Один огляд
У процесі виробництва інтегральних схем фотолітографія є основним процесом, який визначає рівень інтеграції інтегральних схем. Функцією цього процесу є точна передача та передача графічної інформації схеми з маски (також називається маскою) на підкладку з напівпровідникового матеріалу.
Основний принцип процесу фотолітографії полягає у використанні фотохімічної реакції фоторезисту, нанесеного на поверхню підкладки, для запису малюнка схеми на масці, таким чином досягаючи мети перенесення малюнка інтегральної схеми з конструкції на підкладку.
Основний процес фотолітографії:
Спочатку фоторезист наноситься на поверхню підкладки за допомогою машини для нанесення покриття;
Потім фотолітографічна машина використовується для експонування підкладки, покритої фоторезистом, і механізм фотохімічної реакції використовується для запису інформації про візерунок маски, переданої фотолітографічною машиною, завершуючи точну передачу, передачу та реплікацію візерунка маски на підкладку;
Нарешті, проявник використовується для проявлення експонованої підкладки, щоб видалити (або зберегти) фоторезист, який піддається фотохімічній реакції після експонування.
Другий процес фотолітографії
Щоб перенести розроблений візерунок схеми на масці на кремнієву пластину, перенесення спочатку має бути досягнуто за допомогою процесу експонування, а потім кремнієвий малюнок має бути отриманий за допомогою процесу травлення.
Оскільки для освітлення зони процесу фотолітографії використовується джерело жовтого світла, до якого фоточутливі матеріали нечутливі, її також називають зоною жовтого світла.
Фотолітографія вперше була використана в поліграфічній промисловості та була основною технологією для раннього виробництва друкованих плат. З 1950-х років фотолітографія поступово стала основною технологією перенесення візерунків у виробництві мікросхем.
Основні показники процесу літографії включають роздільну здатність, чутливість, точність накладення, рівень дефектів тощо.
Найважливішим матеріалом у процесі фотолітографії є фоторезист, який є світлочутливим матеріалом. Оскільки чутливість фоторезиста залежить від довжини хвилі джерела світла, для процесів фотолітографії потрібні різні фоторезисти, наприклад g/i line, 248 нм KrF і 193 нм ArF.
Основний процес типового процесу фотолітографії включає п’ять етапів:
-Підготовка плівки-основи;
-Нанесіть фоторезист і м'який запікання;
-Вирівнювання, експонування та постекспонування запікання;
-Прояви жорсткої плівки;
-Виявлення розвитку.
(1)Підготовка плівки-основи: в основному очищення та зневоднення. Оскільки будь-які забруднення послаблюють адгезію між фоторезистом і пластиною, ретельне очищення може покращити адгезію між пластиною та фоторезистом.
(2)Фоторезистне покриття: Це досягається шляхом обертання кремнієвої пластини. Для різних фоторезистів потрібні різні параметри процесу нанесення покриття, включаючи швидкість обертання, товщину фоторезисту та температуру.
М’яке випікання: випікання може покращити адгезію між фоторезистом і кремнієвою пластиною, а також однорідність товщини фоторезисту, що є корисним для точного контролю геометричних розмірів подальшого процесу травлення.
(3)Вирівнювання та експозиція: Вирівнювання та експонування є найважливішими кроками в процесі фотолітографії. Вони стосуються вирівнювання візерунка маски з існуючим візерунком на пластині (або візерунку переднього шару), а потім опромінення його спеціальним світлом. Енергія світла активує світлочутливі компоненти фоторезисту, тим самим передаючи малюнок маски на фоторезист.
Обладнання, що використовується для вирівнювання та експонування, – це фотолітографічна машина, яка є найдорожчим окремим технологічним обладнанням у всьому процесі виробництва інтегральних схем. Технічний рівень машини для фотолітографії відображає рівень розвитку всієї виробничої лінії.
Випікання після експонування: це короткий процес випікання після експонування, який має інший ефект, ніж у фоторезистів глибокого ультрафіолету та звичайних фоторезистів i-line.
Для глибокого ультрафіолетового фоторезисту випікання після витримки видаляє захисні компоненти фоторезисту, дозволяючи фоторезисту розчинитися в проявнику, тому необхідна випічка після витримки;
Для звичайних фоторезистів i-line випікання після експонування може покращити адгезію фоторезисту та зменшити стоячі хвилі (стоячі хвилі матимуть негативний вплив на морфологію країв фоторезисту).
(4)Проявка жорсткої плівки: використання проявника для розчинення розчинної частини фоторезисту (позитивного фоторезисту) після експонування та точного відображення візерунка маски з візерунком фоторезисту.
Ключові параметри процесу проявлення включають температуру та час проявлення, дозування та концентрацію проявника, очищення тощо. Регулюючи відповідні параметри під час проявлення, різницю у швидкості розчинення між експонованими та неекспонованими частинами фоторезисту можна збільшити, таким чином отримання бажаного ефекту розвитку.
Загартування також відоме як запікання, що є процесом видалення залишків розчинника, проявника, води та інших непотрібних залишкових компонентів у проявленому фоторезисті шляхом їх нагрівання та випаровування, щоб покращити адгезію фоторезисту до кремнієвої основи та стійкість до травлення фоторезисту.
Температура процесу затвердіння змінюється залежно від різних фоторезистів і методів затвердіння. Передумова полягає в тому, що малюнок фоторезисту не деформується, і фоторезист має бути достатньо міцним.
(5)Інспекція розвитку: це перевірка на наявність дефектів у малюнку фоторезисту після проявлення. Зазвичай технологія розпізнавання зображень використовується для автоматичного сканування шаблону чіпа після розробки та порівняння його з попередньо збереженим бездефектним стандартним шаблоном. Якщо виявлено будь-яку різницю, він вважається несправним.
Якщо кількість дефектів перевищує певне значення, кремнієва пластина вважається такою, що не пройшла випробування на розробку, і її можна скасувати або переробити відповідно.
У процесі виробництва інтегральних схем більшість процесів є незворотними, а фотолітографія є одним із небагатьох процесів, які можна переробити.
Три фотошаблони та фоторезистивні матеріали
3.1 Фотомаска
Фотомаска, також відома як фотолітографічна маска, — це майстер, який використовується в процесі фотолітографії для виготовлення пластин інтегральних схем.
Процес виготовлення фотомаски полягає в перетворенні вихідних даних макета, необхідних для виготовлення пластин, розроблених інженерами-розробниками інтегральних схем, у формат даних, який можна розпізнати лазерними генераторами візерунків або обладнанням для експонування електронного променя за допомогою обробки даних маски, щоб їх можна було експонувати вищезазначене обладнання на матеріалі підкладки фотошаблона, покритому світлочутливим матеріалом; потім його обробляють за допомогою серії процесів, таких як проявлення та травлення, щоб зафіксувати візерунок на матеріалі підкладки; нарешті, його перевіряють, ремонтують, очищають і ламінують плівкою, щоб сформувати маску, і доставляють виробнику інтегральної схеми для використання.
3.2 Фоторезист
Фоторезист, також відомий як фоторезист, є світлочутливим матеріалом. Світлочутливі компоненти в ньому зазнають хімічних змін під впливом світла, що призведе до змін у швидкості розчинення. Його основна функція – перенесення малюнка з маски на підкладку, наприклад, вафлю.
Принцип роботи фоторезиста: спочатку фоторезист наноситься на підкладку та попередньо запікається для видалення розчинника;
По-друге, маска піддається впливу світла, в результаті чого світлочутливі компоненти в відкритій частині піддаються хімічній реакції;
Потім виконується постекспонування;
Нарешті, фоторезист частково розчиняється шляхом проявлення (для позитивного фоторезисту експонована ділянка розчиняється; для негативного фоторезисту розчиняється неекспонована ділянка), завдяки чому реалізується перенесення малюнка інтегральної схеми з маски на підкладку.
Компоненти фоторезисту в основному включають плівкоутворюючу смолу, фоточутливий компонент, мікродобавки та розчинник.
Серед них плівкоутворююча смола використовується для забезпечення механічних властивостей і стійкості до травлення; світлочутливий компонент зазнає хімічних змін під дією світла, викликаючи зміни швидкості розчинення;
Мікродобавки включають барвники, підсилювачі в'язкості тощо, які використовуються для покращення характеристик фоторезисту; розчинники використовуються для розчинення компонентів і їх рівномірного змішування.
Фоторезисти, які зараз широко використовуються, можна розділити на традиційні фоторезисти та хімічно посилені фоторезисти відповідно до механізму фотохімічної реакції, а також можна розділити на ультрафіолетові, глибокі ультрафіолетові, екстремальні ультрафіолетові, електронно-променеві, іонно-променеві та рентгенівські фоторезисти відповідно до фоторезистів. довжина хвилі світлочутливості.
Чотири обладнання для фотолітографії
Технологія фотолітографії пройшла процес розвитку контактної/проксимативної літографії, оптичної проекційної літографії, покроково-повторної літографії, скануючої літографії, імерсійної літографії та EUV-літографії.
4.1 Машина контактної/безпосередньої літографії
Технологія контактної літографії з'явилася в 1960-х роках і отримала широке застосування в 1970-х роках. Це був основний метод літографії в епоху малих інтегральних схем і в основному використовувався для виробництва інтегральних схем з розміром елементів більше 5 мкм.
У машині для контактної/безконтактної літографії пластина зазвичай розміщується на керованому вручну горизонтальному положенні та обертовому робочому столі. Оператор використовує дискретний польовий мікроскоп для одночасного спостереження за положенням маски та пластини та вручну контролює положення робочого столу для вирівнювання маски та пластини. Після того, як пластина та маска будуть вирівняні, вони будуть притиснуті один до одного, щоб маска перебувала в прямому контакті з фоторезистом на поверхні пластини.
Після зняття об’єктива мікроскопа спресовану пластину та маску переміщують на експонуючий стіл для експонування. Світло, випромінюване ртутною лампою, колімується і паралельно масці через лінзу. Оскільки маска знаходиться в прямому контакті з шаром фоторезисту на пластині, малюнок маски переноситься на шар фоторезисту у співвідношенні 1:1 після експонування.
Обладнання для контактної літографії є найпростішим і найекономічнішим обладнанням для оптичної літографії, воно може досягти експонування графіки субмікронного розміру, тому воно все ще використовується у виробництві дрібносерійної продукції та лабораторних дослідженнях. У великомасштабному виробництві інтегральних схем була запроваджена технологія безконтактної літографії, щоб уникнути збільшення витрат на літографію, спричинених прямим контактом між маскою та пластиною.
Близька літографія широко використовувалася в 1970-х роках в епоху малих інтегральних схем і ранню еру середніх інтегральних схем. На відміну від контактної літографії, маска в безконтактній літографії не контактує безпосередньо з фоторезистом на пластині, але залишається зазор, заповнений азотом. Маска плаває на азоті, а розмір зазору між маскою та пластиною визначається тиском азоту.
Оскільки в безконтактній літографії немає прямого контакту між пластиною та маскою, дефекти, що виникають під час процесу літографії, зменшуються, таким чином зменшуючи втрати маски та покращуючи продуктивність пластини. У безконтактній літографії проміжок між пластиною та маскою поміщає пластину в область дифракції Френеля. Наявність дифракції обмежує подальше покращення роздільної здатності обладнання для безконтактної літографії, тому ця технологія в основному підходить для виробництва інтегральних схем із розміром елементів понад 3 мкм.
4.2 Степер і репітер
Степпер є одним із найважливіших пристроїв в історії пластинчастої літографії, який сприяв масовому виробництву субмікронної літографії. Степпер використовує типове статичне поле експозиції 22 мм × 22 мм і оптичну проекційну лінзу з коефіцієнтом зменшення 5:1 або 4:1 для перенесення малюнка з маски на пластину.
Покроково-повторна літографічна машина зазвичай складається з підсистеми експонування, підсистеми столика заготовки, підсистеми столика маски, підсистеми фокусування/вирівнювання, підсистеми вирівнювання, підсистеми основного кадру, підсистеми перенесення пластини, підсистеми перенесення маски , електронна підсистема та програмна підсистема.
Типовий робочий процес покроково-повторної літографічної машини виглядає наступним чином:
По-перше, пластина, покрита фоторезистом, передається на робочий стіл за допомогою підсистеми перенесення пластини, а маска, яка підлягає експонуванню, переноситься на масковий стіл за допомогою підсистеми перенесення маски;
Потім система використовує підсистему фокусування/вирівнювання, щоб виконати багатоточкове вимірювання висоти на пластині на робочому столі, щоб отримати таку інформацію, як висота та кут нахилу поверхні пластини, що підлягає експонуванню, щоб площа експонування пластину завжди можна контролювати в межах фокусної глибини проекційного об'єктива в процесі експонування;Згодом система використовує підсистему вирівнювання для вирівнювання маски та пластини таким чином, щоб під час процесу експонування точність розташування зображення маски та перенесення візерунка пластини завжди відповідала вимогам до накладення.
Нарешті, дія кроку та експонування всієї поверхні пластини завершується відповідно до встановленого шляху для реалізації функції передачі малюнка.
Подальша літографічна машина з кроковим сканером і сканером базується на наведеному вище базовому робочому процесі, покращуючи кроки → експозицію для сканування → експозицію та фокусування/вирівнювання → вирівнювання → експозицію на двоступеневій моделі для вимірювання (фокусування/вирівнювання → вирівнювання) та сканування експозиція паралельно.
Порівняно з літографічною машиною з покроковим розгортуванням, літографічна машина з покроковим скануванням не потребує синхронного зворотного сканування маски та пластини, а також не вимагає таблиці скануючої маски та системи керування синхронним скануванням. Таким чином, структура відносно проста, вартість відносно низька, а робота надійна.
Після того, як технологія IC перейшла на 0,25 мкм, застосування літографії з покроковим повторенням почало знижуватися через переваги літографії з покроковим скануванням у розмірі поля експозиції сканування та рівномірності експозиції. Наразі найновіша літографія з покроковим повторенням, надана Nikon, має поле зору статичної експозиції таке ж велике, як і літографія з покроковим скануванням, і може обробляти понад 200 пластин на годину з надзвичайно високою продуктивністю. Цей тип літографічної машини в даний час в основному використовується для виготовлення некритичних шарів IC.
4.3 Кроковий сканер
Застосування покрокової літографії почалося в 1990-х роках. Завдяки конфігурації різних джерел експозиції світла технологія крокового сканування може підтримувати різні технологічні вузли процесу, від 365 нм, 248 нм, 193 нм занурення до EUV літографії. На відміну від покроково-повторної літографії, однополе експонування покроково-розгортової літографії приймає динамічне сканування, тобто пластина маски завершує рух сканування синхронно відносно пластини; після завершення поточної експозиції поля пластина переноситься столиком заготовки та переходить до наступної позиції поля сканування, і повторна експозиція продовжується; кілька разів повторюйте поетапне експонування та сканування, доки не будуть експоновані всі поля всієї пластини.
Конфігуруючи різні типи джерел світла (наприклад, i-line, KrF, ArF), кроковий сканер може підтримувати майже всі технологічні вузли напівпровідникового інтерфейсного процесу. У типових процесах CMOS на основі кремнію у великій кількості використовуються крокові сканери, починаючи з вузла 0,18 мкм; Літографічні машини з екстремальним ультрафіолетом (EUV), які зараз використовуються в технологічних вузлах нижче 7 нм, також використовують крокове сканування. Після часткової адаптивної модифікації кроковий сканер також може підтримувати дослідження, розробку та виробництво багатьох процесів, не заснованих на кремнії, таких як MEMS, пристрої живлення та радіочастотні пристрої.
Основними виробниками машин для проекційної літографії зі кроковим скануванням є ASML (Нідерланди), Nikon (Японія), Canon (Японія) і SMEE (Китай). У 2001 році компанія ASML випустила серію літографічних машин TWINSCAN із кроковим скануванням. Вона використовує двоступеневу системну архітектуру, яка може ефективно підвищити продуктивність обладнання, і стала найпоширенішою високоякісною літографічною машиною.
4.4 Імерсійна літографія
З формули Релея видно, що коли довжина хвилі експозиції залишається незмінною, ефективним способом подальшого покращення роздільної здатності зображення є збільшення числової апертури системи зображення. Для роздільної здатності зображення нижче 45 нм і вище метод сухої експозиції ArF більше не може відповідати вимогам (оскільки він підтримує максимальну роздільну здатність зображення 65 нм), тому необхідно запровадити метод імерсійної літографії. У традиційній технології літографії середовищем між лінзою та фоторезистом є повітря, тоді як технологія іммерсійної літографії замінює повітряне середовище рідиною (зазвичай надчистою водою з показником заломлення 1,44).
Насправді технологія імерсійної літографії використовує скорочення довжини хвилі джерела світла після проходження світла через рідке середовище для покращення роздільної здатності, а коефіцієнт скорочення є показником заломлення рідкого середовища. Незважаючи на те, що імерсійна літографічна машина є типом покрокової літографічної машини, і її системне рішення обладнання не змінилося, вона є модифікацією та розширенням покрокової літографічної машини ArF завдяки впровадженню ключових технологій, пов’язаних з до занурення.
Перевага імерсійної літографії полягає в тому, що завдяки збільшенню числової апертури системи покращується роздільна здатність зображення літографічної машини з кроковим сканером, яка може відповідати вимогам процесу роздільної здатності зображення нижче 45 нм.
Оскільки машина для іммерсійної літографії все ще використовує джерело світла ArF, безперервність процесу гарантується, заощаджуючи витрати на дослідження та розробки джерела світла, обладнання та процесу. На цій основі, у поєднанні з кількома технологіями графіки та обчислювальної літографії, машина для занурення в літографію може використовуватися на вузлах процесу 22 нм і нижче. До того, як EUV-літографічна машина була офіційно запущена в масове виробництво, імерсійна літографічна машина широко використовувалася і могла відповідати вимогам процесу 7-нм вузла. Однак завдяки введенню імерсійної рідини інженерна складність самого обладнання значно зросла.
Його ключові технології включають технологію подачі та відновлення імерсійної рідини, технологію підтримки поля імерсійної рідини, технологію забруднення та контролю дефектів імерсійної літографії, розробку та технічне обслуговування іммерсійних проекційних лінз із надвеликою числовою апертурою та технологію визначення якості зображення в умовах занурення.
Наразі комерційні літографічні машини ArFi зі скануванням кроків і сканування в основному надають дві компанії, а саме ASML з Нідерландів і Nikon з Японії. Серед них ціна одного ASML NXT1980 Di становить близько 80 мільйонів євро.
4.4 Екстремальна ультрафіолетова літографічна машина
Щоб підвищити роздільну здатність фотолітографії, довжина хвилі експозиції ще більше скорочується після того, як використовується ексимерне джерело світла, а в якості джерела експозиційного світла вводиться ультрафіолетове світло з довжиною хвилі від 10 до 14 нм. Довжина хвилі екстремального ультрафіолетового світла надзвичайно коротка, і відбиваюча оптична система, яку можна використовувати, зазвичай складається з багатошарових плівкових відбивачів, таких як Mo/Si або Mo/Be.
Серед них теоретична максимальна відбивна здатність багатошарової плівки Mo/Si в діапазоні довжин хвиль від 13,0 до 13,5 нм становить близько 70%, а теоретична максимальна відбивна здатність багатошарової плівки Mo/Be при коротшій довжині хвилі 11,1 нм становить близько 80%. Хоча відбивна здатність багатошарових плівкових рефлекторів Mo/Be вища, Be є високотоксичним, тому дослідження таких матеріалів було припинено при розробці технології EUV-літографії.Сучасна технологія EUV-літографії використовує багатошарову плівку Mo/Si, а її довжина хвилі експозиції також становить 13,5 нм.
Основне джерело екстремального ультрафіолетового світла використовує технологію лазерної плазми (LPP), яка використовує лазери високої інтенсивності для збудження гарячої плазми Sn для випромінювання світла. Довгий час потужність і доступність джерела світла були вузькими місцями, які обмежували ефективність EUV літографічних машин. Завдяки підсилювачу потужності головного генератора, технології прогнозної плазми (PP) і технології очищення дзеркал для збору на місці потужність і стабільність EUV-джерел світла були значно покращені.
Машина для літографії EUV в основному складається з підсистем, таких як джерело світла, освітлення, об’єктив, робочий стіл, маскова поверхня, вирівнювання пластин, фокусування/вирівнювання, передача маски, передача пластини та вакуумна рамка. Після проходження через систему освітлення, що складається з відбивачів з багатошаровим покриттям, ультрафіолетове світло випромінюється на відбиваючу маску. Світло, відбите маскою, потрапляє в оптичну систему формування зображення повного відбиття, що складається з ряду відбивачів, і, нарешті, відбите зображення маски проектується на поверхню пластини у вакуумному середовищі.
Поле огляду експозиції та поле зору зображення EUV-літографічної машини мають дугоподібну форму, і метод покрокового сканування використовується для досягнення повного експонування пластини для покращення швидкості виведення. Найдосконаліша EUV-літографічна машина серії NXE від ASML використовує джерело експозиційного світла з довжиною хвилі 13,5 нм, відбиваючу маску (похилий кут падіння 6°), 4-кратну рефлексивну проекційну систему об’єктивів із 6-дзеркальною структурою (NA=0,33), поле зору сканування 26 мм × 33 мм та середовище експозиції у вакуумі.
Порівняно з машинами для іммерсійної літографії, роздільна здатність одинарної експозиції EUV-літографічних машин, які використовують джерела екстремального ультрафіолетового світла, була значно покращена, що дозволяє ефективно уникнути складного процесу, необхідного для багаторазової фотолітографії для формування графіки високої роздільної здатності. В даний час роздільна здатність однієї експозиції літографічної машини NXE 3400B з числовою апертурою 0,33 досягає 13 нм, а продуктивність досягає 125 шт./год.
Щоб задовольнити потреби подальшого розширення закону Мура, у майбутньому EUV-літографічні машини з числовою апертурою 0,5 матимуть систему проекційних об’єктивів із центральним блокуванням світла, використовуючи асиметричне збільшення 0,25 разів/0,125 разів, і поле зору експозиції сканування буде зменшено з 26 м × 33 мм до 26 мм × 16,5 мм, а роздільна здатність однієї експозиції може досягати нижче 8 нм.
——————————————————————————————————————————————————— ———————————
Semicera може забезпечитиграфітові деталі, м'який/жорсткий фетр, деталі з карбіду кремнію, CVD деталі з карбіду кремнію, іДеталі з покриттям SiC/TaCз повним напівпровідниковим процесом за 30 днів.
Якщо ви зацікавлені у вищевказаних напівпровідникових продуктах,будь ласка, не соромтеся звертатися до нас у перший раз.
Тел.: +86-13373889683
WhatsAPP: +86-15957878134
Email: sales01@semi-cera.com
Час публікації: 31 серпня 2024 р