Фотолитографическое оборудование: от степперов к сканерам.

Введение

Фотолитографический инструмент
тип двигателя

Степпер, или пластинчатый степпер, – это устройство, используемое в производстве интегральных схем (ИС). Он является важной частью процесса фотолитографии, который создает миллионы микроскопических элементов схемы на поверхности кремниевых пластин, из которых изготавливаются чипы. Принцип его работы схож с работой слайд-проектора или фотоувеличителя. ИС, которые производятся, составляют основу компьютерных процессоров, микросхем памяти и многих других электронных устройств. Степпер – это сокращение от "step and repeat camera" (камера последовательного шага и повторения). Степпер появился в конце 1970-х годов, но широкое распространение получил лишь в 1980-х. Это произошло потому, что он заменял более раннюю технологию – выравниватель масок. Выравниватели формировали изображение всей поверхности пластины одновременно, производя множество чипов за одну операцию. В отличие от них, степпер формировал изображение только одного чипа за раз, и поэтому работал значительно медленнее. В конечном итоге степпер вытеснил выравниватель, когда неуклонное действие закона Мура потребовало уменьшения размеров элементов. Поскольку степпер формировал изображение только одного чипа за раз, он обеспечивал более высокое разрешение и стал первой технологией, преодолевшей предел в 1 микрон. Добавление систем автоматического выравнивания сократило время настройки, необходимое для формирования изображения нескольких ИС, и к концу 1980-х годов степпер практически полностью заменил выравниватель на рынке высокопроизводительного оборудования. Сам степпер был заменен системами последовательного шага и сканирования (сканерами), которые обеспечивали повышение разрешения на порядок величины. Системы шага и сканирования работают, сканируя лишь небольшую часть маски для каждого отдельного ИС, и поэтому требуют значительно большего времени работы, чем оригинальные степперы. Системы шага и сканирования получили широкое распространение в 1990-х годах и стали практически универсальными к 2000-м годам. Сегодня системы шага и сканирования настолько распространены, что их часто называют просто степперами. Примером системы шага и сканирования является PAS 5500 от ASML.

История

1957 год: Попытки миниатюризации электронных схем начались еще в 1957 году, когда Джей Латроп и Джеймс Налл из Лабораторий алмазного взрывателя армии США получили патент США 2890395A на фотолитографическую технологию, которую можно было использовать для нанесения тонких пленочных металлических полос, которые, в свою очередь, использовались для соединения дискретных транзисторов на керамической пластине. Она также применялась для травления отверстий в слоях диоксида кремния (SiO2) для микроизготовления диодных матриц. Позже, в 1959 году, Латроп перешел в Texas Instruments, работая под руководством Джека Килби, а Налл присоединился к Fairchild Semiconductor. 1958 год: На основе их работ Джей Ласт и Роберт Нойс в Fairchild Semiconductor построили одну из первых камер «шаг и повтор», которая повторяла идентичные рисунки транзисторов на одной пластине с использованием фотолитографии. Позже компания была продана корпорациям GCA/Mann и Perkin Elmer. Пропускная способность этой машины составляла одну пластину шириной 2 дюйма за раз. Cobilt, который также торговал за рубежом и имел заводы в Азии (Гонконг, Корея и т.д.), в Европе изначально представляла компания Advanced Semiconductor Materials (ASM), управляемая в Нидерландах, которая основала ASML в середине 1960-х годов. Около 1971 года Cobilt была приобретена компанией Computervision, которая значительно автоматизировала машину Cobilt. 1973 год: Perkin Elmer представила проекционный выравниватель Micralign. Это помогло снизить количество дефектных кристаллов, что приводило к низкой производительности, и значительно стимулировало индустрию интегральных схем, способствуя снижению цен на чипы. GCA представила первый успешный степпер DSW 4800 в 1975 году. Он мог достигать критических размеров в 1 микрон, что было лучше, чем у любой другой системы того времени.

Роль степпера в фотолитографии

Интегрированные схемы (ИС) производятся в процессе, известном как фотолитография. Процесс начинается с большого высокоочищенного цилиндрического кристалла полупроводникового материала, известного как буль (boule). Тонкие пластины вырезаются из буля для формирования дисков, которые затем подвергаются предварительной обработке для создания заготовки кремниевой пластины. Элементы схемы, которые должны быть созданы на ИС, воспроизводятся в виде рисунка из прозрачных и непрозрачных участков на поверхности стеклянной или пластиковой пластины, называемой фотомаской или ретикулой. Пластина покрывается светочувствительным материалом, называемым фоторезистом. Маска позиционируется над пластиной, и яркий свет, обычно ультрафиолетовый, пропускается через маску. Под воздействием света участки фоторезиста либо затвердевают, либо размягчаются, в зависимости от технологии. После экспонирования пластина проявляется подобно фотопленке, в результате чего фоторезист растворяется в определенных областях в соответствии с количеством света, полученного этими областями во время экспонирования. Эти участки с фоторезистом и без него воспроизводят рисунок на ретикуле. Проявленная пластина затем подвергается воздействию растворителей. Растворитель вытравливает кремний в тех частях пластины, которые больше не защищены слоем фоторезиста. Другие химические вещества используются для изменения электрических характеристик кремния в открытых участках. Затем пластина очищается, повторно покрывается фоторезистом и снова проходит через этот процесс, который формирует схему на кремнии слой за слоем. После завершения всего процесса пластина разрезается на отдельные чипы, тестируется и упаковывается для продажи.

Выровняющие и степперы

До появления степперов пластины экспонировались с помощью установок для совмещения масок, которые формировали рисунок на всей пластине сразу. Маски для этих установок содержали множество отдельных интегральных схем, расположенных по всей площади маски. Между каждым шагом оператор использовал микроскоп для выравнивания пластины с последующей маской. В 1970-х годах установки для совмещения масок обычно работали с увеличением один к одному, что ограничивало детализацию на пластине примерно тем, что можно было получить на самой маске. По мере уменьшения размеров элементов в соответствии с законом Мура, создание этих сложных многочиповых масок становилось все более трудным. В 1975 году компания GCA представила первую камеру для пошаговой экспозиции и сканирования, что упростило процесс изготовления масок. В этой системе одна исходная маска, известная как ретикуляр, изготавливалась в большом масштабе для обеспечения механической прочности. Она проецировалась через фотопроектор, уменьшая изображение в 5-10 раз. Механизм проецировал ретикуляр на фотопластину, перемещал ретикуляр в другое положение и повторял этот процесс. В результате получалась маска, содержащая множество точных копий исходного рисунка ретикулярa. Компания GCA продолжила разработку оборудования как системы прямой экспозиции на пластину, устранив необходимость в изготовлении маски из ретикулярa и используя ретикуляр для непосредственной экспозиции пластины. Поскольку ретикуляр был значительно больше конечного изображения, разрешение можно было улучшить, так как ранее оно ограничивалось разрешением самой маски. Для формирования рисунка на всей пластине маска многократно перемещалась, или "шагала", по поверхности пластины. Это требовало невероятной точности механизма шага, обеспечивающего прецизионное выравнивание. Процесс выравнивания обычно автоматизирован, исключая ручное управление. Поскольку время каждой экспозиции сопоставимо со временем экспозиции всей маски в установке для совмещения масок, степперы по своей природе медленнее, чем установки для совмещения масок, поэтому последние продолжают использоваться в тех случаях, когда не требуется высокое разрешение. Степперы многократно увеличили возможное разрешение по сравнению с установками для совмещения масок и стали первыми системами, позволившими создавать элементы размером менее 1 микрона. Однако неуклонное развитие закона Мура привело отрасль к тому, что даже максимального увеличения, доступного в проекционной системе, было недостаточно для дальнейшего уменьшения размеров элементов. Это привело к появлению в 1990 году систем "шаг и сканирование", которые объединяют систему степпера со сканером, проецирующим только часть маски за один раз. Это обеспечивает лучшую фокусировку на небольшой части маски, хотя и значительно замедляет процесс производства интегральных схем. По состоянию на 2008 год системы "шаг и сканирование" являются наиболее широко используемыми системами для изготовления высокопроизводительных полупроводниковых устройств.

Before steppers, wafers were exposed using mask aligners, which patterned the entire wafer at once. Masks for these systems would contain many individual ICs patterned across the mask. Between each step, the operator would use a microscope to align the wafer with the next mask to be applied. During the 1970s, aligners generally worked at a one to one magnification, which limited the amount of detail on the wafer to about whatever could be produced on the mask. As feature sizes shrank, following Moore's law, the construction of these complex multi chip masks became very difficult. In 1975, GCA introduced the first step and scan camera, which simplified the process of making masks. In this system, a single parent mask, known as the reticle, was produced at large scale so it could be mechanically robust. This was imaged through a photographic projector, shrinking the projected image 5 to 10 times. The mechanism imaged the reticle onto a photographic plate, moved the reticle to another position, and repeated this process. The result was a mask containing many precise images of the original reticle pattern. GCA continued development of the hardware as a direct to wafer system, eliminating the need to produce a mask from the reticle and instead using the reticle to expose the wafer directly. Because the reticle was at a much larger scale than the final image, the resolution could be improved, as this was formerly limited to the resolution of the mask itself. To pattern the entire wafer, the mask is repeatedly moved, or stepped, across the surface of the wafer. This requires the stepping mechanism to be incredibly accurate, demanding precise alignment. The alignment process is normally automated, eliminating manual operation. As each exposure takes as long as the entire mask in an aligner, steppers are inherently slower to use than aligners, so aligners remain in use for roles where higher resolutions are not required. Steppers increased the possible resolution many times over that of the aligners and were the first systems to allow features smaller than 1 micron. However, the relentless drive of Moore's law pushed the industry to the point where even the maximum magnifications possible in the projection system were not enough to continue shrinking the feature sizes. This led to the 1990 introduction of the step and scan systems, which combine a stepper system with a scanner that images only a portion of the mask at a time. Doing so allows much better focus over the tiny part of the mask, although it also makes the IC production process much slower. As of 2008, step and scan systems are the most widely used systems for high end semiconductor device fabrication.

Основные подкомплекты

Типичный степпер состоит из следующих узлов: загрузчик пластин, пластиновый стол, система выравнивания пластин, загрузчик маски, масочный стол, система выравнивания маски, редукционная линза и система освещения. Программы обработки для каждого слоя, наносимого на пластину, выполняются системой управления, основанной на компьютере, который хранит программу обработки, считывает ее и взаимодействует с различными узлами степпера при выполнении команд программы. Компоненты степпера размещены в герметичной камере, в которой поддерживается точная температура для предотвращения искажений в напечатанных изображениях, которые могут быть вызваны расширением или сжатием пластины из-за колебаний температуры. Камера также содержит другие системы, поддерживающие процесс, такие как система кондиционирования воздуха, источники питания, платы управления для различных электрических компонентов и другие.

Основная работа

Кремниевые пластины покрываются фоторезистом и помещаются в кассету или "бот", в которой размещается несколько пластин. Затем это размещается в части степпера, называемой загрузчиком пластин, обычно расположенной в нижней передней части степпера. Робот в загрузчике пластин берет одну из пластин из кассеты и загружает ее на платформу для пластин, где она выравнивается для последующего, более точного процесса выравнивания. Рисунок схемы для каждого чипа содержится в рисунке, вытравленном в хроме на ретикуле – пластине из прозрачного кварца. Типичная ретикула, используемая в степперах, имеет размер 6 дюймов в квадрате и полезную площадь 104 мм на 132 мм. Различные ретикулы, каждый из которых предназначен для определенного этапа процесса, хранятся в стойке в загрузчике ретикул, обычно расположенном в верхней передней части степпера. Перед экспонированием пластины робот загружает ретикулу на платформу для ретикул, где она также очень точно выравнивается. Поскольку одна и та же ретикула может использоваться для экспонирования многих пластин, она загружается один раз перед серией экспонирований и периодически перенастраивается. После того, как пластина и ретикула установлены и выровнены, платформа для пластин, которая с высокой точностью перемещается в направлениях X и Y (вперед-назад и влево-вправо) с помощью червячных передач или линейных двигателей, перемещает пластину так, чтобы первый из множества рисунков (или "кадров"), которые будут экспонированы на ней, оказался под линзой, непосредственно под ретикулой. Хотя пластина выравнивается после размещения на платформе для пластин, этого выравнивания недостаточно для обеспечения точного совмещения экспонируемого слоя схемы с предыдущими слоями, уже присутствующими на пластине. Поэтому каждый кадр выравнивается с использованием специальных меток выравнивания, расположенных в рисунке для каждого конечного интегрального чипа. После завершения этого точного выравнивания кадр экспонируется светом от системы освещения степпера, который проходит через ретикулу, через редукционный объектив и на поверхность пластины. Программный процесс или "рецепт" определяет длительность экспонирования, используемую ретикулу, а также другие факторы, влияющие на экспонирование. Каждый кадр расположен по сетчатому рисунку на пластине и экспонируется поочередно, когда пластина перемещается вперед и назад под линзой. Когда все кадры на пластине экспонированы, загрузчик пластин выгружает пластину, а другая пластина занимает ее место на платформе. Экспонированная пластина в конечном итоге перемещается в проявитель, где фоторезист на ее поверхности подвергается воздействию проявляющих химикатов, которые смывают участки фоторезиста в зависимости от того, были ли они подвержены воздействию света, прошедшего через ретикулу. Затем обработанная поверхность подвергается другим процессам фотолитографии.

The silicon wafers are coated with photoresist, and placed in a cassette or "boat" that holds a number of wafers. This is then placed in a part of the stepper called the wafer loader, usually located at the lower front of the stepper. A robot in the wafer loader picks up one of the wafers from the cassette and loads it onto the wafer stage where it is aligned to enable another, finer alignment process that will occur later on. The pattern of the circuitry for each chip is contained in a pattern etched in chrome on the reticle, which is a plate of transparent quartz. A typical reticle used in steppers is 6 inches square and has a usable area of 104mm by 132mm. A variety of reticles, each appropriate for one stage in the process, are contained in a rack in the reticle loader, usually located at the upper front of the stepper. Before the wafer is exposed a reticle is loaded onto the reticle stage by a robot, where it is also very precisely aligned. Since the same reticle can be used to expose many wafers, it is loaded once before a series of wafers is exposed, and is realigned periodically. Once the wafer and reticle are in place and aligned, the wafer stage, which is moved very precisely in the X and Y directions (front to back and left to right) by worm screws or linear motors, carries the wafer so that the first of the many patterns (or "shots") to be exposed on it is located below the lens, directly under the reticle. Although the wafer is aligned after it is placed on the wafer stage, this alignment is not sufficient to ensure that the layer of circuitry to be printed onto the wafer exactly overlays previous layers already there. Therefore, each shot is aligned using special alignment marks that are located in the pattern for each final IC chip. Once this fine alignment is completed, the shot is exposed by light from the stepper's illumination system that passes through the reticle, through a reduction lens, and on to the surface of the wafer. A process program or "recipe" determines the length of the exposure, the reticle used, as well as other factors that affect the exposure. Each shot located in a grid pattern on the wafer and is exposed in turn as the wafer is stepped back and forth under the lens. When all shots on the wafer are exposed, the wafer is unloaded by the wafer loader robot, and another wafer takes its place on the stage. The exposed wafer is eventually moved to a developer where the photoresist on its surface is exposed to developing chemicals that wash away areas of the photoresist, based on whether or not they were exposed to the light passing through the reticle. The developed surface is then subjected to other processes of photolithography.

Освещение и проблемы улучшения разрешения

Наибольшим ограничением на способность создавать все более тонкие линии на поверхности пластины была длина волны света, используемого в системе экспонирования. По мере того как требуемые линии становились все уже и уже, в степперах и сканерах вводились в эксплуатацию источники освещения, генерирующие свет с последовательно уменьшающимися длинами волн. Альтернативой традиционной оптической литографии является наноимпринтная литография. Способность системы экспонирования, такой как степпер, разрешать узкие линии ограничена длиной волны света, используемого для освещения, способностью объектива собирать свет (или, точнее, дифракционные порядки), приходящий под все более широкими углами (называемыми числовой апертурой или ЧА), а также различными улучшениями самого процесса. Это выражается следующим уравнением:

, где – критическое измерение, или минимально разрешимая линия, – коэффициент, отражающий факторы, связанные с процессом, – длина волны света, а – числовая апертура. Уменьшение длины волны света в системе освещения повышает разрешающую способность степпера. Двадцать лет назад "g-линия" (436 нм) ртутного спектра использовалась для создания линий в диапазоне 750 нм в степперах, использующих ртутные лампы в качестве источника освещения. Спустя несколько лет были внедрены системы, использующие ультрафиолетовую "i-линию" (365 нм) от ртутных ламп для создания линий шириной до 350 нм. По мере того как желаемая ширина линий приближалась и в конечном итоге становилась меньше длины волны света, используемого для их создания, были разработаны различные методы повышения разрешения, такие как фазосдвигающие маски и различные методы манипулирования углами падающего света для максимизации разрешающей способности объектива. В конечном итоге желаемая ширина линий стала меньше, чем это было возможно при использовании ртутных ламп, и в середине 2000-х годов полупроводниковая промышленность перешла на степперы, использующие эксимерные лазеры на криптоновом фториде (KrF), генерирующие свет с длиной волны 248 нм. Такие системы в настоящее время используются для производства линий в диапазоне 110 нм. Линии шириной до 32 нм разрешаются в производственных степперах с использованием эксимерных лазеров на аргоновом фториде (ArF), излучающих свет с длиной волны 193 нм. Хотя доступны фторидные (F2) лазеры, генерирующие свет с длиной волны 157 нм, они непрактичны из-за их низкой мощности и быстрой деградации фоторезиста и других материалов, используемых в степпере. Поскольку практических источников света с длинами волн, меньшими, чем у этих лазеров, не было доступно, производители стремились улучшить разрешение путем уменьшения коэффициента . Это достигается дальнейшим совершенствованием методов манипулирования светом при его прохождении через систему освещения и маску, а также улучшением методов обработки пластины до и после экспонирования. Производители также внедряют все более крупные и дорогие объективы для увеличения числовой апертуры. Однако эти методы приближаются к своим практическим пределам, и ширина линий в диапазоне 45 нм, по-видимому, является наилучшей, которой можно достичь с использованием традиционной конструкции. В конечном итоге потребуется использовать другие источники освещения, такие как электронные лучи, рентгеновское излучение или аналогичные источники электромагнитной энергии с длинами волн, намного короче, чем у видимого света. Однако, чтобы как можно дольше отложить огромные затраты и трудности, связанные с внедрением совершенно нового типа технологии освещения, производители обратились к технике, ранее использовавшейся в микроскопах, для увеличения числовой апертуры объектива, позволяя свету проходить через воду вместо воздуха. Этот метод, называемый иммерсионной литографией, является современным передовым в практической технологии производства. Он работает, потому что числовая апертура является функцией максимального угла, под которым свет может входить в объектив, и показателя преломления среды, через которую проходит свет. При использовании воды в качестве среды она значительно увеличивает числовую апертуру, поскольку ее показатель преломления при 193 нм составляет 1,44, в то время как у воздуха он равен 1,0003. Современные производственные машины, использующие эту технологию, способны разрешать линии в диапазоне 32 нм и, возможно, в конечном итоге смогут достичь линий шириной 30 нм.

is the critical dimension, or finest line resolvable, is a coefficient expressing process related factors, is the wavelength of the light, and is the numerical aperture. Decreasing the wavelength of the light in the illumination system increases the resolving power of the stepper. Twenty years ago, the "g line" (436 nm) of the mercury spectrum was used to create lines in the 750 nm range in steppers that employed mercury lamps as their illumination source. Several years later systems employing the ultraviolet "i line" (365 nm) from mercury lamps were introduced to create lines as low as 350 nm. As the desired line widths approached and eventually became narrower than the wavelength of the light used to create them, a variety of resolution enhancement techniques were developed to make this possible, such as phase shifting reticles and various techniques for manipulating the angles of the exposure light in order to maximize the resolving power of the lens. Eventually however, the desired line widths became narrower than what was possible using mercury lamps, and near the middle of the 2000s, the semiconductor industry moved towards steppers that employed krypton fluoride (KrF) excimer lasers producing 248 nm light. Such systems are currently being used to produce lines in the 110 nm range. Lines as low as 32 nm are being resolved by production capable steppers using argon fluoride (ArF) excimer lasers that emit light with a wavelength of 193 nm. Although fluoride (F2) lasers are available that produce 157 nm light, they are not practical because of their low power and because they quickly degrade photoresist and other materials used in the stepper. Since practical light sources with wavelengths narrower than these lasers have not been available, manufacturers have sought to improve resolution by reducing the process coefficient This is done by further improving techniques for manipulating the light as it passes through the illumination system and the reticle, as well as improving techniques for processing the wafer before and after exposure. Manufacturers have also introduced ever larger and more expensive lenses as a means of increasing the numerical aperture. However, these techniques are approaching their practical limit, and line widths in the 45 nm range appear to be near the best that can be achieved with conventional design. Ultimately, other sources of illumination will have to be put to use, such as electron beams, x rays or similar sources of electromagnetic energy with wavelengths much shorter than visible light. However, in order to delay as long as possible the vast expense and difficulty of adopting a whole new type of illumination technology, manufacturers have turned to a technique, previously used in microscopes, for increasing the numerical aperture of the lens by allowing the light to pass through water instead of air. This method, called immersion lithography, is the current cutting edge of practical production technology. It works because numerical aperture is a function of the maximum angle of light that can enter the lens and the refractive index of the medium through which the light passes. When water is employed as the medium, it greatly increases numerical aperture, since it has a refractive index of 1.44 at 193 nm, while air has an index of 1.0003. Current production machines employing this technology are capable of resolving lines in the 32 nm range, and may eventually be able to achieve lines of 30 nm.

Сканеры

Современные сканеры – это степперы, которые увеличивают длину области экспонирования в каждом кадре (поле экспонирования) за счет перемещения подложки ретикулы и подложки пластины в противоположных направлениях друг относительно друга во время экспозиции. Вместо экспонирования всего поля сразу, экспозиция осуществляется через "щель экспонирования", ширина которой соответствует ширине поля экспонирования, но длина составляет лишь его часть (например, щель 9x25 мм для поля 35x25 мм). Изображение из щели экспонирования сканируется по области экспонирования. Эта технология имеет ряд преимуществ. Поле может быть экспонировано с меньшим уменьшением размера изображения с ретикулы на пластину (например, уменьшение в 4 раза на сканере по сравнению с уменьшением в 5 раз на степпере), при этом обеспечивая размер поля, значительно превышающий размер поля, экспонируемого обычным степпером. Кроме того, оптические свойства проекционного объектива могут быть оптимизированы в области, через которую проходит изображение щели экспонирования, а оптические аберрации за пределами этой области могут быть проигнорированы, поскольку они не повлияют на экспонируемую область на пластине. Успешное сканирование требует чрезвычайно точной синхронизации между движущимися подложками ретикулы и пластины во время экспозиции. Достижение этого представляет собой множество технологических задач.