Técnicas de nanofabricación para aplicaciones en Nanotecnología – Jaca 2011

José Ignacio MartínUniversidad de Oviedo - CINN

LITOGRAFÍA ÓPTICA

Líneas del Hg

LITOGRAFÍA ÓPTICAPROYECCIÓN

NAkresolución

λ1= = MFS

LITOGRAFÍA ÓPTICAPROYECCIÓN

LITOGRAFÍA DE INMERSIÓN

Cambiar el índice de refracción aumenta la NA (se recoge más luz)

El agua pura reúne todos los requisitos: n = 1.47, 5% absorción, compatible con lentes y fotoresina, no contamina.

LITOGRAFÍA ÓPTICA

LITOGRAFÍA ÓPTICAFUENTES DE LUZ

Longitud de onda (nm) Rango y fuente

436 Línea-G Lámpara Hg (UV)

365 Línea-I Lámpara Hg (UV)

248 Láser KrF (DUV)

193 Láser ArF (DUV)

157 Láser F2 (DUV)

LITOGRAFÍA ÓPTICAFUENTES DE LUZ

Longitud de onda (nm) Rango y fuente

436 Línea-G Lámpara Hg (UV)

365 Línea-I Lámpara Hg (UV)

248 Láser KrF (DUV)

193 Láser ArF (DUV)

157 Láser F2 (DUV)

¿Longitud de onda menor?

LITOGRAFÍA ÓPTICAFUENTES DE LUZ

Longitud de onda (nm) Rango y fuente

436 Línea-G Lámpara Hg (UV)

365 Línea-I Lámpara Hg (UV)

248 Láser KrF (DUV)

193 Láser ArF (DUV)

157 Láser F2 (DUV)

~ 10 (13.4) Plasma (EUV)

~ 1 Rayos-X, sincrotrón

� Litografía EUV (ultravioleta extremo)

� Litografía con rayos-x

� Litografía EUV (ultravioleta extremo)

� Litografía con rayos-x

� Litografía por interferencia láser� Litografía holográfica

LITOGRAFÍA EUV(ULTRAVIOLETA EXTREMO)

Stulen & Sweeney, IEEE J. Quantum Electronics 35, 694 (1999)

LITOGRAFÍA ÓPTICA

STEPPER

Control X-Y

Imagen sobre la obleaImagen sobre la oblea

LITOGRAFÍA ÓPTICA

STEPPER

Control X-Y

Imagen sobre la obleaImagen sobre la oblea

¿ Sigue vigente para

λ pequeña ?

LITOGRAFÍA EUVPara λ = 157 nm (láser F2) cambiar lentes de cuarzo por lentes

de CaF2 por problemas de absorción para λ < 180 nm

Para λ ~ 10 nm todos los materiales absorben prácticamente toda la luz

���� Cambiar óptica de refracción por óptica de reflexión

Máscara

Espejo de imagen secundario

LITOGRAFÍA EUVESPEJOS λ ~ 10 nm

Coeficiente de reflexión

Stulen & Sweeney, IEEE J. Quantum Electronics 35, 694 (1999)

LITOGRAFÍA EUVESPEJOS λ ~ 13.4 nm

Multicapas Mo/Si ( alto n / bajo n )

S. Bajt

D. AttwoodDispersión ~ 1/λ2 ���� rugosidad muy baja

LITOGRAFÍA EUVESPEJOS λ ~ 13.4 nm

S. Bajt

D. Attwood

LITOGRAFÍA EUVESPEJOS λ ~ 13.4 nm

D. Sweeney

D. AttwoodJ.Taylor

D. Attwood

LITOGRAFÍA EUVSISTEMA ÓPTICO

R. Stulen

D. Attwood

LITOGRAFÍA EUVSISTEMA ÓPTICO

D. Attwood & R. Stulen

λ pequeña = absorción por N2 + O2

Necesidad de vacío

LITOGRAFÍA EUVSISTEMA ÓPTICO

B. Replogle

D. Attwood

LITOGRAFÍA EUVSISTEMA ÓPTICO (proyección)

D. Sweeney

D. Attwood

4 espejos

LITOGRAFÍA EUVSISTEMA ÓPTICO (proyección)

D. Attwood

R. Hudyma & D. Sweeney

6 espejos

LITOGRAFÍA EUVSISTEMA ÓPTICO

LITOGRAFÍA EUVFUENTE DE EUV

Materia neutra no proporciona EUV

Se requiere no sólo iones, sino iones multicargadospositivamente

�Generación de un plasma

Temperaturas hasta del orden de 200000 K

Átomos ionizados con carga del orden de +10e

Radiación compatible con espejos de Mo/Si (λ ~ 13.4 nm)

LITOGRAFÍA EUVFUENTE DE EUV

Plasma de Xe

D. Attwood

LITOGRAFÍA EUVFUENTE DE EUV

G. O’Sullivan, R. Faulkner, A Cummings

D. Attwood

LITOGRAFÍA EUVFUENTE DE EUV

Plasma de Xe

D. Attwood

Banda espejos Mo/Si

LITOGRAFÍA EUVFUENTE DE EUV

Plasma de Xe Banda espejos Mo/Si

Ineficiente: 100 W de 13.4 nm implica varios kW de consumo de otras fuentes

LITOGRAFÍA EUVFUENTE DE EUV

Plasma de Sn

U. Stamm

Pueden contribuir iones de Sn desde +8e a +13e

LITOGRAFÍA EUVFUENTE DE EUV

Plasma de Sn

Mucho más efeciente que Xe

a 13.4 nm

D. Attwood,

G. O’Sullivan, R. Faulkner, A Cummings

LITOGRAFÍA EUVFUENTE DE EUV

PLASMA PRODUCIDO POR LÁSER (LPP)

D. Attwood

U. Stamm

LITOGRAFÍA EUVFUENTE DE EUV

PLASMA POR DESCARGA ELÉCTRICA (DPP)

D. Attwood, N.Fornaciari & G. Kubiak

U. Stamm

LITOGRAFÍA EUVFUENTE DE EUV

ESPECIFICACIONES REQUERIDAS

Control de la resolución Reproducibilidad de los pulsos de plasma

Rendimiento Potencia EUV producida + recogida por óptica colectora

100 obleas/hora ~ 100 W

Coste económico Vida de los componentes

LITOGRAFÍA EUVFUENTE DE EUV

VIDA DE LOS COMPONENTES

Iones de la fuente de plasma tienen suficiente energía como para arrancar material (sputtering) del sistema (Xe ó Sn)

Si se usa Sn (+ eficiente para EUV), además se deposita sobre las lentes de Mo/Si colectoras!!!

� Vida de los componentes muy reducida

100 W + pulsos a 1kHz ~ 1 mes de vida

LITOGRAFÍA EUVSISTEMA ÓPTICO

R. Stulen

D. Attwood

LITOGRAFÍA EUVMÁSCARA

Silicio u otro sustrato con bajo

coeficiente de expansión térmica

Multicapa Mo/SiCapping SiO2

Buffer Ru

Patrón de material absorbente (TaN, Cr, W)

LITOGRAFÍA EUVMÁSCARADEFECTOS

AMPLITUD FASE

Se “pueden ver” (AFM, SEM, dispersión EUV) si los hay en la máscara pero es muy difícil

repararlos

���� ¡No pueden existir!

LITOGRAFÍA EUVRESINA

Brainard et al, Microelectron. Eng. 61-62, 707 (2002)

λ (EUV) ~ tamañopolímero

LITOGRAFÍA EUVRESINA

Transparencia: elementos en la resina con alta relación de aspecto

Densidad óptica: OD Transmitancia: T

OD = −−−− log(T)

Brainard et al,

Microelectron. Eng. 61-62, 707 (2002)

EUV: energía ���� baja transparencia independientemente de la resina

LITOGRAFÍA EUVRESINA

Sensibilidad: menor potencia fuentes EUV ���� mayor sensibilidad de la resina (~ factor 10)

< 10 mJ/cm2

���� Cuidado con la rugosidad de borde de línea (LER)

LITOGRAFÍA EUVRESINA

Positive Resist

2.3mJ/cm2 LER=7.2nm

Negative Resist

3.2mJ/cm2 LER=7.6nm

M. Smith

LITOGRAFÍA EUV

LITOGRAFÍA EUV

LITOGRAFÍA EUV

D. Attwood, UCB

LITOGRAFÍA POR RAYOS-X

λλλλ ~ 1 nmReduce el problema de la Difracción

VENTAJAS• Se evita el problema de la difracción: alta resolución• Rápido - Proceso en paralelo • Posibilidad de obtener formas complejas

DESVENTAJAS• Se han de utilizar fuentes especiales de rayos-X: RADIACIÓN SINCROTRÓN (fuentes puntuales ~ centésima parte de la potencia de radiación)• Difícil de hacer máscaras���� Fuera de las hojas de ruta

LITOGRAFÍA POR RAYOS-X

Jefferson Lab

LITOGRAFÍA POR RAYOS-X

Máscaras

• Combinación de materialesopacos (elementos pesados: Au) y transparentes (membranas de bajo peso atómico: BN, S3N4) a los rayos-X

• Hecha por litografía electrónica• Polvo no es problema por ser transparente a los rayos-X

• Efectos de sombra

LITOGRAFÍA POR RAYOS-X

Problemas con los efectos geométricosPenumbra: tamaño finito de la fuente+ espacio máscara-muestra

δ = Φ g/LIncidencia oblicua: desplazamientolateral d en la magnificación, a ser corregido al hacer la máscara

d = r g/L

LITOGRAFÍA POR RAYOS-X

Máscara de oro

LITOGRAFÍA POR RAYOS-X

LITOGRAFÍA RAYOS-XCAMPO CERCANO

Rendija d

Difracción Fresnel

Simulaciónd = 150 nmλ = 0.8 nm

A. J. Bourdillon

Y. Vladimirsky

LITOGRAFÍA RAYOS-XCAMPO CERCANOIntensidad a distancia crítica

( ~ d2/3λ)

A. J. Bourdillon

Y. Vladimirsky

LITOGRAFÍA RAYOS-XCAMPO CERCANOIntensidad a distancia crítica

( ~ d2/3λ)

¡ Motivos menores que en la máscara ! ���� Demagnificación

LITOGRAFÍA RAYOS-XCAMPO CERCANO

A. J. Bourdillon

Y. Vladimirsky

d = 150 nmλ = 0.8 nm

Distintos niveles de revelado

LITOGRAFÍA RAYOS-XCAMPO CERCANO

Demagnificación por desplazamiento

A. J. Bourdillon

Y. Vladimirsky

LITOGRAFÍA RAYOS-XCAMPO CERCANO

Y. Vladimirsky

Demagnificación

LITOGRAFÍA RAYOS-XCAMPO CERCANO

Y. Vladimirsky

Demagnificación

LITOGRAFÍA RAYOS-XCAMPO CERCANO

Y. Vladimirsky

Correcciones en máscara

LITOGRAFÍA POR INTERFEROMETRÍA LÁSER

Dos haces láser coherentes interfieren para producir franjasperiódicas con separación menor que la longitud de onda

Sin máscara

Zona de InterferenciaDebido a la interferencia, la intensidad sobre la resina se modula.

La dosis solo es suficiente paracambiar las propiedades de la resina en los máximos de interferencia.

Se pueden obtener motivos de hasta λ/10 de tamaño

LITOGRAFÍA POR INTERFEROMETRÍA LÁSER

Zona de InterferenciaDebido a la interferencia, la intensidad sobre la resina se modula.

La dosis solo es suficiente paracambiar las propiedades de la resina en los máximos de interferencia.

Se pueden obtener motivos de hasta λ/10 de tamaño

LITOGRAFÍA POR INTERFEROMETRÍA LÁSER

LITOGRAFÍA POR INTERFEROMETRÍA LÁSER

Se pueden obtener arrays sobre áreas grandes, pero la estabilidadóptica y mecánica ha de ser óptima

P. W. Konkola

LITOGRAFÍA POR INTERFEROMETRÍA LÁSER

C. A. Ross

LITOGRAFÍA POR INTERFEROMETRÍA LÁSER

VENTAJAS• Rápido – Proceso en paralelo• Proceso relativamente sencillo – Sin máscara • Alta resolución y áreas relativamente grandes

DESVENTAJAS• Solo es posible hacer estructuras derivadas de interferogramas

LITOGRAFÍA POR INTERFEROMETRÍA ACROMÁTICA (AIL)

Problema: coherencia de la fuente de luz láser

Se pueden sustituir los espejospor redes de difracción quedifracten la luz de forma selectiva.

Nanoestructuras de hasta 13 nm en PMMA

MIT

LITOGRAFÍA POR INTERFEROMETRÍA DE RAYOS-X

L. J. Heyderman

LITOGRAFÍA HOLOGRÁFICA

D. XuMás de 2 haces ���� 3D

LITOGRAFÍA HOLOGRÁFICA

D. Xu

Al menos 4 haces para redes 3D

Se pueden obtener las 14 redes de

Bravais

LITOGRAFÍA HOLOGRÁFICA

Usar máscara de fase ���� provoca interferencia

Sistema complejo de configurar y estabilizar

D. Xu

LITOGRAFÍA HOLOGRÁFICA

L. Hunting

MÁSCARA FASE

Si

PDMS

PDMS

Photoresist

Si

PDMS

LITOGRAFÍA HOLOGRÁFICA

D. Xu

MÁSCARA FASE

ZT

C

λ

22Λ=

Tz

αtan

Λ=c

α

Cuadrada

Hexagonal

LITOGRAFÍA HOLOGRÁFICA

D. Xu

Log-pile structure1D Phase Mask

1st Exposure

Photoresist

Woodpile structure

LITOGRAFÍA HOLOGRÁFICA

D. Xu

1D Phase Mask

1st Exposure

Photoresist

CRISTALES FOTÓNICOS

Litografía EUV (ultravioleta extremo)

λ ~ 13.4 nm

Silicio u otro sustrato con bajo

coeficiente de expansión térmica

Multicapa Mo/SiCapping SiO2

Buffer Ru

Patrón de material absorbente (TaN, Cr, W)

Silicio u otro sustrato con bajo

coeficiente de expansión térmica

Multicapa Mo/SiCapping SiO2

Buffer Ru

Patrón de material absorbente (TaN, Cr, W)

Litografía con rayos-x

Litografía por interferencia láser

Sin máscara

Técnicas de nanofabricación para aplicaciones en Nanotecnología – Jaca 2011

José Ignacio MartínUniversidad de Oviedo - CINN