Cryo-ET Mengungkap Gumpalan Fotoresist, Pangkas Cacat DUV hingga 99 Persen tetapi Berdampak Buruk pada EUV

Temuan para peneliti

Sebuah tim peneliti di China berhasil mendapatkan salah satu gambaran paling jelas sejauh ini tentang apa yang terjadi pada fotoresist saat pola chip dikembangkan. Dengan tomografi elektron kriogenik, atau cryo-ET, mereka mencitrakan pergerakan, pengumpulan, dan penggumpalan polimer fotoresist terlarut di dalam cairan pengembang pada skala nanometer. Citra tersebut menunjukkan bahwa sebagian besar massa polimer bermigrasi ke antarmuka gas-cair dan membentuk gumpalan yang dapat kembali mengendap pada wafer dan menimbulkan cacat pola. Berbekal temuan itu, tim mengetahui bahwa sedikit menaikkan suhu pemanggangan pascapaparan dan menjaga lapisan cairan pengembang tetap menyelimuti permukaan dapat mencegah penggumpalan serta memangkas jumlah cacat lebih dari 99 persen pada wafer 300 milimeter saat menggunakan litografi ultraviolet dalam.

Temuan ini menyasar salah satu masalah paling sulit diatasi dalam fabrikasi. Sebuah chip dapat melalui ribuan tahapan, dan residu atau partikel mikroskopis pada tahap mana pun dapat menimbulkan jembatan, putusnya jalur, atau tepian kasar yang menurunkan hasil produksi. Proses pengembangan merupakan tahapan penting ketika risiko meningkat, karena resist yang terpapar harus larut dengan bersih dan konsisten, sementara pola harus tetap tajam. Riset baru ini tidak mengubah dasar kimia transfer pola, tetapi mengungkap jalur tersembunyi yang menjelaskan mengapa residu kadang muncul meski proses dikendalikan dengan cermat.

Dalam eksperimen tersebut, polimer resist yang diperkuat secara kimia diamati dalam lingkungan cair alaminya dengan resolusi lebih baik dari 5 nanometer. Polimer tampak seperti rantai lentur menyerupai benang. Pada lapisan dengan ketebalan sekitar 25 hingga 100 nanometer, peneliti mengukur bahwa sekitar 80 persen massa polimer bermigrasi ke bagian atas lapisan cairan, dekat titik pertemuan cairan pengembang dengan udara. Di antarmuka itu, polimer membentuk gumpalan yang terjerat lemah dan cenderung berukuran puluhan nanometer, cukup besar untuk menimbulkan cacat pola jika mengendap pada wafer. Panas dapat melepaskan jeratan tersebut, sejalan dengan pengamatan bahwa pemanggangan pascapaparan yang lebih hangat menekan pembentukan gumpalan.

Tim melaporkan dua langkah praktis: menaikkan suhu pemanggangan pascapaparan dari sekitar 95 derajat Celsius menjadi sekitar 105 derajat Celsius, serta menjaga lapisan cairan pengembang tetap merata di permukaan agar antarmukanya terkendali dan gumpalan tersapu. Dalam uji coba pada wafer 12 inci dengan kimia resist yang sudah ada serta peralatan standar untuk pelapisan, pemaparan, pemanggangan, dan pengembangan ultraviolet dalam, kombinasi pendekatan tersebut memangkas cacat yang tampak berupa residu lebih dari 99 persen. Namun, penulis mengingatkan bahwa penyesuaian suhu ini tidak membantu litografi ultraviolet ekstrem karena menyebabkan asam menyebar dan mengaburkan fitur terkecil.

Bagaimana fotoresist membentuk pola

Litografi menghasilkan pola sirkuit yang membentuk setiap fitur logam dan dielektrik pada chip. Wafer dilapisi fotoresist, lalu dipaparkan pada cahaya berpola, dipanggang untuk memicu reaksi penting, dikembangkan dalam cairan yang menghilangkan bagian tertentu, dibilas, lalu dikeringkan. Untuk ultraviolet dalam pada panjang gelombang 193 nanometer dan ultraviolet ekstrem pada 13,5 nanometer, bahan yang paling umum digunakan adalah resist yang diperkuat secara kimia. Lapisan ini mengandung generator fotoasam yang melepaskan asam di bagian yang terkena cahaya. Selama pemanggangan pascapaparan, asam mengatalisis reaksi di dalam polimer, sehingga area yang terpapar lebih mudah larut pada resist bertona positif atau lebih sulit larut pada resist bertona negatif.

Dari luar, proses pengembangan tampak sederhana, tetapi fisika dan kimia di dalam lapisan cairan tipis sangat kompleks. Cairan pengembang melarutkan fragmen polimer dari area yang telah diaktifkan oleh cahaya dan pemanggangan pascapaparan. Cairan menyebar di atas wafer dalam pola genangan atau semprotan yang terkontrol, dan lapisan yang sangat tipis tertinggal selama proses pelarutan berlangsung. Antarmuka berperan penting pada tahap ini. Rantai polimer dapat tertarik ke batas gas-cair akibat gaya permukaan, lalu saling terjerat dan membentuk gumpalan. Jika gumpalan atau rantai yang larut sebagian mengendap kembali di sepanjang tepian atau di antara jalur yang berdekatan, hal itu dapat menyebabkan jalur saling menjembatani, terputus, atau menjadi kasar, yang kemudian tampak sebagai cacat.

Tim dari China itu memvisualisasikan jeratan tersebut secara langsung. Gumpalan yang mereka amati disatukan oleh interaksi lemah yang dapat berbalik. Karena itu, gumpalan peka terhadap perubahan kecil pada suhu dan riwayat aliran cairan. Pemanggangan pascapaparan yang lebih hangat meningkatkan mobilitas rantai dan membantu reaksi berlangsung hingga tuntas, sehingga pelarutan menjadi lebih merata. Lapisan cairan pengembang yang lebih stabil mengurangi peluang terbentuknya gumpalan di antarmuka gas-cair dan memudahkan rantai yang terlepas tersapu sebelum pembilasan dan pengeringan.

Mengapa pemanggangan lebih panas membantu DUV tetapi merugikan EUV

Penyesuaian suhu yang sama, yang membersihkan residu pada proses ultraviolet dalam, dapat merusak kesetiaan pola pada ultraviolet ekstrem. Dalam proses imersi 193 nanometer, suhu pemanggangan pascapaparan sekitar 95 hingga 110 derajat Celsius merupakan hal yang lazim. Penyesuaian dalam kisaran itu dapat meningkatkan kontras pelarutan, mengurangi residu, dan memperluas jendela proses yang dapat digunakan. Panas tambahan mengendurkan jeratan rantai yang dapat berbalik dan mempercepat reaksi kimia yang menentukan area mana yang larut dan mana yang tetap bertahan. Penyetelan yang cermat tetap diperlukan, tetapi kenaikan seperti yang dilaporkan para peneliti masih dalam praktik umum pada peralatan track dan resist ultraviolet dalam.

Pola ultraviolet ekstrem jauh lebih tidak toleran terhadap difusi tambahan. Fiturnya lebih kecil dan variasi stokastiknya lebih tinggi karena jumlah foton yang diserap per satuan luas lebih rendah. Sedikit kenaikan suhu pemanggangan pascapaparan meningkatkan jarak difusi asam dan pergerakan spesies lain. Hal itu menyebarkan citra laten, mengaburkan tepian, dan meningkatkan kekasaran tepian jalur. Ini juga memperbesar kemungkinan jalur terkecil hilang atau menyatu. Karena itu, proses EUV berupaya membatasi difusi, antara lain dengan mengendalikan suhu pemanggangan, menyesuaikan kandungan penangkap asam, dan beralih ke bahan yang tidak mengandalkan penguatan kimia jarak jauh.

Banyak program pengembangan EUV beralih ke fotoresist yang mengandung logam atau oksida logam, dengan penyerapan EUV lebih tinggi dan reaksi jarak pendek secara inheren. Bahan-bahan ini dapat menghasilkan pola halus dengan ketergantungan lebih rendah pada difusi asam. Strategi tersebut, bersama optimasi dosis dan peningkatan proses track, bertujuan mempertahankan resolusi sekaligus menekan cacat acak tanpa menaikkan suhu pemanggangan yang dapat mengaburkan fitur.

Cryo-ET hadir di laboratorium pembuatan chip

Dari sel ke sirkuit

Cryo-ET telah lama menjadi teknik andalan dalam biologi struktural. Metode ini menjebak molekul dalam keadaan yang mendekati kondisi alaminya melalui vitrifikasi cepat, lalu merekonstruksi volume tiga dimensi dari serangkaian citra mikroskop elektron dua dimensi yang diambil pada berbagai sudut kemiringan. Penerapan pendekatan ini pada kimia semikonduktor membutuhkan pengaturan waktu dan penanganan sampel yang presisi. Tim peneliti memaparkan dan memanggang wafer melalui proses standar, mengambil sedikit sampel cairan pengembang yang mengandung rantai fotoresist terlarut, lalu membekukannya hingga membentuk kaca dalam hitungan milidetik pada kisi mikroskop elektron. Dengan memutar sampel beku di dalam mikroskop elektron dan mengumpulkan banyak proyeksi, tim merekonstruksi susunan tiga dimensi polimer di dalam cairan.

Hasilnya adalah gambaran menyeluruh tentang tahap pengembangan yang sebelumnya sulit diperoleh. Perangkat tradisional memeriksa residu yang telah dikeringkan, yang morfologinya dapat berubah, atau menyimpulkan perilaku dari metrik tidak langsung seperti laju pelarutan dan kekasaran setelah proses selesai. Cryo-ET menawarkan pengamatan langsung di tempat. Citra dalam studi ini memperlihatkan rantai menyerupai benang dengan bentuk gulungan acak, penumpukan kuat di dekat permukaan gas-cair, serta jeratan lemah yang dapat diurai dengan pemanasan. Bukti ini mendukung solusi sederhana untuk proses ultraviolet dalam: penyesuaian suhu pemanggangan secukupnya, disertai pengendalian lapisan cairan pengembang pada track.

Data tim juga membantu menjelaskan mengapa pabrik fabrikasi terkemuka jarang menyebut gumpalan besar di antarmuka sebagai penyebab utama cacat pada node paling kecil. Cacat yang merusak pada pitch canggih cenderung lebih kecil daripada ukuran gumpalan yang diamati di sini. Ini menunjukkan bahwa lini kelas atas telah menekan mekanisme tersebut melalui pemanggangan yang dioptimalkan, kondisi track yang dikendalikan dengan baik, dan profil pembilasan canggih. Cryo-ET memberi peneliti alat diagnostik yang lebih tajam untuk memastikan penekanan itu dan mengungkap jalur lain dalam fase cair yang mungkin berpengaruh saat dimensi semakin menyusut.

Maknanya bagi China dan persaingan global

Produsen chip China berupaya meningkatkan hasil produksi di tengah keterbatasan akses terhadap peralatan ultraviolet ekstrem dan perangkat canggih lainnya. Litografi ultraviolet dalam dengan pola ganda tetap penting untuk membentuk fitur halus, tetapi setiap tahap pemaparan tambahan meningkatkan biaya dan risiko. Laporan menunjukkan bahwa pabrik fabrikasi besar di China telah mendorong platform lama secara agresif, sehingga pengendalian cacat dan pembersihan menjadi semakin penting untuk mencapai hasil produksi yang dapat diterima. Metode apa pun yang secara andal mengurangi residu dari proses pengembangan dengan peralatan yang sudah ada akan sangat bernilai dalam situasi tersebut.

Resep yang dilaporkan menarik bagi lini produksi dalam negeri karena tidak membutuhkan platform pemaparan baru atau bahan khusus. Resep ini menggunakan resist ultraviolet dalam dan peralatan track standar. Perubahan yang diusulkan, yakni pemanggangan pascapaparan yang sedikit lebih hangat serta penyesuaian perangkat keras atau resep untuk menjaga kestabilan lapisan cairan pengembang, sudah termasuk dalam kemampuan umum track. Peningkatan hasil pada node matang dan menengah dapat langsung menghasilkan lebih banyak chip layak pakai dari setiap wafer.

Temuan yang sama tidak menutup kesenjangan dalam pola ultraviolet ekstrem. Jika ada, studi ini justru menegaskan bahwa keberhasilan EUV bergantung pada bahan yang membatasi reaksi dan pengendalian difusi secara ketat. Kemajuan di bidang itu datang melalui resist baru, sumber berdaya lebih tinggi, dan metrologi yang lebih baik, bukan lewat suhu pemanggangan yang lebih tinggi. Kerangka cryo-ET tetap penting karena dapat memperjelas perilaku fase cair dalam berbagai tahapan basah lain yang memengaruhi hasil akhir.

Batasan dan praktik yang sudah diterapkan pabrik fabrikasi terkemuka

Studi ini sendiri menunjukkan bahwa gumpalan antarmuka yang divisualisasikan dapat terurai dan berukuran relatif besar. Pabrik fabrikasi terkemuka sudah menghindari antarmuka udara-cair yang terbuka pada tahap sensitif dan menjaga lapisan cairan pengembang tetap menyambung untuk mengurangi risiko pengendapan kembali. Modul track mengendalikan pembentukan genangan, laju penyaluran cairan, dan profil putaran wafer agar ketebalan lapisan serta waktu kontak tetap dalam rentang yang sempit. Pelat pemanggang dikalibrasi per lokasi di seluruh wafer 300 milimeter. Filter dan pengelolaan larutan mengurangi partikel serta sisa senyawa organik terlarut.

Track litografi modern juga dilengkapi sensor dan pemeriksaan selama proses untuk mendeteksi penyimpangan. Analisis pareto cacat dan rancangan eksperimen yang cermat telah membantu menetapkan suhu pemanggangan dan durasi pengembangan dalam rentang aman selama bertahun-tahun. Citra cryo-ET memberikan gambaran mekanistik yang selaras dengan pengalaman praktis tersebut. Insinyur dapat memastikan bahwa jeratan di permukaan bersifat lemah, dipengaruhi suhu, dan dapat dikendalikan lewat pengaturan lapisan cairan. Keyakinan itu membantu saat bahan kimia baru diperkenalkan atau resep yang sudah dikenal didorong hingga batasnya dalam proses peningkatan hasil produksi.

Bahan EUV masa depan

Resist organik yang diperkuat secara kimia masih mendominasi lini ultraviolet dalam, tetapi penggunaan bahan untuk ultraviolet ekstrem terus bergeser ke sistem yang mengandung logam. Resist oksida logam dan kluster logam berbasis timah, hafnium, zirkonium, serta unsur terkait menyerap lebih banyak foton EUV untuk setiap satuan ketebalan. Bahan tersebut juga membentuk jaringan saat terpapar yang tidak bergantung pada perpindahan asam jarak jauh. Sifat-sifat ini membantu mengurangi kekasaran lebar jalur dan mendukung pembuatan pola dengan dimensi di bawah 15 nanometer pada dosis yang tetap praktis untuk peralatan produksi. Peneliti menyempurnakan jalur sintesis, termasuk infiltrasi fase uap dan kimia sol-gel nonair, untuk menghasilkan lapisan seragam yang tahan terhadap cacat dengan sensitivitas yang dapat dikendalikan.

Sebuah studi terbaru mencampurkan dua kluster oksida timah untuk mencapai sensitivitas tinggi sekaligus meningkatkan ketahanan tepian terhadap etsa. Campuran tersebut menghasilkan half-pitch dalam kisaran 13 hingga 16 nanometer pada dosis sekitar 50 hingga 60 milijoule per sentimeter persegi, dengan ketahanan etsa yang lebih baik serta pola yang lebih tebal dan kokoh. Analisis spektroskopi mengindikasikan adanya interaksi sinergis antara kluster selama pemaparan dan reaksi pascapaparan. Riset semacam ini menunjukkan jalur pengembangan bahan untuk menghasilkan citra EUV yang lebih tajam tanpa menimbulkan dampak buruk difusi akibat suhu pemanggangan yang lebih tinggi.

Proyek-proyek mendatang di bidang ini menyasar desain ligan, kombinasi logam baru, dan pengendalian sintesis untuk menekan pembentukan cacat acak sekaligus mempertahankan resolusi. Jika berhasil, bahan-bahan ini akan mengurangi ketergantungan pada tahap pemanggangan agresif dan memberi insinyur track lebih banyak ruang untuk menyempurnakan proses pengembangan tanpa mengorbankan ketajaman tepian.

Hal yang perlu dicermati dalam manufaktur

Bagi produsen chip yang menjalankan proses ultraviolet dalam, kesimpulan langsungnya bersifat praktis. Verifikasi rentang pemanggangan dan pengembangan dengan resist tertentu pada track, lalu ukur perubahan pada cacat residu. Keseragaman pemanggangan di seluruh wafer, waktu genangan cairan pengembang, dan dinamika penyaluran cairan dapat memengaruhi waktu yang tersedia bagi gumpalan untuk terbentuk dan mengendap kembali. Rentang suhu dalam studi ini masih berada dalam kisaran yang sudah digunakan banyak pabrik fabrikasi, sehingga evaluasinya lebih mudah. Suhu atau durasi yang terlalu tinggi harus dihindari karena dapat merusak resist atau mengubah dimensi hingga di luar toleransi.

Inspeksi dan metrologi sama pentingnya dengan resep proses. Lini yang mampu mendeteksi dan mengklasifikasikan residu sejak awal peningkatan hasil produksi dapat melakukan penyesuaian dengan cepat. Peta cacat, metrik kekasaran tepian jalur, dan optimasi pembilasan perlu berjalan beriringan dengan penyesuaian pemanggangan yang dijelaskan di sini. Meski relevansinya terbatas untuk EUV, kerangka pencitraan ini sendiri merupakan alat baru yang berharga. Cryo-ET dapat memeriksa interaksi fase cair dalam tahapan basah lainnya, seperti pembilasan setelah pengembangan atau pembersihan basah selektif, ketika agregat molekul kecil kerap menentukan kestabilan proses.

Poin Utama

• Cryo-ET memungkinkan pengamatan tiga dimensi langsung pertama terhadap polimer fotoresist terlarut di dalam cairan pengembang, dan mengungkap penggumpalan di antarmuka gas-cair.
• Menaikkan suhu pemanggangan pascapaparan dari sekitar 95 menjadi 105 derajat Celsius dan menjaga lapisan cairan pengembang tetap menyambung memangkas cacat residu pada wafer ultraviolet dalam 300 milimeter lebih dari 99 persen.
• Jeratan pada gumpalan bersifat lemah dan dapat terurai oleh panas, sehingga perubahan suhu yang relatif kecil dapat mengganggunya.
• Kenaikan suhu yang sama menurunkan kesetiaan pola ultraviolet ekstrem dengan meningkatkan difusi asam, mengaburkan tepian, dan menambah kekasaran tepian jalur.
• Pabrik fabrikasi terkemuka sudah menyetel pengaturan pemanggangan dan cairan pengembang untuk menghindari gumpalan permukaan ini. Karena itu, gumpalan tersebut jarang dianggap sebagai cacat yang merusak pada node terkecil.
• Pabrik fabrikasi China yang mengandalkan pola ganda ultraviolet dalam dapat memetik manfaat dari aspek studi yang sesuai untuk DUV, tetapi akses EUV dan bahan tetap menjadi tantangan yang lebih besar.
• Resist oksida logam dan kluster logam untuk EUV ditujukan untuk menghasilkan penyerapan tinggi, ketahanan etsa kuat, dan reaksi jarak pendek yang membatasi difusi tanpa pemanggangan lebih panas.
• Cryo-ET membuka jalur diagnostik baru untuk mempelajari interaksi fase cair dalam proses pengembangan, pembilasan, dan pembersihan basah yang memengaruhi hasil akhir.