Πολυμερικά υλικά και διεργασίες για μικρολιθογραφία σε λεπτά υμένια

Abstract

Reliable fabrication of patterned micro- nanostructures represents one of the most essential steps that are encountered in a variety of applications in the broader field of Micro- and Nanotechnology. Although a number of novel routes have been proposed for the fabrication of patterned structures, standard resist-based optical lithography continues to be the predominant technology for the fabrication of electronic and optical devices. Indeed the resist technology has been greatly advanced during the last 30 years and allowed the decrease of the electronic device dimensions. Currently, advanced 193 nm resists are available allowing the production of semiconductor devices with dimensions down to 65 nm. For the further advancement of the miniaturization technology one of the predominant proposed technologies for the 45 nm node is Extreme Ultra Violet (EUV) lithography with an exposure wavelength at 13 nm. Nowadays there is great scientific effort in order to propose appropriate material platforms that will make viable the technological advancement to 45 nm node and also to 32 and 22 nm using EUV exposure. The specifications posed for the new EUV resist materials refer firstly, to their absorbance and the appropriate photochemistry required for positive tone solubility change. In addition, the appropriate materials must provide the ability for development in aqueous base (specifically in TMAH 0.26N), which is preferential both for controllable development and for environmental reasons. Etch resistance must be higher than poly-hydroxysterene (PHS), which is used as a standard, while thermal properties of the materials must allow processing at selected temperatures in the range of 70-130 oC. High resolution imaging in the region of sub 45 nm as well as satisfactory structure quality are pursued with the combination of appropriate functional groups that provide the above properties, while resist sensitivity must be kept in the region of 2-15 mJ/cm2. Imaging quality is also associated with film thickness. The aspect ratio (height/width) in the lines must be approximately 3:1 so that the fabricated structures do not collapse due to mechanical tension. Thus, film thickness must be in the range of 80-150 nm. One of the most important parameters that contribute significantly to structure stability is glass transition temperature (Tg) and it is desirable that Tg has a value higher than 50 oC. On the other hand the Tg value greatly affects the kinetics of the reactions that lead to solubility change. Thus, the dependence of the film thickness on Tg needs to be thoroughly investigated in each case a new material or process is proposed. Finally, line edge roughness (LER) and line width roughness (LWR) have a great influence on the quality of the imaged structures and especially of structures with very small dimensions. For this reason, it is expected that molecular dimensions of the resists will have a great influence on the imaging quality of very small structures. In view of the current bibliography, two directions of high resolution lithographic materials design are proposed in the present work. In the context of the international scientific tendency that refers to the necessity of reduced molecular size in the case of EUV materials, the study of materials with small size or and small molecular weight (MW) is attempted. The first direction followed is referred to a new class of polycarbocycle molecules, specifically anthracene derivatives, with molecular diameter in the order of 1.5 nm. These compounds are investigated both as main components of molecular resists and as dissolution inhibitors in homopolymeric matrices. In particular, the first platform is radically different from the conventional copolymer based lithographic materials. Thus, the relatively small organic molecules proposed possess an etch-resistant anthracene core and additional functional groups or polycarbocycles are anchored to this core. Such functionalities include hydrophilic groups (ethers, -OH and/or cholic acid derivatives with free –OH) and tert-butyl ester groups that are sensitive to acid catalyzed solubility change. In this mode, preferable properties are controlled through the specific functional groups that are introduced in the same molecule. ........................

Η αξιόπιστη κατασκευή σχηματοποιημένων μικρο- νανοδομών αντιπροσωπεύει ένα από τα πιο ουσιαστικά βήματα που συναντώνται σε πληθώρα εφαρμογών στην ευρύτερη περιοχή της Μικρο- και Νανοτεχνολογίας. Παρόλο που ένας σημαντικός αριθμός από νέες προσεγγίσεις έχει προταθεί για την κατασκευή σχηματοποιημένων δομών, η κλασσική οπτική λιθογραφία με βάση ακτινοευαίσθητα ανθεκτικά στην εγχάραξη υλικά (photoresists) εξακολουθεί να είναι η επικρατούσα τεχνολογία για κατασκευή ηλεκτρονικών και οπτικών διατάξεων. Πράγματι η τεχνολογία των ανθεκτικών στην εγχάραξη υλικών έχει προχωρήσει σε πολύ μεγάλο βαθμό κατά την διάρκεια των τελευταίων 30 ετών και έχει συμβάλλει αποφασιστικά στη σμίκρυνση των διαστάσεων των ηλεκτρονικών διατάξεων. Την περίοδο αυτή είναι διαθέσιμα υλικά για έκθεση στα 193 nm με βελτιστοποιημένα λιθογραφικά χαρακτηριστικά που επιτρέπουν την παραγωγή ημιαγωγικών διατάξεων με διαστάσεις έως και 65 nm. Για την περαιτέρω σμίκρυνση της τεχνολογίας μία από τις επικρατούσες προτεινόμενες τεχνολογίες για τον κόμβο των 45 nm είναι η λιθογραφία με έκθεση σε ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία άπω υπεριώδους (Extreme Ultra Violet, EUV) με μήκος κύματος 13 nm. Για το σκοπό αυτό βρίσκεται σε εξέλιξη σήμερα σημαντική ερευνητική προσπάθεια διεθνώς, ώστε να προταθούν κατάλληλες κατηγορίες υλικών που θα καταστήσουν εφαρμόσιμη τη μετάβαση σε τεχνολογία 45 nm αλλά και συνέχεια σε 32 nm και 22 nm με τη χρήση της ακτινοβολίας EUV. Οι προδιαγραφές που τίθενται για τα νέα αυτά υλικά αναφέρονται καταρχήν στην απορρόφηση και στην κατάλληλη φωτοχημεία για αλλαγή διαλυτότητας θετικού τόνου. Επιπλέον, τα προτιμώμενα υλικά πρέπει να δίνουν τη δυνατότητα εμφάνισης σε υδατική βάση και συγκεκριμένα σε TMAH 0.26Ν, η οποία προτιμάται τόσο για τον έλεγχο της εμφάνισης όσο και για περιβαλλοντικούς λόγους. Η αντίσταση στην εγχάραξη πρέπει να είναι μεγαλύτερη από του πολυ-υδροξυστυρενίου (PHS), το οποίο χρησιμοποιείται ως μέτρο σύγκρισης, και οι θερμικές ιδιότητες των υλικών είναι αναγκαίο να επιτρέπουν την εφαρμογή των θερμικών διεργασιών σε επιλεγμένες θερμοκρασίες στο εύρος των 70-130 oC. Η υψηλή διακριτική ικανότητα, με δημιουργία δομών καταρχήν στην περιοχή των 45 nm, καθώς και η ικανοποιητική ποιότητα αυτών επιδιώκονται με το συνδυασμό κατάλληλων λειτουργικών ομάδων που θα παρέχουν τις παραπάνω ιδιότητες, ενώ παράλληλα η ευαισθησία θα διατηρείται στο εύρος 2-15 mJ/cm2. Η ποιότητα των δομών απεικόνισης συνδέεται επίσης άμεσα με το πάχος των υμενίων. Ο λόγος ύψος/πλάτος γραμμής (aspect ratio) πρέπει να είναι περίπου 3:1 ώστε να μην καταρρέουν οι δομές λόγω μηχανικών τάσεων. Για το λόγο αυτό το πάχος των υμενίων πρέπει να είναι στο εύρος των 80-150 nm. Η θερμοκρασία υαλώδους μετάπτωσης των υλικών (Tg), η οποία είναι επιθυμητό είναι να έχει τιμή μεγαλύτερη από 50 oC, είναι από τους σημαντικότερους παράγοντες που συμβάλλουν στη σταθερότητα των δομών. Επιπλέον, η Tg επηρεάζει σημαντικά την κινητική των αντιδράσεων που οδηγούν στην αλλαγή διαλυτότητας. Έτσι κάθε φορά που προτείνεται ένα νέο υλικό ή μία διεργασία πρέπει να εξετάζεται εκτενώς η επίδραση του πάχους των υμενίων στην Tg. Τέλος σημαντική επίδραση στην ποιότητα των δομών απεικόνισης, και ειδικότερα των δομών πολύ μικρών διαστάσεων, διαδραματίζει η πλευρική τραχύτητα (Line Edge Roughness, LER) και η διακύμανση των γραμμών (Line Width Roughness, LWR). Για το λόγο αυτό αναμένεται ότι οι μοριακές διαστάσεις των υλικών θα έχουν ισχυρή επίδραση στην ποιότητα απεικόνισης πολύ μικρών δομών. Λαμβάνοντας υπόψη την υπάρχουσα βιβλιογραφία προτείνονται δύο κατευθύνσεις στο σχεδιασμό νέων λιθογραφικών υλικών υψηλής διακριτικής ικανότητας. Δεδομένης δε της διεθνούς ερευνητικής τάσης για μείωση του μοριακού μεγέθους των υλικών EUV λιθογραφίας, επιχειρείται η διερεύνηση υλικών μικρού μεγέθους ή και μικρού μοριακού βάρους (ΜΒ). ......................