コンタクトリソグラフィー

コンタクトリソグラフィはコンタクトプリンティングとも呼ばれ、イメージングフォトレジスト層でコーティングされた基板と直接接触するフォトマスクを照射することで印刷する画像を得るフォトリソグラフィの一種です。

最初の集積回路は、コンタクトリソグラフィーを使用して印刷された200マイクロメートルの特徴を持っていました。この技術は1960年代に人気がありましたが、フォトマスクと基板の間にギャップが導入される近接印刷に置き換えられました。近接印刷は、ギャップにより回折が多く発生するため、コンタクト印刷よりも解像度が劣っていましたが、生成される欠陥ははるかに少なかったです。解像度は、2マイクロメートルまでの生産には十分でした。1978年に、ステップアンドリピート投影システムが登場しました。^[1]このプラットフォームは、マスクイメージの縮小により広く受け入れられ、今日でも使用されています。

コンタクト リソグラフィーは、厚いフォトレジストや両面のアライメントと露光を必要とするアプリケーションで主に現在でも広く使用されています。高度な 3D パッケージング、光学デバイス、およびマイクロ電気機械システム (MEMS) アプリケーションは、このカテゴリに分類されます。また、コンタクト プラットフォームは、インプリント プロセスで使用されるものと同じです。

最近、2 つの開発により、半導体リソグラフィーにおいてコンタクト リソグラフィーが復活する可能性が高まっています。まず、銀フィルムをレンズとして使用することを含む表面プラズモン共鳴の強化により、365 nm と 436 nm の波長を使用して 50 nm未満、さらには 22 nm の解像度が得られることが実証されています。 ^{[2] [3] [4]}表面プラズモンの異常な分散関係により、波長が極めて短くなり、回折限界を打破するのに役立ちます。^[2] 次に、ナノインプリント リソグラフィーは、半導体分野以外 (ハード ドライブ、バイオテクノロジーなど) ではすでに人気が高まっており、45 nm 未満の半導体リソグラフィーの候補となり、基板と接触するマスクの欠陥削減方法と均一性の向上を促進しています。ステップ アンド フラッシュ インプリント リソグラフィー (SFIL​​) は、インプリント フィルムのUV硬化を伴うナノインプリント リソグラフィーの一般的な形式であり、基本的にコンタクト リソグラフィーと同じセットアップを使用します。

一般的に、透明なガラス板上に不透明なクロムパターンが描かれたフォトマスクが作られる。基板には紫外線に敏感なフォトレジストの薄膜が塗布される。次に基板をフォトマスクの下に置いて、フォトマスクに押し付ける。次にサンプルを露光するが、その間にフォトマスクの上面から紫外線が照射される。透明ガラスの下のフォトレジストは露光され、現像液で溶解できるようになるが、クロムの下のフォトレジストは紫外線に露光されず、現像後もそのまま残る。その結果、フォトレジストの形で元のパターンが複製される。その後、エッチングやリフトオフなどの任意の数の微細加工プロセスによって、パターンを基板に永久に転写することができる。1 つのフォトマスクを何度も使用して、異なる基板上にパターンを繰り返し再現することができる。この操作には一般に「コンタクト アライナー」^[5]が使用され、基板上の以前のパターンを露光したいパターンに位置合わせすることができる。

フォトマスクとフォトレジストの界面から出ると、画像形成光はフォトレジスト中を伝播する際に近接場回折を受ける。回折により、フォトレジストの深さが増すにつれて画像のコントラストが失われる。これは、フォトマスクとフォトレジストの界面からの距離が増すにつれて最高次のエバネッセント波が急速に減衰することで説明できる。この効果は、より薄いフォトレジストを使用することで部分的に緩和できる。プラズモン共鳴とレンズフィルムに基づくコントラストの向上が最近発表された。^[3]コンタクトリソグラフィーの主な利点は、物体と画像の間に複雑な投影光学系が不要になることである。今日の投影光学系の解像度の限界は、最終的な結像レンズの有限のサイズと、その画像面からの距離に起因している。より具体的には、投影光学系は物体（フォトマスク）から限られた空間周波数スペクトルしかキャプチャできない。コンタクトプリンティングにはこのような解像度の限界はないが、マスクまたは基板上の欠陥の存在に敏感である。

コンタクトリソグラフィーマスクにはいくつかの種類があります。

標準のバイナリ強度振幅マスクは、光が遮断される暗い領域と透過される明るい領域を定義します。暗い領域は、クロムなどの金属で構成されたパターン化されたフィルムです。

光結合マスクは波形の誘電体表面を有し、各突起は局所導波路として機能します。 ^[6] この局所的な誘導効果の結果として、光は主に突起を通して伝達されます。必要な接触面積が少ないため、欠陥の可能性が低くなります。

ハイブリッドナノインプリントコンタクトマスクは、接触イメージングと機械的インプリントの両方を活用しており、 ^[7] インプリント残留層の問題を排除することで、大きな特徴と小さな特徴の両方のイメージングを同時に最適化することが提案されています。

コンタクトマスクは従来かなり大きい（>100 mm）ものでしたが、アライメント許容値により、露光間のステップを可能にするために、より小さなマスクサイズが必要になる可能性があります。

ナノインプリント リソグラフィーと同様に、マスクは目的の画像とほぼ同じ特徴サイズを持つ必要があります。コンタクト マスクは、他のコンタクト マスクから直接形成することも、直接描画 (例:電子ビーム リソグラフィー) によって形成することもできます。

上で述べたように、フォトレジストを薄くすると、画像のコントラストが向上します。吸収とエバネッセント波の減衰が低減される場合は、フォトレジストの下の層からの反射も考慮する必要があります。

コンタクトリソグラフィーの解像度はλ/20周期を超えると予測されている。 ^[8]

コンタクト リソグラフィのピッチ解像度は、以前に露光されたフィーチャ間のフィーチャ画像を生成する複数の露光によって容易に向上できます。これは、メモリ レイアウトなどのネストされたアレイ フィーチャに適しています。

表面プラズモンは、金属表面に閉じ込められた自由電子の集団振動です。これらは光と強く結合し、表面プラズモンポラリトンを形成します。このような励起は、実質的に非常に短い波長（X線領域に近づく）の波として機能します。^[2]このような振動を適切な条件下で励起すると、コンタクトマスクの一対の溝の間に複数の特徴が現れます。 ^[9] 薄い金属膜上の表面プラズモンポラリトン定在波によって達成できる解像度は、<20 nmの銀膜を使用して、380〜390 nmの範囲の波長で<10 nmです。^[2]さらに、金属透過格子の深く狭いスリットは、スリットを通過する光を増幅する共鳴を可能にすることが示されています。 ^[10]

金属フィルムの層は、エバネッセント波を増幅し、画像コントラストを高めるための「完全レンズ」として機能することが提案されている。これには、誘電率を負の実部（例えば、波長 436 nm の銀）になるように調整する必要がある。 ^[11] このようなレンズを使用すると、マスクとフォトレジスト間の距離の許容範囲が広い状態で画像化を実現できると同時に、表面プラズモン干渉（例えば、波長 436 nm でハーフピッチ 25 nm）を使用して解像度を大幅に向上させることができる。^[11]完全レンズ効果は特定の条件でのみ有効であるが、層の厚さとほぼ等しい解像度が可能になる。 ^[12] したがって、このアプローチでは 10 nm 未満の解像度も実現可能と思われる。

表面プラズモン干渉を使用すると、マスクの特徴の数が目的の画像の特徴の数よりもはるかに少なくなるため、マスクの製造と検査が容易になり、他のリソグラフィー技術よりも優位になります。 ^{[2] [13]} リソグラフィーの表面プラズモンを実証するために最も一般的に使用される金属は銀ですが、365 nmの波長ではアルミニウムも使用されています。 ^[14]

これらの解像度向上技術により 10 nm の特徴が考慮される一方で、実際の実装には他の要因も考慮する必要があります。最も基本的な制限はフォトレジストの粗さであると思われます。これは、0 次回折次数のみが伝播すると予想されるより短いサブ波長周期で支配的になります。^[3]この場合、パターンの詳細はすべてエバネッセント波によって伝達され、エバネッセント波はより細かい解像度でより急速に減衰します。その結果、現像後のフォトレジスト固有の粗さがパターンよりも重要になる可能性があります。

表面接触に依存するあらゆる技術と同様に、欠陥は大きな懸念事項です。欠陥は、接触リソグラフィーにとって、2 つの点で特に有害です。まず、硬い欠陥はマスクと基板の間の隙間を広げる可能性があります。これにより、エバネッセント波または表面プラズモン干渉に基づく画像が簡単に消えてしまいます。次に、マスクの金属表面に付着した小さくて柔らかい欠陥は、隙間を乱さないかもしれませんが、それでもエバネッセント波の分布を変えたり、表面プラズモン干渉条件を破壊したりする可能性があります。

金属表面の酸化^[15]もプラズモン共鳴条件を破壊する（酸化物表面は金属ではないため）。