Литография без масок
Литография, которая не использует фотошаблон, а вместо этого может использовать сканирующий лазер или электронный луч

Безмасочная литография ( MPL ) — это технология, подобная фотолитографии без фотошаблона , используемая для проецирования или записи рисунка изображения на фокусном пятне на покрытую химическим резистом подложку (например, пластину ) с помощью УФ-излучения или электронного пучка. [1]

В микролитографии обычно УФ-излучение создает изображение маски с постоянной во времени на светочувствительной эмульсии (или фоторезисте ). [2] Традиционно для высокоскоростной микрообработки микроструктур используются выравниватели масок, степперы, сканеры и другие виды неоптических технологий , но в случае MPL некоторые из них становятся излишними.

Безмасочная литография имеет два подхода к проектированию рисунка: растровый и векторизованный . В первом случае она использует генерацию изменяющегося во времени прерывистого изображения на электронно-изменяемой (виртуальной) маске, которая проецируется известными средствами (также известными как лазерное прямое изображение и другие синонимы). В векторном подходе прямая запись достигается излучением, которое фокусируется в узкий луч, который сканируется в векторной форме по резисту. Затем луч используется для прямой записи изображения на фоторезист, по одному или нескольким пикселям за раз. Также известны комбинации двух подходов, и это не ограничивается оптическим излучением, но также распространяется на УФ, включает электронные лучи , а также механическую или термическую абляцию с помощью устройств MEMS .

Преимущества

Преимуществом MPL является высокоскоростная параллельная обработка шаблона, обеспечиваемая большой и дешевой доступной вычислительной мощностью, что не является проблемой при стандартном подходе, который отделяет медленный, но точный процесс структурирования для записи маски от быстрого и высокопараллельного процесса копирования для достижения высокой пропускной способности репликации, требуемой отраслью.

Ключевым преимуществом безмасочной литографии является возможность менять шаблоны литографии от одного запуска к другому, не неся расходов на создание нового фотошаблона. Это может оказаться полезным для двойного шаблонирования или компенсации нелинейного поведения материала (например, при использовании более дешевой некристаллической подложки или для компенсации случайных ошибок размещения предыдущих структур).

Недостатки

Основными недостатками являются сложность и стоимость процесса репликации, ограничение растрирования в отношении передискретизации приводит к артефактам наложения, особенно с меньшими структурами (что может повлиять на выход), в то время как прямая векторная запись ограничена по пропускной способности. Кроме того, цифровая пропускная способность таких систем является узким местом для высоких разрешений, т. е. структурирование пластины диаметром 300 мм с ее площадью ~707 см² требует около 10 Ti B данных в растровом формате без передискретизации и, таким образом, страдает от артефактов шагов ( наложения ). Передискретизация в 10 раз для уменьшения этих артефактов добавляет еще два порядка величины 1 PiB на одну пластину, которую необходимо перенести за ~1 мин на подложку для достижения скоростей производства больших объемов. Поэтому промышленная безмасочная литография в настоящее время широко применяется только для структурирования подложек с более низким разрешением, например, в производстве печатных плат , где наиболее распространены разрешения ~50 мкм (при примерно в 2000 раз более низкой производительности компонентов).

Формы

В настоящее время основными формами безмасочной литографии являются электронно-лучевая и оптическая. Кроме того, системы с фокусированным ионным пучком (FIB) заняли важную нишевую роль в анализе отказов и ремонте дефектов. Также были продемонстрированы системы, основанные на массивах механических и термически абляционных зондовых наконечников.

Электронный луч (ЭЛ)

Наиболее часто используемой формой безмасочной литографии сегодня является электронно-лучевая литография . Ее широкое распространение обусловлено широким спектром доступных электронно-лучевых систем, которые имеют доступ к столь же широкому диапазону энергий электронного пучка (~10 эВ до ~100 кэВ). Это уже используется в производстве на уровне пластин в eASIC , где используется обычная электронно-лучевая литография с прямой записью для настройки одного сквозного слоя для недорогого производства ASIC.

Большинство систем безмасочной литографии, которые в настоящее время разрабатываются, основаны на использовании нескольких электронных пучков. [3] Цель состоит в том, чтобы использовать параллельное сканирование пучков для ускорения формирования рисунка на больших площадях. Однако фундаментальным соображением здесь является то, в какой степени электроны из соседних пучков могут мешать друг другу (из-за кулоновского отталкивания ). Поскольку электроны в параллельных пучках движутся одинаково быстро, они будут постоянно отталкиваться друг от друга, в то время как электронные линзы действуют только на части траекторий электронов.

Оптический

Прямая лазерная запись — очень популярная форма оптической безмасочной литографии, которая обеспечивает гибкость, простоту использования и экономическую эффективность в обработке НИОКР (мелкосерийное производство). Базовая технология использует микроматрицы пространственной модуляции света (SLM) на основе стекла для блокирования пути лазера от достижения подложки с фоторезистом (аналогично цифровым микрозеркальным устройствам ). [4] [5] Это оборудование обеспечивает быстрое формирование рисунка с субмикрометровым разрешением и предлагает компромисс между производительностью и стоимостью при работе с размерами элементов приблизительно 200 нм или больше. Прямая лазерная запись для корпусирования микроэлектроники, 3D-электроники и гетерогенной интеграции была разработана в 1995 году в Microelectronics and Computer Technology Corporation (или MCC) в Остине, штат Техас. [6] Система MCC была полностью интегрирована с прецизионным управлением для 3D-поверхностей и программным обеспечением искусственного интеллекта с машинным обучением в реальном времени и включала длины волн лазера для стандартного резиста i-line и DUV 248 нм. Система MCC также включала возможности редактирования схем для изоляции схем на программируемой пластине. В 1999 году система MCC была усовершенствована для использования в производстве MEMS. [7]

Интерференционная литография или голографическое экспонирование не являются процессами без масок и поэтому не считаются «безмасочными», хотя между ними нет системы формирования изображений 1:1.

Плазмонная литография с прямой записью использует локализованные поверхностные плазмонные возбуждения с помощью сканирующих зондов для прямого экспонирования фоторезиста. [8]

Для улучшения разрешения изображения используется ультрафиолетовый свет, длина волны которого короче, чем у видимого света, что позволяет достичь разрешения до 100 нм. Основные оптические системы безмасковой литографии, используемые сегодня, разработаны для создания фотошаблонов для полупроводниковой и ЖК- промышленности.

В 2013 году группа из Технологического университета Суинберна опубликовала свое достижение: размер элемента 9 нм и шаг 52 нм, полученные с помощью комбинации двух оптических лучей с разной длиной волны. [9]

Технология DLP также может использоваться для безмасочной литографии. [10]

Сфокусированный ионный пучок

Системы с фокусированным ионным пучком сегодня широко используются для распыления дефектов или обнаружения скрытых особенностей. Использование ионного распыления должно учитывать повторное осаждение распыленного материала.

Протонное написание пучка

Запись протонным пучком (или запись p-лучом) представляет собой процесс прямой записи в литографии , который использует сфокусированный пучок протонов высокой энергии ( МэВ ) для создания рисунка на материале резиста в наноразмерах. [11] Этот процесс, хотя и похож во многих отношениях на прямую запись с использованием электронов , тем не менее предлагает некоторые интересные и уникальные преимущества.

Контакт наконечника зонда

Компания IBM Research разработала альтернативную технологию безмасочной литографии, основанную на атомно-силовой микроскопии . [12] Кроме того, нанолитография с использованием погружного пера является многообещающим новым подходом для создания структур субмикрометровых элементов.

Исследовать

2000-е

Технологии, которые позволяют использовать безмасочную литографию, уже используются для производства фотошаблонов и в ограниченном производстве на уровне пластин. Существуют некоторые препятствия для ее использования в крупносерийном производстве. Во-первых, существует большое разнообразие безмасочных технологий. Даже в категории электронно-лучевых технологий есть несколько поставщиков ( Multibeam , Mapper Lithography, Canon , Advantest , Nuflare, JEOL ) с совершенно разными архитектурами и энергиями пучка. Во-вторых, все еще необходимо достичь целевых показателей пропускной способности, превышающих 10 пластин в час. В-третьих, необходимо разработать и продемонстрировать емкость и способность обрабатывать большой объем данных ( шкалу терабайт ). [ требуется цитата ]

В последние годы DARPA и NIST сократили поддержку безмасочной литографии в США [13]

Существовала европейская программа, которая должна была продвигать внедрение безмасочной литографии для производства ИС на узле с половинным шагом 32 нм в 2009 году. [14] Название проекта было MAGIC, или «Безмасочная литография для производства ИС», в рамках 7-й рамочной программы ЕС (FP7). [15]

В связи с возросшей стоимостью масок для многократного нанесения рисунка безмасочная литография вновь стала стимулом для актуальных исследований в этой области.

DARPA (США)

Начиная с 2001 года DARPA инвестировала в различные технологии безмаскового шаблонирования, включая параллельные массивы электронных пучков, параллельные сканирующие массивы зондов и инновационный инструмент литографии электронных пучков для обеспечения мелкосерийного производства. Технология имеет кодовое название Gratings of Regular Arrays and Trim Exposures (GRATE) (ранее известная как Cost Effective Low Volume Nanofabrication). [16] [17] [18]

Экономика

Литейные заводы

В 2018 году совместно финансируемая голландцами и Россией ( Роснано ) компания Mapper Lithography, производившая компоненты MEMS с многолучевой безмасочной литографией, обанкротилась и была приобретена ASML Holding , крупным конкурентом в то время. [19] Литейный завод, производящий устройства, расположен недалеко от Москвы, Россия. По состоянию на начало 2019 года им управляла компания Mapper LLC. [20] Первоначально Mapper Lithography была создана в Делфтском технологическом университете в 2000 году. [ требуется ссылка ]

Ссылки

  1. ^ Уолш, ME; Чжан, Ф.; Менон, Р.; Смит, HI (2014). «Безмасковая фотолитография». Нанолитография . С. 179–193. doi :10.1533/9780857098757.179. ISBN 9780857095008.
  2. ^ Р. Менон и др. , Materials Today, февраль 2005 г., стр. 26-33 (2005).
  3. ^ THP Chang et al. , Микроэлектронная инженерия 57–58, стр. 117–135 (2001).
  4. ^ Jung, Il Woong; Wang, Jen-Shiang; Solgaard, O. (август 2006 г.). «Пространственные модуляторы света для безмасковой литографии». Международная конференция IEEE/LEOS по оптическим MEMS и их приложениям, 2006 г. стр. 150–151. doi :10.1109/OMEMS.2006.1708309. ISBN 0-7803-9562-X. S2CID  25574690.
  5. ^ Watson, GP; Aksyuk, V.; Simon, ME; Tennant, DM; Cirelli, RA; Mansfield, WM; Pardo, F.; Lopez, DO; Bolle, CA; Papazian, AR; Basavanhally, N. (2006). "Пространственный модулятор света для оптической проекционной литографии без маски". Journal of Vacuum Science & Technology B: Microelectronics and Nanometer Structures . 24 (6): 2852. Bibcode : 2006JVSTB..24.2852W. doi : 10.1116/1.2387156.
  6. ^ Йи, И.; Мираки, Р.; Рид, Дж.; Лансефорд, Б.; Минчуань Ванг; Кобб, Д.; Колдуэлл, Г. (1997). «Гибкое производство многокристальных модулей для ИС с перевернутыми кристаллами». Труды конференции IEEE 1997 года по многокристальным модулям . С. 130–132. doi :10.1109/MCMC.1997.569357. ISBN 0-8186-7789-9. S2CID  111088663.
  7. ^ Hilbert, C.; Nelson, R.; Reed, J.; Lunceford, B.; Somadder, A.; Hu, K.; Ghoshal, U. (1999). "Термоэлектрические MEMS-охладители". Восемнадцатая международная конференция по термоэлектричеству. Труды, ICT'99 (Cat. No.99TH8407) . стр. 117–122. doi :10.1109/ICT.1999.843347. ISBN 0-7803-5451-6. S2CID  46697625.
  8. ^ Xie, Zhihua; Yu, Weixing; Wang, Taisheng; et al. (31 мая 2011 г.). «Плазмонная нанолитография: обзор». Plasmonics . 6 (3): 565–580. doi :10.1007/s11468-011-9237-0. S2CID  119720143.
  9. ^ Gan, Zongsong; Cao, Yaoyu; Evans, Richard A.; Gu, Min (октябрь 2013 г.). «Трехмерная глубокая субдифракционная оптическая лучевая литография с размером элемента 9 нм». Nature Communications . 4 (1): 2061. Bibcode : 2013NatCo...4.2061G. doi : 10.1038/ncomms3061 . PMID  23784312.
  10. ^ "Инструмент безмасковой литографии". NanoSystem Solutions, Inc. 17 октября 2017 г.
  11. ^ Мёллер, Сёрен (2020). Accelerator Technology – Applications in Science, Medicine, and Industry (1-е изд.). Springer Nature. ISBN 978-3-030-62307-4.
  12. ^ П. Веттигер и др. , IBM J. Res. Дев. 44, стр. 323–340 (2000).
  13. ^ "Darpa, NIST прекратят финансирование безмасочной литографии в США". EETimes . 19 января 2005 г.
  14. ^ [1] ЕС формирует новую литографическую группу без масок
  15. ^ "CORDIS | Европейская комиссия". Архивировано из оригинала 2008-03-28 . Получено 2012-07-17 .
  16. ^ "Оценка бюджета Министерства обороны на 2010 финансовый год" (PDF) . Май 2009 г.
  17. ^ "StackPath". www.militaryaerospace.com . Получено 2021-06-19 .
  18. ^ Fritze, M.; Tyrrell, B.; Astolfi, D.; Yost, D.; Davis, P.; Wheeler, B.; Mallen, R.; Jarmolowicz, J.; Cann, S.; Chan, D.; Rhyins, P.; Carney, C.; Ferri, J.; Blachowicz, BA (2001). "Решетки регулярных массивов и подгоночные экспозиции для фазовой литографии сверхбольших интегральных схем". Journal of Vacuum Science & Technology B: Microelectronics and Nanometer Structures . 19 (6): 2366. Bibcode : 2001JVSTB..19.2366F. doi : 10.1116/1.1408950.
  19. ^ "ASML приобретает Mapper Lithography после банкротства". habr.com . 28 января 2019 г. Получено 05.06.2021 .
  20. ^ "ASML приобретает Mapper Lithography после банкротства". habr.com . 28 января 2019 г. Получено 05.06.2021 .
  • Виланд, MJ; Де Бур, Г.; Тен Берге, ГФ; Джагер, Р.; Ван Де Пют, Т.; Пейстер, JJM; Слот, Э.; Стинбринк, SWHK; Типен, ТФ; Ван Вин, AHV; Камфербек, Би Джей (2009). «MAPPER: Высокопроизводительная безмасочная литография». В Шелленберге, Фрэнк М.; Ла Фонтен, Бруно М. (ред.). Альтернативные литографические технологии . Том. 7271. С. 72710О. дои : 10.1117/12.814025. S2CID  173181588.
  • 35-я Европейская конференция по маскам и литографии (EMLC 2019)
Retrieved from "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Maskless_lithography&oldid=1224079769"