Die genaue Kenntnis der Brechzahlnund des Absorptionskoeffizientenkaller in der Fotolithografie verwendeten Materialien ist von großem Interesse bei der Optimierung von Prozessen und Fertigungstechnologien in der Mikroelektronik.
Da bei der Herstellung integrierter Schaltungen die Miniaturisierung eine immer größere Rolle spielt, ist die Reproduzierbarkeit und Stabilität kleinster Strukturen ein wichtiger Parameter in der Lithografie. Dies gilt insbesondere für die modernen (Sub-) 130nm-Technologien, bei denen Strukturen erzeugt werden, die um Vielfache kleiner als die Wellenlänge des zur Belichtung verwendeten Laserlichts sind. Vor allem die optischen Eigenschaften des dabei eingesetzten Fotolacks und einer eventuell vorhandenen Antireflektionsbeschichtung beeinflussen die bei einer Belichtung des Wafers entstehenden Strukturen stark. Daher ist es sowohl für die gesamte Prozessführung und Technologieentwicklung als auch zur Optimierung der Lithografieprozesse von großem Interesse, die optischen Eigenschaften der verwendeten Fotolacke bei der eingesetzten Belichtungswellenlänge mit hoher Präzision bestimmen zu können. Aus diesen Ergebnissen lassen sich dann unter anderem die für den jeweiligen Prozess optimalen Dicken der verwendeten Schichtmaterialien bestimmen. Zur Bestimmung der optischen Konstanten von Fotolacken und Antireflektionsbeschichtungen existieren unterschiedliche Verfahren. Absolutmessungen vonnundksind mit hochgenauen Ellipsometern und Reflektometern möglich, erfordern jedoch einen hohen messtechnischen Aufwand und können im allgemeinen nicht mit Inline-Messgeräten realisiert werden, wie sie im Reinraum der IHP GmbH zur Prozesskontrolle verwendet werden. Diese Geräte erreichen nicht die für Absolutmessungen nötige Genauigkeit. Eine andere Methode basiert auf der Anwendung von Dispersionsmodellen. Da jedoch sowohl Fotolacke als auch organische Antireflektionsbeschichtungen im Spektralbereich um 248.4nm relativ steile Molekülbanden im Dispersionsverlauf aufweisen, ist die Anwendung dieser Modelle nicht zur Bestimmung vonnundkgeeignet. Daher wird in dieser Arbeit auf die Nutzung von Swingkurven zurückgegriffen, durch deren Auswertung eine genaue Bestimmung der optischen Konstanten möglich ist.
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung
2 Zielstellung
3 Verfahren zur Bestimmung optischer Konstanten mittels Swingkurven
3.1 Theoretische Grundlagen der Dünnschichtoptik
3.1.1 Dünnschichtinterferenz
3.2 Swingkurven in der Fotolithografie zur Optimierung von Schichtdicken
3.3 Einsatz von Antireflektionsbeschichtungen in der Fotolithografie
3.4 Nutzung von Swingkurven zur Berechnung optischer Konstanten
3.4.1 Verfahren zur Bestimmung von n und k
3.4.2 Swingfit und Ermittlung der Werte für n und k
4 Berechnung von Multischichtsystemen mit Hilfe der Matrixmethode
4.1 Grundlagen
4.1.1 Rechenmethoden der Dünnschichtoptik zur Bestimmung des Reflektionsgrades
4.1.2 Grundlegende Definitionen zur Anwendung der Matrixmethode
4.2 Herleitung der Matrix für elektromagnetische Wellen
4.2.1 Wellengleichungen
4.2.2 Aufbau eines Schichtsystems
4.2.3 Fresnelsche Koeffizienten für nichtabsorbierende Medien
4.2.4 Einfluss der Polarisation
4.2.5 Anwendung der Grenzbedingung
4.2.6 Aufstellung der Matrix
4.2.7 Anpassung für absorbierende Medien
4.2.8 Berechnung der Matrizenelemente
4.3 Berechnungsalgorithmus der Matrixmethode
4.4 Entwicklung der Winkelabhängigkeit
4.4.1 Winkelabhängige Fresnelkoeffizienten
4.4.2 Winkelabhängige Phasenverschiebung
4.4.3 Aufstellung der endgültigen Matrix
5 Entwicklung der Software zur Berechnung von Multischichtsystemen
5.1 Übersicht der einzelnen Programmmodule
5.1.1 Modul zur Berechnung der Swingkurve
5.1.2 Modul für Ellipsometerberechnungen
5.1.3 Modul zur Berechnung des Swingfits
5.1.4 Modul für Beugungsberechnungen
5.2 Aufgabenstellung zur Weiterentwicklung der Software
5.3 Weiterentwicklungen an der Software
5.3.1 Berechnung der Swingkurve mit Hilfe der Matrixmethode
5.3.2 Berechnung der Ellipsometergrößen
5.3.3 Rechenzeitoptimierung
6 Verwendete Messtechnik zur Aufnahme der Swingkurven
6.1 Reflektometer
6.1.1 Aufbau des Messsystems
6.1.2 Durchführung der Messungen
6.2 Ellipsometer
6.2.1 Optischer Aufbau und Messprinzip des Ellipsometers
7 Bestimmung der optischen Konstanten des Fotolackes SL4800
7.1 Erstellung der Schleuderkurve
7.2 Bestimmung der Dispersion des SL4800 und Schichtdickenmessung
7.3 Reflektionsmessung der Swingkurve zur Bestimmung von n und k
7. 4 Bestimmung der optischen Konstanten
7.4.1 Swingfitberechnungen
7.4.2 Vergleich der ermittelten Konstanten
7.5 Diskussion der Ergebnisse
7.6 Zusammenfassung
8 Untersuchungen an der Antireflektionsbeschichtung AR10L- 600
8.1 Bestimmung der optischen Konstanten
8.1.1 Aufnahme der Schleuderkurve des ARC
8.1.2 Bestimmung der Dispersion des AR10L-600
8.1.3 Messungen zur Aufnahme der Swingkurve
8.1.3.1 Ellipsometermessungen
8.1.3.2 Reflektometermessungen
8.1.4 Berechnung der optischen Konstanten für 190°C Softbake
8.1.5 Berechnung der optischen Konstanten für 150°C Softbake
8.1.6 Vergleich der berechneten Konstanten
8.1.7 Bestimmung der technologisch relevanten Schichtdicken
8.2 Untersuchung zum Ausbleichverhalten von AR10
8.2.1 Reflektometermessungen
8.3 Homogenitätsuntersuchung
8.4 Zusammenfassung
9 Technologiesimulationen mit Swingkurven
10 Zusammenfassung
Zielsetzung & Themen
Das primäre Ziel dieser Diplomarbeit ist die Weiterentwicklung einer theoretischen Methode zur präzisen Bestimmung der optischen Konstanten (Brechzahl n und Absorptionskoeffizient k) von dünnen Filmen, insbesondere von Fotolacken und Antireflektionsbeschichtungen (ARCs), in der Fotolithografie. Hierzu wird ein bestehendes Verfahren, das auf der Auswertung von sogenannten Swingkurven basiert, überarbeitet und durch eine effiziente Matrixmethode zur Berechnung von Multischichtsystemen mathematisch-physikalisch untermauert, um eine höhere Prozessstabilität in der Mikroelektronikfertigung zu erreichen.
- Entwicklung und Implementierung eines neuen Berechnungsalgorithmus (Matrixmethode) für Multischichtsysteme in VBA
- Optimierung der Software zur Berechnung von Swingkurven zur deutlichen Reduzierung der Rechenzeit
- Experimentelle Bestimmung der optischen Konstanten für den Fotolack SL4800 und die Antireflektionsbeschichtung AR10L-600
- Untersuchung von Prozesseffekten wie dem Ausbleichverhalten von Schichtmaterialien bei messtechnischer Belastung
- Simulation von Fertigungsprozessen zur Optimierung von Schichtdicken in kritischen technologischen Ebenen (STR-Ebene, Metallisierungsebene)
Auszug aus dem Buch
3.1.1 Dünnschichtinterferenz
Eine relevante Eigenschaft von Systemen aus dünnen Filmen, auf die sich die hier durchgeführten Untersuchungen und Berechnungen stützen, ist die Beeinflussung von Lichtwellen. Elektromagnetische Wellen sind beim Durchqueren der entsprechenden Materialien und nach Reflektion an Grenzschichten in der Lage, miteinander zu interferieren.
Dabei wird einfallendes Licht von der nächst tiefer liegenden Schicht zurückreflektiert und kann mit anderen rückreflektierten Wellen interferieren. Dies gilt für transparente und teilweise absorbierende dünne Filme, deren Dicke in der Größenordnung der Lichtwellenlänge liegt.
Zusammenfassung der Kapitel
1 Einleitung: Beschreibt die Relevanz der präzisen Bestimmung optischer Konstanten für die Prozessoptimierung in der modernen Fotolithografie.
2 Zielstellung: Definiert das Ziel der Arbeit, die bestehende Methode zur Auswertung von Swingkurven durch eine effiziente Matrixmethode zur Berechnung von Multischichtsystemen weiterzuentwickeln.
3 Verfahren zur Bestimmung optischer Konstanten mittels Swingkurven: Erläutert die theoretischen Grundlagen der Dünnschichtinterferenz und das Verfahren zur Bestimmung von Brechzahl und Absorptionskoeffizienten.
4 Berechnung von Multischichtsystemen mit Hilfe der Matrixmethode: Leitet die mathematischen Grundlagen der Matrixmethode für die Berechnung von Reflektion und Transmission in Schichtsystemen her.
5 Entwicklung der Software zur Berechnung von Multischichtsystemen: Dokumentiert die Entwicklung und Optimierung des Programms OPTILITH sowie die implementierten Algorithmen.
6 Verwendete Messtechnik zur Aufnahme der Swingkurven: Beschreibt die eingesetzten Messgeräte (Reflektometer und Ellipsometer) und deren Funktionsweise sowie die Durchführung der Messungen.
7 Bestimmung der optischen Konstanten des Fotolackes SL4800: Dokumentiert die experimentelle Ermittlung und Analyse der optischen Konstanten für den Fotolack SL4800.
8 Untersuchungen an der Antireflektionsbeschichtung AR10L- 600: Behandelt die spezifischen Untersuchungen an der Antireflektionsbeschichtung, inklusive Ausbleichverhalten und Homogenitätsprüfungen.
9 Technologiesimulationen mit Swingkurven: Zeigt die praktische Anwendung der entwickelten Software zur Simulation und Optimierung von Schichtstapeln im Fertigungsprozess.
10 Zusammenfassung: Fasst die Ergebnisse der Arbeit zusammen und gibt einen Ausblick auf die technologische Validierung der entwickelten Methoden.
Schlüsselwörter
Fotolithografie, Dünnschichtoptik, Swingkurve, Optische Konstanten, Matrixmethode, Fotolack, Antireflektionsbeschichtung, Reflektometer, Ellipsometer, Prozessoptimierung, Schichtdicke, Brechzahl, Absorptionskoeffizient, Dünnschichtinterferenz, Mikroelektronik
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Arbeit grundsätzlich?
Die Arbeit befasst sich mit der präzisen Bestimmung der optischen Eigenschaften von Materialien, die in der Fotolithografie eingesetzt werden, um lithografische Prozesse und Fertigungstechnologien in der Mikroelektronik zu optimieren.
Was sind die zentralen Themenfelder?
Die zentralen Themen sind die Dünnschichtoptik, die messtechnische Erfassung von Swingkurven, die mathematische Modellierung von Multischichtsystemen mittels Matrixmethode sowie deren Software-Implementierung.
Was ist das primäre Ziel oder die Forschungsfrage?
Das Ziel ist die Weiterentwicklung eines Verfahrens zur Bestimmung optischer Konstanten (n und k) durch die Auswertung von Swingkurven, um die Genauigkeit bei der Optimierung von Schichtdicken für moderne 130nm-Technologien zu erhöhen.
Welche wissenschaftliche Methode wird verwendet?
Es wird die Matrixmethode zur Berechnung elektromagnetischer Wellen in Schichtsystemen verwendet, kombiniert mit Iterationsverfahren (Swingfit), um experimentell gemessene Swingkurven an theoretische Modelle anzupassen.
Was wird im Hauptteil behandelt?
Der Hauptteil behandelt die theoretische Herleitung der Matrixmethode, die Entwicklung der Software zur Berechnung von Multischichtsystemen, die experimentelle Bestimmung der optischen Konstanten für spezifische Materialien und die Simulation von Prozessschichten.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Wichtige Begriffe sind Fotolithografie, Swingkurve, optische Konstanten, Matrixmethode, Fotolack, Antireflektionsbeschichtung (ARC) und Schichtdickenoptimierung.
Warum ist die Unterscheidung der Polarisation für die Berechnung wichtig?
Da die Reflektionsgrade in Abhängigkeit vom Einfallswinkel für parallel und senkrecht polarisierte Komponenten unterschiedlich sind, muss zur präzisen Berechnung bei hoher numerischer Apertur zwischen diesen Zuständen unterschieden werden.
Was ist der Vorteil der Matrixmethode gegenüber der Methode der Aufsummierung?
Die Matrixmethode ermöglicht eine deutlich effizientere Berechnung von Multischichtsystemen mit mehreren Schichten, da der Rechenaufwand im Vergleich zur Aufsummierung bei zunehmender Schichtanzahl nicht unverhältnismäßig stark ansteigt.
Wie wirkt sich das Ausbleichverhalten von Materialien auf die Messungen aus?
Die intensive Bestrahlung während der Messung kann zu einer Veränderung der optischen Eigenschaften führen, weshalb bei bestimmten Materialien wie ARCs Mehrfachmessungen am selben Punkt vermieden und stattdessen unterschiedliche Messpunkte genutzt werden sollten.
- Quote paper
- Marko Szuggars (Author), 2005, Weiterentwicklung eines Verfahrens zur Bestimmung der optischen Konstanten von Fotolacken mittels Swingkurven in der Fotolithografie, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/58492
