Cryo-ET Mendedahkan Gumpalan Fotoresis, Mengurangkan Kecacatan DUV sebanyak 99 Peratus tetapi Menjejaskan EUV

Penemuan para penyelidik

Sebuah pasukan penyelidik di China berjaya merakam antara gambaran paling jelas setakat ini tentang apa yang berlaku kepada fotoresis ketika corak cip dibangunkan. Menggunakan tomografi elektron kriogenik, atau cryo-ET, mereka mengimej bagaimana polimer fotoresis terlarut bergerak, berkumpul dan menggumpal dalam cecair pembangun pada skala nanometer. Imej itu menunjukkan sebahagian besar jisim polimer berhijrah ke antara muka gas-cecair dan membentuk kelompok yang boleh mendap semula pada wafer lalu menyebabkan kecacatan corak. Berbekalkan penemuan itu, pasukan tersebut mendapati bahawa sedikit peningkatan suhu pembakaran selepas pendedahan serta pengekalan lapisan pembangun yang berterusan di permukaan dapat mencegah penggumpalan dan mengurangkan jumlah kecacatan pada wafer 300 milimeter sebanyak lebih 99 peratus apabila menggunakan litografi ultraungu dalam.

Penemuan ini menyasarkan antara masalah paling degil dalam fabrikasi. Cip boleh melalui ribuan langkah, dan sisa mikroskopik atau zarah pada mana-mana peringkat boleh menyebabkan jambatan, putus atau pinggir kasar yang merendahkan hasil pengeluaran. Proses pembangunan ialah langkah utama yang meningkatkan risiko, kerana rintangan yang terdedah perlu dilarutkan dengan bersih dan konsisten sementara corak kekal jelas. Kajian baharu ini tidak mengubah kimia asas pemindahan corak, tetapi mendedahkan laluan tersembunyi yang menjelaskan mengapa sesetengah sisa muncul walaupun proses dikawal dengan teliti.

Dalam eksperimen itu, polimer rintangan teramplifikasi secara kimia diperhatikan dalam persekitaran cecair asalnya pada resolusi lebih baik daripada 5 nanometer. Polimer itu kelihatan seperti rantai halus dan fleksibel. Bagi filem dengan ketebalan kira-kira 25 hingga 100 nanometer, penyelidik mengukur bahawa kira-kira 80 peratus jisim polimer berhijrah ke bahagian atas lapisan cecair, berhampiran tempat pembangun bertemu udara. Pada antara muka itu, polimer membentuk kelompok dengan belitan lemah yang lazimnya berukuran puluhan nanometer, cukup besar untuk menyebabkan kecacatan corak jika mendap pada wafer. Haba boleh meleraikan belitan ini, sejajar dengan pemerhatian bahawa pembakaran selepas pendedahan pada suhu lebih tinggi menyekat pembentukan kelompok.

Kumpulan itu melaporkan dua langkah praktikal: naikkan suhu pembakaran selepas pendedahan daripada kira-kira 95 darjah Celsius kepada sekitar 105 darjah Celsius, dan kekalkan lapisan pembangun yang seragam di permukaan supaya antara muka kekal terkawal dan kelompok dihanyutkan. Dalam ujian pada wafer 12 inci menggunakan kimia rintangan sedia ada serta peralatan salutan, pendedahan, pembakaran dan pembangunan ultraungu dalam standard, pendekatan gabungan itu mengurangkan kecacatan jenis sisa yang kelihatan sebanyak lebih 99 peratus. Pada masa yang sama, penulis mengingatkan bahawa pelarasan suhu ini tidak membantu litografi ultraungu ekstrem kerana ia menyebarkan asid dan mengaburkan ciri paling halus.

Bagaimana fotoresis membentuk corak

Litografi menghasilkan stensil litar yang membentuk setiap ciri logam dan dielektrik pada cip. Wafer disalut dengan fotoresis, kemudian didedahkan kepada cahaya bercorak, dibakar untuk mencetuskan tindak balas penting, dibangunkan dalam cecair yang menyingkirkan kawasan sasaran, dibilas dan dikeringkan. Bagi ultraungu dalam pada 193 nanometer dan ultraungu ekstrem pada 13.5 nanometer, bahan yang paling lazim digunakan ialah rintangan teramplifikasi secara kimia. Salutan ini mengandungi penjana fotoasid yang membebaskan asid di kawasan yang terkena cahaya. Semasa pembakaran selepas pendedahan, asid memangkinkan tindak balas dalam polimer, sama ada menjadikan kawasan terdedah lebih mudah larut bagi rintangan tona positif atau lebih sukar larut bagi rintangan tona negatif.

Proses pembangunan kelihatan mudah dari luar, tetapi fizik dan kimia dalam lapisan cecair nipis itu rumit. Pembangun melarutkan serpihan polimer daripada kawasan yang diaktifkan oleh cahaya dan pembakaran selepas pendedahan. Cecair merebak di atas wafer dalam corak takungan atau semburan terkawal, sementara filem yang sangat nipis kekal ketika pelarutan berlangsung. Antara muka penting pada peringkat ini. Rantai polimer boleh tertarik ke sempadan gas-cecair akibat daya permukaan, lalu berbelit dan membentuk kelompok. Jika kelompok atau rantai yang larut sebahagian mendap semula di sepanjang pinggir atau antara garisan bersebelahan, ia boleh menyebabkan jambatan, garisan terputus atau kekasaran yang muncul sebagai kecacatan pada peringkat seterusnya.

Pasukan China itu menggambarkan belitan tersebut secara langsung. Kelompok yang mereka lihat disatukan oleh interaksi lemah yang boleh berbalik. Oleh itu, kelompok itu mudah terjejas oleh perubahan kecil pada suhu dan sejarah aliran cecair. Pembakaran selepas pendedahan pada suhu lebih tinggi meningkatkan mobiliti rantai dan membantu tindak balas mencapai tahap lengkap, sekali gus meningkatkan keseragaman pelarutan. Lapisan pembangun yang lebih stabil mengurangkan peluang kelompok terbentuk pada antara muka gas-cecair dan memudahkan rantai tersasar dihanyutkan sebelum pembilasan dan pengeringan.

Mengapa pembakaran lebih panas membantu DUV tetapi menjejaskan EUV

Rangsangan haba yang sama yang membersihkan sisa dalam proses ultraungu dalam boleh menjejaskan ketepatan corak dalam ultraungu ekstrem. Dalam proses rendaman 193 nanometer, suhu pembakaran selepas pendedahan sekitar 95 hingga 110 darjah Celsius adalah lazim. Pelarasan dalam julat itu boleh meningkatkan kontras pelarutan, mengurangkan sisa dan memperluas julat proses yang boleh digunakan. Haba tambahan melonggarkan belitan rantai yang boleh berbalik dan mempercepatkan kimia yang menentukan kawasan mana yang larut dan kawasan mana yang kekal. Pelarasan teliti masih diperlukan, namun peningkatan seperti yang dilaporkan para penyelidik berada dalam amalan biasa bagi peralatan trek dan rintangan ultraungu dalam.

Pembentukan corak ultraungu ekstrem jauh kurang toleran terhadap resapan tambahan. Ciri-cirinya lebih kecil dan variasi stokastik lebih tinggi kerana bilangan foton yang diserap bagi setiap unit luas adalah lebih rendah. Sedikit peningkatan suhu pembakaran selepas pendedahan memanjangkan jarak resapan asid dan pergerakan spesies lain. Ini menyebarkan imej pendam, mengaburkan pinggir dan meningkatkan kekasaran pinggir garisan. Ia juga meningkatkan kemungkinan garisan terputus atau bercantum pada jarak pic paling kecil. Atas sebab itu, aliran kerja EUV berusaha mengehadkan resapan, antaranya dengan menyederhanakan suhu pembakaran, melaraskan kandungan bahan pemadam dan beralih kepada bahan yang tidak bergantung pada pengamplifikasian kimia jarak jauh.

Banyak program pembangunan EUV beralih kepada fotoresis yang mengandungi logam atau oksida logam, dengan penyerapan EUV lebih tinggi dan tindak balas jarak dekat secara semula jadi. Bahan ini boleh menghasilkan corak halus dengan kurang bergantung pada resapan asid. Strategi itu, bersama pengoptimuman dos dan penambahbaikan proses trek, bertujuan mengekalkan resolusi sambil menyekat kecacatan rawak, tanpa menggunakan suhu pembakaran lebih tinggi yang akan mengaburkan ciri.

Cryo-ET memasuki makmal pembuatan cip

Daripada sel kepada litar

Cryo-ET telah lama menjadi teknik utama dalam biologi struktur. Kaedah ini memerangkap molekul dalam keadaan hampir semula jadi melalui vitrifikasi pantas, kemudian membina semula isipadu tiga dimensi daripada siri kecondongan mikrograf elektron dua dimensi. Penggunaan pendekatan ini dalam kimia semikonduktor memerlukan pemasaan dan pengendalian sampel yang tepat. Pasukan penyelidik mendedahkan dan membakar wafer mengikut aliran kerja standard, mengambil sedikit sampel cecair pembangun yang mengandungi rantai fotoresis terlarut, kemudian memvitrifikasikannya dalam beberapa milisaat pada grid mikroskop elektron. Dengan memutarkan sampel beku di dalam mikroskop elektron dan mengumpulkan banyak unjuran, pasukan itu membina semula susunan tiga dimensi polimer dalam cecair.

Hasilnya ialah gambaran menyeluruh tentang langkah pembangunan yang sebelum ini tidak dapat diperoleh. Alat tradisional sama ada memeriksa sisa kering, yang boleh mengubah morfologi, atau membuat kesimpulan tentang tingkah laku melalui ukuran tidak langsung seperti kadar pelarutan dan kekasaran selepas proses. Cryo-ET memberikan gambaran in situ. Imej dalam kajian ini menunjukkan rantai halus berbentuk gelung rawak, pengumpulan ketara berhampiran permukaan gas-cecair dan belitan lemah yang boleh dileraikan oleh haba. Bukti itu menyokong penyelesaian mudah bagi aliran ultraungu dalam: pelarasan sederhana pada suhu pembakaran digabungkan dengan kawalan lapisan pembangun pada trek.

Data pasukan itu turut membantu menjelaskan mengapa kilang fabrikasi terkemuka jarang menyebut kelompok antara muka besar sebagai punca utama kecacatan pada nod paling kecil. Kecacatan kritikal pada pic termaju lazimnya lebih kecil daripada saiz kelompok yang diperhatikan di sini, menunjukkan bahawa talian pengeluaran canggih sudah menyekat mekanisme ini melalui pembakaran yang dioptimumkan, keadaan trek yang dikawal rapi dan profil pembilasan termaju. Cryo-ET memberikan kaedah diagnostik yang lebih tajam untuk mengesahkan langkah kawalan itu dan menemukan laluan fasa cecair lain yang mungkin penting apabila dimensi semakin mengecil.

Maksudnya bagi China dan persaingan global

Pembuat cip China sedang berusaha meningkatkan hasil pengeluaran ketika berdepan sekatan akses kepada peralatan ultraungu ekstrem dan kelengkapan termaju lain. Ultraungu dalam dengan corak berbilang masih penting untuk membentuk ciri halus, tetapi setiap langkah pendedahan tambahan meningkatkan kos dan risiko. Laporan menunjukkan bahawa kilang fabrikasi besar di China telah menggunakan platform lama secara agresif, sekali gus menjadikan kawalan kecacatan dan pembersihan lebih penting demi mencapai hasil pengeluaran yang memuaskan. Sebarang kaedah yang dapat mengurangkan sisa pembangunan secara konsisten menggunakan peralatan sedia ada amat bernilai dalam keadaan itu.

Resipi yang dilaporkan menarik bagi barisan pengeluaran domestik kerana tidak memerlukan platform pendedahan baharu atau bahan eksotik. Ia menggunakan rintangan ultraungu dalam dan peralatan trek standard. Perubahan yang dicadangkan, iaitu pembakaran selepas pendedahan pada suhu sedikit lebih tinggi serta pelarasan perkakasan atau resipi untuk mengekalkan lapisan pembangun yang stabil, sudah berada dalam keupayaan lazim trek. Peningkatan pada nod matang dan pertengahan boleh diterjemahkan terus kepada lebih banyak cip yang boleh digunakan bagi setiap wafer.

Hasil yang sama tidak merapatkan jurang dalam pembentukan corak ultraungu ekstrem. Malah, kajian ini mengukuhkan sebab kejayaan EUV bergantung pada bahan yang mengehadkan tindak balas dan pengurusan resapan yang ketat. Kemajuan dalam bidang itu datang melalui rintangan baharu, sumber kuasa lebih tinggi dan metrologi yang lebih baik, bukannya suhu pembakaran yang lebih tinggi. Kerangka cryo-ET tetap penting kerana ia dapat menjelaskan tingkah laku fasa cecair dalam banyak langkah basah lain yang mempengaruhi hasil akhir.

Batasan dan amalan kilang fabrikasi terkemuka

Kajian itu sendiri menyatakan bahawa kelompok antara muka yang digambarkan boleh berbalik dan agak besar. Kilang fabrikasi terkemuka sudah mengelakkan antara muka udara-cecair terbuka dalam tempoh proses yang sensitif, dan mengekalkan kesinambungan lapisan pembangun bagi mengurangkan risiko pemendapan semula. Modul trek mengawal pembentukan takungan, kadar pendispensan dan profil putaran wafer agar ketebalan filem serta tempoh sentuhan kekal dalam julat yang ketat. Plat pembakar ditentukur mengikut lokasi pada wafer 300 milimeter. Penapis dan pengurusan larutan pula mengurangkan zarah serta sisa organik terlarut.

Trek litografi moden juga dilengkapi sensor dan pemeriksaan dalam talian untuk mengesan hanyutan proses. Analisis pareto kecacatan dan reka bentuk eksperimen yang teliti telah lama membantu menetapkan suhu pembakaran dan tempoh pembangunan dalam julat yang selamat. Imej cryo-ET memberikan gambaran mekanistik yang sepadan dengan pengalaman praktikal itu. Jurutera boleh mengesahkan bahawa belitan di permukaan adalah lemah, bersifat terma dan bertindak balas terhadap kawalan filem. Keyakinan itu membantu apabila kimia baharu diperkenalkan atau resipi sedia ada ditolak ke hadnya semasa peningkatan hasil pengeluaran.

Bahan EUV masa hadapan

Walaupun rintangan organik teramplifikasi secara kimia masih mendominasi barisan ultraungu dalam, penggunaan bahan dalam ultraungu ekstrem terus beralih kepada sistem yang mengandungi logam. Rintangan oksida logam dan kelompok logam berasaskan timah, hafnium, zirkonium dan unsur berkaitan menyerap lebih banyak foton EUV bagi setiap unit ketebalan. Bahan ini juga membentuk rangkaian selepas pendedahan tanpa bergantung pada pengangkutan asid jarak jauh. Ciri tersebut membantu mengurangkan kekasaran lebar garisan dan menyokong pembentukan corak pada dimensi bawah 15 nanometer dengan dos yang masih praktikal untuk alat pengeluaran. Para penyelidik sedang melaraskan laluan sintesis, termasuk penyusupan fasa wap dan kimia sol-gel bukan akueus, untuk menghasilkan salutan seragam yang tahan kecacatan dengan kepekaan terkawal.

Satu kajian terkini menggabungkan dua kelompok oksida timah bagi mencapai kepekaan tinggi serta ketahanan terhadap hakisan pinggir yang lebih baik. Campuran itu menghasilkan separuh pic dalam julat 13 hingga 16 nanometer pada dos sekitar 50 hingga 60 milijoule per sentimeter persegi, dengan ketahanan hakisan lebih baik serta corak yang lebih tebal dan teguh. Analisis spektroskopi mencadangkan adanya interaksi kerjasama antara kelompok semasa pendedahan dan tindak balas selepas pendedahan. Kajian seumpama ini menunjukkan laluan bahan untuk menghasilkan imej EUV yang lebih tajam tanpa mengundang kesan buruk resapan akibat suhu pembakaran lebih tinggi.

Projek masa hadapan dalam bidang ini menyasarkan reka bentuk ligan, gabungan logam baharu dan kawalan sintesis untuk menyekat pembentukan kecacatan rawak sambil mengekalkan resolusi. Jika berjaya, bahan ini akan mengurangkan kebergantungan pada langkah pembakaran agresif dan memberi jurutera trek lebih ruang untuk memperhalus proses pembangunan tanpa mengorbankan ketajaman pinggir.

Perkara yang perlu diperhatikan dalam pembuatan

Bagi pembuat cip yang menjalankan proses ultraungu dalam, kesimpulan segera adalah praktikal. Sahkan julat pembakaran dan pembangunan menggunakan rintangan khusus pada trek, kemudian ukur sebarang perubahan pada kecacatan sisa. Keseragaman pembakaran di seluruh wafer, pemasaan takungan pembangun dan dinamik pendispensan semuanya boleh mempengaruhi sama ada kelompok sempat terbentuk dan mendap semula. Julat suhu kajian ini berada dalam lingkungan yang sudah digunakan oleh banyak kilang fabrikasi, sekali gus memudahkan penilaian. Langkah berjaga-jaga perlu diambil agar suhu atau tempoh tidak melebihi had sehingga merosakkan rintangan atau mengubah dimensi melebihi toleransi.

Pemeriksaan dan metrologi sama pentingnya dengan resipi. Barisan pengeluaran yang dapat mengesan dan mengelaskan sisa pada peringkat awal peningkatan hasil boleh membuat pelarasan dengan pantas. Peta kecacatan, ukuran kekasaran pinggir garisan dan pengoptimuman pembilasan perlu berjalan seiring dengan pelarasan pembakaran yang diterangkan di sini. Walaupun kaitannya dengan EUV terhad, kerangka pengimejan itu sendiri ialah alat baharu yang bernilai. Cryo-ET boleh memeriksa interaksi fasa cecair dalam langkah basah lain seperti pembilasan selepas pembangunan atau pembersihan basah terpilih, yang sering menyaksikan agregat molekul kecil menentukan kestabilan sesuatu proses.

Perkara utama

• Cryo-ET membolehkan pemerhatian 3D langsung pertama terhadap polimer fotoresis terlarut dalam pembangun, sekali gus mendedahkan penggumpalan pada antara muka gas-cecair.
• Menaikkan suhu pembakaran selepas pendedahan daripada kira-kira 95 kepada 105 darjah Celsius dan mengekalkan lapisan pembangun berterusan mengurangkan kecacatan jenis sisa pada wafer ultraungu dalam 300 milimeter sebanyak lebih 99 peratus.
• Belitan kelompok itu lemah dan boleh dileraikan oleh haba, menjelaskan mengapa perubahan suhu yang agak kecil dapat mengganggunya.
• Kenaikan suhu yang sama merendahkan ketepatan corak ultraungu ekstrem dengan meningkatkan resapan asid, mengaburkan pinggir dan menambah kekasaran pinggir garisan.
• Kilang fabrikasi terkemuka sudah melaraskan tetapan pembakaran dan pembangun untuk mengelakkan kelompok permukaan ini, sebab itulah ia jarang dianggap sebagai kecacatan kritikal pada nod paling kecil.
• Kilang fabrikasi China yang bergantung pada corak berbilang ultraungu dalam boleh mendapat manfaat daripada aspek kajian yang sesuai untuk DUV, tetapi akses EUV dan bahan masih menjadi halangan lebih besar.
• Rintangan oksida logam dan kelompok logam untuk EUV bertujuan memberikan penyerapan tinggi, ketahanan hakisan yang kuat serta tindak balas jarak dekat yang mengehadkan resapan tanpa pembakaran lebih panas.
• Cryo-ET membuka laluan diagnostik baharu untuk mengkaji interaksi fasa cecair dalam proses pembangunan, pembilasan dan pembersihan basah yang membentuk hasil akhir.