Разработка системы электронно-лучевой литографии JBX-8100FS

Введение

Пользователь создает данные шаблона с помощью САПР и т. д. Эти данные могут быть воспроизведены на материале подложки с помощью системы EBL, что позволяет выполнять нанопроизводство. Поскольку одной из целей производства полупроводниковых устройств является уменьшение размеров изделий, производители оборудования, используемого для производства полупроводников, должны разработать оборудование, которое может обеспечить меньший размер рисунка. Также существует потребность в контроле шага с высокой точностью 0.1 нм или меньше, например, для производства РОС-лазеров. Это означает, что требуется высокоточное позиционирование. Для исследований по изготовлению шаблонов наноимпринта помимо точности, описанной выше, необходимо также добиться высокой точности позиционирования внутри подложки. Кроме того, для изготовления транзисторов, используемых в устройствах миллиметрового диапазона, необходимо с высокой точностью накладывать шаблоны на предварительно изготовленные материалы. Как видно из этого, требования к точности различаются в зависимости от типа производимого устройства. JBX-8100FS (рис. 1) был разработан для удовлетворения этих различных потребностей.
Спецификации JBX-8100FS (таблица 1) включают максимальное ускоряющее напряжение 100 кВ, максимальную скорость сканирования 125 МГц, область записи 150 мм × 150 мм и разрешение лазерных измерений 0.6 нм. Показаны характеристики производительности для режима высокой пропускной способности и режима высокого разрешения; эта система может удовлетворить широкий спектр потребностей, от производства до исследований и разработок. Производительность в режиме высокой пропускной способности включает максимальный размер поля 1000 мкм, минимальный диаметр луча 5.1 нм, приращение данных 0.5 нм, точность сшивания полей ± 20 нм или менее, точность наложения ± 20 нм или менее, минимальная ширина линии 12 нм или менее, дрейф тока 0.2% pp/ч или менее и дрейф положения луча 60 нм pp/ч или менее. Для сравнения, в режиме высокого разрешения производительность включает максимальный размер поля 100 мкм, минимальный диаметр луча 1.8 нм, шаг данных 0.05 нм, точность сшивания полей ± 9 нм или меньше, точность наложения ± 9 нм или меньше, минимальная ширина линии 8 нм или менее, дрейф тока 0.2% pp/ч или менее и дрейф положения луча 10 нмп/ч или менее. Кроме того, поскольку потребляемая мощность при нормальной работе составляет 3 кВА, это также привлекательный инструмент с точки зрения эксплуатационных расходов.

Рис.1 Внешний вид JBX-8100FS

Все блоки находятся внутри панелей, за исключением источников питания, циркуляционного насоса охлаждающей воды и сухого насоса.

Результаты тестирования производительности

Были измерены характеристики JBX-8100FS в отношении минимальной ширины линии, точности сшивки в полевых условиях, точности наложения и точности размеров в плоскости поля.

Минимальная ширина линии

Для оценки литографических характеристик JBX-8100FS на кремниевую подложку наносили резист ZEP50A (ZEON Corp.) толщиной 520 нм, а запись выполняли в условиях тока пучка 100 пА и минимального диаметра пучка 1.8 нм. Гарантируется минимальная ширина линии 8 нм или менее. На этот раз была использована специальная разработка для получения еще более тонкой структуры. Низкотемпературная проявка широко известна как метод получения усиленных структур [1]. Резист ZEP520A проявляли при температуре 2.8°C, что позволило получить данные, демонстрирующие минимальную ширину линии 4.2 нм (рис. 2).

Рис.2 Изображение поперечного сечения линии минимальной ширины (×200 k)

С ZEP520A (от ZEON) при толщине 40 нм, используя низкотемпературный эффект, можно получить ширину линии 4.2 нм.

Точность сшивания в полевых условиях

JBX-8100FS использует систему коррекции положения предметного столика под названием Laser Beam Control (далее LBC), обеспечивающую высокоточную коррекцию положения. Кроме того, с добавлением эксклюзивной коррекции искажения материала JEOL и коррекции искажения отклонения точность гарантируется. Для измерения точности сшивки поля использовалась оптическая система измерения координат. В углах каждого поля обработки были размещены метки «L», и была обработана схема полей 4 × 4. Измерялись координаты Г-образных меток в точках пересечения полей и оценивалась точность позиционирования. Здесь представлены результаты для площади 1000 мкм. Технические характеристики гарантируют точность в пределах ± 20 нм или меньше. Фактические результаты были +11.5 нм / -9.8 нм (рис. 3 (а)). Даже нониусные диаграммы с разрешением 8 нм, размещенные в углах поля, были визуально подтверждены, и были получены аналогичные результаты производительности (рис. 3(б)).

Рис.3 Результаты измерения точности полевой строчки

(а) Область измерения была определена массивом точек 4 × 4 с интервалом 10 мм (определение области 30 мм × 30 мм), и была измерена точность сшивки поля. Гарантированное значение составляет ± 20 нм или меньше, но фактически полученные результаты составляют +11.5 нм / -9.8 нм (X/Y).
(б) Таким же образом были получены результаты СЭМ-наблюдения картин Вернье с разрешением 8 нм, и наблюдались аналогичные значения.

Точность наложения

Одной из особенностей SB является возможность непосредственного написания рисунка на подложке, на которой уже есть другой рисунок. Системы EBL оснащены функцией обнаружения меток, с помощью которой можно обнаружить установочные метки, созданные на обрабатываемом материале, и определить их координаты. Если записать положение рисуемого рисунка относительно координат меток совмещения, то отклонение можно вычислить и скорректировать при выполнении записи. Чтобы оценить эту производительность, EBL использовался для обработки как первого, так и второго слоев. Область письма составляла 30 мм × 30 мм (4 × 4 точки с интервалом 10 мм). Измерение проводилось путем наложения области 3 мм × 3 мм (4 × 4 точки с интервалом 1 мм) в одном месте в пределах площадь записи мм × 30 мм, и была измерена точность наложения. Гарантированная производительность составляет ± 30 нм или меньше, а фактически полученные результаты составляют +20 нм / -4.1 нм (рис. 6.7(а)). Точно так же результаты измерений нониусных картин с разрешением 4 нм показали, что наложение было почти идеально центрировано как в направлениях X, так и в Y (рис. 8(b)).

Рис.4 Значения измерения точности наложения

(а) Область письма определялась массивом точек 4 × 4 с интервалом 10 мм (определение области 30 мм × 30 мм). Область измерения определялась массивом точек 4 × 4 с интервалом 1 мм (определяя площадь 3 мм × 3 мм), и измерялась точность наложения. Гарантированное значение составляет ± 20 нм или меньше, но фактически полученные результаты составляют +4.1 нм / -6.7 нм (X/Y).
(б) Таким же образом были получены результаты СЭМ наблюдения картин Вернье с разрешением 8 нм. Для обоих направлений X и Y узоры накладывались почти в центре.

CD (критический размер) однородность в пределах поля

Выполнен рисунок решетки, такой как для РОС-лазеров, и определена точность ширины линий. В центре и в каждом углу поля размером 1000 мкм помещали линейно-пространственный узор. Запись производилась с шириной линии 100 нм и шагом 200 нм. Результаты показывают точность 1.1%pp, с максимумом 100.6 нм и минимумом 99.5 нм (рис. 5).

Рис.5 Критическая однородность размеров в пределах поля

В центре и в каждом углу поля размером 1000 мкм помещали линейно-пространственный узор. Запись производилась с шириной линии 100 нм и шагом 200 нм. Результаты показывают точность 1.1%pp, с максимумом 100.6 нм и минимумом 99.5 нм.

Стабильность

Стабильность является важным фактором производительности EBL, который в основном работает 24 часа в сутки. Также можно оснастить эту систему специальным блоком кондиционирования воздуха JEOL и блоком противодействия электромагнитным помехам JEOL, что позволит добиться еще большей стабильности. Результаты измерений в режиме высокой пропускной способности 100 кВ с использованием тока 2 нА показали дрейф тока 0.08%pp/ч и дрейф положения луча в направлении X 9.5 нмп-п/ч и 10.8 нмп-п/ч. h в направлении Y (рис.6).

Рис.6 Стабильность

Стабильность измерялась в течение 1 часа в режиме высокой пропускной способности 100 кВ. При токе 2 нА дрейф тока составлял 0.08% pp/ч, а дрейф положения в направлении X составлял 9.5 нмп-п/ч и 10.8 нмп-п/ч в направлении Y.

Увеличить пропускную способность

Поскольку профиль луча в SB невелик, существует тенденция к увеличению времени обработки по сравнению с EBL переменного типа. Как упоминалось выше, поскольку в последние годы они используются для производства, основное внимание при разработке устройств уделяется повышению пропускной способности. Факторы, определяющие производительность литографической системы, включают время перемещения предметного столика, время установления предметного столика после перемещения, время коррекции, время передачи данных, время установления электрической системы и время экспозиции луча. Улучшения этих факторов, достигнутые с помощью JBX-8100FS, описаны ниже.

• Время движения сцены
  Это зависит от максимальной скорости движения сцены, но для коротких дистанций ускорение тоже немаловажно. Это было улучшено на 10-20% за счет оптимизации различных параметров.
• Время передачи данных
  Это время, необходимое для передачи данных фигуры перед записью. Это время было улучшено и составляет от 1/3 до 1/5 времени, необходимого для обычных систем.
• Время установления вспомогательного дефлекторного усилителя
  Это время, необходимое от передачи данных до начала записи. По сравнению со временем передачи, это теперь достаточно мало, чтобы его можно было игнорировать.
• Время воздействия луча
  Время облучения луча для одного пятна точечным лучом определяется следующим уравнением.
  
  t: время облучения луча [сек], Q: Стойкость к чувствительности [Кл/см²], p: Шаг выстрела [см], I: Ток луча [А]

Для JBX-8100FS минимальное значение для t составляет 8 нс (125 МГц в виде частоты). По сравнению с обычными системами сканирование возможно более чем в два раза быстрее.

В результате улучшений, описанных выше, возможно сокращение общего времени записи на 30-40% для рисунка с областью записи, покрывающей около 10% всей поверхности подложки.

потребляемая мощность

После покупки системы важным текущим фактором становятся эксплуатационные расходы. В частности, для систем EBL, чтобы получить стабильную работу, необходимо постоянно подавать одну и ту же электрическую мощность, даже когда литография не выполняется. Электрические блоки и силовые части JBX-8100FS имеют компактную конструкцию, что снижает потребление энергии до 3 кВА при нормальной работе. Это позволяет системе работать, потребляя только около 1/3 мощности, требуемой обычными системами.

Резюме

Исследования, разработки и производство полупроводниковых устройств охватывают широкий спектр приложений, а требуемые функции и точность варьируются. JBX-8100FS был разработан как система электронно-лучевой литографии, которую можно использовать с высокой точностью и скоростью в любой области, а также снизить энергопотребление. В планы на будущее входит дальнейшее повышение производительности и улучшение методов обработки субстрата.

Благодарности

Я хотел бы выразить искреннюю признательность всем участникам проекта, которые предоставили советы и помощь в разработке этого продукта.

Рекомендации

• Т. Окада, Дж. Фухимори, М. Аида, М. Фуджимура, Т. Йошизава, М. Кацумура и Т. Иида: «Улучшенное разрешение и моделирование ширины канавки при холодной разработке ZEP520A» Дж. Вак. науч. Технол. B 29 (2011) 021604.