Lithographie : techniques, résolution

Nanophotonique des structures périodiques :
Techniques et méthodes de fabrication
1 - Les matériaux diélectriques, Élaboration,Structuration
2 - Lithographie : techniques, résolution
3 - Gravure sèche
4 - La non perfection de la fabrication, son impact sur les
performances des dispositifs
Octobre 2012
Laboratoire de
Photonique et de
Nanostructures
1
2 - Lithographie : techniques, résolution
2D : définir un motif dans un plan
Diminuer la résolution en lithographie optique : techniques de la micro-électronique
• Utiliser la division du faisceau : masque de phase, stepper
• Utiliser la λ: deep UV, extreme UV
• Développer les performances des résines : Chemically Amplified Resists CAR
Diminuer la longueur d’onde : utiliser les électrons
• un seul faisceau d’électrons
Diminuer la longueur d’onde : utiliser les ions
Augmenter le throughput
• Machine e-beam multi-faisceaux
Baisser le prix, patterner des substrats souples: • NanoImprint Lithography NIL
Lithographie optique in-situ : positionnement déterministe d’un motif sur un émetteur de lumière
3D : définir un motif dans un plan et aussi verticalement
• Insolation successives de plusieurs motifs 2D
• Lithographie 3D par effets non-linéaires dans la résine
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Les étapes
Structuration d’une surface
•Préparation du substrat
•Enduction d’une résine
•Définition de motifs: lithographie
•Développement
•Gravure
•Retrait du masque
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Lithographie
substrat
Enduction avec
une couche d’une
résine sensible
Exposition
Développement
>0
<0
Dépôt d’une couche métallique
L’élément photosensible de la
résine est une chaîne carbonée
Lift
Retrait de la résine au solvant
4
Les techniques de lithographie
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Masking methods
contact
proximity
projection
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Influence of Substrate Reflections
Interference between incident and
reflected photon beams can lead to a
standing wave pattern in the resist.
Reflections can also occur at buried
interfaces, thus leading to a
dependence of linewidth on buried
layer thicknesses.
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Improved resolution: Phase Shifting Masks
seuil
��Minimizes diffraction effects but complicates mask making
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Fraction de la résine restante
Fraction de la résine restante
La résine a un seuil
µC/cm
Énergie reçue mW/cm2,
ou µC/cm2
2
µC/cm2 mW/cm2, ou µC/cm2
Énergie reçue
Résine négative
Résine positive
La région non-insolée est
dissoute
La région insolée est
dissoute
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Large exposed area : Stepper
Very-large-scale integration (VLSI) lithography uses projection systems.
Unlike contact or proximity masks, which cover an entire wafer, projection
masks (known as "reticles") show only one die or an array of die (known as a
"field"). Projection exposure systems (steppers or scanners) project the mask
onto the wafer many times to create the complete pattern
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Stepper
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Lithographie optique
Améliorer la résolution: diminuer la longueur d’onde
 Source Hg Raie 365nm, résolution limitée à ~ 0.5µm
 Deep UV : Excimer lasers operating in the Deep Ultra-Violet (DUV) regime
(KrF lasers emitting at 248nm résolution limitée à ~ 250nm
 Actuellement, on étudie des sources Xe , λ=196nm MAIS, il faut que toute
l’optique suive…CaF2
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The advantage of reducing the exposure wavelength:
improved resolution
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Deep Ultra-Violet Lithography
Deep UV :
XeF
Excimer Laser Sources:
λ = 351 nm
XeCl λ = 308 nm
KrF
λ = 248 nm
ArF
λ = 193 nm
Fused silica / quartz optics
In the range 193-266nm, CaF optics : difficult to grind and
polish due to hygroscopic (water-absorbing) properties
Wavelength, nm
1000
100
1000
100
resolution, nm
10
14
Extreme Ultra-violet – EUV – Lithography
Developed at Sandia National Laboratory in 1996
• EUV source based on a plasma created when a laser is focused on a beam of
Xe gas clusters expanding at supersonic speeds
• λ ~ 10 nm
NOTE: At short λ, λ = 13 nm , optical materials are highly absorptive 
Reflective optics e.g., Bragg reflectors: reflector consists of 40 layer pairs of Mo
and Si with 7 nm periodicity per layer pair
Etudié depuis une dizaine d’années, mais toujours des difficultés : puissance
limitée de la source, planéité-rugosité des miroirs
2012 sera the « make-or-break year » de l’EUV lithography
15
16
Example of resist patterned with EUV lithography
17
Lithographie optique : Rendement
18
Lithographie optique : Résolution
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Multiple patterning
Enhance the feature density.
The simplest case of multiple patterning is double patterning, where a
conventional lithography process is enhanced to produce double the expected
number of features.
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Pourquoi s’attacher à la litho optique?
Le throughput de la litho optique versus la litho elec
• e-beam writing
Écriture parallèle
Écriture série
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Chemically Amplified Resists CAR
To produce the smallest possible circuitry, today's most advanced lithographic
exposure systems are designed to use light of very short wavelength - deepultraviolet light at a wavelength below 200 nm, or soft x-rays in the region of ~ 13
nm. These exotic light sources are relatively weak, so the photoresist must be
designed to utilize this light as efficiently as possible.
22
Chemically Amplified Resists Mechanism
http://researcher.watson.ibm.com/researcher/view_project_subpage.php?id=3662
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Optimized chemistry
http://www.sematech.org/meetings/archives/litho/7870/proceedings/oral/D1/1RE05%20Yukawa.pdf
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Lithographie
électronique
La longueur d’onde associée aux électrons dépend de l’énergie à laquelle ils sont accélérés
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Accélérés à 50kV, λ= 0.0248nm
accélérés à 100kV, λ= 0.0124nm
Lithographie électronique : stratégie d’écriture
Le faisceau
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Lithographie électronique : la colonne
Faisceau gaussien
(gaussian beam)
la sonde est l’image
de la source
Beam limiting
aperture
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Lithographie électronique: la colonne
Faisceau formé
(shaped beam)
Shaping aperture
la sonde est l’image
du diaphragme
Zoom optics
Deflector
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Lithographie électronique : stratégie d’écriture
Le balayage
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Lithographie électronique
Le balayage gaussien
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Lithographie électronique
Le balayage formé
Déplacement continu
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Lithographie électronique
Le canon
Source
Lens
Anode
Thermoionic
Taille de la
source
d’électrons
10 µm
Field effect
1-10 nm
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Lithographie électronique
• écriture e-beam
• enduction 300nm
• développement du PMMA
PMMA
SiO 2
Substrate
PMMA
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Rendement des méthodes d’écriture
Comparaison pour un motif donné
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Helium Ion Microscope
P.Alkemade, Microscopy and Analysis, Nov 2012
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Nanofabrication with a Helium Ion Microscope
Response of hydrogen silsesquioxane
(HSQ) under helium ion and electron
exposure.
HSQ
SEM images of arrays of dots written in a 5 nm
thick HSQ layer using SHIBL at pitches c) 14 nm
D.Maas et al., Delft
P.Alkemade, Microscopy and Analysis, Nov 2012
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Augmenter le throughput: machine multi-faisceaux eWith a single e-beam, the productivity is hours per wafer
Should be reduced to 1 wafer per hour to be compatible in production lines
 Massively Parallel Electron Beam Platform : 100 à 1000 faisceaux
50keV
IMS-NANO (Vienna)
▪ e-beam spot 16nm
▪ Individual control
of each beam
http://www.magic-fp7.org/
MAGIC “MAskless lithoGraphy for IC manufacturing,”
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Baisser le prix, patterner des substrats souples
Nanoimprint Lithography NIL
Mécanisme: Déplacement de matériau
LA NANO-IMPRESSION ASSISTEE PAR UV
Nano-impression assistée par UV:
- température ambiante
- faible pression
D.Decanini, A.M.Haghiri-Gosnet, LPN
Laboratoire de
Photonique et de
Nanostructures
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LA NANO-IMPRESSION DOUCE ASSISTEE PAR UV
Moule souple en PDMS
PDMS
Moule en Si
Après recuit
-moule mère en silicium fabriqué par lithographie électronique
PDMS (polydimethylsiloxane) :
- transparent aux UV
- faible module d’Young (adaptation du moule à la surface de l’échantillon)
- grand nombre de moule en PDMS à partir du moule mère
- facilité du démoulage après impression
Laboratoire de
Photonique et de
Nanostructures
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MOULE MERE REALISE AVEC LE PROCEDE HSQ
Réseau 15nm / 45 nm
Réseau 10nm / 40 nm
A.Cattoni, LPN
Laboratoire de
Photonique et de
Nanostructures
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TRANSFERT DANS LA RESINE AMONIL
Moule fabriqué avec le procédé HSQ
Impression dans la résine Amonil
réseau de plots de 30nm /120nm
Réseau de plots de 20nm / 60nm
A.Cattoni, LPN
Laboratoire de
Photonique et de
Nanostructures
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Nanoimprint proximity effect
Array of depressions is more
quickly filled at the edge than the
center, resulting in less imprinting
at the center of the array.
The wide space between two
groups of protrusions tends to be
filled slower than the narrow spaces
between the protrusions, resulting
in the formation of holes in the
unpatterned area.
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2D : Lithographie optique in-situ
Including an emitter in an optical cavity
Spontaneous emission modification
Atom in an
optical cavity
Enhancement of light- matter
interaction
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Micro-pillar : very small optical cavity
Scanning Electron Microscope picture
750nm
Transmission
Electron
Microscope
picture
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Single-mode cavity
A single defect in a PhC GaAs membrane
S.Laurent et al., Appl. Phys.
Lett., 87, 163107 (2005)
Required
-spatial matching
-spectral matching
Optical mode
BQ
Quantum box
1µm
1µm
1µm
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Optical lithography aligned on a nano-emitter
Sketch of the in-situ lithography technique.
Laser
600-750 nm
Localisation par
analyse de
l’émission
Laser 532
nm
objectif
Résine photosensible
Température
4 - 300 K
Lithographie in situ des piliers
Micropiliers
contenant chacun
une boîte
quantique InAs
résonante en son
centre, réalisés
par lithographie
optique in-situ
Émetteurs uniques
A. Dousse, et al. Nature 466, 217 (2010)
P.Senellart, LPN
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Augmenter la densité:
Insolation successives de plusieurs « couches » 2D: N*2D
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Chemical Mechanical Polishing
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Lithographie 3D : principe de l’écriture
Principle:
Ultra short laser pulses are tightly focused into a photosensitive medium at 780 nm
wavelength. At this wavelength the exposed material is completely transparent.
However, if the intensity of the laser beam exceeds a certain threshold, a nonlinear
two-photon absorption process takes place. This happens only in the very focal
volume of the laser beam. Thus, the material is only chemically and/or physically
modified within this small focal volume, which can be much smaller than the
wavelength of light used for the illumination
Taille caractéristique minimale: 150nm
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Lithographie 3D : réalisations
Nanoscribe
10 µm
Taille caractéristique minimale: 150nm
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Lithographie 3D: pourquoi? Fabrication de métamatériaux
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Elastic fully three-dimensional microstructure scaffolds for cell
force measurements
F.Klein et al., Universität Karlsruhe
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