Aumento di NA: Litografia a immersione

• Immergere il sistema in un fluido con indice di rifrazione maggiore di quello dell’aria (n=1) aumenta la profondità di fuoco e la risoluzione

– Acqua: n=1.45 a 193 nm

• Problemi:

– Rigonfiamento del film dovuto all’acqua– L’acqua deve essere purissima, senza bolle– Il rilascio di componenti del resistnell’acqua deve essere controllato

• Soluzioni:

– Rivestimento trasparente sul resist per ridurre l’interazione fra resist e acqua– Engineering del resist per aumentare l’idrofobicità– Uso di additivi che non segregano alla superficie.

Sorgenti di luce a bassa lunghezza d’onda

Sviluppo di sorgenti laser a lunghezza d’onda sempre minore

Litografia nell’UV estremo

Rispetto alla litografia ottica, la litografia EUV è molto piùcomplessa.Per ottenere radiazione nell’EUV (in particolare a 13.4 nm) si eccita un fascio di Xecon un laser IR. Dato che non esistono sostanze trasparenti a 13.4 nm, non si possono costruire le lenti. L’intero sistema ottico deve essere fatto di specchi.

Gli specchi convenzionali non vanno bene; si usano specchi fatti con multistrati impilati di materiali con costanti dielettriche diverse (solitamente alternando Mo e Si o Be). Questi specchi riflettono la luce per interferenza costruttiva, lo spessore ottico di ogni strato deve essere pari a λ/4. La produzione di questi strati è molto costosa.

Litografia EUV

I sistemi EUV devono usare un’ottica di riflessione invece che di rifrazione

50 nm lines fabricated with EUV lithography (~1999)

30 nm features now routinely achieved

Sfide di questa nuova tecnologia:

• Fabbricazione dell’ottica inclusi i multi-strati con precisione atomica• Sviluppo di sorgenti potenti• Fabbricazione di maschere di riflessione prive di difetti• Controllo delle contaminazioni (molecolari e particolato)• Costi

X-Ray lithography (XRL)

Sorgente “ottimale”: sincrotrone(fascio intenso e ben collimato)--> proximity mode masks

Resist: solitamente PMMA(sensibilità bassa --> necesstà di alte dosi, ~ 2 J/cm2 )Problema: fasci di elettronigenerati dallo scattering diraggi X su maschera, resist, substrato, ...

Risoluzione effettiva

~ decine di nm

Vantaggio: profondità di campo (fascio collimato)--> high aspect ratio features, LIGA,...

Maschere:

in genere membrane di Si o SiC ricoperte con un metallo ad alto Z

Limiti XRL

Proximity mask

Penumbral blur

a

ξ=a.g/L

Δ=r.g/L

Litografia da fascio di caricheUn fascio focalizzato di cariche accelerate può essere usato per la scrittura (impressione) di un resist e successivo trasferimento del pattern

Tecnica di scrittura “seriale” (pattern generato in sequenza) --> alti tempi di processo(in linea di principio è possibile anche litografia con maschera su area estesa, ma la realizzazione della maschera è critica)

Sviluppi recenti: array di emettitori ad effetto di campo

Litografia a fascio elettronico

Fotolitografia - ottica, UV (200nm), DUV(80nm), EUV (10nm)

Risoluzione � λ

Sorgente – Fascio di elettroni

Per una tensione di accelerazione, Vc, di 120KV, λ = 3.36pm

Si utilizza un cannone elettronico per produrre un fascio di elettroni focalizzato

Electron beam lithography system

I sistemi a scrittura diretta usano un fascio di elettroni che viene fatto muovere rispetto al wafer per esporre un pixel alla volta

Litografia a fascio elettronico

Cross-linking delle catene

Materiale a più alto peso molecolare

Un solvente opportuno può rimuovere le parti a più basso peso molecolare patterning

resist negativo

Frammentazione delle catene

Materiale a più basso peso molecolare

Un solvente opportuno può rimuovere le parti esposte patterning

resist positivo

Scrittura con fascio di elettroni

Volume di interazione - Risoluzione

La risoluzione è determinata dalle collisioni elettrone-substrato - Forward scattering (dal resist), - Backward scattering (dal substrato)- Elettroni secondari

Interazione fascio-solido: scattering

La risoluzione dipende dalle dimensioni dello spot e dallo scattering degli elettroni incidenti

La risoluzione migliora per energie del fascio elevate

La risoluzione viene limitata dagli elettroni riflessi e diffusi nel resiste nel substrato, non dalla diffrazione

Effetto di prossimità: esposizione non voluta dovuta ai processi di scattering da parte dei punti vicini

Simulazioni Monte-CarloFasci di elettroni con energie maggiori portano un aumento dello scattering nel PMMA e nel substrato

Fotoresist per fasci di elettroni

• PMMA (Poli Metil MetAcrilato)è il resist più comunemente usato in litografia elettronica• Il PMMA è otticamente trasparente

Resists in EBL e risoluzione spaziale

Resists organici (es. PMMA, stessi meccanismi dei fotoresist) oppure inorganici(es. film sottili di fluoruri, calcogenuri amorfi, AsS, AsSe,…)

Problemi EBL: scattering inelastico degli elettroni da parte del resist (o substrato)--> elettroni secondari, raggi-X, etc.--> riduzione risoluzione spaziale (cfr. anche XRL)

- Uso di resist “robusti” (ad es. inorganici) e compatti (film sottili policristallini o amorfi)- Spessori resist ridotti (per evitare fenomenisecondari), in genere < 100 nm- Uso di basse differenze di potenziale e controllo accurato della dose

Risoluzione spaziale ultima fortemente influenzata dal processo di interazione con il resist (e substrato)

Nanostrutture con litografia elettronica

Immagini SEM di nanostrutture d’oro fabbricate usando litografia a fascio di elettroni su un resist sottile di PMMA, seguito da evaporazione di oro e “lift-off”

SCALPEL ( = Scattering with Angular Limitation ProjectionElectron-beam)

Possibilità di superare i limiti dovuti al carattere seriale con tecniche di “proiezione”

Solo gli elettroni che non vengono diffusi passano attraverso l’apertura e vengono proiettati sul campione

Maschera vista dall’alto

Sezione trasversale

Litografia con fascio di ioni focalizzati (FIB)

Il principio operativo di base di un sistema FIB è simile a quello a fascio elettronico, la principale differenza è l’uso di un fascio di ioni di gallio (Ga+). Il fascio di ioni è prodotto in una sorgente di ioni liquido-metallo (LMIS), l’applicazione di un forte campo elettrico causa l’emissione di ioni positivi da un cono liquido di gallio. Si usa un insieme di aperture per impostare la corrente del fascio e quindi la sua dimensione e la risoluzione dell’immagine. L’energia del fascio è in genere di 30 o 50 keV e la migliore risoluzione che si può ottenere è circa 5 - 7 nm. Il fascio viene scansionato sul campione, che è montato in una camera sotto vuoto alla pressione di circa 10-7 mbar. Quando il fascio colpisce il campione vengono emessi dalla superficie elettroni e ioni secondari.L’intensità degli elettroni o degli ioni viene monitorata e usata per generare un immagine della superficie. Gli elettroni secondari sono prodotti in quantità molto maggiori rispetto agli ioni e forniscono immagini di qualità e risoluzione migliore; quindi la modalità con gli elettroni secondari viene usata per la maggior parte delle applicazioni di imaging.

Componenti FIBL :Sorgente di ioniColonna (ottica)Supporto mobile campione

Specifiche:Tensione di accelerazione 3-200 kV.Densità di corrente fino a 10 A/cm2 .Diametro del fascio 0.5-1.0 μm.Ioni: Ga+ , Au+ ,Si+ ,Be+ etc.

Effetti del fascio di ioni sul substrato:Spostamento degli atomi.Emissione di elettroni.Effetti chimici come il cambiamento di solubilità del resist.Sputtering degli atomi del substrato da parte degli ioni a bassa

energia.Si può avere un riscaldamento del resist fino a 1500° C

Vantaggi dei fasci di ioni:Sensibilità del resist migliorataPossono essere focalizzati meglioScattering ridottoPermette processi ibridi quali l’ “ion-induced etching”

e l’impiantazione

Tecniche di Soft Lithography

Replica Molding (REM)

Microtransfer Molding

Micromolding in Capillaries

Nanoimprinting

“Replica” di nanostrutture da

matrice per via termomeccanica

Hot embossing UV-nanoimprint

Nano-Imprint Lithography

Laser-Assisted Direct Imprinting

Laser-Assisted Embossing