< Terug naar vorige pagina

Project

Licht-materie interacties in fotoresists voor extreem ultraviolet lithografie

Onze maatschappij is aanzienlijk beïnvloed door het wijdverspreide gebruik van elektronische apparaten. Dit biedt nieuwe opportuniteiten voor investering en nieuwe communicatiemiddelen maar brengt ook nieuwe ethische of politieke kwesties met zich mee. Van computers tot smartphones of cloudservers; in de loop van de jaren is de rekenkracht exponentieel toegenomen, terwijl de marktprijs van eenvoudige elektronica tegelijkertijd is gedaald.

Deze ongelooflijke vooruitgang werd mogelijk gemaakt dankzij het constante onderzoek en de voortdurende ontwikkeling in vervaardigingstechnieken voor micro-elektronica. Toen het transistoreffect in de jaren ’40 werd ontdekt, was het onmogelijk om de immense impact van deze uitvinding op de huidige maatschappij te voorspellen. Met dezelfde hoop voor de toekomst wordt er vandaag veel aandacht besteed aan het onderzoek in micro-elektronica o.a. voor het Internet of Things of de Smart Cities, maar ook voor de nog onbekende toepassingen van morgen.

In de afgelopen 60 jaar  is de grootte van transistors continu gedaald. Dit bood de mogelijkheid om meerdere transistors in een gelijkaardig volume te verpakken, voor gelijkaardige kosten. De lagere kost per transistor die resulteert uit de kosteneffectieve dimensionale schaalverkleining genereert inkomsten die verder onderzoek om deze schaalverkleining voort te zetten kunnen ondersteunen.

Om deze microscopisch kleine elektronische circuits te tekenen, wordt lithografie gebruikt. Deze fabricagetechniek gebruikt licht om een schakelpatroon van een masker naar een toekomstige chip over te brengen. De omzetting van het lichtsignaal in materiaalmodificatie gebeurt dankzij een lichtgevoelig materiaal: de fotoresist.

Gezien de continue krimp van de afmetingen van de transistor dient de golflengte van het gebruikte licht verminderd te worden ten gevolge van diffractie-effecten. Om verder te verkleinen moet fotolithografie van het huidige diep ultraviolet-licht (DUV) – met 193 nm golflengte – naar extreem ultraviolet-licht (EUV) – met 13.5 nm golflengte – worden omgezet. Deze nieuwe golflengte heeft invloed op het gebied van lichtopwekking bij de bron, optiekmaterialen voor transport, maar ook op de fotoresist die nodig is voor het proces.

Terwijl fotoresist reacties goed bestudeerd werden voor lithografie op 193 nm niveau, is er nog steeds een gebrek aan kennis over het belichtingsmechanisme bij EUV-golflengte. Eerst en vooral omdat de toegenomen energie die door de fotonen wordt gedragen hoger is. Bovendien treden specifieke uitdagingen omwille van  het afnemende resistvolume, doordat de patroonafmetingen dichter bij de grootte van de moleculen komen. De discrete aard van zowel materie als licht begint een belangrijke rol te spelen.

Productie op grote schaal legt productiviteitsdoelen en opbrengstdoelen die zich vertalen in prestatiedoelen van de fotoresist (resolutie, ruwheid en gevoeligheid). De resolutie is het kleinste patroon dat kan worden afgedrukt, de ruwheid kwantificeert de variabiliteit van een ruwe, niet-ideale vorm, en de gevoeligheid beschrijft de hoeveelheid lichtenergie die nodig is voor patroonvorming.

Verdere verbetering van de prestaties van de fotoresist is nodig voor een breed gebruik van EUV-lithografie in productie in grote volumes. Voor dergelijke verbeteringen is begrip van het mechanisme van de afdruk van fotoresistpatronen nodig. Dit proefschrift streeft in een eerste fase naar een beter begrip van dit mechanisme. In een tweede fase worden fotoresists die alternatieven vormen voor het conventionele resist-platform voorgesteld en getest.

Het proces voor huidige conventionele EUV-resists (chemically amplified resists (CAR)), bestaat uit vier stappen: het aanbrengen van de fotoresist; het belichten door een masker waarbij de fotonen worden door de resist geabsorbeerd en waarbij zuur wordt geproduceerd; het post-belichting bakken waarbij deze zuren zich verspreiden en een chemische reactie in de resist katalyseren; en de ontwikkeling waarbij de belichte resist door een oplosmiddel wordt verwijderd.

In de eerste fase van dit werk werden de laatste twee processtappen bestudeerd. Voor de ontwikkelingsstap werd een aangepast toestel ontwikkeld, dat het mogelijk maakt de oplosbaarheidseigenschappen van fotoresists te meten.. Deze stap toonde aan dat binnen de conventionele EUV-resists verschillende families andere ontwikkelingsmechanismen hebben die hun resolutie en ruwheid beïnvloeden. Het post-belichtings bakken werd vervolgens bestudeerd met een focus op de impact en beperkingen van zuurdiffusie. De uitgevoerde experimenten toonden aan dat vermindering van de zuurdiffusie de fotoresist resolutie verbetert, dat een gecontroleerde diffusie de ruwheid kan verbeteren en dat een langere baktijd de gevoeligheid verbetert.

In de tweede fase werden alternatieve fotoresists onderzocht. Eerst werd een voorstel om conventionele organische resists te verbeteren getest. Organo-metaalmoleculen werden aan de resist formulering toegevoegd om de gevoeligheid te verbeteren door het verhogen van de EUV-lichtabsorptie. Het toevoegen van deze sensibiliserende moleculen had een positieve impact op de resist gevoeligheid, maar dit vaak ten koste van de ruwheid. Tegelijkertijd kreeg men inzicht in het belichtingsmechanisme. Een tweede alternatieve fotoresist, multi-trigger resist genoemd, werd op een EUV-scanner getest. De werking van deze resist  is gebaseerd op een ander mechanisme, waarbij verschillende monomeren bij belichting polymeriseren. Het concept werd onderzocht door varianten van de formulering te testen. Het patroonpotentieel van niet-traditionele chemie in EUV-lithografie werd hierbij getoond.

Ten slotte was het laatste deel van dit werk gericht op stochastische nano-fouten; een recent geïdentificeerde uitdaging veroorzaakt door de kleine doelafmetingen. Stochastische storingen voor CAR-resists werden experimenteel gerapporteerd en gekwantificeerd. De oorsprong van dit fenomeen wordt besproken, wijzend op het belang van fotonen schaarste, maar ook de impact van fotoresist design.

Het inzicht van dit werk maakt het mogelijk om conclusies te trekken over de prestaties en beperkingen van conventionele fotoresists, maar ook over de mogelijkheden en uitdagingen voor alternatieve fotoresists die in de toekomstige grootschalige productie kunnen en zullen worden gebruikt.

Datum:15 mrt 2015 →  3 apr 2019
Trefwoorden:Photolithography, EUV lithography, Photoresist, Sensitivity
Disciplines:Nanotechnologie, Process engineering, Polymere materialen, Organische chemie, Nanomanufacturing
Project type:PhD project