Нанолитография в микроэлектронике

Р. П. Сейсян

на страницах сайта 

www.electrosad.ru

Р.П. Сейсян доктор физико-математических наук, заведующий лабораторией функциональной и физической микроэлектроники

Рубен Павлович Сейсян, доктор физико-математических наук, заведующий лабораторией функциональной и физической микроэлектроники Физико-технического института им. А.Ф. Иоффе РАН, профессор Санкт Петербургского государственного технического университета и заведующий кафедрой твердотельной электроники. Область научных интересов — спектроскопия полупроводников, магнитоспектроскопия , электронные и оптоэлектронные приборы и микроэлектронные технологии. Автор более 250 публикаций, 20 изобретений и 2 х монографий.

 

 

Ниже приведено краткое изложение "читабельной" версии статьи "Нанолитография в микроэлектронике", которая будет опубликована в специализированном издании. Р.П. Сейсян подготовил ее специально для моего сайта. Это уже вторая статья Рубен Павловича, более двух лет назад помещенная на сайт статья "Скрытый кризис микроэлектроники на пороге XXI-го века" до сих пор пользуется интересом и имеет более 20 скачиваний в месяц.
В статье достаточно понятно (для знающего основы физики) рассказано о проблемах литографии в микроэлектронике, путях их решения и показаны перспективы развития микроэлектроники с точки зрения нанолитографии. Надеюсь статья будет полезна для интересующихся микроэлектроникой и возможно поможет молодым читателям сделать выбор своей будущей специальности и ВУЗа.

 

1. Фотолитография в микроэлектронике

Последние полвека характеризовались беспрецедентно высокими темпами развития микроэлектроники. Притом эволюция большинства показателей микроэлектроники, как выясняется, носит экспоненциально быстрый характер, и до настоящего времени не всегда можно разглядеть даже начальные признаки замедления, не говоря уже о стагнации. Есть основания полагать, что первопричиной такого характера изменения самых различных показателей явилась возможность последовательного и непрерывного уменьшения минимального характеристического размера элемента интегральной схемы amin , также носящего экспоненциальный характер. (Этот характеристический размер называют также «технологическим стандартом» или критическим размером - Critical Dimension, СD. В настоящей работе мы рассмотрим основные приёмы, при помощи которых осуществлялось это уменьшение СD, нередко путём преодоления, казалось бы очевидных физических ограничений.

На протяжении всего времени существования и развития микроэлектроники прогресс СD достигался исключительно применением фотолитографии. Степень владения методами фотолитографии в настоящее время предопределяет технический уровень и производственные возможности фирм, разрабатывающих и выпускающих интегральные схемы и другие полупроводниковые электронные приборы. Важнейшим преимуществом технологий фотолитографического формирования изображений является возможность одновременного и параллельного переноса изображения, состоящего из многих миллионов элементарных фрагментов – благодаря волновому характеру оптических процессов [1]. Именно это является основой высокой технической и экономической эффективности метода и возможности достижения уровня интеграции, характеризуемого на сегодняшний день количеством в 107-1010 элементов (транзисторов) на «чип». По уровню достигаемого СD фотолитография пересекла размер в 100 нм в направлении меньших размеров [2] и может далее называться «нанотехнологией» уже с 2000-2005 годов. Это обстоятельство можно проиллюстрировать графиком, приводимым на рис. 1.

 

Рис. 1. Изменение по годам технологического стандарта интегральных схем. Ответвляющаяся вниз кривая - длина затвора полевого транзистора.

 

Сначала нано - размеры были достигнуты длиной затвора полевого транзистора интегральной схемы (ИС) благодаря ряду технологических приёмов, обеспечивавших дополнительное сокращение его длины, затем, несколькими годами позже, всеми остальными элементами микрорисунка ИС. С этого момента появилась тенденция микроэлектронику, достигшую и преодолевшую соответствующую величину СD, именовать далее не микроэлектроникой, а наноэлектроникой, хотя основные принципы микроэлектроники при этом не претерпевают изменений.

 

2. Волновой характер переноса изображения и дифракционный предел

Волновой характер переноса изображения каждого топологического слоя ИС, задаваемого фотошаблоном, может быть проиллюстрирован рис. 2 из [3].

 

Рис. 2. Иллюстрация волнового характера процесса формирования изображения в оптической литографии. Снизу – к определению апертуры.

 

Отметим также, что сначала фотолитография обеспечивалась контактным, или «теневым» методом переноса изображения, доминировавшим до начала 80-х годов прошлого века, который затем уступил проекционному методу (см. рис.3), оказавшемуся существенно более эффективным в деле достижения меньших СD, так как здесь минимальный размер, ограниченный дифракционным пределом, пропорционален длине волны актиничного излучения, тогда как в контактном методе – только корню квадратному длины волны [4], что делало недостаточно эффективным её уменьшение.

 

Рис.3. Варианты реализаций оптической литографии: а. Контактная, или теневая печать, б. Контактная печать с зазором, с. Проекционная печать.

 

Наиболее успешным методом создания микрорисунка в ИС, в конечном итоге, оказался проекционный перенос изображения с уменьшением масштаба. CD в нём регламентируется дифракционным пределом оптической системы, описываемым критерием Релея-Аббе. Изображение светящейся точки (рис. 4) может послужить выводу этого критерия, утверждающего, что СD прямо пропорционально произведению κ0 на λ, и обратно пропорционально числовой апертуре NA, где λ длина волны актиничного излучения (т.е. излучения, обеспечивающего фотохимическую регистрацию изображения), а κ0 – числовой коэффициент, равный для некогерентного света 0,61(см. [5]). На деле в реальном процессе этот коэффициент оказывается переменной величиной, существенно зависящей не только от степени когерентности, но и от метода регистрации изображения (его – в отличие от κ0 обозначают κ 1, и называют технологическим коэффициентом). При успешном применении некоторых технологических приёмов он может быть уменьшен до κ1~ 0,2 [6](см. рис. 5). Так как при проекционном оптическом переносе изображения мы имеем дело с прямой пропорциональностью СD длине волны актиничного излучения, эффективно уменьшать λ, что и происходило естественным образом на протяжении всей истории развития микроэлектроники. Уменьшение длины волны и соответствующие источники излучения можно проследить сверху вниз по таблице 1.

 

Таблица 1. Используемые в микроэлектронике источники света и соответствующие длины волн [7]

Источник света Спектральная линия Длина волны Расположение в спектре
электромагнитной радиации
Ртутная дуговая лампа g-line
h-line
i-line
DUV
436nm
405nm
365nm

240-255nm
видимый
видимый
ближний УФ (mUV)
глубокий УФ (DUV)
Эксимерный лазер KrF
ArF

F
2
248nm
193nm

157nm
глубокий УФ (DUV)
глубокий УФ (DUV)
вакуумный УФ (VUV)

 

 

Рис. 4. Изображение светящейся точки (а), двух светящихся точек, разрешаемых по Релею-Аббе (б), и (с) – к формулировке критерия Релея-Аббе.

 

Рис.5. Изменение по годам параметров, входящих в критерий Релея-Аббе: а. числовая апертура, б. «технологический» коэффициент к1. На рисунке указан основной источник излучения (см. табл. 1)

 

На рис.6 представлен один из наиболее современных инструментов нанотехнологии в микроэлектронном производстве, широко применяющийся на чиповых фабриках мира. Это сканер-степпер голландской фирмы ASML TWINSCAN XT1700i [8], обеспечивающий производство порядка 100 кремниевых пластин диаметром 300мм в час - в одном топологическом слое. При этом на пластине экспонируется более ста микропроцессорных чипов размером 33х26 мм2. Ширина линии излучения источника (эксимерного лазера ArF , 193 нм) на частоте порядка 10 kHz измеряется пикометрами. А основным элементом оптической системы является объектив фирмы Zeiss, изготовленный из кварца глубокой очистки и состоящий из трёх десятков линз диаметром до 300мм. Пример отечественного аналога, изготовленного с использованием монокристаллов флюорита [11], приводится на рис. 7.

 

Рис.6. Внешний вид одного из наиболее популярных степперов-сканеров голландской фирмы ASML TWSINSCAN XT1700i, NA = 1.2, D = 45nm.

 

Рис.7. Разрез и структура типичного изображающего объектива – по данным [11].

 

Далее ......

Полностью можно прочитать статью скачав ее по ссылке 2 или здесь.

 

Другие статьи Р. П. Сейсяна на сайте:

 1. "СКРЫТЫЙ КРИЗИС МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ НА ПОРОГЕ XXI ГО ВЕКА" Р.П.Сейсян  Санкт Петербургский Государственный Технический университет;

2. Нанолитография в микроэлектронике Р. П. Сейсян, Санкт Петербургский Государственный Технический университет;

3. ЭКСИТОН — ГИГАНТСКИЙ АТОМ ВОДОРОДА В РЕШЕТКЕ КРИСТАЛЛА, Р.П. Сейсян, Санкт Петербургский Государственный Технический университет.

 

P.S.

Фотолитография, а теперь и нанофотолитография или просто нанолитография, один из важнейших технологических процессов при производстве микроэлектронных компонентов на тонких техпроцессах. И решение проблем нанолитографии позволяют приступить к покорению других остающихся проблем.

Но мы не должны забывать, что цепочка техпроцессов при производстве чипов содержит более 30 шагов, и каждый этап этой цепочки при переходе к нанометровым технологиям требует решения своих проблем. Мой комментарий А.Сорокин

 

Яндекс.Метрика

<<назад>> <<в начало>> <<на главную>>

Попасть прямо в разделы сайта можно здесь:

/Неизвестный процессор/Охлаждение ПК/Электроника для ПК/Linux/Проекты, идеи/Полезные советы/Разное/
/
Карта сайта/Скачать/Ссылки/Обои/Форум/Каталог/

При полном или частичном использовании материалов ссылка на "www.electrosad.ru" обязательна.
Ваши замечания, предложения, вопросы можно отправить автору через
гостевую книгу или
почтой.

Copyright © Sorokin A.D.

2002-2012