc un vide doit être utilisé (voir aussi la section sur les optiques d'imagerie et les masques ). Si la résine photosensible a une absorption EUV élevée, les couches de résine doivent être plus fines qu'environ 100 nm. Cette exigence représente un enjeu majeur pour la structuration de la plaquette, puisque l'épaisseur de la couche de laque est également réduite lors de la gravure à sec de la plaquette. La résistance à l'attaque de la laque développée joue donc également un rôle important. Selon l'application, il peut donc être nécessaire d'utiliser des photoresists multicouches pour la structuration.

Récompenses

En 2020, Peter Kurz ( Carl Zeiss SMT ), Sergiy Yulin ( Fraunhofer Institute for Applied Optics and Precision Mechanics ) et Michael Kösters ( Trumpf ) ont reçu le German Future Prize pour leurs contributions conjointes à la lithographie EUV .

Littérature

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liens web

Preuve individuelle

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