Jeden přehled
V procesu výroby integrovaných obvodů je fotolitografie základním procesem, který určuje úroveň integrace integrovaných obvodů. Funkcí tohoto procesu je věrně přenášet a přenášet grafickou informaci obvodu z masky (také nazývané maska) na substrát polovodičového materiálu.
Základním principem procesu fotolitografie je využití fotochemické reakce fotorezistu naneseného na povrchu substrátu k zaznamenání vzoru obvodu na masce, čímž se dosáhne účelu přenosu vzoru integrovaného obvodu z návrhu na substrát.
Základní proces fotolitografie:
Nejprve se fotorezist nanese na povrch substrátu pomocí potahovacího stroje;
Poté se fotolitografický přístroj použije k vystavení substrátu potaženého fotorezistem a fotochemický reakční mechanismus se použije k zaznamenání informace o vzoru masky přenášené fotolitografickým zařízením, čímž se dokončí přenos věrnosti, přenos a replikace vzoru masky na substrát;
Nakonec se k vyvolání exponovaného substrátu použije vývojka, aby se odstranil (nebo zachoval) fotorezist, který po expozici prochází fotochemickou reakcí.
Druhý proces fotolitografie
Aby bylo možné přenést navržený obvodový vzor na masce na křemíkový plátek, musí být přenos nejprve dosažen expozičním procesem a poté musí být křemíkový vzor získán procesem leptání.
Protože osvětlení oblasti procesu fotolitografie využívá zdroj žlutého světla, na který jsou fotocitlivé materiály necitlivé, nazývá se také oblast žlutého světla.
Fotolitografie byla poprvé použita v polygrafickém průmyslu a byla hlavní technologií pro ranou výrobu PCB. Od 50. let 20. století se fotolitografie postupně stala hlavní technologií přenosu vzorů ve výrobě IC.
Mezi klíčové ukazatele litografického procesu patří rozlišení, citlivost, přesnost překrytí, četnost vad atd.
Nejkritičtějším materiálem v procesu fotolitografie je fotorezist, což je fotocitlivý materiál. Protože citlivost fotorezistu závisí na vlnové délce světelného zdroje, jsou pro fotolitografické procesy vyžadovány různé materiály fotorezistu, jako je g/i linie, 248nm KrF a 193nm ArF.
Hlavní proces typického procesu fotolitografie zahrnuje pět kroků:
-Příprava základního filmu;
-Aplikujte fotorezist a měkké pečte;
-Zarovnání, expozice a vypalování po expozici;
-Vyvinout tvrdý film;
-Detekce vývoje.
(1)Příprava základního filmu: hlavně čištění a dehydratace. Protože jakékoli nečistoty oslabí adhezi mezi fotorezistem a plátkem, důkladné čištění může zlepšit přilnavost mezi plátkem a fotorezistem.
(2)Fotorezistní nátěr: Toho je dosaženo otáčením křemíkového plátku. Různé fotorezisty vyžadují různé parametry procesu potahování, včetně rychlosti otáčení, tloušťky fotorezistu a teploty.
Měkké vypalování: Vypečení může zlepšit adhezi mezi fotorezistem a křemíkovým plátkem, stejně jako rovnoměrnost tloušťky fotorezistu, což je výhodné pro přesnou kontrolu geometrických rozměrů následného procesu leptání.
(3)Zarovnání a expozice: Zarovnání a expozice jsou nejdůležitější kroky v procesu fotolitografie. Vztahují se k vyrovnání vzoru masky se stávajícím vzorem na plátku (nebo vzoru přední vrstvy) a jeho následnému ozáření specifickým světlem. Světelná energie aktivuje fotocitlivé složky ve fotorezistu, čímž se přenese vzor masky na fotorezist.
Zařízení používané pro vyrovnání a expozici je fotolitografický stroj, který je nejdražším samostatným procesním zařízením v celém procesu výroby integrovaného obvodu. Technická úroveň fotolitografického stroje představuje pokročilost celé výrobní linky.
Postexpoziční vypalování: označuje krátký proces vypalování po expozici, který má jiný účinek než u hlubokých ultrafialových fotorezistů a konvenčních i-line fotorezistů.
U hlubokého ultrafialového fotorezistu odstraní poexpoziční vypalování ochranné složky ve fotorezistu a umožní fotorezistu rozpustit se ve vývojce, takže vypalování po expozici je nezbytné;
U běžných i-line fotorezistů může postexpoziční vypalování zlepšit adhezi fotorezistu a snížit stojaté vlny (stojaté vlny budou mít nepříznivý vliv na okrajovou morfologii fotorezistu).
(4)Vyvolávání tvrdého filmu: použití vývojky k rozpuštění rozpustné části fotorezistu (pozitivního fotorezistu) po expozici a přesné zobrazení vzoru masky se vzorem fotorezistu.
Mezi klíčové parametry procesu vyvolávání patří teplota a čas vyvolávání, dávkování a koncentrace vývojky, čištění atd. Úpravou příslušných parametrů při vyvolávání lze zvýšit rozdíl v rychlosti rozpouštění mezi exponovanými a neexponovanými částmi fotorezistu, čímž dosažení požadovaného vývojového efektu.
Kalení je také známé jako vytvrzení pečení, což je proces odstranění zbývajícího rozpouštědla, vývojky, vody a dalších nepotřebných zbytkových složek ve vyvolaném fotorezistu jejich zahřátím a odpařením, aby se zlepšila přilnavost fotorezistu ke silikonovému substrátu a odolnost fotorezistu proti leptání.
Teplota procesu kalení se liší v závislosti na různých fotorezistech a metodách kalení. Předpokladem je, že se vzor fotorezistu nedeformuje a fotorezist by měl být dostatečně tvrdý.
(5)Vývojová kontrola: Toto slouží ke kontrole defektů ve vzoru fotorezistu po vyvolání. Obvykle se technologie rozpoznávání obrazu používá k automatickému skenování vzoru čipu po vývoji a jeho porovnání s předem uloženým standardním vzorem bez defektů. Pokud je zjištěn jakýkoli rozdíl, je považován za vadný.
Pokud počet defektů překročí určitou hodnotu, křemíkový plátek je posouzen jako nevyhovující ve vývojovém testu a může být podle potřeby vyřazen nebo přepracován.
V procesu výroby integrovaných obvodů je většina procesů nevratných a fotolitografie je jedním z mála procesů, které lze přepracovat.
Tři fotomasky a fotorezistní materiály
3.1 Fotomaska
Fotomaska, známá také jako fotolitografická maska, je předloha používaná ve fotolitografickém procesu výroby destiček s integrovanými obvody.
Proces výroby fotomasky spočívá v převedení původních dat rozvržení požadovaných pro výrobu waferů navržených konstruktéry integrovaných obvodů do datového formátu, který lze rozpoznat pomocí generátorů laserových vzorů nebo zařízení pro expozici elektronovým paprskem prostřednictvím zpracování dat masky, aby mohla být exponována výše uvedené zařízení na podkladovém materiálu fotomasky potaženém fotocitlivým materiálem; poté je zpracována řadou procesů, jako je vyvíjení a leptání, aby se vzor fixoval na podkladovém materiálu; nakonec je zkontrolován, opraven, vyčištěn a laminován filmem, aby se vytvořil maskový produkt, a dodán výrobci integrovaného obvodu k použití.
3.2 Fotorezist
Fotorezist, také známý jako fotorezist, je fotocitlivý materiál. Fotosenzitivní složky v něm podléhají chemickým změnám pod ozařováním světla, což způsobí změny v rychlosti rozpouštění. Jeho hlavní funkcí je přenést vzor na masce na substrát, jako je wafer.
Pracovní princip fotorezistu: Nejprve se fotorezist nanese na substrát a předpeče se, aby se odstranilo rozpouštědlo;
Za druhé, maska je vystavena světlu, což způsobí, že fotosenzitivní složky v exponované části podstoupí chemickou reakci;
Poté se provede postexpoziční vypalování;
Nakonec se fotorezist částečně rozpustí vyvoláním (u pozitivního fotorezistu se rozpustí exponovaná oblast, u negativního fotorezistu se rozpustí neexponovaná oblast), čímž se realizuje přenos obrazce integrovaného obvodu z masky na substrát.
Mezi složky fotorezistu patří především filmotvorná pryskyřice, fotocitlivá složka, stopové přísady a rozpouštědlo.
Mezi nimi se filmotvorná pryskyřice používá k zajištění mechanických vlastností a odolnosti proti leptání; fotocitlivá složka podléhá chemickým změnám pod světlem, což způsobuje změny v rychlosti rozpouštění;
Stopové přísady zahrnují barviva, látky zvyšující viskozitu atd., které se používají ke zlepšení výkonu fotorezistu; rozpouštědla se používají k rozpuštění složek a jejich rovnoměrnému promíchání.
V současné době široce používané fotorezisty lze rozdělit na tradiční fotorezisty a chemicky zesílené fotorezisty podle mechanismu fotochemické reakce a lze je také rozdělit na ultrafialové, hluboké ultrafialové, extrémní ultrafialové, elektronové, iontové a rentgenové fotorezisty podle vlnová délka fotosenzitivity.
Čtyři fotolitografická zařízení
Technologie fotolitografie prošla vývojovým procesem kontaktní/blízké litografie, optické projekční litografie, krokové a opakované litografie, skenovací litografie, ponorné litografie a EUV litografie.
4.1 Kontaktní/blízkoměrný litografický stroj
Technologie kontaktní litografie se objevila v 60. letech 20. století a byla široce používána v 70. letech 20. století. Byla to hlavní litografická metoda v éře malých integrovaných obvodů a používala se hlavně k výrobě integrovaných obvodů s velikostí prvků větší než 5 μm.
U kontaktního/bezdotykového litografického stroje je plátek obvykle umístěn na ručně ovládané horizontální poloze a otočném pracovním stole. Operátor používá mikroskop s diskrétním polem k současnému sledování polohy masky a plátku a ručně ovládá polohu pracovního stolu, aby masku a plátek vyrovnal. Poté, co jsou plátek a maska vyrovnány, budou oba stlačeny k sobě, takže maska je v přímém kontaktu s fotorezistem na povrchu plátku.
Po vyjmutí objektivu mikroskopu se vylisovaný plátek a maska přesunou na expoziční stůl k expozici. Světlo vyzařované rtuťovou výbojkou je kolimováno a rovnoběžně s maskou přes čočku. Protože je maska v přímém kontaktu s vrstvou fotorezistu na destičce, vzor masky se po expozici přenese na vrstvu fotorezistu v poměru 1:1.
Zařízení pro kontaktní litografii je nejjednodušší a nejekonomičtější zařízení pro optickou litografii a může dosáhnout vystavení grafiky submikronové velikosti, takže se stále používá při výrobě malých sérií produktů a laboratorním výzkumu. Při výrobě integrovaných obvodů ve velkém měřítku byla zavedena technologie proximitní litografie, aby se předešlo zvýšení nákladů na litografii způsobené přímým kontaktem mezi maskou a plátkem.
Bezdotyková litografie byla široce používána v 70. letech 20. století během éry malých integrovaných obvodů a rané éry středních integrovaných obvodů. Na rozdíl od kontaktní litografie není maska v blízké litografii v přímém kontaktu s fotorezistem na destičce, ale je ponechána mezera vyplněná dusíkem. Maska plave na dusíku a velikost mezery mezi maskou a plátkem je určena tlakem dusíku.
Protože v blízké litografii nedochází k přímému kontaktu mezi plátkem a maskou, defekty vnesené během litografického procesu jsou redukovány, čímž se snižuje ztráta masky a zlepšuje se výtěžnost plátku. V bezdotykové litografii mezera mezi plátkem a maskou umístí plátek do oblasti Fresnelovy difrakce. Přítomnost difrakce omezuje další zlepšování rozlišení zařízení pro blízkost litografie, takže tato technologie je vhodná především pro výrobu integrovaných obvodů s velikostí prvků nad 3μm.
4.2 Krokovač a opakovač
Stepper je jedním z nejdůležitějších zařízení v historii waferové litografie, které prosadilo submikronový litografický proces do sériové výroby. Stepper využívá typické statické expoziční pole 22 mm × 22 mm a optickou projekční čočku s redukčním poměrem 5:1 nebo 4:1 pro přenos vzoru na masce na wafer.
Litografický stroj s kroky a opakováním se obecně skládá z expozičního subsystému, subsystému etapy obrobku, subsystému masky, subsystému zaostření/vyrovnání, subsystému vyrovnání, subsystému hlavního rámu, subsystému přenosu plátku, subsystému přenosu masky. , elektronický subsystém a softwarový subsystém.
Typický pracovní proces krokového a opakovaného litografického stroje je následující:
Nejprve je plátek potažený fotorezistem přenesen na stůl obrobku pomocí subsystému pro přenos plátku a maska, která má být exponována, je přenesena na stůl masky pomocí subsystému přenosu masky;
Poté systém používá subsystém zaostřování/vyrovnávání k provádění vícebodového měření výšky na plátku na podstavci obrobku, aby získal informace, jako je výška a úhel sklonu povrchu plátku, který má být exponován, takže oblast expozice destičku lze vždy ovládat v rámci ohniskové hloubky promítacího objektivu během procesu expozice;Následně systém pomocí zarovnávacího subsystému zarovná masku a plátek tak, aby během procesu expozice byla přesnost polohy obrazu masky a přenosu vzoru plátku vždy v rámci požadavků na překrytí.
Nakonec je kroková a expoziční akce celého povrchu plátku dokončena podle předepsané cesty pro realizaci funkce přenosu vzoru.
Následný krokovací a skenerový litografický stroj je založen na výše uvedeném základním pracovním procesu, který zlepšuje krokování → expozice skenování → expozice a zaostření/vyrovnání → zarovnání → expozice na dvoufázovém modelu až po měření (zaostření/vyrovnání → zarovnání) a skenování paralelní expozice.
Ve srovnání s litografickým strojem s krokovým a skenovacím litografickým strojem nepotřebuje stroj pro krokovou a opakovanou litografii dosahovat synchronního zpětného skenování masky a plátku a nevyžaduje tabulku skenovací masky a řídicí systém synchronního skenování. Proto je struktura relativně jednoduchá, náklady jsou relativně nízké a provoz je spolehlivý.
Poté, co IC technologie vstoupila do 0,25 μm, začala aplikace step-and-repeat litografie upadat kvůli výhodám step-and-scan litografie ve velikosti skenovacího expozičního pole a rovnoměrnosti expozice. V současné době má nejnovější stupňovitá litografie poskytovaná společností Nikon statické expoziční pole stejně velké jako u stupňovité litografie a dokáže zpracovat více než 200 waferů za hodinu s extrémně vysokou produkční účinností. Tento typ litografického stroje se v současnosti používá hlavně pro výrobu nekritických IC vrstev.
4.3 Krokový skener
Aplikace step-and-scan litografie začala v 90. letech 20. století. Konfigurací různých expozičních světelných zdrojů může technologie step-and-scan podporovat různé technologické uzly, od 365nm, 248nm, 193nm imerze až po EUV litografii. Na rozdíl od krokové a opakované litografie využívá jednopolní expozice krokové litografie dynamické skenování, to znamená, že maskovací deska dokončuje skenovací pohyb synchronně vzhledem k waferu; po dokončení aktuální expozice pole je plátek nesen stolkem obrobku a přemístěn do další polohy snímacího pole a pokračuje opakovaná expozice; opakujte expozici krok a skenování několikrát, dokud nebudou vystavena všechna pole celého plátku.
Konfigurací různých typů světelných zdrojů (jako je i-line, KrF, ArF) může krokový skener podporovat téměř všechny technologické uzly polovodičového front-end procesu. Typické procesy CMOS na bázi křemíku přijaly od 0,18μm uzlu ve velkém množství krokové skenery; stroje pro extrémní ultrafialovou (EUV) litografii, které se v současnosti používají v procesních uzlech pod 7nm, také používají krokové skenování. Po částečné adaptivní úpravě může krokový skener také podporovat výzkum, vývoj a výrobu mnoha procesů, které nejsou založeny na křemíku, jako jsou MEMS, napájecí zařízení a RF zařízení.
Mezi hlavní výrobce projekčních litografických strojů typu step-and-scan patří ASML (Nizozemsko), Nikon (Japonsko), Canon (Japonsko) a SMEE (Čína). ASML uvedla na trh řadu TWINSCAN litografických strojů typu step-and-scan v roce 2001. Přijímá dvoustupňovou systémovou architekturu, která může účinně zlepšit výkon zařízení a stala se nejrozšířenějším špičkovým litografickým strojem.
4.4 Imerzní litografie
Z Rayleighova vzorce je patrné, že když vlnová délka expozice zůstane nezměněna, účinným způsobem dalšího zlepšení rozlišení zobrazení je zvýšení numerické apertury zobrazovacího systému. Pro rozlišení zobrazení pod 45nm a vyšší již metoda suché expozice ArF nemůže splňovat požadavky (protože podporuje maximální rozlišení zobrazení 65nm), proto je nutné zavést metodu imerzní litografie. V tradiční litografické technologii je prostředím mezi čočkou a fotorezistem vzduch, zatímco technologie imerzní litografie nahrazuje vzduchové médium kapalinou (obvykle ultračistou vodou s indexem lomu 1,44).
Technologie ponorné litografie ve skutečnosti využívá zkrácení vlnové délky světelného zdroje po průchodu světla kapalným prostředím ke zlepšení rozlišení a poměrem zkrácení je index lomu kapalného média. Přestože je imerzní litografický stroj typem krokového litografického stroje a jeho systémové řešení zařízení se nezměnilo, jedná se o úpravu a rozšíření krokového litografického stroje ArF v důsledku zavedení klíčových technologií souvisejících k ponoření.
Výhodou imerzní litografie je to, že díky zvýšení numerické apertury systému se zlepšila schopnost rozlišení zobrazení litografického stroje s krokovým skenerem, který může splnit procesní požadavky na rozlišení zobrazení pod 45 nm.
Protože imerzní litografický stroj stále používá světelný zdroj ArF, je zaručena kontinuita procesu, což šetří náklady na výzkum a vývoj světelného zdroje, zařízení a procesu. Na tomto základě, v kombinaci s vícenásobnou grafikou a technologií výpočetní litografie, lze stroj pro ponornou litografii použít na procesních uzlech 22nm a nižších. Než byl litografický stroj EUV oficiálně uveden do sériové výroby, byl imerzní litografický stroj široce používán a mohl splňovat procesní požadavky 7nm uzlu. V důsledku zavedení imerzní kapaliny se však výrazně zvýšila technická náročnost samotného zařízení.
Mezi její klíčové technologie patří technologie dodávky a regenerace imerzní kapaliny, technologie údržby imerzního kapalinového pole, technologie imerzní litografie znečištění a kontroly defektů, vývoj a údržba imerzních projekčních čoček s ultra velkou numerickou aperturou a technologie detekce kvality obrazu v podmínkách imerze.
V současné době komerční litografické stroje ArFi step-and-scan poskytují především dvě společnosti, konkrétně ASML z Nizozemska a Nikon z Japonska. Mezi nimi je cena jednoho ASML NXT1980 Di asi 80 milionů eur.
4.4 Extrémní ultrafialový litografický stroj
Aby se zlepšilo rozlišení fotolitografie, expoziční vlnová délka se po přijetí excimerového světelného zdroje dále zkracuje a jako expoziční světelný zdroj se zavádí extrémní ultrafialové světlo o vlnové délce 10 až 14 nm. Vlnová délka extrémního ultrafialového světla je extrémně krátká a reflexní optický systém, který lze použít, se obvykle skládá z vícevrstvých filmových reflektorů, jako je Mo/Si nebo Mo/Be.
Mezi nimi je teoretická maximální odrazivost vícevrstvého filmu Mo/Si v rozsahu vlnových délek 13,0 až 13,5 nm asi 70 % a teoretická maximální odrazivost vícevrstvého filmu Mo/Be při kratší vlnové délce 11,1 nm je asi 80 %. Přestože odrazivost vícevrstvých filmových reflektorů Mo/Be je vyšší, Be je vysoce toxický, takže výzkum takových materiálů byl při vývoji EUV litografické technologie opuštěn.Současná litografická technologie EUV využívá vícevrstvý film Mo/Si a jeho expoziční vlnová délka je rovněž určena na 13,5 nm.
Hlavní zdroj extrémního ultrafialového světla využívá technologii laserem produkované plazmy (LPP), která využívá lasery s vysokou intenzitou k excitaci taveného Sn plazmatu k vyzařování světla. Výkon a dostupnost světelného zdroje byly po dlouhou dobu překážkou omezující účinnost EUV litografických strojů. Prostřednictvím výkonového zesilovače hlavního oscilátoru, prediktivní plazmové (PP) technologie a in-situ sběrné technologie čištění zrcadel se výrazně zlepšil výkon a stabilita EUV světelných zdrojů.
Litografický stroj EUV se skládá hlavně ze subsystémů, jako je zdroj světla, osvětlení, čočka objektivu, stolek obrobku, stolek masky, vyrovnání plátku, zaostření/vyrovnání, přenos masky, přenos plátku a vakuový rám. Po průchodu osvětlovacím systémem složeným z vícevrstvě potažených reflektorů je na reflexní masku ozářeno extrémní ultrafialové světlo. Světlo odražené maskou vstupuje do optického zobrazovacího systému s úplným odrazem složeného z řady reflektorů a nakonec je odražený obraz masky promítán na povrch waferu ve vakuovém prostředí.
Zorné pole expozice a zorné pole zobrazení litografického stroje EUV mají tvar oblouku a k dosažení plné expozice plátku se používá metoda postupného skenování, aby se zlepšila výstupní rychlost. Nejpokročilejší EUV litografický stroj ASML řady NXE využívá expoziční světelný zdroj s vlnovou délkou 13,5 nm, reflexní masku (6° šikmý dopad), 4x redukční reflexní projekční objektivový systém se 6 zrcadlovou strukturou (NA=0,33), a skenovací pole 26 mm × 33 mm a prostředí vakuové expozice.
Ve srovnání s imerzními litografickými stroji bylo rozlišení jediné expozice EUV litografických strojů využívajících extrémní ultrafialové zdroje světla výrazně vylepšeno, což může účinně zabránit složitému procesu potřebnému pro vícenásobnou fotolitografii k vytvoření grafiky s vysokým rozlišením. V současnosti dosahuje rozlišení jediné expozice litografického stroje NXE 3400B s numerickou aperturou 0,33 13nm a výstupní rychlost dosahuje 125 kusů/h.
Aby byly splněny potřeby dalšího rozšíření Moorova zákona, v budoucnu litografické stroje EUV s numerickou aperturou 0,5 přijmou systém projekčního objektivu s centrálním blokováním světla, využívající asymetrické zvětšení 0,25krát/0,125krát, a Zorné pole skenovací expozice se zmenší z 26 m × 33 mm na 26 mm × 16,5 mm a rozlišení jedné expozice může dosáhnout pod 8 nm.
——————————————————————————————————————————————————— ————————————
Semicera může poskytnoutgrafitové díly, měkká/tuhá plsť, díly z karbidu křemíku, CVD díly z karbidu křemíkuaČásti potažené SiC/TaCs úplným polovodičovým procesem za 30 dní.
Máte-li zájem o výše uvedené polovodičové produkty,prosím, neváhejte nás kontaktovat poprvé.
Tel: +86-13373889683
WhatsAPP: +86-15957878134
Email: sales01@semi-cera.com
Čas odeslání: 31. srpna 2024