Πολυμερικά υλικά και διεργασίες για μικρολιθογραφία σε λεπτά υμένια
Authors: Νιάκουλα Δήμητρα 
Published: January 2014

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). ......................