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Impianto MET

Referente: Dr. Sarah Bollanti
sarah.bollanti@enea.it

tel. +39 06 9400 5505



Nel Laboratorio Sorgenti di Radiazione del Centro Ricerche ENEA di Frascati è stato realizzato, tra il 2004 ed il 2008, il primo (e per ora unico) apparato in Italia di microlitografia in proiezione che utilizza radiazione nell'estremo ultravioletto (EUV). Questo apparato, in inglese Micro-Exposure Tool (MET), sfrutta la radiazione emessa dalla sorgente di raggi X da laser-plasma Egeria operante nello stesso Laboratorio. I due sistemi accoppiati costituiscono la facility MET-EGERIA.

La litografia in proiezione, caso particolare della fotolitografia (per un'introduzione, vedi: http://en.wikipedia.org/wiki/Photolithography), è la tecnica comunemente usata dalle industrie di microelettronica per la fabbricazione di circuiti integrati, per esempio quelli delle schede di memoria o dei microprocessori contenuti nelle apparecchiature elettroniche. Come si vede nella figura 1 in uno schema molto semplificato, una radiazione, tipicamente ultravioletta (UV), passa attraverso una maschera binaria contenente il disegno da riprodurre, dopodiché la dimensione dell'immagine trasmessa viene ridotta da una lente (che in realtà è un complesso insieme di lenti per la correzione delle aberrazioni ottiche) e proiettata su una lastra di silicio (il wafer) ricoperto da un sottile strato (spessore inferiore ad 1 micrometro) di materiale fotosensibile chiamato fotoresist.

Fig. 1. Schema semplificato di irraggiamento litografico in proiezione.



Questo irraggiamento è il primo dei processi fisico-chimici che portano alla realizzazione dei circuiti integrati e ne determina in gran parte la risoluzione spaziale. Più è spinta la risoluzione spaziale (cioè più piccoli sono i dettagli che si possono realizzare) e più informazioni o funzioni trovano posto in un chip di dimensioni fissate. Per esempio, si possono realizzare memorie più capienti o processori più veloci o capaci di svolgere più funzioni.

I macchinari di litografia (detti stepper o scanner) più avanzati attualmente in uso nelle industrie di microelettronica utilizzano radiazione ultravioletta e possono realizzare circuiti con dettagli ben al di sotto di 100 nanometri.

Come tutti gli apparati di proiezione, gli stepper subiscono il limite di risoluzione imposto dall'effetto di diffrazione della luce (un limite proporzionale alla lunghezza d'onda "l" della radiazione stessa), che nel caso di radiazione UV oggi in uso (l=193 nm) comporta un limite di circa 45 nm. Il passaggio alla microlitografia basata su radiazione EUV, con lunghezza d'onda oltre dieci volte più piccola di quella UV attualmente in uso, consentirà di poter raggiungere valori di risoluzione molto più piccoli.

Il MET dell'ENEA è stato ideato nel 2003 per poter raggiungere una risoluzione spaziale di 100 nm, che era allora più piccola di quella ottenibile dai migliori stepper industriali a radiazione UV. Il MET è stato realizzato nel corso di un Progetto nazionale FIRB tra il 2004 ed il 2007, in collaborazione con l'Università dell'Aquila, l'Università di Padova, i Laboratori INFN di Legnaro, le industrie El.En. s.p.a. di Prato Calenzano (FI) e Media Lario Technologies s.r.l. di Bosisio Parini (LC).

La figura 2 mostra le foto dell'esterno e dell'interno della camera da vuoto dove sono contenute le ottiche di proiezione ad alta risoluzione.

Fig. 2. La camera da vuoto che contiene il micro-exposure tool (MET) per effettuare riproduzioni litografiche nell'estremo ultravioletto (EUV) con risoluzione di 100 nm: a) vista esterna dal lato del meccanismo di sollevamento ed apertura del coperchio; b) vista interna sulla piastra di Invar sulla quale sono fissati i montaggi e le movimentazioni delle ottiche di illuminazione della maschera e, al centro, il supporto dell'obiettivo di Schwarzschild (vedi testo più avanti). La radiazione è prodotta dalla sorgente di raggi X da laser-plasma Egeria



In figura 3 troviamo invece la vista dell'apparato completo MET-Egeria come risulta dall'unione della camera da vuoto del MET con quella della sorgente laser-plasma Egeria. La radiazione EUV emessa dal plasma su un vasto intervallo spettrale viene raccolta ad incidenza radente da uno specchio ellissoidale con rivestimento interno di rutenio che la focalizza nel punto IF, detto fuoco intermedio. Prima di IF, la radiazione attraversa un filtro di zirconio che ha la doppia funzione di eliminare gran parte della radiazione emessa al di fuori dell'intervallo spettrale dell'EUV e di mantenere una differenza di pressione di qualche millibar tra le due camere. Quest'ultima caratteristica è molto importante, perché la presenza di 1-2 mbar di gas kripton nella camera di Egeria protegge, insieme ad un sistema meccanico, lo specchio ellissoidale dai detriti prodotti dal plasma, garantendone una durata elevata [2-3].

Da IF, un secondo specchio ellissoidale speculare al primo invia la radiazione su altri due specchi di trasporto (con rivestimento multistrato ad alta riflettività a 14.4 nm ad incidenza normale, realizzato dai Laboratori INFN di Legnaro, LNL-INFN) che convogliano la radiazione sulla maschera in riflessione con le caratteristiche spaziali ed angolari volute. La necessità di realizzare la maschera su un supporto riflettente, anziché tramite una pellicola forata come in figura 1, è dettata dalla bassissima trasmissione di tutti i materiali nell'EUV.

Fig. 3. a) Vista dall'alto dell'apparato MET-Egeria dell'ENEA di Frascati per la litografia in proiezione; b) schema dell'apparato in a). IF = fuoco intermedio; M = magnificazione; DMS = debris mitigation system (sistema di riduzione dei detriti) (figura tratta da [1]).


La maschera è stata realizzata dall'Istituto di Fotonica e Nanotecnologie di Roma del CNR (CNR-IFN) su uno specchio a multistrato depositato dai Laboratori Nazionali di Legnaro dell'INFN.

Il disegno della maschera viene riprodotto sul piano focale di un'ottica di proiezione, che nel caso del MET ENEA è un obiettivo di Schwarzschild, composto da due specchi sferici concentrici, uno concavo e l'altro convesso, rivestiti da un multistrato che ne garantisce in ogni punto l'alta riflettività a 14.4 nm. La configurazione scelta per l'obiettivo di Schwarzschild garantisce una notevole riduzione delle aberrazioni [4-6]. Il fattore di riduzione dell'immagine è 10 e la risoluzione teoricamente ottenibile su un campo di circa 200 mm × 200 mm è migliore di 100 nm.

Nel caso di riproduzioni microlitografiche, viene posto sul piano focale un wafer di silicio ricoperto di fotoresist, ma altri tipi di materiali sensibili alla radiazione EUV possono essere esposti, se compatibili con le condizioni di vuoto e di contaminazione della camera (da valutare di volta in volta).

Per l'allineamento dell'obiettivo di Schwarzschild è stata sviluppata un'apposita procedura [4-7], che ha portato ad ottenere con il MET ENEA una riproduzione litografica su PMMA (polimetilmetacrilato, un materiale plastico ampiamente utilizzato in microlitografia come fotoresist) avente una risoluzione spaziale migliore di 100 nm, come dimostra la figura 4. Per evitare che variazioni di temperatura o vibrazioni meccaniche influiscano sulla qualità della riproduzione microlitografica, tutte le ottiche alloggiate nella camera del MET sono ancorate su una piastra di Invar termostatata e isolata da vibrazioni.

Le camere da vuoto di Egeria e del MET si trovano in una camera pulita di classe ISO 7.

Fig. 4. Proiezione di linee (pieno-vuoto 1:1) ad alta risoluzione su PMMA: a) immagine 2-D di linee da 160 nm e 110 nm (all'estrema sinistra) ottenute sul PMMA e qui osservate al microscopio a forza atomica; b) profilo del PMMA nella direzione ortogonale alle linee integrato in verticale nel rettangolo tratteggiato di fig. 4a). Nella figura 4b) le linee tratteggiate orizzontali indicano il 10% ed il 90% della modulazione totale; le linee tratteggiate verticali mostrano la corrispondente transizione di bordo, che risulta pari a 90 nm (figura tratta da [1]).



I rapporti con l'esterno
Il MET dell'ENEA in associazione ad Egeria è a disposizione di utenti esterni. Si tratta di una facility unica in Italia che consente irraggiamenti alla lunghezza d'onda di 14.4 nm con risoluzione fino a 100 nm per ricerca in biologia, fotonica, microelettronica e microdispositivi, inclusi test su nuovi tipi di fotoresist. Si privilegia la collaborazione sotto forma di partnership per ricerca congiunta.


[1] S. Bollanti, P. Di Lazzaro, F. Flora, L. Mezi, D. Murra, A. Torre: "First results of high-resolution patterning by ENEA laboratory-scale extreme ultraviolet projection lithography system", EPL 84 (2008) 58003.
[2] D. Murra, S. Bollanti, P. Di Lazzaro, F. Flora, L. Mezi, A. Conti: "Sistema per l'abbattimento e/o la selezione dei detriti prodotti da una sorgente al plasma, e apparato per la generazione di radiazione o la deposizione di materiale utilizzante tale sistema" (Ufficio Italiano Brevetti e Marchi, RM2006A000303, 9 Giugno 2006).
[3] S. Bollanti, P. Di Lazzaro, F. Flora, L. Mezi, D. Murra, A. Torre: "Laser-plasma-source debris-related investigations: an aspect of the ENEA micro-exposure tool", Appl. Phys. B 96, 479-490 (2009).
[4] P. Di Lazzaro, S. Bollanti, F. Flora, L. Mezi, D. Murra and A. Torre: "Excimer-Laser-Driven EUV Plasma Source for Single-Shot Projection Lithography", IEEE Trans. Plasma Sci. 37, 475-480 (2009).
[5] S.Bollanti, P. Di Lazzaro, F. Flora, L. Mezi, D. Murra, A. Torre: "Conventional and modified Schwarzschild objective for EUV lithography: design relations", Appl. Phys. B 85, 603-610 (2006).
[6] S.Bollanti, P. Di Lazzaro, F. Flora, L. Mezi, D. Murra, A. Torre: "Further comparison between the conventional and the modified Schwarzschild objectives", Appl. Phys. B 91, 127-137 (2008).
[7] S.Bollanti, P. Di Lazzaro, F. Flora, L. Mezi, D. Murra, A. Torre: "Schwarzschild objective alignment by the Foucault technique: how to overcome diffraction limitations", in preparation.


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