En översikt
I tillverkningsprocessen för integrerade kretsar är fotolitografi kärnprocessen som bestämmer integrationsnivån för integrerade kretsar. Funktionen av denna process är att troget överföra och överföra kretsgrafikinformationen från masken (även kallad masken) till halvledarmaterialsubstratet.
Grundprincipen för fotolitografiprocessen är att använda den fotokemiska reaktionen av fotoresisten som är belagd på ytan av substratet för att registrera kretsmönstret på masken, och därigenom uppnå syftet att överföra det integrerade kretsmönstret från designen till substratet.
Den grundläggande processen för fotolitografi:
Först appliceras fotoresist på substratytan med användning av en beläggningsmaskin;
Sedan används en fotolitografimaskin för att exponera substratet belagt med fotoresist, och den fotokemiska reaktionsmekanismen används för att registrera maskmönsterinformationen som överförs av fotolitografimaskinen, vilket fullbordar trohetsöverföringen, överföringen och replikeringen av maskmönstret till substratet;
Slutligen används en framkallare för att framkalla det exponerade substratet för att avlägsna (eller behålla) fotoresisten som genomgår en fotokemisk reaktion efter exponering.
Andra fotolitografiprocessen
För att överföra det designade kretsmönstret på masken till kiselskivan måste överföringen först uppnås genom en exponeringsprocess, och sedan måste kiselmönstret erhållas genom en etsningsprocess.
Eftersom belysningen av fotolitografiprocessområdet använder en gul ljuskälla för vilken ljuskänsliga material är okänsliga, kallas det också för det gula ljusområdet.
Fotolitografi användes först i tryckeribranschen och var den huvudsakliga tekniken för tidig PCB-tillverkning. Sedan 1950-talet har fotolitografi gradvis blivit den vanliga tekniken för mönsteröverföring inom IC-tillverkning.
Nyckelindikatorerna för litografiprocessen inkluderar upplösning, känslighet, överlagringsnoggrannhet, defektfrekvens, etc.
Det mest kritiska materialet i fotolitografiprocessen är fotoresisten, som är ett ljuskänsligt material. Eftersom fotoresistens känslighet beror på ljuskällans våglängd, krävs olika fotoresistmaterial för fotolitografiprocesser såsom g/i-linje, 248nm KrF och 193nm ArF.
Huvudprocessen i en typisk fotolitografiprocess innefattar fem steg:
-Förberedelse av basfilm;
-Applicera fotoresist och mjuk baka;
-Inriktning, exponering och bakning efter exponering;
-Utveckla hårdfilm;
-Utvecklingsdetektering.
(1)Förberedelse av basfilm: huvudsakligen rengöring och uttorkning. Eftersom eventuella föroreningar kommer att försvaga vidhäftningen mellan fotoresisten och wafern, kan grundlig rengöring förbättra vidhäftningen mellan wafern och fotoresisten.
(2)Fotoresistbeläggning: Detta uppnås genom att rotera kiselskivan. Olika fotoresister kräver olika beläggningsprocessparametrar, inklusive rotationshastighet, fotoresisttjocklek och temperatur.
Mjuk bakning: Bakning kan förbättra vidhäftningen mellan fotoresisten och kiselskivan, såväl som likformigheten hos fotoresistens tjocklek, vilket är fördelaktigt för den exakta kontrollen av de geometriska dimensionerna för den efterföljande etsningsprocessen.
(3)Uppriktning och exponering: Inriktning och exponering är de viktigaste stegen i fotolitografiprocessen. De hänvisar till att anpassa maskmönstret med det befintliga mönstret på wafern (eller mönstret för det främre lagret) och sedan bestråla det med specifikt ljus. Ljusenergin aktiverar de fotokänsliga komponenterna i fotoresisten och överför därigenom maskmönstret till fotoresisten.
Utrustningen som används för uppriktning och exponering är en fotolitografimaskin, som är den dyraste enskilda processutrustningen i hela tillverkningsprocessen för integrerade kretsar. Den tekniska nivån på fotolitografimaskinen representerar nivån på utvecklingen av hela produktionslinjen.
Bakning efter exponering: avser en kort gräddningsprocess efter exponering, som har en annan effekt än i djupa ultravioletta fotoresister och konventionella i-line fotoresister.
För djupt ultraviolett fotoresist tar bakning efter exponering bort de skyddande komponenterna i fotoresisten, vilket gör att fotoresisten kan lösas upp i framkallaren, så bakning efter exponering är nödvändig;
För konventionella i-line fotoresister kan bakning efter exponering förbättra vidhäftningen av fotoresisten och minska stående vågor (stående vågor kommer att ha en negativ effekt på fotoresistens kantmorfologi).
(4)Framkallar hårdfilmen: Använd framkallare för att lösa upp den lösliga delen av fotoresisten (positiv fotoresist) efter exponering, och visa maskmönstret med fotoresistmönstret exakt.
Nyckelparametrarna för framkallningsprocessen inkluderar framkallningstemperatur och -tid, framkallardosering och -koncentration, rengöring, etc. Genom att justera de relevanta parametrarna i framkallningen kan skillnaden i upplösningshastighet mellan de exponerade och oexponerade delarna av fotoresisten ökas, därigenom. uppnå önskad utvecklingseffekt.
Härdning är också känd som härdningsbakning, vilket är processen att avlägsna kvarvarande lösningsmedel, framkallare, vatten och andra onödiga restkomponenter i den framkallade fotoresisten genom att värma och förånga dem, för att förbättra vidhäftningen av fotoresisten till kiselsubstratet och fotoresistens etsningsmotstånd.
Temperaturen på härdningsprocessen varierar beroende på de olika fotoresisterna och härdningsmetoderna. Utgångspunkten är att fotoresistmönstret inte deformeras och fotoresisten bör göras tillräckligt hårt.
(5)Utvecklingsinspektion: Detta är för att kontrollera om det finns defekter i fotoresistmönstret efter framkallning. Vanligtvis används bildigenkänningsteknik för att automatiskt skanna chipmönstret efter framkallning och jämföra det med det förlagrade defektfria standardmönstret. Om någon skillnad hittas anses den vara defekt.
Om antalet defekter överstiger ett visst värde bedöms kiselskivan ha underkänts i framkallningstestet och kan skrotas eller omarbetas vid behov.
I tillverkningsprocessen för integrerade kretsar är de flesta processer irreversibla, och fotolitografi är en av mycket få processer som kan omarbetas.
Tre fotomasker och fotoresistmaterial
3.1 Fotomask
En fotomask, även känd som en fotolitografimask, är en mästare som används i fotolitografiprocessen för tillverkning av integrerade kretsskivor.
Tillverkningsprocessen för fotomask är att konvertera de ursprungliga layoutdata som krävs för wafertillverkning designad av konstruktionsingenjörer för integrerade kretsar till ett dataformat som kan kännas igen av lasermönstergeneratorer eller elektronstråleexponeringsutrustning genom maskdatabehandling, så att den kan exponeras av ovanstående utrustning på fotomasksubstratmaterialet belagt med ljuskänsligt material; sedan bearbetas det genom en serie processer såsom framkallning och etsning för att fixera mönstret på substratmaterialet; slutligen inspekteras, repareras, rengörs och filmlamineras för att bilda en maskprodukt och levereras till tillverkaren av integrerade kretsar för användning.
3.2 Fotoresist
Fotoresist, även känd som fotoresist, är ett ljuskänsligt material. De ljuskänsliga komponenterna i den kommer att genomgå kemiska förändringar under bestrålning av ljus, vilket orsakar förändringar i upplösningshastigheten. Dess huvudsakliga funktion är att överföra mönstret på masken till ett substrat såsom en wafer.
Arbetsprincip för fotoresist: Först beläggs fotoresisten på substratet och förgräddas för att avlägsna lösningsmedlet;
För det andra exponeras masken för ljus, vilket gör att de ljuskänsliga komponenterna i den exponerade delen genomgår en kemisk reaktion;
Därefter utförs en bakning efter exponering;
Slutligen löses fotoresisten delvis upp genom framkallning (för positiv fotoresist löses det exponerade området upp; för negativt fotoresist löses det oexponerade området), varigenom överföringen av det integrerade kretsmönstret från masken till substratet realiseras.
Komponenterna i fotoresist inkluderar huvudsakligen filmbildande harts, ljuskänslig komponent, spårtillsatser och lösningsmedel.
Bland dem används det filmbildande hartset för att tillhandahålla mekaniska egenskaper och etsningsmotstånd; den ljuskänsliga komponenten genomgår kemiska förändringar under ljus, vilket orsakar förändringar i upplösningshastigheten;
Spåradditiv inkluderar färgämnen, viskositetsförstärkare, etc., som används för att förbättra prestandan hos fotoresist; lösningsmedel används för att lösa upp komponenterna och blanda dem jämnt.
De fotoresister som för närvarande används brett kan delas in i traditionella fotoresister och kemiskt förstärkta fotoresister enligt den fotokemiska reaktionsmekanismen, och kan även delas in i ultraviolett, djup ultraviolett, extrem ultraviolett, elektronstråle, jonstråle och röntgenfotoresister enligt ljuskänslig våglängd.
Fyra fotolitografiutrustningar
Fotolitografitekniken har gått igenom utvecklingsprocessen för kontakt-/närhetslitografi, optisk projektionslitografi, steg-och-upprepa litografi, skanningslitografi, immersionslitografi och EUV-litografi.
4.1 Kontakt-/närhetslitografimaskin
Kontaktlitografiteknik dök upp på 1960-talet och användes flitigt på 1970-talet. Det var den huvudsakliga litografimetoden under eran av småskaliga integrerade kretsar och användes huvudsakligen för att producera integrerade kretsar med funktionsstorlekar större än 5 μm.
I en kontakt-/närhetslitografimaskin placeras skivan vanligtvis på ett manuellt styrt horisontellt läge och ett roterande arbetsbord. Operatören använder ett diskret fältmikroskop för att samtidigt observera positionen för masken och wafern, och styr manuellt positionen för arbetsbordet för att rikta in masken och wafern. Efter att wafern och masken är inriktade, kommer de två att pressas samman så att masken är i direkt kontakt med fotoresisten på waferns yta.
Efter avlägsnande av mikroskopobjektivet flyttas den pressade skivan och masken till exponeringsbordet för exponering. Ljuset som avges av kvicksilverlampan kollimeras och parallellt med masken genom en lins. Eftersom masken är i direkt kontakt med fotoresistskiktet på wafern, överförs maskmönstret till fotoresistskiktet i ett förhållande av 1:1 efter exponering.
Kontaktlitografiutrustning är den enklaste och mest ekonomiska optiska litografiutrustningen, och kan uppnå exponering av sub-mikron funktionsstorlek grafik, så den används fortfarande i små partier produkttillverkning och laboratorieforskning. I storskalig produktion av integrerade kretsar introducerades närhetslitografiteknik för att undvika ökningen av litografikostnader orsakade av direktkontakt mellan masken och wafern.
Proximity litografi användes i stor utsträckning på 1970-talet under eran av småskaliga integrerade kretsar och den tidiga eran av medelstora integrerade kretsar. Till skillnad från kontaktlitografi är masken i proximitylitografi inte i direkt kontakt med fotoresisten på wafern, utan ett gap fyllt med kväve lämnas. Masken flyter på kvävet, och storleken på gapet mellan masken och wafern bestäms av kvävetrycket.
Eftersom det inte finns någon direkt kontakt mellan wafern och masken i proximity litografi, reduceras defekterna som introduceras under litografiprocessen, vilket minskar förlusten av masken och förbättrar waferns utbyte. I proximity litografi placerar gapet mellan wafern och masken wafern i Fresnel-diffraktionsområdet. Närvaron av diffraktion begränsar den ytterligare förbättringen av upplösningen för närhetslitografiutrustning, så denna teknik är främst lämplig för produktion av integrerade kretsar med funktionsstorlekar över 3μm.
4.2 Stepper och repeater
Steppern är en av de viktigaste utrustningarna i waferlitografins historia, som har främjat submikronlitografiprocessen till massproduktion. Stepperen använder ett typiskt statiskt exponeringsfält på 22 mm × 22 mm och en optisk projektionslins med ett reduktionsförhållande på 5:1 eller 4:1 för att överföra mönstret på masken till wafern.
Steg-och-upprepa litografimaskinen består i allmänhet av ett exponeringsundersystem, ett arbetsstyckesstegsundersystem, ett maskstegsundersystem, ett fokus/nivelleringsundersystem, ett inriktningsundersystem, ett huvudramundersystem, ett waferöverföringsundersystem, ett masköverföringsundersystem , ett elektroniskt delsystem och ett mjukvaruundersystem.
Den typiska arbetsprocessen för en steg-och-upprepa litografimaskin är som följer:
Först överförs skivan belagd med fotoresist till arbetsstyckesbordet med användning av skivöverföringsundersystemet, och masken som ska exponeras överförs till maskbordet genom att använda masköverföringssubsystemet;
Sedan använder systemet fokuserings-/nivelleringsundersystemet för att utföra flerpunktshöjdmätning på skivan på arbetsstyckets bord för att erhålla information såsom höjden och lutningsvinkeln för ytan på skivan som ska exponeras, så att exponeringsområdet för wafern kan alltid kontrolleras inom fokaldjupet för projektionsobjektivet under exponeringsprocessen;Därefter använder systemet inriktningsundersystemet för att rikta in masken och wafern så att positionsnoggrannheten för maskbilden och wafermönsteröverföringen under exponeringsprocessen alltid ligger inom överlagringskraven.
Slutligen fullbordas steg-och-exponeringsåtgärden för hela skivans yta enligt den föreskrivna vägen för att realisera mönsteröverföringsfunktionen.
Den efterföljande steg- och skannerlitografimaskinen är baserad på ovanstående grundläggande arbetsprocess, förbättring av stegning → exponering för skanning → exponering, och fokusering/utjämning → inriktning → exponering på tvåstegsmodellen till mätning (fokusering/utjämning → inriktning) och skanning exponering parallellt.
Jämfört med steg-and-scan litografimaskinen behöver steg-and-repeat litografimaskinen inte uppnå synkron omvänd skanning av masken och wafern, och kräver inte ett skanningsmaskbord och ett synkront skanningskontrollsystem. Därför är strukturen relativt enkel, kostnaden är relativt låg och driften är pålitlig.
Efter att IC-tekniken gick in i 0,25 μm började tillämpningen av steg-och-upprepa litografi att minska på grund av fördelarna med steg-och-scan litografi vid skanning av exponeringsfältstorlek och exponeringslikformighet. För närvarande har den senaste steg-and-repeat-litografin från Nikon ett statiskt exponeringsfält som är lika stort som steg-and-scan-litografin och kan bearbeta mer än 200 wafers per timme, med extremt hög produktionseffektivitet. Denna typ av litografimaskin används för närvarande huvudsakligen för tillverkning av icke-kritiska IC-skikt.
4.3 Stepper Scanner
Tillämpningen av step-and-scan litografi började på 1990-talet. Genom att konfigurera olika exponeringsljuskällor kan steg-and-scan-teknik stödja olika processteknologinoder, från 365nm, 248nm, 193nm nedsänkning till EUV-litografi. Till skillnad från steg-och-upprepa litografi, antar enkelfältsexponeringen av steg-och-scan litografi dynamisk skanning, det vill säga att maskplattan fullbordar skanningsrörelsen synkront i förhållande till skivan; efter det att den aktuella fältexponeringen är avslutad, bärs skivan av arbetsstyckessteget och stegas till nästa avsökningsfältposition, och upprepad exponering fortsätter; upprepa steg-och-skanningsexponeringen flera gånger tills alla fält av hela skivan är exponerade.
Genom att konfigurera olika typer av ljuskällor (som i-line, KrF, ArF) kan stepper-scannern stödja nästan alla teknologinoder i halvledarfrontprocessen. Typiska kiselbaserade CMOS-processer har antagit stepper-scanners i stora mängder sedan 0,18μm-noden; de extrema ultravioletta (EUV) litografimaskinerna som för närvarande används i processnoder under 7nm använder också stegvis skanning. Efter partiell adaptiv modifiering kan stepper-scannern också stödja forskning och utveckling och produktion av många icke-kiselbaserade processer som MEMS, kraftenheter och RF-enheter.
De största tillverkarna av maskiner för steg-and-scan projektionslitografi inkluderar ASML (Nederländerna), Nikon (Japan), Canon (Japan) och SMEE (Kina). ASML lanserade TWINSCAN-serien med steg-och-scan-litografimaskiner 2001. Den antar en systemarkitektur med två steg, som effektivt kan förbättra utrustningens utmatningshastighet och har blivit den mest använda high-end litografimaskinen.
4.4 Nedsänkningslitografi
Det kan ses från Rayleigh-formeln att, när exponeringsvåglängden förblir oförändrad, är ett effektivt sätt att ytterligare förbättra bildupplösningen att öka den numeriska bländaren i avbildningssystemet. För bildupplösningar under 45nm och högre kan ArF torrexponeringsmetoden inte längre uppfylla kraven (eftersom den stöder en maximal bildupplösning på 65nm), så det är nödvändigt att införa en nedsänkningslitografimetod. I traditionell litografiteknik är mediet mellan linsen och fotoresisten luft, medan immersionslitografitekniken ersätter luftmediet med vätska (vanligtvis ultrarent vatten med ett brytningsindex på 1,44).
I själva verket använder immersionslitografiteknik förkortningen av ljuskällans våglängd efter att ljus passerar genom det flytande mediet för att förbättra upplösningen, och förkortningsförhållandet är det flytande mediets brytningsindex. Även om nedsänkningslitografimaskinen är en typ av steg-and-scan litografimaskin, och dess utrustningssystemlösning inte har förändrats, är det en modifiering och expansion av ArF steg-och-scan litografimaskinen på grund av introduktionen av nyckelteknologier relaterade till till nedsänkning.
Fördelen med nedsänkningslitografi är att, på grund av ökningen av systemets numeriska apertur, förbättras bildupplösningsförmågan hos stepper-scanner litografimaskinen, vilket kan uppfylla processkraven för bildupplösning under 45nm.
Eftersom nedsänkningslitografimaskinen fortfarande använder ArF-ljuskälla, garanteras kontinuiteten i processen, vilket sparar FoU-kostnaden för ljuskälla, utrustning och process. På grundval av detta, i kombination med flera grafik och beräkningslitografiteknik, kan immersionslitografimaskinen användas vid processnoder på 22nm och lägre. Innan EUV-litografimaskinen officiellt sattes i massproduktion, hade nedsänkningslitografimaskinen använts flitigt och kunde uppfylla processkraven för 7nm-noden. På grund av införandet av nedsänkningsvätska har emellertid den tekniska svårigheten för själva utrustningen ökat avsevärt.
Dess nyckelteknologier inkluderar försörjnings- och återvinningsteknik för nedsänkningsvätskor, teknik för underhåll av nedsänkningsvätskefält, förorenings- och defektkontrollteknik för immersionslitografi, utveckling och underhåll av nedsänkningsprojektionslinser med ultrastor numerisk apertur och detekteringsteknik för bildkvalitet under nedsänkningsförhållanden.
För närvarande tillhandahålls kommersiella ArFi steg-and-scan litografimaskiner huvudsakligen av två företag, nämligen ASML i Nederländerna och Nikon i Japan. Bland dem är priset för en enkel ASML NXT1980 Di cirka 80 miljoner euro.
4.4 Extrem ultraviolett litografimaskin
För att förbättra upplösningen av fotolitografi förkortas exponeringsvåglängden ytterligare efter att excimerljuskällan har antagits, och extremt ultraviolett ljus med en våglängd på 10 till 14 nm introduceras som exponeringsljuskällan. Våglängden för extremt ultraviolett ljus är extremt kort, och det reflekterande optiska systemet som kan användas är vanligtvis sammansatt av flerskiktsfilmreflektorer som Mo/Si eller Mo/Be.
Bland dem är den teoretiska maximala reflektiviteten för Mo/Si flerskiktsfilm i våglängdsområdet 13,0 till 13,5 nm cirka 70 %, och den teoretiska maximala reflektiviteten för Mo/Be flerskiktsfilm vid en kortare våglängd på 11,1 nm är cirka 80 %. Även om reflektionsförmågan hos Mo/Be flerskiktsfilmreflektorer är högre, är Be mycket giftigt, så forskning om sådana material övergavs när EUV-litografitekniken utvecklades.Den nuvarande EUV-litografitekniken använder Mo/Si flerskiktsfilm, och dess exponeringsvåglängd bestäms också till 13,5 nm.
Den vanliga extrema ultravioletta ljuskällan använder laserproducerad plasmateknik (LPP), som använder högintensiva lasrar för att excitera smält Sn-plasma för att avge ljus. Ljuskällans kraft och tillgänglighet har under lång tid varit flaskhalsarna som begränsar effektiviteten hos EUV-litografimaskiner. Genom masteroscillatoreffektförstärkaren, prediktiv plasmateknik (PP) och in-situ uppsamlingsspegelrengöringsteknik har kraften och stabiliteten hos EUV-ljuskällor förbättrats avsevärt.
EUV-litografimaskinen består huvudsakligen av delsystem som ljuskälla, belysning, objektivlins, arbetsstyckessteg, masksteg, waferinriktning, fokusering/nivellering, masköverföring, wafertransmission och vakuumram. Efter att ha passerat genom belysningssystemet som består av flerskiktsbelagda reflektorer, bestrålas det extrema ultravioletta ljuset på den reflekterande masken. Ljuset som reflekteras av masken kommer in i det optiska totalreflektionsavbildningssystemet som består av en serie reflektorer, och slutligen projiceras den reflekterade bilden av masken på waferns yta i en vakuummiljö.
Exponerings- och bildsynfältet för EUV-litografimaskinen är båda bågformade, och en steg-för-steg-skanningsmetod används för att uppnå full waferexponering för att förbättra utmatningshastigheten. ASML:s mest avancerade NXE-serie EUV litografimaskin använder en exponeringsljuskälla med en våglängd på 13,5 nm, en reflekterande mask (6° sned infallsvinkel), ett 4x reduktionsreflekterande projektionsobjektivsystem med en 6-spegelstruktur (NA=0,33), en skanningssynfält på 26 mm × 33 mm och en vakuumexponeringsmiljö.
Jämfört med maskiner för nedsänkning av litografi har enkelexponeringsupplösningen för EUV-litografimaskiner som använder extrema ultravioletta ljuskällor förbättrats avsevärt, vilket effektivt kan undvika den komplexa processen som krävs för multipel fotolitografi för att bilda högupplöst grafik. För närvarande når enkelexponeringsupplösningen för litografimaskinen NXE 3400B med en numerisk bländare på 0,33 13nm, och utmatningshastigheten når 125 stycken/h.
För att möta behoven av ytterligare utvidgning av Moores lag kommer EUV litografimaskiner med en numerisk bländare på 0,5 i framtiden att anta ett projektionsobjektivsystem med central ljusblockering, med en asymmetrisk förstoring på 0,25 gånger/0,125 gånger, och skanningsexponeringens synfält kommer att reduceras från 26m × 33mm till 26mm × 16,5mm, och enkelexponeringsupplösningen kan nå under 8nm.
————————————————————————————————————————————————— ———————————
Semicera kan tillhandahållagrafitdelar, mjuk/styv filt, delar av kiselkarbid, CVD kiselkarbiddelar, ochSiC/TaC-belagda delarmed full halvledarprocess på 30 dagar.
Om du är intresserad av ovanstående halvledarprodukter,tveka inte att kontakta oss vid första gången.
Tel: +86-13373889683
WhatsAPP: +86-15957878134
Email: sales01@semi-cera.com
Posttid: 2024-aug-31