Én oversikt
I produksjonsprosessen for integrerte kretser er fotolitografi kjerneprosessen som bestemmer integrasjonsnivået til integrerte kretser. Funksjonen til denne prosessen er å trofast overføre og overføre kretsgrafikkinformasjonen fra masken (også kalt masken) til halvledermaterialets substrat.
Det grunnleggende prinsippet for fotolitografiprosessen er å utnytte den fotokjemiske reaksjonen til fotoresisten som er belagt på overflaten av substratet for å registrere kretsmønsteret på masken, og dermed oppnå formålet med å overføre det integrerte kretsmønsteret fra designet til substratet.
Den grunnleggende prosessen med fotolitografi:
Først påføres fotoresist på substratoverflaten ved hjelp av en belegningsmaskin;
Deretter brukes en fotolitografimaskin for å eksponere substratet belagt med fotoresist, og den fotokjemiske reaksjonsmekanismen brukes til å registrere maskemønsterinformasjonen som overføres av fotolitografimaskinen, og fullføre troskapsoverføringen, overføringen og replikeringen av maskemønsteret til substratet;
Til slutt brukes en fremkaller for å fremkalle det eksponerte substratet for å fjerne (eller beholde) fotoresisten som gjennomgår en fotokjemisk reaksjon etter eksponering.
Andre fotolitografiprosess
For å overføre det utformede kretsmønsteret på masken til silisiumplaten, må overføringen først oppnås gjennom en eksponeringsprosess, og deretter må silisiummønsteret oppnås gjennom en etseprosess.
Siden belysningen av fotolitografiprosessområdet bruker en gul lyskilde som lysfølsomme materialer er ufølsomme for, kalles det også det gule lysområdet.
Fotolitografi ble først brukt i trykkeriindustrien og var hovedteknologien for tidlig PCB-produksjon. Siden 1950-tallet har fotolitografi gradvis blitt mainstream-teknologien for mønsteroverføring i IC-produksjon.
Nøkkelindikatorene for litografiprosessen inkluderer oppløsning, følsomhet, overleggsnøyaktighet, defektrate, etc.
Det mest kritiske materialet i fotolitografiprosessen er fotoresisten, som er et fotosensitivt materiale. Siden følsomheten til fotoresisten avhenger av bølgelengden til lyskilden, kreves forskjellige fotoresistmaterialer for fotolitografiske prosesser som g/i-linje, 248nm KrF og 193nm ArF.
Hovedprosessen i en typisk fotolitografiprosess inkluderer fem trinn:
-Base film forberedelse;
-Påfør fotoresist og myk baking;
-Justering, eksponering og baking etter eksponering;
-Utvikle hard film;
- Deteksjon av utvikling.
(1)Forberedelse av grunnfilm: hovedsakelig rengjøring og dehydrering. Fordi eventuelle forurensninger vil svekke adhesjonen mellom fotoresisten og waferen, kan grundig rengjøring forbedre adhesjonen mellom waferen og fotoresisten.
(2)Fotoresistbelegg: Dette oppnås ved å rotere silisiumplaten. Ulike fotoresister krever forskjellige beleggingsprosessparametere, inkludert rotasjonshastighet, fotoresisttykkelse og temperatur.
Myk baking: Baking kan forbedre adhesjonen mellom fotoresisten og silisiumplaten, så vel som jevnheten til fotoresistens tykkelse, noe som er fordelaktig for nøyaktig kontroll av de geometriske dimensjonene til den påfølgende etseprosessen.
(3)Justering og eksponering: Justering og eksponering er de viktigste trinnene i fotolitografiprosessen. De refererer til å justere maskemønsteret med det eksisterende mønsteret på waferen (eller det fremre lagmønsteret), og deretter bestråle det med spesifikt lys. Lysenergien aktiverer de fotosensitive komponentene i fotoresisten, og overfører derved maskemønsteret til fotoresisten.
Utstyret som brukes til justering og eksponering er en fotolitografimaskin, som er det dyreste enkelt stykket prosessutstyr i hele produksjonsprosessen for integrerte kretser. Det tekniske nivået til fotolitografimaskinen representerer utviklingsnivået for hele produksjonslinjen.
Baking etter eksponering: refererer til en kort bakeprosess etter eksponering, som har en annen effekt enn i dyp ultrafiolett fotoresist og konvensjonell i-line fotoresist.
For dyp ultrafiolett fotoresist fjerner baking etter eksponering de beskyttende komponentene i fotoresisten, slik at fotoresisten kan løses opp i fremkalleren, så baking etter eksponering er nødvendig;
For konvensjonelle i-line fotoresister kan baking etter eksponering forbedre vedheften til fotoresisten og redusere stående bølger (stående bølger vil ha en negativ effekt på kantmorfologien til fotoresisten).
(4)Utvikler hardfilmen: bruke fremkaller for å løse opp den løselige delen av fotoresisten (positiv fotoresist) etter eksponering, og nøyaktig vise maskemønsteret med fotoresistmønsteret.
Nøkkelparametrene i fremkallingsprosessen inkluderer fremkallingstemperatur og -tid, fremkallerdosering og -konsentrasjon, rengjøring osv. Ved å justere de relevante parameterne i fremkallingen kan forskjellen i oppløsningshastighet mellom de eksponerte og ueksponerte delene av fotoresisten økes, og dermed økes. oppnå ønsket utviklingseffekt.
Herding er også kjent som herdingsbaking, som er prosessen med å fjerne gjenværende løsningsmiddel, fremkaller, vann og andre unødvendige restkomponenter i den fremkalte fotoresisten ved å varme opp og fordampe dem, for å forbedre adhesjonen av fotoresisten til silisiumsubstratet og fotoresistens etsemotstand.
Temperaturen på herdeprosessen varierer avhengig av de forskjellige fotoresistene og herdemetodene. Forutsetningen er at fotoresistmønsteret ikke deformeres og fotoresist bør gjøres hardt nok.
(5)Utviklingsbefaring: Dette er for å se etter defekter i fotoresistmønsteret etter fremkalling. Vanligvis brukes bildegjenkjenningsteknologi for automatisk å skanne brikkemønsteret etter fremkalling og sammenligne det med det forhåndslagrede defektfrie standardmønsteret. Hvis det blir funnet noen forskjell, anses den for å være defekt.
Hvis antallet defekter overstiger en viss verdi, vurderes silisiumplaten å ha mislyktes i utviklingstesten og kan skrotes eller omarbeides etter behov.
I produksjonsprosessen for integrerte kretser er de fleste prosesser irreversible, og fotolitografi er en av svært få prosesser som kan omarbeides.
Tre fotomasker og fotoresistmaterialer
3.1 Fotomaske
En fotomaske, også kjent som en fotolitografimaske, er en mester som brukes i fotolitografiprosessen for produksjon av integrerte kretsskiver.
Produksjonsprosessen for fotomasker er å konvertere de originale layoutdataene som kreves for wafer-produksjon designet av integrerte kretsdesigningeniører til et dataformat som kan gjenkjennes av lasermønstergeneratorer eller elektronstråleeksponeringsutstyr gjennom maskedatabehandling, slik at det kan eksponeres av utstyret ovenfor på fotomaskesubstratmaterialet belagt med fotosensitivt materiale; deretter behandles det gjennom en rekke prosesser som utvikling og etsing for å fikse mønsteret på underlagsmaterialet; til slutt blir den inspisert, reparert, rengjort og filmlaminert for å danne et maskeprodukt og leveres til produsenten av integrerte kretser for bruk.
3.2 Fotoresist
Fotoresist, også kjent som fotoresist, er et fotosensitivt materiale. De lysfølsomme komponentene i den vil gjennomgå kjemiske endringer under bestråling av lys, og derved forårsake endringer i oppløsningshastigheten. Hovedfunksjonen er å overføre mønsteret på masken til et underlag som en wafer.
Arbeidsprinsipp for fotoresist: Først blir fotoresisten belagt på underlaget og forbakt for å fjerne løsningsmidlet;
For det andre utsettes masken for lys, noe som får de lysfølsomme komponentene i den eksponerte delen til å gjennomgå en kjemisk reaksjon;
Deretter utføres en baking etter eksponering;
Til slutt oppløses fotoresisten delvis gjennom utvikling (for positiv fotoresist er det eksponerte området oppløst; for negativ fotoresist er det ueksponerte området oppløst), og derved realiseres overføringen av det integrerte kretsmønsteret fra masken til substratet.
Komponentene i fotoresist inkluderer hovedsakelig filmdannende harpiks, lysfølsom komponent, sporadditiver og løsemiddel.
Blant dem brukes den filmdannende harpiksen for å gi mekaniske egenskaper og etsemotstand; den fotosensitive komponenten gjennomgår kjemiske endringer under lys, noe som forårsaker endringer i oppløsningshastigheten;
Sportilsetningsstoffer inkluderer fargestoffer, viskositetsforsterkere, etc., som brukes til å forbedre ytelsen til fotoresist; løsemidler brukes til å løse opp komponentene og blande dem jevnt.
Fotoresistene som for tiden er i stor bruk kan deles inn i tradisjonelle fotoresister og kjemisk forsterkede fotoresister i henhold til den fotokjemiske reaksjonsmekanismen, og kan også deles inn i ultrafiolett, dyp ultrafiolett, ekstrem ultrafiolett, elektronstråle, ionestråle og røntgenfotoresist i henhold til lysfølsom bølgelengde.
Fire fotolitografiutstyr
Fotolitografiteknologi har gått gjennom utviklingsprosessen for kontakt-/nærhetslitografi, optisk projeksjonslitografi, trinn-og-gjenta litografi, skanningslitografi, nedsenkingslitografi og EUV-litografi.
4.1 Kontakt-/nærhetslitografimaskin
Kontaktlitografiteknologi dukket opp på 1960-tallet og ble mye brukt på 1970-tallet. Det var den viktigste litografimetoden i epoken med integrerte kretsløp i liten skala og ble hovedsakelig brukt til å produsere integrerte kretser med funksjonsstørrelser større enn 5 μm.
I en kontakt-/proximity litografimaskin plasseres waferen vanligvis på en manuelt kontrollert horisontal posisjon og roterende arbeidsbord. Operatøren bruker et diskret feltmikroskop for samtidig å observere posisjonen til masken og waferen, og kontrollerer manuelt posisjonen til arbeidsbordet for å justere masken og waferen. Etter at waferen og masken er justert, vil de to presses sammen slik at masken er i direkte kontakt med fotoresisten på overflaten av waferen.
Etter fjerning av mikroskopobjektivet, flyttes den pressede waferen og masken til eksponeringsbordet for eksponering. Lyset som sendes ut av kvikksølvlampen er kollimert og parallelt med masken gjennom en linse. Siden masken er i direkte kontakt med fotoresistlaget på waferen, overføres maskemønsteret til fotoresistlaget i forholdet 1:1 etter eksponering.
Kontaktlitografiutstyr er det enkleste og mest økonomiske utstyret for optisk litografi, og kan oppnå eksponering av grafikk i sub-mikron funksjonsstørrelse, så det brukes fortsatt i produksjon av små batch-produkter og laboratorieforskning. I storskala integrert kretsproduksjon ble nærhetslitografiteknologi introdusert for å unngå økningen i litografikostnadene forårsaket av direkte kontakt mellom masken og waferen.
Nærhetslitografi ble mye brukt på 1970-tallet under epoken med småskala integrerte kretsløp og den tidlige epoken med integrerte kretsløp i middels skala. I motsetning til kontaktlitografi, er masken i nærlitografi ikke i direkte kontakt med fotoresisten på waferen, men et gap fylt med nitrogen er igjen. Masken flyter på nitrogenet, og størrelsen på gapet mellom masken og waferen bestemmes av nitrogentrykket.
Siden det ikke er noen direkte kontakt mellom waferen og masken i nærhetslitografi, reduseres defektene som introduseres under litografiprosessen, og reduserer derved tapet av masken og forbedrer waferutbyttet. I nærhetslitografi plasserer gapet mellom waferen og masken waferen i Fresnel-diffraksjonsområdet. Tilstedeværelsen av diffraksjon begrenser ytterligere forbedring av oppløsningen til nærhetslitografiutstyr, så denne teknologien er hovedsakelig egnet for produksjon av integrerte kretser med funksjonsstørrelser over 3μm.
4.2 Stepper og repeater
Stepperen er et av det viktigste utstyret i waferlitografiens historie, som har fremmet sub-mikron litografiprosessen til masseproduksjon. Stepperen bruker et typisk statisk eksponeringsfelt på 22 mm × 22 mm og en optisk projeksjonslinse med et reduksjonsforhold på 5:1 eller 4:1 for å overføre mønsteret på masken til waferen.
Trinn-og-gjenta litografimaskinen er vanligvis sammensatt av et eksponeringsundersystem, et arbeidsstykketrinnundersystem, et masketrinnundersystem, et fokus-/nivelleringsundersystem, et innrettingsundersystem, et hovedrammeundersystem, et waferoverføringsundersystem, et maskeoverføringsundersystem , et elektronisk delsystem og et programvareundersystem.
Den typiske arbeidsprosessen for en trinn-og-gjenta litografimaskin er som følger:
Først blir waferen belagt med fotoresist overført til arbeidsstykkebordet ved bruk av waferoverføringsdelsystemet, og masken som skal eksponeres overføres til maskebordet ved å bruke maskeoverføringsundersystemet;
Deretter bruker systemet undersystemet for fokusering/nivellering til å utføre flerpunkts høydemåling på skiven på arbeidsstykket for å få informasjon som høyden og helningsvinkelen til overflaten til skiven som skal eksponeres, slik at eksponeringsområdet på waferen kan alltid kontrolleres innenfor fokaldybden til projeksjonsobjektivet under eksponeringsprosessen;Deretter bruker systemet justeringsundersystemet for å justere masken og waferen slik at under eksponeringsprosessen er posisjonsnøyaktigheten til maskebildet og wafermønsteroverføringen alltid innenfor overleggskravene.
Til slutt fullføres trinn-og-eksponeringshandlingen til hele waferoverflaten i henhold til den foreskrevne banen for å realisere mønsteroverføringsfunksjonen.
Den påfølgende stepper- og skannerlitografimaskinen er basert på den grunnleggende arbeidsprosessen ovenfor, forbedring av trinn → eksponering for skanning → eksponering, og fokusering/nivellering → justering → eksponering på to-trinnsmodellen til måling (fokusering/nivellering → justering) og skanning eksponering parallelt.
Sammenlignet med trinn-og-skann-litografimaskinen, trenger ikke trinn-og-gjenta-litografimaskinen å oppnå synkron revers skanning av masken og waferen, og krever ikke et skannemaskebord og et synkront skanningskontrollsystem. Derfor er strukturen relativt enkel, kostnadene er relativt lave, og driften er pålitelig.
Etter at IC-teknologi gikk inn i 0,25 μm, begynte bruken av trinn-og-gjenta litografi å avta på grunn av fordelene med trinn-og-skann litografi i skanning av eksponeringsfeltstørrelse og eksponeringsuniformitet. Foreløpig har den siste trinn-og-gjenta-litografien levert av Nikon et statisk eksponeringsfelt som er like stort som trinn-og-skann-litografien, og kan behandle mer enn 200 wafere i timen, med ekstremt høy produksjonseffektivitet. Denne typen litografimaskin brukes for tiden hovedsakelig til produksjon av ikke-kritiske IC-lag.
4.3 Stepper skanner
Bruken av step-and-scan litografi begynte på 1990-tallet. Ved å konfigurere forskjellige eksponeringslyskilder, kan trinn-og-skann-teknologi støtte forskjellige prosessteknologinoder, fra 365nm, 248nm, 193nm nedsenking til EUV-litografi. I motsetning til step-and-repeat litografi, vedtar enkeltfeltseksponeringen av step-and-scan litografi dynamisk skanning, det vil si at maskeplaten fullfører skanningsbevegelsen synkront i forhold til waferen; etter at den nåværende felteksponeringen er fullført, bæres waferen av arbeidsstykketrinnet og trappes til neste skannefeltposisjon, og gjentatt eksponering fortsetter; gjenta trinn-og-skann eksponeringen flere ganger til alle felt av hele waferen er eksponert.
Ved å konfigurere forskjellige typer lyskilder (som i-line, KrF, ArF), kan stepper-skanneren støtte nesten alle teknologinoder i halvlederfrontprosessen. Typiske silisiumbaserte CMOS-prosesser har tatt i bruk stepper-skannere i store mengder siden 0,18μm-noden; de ekstreme ultrafiolette (EUV) litografimaskinene som for tiden brukes i prosessnoder under 7nm, bruker også stepper-skanning. Etter delvis adaptiv modifikasjon kan stepper-skanneren også støtte forskning og utvikling og produksjon av mange ikke-silisiumbaserte prosesser som MEMS, strømenheter og RF-enheter.
De viktigste produsentene av step-and-scan projeksjonslitografimaskiner inkluderer ASML (Nederland), Nikon (Japan), Canon (Japan) og SMEE (Kina). ASML lanserte TWINSCAN-serien med step-and-scan litografimaskiner i 2001. Den tar i bruk en to-trinns systemarkitektur, som effektivt kan forbedre utgangshastigheten til utstyret og har blitt den mest brukte high-end litografimaskinen.
4.4 Fordypningslitografi
Det kan sees fra Rayleigh-formelen at når eksponeringsbølgelengden forblir uendret, er en effektiv måte å forbedre bildeoppløsningen på å øke den numeriske blenderåpningen til bildesystemet. For bildeoppløsninger under 45nm og høyere kan ikke lenger ArF-tørreksponeringsmetoden oppfylle kravene (fordi den støtter en maksimal bildeoppløsning på 65nm), så det er nødvendig å introdusere en nedsenkingslitografimetode. I tradisjonell litografiteknologi er mediet mellom linsen og fotoresisten luft, mens nedsenkingslitografiteknologien erstatter luftmediet med væske (vanligvis ultrarent vann med en brytningsindeks på 1,44).
Faktisk bruker nedsenkingslitografiteknologi forkortingen av bølgelengden til lyskilden etter at lys passerer gjennom det flytende mediet for å forbedre oppløsningen, og forkortningsforholdet er brytningsindeksen til det flytende mediet. Selv om nedsenkingslitografimaskinen er en type step-and-scan litografimaskin, og dens utstyrssystemløsning ikke har endret seg, er det en modifikasjon og utvidelse av ArF step-and-scan litografimaskinen på grunn av introduksjonen av nøkkelteknologier relatert til fordypning.
Fordelen med nedsenkingslitografi er at på grunn av økningen i den numeriske blenderåpningen til systemet, forbedres bildeoppløsningsevnen til stepper-scanner litografimaskinen, som kan møte prosesskravene til bildeoppløsning under 45nm.
Siden nedsenkingslitografimaskinen fortsatt bruker ArF-lyskilde, er kontinuiteten i prosessen garantert, noe som sparer FoU-kostnadene for lyskilde, utstyr og prosess. På dette grunnlaget, kombinert med flere grafikk og beregningslitografiteknologi, kan nedsenkingslitografimaskinen brukes ved prosessnoder på 22nm og under. Før EUV-litografimaskinen offisielt ble satt i masseproduksjon, hadde nedsenkingslitografimaskinen blitt mye brukt og kunne oppfylle prosesskravene til 7nm-noden. På grunn av innføringen av nedsenkingsvæske har imidlertid den tekniske vanskeligheten til selve utstyret økt betydelig.
Dens nøkkelteknologier inkluderer teknologi for tilførsel og gjenvinning av nedsenkingsvæske, vedlikeholdsteknologi for nedsenkingsvæskefelt, forurensnings- og defektkontrollteknologi for nedsenkingslitografi, utvikling og vedlikehold av nedsenkingslinser med ultrastore numeriske blenderåpninger og gjenkjenningsteknologi for bildekvalitet under nedsenkingsforhold.
For tiden leveres kommersielle ArFi step-and-scan litografimaskiner hovedsakelig av to selskaper, nemlig ASML i Nederland og Nikon i Japan. Blant dem er prisen på en enkelt ASML NXT1980 Di omtrent 80 millioner euro.
4.4 Ekstrem ultrafiolett litografimaskin
For å forbedre oppløsningen av fotolitografi, blir eksponeringsbølgelengden ytterligere forkortet etter at eksimer-lyskilden er tatt i bruk, og ekstremt ultrafiolett lys med en bølgelengde på 10 til 14 nm introduseres som eksponeringslyskilde. Bølgelengden til ekstremt ultrafiolett lys er ekstremt kort, og det reflekterende optiske systemet som kan brukes er vanligvis sammensatt av flerlags filmreflektorer som Mo/Si eller Mo/Be.
Blant dem er den teoretiske maksimale reflektiviteten til Mo/Si flerlagsfilm i bølgelengdeområdet 13,0 til 13,5 nm omtrent 70 %, og den teoretiske maksimale reflektiviteten til Mo/Be flerlagsfilm ved en kortere bølgelengde på 11,1 nm er omtrent 80 %. Selv om reflektiviteten til Mo/Be flerlagsfilmreflektorer er høyere, er Be svært giftig, så forskning på slike materialer ble forlatt da EUV-litografiteknologien ble utviklet.Den nåværende EUV-litografiteknologien bruker Mo/Si flerlagsfilm, og eksponeringsbølgelengden er også bestemt til å være 13,5 nm.
Den vanlige ekstreme ultrafiolette lyskilden bruker laserprodusert plasma (LPP)-teknologi, som bruker høyintensitetslasere for å eksitere smeltet Sn-plasma for å sende ut lys. I lang tid har kraften og tilgjengeligheten til lyskilden vært flaskehalsene som begrenser effektiviteten til EUV litografimaskiner. Gjennom master oscillator effektforsterker, prediktiv plasma (PP) teknologi og in-situ oppsamlingsspeilrenseteknologi, har kraften og stabiliteten til EUV lyskilder blitt kraftig forbedret.
EUV-litografimaskinen er hovedsakelig sammensatt av undersystemer som lyskilde, belysning, objektivlinse, arbeidsstykketrinn, masketrinn, waferjustering, fokusering/nivellering, maskeoverføring, wafertransmisjon og vakuumramme. Etter å ha passert gjennom belysningssystemet som består av flerlagsbelagte reflektorer, blir det ekstreme ultrafiolette lyset bestrålt på den reflekterende masken. Lyset som reflekteres av masken kommer inn i det optiske totalrefleksjonsavbildningssystemet som består av en serie reflektorer, og til slutt projiseres det reflekterte bildet av masken på overflaten av waferen i et vakuummiljø.
Eksponerings- og bildesynsfeltet til EUV-litografimaskinen er begge bueformet, og en trinn-for-trinn skannemetode brukes for å oppnå full wafereksponering for å forbedre utgangshastigheten. ASMLs mest avanserte NXE-serie EUV litografimaskin bruker en eksponeringslyskilde med en bølgelengde på 13,5nm, en reflekterende maske (6° skråinnfall), et 4x reduksjonsreflekterende projeksjonsobjektivsystem med en 6-speilstruktur (NA=0,33), en skannesynsfelt på 26 mm × 33 mm, og et vakuumeksponeringsmiljø.
Sammenlignet med nedsenkingslitografimaskiner, har enkelteksponeringsoppløsningen til EUV-litografimaskiner som bruker ekstreme ultrafiolette lyskilder blitt kraftig forbedret, noe som effektivt kan unngå den komplekse prosessen som kreves for multippel fotolitografi for å danne høyoppløselig grafikk. For øyeblikket når enkelteksponeringsoppløsningen til NXE 3400B litografimaskinen med en numerisk blenderåpning på 0,33 13nm, og utgangshastigheten når 125 stykker/t.
For å møte behovene for ytterligere utvidelse av Moores lov, vil EUV-litografimaskiner med en numerisk blenderåpning på 0,5 i fremtiden ta i bruk et projeksjonsobjektivsystem med sentral lysblokkering, som bruker en asymmetrisk forstørrelse på 0,25 ganger/0,125 ganger, og Skanneeksponeringsfeltet vil reduseres fra 26m × 33mm til 26mm × 16,5mm, og enkelteksponeringsoppløsningen kan nå under 8nm.
————————————————————————————————————————————————— ———————————
Semicera kan gigrafitt deler, myk/stiv filt, silisiumkarbiddeler, CVD silisiumkarbiddeler, ogSiC/TaC-belagte delermed full halvlederprosess på 30 dager.
Hvis du er interessert i de ovennevnte halvlederproduktene,ikke nøl med å kontakte oss første gang.
Tlf.: +86-13373889683
WhatsAPP: +86-15957878134
Email: sales01@semi-cera.com
Innleggstid: 31. august 2024