Один обзор
В процессе производства интегральных схем фотолитография является основным процессом, определяющим уровень интеграции интегральных схем. Функция этого процесса заключается в точной передаче графической информации схемы с маски (также называемой маской) на подложку из полупроводникового материала.
Основной принцип процесса фотолитографии заключается в использовании фотохимической реакции фоторезиста, нанесенного на поверхность подложки, для записи рисунка схемы на маске, тем самым достигая цели переноса рисунка интегральной схемы с проекта на подложку.
Основной процесс фотолитографии:
Сначала на поверхность подложки с помощью лакировочной машины наносится фоторезист;
Затем фотолитографическая машина используется для экспонирования подложки, покрытой фоторезистом, а механизм фотохимической реакции используется для записи информации о рисунке маски, передаваемой фотолитографической машиной, завершая точную передачу, перенос и репликацию рисунка маски на подложку;
Наконец, для проявления экспонированной подложки используется проявитель для удаления (или сохранения) фоторезиста, который подвергается фотохимической реакции после экспонирования.
Второй процесс фотолитографии
Чтобы перенести спроектированный рисунок схемы на маске на кремниевую пластину, сначала необходимо осуществить перенос посредством процесса экспонирования, а затем кремниевый рисунок необходимо получить посредством процесса травления.
Поскольку для освещения зоны процесса фотолитографии используется источник желтого света, к которому нечувствительны светочувствительные материалы, ее также называют зоной желтого света.
Фотолитография впервые была использована в полиграфической промышленности и была основной технологией производства печатных плат. С 1950-х годов фотолитография постепенно стала основной технологией переноса рисунка при производстве микросхем.
Ключевые показатели процесса литографии включают разрешение, чувствительность, точность наложения, процент дефектов и т. д.
Наиболее важным материалом в процессе фотолитографии является фоторезист, который является светочувствительным материалом. Поскольку чувствительность фоторезиста зависит от длины волны источника света, для процессов фотолитографии требуются различные материалы фоторезиста, такие как линия g/i, 248 нм KrF и 193 нм ArF.
Основной процесс типичного процесса фотолитографии включает пять этапов.:
-Подготовка базовой пленки;
-Наносим фоторезист и мягкую запекание;
-Выравнивание, экспонирование и постэкспозиционный запекание;
-Проявка жесткой пленки;
-Обнаружение развития.
(1)Подготовка базовой пленки: в основном очистка и обезвоживание. Поскольку любые загрязнения ослабляют адгезию между фоторезистом и пластиной, тщательная очистка может улучшить адгезию между пластиной и фоторезистом.
(2)Фоторезистное покрытие: Это достигается за счет вращения кремниевой пластины. Разные фоторезисты требуют разных параметров процесса нанесения покрытия, включая скорость вращения, толщину фоторезиста и температуру.
Мягкое запекание: запекание может улучшить адгезию между фоторезистом и кремниевой пластиной, а также однородность толщины фоторезиста, что полезно для точного контроля геометрических размеров последующего процесса травления.
(3)Выравнивание и экспозиция: Выравнивание и экспозиция — наиболее важные этапы процесса фотолитографии. Они подразумевают совмещение рисунка маски с существующим рисунком на пластине (или рисунком переднего слоя) и последующее облучение его определенным светом. Энергия света активирует светочувствительные компоненты фоторезиста, тем самым передавая рисунок маски на фоторезист.
Оборудование, используемое для выравнивания и экспонирования, представляет собой фотолитографическую машину, которая является самой дорогой единицей технологического оборудования во всем процессе производства интегральных схем. Технический уровень фотолитографической машины отражает уровень развития всей производственной линии.
Постэкспозиционный запекание: относится к короткому процессу запекания после экспонирования, который оказывает иной эффект, чем у фоторезистов с глубоким ультрафиолетом и обычных фоторезистов i-line.
Для фоторезиста глубокого ультрафиолета постэкспозиционная сушка удаляет защитные компоненты в фоторезисте, позволяя фоторезисту раствориться в проявителе, поэтому постэкспозиционная сушка необходима;
Для обычных фоторезистов i-line запекание после экспонирования может улучшить адгезию фоторезиста и уменьшить стоячие волны (стоячие волны будут оказывать неблагоприятное воздействие на морфологию краев фоторезиста).
(4)Разработка жесткой пленки: использование проявителя для растворения растворимой части фоторезиста (позитивного фоторезиста) после экспонирования и точного отображения рисунка маски с рисунком фоторезиста.
Ключевые параметры процесса проявления включают температуру и время проявления, дозировку и концентрацию проявителя, очистку и т. д. Регулируя соответствующие параметры процесса проявления, можно увеличить разницу в скорости растворения между экспонированными и неэкспонированными частями фоторезиста, тем самым получение желаемого эффекта развития.
Отверждение также известно как отверждающая сушка, которая представляет собой процесс удаления оставшегося растворителя, проявителя, воды и других ненужных остаточных компонентов в проявленном фоторезисте путем их нагревания и испарения с целью улучшения адгезии фоторезиста к кремниевой подложке и устойчивость фоторезиста к травлению.
Температура процесса отверждения варьируется в зависимости от различных фоторезистов и методов отверждения. Предполагается, что рисунок фоторезиста не деформируется и фоторезист должен быть достаточно твердым.
(5)Инспекция развития: проверка на наличие дефектов рисунка фоторезиста после проявления. Обычно технология распознавания изображений используется для автоматического сканирования рисунка чипа после разработки и сравнения его с заранее сохраненным бездефектным стандартным образцом. Если обнаружено какое-либо отличие, изделие считается бракованным.
Если количество дефектов превышает определенное значение, считается, что кремниевая пластина не прошла испытание на разработку и может быть утилизирована или переработана при необходимости.
В процессе производства интегральных схем большинство процессов необратимы, а фотолитография — один из немногих процессов, которые можно переработать.
Три фотомаски и фоторезист.
3.1 Фотомаска
Фотомаска, также известная как фотолитографическая маска, представляет собой мастер, используемый в процессе фотолитографии при производстве пластин интегральных схем.
Процесс изготовления фотомаски заключается в преобразовании исходных данных макета, необходимых для производства пластин, разработанных инженерами-разработчиками интегральных схем, в формат данных, который может быть распознан генераторами лазерных изображений или оборудованием для экспонирования электронным лучом посредством обработки данных маски, чтобы их можно было экспонировать с помощью вышеуказанное оборудование на материале подложки фотомаски, покрытом светочувствительным материалом; затем он подвергается ряду процессов, таких как проявка и травление, чтобы зафиксировать рисунок на материале подложки; наконец, его осматривают, ремонтируют, очищают и ламинируют пленкой, образуя маску, и доставляют для использования производителю интегральных схем.
3.2 Фоторезист
Фоторезист, также известный как фоторезист, представляет собой светочувствительный материал. Светочувствительные компоненты в нем претерпевают химические изменения под воздействием света, вызывая тем самым изменения скорости растворения. Его основная функция – перенос рисунка маски на подложку, например пластину.
Принцип работы фоторезиста: во-первых, фоторезист наносится на подложку и предварительно обжигается для удаления растворителя;
Во-вторых, маска подвергается воздействию света, в результате чего светочувствительные компоненты в экспонируемой части вступают в химическую реакцию;
Затем выполняется постэкспозиционный запекание;
Наконец, фоторезист частично растворяется в процессе проявления (для позитивного фоторезиста растворяется экспонированная область; для негативного фоторезиста растворяется неэкспонированная область), тем самым осуществляя перенос рисунка интегральной схемы с маски на подложку.
Компоненты фоторезиста в основном включают пленкообразующую смолу, светочувствительный компонент, микроэлементы и растворитель.
Среди них пленкообразующая смола используется для придания механических свойств и устойчивости к травлению; светочувствительный компонент претерпевает химические изменения под действием света, вызывая изменения скорости растворения;
К микродобавкам относятся красители, усилители вязкости и т. д., которые используются для улучшения характеристик фоторезиста; растворители используются для растворения компонентов и их равномерного смешивания.
Фоторезисты, широко используемые в настоящее время, можно разделить на традиционные фоторезисты и химически усиленные фоторезисты в соответствии с механизмом фотохимической реакции, а также можно разделить на ультрафиолетовые, глубокие ультрафиолетовые, крайние ультрафиолетовые, электронно-лучевые, ионно-лучевые и рентгеновские фоторезисты в соответствии с механизмом фоторезистов. длина волны фоточувствительности.
Четыре фотолитографических оборудования
Технология фотолитографии прошла через процесс развития контактной/бесконтактной литографии, оптической проекционной литографии, пошаговой литографии, сканирующей литографии, иммерсионной литографии и EUV-литографии.
4.1 Машина для контактной/бесконтактной литографии
Технология контактной литографии появилась в 1960-х годах и получила широкое распространение в 1970-е годы. Это был основной метод литографии в эпоху малых интегральных схем, который в основном использовался для производства интегральных схем с размерами элементов более 5 мкм.
В машине для контактной/проксимальной литографии пластина обычно помещается на горизонтальное положение, управляемое вручную, и на вращающийся рабочий стол. Оператор использует дискретный полевой микроскоп для одновременного наблюдения за положением маски и пластины и вручную контролирует положение рабочего стола для выравнивания маски и пластины. После того, как пластина и маска выровнены, они будут прижаты друг к другу так, чтобы маска находилась в прямом контакте с фоторезистом на поверхности пластины.
После удаления объектива микроскопа прессованную пластину и маску перемещают на экспонирующий стол для экспонирования. Свет, излучаемый ртутной лампой, коллимируется и параллелен маске через линзу. Поскольку маска находится в непосредственном контакте со слоем фоторезиста на пластине, рисунок маски после экспонирования переносится на слой фоторезиста в соотношении 1:1.
Оборудование для контактной литографии является самым простым и экономичным оборудованием для оптической литографии, способным обеспечить экспонирование графики субмикронного размера, поэтому оно до сих пор используется при мелкосерийном производстве продукции и лабораторных исследованиях. В крупномасштабном производстве интегральных схем была внедрена технология бесконтактной литографии, чтобы избежать увеличения затрат на литографию, вызванного прямым контактом между маской и пластиной.
Проксимитивная литография широко использовалась в 1970-х годах, в эпоху малых интегральных схем и в раннюю эпоху средних интегральных схем. В отличие от контактной литографии, при бесконтактной литографии маска не находится в непосредственном контакте с фоторезистом на пластине, а остается зазор, заполненный азотом. Маска плавает в азоте, а размер зазора между маской и пластиной определяется давлением азота.
Поскольку при бесконтактной литографии между пластиной и маской нет прямого контакта, дефекты, возникающие в процессе литографии, уменьшаются, тем самым уменьшая потери маски и повышая выход пластины. При бесконтактной литографии зазор между пластиной и маской помещает пластину в область дифракции Френеля. Наличие дифракции ограничивает дальнейшее улучшение разрешения оборудования для бесконтактной литографии, поэтому эта технология в основном подходит для производства интегральных схем с размерами элементов более 3 мкм.
4.2 Степпер и повторитель
Степпер — одно из самых важных устройств в истории литографии пластин, которое способствовало внедрению процесса субмикронной литографии в массовое производство. Степпер использует типичное статическое поле экспозиции размером 22×22 мм и оптическую проекционную линзу с коэффициентом уменьшения 5:1 или 4:1 для переноса рисунка с маски на пластину.
Машина для пошаговой литографии обычно состоит из подсистемы экспонирования, подсистемы столика заготовки, подсистемы столика маски, подсистемы фокусировки/выравнивания, подсистемы выравнивания, подсистемы основного кадра, подсистемы переноса пластины, подсистемы переноса маски. , электронная подсистема и программная подсистема.
Типичный рабочий процесс машины для пошаговой литографии выглядит следующим образом.:
Сначала пластина, покрытая фоторезистом, переносится на стол заготовки с помощью подсистемы переноса пластин, а экспонируемая маска переносится на стол маски с использованием подсистемы переноса маски;
Затем система использует подсистему фокусировки/нивелирования для выполнения многоточечного измерения высоты пластины на столе заготовки для получения такой информации, как высота и угол наклона поверхности пластины, подлежащей экспонированию, так что область воздействия пластину всегда можно контролировать в пределах фокусной глубины проекционного объектива во время процесса экспонирования;Впоследствии система использует подсистему выравнивания для выравнивания маски и пластины так, чтобы во время процесса экспонирования точность положения изображения маски и переноса рисунка пластины всегда находилась в пределах требований наложения.
Наконец, действие шага и экспонирования всей поверхности пластины завершается в соответствии с заданным путем для реализации функции передачи рисунка.
Последующая литографическая машина с шаговым двигателем и сканером основана на описанном выше базовом рабочем процессе, улучшая шаг → экспонирование при сканировании → экспонирование и фокусировку/нивелирование → выравнивание → экспонирование на двухэтапной модели для измерения (фокусировка/нивелирование → выравнивание) и сканирования. воздействие параллельно.
По сравнению с машиной пошаговой литографии, машина пошаговой литографии не требует синхронного обратного сканирования маски и пластины, а также не требует стола маски сканирования и системы управления синхронным сканированием. Таким образом, структура относительно проста, стоимость относительно низкая, а работа надежна.
После того, как технология IC достигла размера 0,25 мкм, применение пошаговой литографии начало сокращаться из-за преимуществ пошаговой литографии в размере поля экспозиции сканирования и однородности экспозиции. В настоящее время новейшая технология пошаговой литографии, предлагаемая компанией Nikon, имеет статическое поле зрения, такое же большое, как и при пошаговой литографии, и может обрабатывать более 200 пластин в час с чрезвычайно высокой производственной эффективностью. Этот тип литографической машины в настоящее время в основном используется для изготовления некритических слоев ИС.
4.3 Шаговый сканер
Применение пошаговой литографии началось в 1990-х годах. Путем настройки различных источников экспонирующего света технология пошагового сканирования может поддерживать различные технологические узлы: от иммерсионной 365-нм, 248-нм, 193-нм до EUV-литографии. В отличие от пошаговой литографии, экспонирование в одном поле при пошаговой литографии предполагает динамическое сканирование, то есть пластина-шаблон завершает движение сканирования синхронно относительно пластины; после завершения текущего экспонирования поля пластина переносится на предметный столик и перемещается в следующее положение поля сканирования, и повторное экспонирование продолжается; повторите пошаговое сканирование несколько раз, пока не будут обнажены все поля всей пластины.
Путем настройки различных типов источников света (таких как i-line, KrF, ArF) шаговый сканер может поддерживать практически все технологические узлы полупроводникового фронтального процесса. Типичные КМОП-процессы на основе кремния в больших количествах используют шаговые сканеры, начиная с узла 0,18 мкм; машины для литографии в крайнем ультрафиолетовом диапазоне (EUV), используемые в настоящее время в технологических узлах ниже 7 нм, также используют шаговое сканирование. После частичной адаптивной модификации шаговый сканер может также поддерживать исследования, разработки и производство многих процессов, не связанных с кремнием, таких как МЭМС, силовые устройства и радиочастотные устройства.
Основными производителями машин для пошаговой проекционной литографии являются компании ASML (Нидерланды), Nikon (Япония), Canon (Япония) и SMEE (Китай). Компания ASML выпустила серию литографических машин шагового сканирования TWINSCAN в 2001 году. Она использует двухэтапную системную архитектуру, которая позволяет эффективно повысить производительность оборудования и стала наиболее широко используемой высокотехнологичной литографической машиной.
4.4 Иммерсионная литография
Из формулы Рэлея видно, что, когда длина волны воздействия остается неизменной, эффективным способом дальнейшего улучшения разрешения изображения является увеличение числовой апертуры системы формирования изображения. Для разрешения изображения ниже 45 нм и выше метод сухой экспозиции ArF больше не может соответствовать требованиям (поскольку он поддерживает максимальное разрешение изображения 65 нм), поэтому необходимо внедрить метод иммерсионной литографии. В традиционной технологии литографии средой между линзой и фоторезистом является воздух, а в технологии иммерсионной литографии воздушная среда заменяется жидкостью (обычно сверхчистой водой с показателем преломления 1,44).
Фактически, технология иммерсионной литографии использует сокращение длины волны источника света после прохождения света через жидкую среду для улучшения разрешения, а коэффициент сокращения представляет собой показатель преломления жидкой среды. Хотя машина для иммерсионной литографии представляет собой тип машины для пошаговой и сканирующей литографии, и ее системное решение не изменилось, она представляет собой модификацию и расширение машины для пошаговой и сканирующей литографии ArF за счет внедрения ключевых технологий, связанных с для погружения.
Преимущество иммерсионной литографии заключается в том, что благодаря увеличению числовой апертуры системы улучшается разрешение изображения литографической машины с шаговым сканером, что может удовлетворить технологические требования к разрешению изображения ниже 45 нм.
Поскольку в машине для иммерсионной литографии по-прежнему используется источник света ArF, гарантируется непрерывность процесса, что позволяет сэкономить на исследованиях и разработках источника света, оборудования и процесса. Благодаря этому, в сочетании с технологией множественной графики и вычислительной литографии, машина иммерсионной литографии может использоваться на технологических узлах 22 нм и ниже. До того, как машина EUV-литографии была официально запущена в массовое производство, машина иммерсионной литографии широко использовалась и могла соответствовать технологическим требованиям 7-нм узла. Однако из-за введения иммерсионной жидкости существенно возросла инженерная сложность самого оборудования.
Ее ключевые технологии включают технологию подачи и восстановления иммерсионной жидкости, технологию обслуживания иммерсионной жидкости в полевых условиях, технологию контроля загрязнений и дефектов иммерсионной литографии, разработку и обслуживание иммерсионных проекционных линз со сверхбольшой числовой апертурой, а также технологию определения качества изображения в условиях погружения.
В настоящее время коммерческие машины для пошаговой и сканирующей литографии ArFi в основном поставляются двумя компаниями, а именно ASML из Нидерландов и Nikon из Японии. Среди них цена одного ASML NXT1980 Di составляет около 80 миллионов евро.
4.4 Машина для экстремальной ультрафиолетовой литографии
Чтобы улучшить разрешение фотолитографии, длина волны экспонирования дополнительно сокращается после использования эксимерного источника света, а в качестве источника экспонирующего света используется ультрафиолетовый свет с длиной волны от 10 до 14 нм. Длина волны крайнего ультрафиолета чрезвычайно коротка, а отражающая оптическая система, которую можно использовать, обычно состоит из многослойных пленочных отражателей, таких как Mo/Si или Mo/Be.
Среди них теоретическая максимальная отражательная способность многослойной пленки Mo/Si в диапазоне длин волн от 13,0 до 13,5 нм составляет около 70%, а теоретическая максимальная отражательная способность многослойной пленки Mo/Be на более короткой длине волны 11,1 нм составляет около 80%. Хотя отражательная способность многослойных пленочных отражателей Mo/Be выше, Be высокотоксичен, поэтому исследования таких материалов были прекращены при разработке технологии EUV-литографии.В современной технологии EUV-литографии используется многослойная пленка Mo/Si, длина волны воздействия которой также определяется как 13,5 нм.
Основной источник экстремального ультрафиолетового света использует технологию лазерной плазмы (LPP), в которой используются лазеры высокой интенсивности для возбуждения плазмы горячего расплава олова для излучения света. В течение долгого времени мощность и доступность источника света были узкими местами, ограничивающими эффективность машин EUV-литографии. Благодаря усилителю мощности задающего генератора, технологии прогнозирующей плазмы (PP) и технологии очистки собирающих зеркал на месте, мощность и стабильность источников EUV-света были значительно улучшены.
Машина EUV-литографии в основном состоит из таких подсистем, как источник света, освещение, объектив, столик заготовки, столик маски, выравнивание пластины, фокусировка/выравнивание, передача маски, передача пластины и вакуумная рама. Пройдя через систему освещения, состоящую из отражателей с многослойным покрытием, крайний ультрафиолетовый свет попадает на отражающую маску. Свет, отраженный маской, поступает в оптическую систему формирования изображения полного отражения, состоящую из ряда отражателей, и, наконец, отраженное изображение маски проецируется на поверхность пластины в вакуумной среде.
Поле обзора экспонирования и поле зрения устройства EUV-литографии имеют форму дуги, а для достижения полного экспонирования пластины и повышения производительности используется метод пошагового сканирования. Самая совершенная машина для EUV-литографии ASML серии NXE использует источник экспонирующего света с длиной волны 13,5 нм, отражающую маску (наклонное падение 6°), систему отражающих проекционных объективов с 4-кратным уменьшением и структурой из 6 зеркал (NA = 0,33), Поле зрения сканирования 26 мм × 33 мм и среда вакуумного воздействия.
По сравнению с машинами для иммерсионной литографии разрешение литографических машин EUV с одиночной экспозицией, использующих источники крайнего ультрафиолетового света, было значительно улучшено, что позволяет эффективно избежать сложного процесса, необходимого для многократной фотолитографии для формирования графики высокого разрешения. В настоящее время разрешение однократной экспозиции литографической машины NXE 3400B с числовой апертурой 0,33 достигает 13 нм, а производительность — 125 шт./ч.
Чтобы удовлетворить потребности дальнейшего расширения закона Мура, в будущем машины EUV-литографии с числовой апертурой 0,5 будут использовать систему проекционных объективов с центральной блокировкой света, используя асимметричное увеличение 0,25-кратное/0,125-кратное, и Поле зрения при сканировании будет уменьшено с 26 × 33 мм до 26 × 16,5 мм, а разрешение однократной экспозиции может достигать менее 8 нм.
————————————————————————————————————————————————— ———————————
Semicera может предоставитьграфитовые детали, мягкий/жесткий фетр, детали из карбида кремния, Детали из карбида кремния CVD, иДетали с покрытием SiC/TaCс полным полупроводниковым процессом за 30 дней.
Если вы заинтересованы в вышеуказанных полупроводниковых продуктах,Пожалуйста, не стесняйтесь обращаться к нам в первый раз.
Тел: +86-13373889683
WhatsAPP: +86-15957878134
Email: sales01@semi-cera.com
Время публикации: 31 августа 2024 г.