Литография — самый важный этап в производстве чипов. На этом шаге формируются микроскопические структуры будущих транзисторов, и любая ошибка стоит дорого. Команда исследователей из Пекина, Цинхуа и Гонконга выяснила, почему даже на хорошо отлаженных DUV-линиях остаются дефекты. Вместо долгих экспериментов с параметрами они решили изучить сам процесс проявления под микроскопом, чтобы увидеть, что происходит с фоторезистом. Для этого применили криоэлектронную томографию, она обычно используется в биологии.
Оказалось, что проблема в поведении полимеров фоторезиста после экспозиции. При стандартной температуре отжига (95 °C) часть молекул слипается и оседает обратно на пластину. Если повысить до 105 °C, полимерные цепочки становятся подвижнее и перестают образовывать плотные скопления. Эти структуры распадаются, и проявитель полностью удаляет лишний материал. В результате количество дефектов на пластине снижается примерно на 99%. Но при переходе к EUV-литографии тот же прием разрушает процесс. Дальнейший нагрев усиливает диффузию кислоты внутри фоторезиста, зона реакции расширяется, и границы получаемых элементов теряют точность. В статье разберем, почему повышение температуры работает в DUV и приводит к сбою в EUV и как это открытие может изменить подход к литографии в целом.
Откуда берется мусор в DUV: полимеры не растворяются как надо
Фоторезист — тонкий слой светочувствительного полимера, нанесенный на кремниевую пластину. Теоретически обработка происходит вот так: свет идет через фотошаблон и изменяет структуру резиста в нужных участках. Затем проявитель удаляет незащищенные области, формируя рельеф, по которому дальше травятся элементы схемы. На практике все сложнее: после экспонирования полимерные цепочки в химически усиленном резисте частично слипаются и образуют микроскопические скопления, которые снова оседают на поверхность. Эти включения размером 30–40 нанометров нарушают структуру проводящих дорожек и снижают выход годных кристаллов.
Проблема в поведении полимерных цепочек. После экспозиции они активируются, но в щелочном проявителе (обычно это водный раствор тетраметиламмоний гидроксида) молекулы начинают взаимодействовать через водородные связи и силы Ван-дер-Ваальса. Образуются сети, которые плохо распадаются. В DUV с длиной волны 193 нм фотонов много, энергия умеренная, и такие скопления еще можно терпеть. Однако при уменьшении размеров элементов даже мелкие агрегаты фоторезиста вызывают критические дефекты.
Обычный постэкспозиционный отжиг при 95 °C лишь частично решает проблему: полимерные цепочки становятся подвижнее, но остаются вязкими — и часть материала при проявлении снова оседает на пластину. Когда исследователи повысили температуру до 105 °C, диффузия полимеров резко возросла. Межмолекулярные связи начали разрушаться, и проявитель полностью удалил ослабленные участки. Количество дефектов снизилось с тысяч до единиц на квадратный сантиметр — всего за счет повышения температуры на десять градусов.
Важную роль играет и поведение жидкости при проявлении. На границе раздела «жидкость — воздух» полимерные остатки частично прилипают и образуют тонкие пленки, которые затем фрагментируются и снова оседают на пластину. Наблюдать этот процесс напрямую раньше было невозможно: традиционные микроскопы требуют вакуума и сушки, что искажает структуру резиста. Теперь, понимая эти механизмы, можно точно определять, когда повышение температуры действительно улучшает качество или приводит к повреждению слоя. На 12-дюймовых пластинах в иммерсионных DUV-установках этот подход снизил число дефектов более чем на 99%, что напрямую повысило выход годных кристаллов.
Криоэлектронная томография
Чтобы поймать полимеры в их естественной среде, ученые взяли метод из биологии — криоэлектронную томографию. Образец мгновенно замораживают в этане при минус 175 °C. Вода не превращается в кристаллы, молекулы остаются в жидком состоянии — как будто время остановилось. Потом электронный микроскоп снимает объект с разных позиций, а ПК собирает трехмерную модель с разрешением ниже 5 нм. Это как компьютерная томография, но для нанохимии: каждый изгиб полимерной цепи виден отчетливо.
Команда под руководством Пэна Хайлина из Пекина применила метод ко всему циклу литографии — от облучения до финальной промывки. При 95 °C они увидели плотные скопления полимеров на границах растворяющихся зон. Артефакты отрывались и перемещались, оседая в 20–30% случаев. При 105 °C все изменилось: клубки распускались, связи рвались, проявитель уносил материал без остатка. Трехмерные реконструкции показали, что верхний слой пленки очищается на 80%, а нижний, у самой пластины, — на все 99. Моделирование подтвердило, что разница всего в десять градусов резко ускоряет диффузию, — это хорошо описывается законом Фика для движения полимеров.
Метод не требует перестройки производственных процессов — достаточно криогенного модуля, который уже используется во многих лабораториях. В биологии криоэлектронная томография помогает наблюдать, как вирусы проникают в клетки, а здесь она позволила впервые увидеть поведение фоторезиста в реальных условиях. Ученые протестировали резисты на основе полиметакрилата и показали, что даже при многократных проходах в иммерсионной DUV-литографии дефекты практически исчезают. Но самое интересное — Cryo-ET выявила ключевое отличие между DUV и EUV: при длине волны 13,5 нм те же полимеры начинают вести себя иначе и нагрев, который помогал раньше, теперь только вредит.
Почему EUV не любит тепло: случайность и жесткий тепловой режим
В экстремальном ультрафиолете все работает иначе. При одинаковом количестве подведенной энергии фотонов EUV в тысячи раз меньше, чем у DUV. Это усиливает случайные отклонения: один лишний фотон — и край линии сдвигается на нанометр. Резисты для EUV тоньше, чувствительнее, рассчитаны на точную активацию в отдельных точках. Нагрев до 105 °C, который помог в DUV, здесь вызывает хаос: цепочки не просто распутываются, а начинают двигаться бесконтрольно, расширяя зону реакции и увеличивая неровности краев линий.
Поглощение света при EUV-литографии почти полное, поэтому тепловой режим процесса крайне чувствителен. Фотошаблон, представляющий собой многослойную структуру из молибдена и кремния, легко деформируется при избыточном нагреве. Если дополнительно повысить температуру отжига, слои начинают смещаться, растет случайный шум, а края формируемых элементов становятся неровными. Криоэлектронная томография показала, что в аналогичных условиях полимеры фоторезиста при 95 °C уже проявляют избыточную подвижность, а при 105 °C полностью теряют форму. Метод, который эффективно устраняет дефекты в DUV, в EUV разрушает точность формирования структуры и становится непригодным для техпроцессов ниже 3 нм без пересмотра химического состава резиста.
Разница принципиальная. DUV-процессы основаны на объемных эффектах и иммерсионной оптике, тогда как EUV требует предельной точности и работает с очень малыми дозами излучения. Любое отклонение температуры здесь усиливается и напрямую влияет на форму линий. Гибридные эксперименты показали снижение точности примерно на 15% даже при небольшом повышении. Для EUV требуются другие подходы — например, отжиг при пониженных температурах или в вакууме. Это ученые планируют изучить в ближайшем будущем.
Что это дает индустрии: плюс — для Китая, урок — для всех
Эта работа показала, что даже без сложных изменений в оборудовании можно добиться огромного эффекта. Достаточно скорректировать температуру постэкспозиционного отжига — и количество дефектов в DUV снижается почти на 99%. На 12-дюймовых пластинах это значит меньше брака и больше годных кристаллов без затрат на новую технику. Такой подход особенно полезен при выпуске памяти и силовых микросхем, где DUV до сих пор остается основной технологией.
Для индустрии это просто напоминание: даже самые продвинутые системы не избавлены от дефектов. В EUV по-прежнему встречаются случайные отклонения и неровные края элементов. Криоэлектронная томография может помочь лучше понять эти процессы, если адаптировать ее под вакуумные условия и низкие температуры. Такой подход позволит быстрее проверять гипотезы и моделировать поведение фоторезистов на основе реальных трехмерных данных.
Для Китая ситуация неоднозначная. Пока внимание сосредоточено на DUV, развитие EUV-технологий может идти медленнее. Инвестиции в источники EUV-излучения не дадут нужного эффекта без новых, более устойчивых фоторезистов. Это исследование показывает: небольшие изменения помогают улучшить нынешние процессы, но для следующего шага понадобятся совсем другие подходы — например, нанопечатная или многолучевая литография.