Θεωρητική και πειραματική μελέτη φυσικοχημικών ιδιοτήτων λεπτών υμενίων με εφαρμογές στη νανολιθογραφία

Abstract

In this work, the effect of various lithographic parameters on the produced sidewall roughness of the printed structures on photoresist films, is studied through simulation. The parameters include the size and the architecture of the photoresist, the film structure, the energy distribution in the film as a result of the exposure as well as the diffusion of the photochemically produced acid, with or without the presence of quencher molecules in the film. For this study, a new simulator has been developed that uses stochastic models for all the major lithographic steps. Modeling of the photoresist’s molecular structure can be done either at monomer level (in the case of polymers), or at a more detailed level for a more accurate representation of the monomers/molecules. The main drawback of most commercial lithography simulators is the absence of a model for the structure of the photoresist, something that is of crucial importance for the study of the effect of the process and the material on sidewall roughness. Additionally, in the present study, a way to integrate the new stochastic models for the description of the photoresist structure into the pipeline of other (commercial) simulators is presented. The results of the study show that as the size of the photoresist molecules decreases, the sidewall roughness decreases. Additionally, decrease of the diffusion length of the photochemically produced acid results in greater control of the critical dimension deviation. Those results have been observed for both polymeric and molecular resists. Comparison between polymeric and molecular resists, with similar radius of gyration, showed that the latter can give better (smaller) sidewall roughness. One more parameter studied was the photoacid generator (PAG) concentration in the photoresist film, both as a blend with the resin and as part of the polymeric resin molecules. The latter configuration showed better results with respect to sidewall roughness, mainly due to the reduced diffusion of the acid molecules and the increased sensitivity of the material. Those results showed good agreement with published experimental results, regarding the trend on the reduction of roughness. Experimental results showed that in the case where the PAG is blended with the polymeric resin, the roughness measure was almost two times the roughness of the case where the PAG molecules were part of the polymeric chains. Three dimensional simulations of both cases (with identical PAG concentrations and molecular weights of the polymeric chains) showed sidewall roughness of 3nm and 2nm respectively.

Σε αυτή την εργασία μελετάται η επίδραση διαφόρων παραμέτρων της λιθογραφίας στην παραγόμενη πλευρική τραχύτητα δομών σε υμένια φωτοευαίσθητων υλικών, μέσω προσομοίωσης. Αυτές οι παράμετροι περιλαμβάνουν το μέγεθος και την αρχιτεκτονική των μορίων του φωτοευαίσθητου υλικού, τη δομή του υμενίου / πλέγματος, την κατανομή ενέργειας μέσα στο υμένιο κατά την έκθεση καθώς και τη διάχυση του φωτοχημικά παραγόμενου οξέος, με ή χωρίς την παρουσία μορίων αναστολέα του οξέος στο υμένιο. Για τη μελέτη αυτή αναπτύχθηκε ένας ολοκληρωμένος προσομοιωτής ο οποίος χρησιμοποιεί στοχαστικά μοντέλα, για τη μοντελοποίηση τόσο της δομής του υμενίου όσο και για την προσομοίωση κρίσιμων βημάτων της διεργασίας. Η μοντελοποίηση της δομής των μορίων του φωτοευαίσθητου υλικού μπορεί να γίνει τόσο σε επίπεδο μονομερών (για την περίπτωση πολυμερικών υλικών) όσο και σε πιο λεπτομερές επίπεδο για την ακριβέστερη αναπαράσταση των μονομερών/μορίων. Το βασικό μειονέκτημα των περισσοτέρων εμπορικών προσομοιωτών λιθογραφίας είναι η έλλειψη της μοντελοποίησης της δομής των μορίων του φωτοευαίσθητου υλικού, η οποία αποτελεί κρίσιμη παράμετρο για τη μελέτη της επίδρασης της διεργασίας και του υλικού στην παραγόμενη τραχύτητα. Στα πλαίσια της παρούσας μελέτης επιχειρείται επιπλέον η ενοποίηση του στοχαστικού μοντέλου που αναπτύχθηκε για να περιγράψει τη δομή του φωτοευαίσθητου υλικού, με προσομοιωτές λιθογραφίας που χρησιμοποιούν αναλυτικά μοντέλα για την προσομοίωση των διαφόρων βημάτων. Από την παρούσα μελέτη συμπεραίνεται ότι όταν το μέγεθος των μορίων του φωτοευαίσθητου υλικού μειώνεται, η πλευρική τραχύτητα της δομής μειώνεται. Επίσης, μείωση της διάχυσης του φωτοχημικά παραγόμενου οξέος έχει ως αποτέλεσμα μεγαλύτερο έλεγχο της διακύμανσης της κρίσιμης διάστασης, κάτι το οποίο είναι επιθυμητό. Για τη μελέτη αυτή χρησιμοποιήθηκαν τόσο πολυμερικά φωτοευαίσθητα υλικά όσο και ειδικά σχεδιασμένα μοριακά υλικά, κατάλληλα για λιθογραφία. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι η χρήση μοριακών υλικών είναι σε θέση να μειώσει την παραγόμενη πλευρική τραχύτητα σε σχέση με αντίστοιχα πολυμερικά υλικά ίδιας γυροσκοπικής ακτίνας. Επίσης μελετήθηκε η επίδραση της συγκέντρωσης του φωτοευαισθητοποιητή στο υμένιο, τόσο ως μείγμα με το φωτοευαίσθητο υλικό, όσο και ως μέρος της πολυμερικής του αλυσίδας. Η διαμόρφωση αυτή έχει ως αποτέλεσμα μείωση της πλευρικής τραχύτητα της δομής, κυρίως λόγω της μειωμένης διάχυσης του οξέος και της αυξημένης ευαισθησίας του υλικού. Τα αποτελέσματα που παρουσιάζονται βρίσκονται σε συμφωνία με τα αποτελέσματα της βιβλιογραφίας, ως προς την τάση μείωσης της τραχύτητας. Ενδεικτικά αναφέρεται ότι για την περίπτωση του μίγματος φωτοευαισθητοποιητή / πολυμερούς η τραχύτητα που μετρήθηκε πειραματικά είναι σχεδόν διπλάσια από την τραχύτητα για την περίπτωση όπου ο φωτοευαισθητοποιητής αποτελεί μέρος της συμπολυμερικής αλυσίδας. Από την τρισδιάστατη προσομοίωση των δύο περιπτώσεων (ίδια συγκέντρωση φωτοευαισθητοποιητή και ίδιο μοριακό βάρος των πολυμερικών αλυσίδων) προέκυψαν τιμές 3nm και 2nm αντίστοιχα.