Đang tải...
Ứng dụng máy quang phổ ellip (spectroscopic ellipsometer) trong nghiên cứu kỹ thuật quang khắc tiên tiến.
Tác giả: R.A. Synowicki*, Greg K. Pribil*, James N. Hilfiker*, and Kevin Edwards
Từ khoá: Spectroscopic Ellipsometry, Refractive Index, Immersion Lithography, Phase-Shift Photomasks, Infrared Ellipsometry, Optical Microlithography.
Tóm tắt: Phép đo quang phổ ellip (Spectroscopic Ellipsometry - SE) là một kỹ thuật đo lường quang học (optical metrology) được sử dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp bán dẫn. Đối với các ứng dụng quang khắc (lithography), SE thường xuyên được dùng để đo độ dày màng và chiết suất của chất cản quang (photoresist) polymer và các lớp phủ chống phản xạ (antireflective coatings). Mặc dù đây vẫn là công dụng chính của SE, các ứng dụng hiện đang mở rộng sang các lĩnh vực khác trong nghiên cứu quang khắc tiên tiến. Các ứng dụng mới bao gồm: quang khắc nhúng (immersion lithography), mask quang học dịch pha (phase-shift photomasks), màng bảo vệ (pellicle) trong suốt, quang khắc bước sóng 193 nm và 157 nm, các lớp phủ quang học cho máy quang khắc (stepper), quang khắc dập mẫu (imprint lithography), và thậm chí là giám sát thời gian thực tốc độ ăn mòn-hiện hình (etch development rate) trong môi trường chất lỏng. Một hướng nghiên cứu đáng chú ý gần đây là các nghiên cứu về chất lỏng nhúng, trong đó việc hiểu rõ chiết suất và độ hấp thụ của chất lỏng là yếu tố then chốt để ứng dụng chúng trong quang khắc nhúng. Mặt nạ quang học dịch pha cũng là đối tượng được quan tâm vì độ dày và chiết suất của các lớp dịch pha và lớp hấp thụ phải được kiểm soát nghiêm ngặt để đảm bảo sự truyền dẫn cường độ và pha một cách chính xác. Các màng bảo vệ mỏng và trong suốt dùng để bảo vệ các mặt nạ này cũng cần phải được phân tích đặc tính về độ dày và chiết suất. Phép đo elip hồng ngoại (Infrared ellipsometry) có độ nhạy cao với thành phần hóa học, độ dày màng và sự thay đổi tính chất hóa học của màng trong quá trình xử lý. Việc giám sát thời gian thực độ dày màng polymer trong quá trình ăn mòn trong dung dịch hiện hình (liquid developer) cho phép xác định tốc độ ăn mòn và điểm dừng (endpoint) với độ nhạy đạt mức đơn lớp (monolayer). Nghiên cứu này xem xét các ứng dụng mới nổi nêu trên để khảo sát thực trạng của phép đo elip phổ với vai trò là một kỹ thuật phân tích đặc tính (characterization technique) trong các ứng dụng quang khắc tiên tiến.
I. Giới thiệu
Phép đo quang phổ ellip (Spectroscopic Ellipsometry - SE) được ứng dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp bán dẫn để xác định độ dày màng và chiết suất trong cả môi trường sản xuất và nghiên cứu [1]. Nghiên cứu trong lĩnh vực quang khắc vi mô (microlithography) được diễn ra rộng rãi, và khi các cấu trúc (features) được in ngày càng nhỏ hơn, việc phân tích đặc tính chính xác các tính chất của màng mỏng, vật liệu khối (bulk) và thậm chí cả vật liệu lỏng ngày càng trở nên quan trọng. Sự xuất hiện của kỹ thuật tạo ảnh có khẩu độ số (numerical aperture - NA) cao, quang khắc nhúng và việc sử dụng mask quang học dịch pha đã tạo ra những lĩnh vực nghiên cứu mới mà tại đó phép đo quang phổ ellip đang được ứng dụng.
Bài báo này khảo sát nhiều ứng dụng mới sử dụng phần cứng và phần mềm phép đo ellip để giải quyết các vấn đề trong các lĩnh vực nghiên cứu quang khắc. Các lĩnh vực này bao gồm: đo chiết suất chất lỏng dùng trong quang khắc nhúng; các lớp dịch pha và lớp hấp thụ trong mask quang học dịch pha; hiệu ứng nhiễu xạ từ các cấu trúc mask có mật độ cao; các màng bảo vệ (pellicle) mềm và mỏng để bảo vệ mask trong các thiết bị phơi sáng (exposure); phép đo ellip hồng ngoại để nghiên cứu thành phần hóa học của màng polymer; và giám sát thời gian thực quá trình etching bởi chất lỏng của màng polymer trên đế silicon nhằm xác định tốc độ ăn mòn và điểm dừng (endpoint). Một số lĩnh vực này sử dụng các phép đo ellip truyền thống dựa trên ánh sáng phân cực, trong khi những lĩnh vực khác sử dụng phép đo cường độ, đo góc của ánh sáng khúc xạ hoặc nhiễu xạ, hoặc kết hợp các kỹ thuật này.
II. Thí nghiệm và kết quả
Mỗi vực lĩnh ứng dụng dưới đây đại diện cho một chủ đề trong nghiên cứu quang khắc mà tại đó phép đo quang phổ ellip được áp dụng. Tại đây, chúng tôi xem xét các ứng dụng liên quan đến chất lỏng nhúng, mask quang học dịch pha, hiệu ứng nhiễu xạ từ các cấu trúc cách tử (grating) đã được tạo mẫu, màng bảo vệ trong suốt, phép đo ellip hồng ngoại và giám sát thời gian thực tốc độ ăn mòn-hiện hình (development etch rate) của các màng polymer.
1. Chất lỏng nhúng (Immersion Fluids)
Quang khắc nhúng đặt một chất lỏng giữa thành phần thấu kính cuối của thiết bị phơi sáng và wafer để tạo pattern mạch điện [2]. Do đó, chất lỏng trở thành một phần không thể tách rời của hệ quang học. Việc xác định chiết suất của chất lỏng là cần thiết để tính toán khẩu độ số (NA) của thiết bị phơi sáng cũng như bước sóng phơi sáng hiệu dụng, vì cả hai thông số này đều phụ thuộc vào chiết suất của chất lỏng. Bước sóng phơi sáng được giảm đi n lần, với n là chiết suất của chất lỏng. Bảng 1 cho thấy ảnh hưởng của chiết suất chất lỏng đối với bước sóng phơi sáng. Cả hai bước sóng phơi sáng 193 nm và 157 nm đều được khảo sát. Yêu cầu đối với một chất lỏng nhúng là phải có cả chiết suất cao và độ truyền suốt (độ trong suốt) cao. Các nghiên cứu về các loại chất lỏng mới cho quang khắc nhúng ở cả bước sóng 193 nm và 157 nm. Chiết suất của chất lỏng có thể được xác định bằng cách cho chất lỏng vào một buồng đo rỗng (hollow prism cell) và đo góc khúc xạ đi qua buồng này bằng kỹ thuật góc lệch cực tiểu của lăng trụ (prism minimum deviation technique) như đã thảo luận trong các tài liệu tham khảo 3, 4 và 5. Hệ số dập tắt (k) có thể được xác định bằng cách đo cường độ ánh sáng truyền qua ở hai hoặc nhiều độ dài quãng đường (path length) khác nhau trong buồng lăng trụ vát (tapered prism cell). Với kỹ thuật này, người ta có thể xác định được cả n và k của mẫu chất lỏng trong buồng lăng trụ.
2. Mask dịch pha
Các thiết kế photomask tiên tiến hiện nay sử dụng sự kết hợp giữa các lớp dịch pha và lớp hấp thụ để kiểm soát cả cường độ và pha của ánh sáng tới truyền qua mặt nạ. Các lớp dịch pha và hấp thụ này thường là các màng kim loại, silicide hoặc nitride bán trong suốt; chúng không hoàn toàn trong suốt ở bất kỳ bước sóng đo đạc nào trong vùng tử ngoại (UV), khả kiến hoặc cận hồng ngoại. Các hằng số quang học n và k, và do đó là mức độ hấp thụ, có thể thay đổi trong một phạm vi rộng bằng cách điều chỉnh thành phần stoichiometry của các màng này. Hình 1 thể hiện các hằng số quang học n và k của hai màng MoSi (Molybdenum Silicide) khác nhau được lắng đọng trên photomask blank bằng thạch anh nóng chảy (fused silica). Hai màng này đã được tối ưu hóa để sử dụng ở các bước sóng 193 nm và 248 nm, đồng thời minh chứng cho sự biến thiên lớn của các hằng số quang học tùy thuộc vào điều kiện lắng đọng.
Các màng bán hấp thụ này đặt ra một thách thức đối với các thiết bị đo lường quang học do cần phải xác định đồng thời ba thông số: độ dày màng, chiết suất n và hệ số dập tắt k. Phép đo elilp truyền thống đo lường hai thông số psi (Ψ) và delta (Δ) liên quan đến trạng thái phân cực của chùm sáng, trong khi các phép đo độ truyền qua xác định thêm một thông số bổ sung là cường độ ánh sáng xuyên qua mẫu. Việc kết hợp dữ liệu phổ ellip với dữ liệu cường độ truyền qua cho phép khớp đồng thời ba thông số thực nghiệm đo được (Ψ, Δ và độ truyền qua) để giải quyết ba ẩn số là độ dày, n và k [6].
Phép đo ellip tổng quát (Generalized ellipsometry) sử dụng đa trạng thái phân cực đầu vào để phân tích đặc tính về mức độ dị hướng của mẫu [7]. Khi thực hiện ở chế độ truyền qua, phép đo elip tổng quát có thể được ứng dụng để đo trực tiếp độ trễ pha (phase-shift retardance) xuyên qua mask dịch pha.
3. Hiệu ứng nhiễu xạ trên photomask
Các hiệu ứng nhiễu xạ từ các cấu trúc có mật độ cao trên photomask đang được nghiên cứu thực nghiệm [8]. Các mask được thiết kế với các chi tiết có khoảng cách tương ứng với bước sóng phơi sáng có thể gây ra hiệu ứng nhiễu xạ. Ánh sáng khi truyền qua các mẫu grating mật độ cao sẽ nhiễu xạ theo các góc lệch so với phương pháp tuyến do tính tuần hoàn của cấu trúc grating. Cường độ và góc nhiễu xạ là các hàm số của line-space grating pitch được tạo mẫu trên mặt nạ. Một số nghiên cứu đã tận dụng khả năng thay đổi góc của máy đo elip để xác định góc và cường độ nhiễu xạ cho các cấu trúc grating có line và space pitches khác nhau được tạo mẫu trên phôi mặt nạ thạch anh nóng chảy [8]. Các trạng thái phân cực song song và vuông góc với cấu trúc grating đã được khảo sát tại nhiều bước sóng khác nhau.
Hình 2 thể hiện kết quả đo cường độ ánh sáng truyền qua một photomask có cấu trúc grating nhiễu xạ. Grating pitch trên lý thuyết là 150:150 nm. Các kết quả thu được tại bước sóng 193 nm cho cả ánh sáng phân cực p và s (các mode TM và TE) đều được hiển thị. Độ nhiễu xạ bậc không (zero order) được đo tại phương tới pháp tuyến, trong khi nhiễu xạ bậc một ở góc xấp xỉ 40 độ. Ánh sáng chiếu tới mask heo phương pháp tuyến, đồng thời detector arm của máy SE được dịch chuyển qua một dải góc rộng để ghi nhận góc và cường độ của nhiễu xạ bậc 1 cũng như các bậc cao hơn.
4. Màng Pellicle mềm trong suốt
Trong các thiết bị phơi sáng quang khắc (lithographic exposure tool), việc bảo vệ photomask khỏi các tác nhân nhiễm bẩn như bụi hoặc các chất lắng đọng khác là vô cùng quan trọng. Điều này được thực hiện bằng cách sử dụng một màng pellicle polymer mềm và mỏng đặt gần photomask, nhưng ở một khoảng cách đủ xa để đảm bảo các hạt tạp chất bám trên đó nằm ngoài mặt phẳng ảnh (image plane) của thiết bị phơi sáng. Vì các màng pellicle mỏng này đóng vai trò như các etalons điều chỉnh trong hệ thống quang học, việc xác định chính xác cả độ dày màng và chiết suất (refractive index) là rất cần thiết [9].
Các màng pellicle mỏng thường được căng trên một khung kim loại với độ dày xấp xỉ 1 micron. Do đó, màng pellicle được xem như một màng mỏng tự đứng (free-standing thin film), với lớp substrate được giả định là không khí hoặc môi trường chân không. Bằng cách lắp đặt cẩn thận trên thiết bị đo, có thể thu thập được dữ liệu ellipsometry ở chế độ phản xạ từ màng pellicle, từ đó thực hiện fit đồng thời để tìm ra độ dày màng và chiết suất. Hình 3 biểu diễn chiết suất theo bước sóng của một màng pellicle tự đứng. Độ dày màng được xác định là 1,48 micron.
5. Ellipsometry hồng ngoại
Phép đo ellip hồng ngoại là sự kết hợp độ nhạy về độ dày của phép đo độ dày bằng tia hồng ngoại với độ nhạy hóa học của quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR) [7]. Ellip hồng ngoại cho thấy tiềm năng lớn trong việc đặc trưng hóa thành phần hóa học của các lớp photoresist, lớp phủ chống phản xạ (ARC) hay các loại màng mỏng khác.
Ellip hồng ngoại cũng có thể được sử dụng để giám sát sự thay đổi thành phần hóa học trong màng do các công đoạn xử lý như phơi sáng UV hoặc nung (baking). Một thực tế đã được công nhận là các bước phơi sáng UV và nung trong quy trình quang khắc (lithography) sẽ gây ra các biến đổi hóa học trong màng resist. Những thay đổi hóa học này được dự đoán sẽ dẫn đến các thay đổi tương ứng về vị trí và biên độ của các hằng số quang học trong dải hồng ngoại. Do đó, ellip hồng ngoại đầy triển vọng như một công cụ để đặc trưng hóa đồng thời độ dày màng, tính chất hóa học và các biến đổi hóa học phát sinh trong quy trình quang khắc.
Hình 4 biểu diễn các hằng số quang học n và k của ba loại màng photoresist khác nhau được thiết kế cho các công nghệ quang khắc bước sóng 157 nm, 193 nm và 248 nm. Sử dụng phép đo elip hồng ngoại, độ dày của các màng được xác định lần lượt là 1508 nm, 2501 nm và 4038 nm. Lưu ý về sự xuất hiện dày đặc của các đỉnh hấp thụ (absorption peaks) trong phổ đo: Vị trí của mỗi đỉnh tương ứng với một liên kết hóa học cụ thể, trong khi biên độ của mỗi đỉnh có liên quan đến nồng độ của từng thành phần hóa học trong màng. Việc phân tích sâu hơn các phổ này cho phép liên kết chính xác từng vị trí đỉnh với một loại liên kết hóa học, đồng thời biên độ đỉnh sẽ phản ánh hàm lượng hoặc nồng độ của từng thành phần đó.
6. Theo dõi quá trình etching theo thời gian thực
Việc giám sát quá trình etching của màng photoresist polymer và màng phủ chống phản xạ (ARC) trong dung dịch hiện hình (developer solution) để xác định tốc độ khắc và điểm dừng khắc (etch endpoint) đang trở nên vô cùng quan trọng [10]. Theo truyền thống, việc này thường được thực hiện bằng các phép đo cường độ dựa trên hiệu ứng giao thoa giữa bề mặt trên và bề mặt dưới của màng. Tuy nhiên, khi màng bị etching và trở nên rất mỏng, độ nhạy về độ dày của các phép đo cường độ sẽ bị suy giảm. Ngược lại, phép đo elip (ellipsometry) vẫn duy trì được độ nhạy ngay cả khi độ dày tiến đến 0, do đó nó nhạy hơn trong các giai đoạn cuối của quá trình hòa tan màng và xác định chính xác điểm dừng khắc cuối cùng. Độ nhạy ở mức đơn lớp (monolayer sensitivity) này cũng giúp phát hiện sự tồn tại của bất kỳ dư lượng polymer nào còn sót lại trên bề mặt wafer.
Hình 5 trình bày các đường cong khắc trong quá trình development tại chỗ (in-situ) của bốn loại màng polymer trên đế silicon. Chùm sáng của máy đo elip được chiếu xuyên qua các cửa sổ trong suốt của buồng khắc lỏng để thu thập dữ liệu theo thời gian thực. Phép đo ellip được sử dụng để đo độ dày màng theo thời gian trong dung dịch developer, cho phép tính toán tốc độ etching và điểm dừng etch. Mỗi đường cong cho thấy khi mới tiếp xúc với dung dịch hiện hình, các màng polymer ban đầu sẽ tăng độ dày, hay còn gọi là hiện tượng "trương nở" (swelling) trong khoảng 30 giây do màng hấp thụ dung dịch. Tiếp theo là giai đoạn etch nhanh với tốc độ gần như tuyến tính theo thời gian. Độ dốc của phần tuyến tính này chính là tốc độ etch. Gần cuối quá trình, độ dốc thay đổi một lần nữa khi màng trở nên rất mỏng, cho thấy tốc độ etch chậm lại ở vài lớp cuối cùng sát bề mặt wafer. Vùng bằng phẳng ở cuối mỗi đường cong chứng minh phép đo elip cực kỳ nhạy trong việc phát hiện bất kỳ vật liệu chưa được etch hết nào còn tồn tại trên bề mặt wafer.
.png)
