يعد تقليل كثافات العيوب وزيادة الإنتاجية من التحديات الرئيسية التي تواجه صانعي الرقائق ومصممي الرقائق الذين يستخدمون مئات الأساليب لكلتا المهمتين. وذلك لأن تقنيات تصنيع أشباه الموصلات تتضمن آلاف الخطوات، ويمكن أن تؤثر كل منها على معدلات العيوب والإنتاجية. كشف اكتشاف حديث أجراه باحثون في جامعات صينية عن كيفية سلوك المقاومات أثناء التطوير وكيف يمكن لخطوة الخبز بعد التعرض (PEB) أن تقلل من كثافة العيوب بنسبة تصل إلى 99% في بعض الحالات، وفقًا لورقة بحثية نُشرت في طبيعة. ومع ذلك، على الرغم من هذه الادعاءات الجريئة، فإن الدراسة لها استخدام عملي مشكوك فيه.
تمكن باحثون من جامعة بكين وجامعة تسينغهوا من تصور كيفية ذوبان وهجرة وتشابك جزيئات مقاومة الضوء داخل السائل المطور أثناء خطوة تكوين النمط (التطور). وللقيام بذلك، استخدم الفريق التصوير المقطعي الإلكتروني المبرد (cryo-ET) لإعادة بناء البنية ثلاثية الأبعاد الحقيقية للبوليمرات المقاومة للضوء في حالتها المائية بدقة أقل من 5 نانومتر.
كشفت الدراسة أن معظم الجزيئات المقاومة للضوء تتراكم في مجموعات عند السطح البيني بين الغاز والسائل، بدلًا من توزيعها بالتساوي في المحلول، مما يولد العيوب. يدعي العلماء أن الزيادة الطفيفة في درجة حرارة الخبز بعد التعرض (PEB) – من 95 درجة مئوية إلى 105 درجة مئوية في حالتهم – والحفاظ على طبقة مطورة مستمرة، حالت دون ظهور هذه التجمعات، مما أدى إلى خفض كثافة العيوب في الرقائق مقاس 300 مم بنسبة تزيد عن 99٪ باستخدام المقاومات الموجودة ومعدات DUV.
- طلاء: الرقاقة مغلفة بمادة مقاومة للضوء.
- التعرض: يمر ضوء الأشعة فوق البنفسجية (UV) أو الأشعة فوق البنفسجية القصوى (EUV) عبر قناع لكشف مناطق المقاومة بشكل انتقائي.
- خبز ما بعد التعرض (PEB): يتم تسخين المقاومة المكشوفة بلطف لتنشيط التفاعلات الكيميائية المحفزة بالحمض والتي تغير قابلية الذوبان.
- تطوير: يتم شطف الرقاقة بمحلول مطور (غالبًا TMAH في الماء لـ DUV)، والذي يذيب الأجزاء المكشوفة أو غير المكشوفة من المقاومة، اعتمادًا على نوع المقاومة، لإنشاء طبقة سائلة رقيقة من المطور وتشكيل الأنماط. وكانت هذه الخطوة محور البحث.
- شطف وتجفيف: يتم تنظيف النمط المتبقي وتجفيفه للمعالجة اللاحقة.
اكتشفت الدراسة في مرحلة التطوير أن هذه الجزيئات المقاومة للضوء تشكل تشابكات ضعيفة وقابلة للعكس تؤدي إلى مجموعات مجهرية، والتي تبين أنها المصدر الخفي لعيوب الأنماط التي تظهر على رقائق أشباه الموصلات المعالجة.
عملية مخفية
في الطباعة الحجرية بالتغطيس والطباعة الحجرية بالأشعة فوق البنفسجية، يقوم الفيلم السائل الخاص بالمطور بإذابة المناطق المعرضة للضوء من المقاومة، وينقل النمط إلى الرقاقة. على الرغم من أن هذه العملية معروفة جيدًا في جميع أنحاء الصناعة، إلا أنه حتى الآن لم يكن هناك فهم واضح للسلوك المجهري للمقاومات المضخمة كيميائيًا (CARs) أثناء تطوير النمط، حيث أن الطرق الحالية مثل المسح المجهري الإلكتروني (SEM) يمكنها فقط ملاحظة المخلفات المجففة أو التأثيرات غير المباشرة. ونتيجة لذلك، يعتمد مهندسو العمليات عادةً على ضبط التجربة والخطأ لكيمياء المقاومة وتكوين المطور، حيث لم يلاحظ أحد السلوك الحقيقي لمقاومات الضوء أثناء التطوير.
بدلًا من استخدام SEM أو مجهر القوة الذرية، استخدم الباحثون أداة التصوير المقطعي بالإلكترون المبرد – تُستخدم عادةً في علم الأحياء الهيكلي لدراسة الخلايا، أو مجمعات البروتين، أو الفيروسات في الحالات المجمدة – لتصور سلوك مقاومات الضوء داخل سائل مطور بدقة نانومترية. وللقيام بذلك، كان عليهم أن يبذلوا جهودًا كبيرة في تحضير العينات، وسرعة التزجيج (معدل التبريد الذي يتغير عنده السائل دون أن يتبلور)، والتحكم في شعاع الإلكترون.
في أبحاثهم، استخدم العلماء CAR القائم على البولي (الميثاكريليت)، والذي يستخدم على نطاق واسع في الغمر بطول 193 نانومتر والطباعة الحجرية بالأشعة فوق البنفسجية بطول 13.5 نانومتر.
ملاحظة
كشف تصوير Cryo-ET أن بوليمرات CAR – المجمدة في حالتها السائلة الطبيعية – تم الحفاظ عليها كسلاسل مرنة تشبه الخيوط ذات أشكال ملفوفة عشوائية. كشف تحليل كثافة البوليمر أن التركيز انخفض بشكل حاد مع العمق: في الأغشية التي يتراوح سمكها بين 25 نانومتر و100 نانومتر، تراكم حوالي 80% من كتلة البوليمر بالقرب من الواجهة بين الغاز والسائل. ومن ثم، خلافًا للافتراضات القديمة، لم تكن البوليمرات المقاومة منتشرة بالتساوي في المطور ولكنها كانت مركزة على سطح الفيلم، حيث شكلت فيما بعد مجموعات تسببت في عيوب النمط. وقد لوحظ نفس النمط مع المقاومات الأخرى (على سبيل المثال، المصممة للتعريضات 248 نانومتر و365 نانومتر) وأظهرت نفس النمط، ولكن لم تكن هذه مشكلة حتى وقت قريب. لم تظهر عينات المراقبة التي تحتوي على المطور فقط أي إشارة سطحية، مما يؤكد أن التأثير جاء من البوليمرات نفسها.
أظهرت عمليات إعادة البناء ثلاثية الأبعاد الإضافية (مزيج من مئات من صور الإلكترون منخفضة الجرعة الملتقطة بزوايا ميل مختلفة) أنه داخل الفيلم، ظلت سلاسل البوليمر بطول 12 نانومتر منفصلة في الغالب، بينما تجمعت بالقرب من السطح في مجموعات تتراوح من 30 إلى 40 نانومتر، وهي أبعاد أعلى بكثير من أحجام العيوب القاتلة في التقنيات الحديثة.
ومع ذلك، فإن هذه التجمعات قابلة للعكس بالحرارة ولا يتم ملاحظتها في الحياة الواقعية. في الواقع، العيوب القاتلة في العقد الحديثة أصغر حجمًا، مما يعني أن مجموعات جزيئات CAR قد تم تخفيفها بالفعل من قبل كبار صانعي الرقائق في عقدهم المتطورة.
علاوة على ذلك، في حين أن زيادة درجة حرارة الخبز بعد التعرض (PEB) من 95 درجة مئوية إلى 105 درجة مئوية يعطل التفاعلات المتماسكة ويساعد على التخلص من بعض العيوب في بعض تقنيات التصنيع، فإن هذا يعد قاتلًا مطلقًا للإنتاجية لعمليات التصنيع الحديثة التي تعتمد على الطباعة الحجرية بالأشعة فوق البنفسجية.
جيد لـ DUV، وكارثي لـ EUV
في الطباعة الحجرية العميقة فوق البنفسجية (DUV، غمر 193 نانومتر)، يكون PEB عند حوالي 105 درجة مئوية ضمن نطاق التشغيل الطبيعي للسيارات المعتمدة على بولي (ميثاكريلات). يبلغ عرض هذه المقاومات حوالي 20 نانومتر – 40 نانومتر، وتظل أطوال انتشار الحمض الضوئي (حوالي 10 نانومتر – 20 نانومتر) صغيرة بما يكفي بالنسبة لتلك الميزات للحفاظ على الدقة. عند 105 درجة مئوية، تعمل الطاقة الحرارية الإضافية على زيادة حركة البوليمر وانتشار الحمض بشكل طفيف، مما يتيح تفاعلًا كيميائيًا أكثر اكتمالاً وذوبان أكثر سلاسة أثناء التطوير، مما يساعد على تقليل البقايا وتحسين تجانس النمط، وبالتالي تقليل العيوب والحفاظ على الإنتاجية. ومع ذلك، في بعض الحالات، يزيد aa PEB عند حوالي 105 درجة مئوية من خشونة حافة الخط (LER) وخشونة عرض الخط (LWR)، مما يؤدي إلى تدهور توحيد الأبعاد الحرجة (CDU)، مما يعني أنه لا ينبغي استخدامه للطبقات الحرجة.
ومع ذلك، في الطباعة الحجرية بالأشعة فوق البنفسجية (13.5 نانومتر)، فإن الوضع مختلف تمامًا. عادةً ما يتم تحميص مقاومات الأشعة فوق البنفسجية عند درجة حرارة 80 درجة مئوية إلى 95 درجة مئوية لتحقيق التوازن الدقيق بين حركة الحمض وإكمال التفاعل، والحفاظ على التحكم في الأبعاد الحرجة. يجب أن تحدد سيارات الأشعة فوق البنفسجية ميزات صغيرة تصل إلى 13 نانومتر، لذلك حتى بضعة نانومترات من انتشار الحمض يمكن أن تدمر دقة النمط. سيؤدي رفع درجة حرارة PEB إلى 105 درجة مئوية إلى تسريع انتشار الحمض بشكل كبير، وتوسيع منطقة التفاعل، وزيادة LER/LWR بشكل كبير، وبالتالي عدم وضوح الميزات الدقيقة التي يحددها التعرض للأشعة فوق البنفسجية وربما خلق عيوب. كما أنه يزيد من التباين العشوائي عن طريق الإفراط في تفاعل سلاسل بوليمر CAR بشكل غير متساو، مما يؤدي إلى عيوب أخرى.
القائمة المنسدلة
في حين أن الدراسة تقدم رؤية مجهرية قيمة حول كيفية تصرف البوليمرات المقاومة للضوء في الأفلام المطورة، فإن تأثيرها العملي على تصنيع أشباه الموصلات محدود، بعبارة ملطفة. إن زيادة PEB إلى 105 درجة مئوية هي بالفعل ضمن النطاق الآمن الطبيعي للطباعة الحجرية DUV وبالتالي لا تعتبر اختراقًا، ولهذا السبب لا نرى عيوب 30nm-40nm مع العقد الحديثة المستندة إلى DUV. وفي الوقت نفسه، فإن نفس ضبط درجة الحرارة غير مناسب لعمليات الأشعة فوق البنفسجية، لأن درجات الحرارة هذه يمكن أن تؤدي إلى تدهور شديد في الدقة والإنتاج.
ونتيجة لذلك، فإن هذا العمل مثير للإعجاب من الناحية العلمية، لأنه يؤكد الآليات التي أدارها صانعو الرقائق تجريبيا منذ فترة طويلة. ومع ذلك، فهو لا يقدم حلولاً جديدة قابلة للتطبيق على العقد المتقدمة. ثم مرة أخرى، إذا استخدم علماء من Intel أو Samsung أو TSMC تقنية cryo-ET أيضًا، فقد يتوصلون إلى شيء يؤدي إلى اختراق فعلي.
يتبع أجهزة توم على أخبار جوجل، أو أضفنا كمصدر مفضل، للحصول على آخر الأخبار والتحليلات والمراجعات في خلاصاتك.
التعليقات