Диссертация (Моделирование процесса формирования объектов в иммерсионной ультрафиолетовой литографии)

Федеральное государственное автономное образовательное учреждениевысшего профессионального образования«Национальный исследовательский университет«Высшая школа экономики»На правах рукописиКостомаров Павел СергеевичМОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ФОРМИРОВАНИЯ ОБЪЕКТОВВ ИММЕРСИОННОЙ УЛЬТРАФИОЛЕТОВОЙ ЛИТОГРАФИИСпециальность 05.13.12 – Системы автоматизациипроектирования (приборостроение)Диссертация на соискание ученой степеникандидата технических наукНаучный руководительдоктор технических наук,профессор Ивашов Е.

Н.Москва 20152СОДЕРЖАНИЕСПИСОК СОКРАЩЕНИЙ ......................................................................................... 5ВВЕДЕНИЕ .................................................................................................................. 7ГЛАВА 1. ОБЗОРНО-АНАЛИТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ В ОБЛАСТИАВТОМАТИЗИРОВАННОГОПРОЕКТИРОВАНИЯУСТРОЙСТВОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ ПРОЦЕССА ФОРМИРОВАНИЯ ОБЪЕКТОВ ВИММЕРСИОННОЙ УЛЬТРАФИОЛЕТОВОЙ ЛИТОГРАФИИ ......................... 141.1.

Тенденции развития литографии при изготовлении топологии объекта сэлементами, меньшими длины волны экспонируемого излучения ..................... 141.2. Применение метода иммерсии в ультрафиолетовой литографии .............. 261.3. Методы машинного моделирования в иммерсионной ультрафиолетовойлитографии ................................................................................................................. 341.4. Выбор решения коллективом экспертов ....................................................... 401.5.

Особенности и классификация современных литографических САПР длямоделирования процессов ультрафиолетовой литографии .................................. 46Постановка задачи исследования ............................................................................ 53ГЛАВА2.СОЗДАНИЯТЕОРЕТИЧЕСКИЙЭЛЕМЕНТОВПОДХОДКРЕШЕНИЮСИСТЕМЫЗАДАЧИАВТОМАТИЗАЦИИПРОЕКТИРОВАНИЯ УСТРОЙСТВ ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ ПРОЦЕССАФОРМИРОВАНИЯОБЪЕКТОВВИММЕРСИОННОЙУЛЬТРАФИОЛЕТОВОЙ ЛИТОГРАФИИ ............................................................. 572.1. Концептуальный анализ автоматизации проектирования устройств виммерсионной ультрафиолетовой литографии .....................................................

572.2. Задачасинтезаобъектапроектированиявиммерсионнойультрафиолетовой литографии ................................................................................ 6332.3. Непараметрическая статистика в задачах моделирования техникотехнологических систем ультрафиолетовой литографии .....................................

672.4. Асимптотическая оценка применяемых ядер методом Лапласа ................ 732.5. Общая задача математического программирования в иммерсионнойультрафиолетовой литографии ................................................................................ 78Выводы по главе 2 ..................................................................................................... 85ГЛАВА3.МЕТОДИКАТЕХНИЧЕСКОГОПРОЦЕССАВЫБОРАРЕШЕНИЯРАЦИОНАЛЬНОГОУСТРОЙСТВФОРМИРОВАНИЯОБЪКТОВВАРИАНТАОБОРУДОВАНИЯВДЛЯИММЕРСИОННОЙУЛЬТРАФИОЛЕТОВОЙ ЛИТОГРАФИИ ............................................................. 873.1. Повышениекачестваультрафиолетовогосветовогопотокавиммерсионной ультрафиолетовой литографии .....................................................

873.2. Модельморфологическойкоррекциивультрафиолетовойлитографической технологии................................................................................... 913.3. Задачаоптимизацииобъектапроектированиявиммерсионнойультрафиолетовой литографии ................................................................................ 973.4. Обобщенныйкритерийоценкикачестваустройств иммерсионнойультрафиолетовой литографии .............................................................................. 1033.5.

Синтез оптимального управления процессами обработки информации входе формирования САПР ультрафиолетовой литографии ............................... 110Выводы по главе 3 ................................................................................................... 121ГЛАВАРЕШЕНИЙ4.СИНТЕЗУСТРОЙСТВАЛГОРИТМОВПОИСКАОБОРУДОВАНИЯДЛЯТЕХНИЧЕСКИХИММЕРСИОННОЙУЛЬТРАФИОЛЕТОВОЙ ЛИТОГРАФИИ ...........................................................

1234.1. Специфика морфологического анализа-синтеза при выборе техническихрешений устройств ультрафиолетовой литографии ............................................ 12344.2. Решение задачи оптимизации технологического процесса при созданииобъектов в иммерсионной ультрафиолетовой литографии ................................ 1324.3. Алгоритмвыборатехническогорешениявиммерсионнойультрафиолетовой литографии ..............................................................................

1374.4. Устройства для выполнения УФ-литографических операций.................. 1464.5. Применениелитографическихтехнологийвбиомедицинскихисследованиях на клеточно-молекулярном уровне ............................................. 155Выводы по главе 4 ................................................................................................... 163ЗАКЛЮЧЕНИЕ ....................................................................................................... 165СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.......................................................................................

167ПРИЛОЖЕНИЯ ....................................................................................................... 180Приложение 1. Программа для ЭВМ «Расчет параметров иммерсионнойсистемы ультрафиолетовой литографической установки» ................................ 180Приложение 2. Копии Патентов РФ и Свидетельств о государственнойрегистрации программ для ЭВМ ...........................................................................

220Приложение 3. Копии наградных Дипломов за участие в Международныхнаучно-технических конференциях ...................................................................... 226Приложение 4. Акты внедрения результатов работы ......................................... 2295СПИСОК СОКРАЩЕНИЙAAPSM–alternatingaperturephaseshiftчередующийсяmask,фазосдвигающий шаблонBIM–binary intensive masks, бинарный шаблонCD–critical dimension, минимальный критический размерDOF–depth of focus, глубина фокусировкиEAPSM–embeddedattenuatedphaseshiftполутоновыйmask,фазосдвигающий шаблонITRS–InternationalTechnologyRoadmapforSemiconductors,международный план по развитию полупроводниковойтехнологииNA–numerical aperture, числовая апертураMEEF–mask error enhancement factor, фактор усиления ошибки припереносе с маскиОРС–optical proximity correction, коррекция оптического эффектаблизостиPSM–phase shift mask, фазосдвигающий шаблон–resolution(ФСШ)RETenhancementtechniques,методыповышенияразрешающей способности процесса литографииSEM–scanningelectronmicroscope,растроваямикроскопияДНК–дезоксирибонуклеиновая кислотаДП–динамическое программированиеОВФ–обращение волнового фронтаИС (ИМС)–интегральная (микро)схемаИТ–информационные технологииИУФЛ–иммерсионная ультрафиолетовая литографияэлектронная6КМ–концептуальная модельКМОП–комплементарнаяметалл–окисел–полупроводниктехнологияЛПР–лицо, принимающее решениеЛУ–литографическая установкаМГУА–метод группового учета аргументовОС–операционная системаОУ–основные узлыПО–программное обеспечениеРНК–рибонуклеиновая кислотаСАПР–система автоматизированного проектированияСБИС–сверхбольшая интегральная схемаСППР–система поддержки принятия решенийТЗ–техническое заданиеТМД–типизованная матрица доступаТО–технический объектТП–технологический процессУБИС–ультрабольшая интегральная схемаУИУФЛ–устройства иммерсионной ультрафиолетовой литографииУФ–ультрафиолетовое излучениеУФТ–ультрафиолетовый трактФШ–фотошаблонЭВМ–электронная вычислительная машинаЭУФЛ–экстремальная ультрафиолетовая литография7ВВЕДЕНИЕМоделированиеявляетсямощныминструментомисследованияипроектирования сложных систем.

Оно позволяет произвести расчет возможныхрезультатов исследований без прямой реализации эксперимента. Если ценареализации чрезмерно высока, как в случае с литографическими процессами илитографическим оборудованием, то данный метод призван сэкономитьсредства, что особо актуально для малых лабораторий и средних фирм,занимающихсяразработкамилитографическихпроцессовдлясозданияинтегральных схем (ИС).Перспективность исследований в области моделирования устройствоборудования для формирования микро- и нанобъектов в иммерсионнойультрафиолетовой литографии (ИУФЛ) объясняется тем, что данный методактуален для полупроводникового производства с проектными нормами от 65нмименьше.ПопрогнозамInternationalTechnologyRoadmapforSemiconductors (ITRS), метод ИУФЛ будет актуален в ближайшее десятилетие.Такимобразом,моделированиеустройствоборудованиядляформирования объектов в иммерсионной ультрафиолетовой литографии –задача актуальная и своевременная.Целью диссертационной работы является разработка алгоритмов выбораустройств оборудования для формирования объектов в иммерсионнойультрафиолетовой литографии.

Специально разработанные алгоритмы имодели устройств ИУФЛ позволяют сократить время проектных работ,повысить качество литографического процесса путем выбора рациональноподобранныхтехнологическихпараметровииспользованияметодовулучшения разрешающей способности, таких как коррекция оптическогоэффектаблизости,применениефазосдвигающихшаблонов,внеосевогоосвещения, двойного впечатывания и иммерсионных жидкостей с показателемпреломления.8Вцелом,специальнаяразработкаалгоритмоввыбораустройствоборудования иммерсионной литографии позволяет произвести оптимизациюпроцессаформированияобъектов,производимыхданнымметодом,впромышленных масштабах с тем, чтобы получаемая продукция отвечалатребованиям, предъявляемым к размерам конечного элемента топологии.Для достижения цели диссертационного исследования следует выполнитьследующий комплекс действий:1.Выполнить обзорно-аналитические исследования отечественной изарубежной литературы в области автоматизированного проектированияоборудования для процесса формирования объектов в ИУФЛ.2.Разработатьтеоретическоеобоснованиерешениязадачимоделирования устройств оборудования для формирования объектов в ИУФЛ.3.Применить схему непараметрических решающих правил в условияхмалых выборок для моделирования устройств оборудования для формированияобъектов в ИУФЛ.4.Создать физико-математическую модель оптимального управленияпроцессом формирования объектов в ИУФЛ.5.Разработать алгоритмы синтеза технических решений для процессаформирования объектов методом ИУФЛ и на их основе разработатьтехнические предложения устройств создания объектов, в том числе сиспользованием систем обращения волнового фронта.6.Разработать модельно-алгоритмический комплекс и специальныепрограммы для формирования основ системы поддержки принятия решений(СППР) для оказания помощи разработчикам оборудования литографическихпроцессов в неструктурируемых или слабоструктурируемых ситуациях выбора.7.стадияхВыполнить оценку эффективности применения созданной СППР напредварительнойразработкиформирования объектов в ИУФЛ.устройствоборудованиядля9Объектомисследованияявляютсяустройстваиммерсионнойультрафиолетовой литографии (УИУФЛ) нового поколения и процессыформирования объектов с их использованием.Предметом исследования является разработка устройств оборудованиядля формирования объектов в ИУФЛ с использованием современных методиксбора и обработки исходной информации в области ультрафиолетовойлитографии и создание на их основе СППР, которая составит основуавтоматизации проектирования в данной области знаний.Длярешенияпредставленныхвработезадачиспользуютсянепараметрические системы обработки информации, а также положения теориипринятия решений, теории систем, теории алгоритмов, теории автоматическогоуправления,теориивероятностейиматематическойстатистикиспоследовательным анализом уже известных устройств оборудования дляформированияобъектов.Выполнениетеоретико-экспериментальныхисследований и практических расчетов базируется на использовании методовкомпьютерногомоделированияиобъектно-ориентированногопрограммирования для ЭВМ, а также методов вычислительной математики.Основойдляобъединениявсехвышеперечисленныхметодовслужитсистемный подход.Научная новизна обусловлена:1.Применением непараметрических решающих правил в условияхмалых выборок для моделирования устройств оборудования формированияобъектов в ИУФЛ, которые позволяют, в отличие от известных принциповоценки данных, заменять операции над множествами случайных величиноперациями с вероятностными законами распределения их элементов, чтоособо актуально в тех случаях, когда не представляется возможным выполнитьбольшое число практических экспериментов.2.Моделью оптимального управления процессом формированияобъектов в ИУФЛ, позволяющей, в отличие от существующих моделей,10управлять технологическим процессом ТП в соответствии с необходимымипроектныминормами(длинаволны193нм,минимальныйразмерэлемента 32 нм).3.Предложением синтеза алгоритмов поиска технических решенийдля процесса формирования объектов методом ИУФЛ, обеспечивающих, вотличие от известных алгоритмов, возможность модернизации ближайшегопрототипа для эффективного выполнения литографических операций ссоблюдением технологических и проектных норм.4.Выполненнойоценкойтехническойиэкономическойэффективности применения предложенной СППР при моделировании иразработке устройств оборудования ИУФЛ, которая учитывает технические,технологические, структурные, экономические и экологические локальныекритерии качества.Практическая значимость заключается в том, что:1.Предложен метод применения непараметрических решающихправил в условиях малых выборок для моделирования устройств оборудованияформирования объектов в ИУФЛ, позволяющий наиболее эффективнообрабатывать результаты экспериментов.2.Разработана система поддержки принятия рациональных решенийна этапе предварительной разработки моделирования устройств оборудованиядля формирования объектов в ИУФЛ, что имеет существенное значение приизготовлении интегральных схем и других полупроводниковых изделий.3.объектовВыполнен синтез технических решений процесса формированияметодомИУФЛ,соответствующийпроектнымнормам,предъявляемым к точности выполнения элементов топологии, а такжесоответствующийтребованиямпатентоспособнойновизны,текущемуизобретательскому уровню и технологической доступности для отечественнойпромышленности.114.Разработанпрограммныйпродуктпорасчетупараметровиммерсионной системы ультрафиолетовой литографической установки.Достоверностьисследованийвыполненныхобосновываетсятеоретико-экспериментальныхстрогимиматематическимиположениямиперечисленных теорий, известных и разработанных методов и подходов, атакже соответствием теоретическим и практическим результатам, которыеприводятся в литературе по САПР ультрафиолетовой литографии.Теоретические и практические результаты работы использованы внаучно-исследовательском процессе Научно-исследовательского институтапредельных технологий при проектировании оборудования и процессовформирования объектов методом ИУФЛ, а также в учебном процессе МИЭМНИУ ВШЭ департамента электронной инженерии при чтении лекций покурсам: «Технология производства электронных средств», «Технологияпроизводстватехническихсистем»,«Физическиеосновымикро-инаноэлектроники», «Физические основы электронной техники», «Методыматематическогомоделирования»,«Элементнаябазаперсональныхкомпьютеров и компьютерное моделирование устройств микроэлектроники»,«Моделирование полупроводниковых приборов и элементов микро- инаноэлектроники»и«Системыавтоматизированногоуправленияоборудованием», что подтверждается соответствующими актами внедрения.Основные положения, выносимые на защиту.1.Применение непараметрических решающих правил в условияхмалых выборок для моделирования устройств оборудования формированияобъектов в ИУФЛ особо актуально в тех случаях, когда не представляетсявозможным поставить большое число практических экспериментов.2.Модельоптимальногоуправленияпроцессомформированияобъектов в ИУФЛ, позволяющая, в отличие от существующих моделей,управлять процессами в соответствии с необходимыми проектными нормамипри заявленных используемых материалах.12Синтез3.алгоритмовпоискатехническихрешенийпроцессаформирования объектов в ИУФЛ для обеспечения наивысшей эффективностивыполнения технологических и проектных норм.Технологическая и экономическая эффективности применения4.созданной СППР при проектировании процесса формирования объектов вИУФЛнаэтапепредварительнойразработки,котораярассматриваеттехнические, технологические, структурные, экономические и экологическиелокальные критерии качества.Основные положения о научной новизне и практической значимости,приведенные в диссертационной работе, были доложены и обсуждены наМеждународных, Всероссийских научно-технических и научно-практическихконференциях:– Международнойнаучно-техническойконференцииINTERMATIC«Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения», МИРЭА,Москва, в 2009, 2010, 2012, 2013 годах;– XVМеждународнойнаучно-техническойконференции«Опто-,наноэлектроника, нанотехнологии и микросистемы», УлГУ, Ульяновск,в 2012 году;– IX, X и XI Международной научно-практической конференции«Инновации на основе информационных и коммуникационных технологий»,МИЭМ НИУ ВШЭ, Сочи, в 2012, 2013 и 2014 годах;– Научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодыхспециалистов, посвященная 50-летию МИЭМ, Москва, 2012 год;– II Международной научно-практической конференции «Инновационныеинформационные технологии», Прага, Чехия, 2013 год;– Научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодыхспециалистов МИЭМ НИУ ВШЭ, Москва, 2013 год;– Научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодыхспециалистов НИУ ВШЭ, Москва, 2014 год;13– Научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодыхспециалистов НИУ ВШЭ им.