Kontaktlitografi

Kontaktlitografi , även känd som kontakttryck, är en form av fotolitografi där bilden som ska skrivas ut erhålls genom belysning av en fotomask i direkt kontakt med ett substrat belagt med ett avbildande fotoresistskikt .

Historia

De första integrerade kretsarna hade egenskaper på 200 mikrometer som trycktes med kontaktlitografi. Denna teknik var populär på 1960-talet tills den ersattes med proximity printing, där ett gap infördes mellan fotomasken och substratet. Närhetsutskrift hade sämre upplösning än kontaktutskrift (på grund av att gapet tillät mer diffraktion att ske) men genererade mycket färre defekter. Upplösningen var tillräcklig för ned till 2 mikrometer produktion. 1978 dök steg-and-repeat-projektionssystemet upp . Plattformen fick bred acceptans på grund av minskningen av maskbilden och används fortfarande idag.

Kontaktlitografi är fortfarande vanligt förekommande idag, främst i applikationer som kräver tjock fotoresist och/eller dubbelsidig uppriktning och exponering. Avancerade 3D-paketering, optiska enheter och applikationer för mikroelektromekaniska system (MEMS) faller inom denna kategori. Dessutom är kontaktplattformen densamma som används i imprintprocesser.

Nyligen har två utvecklingar gett kontaktlitografi potential för comeback inom halvledarlitografi. För det första har ytplasmonresonansförbättringar inklusive användning av silverfilmer som linser visat sig ge en upplösning på mindre än 50 och till och med 22 nm med hjälp av våglängder på 365 och 436 nm. Ytplasmonens exotiska spridningsförhållande har lett till den extremt korta våglängden, vilket hjälper till att bryta diffraktionsgränsen. För det andra nanoimprint-litografi redan vunnit popularitet utanför halvledarsektorn (t.ex. hårddisk, bioteknik) och är en kandidat för halvledarlitografi under 45 nm, metoder för att minska defekter och förbättra enhetligheten för masker i kontakt med substratet. Step-and-flash imprint litografi (SFIL), en populär form av nanoimprint litografi som involverar UV- härdning av imprintfilmen, använder i huvudsak samma uppsättning som kontaktlitografi.

Funktionsprincip

skapas en fotomask , som består av ogenomskinliga krommönster på en genomskinlig glasplatta. Substratet är belagt med en tunn film av UV - känslig fotoresist . Substratet placeras sedan under fotomasken och pressas i kontakt med den. Provet exponeras sedan, under vilket UV-ljus lyser från ovansidan av fotomasken. Fotoresist under transparent glas exponeras och kan lösas upp av en framkallare , medan fotoresist under krom inte får någon UV-exponering och kommer att förbli intakt efter framkallning. Resultatet är det ursprungliga mönstret som replikeras i form av fotoresist. Mönstret kan sedan överföras permanent till substratet via valfritt antal mikrotillverkningsprocesser , såsom etsning eller lyftning . En enda fotomask kan användas många gånger för att upprepat reproducera ett mönster på olika substrat. En "kontaktinriktningsanordning" används vanligtvis för att utföra denna operation, så att tidigare mönster på ett substrat kan inriktas efter det mönster man vill exponera.

När det lämnar fotomask-fotoresistgränssnittet, utsätts det bildbildande ljuset för närfältsdiffraktion när det fortplantar sig genom fotoresisten. Diffraktion gör att bilden tappar kontrast med ökande djup in i fotoresisten. Detta kan förklaras av det snabba sönderfallet av de evanescenta vågorna av högsta ordningen med ökande avstånd från fotomask-fotoresistgränssnittet. Denna effekt kan delvis mildras genom att använda tunnare fotoresist. Kontrastförbättringar baserade på plasmonresonanser och linsfilmer har nyligen avslöjats. Den främsta fördelen med kontaktlitografi är elimineringen av behovet av komplex projektionsoptik mellan objekt och bild. Upplösningsgränsen i dagens optiska projektionssystem härrör från den slutliga bildlinsens ändliga storlek och dess avstånd från bildplanet. Mer specifikt kan projektionsoptiken bara fånga ett begränsat rumsligt frekvensspektrum från objektet (fotomask). Kontaktutskrift har ingen sådan upplösningsgräns men är känslig för förekomsten av defekter på masken eller på substratet.

Typer av kontaktmasker

Det finns flera typer av kontaktlitografimasker.

Den vanliga binära intensitetsamplitudmasken definierar mörka och ljusa områden där ljus blockeras respektive sänds. De mörka områdena är mönstrade filmer som består av krom eller annan metall.

Ljuskopplingsmasken har en korrugerad dielektrisk yta . Varje utsprång fungerar som en lokaliserad vågledare. Ljus överförs främst genom utsprången som ett resultat av denna lokaliserade styreffekt. Eftersom mindre kontaktyta behövs finns det mindre risk för defekter.

En hybrid nanoimprint-kontaktmask använder både kontaktavbildning och mekanisk imprinting, och har föreslagits för att optimera avbildning av både stora och små funktioner samtidigt genom att eliminera problem med avtrycksrester.

Kontaktmasker har traditionellt sett varit ganska stora (>100 mm), men det är möjligt att inriktningstoleranser kan kräva mindre maskstorlekar för att tillåta steg mellan exponeringarna.

Liksom i nanoimprint litografi måste masken ha ungefär samma funktionsstorlek som den önskade bilden. Kontaktmasker kan formas direkt från andra kontaktmasker, eller genom direkt skrivning (t.ex. elektronstrålelitografi) .

Upplösningsförbättringar

Som nämnts ovan kan tunnare fotoresist hjälpa till att förbättra bildkontrasten. Reflektioner från skiktet som ligger under fotoresisten måste också beaktas när absorption och evanescent vågsönderfall reduceras.

Upplösningen för kontaktlitografi har förutspåtts överträffa λ/20 periodicitet.

Tonhöjdsupplösningen för kontaktlitografi kan lätt förbättras genom att flera exponeringar genererar särdragsbilder mellan tidigare exponerade objekt. Detta är lämpligt för kapslade arrayfunktioner, som i minneslayouter.

Ytplasmoner är kollektiva oscillationer av fria elektroner begränsade till metallytor. De kopplar starkt till ljus och bildar ytplasmonpolaritoner . Sådana excitationer beter sig effektivt som vågor med mycket kort våglängd (närmar sig röntgenregimen). Genom att spännande sådana svängningar under de rätta förhållandena kan flera funktioner dyka upp mellan ett par spår i kontaktmasken. Upplösningen som kan uppnås av stående vågor av ytplasmonpolariton på en tunn metallisk film är <10 nm med en våglängd i intervallet 380-390 nm med användning av en <20 nm silverfilm. Dessutom har djupa smala slitsar i metalliska transmissionsgitter visats tillåta resonanser som förstärker ljus som passerar genom slitsarna.

Ett lager av metallfilm har föreslagits att fungera som en "perfekt lins" för att förstärka de flyktiga vågorna, vilket resulterar i förbättrad bildkontrast. Detta kräver justering av permittiviteten för att ha en negativ reell del, t.ex. silver vid 436 nm våglängd. Användningen av en sådan lins gör att avbildning kan uppnås med en stor tolerans för avståndet mellan mask och fotoresist, samtidigt som extrem upplösningsförbättring uppnås genom användning av ytplasmoninterferens, t.ex. en halv stigning på 25 nm med 436 nm våglängd. Den perfekta linseffekten är endast effektiv under vissa förhållanden, men tillåter en upplösning som är ungefär lika med skikttjockleken. Därför verkar en upplösning under 10 nm också vara möjlig med detta tillvägagångssätt.

Användningen av ytplasmoninterferens ger en fördel gentemot andra litografitekniker, eftersom antalet maskfunktioner kan vara mycket mindre än antalet funktioner i den önskade bilden, vilket gör masken lättare att tillverka och inspektera. Medan silver är den mest använda metallen för att demonstrera ytplasmoner för litografi, har aluminium också använts vid 365 nm våglängd.

Även om dessa upplösningsförbättrande tekniker tillåter 10 nm funktioner att övervägas, måste andra faktorer beaktas för praktisk implementering. Den mest fundamentala begränsningen verkar vara fotoresistråhet, som blir dominerande för kortare subvåglängdsperioder där endast den nollte diffraktionsordningen förväntas fortplanta sig. Alla mönsterdetaljer förmedlas i det här fallet av de evanescenta vågorna, som sönderfaller snabbare för finare upplösning. Som ett resultat kan fotoresistens inneboende grovhet efter framkallning bli mer signifikant än mönstret.

Problem med defekter och föroreningar

Som med all teknik som förlitar sig på ytkontakt är defekter ett stort problem. Defekter är särskilt skadliga för kontaktlitografi i två avseenden. För det första kan en hård defekt vidga gapet mellan masken och underlaget. Detta kan lätt göra att bilder baserade på evanescenta vågor eller ytplasmoninterferens försvinner. För det andra kan mindre, mjukare defekter fästa på maskens metallyta inte störa gapet men kan fortfarande förändra den försvinnande vågfördelningen eller förstöra ytans plasmoninterferenstillstånd.

Oxidation av metallytan förstör också plasmonresonansförhållanden (eftersom oxidytan inte är en metall).