Modelling nanomechanical effects in advanced lithographic materials and processes
Modellierung nanomechanischer Effekte in neuen lithografischen Materialien und Prozessen
Creators: name: D'Silva, Sean
Publisher: name: Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU)
Year: 2023
Subjects: Photoresist
computational lithography
modelling
simulation
finite element modelling
EUV lithography

description: Optical projection lithography involves the transfer of a photomask pattern onto a polymer material known as a photoresist. The diffracted light from the exposed photomask is projected onto the photoresist to produce the desired pattern. Depending on the application, a positive-tone development (PTD) or negative-tone development (NTD) process is employed, where either the exposed or unexposed regions are washed away respectively. It is very important to investigate the various chemical, optical, and mechanical effects taking place within the photoresist polymer, since lithography is very much dependent on the interaction between these effects. The use of chemically amplified resists (CARs) has been instrumental in the reduction of printed feature sizes seen over the past few decades. These resists with their superior resolution have enabled high volume production and continue to be a cost-effective option despite the challenges involved. They are, however, prone to shrinkage and deformation in the exposed areas leading to inaccuracies in the critical dimensions (CDs). This makes the accurate pattern transfer from the photomask to the silicon wafer difficult and is especially problematic in the negative-tone development (NTD) process where the exposed regions are left behind. Moreover, resist defects in modern extreme ultraviolet lithography (EUVL) are random events that do not scale down with the feature size and in turn cause catastrophic failures such as pattern collapse and feature distortions during manufacturing. All these undesirable effects observed during photoresist processing make modelling and simulation imperative to better understand and help mitigate/correct them. The main goal of this thesis is to individually model and simulate each of the effects contributing to the overall deformation of the resist mainly during the exposure, post expose bake (PEB), chemical development and resist rinsing. The physical models developed in this thesis serve as a baseline for optimizing and improving the current generation of lithography simulators. Also, they show the impact of varying the various physical parameters including the thermal and material properties of the resist on the overall deformation of the resist pattern. A finite element method (FEM) based model is developed to help simulate the shrinkage and volume losses seen in negative-tone development (NTD) resists. This new model uses a relational principle where a photocleavable polymer group concentration is directly related with the thermal expansion coefficient during the PEB step. The most significant shrinkage occurs during this step and the critical dimension (CD), height and volume of the final photoresist profile are greatly impacted. The proposed model helped simulate the shrinkage phenomenon effectively in numerous use cases and was validated using experimental data. The deformation during the post exposure bake (PEB) also leaves a certain amount of stress and strain within the resist bulk which contributes to further deformation during and after the development step. This effect is neglected in current lithographic simulators which can make accurate pattern prediction difficult. A modified development rate model is introduced in this thesis that captures the influence of volumetric strain on the overall development rate, which helped simulate and validate the interaction of mechanical and optical proximity effects observed in experimental data. After development, there is a change in boundary conditions resulting in a free-standing feature. This free-standing feature, depending on its dimensions, shape and feature density can begin to relax due to a gradual decrease in the residual stresses. A rigorous modelling procedure was developed to help predict the extent of sidewall angle and CD variations occurring. After the chemical development, a rinsing of the resist surface is carried out to get rid of the residual developer left behind. Uneven drying of the rinse liquid due to the pattern shape can cause an imbalance in the capillary forces and eventually lead to collapse. This effect is simulated and the influence of dose and focus variations on pattern stability is studied. The presence of an underlayer in EUVL can make the pattern unstable and cause resist debonding or delamination due to the lack of adhesion between the resist and underlayer. This thesis presents a modelling procedure to simulate the resist debonding effect effectively and explains the importance of contact stress on pattern stability. Localized regions of higher aspect ratios and higher feature densities arising due to line width roughness (LWR) can make the modelling of collapse and feature bending much more challenging. To alleviate this issue, a new machine learning based approach was implemented to predict collapse probabilities for resists with varying degrees of roughness emanating due to stochastics. The stability of simulated rough patterns in EUVL was not investigated in past literature. The approaches introduced in this thesis can be well integrated into lithographicsimulators to get a complete understanding of pattern stability.
description: In der optischen Projektionslithografie wird eine Struktur auf einer Maske auf ein Polymermaterial, den sogenannten Fotolack, übertragen. Hierzu wird das an der Maske gebeugte Licht auf den Fotolack abgebildet, um das gewünschte Muster zu erzeugen. Je nach Anwendung wird ein Positivlack-Entwicklungsprozess (positive-tone development PTD) oder ein Negativlack-Entwicklungsprozess (negative-tone development NTD) verwendet, bei dem entweder die belichteten oder die unbelichteten Bereiche entfernt werden. Es ist von grundlegender Wichtigkeit, die verschiedenen chemischen, optischen und mechanischen Effekte im Fotolack-Polymer zu untersuchen und zu verstehen, da die Lithografie sehr stark von der Wechselwirkung zwischen diesen Effekten abhängt. Die Verwendung von chemisch verstärkten Fotolacken (chemically amplified resists CARs) hat in den letzten Jahrzehnten maßgeblich zur Verringerung der Größe der erzeugten Strukturen beigetragen. Diese Lacke mit ihrem überlegenen Auflösungsvermögen haben die Massenproduktion ermöglicht und stellen trotz vieler Herausforderungen nach wie vor eine kostengünstige Option dar. Sie sind jedoch anfällig für Verformungen sowie ein Schrumpfen in den belichteten Bereichen, was zu Ungenauigkeiten bei den kritischen Strukturabmessungen (critical dimension CD) führt. Dies erschwert die exakte Übertragung der Strukturen von der Fotomaske auf den Siliziumwafer und ist besonders problematisch bei einem Negativlack- Entwicklungsprozess (NTD), bei welchem die belichteten Bereiche erhalten bleiben. Darüber hinaus sind Fotolack-Defekte in der modernen Extrem-Ultraviolett-Lithografie (EUVL) zufällig auftretende Ereignisse, die nicht mit den Strukturgrößen skalieren und zu extremen Fehlern führen, wie z. B. dem Zusammenbruch oder Verformungen einer Struktur während der Herstellung. All diese unerwünschten Effekte, die während der Fotolack-Prozessierung beobachtet werden, erfordern Modellierungs- und Simulationsansätze, um die Effekte besser zu verstehen und zu ihrer Abschwächung und Korrektur beitragen zu können. Ziel dieser Arbeit ist es, die Effekte, die zur Gesamtverformung des Fotolackes während der Belichtung, des Post-Exposure-Bake-Prozesses (PEB), der chemischen Entwicklung und der Lackspülung beitragen, separat zu modellieren und zu simulieren. Die in dieser Arbeit entwickelten physikalischen Modelle dienen als Grundlage zur Optimierung und Verbesserung aktueller Lithographiesimulatoren. Sie zeigen die Auswirkungen der Variation verschiedener physikalischer Parameter, einschließlich der thermischen und Materialeigenschaften des Fotolackes, auf die Gesamtverformung der Fotolackstrukturen. Ein auf der Finite-Elemente-Methode (FEM) basierendes Modell wurde entwickelt, um die Schrumpfung und die Volumenverluste zu simulieren, die bei einem Negativlack-Entwicklungsprozess (NTD) auftreten. Dieses neue Modell beruht auf einem relationalen Prinzip, bei dem die Konzentration der fotospaltbaren Polymergruppen direkt mit dem Wärmeausdehnungskoeffizienten während des PEBSchrittes in Beziehung steht. Die größte Schrumpfung tritt während dieses Schritts auf, und die CDs, die Höhe und das Volumen des endgültigen Fotolackprofils werden stark beeinflusst. Das neue Modell wurde mittels experimenteller Daten validiert und bei der Simulation von Schrumpfungsphänomenen in zahlreichen Anwendungsfällen effektiv eingesetzt. Die Verformung während des Post-Exposure-Bake-Prozesses (PEB) erzeugt gewisse Spannungen und Dehnungen im Fotolackvolumen, was zu einer weiteren Verformung während und nach dem Entwicklungsschritt führt. Dieser Effekt wird in den aktuellen Lithographiesimulatoren vernachlässigt, was eine genaue Vorhersage der Struktur schwierig machen kann. In dieser Arbeit wird ein modifiziertes Entwicklungsratenmodell eingeführt, das den Einfluss der volumetrischen Dehnung auf die Gesamtentwicklungsrate erfasst und dazu beiträgt, das in den experimentellen Daten beobachtete Zusammenspiel zwischen mechanischen und optischen Naheffekten zu simulieren und zu validieren. Nach der Entwicklung kommt es zu einer Änderung der Randbedingungen, mit dem Resultat einer freistehenden Struktur. Diese freistehende Struktur kann sich je nach Größe, Form und Strukturdichte allmählichen entspannen. Es wurde ein rigoroses Modellierungsverfahren entwickelt, um das Ausmaß der dabei auftretenden Seitenwandwinkel- und CD Schwankungen vorhersagen zu können. Nach der chemischen Entwicklung wird die Fotolackoberfläche gespült, um die zurückgebliebenen Entwicklerreste zu entfernen. Eine ungleichmäßige Trocknung der Spülflüssigkeit aufgrund der Form der Struktur kann zu einem Ungleichgewicht der Kapillarkräfte und schließlich zum Strukturkollaps führen. Dieser Effekt wird simuliert und der Einfluss von Dosis- und Fokusvariationen auf die Strukturstabilität untersucht. Das Vorhandensein einer zusätzlichen Schicht unter dem Fotolack in der EUV-Lithographie kann die Struktur instabil machen und aufgrund mangelnder Haftung zwischen Fotolack und dieser Schicht zur Ablösung des Fotolackes führen. In dieser Arbeit wird ein Modellierungsverfahren vorgestellt, mit dem der Effekt der Fotolack-Ablösung effektiv simuliert und die Bedeutung der Kontaktspannung für die Strukturstabilität gezeigt werden kann. Lokale Bereiche mit höherem Aspektverhältnis und höherer Strukturdichte, die durch rauheitsbedingt Schwankungen der Linienbreite (line width roughness LWR) entstehen, können die Modellierung von Strukturkollaps und Strukturverbiegungen erheblich erschweren. Um dieses Problem zu lösen, wurde ein neuer auf maschinellem Lernen basierender Ansatz zur Vorhersage von Kollapswahrscheinlichkeiten für Fotolacke mit unterschiedlichen stochastischen Rauheitsgraden eingeführt. Die Stabilität von simulierten Strukturen mit Rauigkeit in der EUV-Lithographie wurde in der Literatur bisher nicht untersucht. Die in dieser Arbeit vorgestellten Ansätze können gut in Lithographiesimulatoren integriert werden, um ein umfassendes Verständnis der Strukturstabilität zu erhalten. vii