Ét overblik
I den integrerede kredsløbsfremstillingsproces er fotolitografi kerneprocessen, der bestemmer integrationsniveauet for integrerede kredsløb. Funktionen af denne proces er trofast at transmittere og overføre kredsløbsgrafikinformation fra masken (også kaldet masken) til halvledermaterialesubstratet.
Det grundlæggende princip for fotolitografiprocessen er at udnytte den fotokemiske reaktion af fotoresisten, der er coatet på overfladen af substratet, til at registrere kredsløbsmønsteret på masken, og derved opnå formålet med at overføre det integrerede kredsløbsmønster fra designet til substratet.
Den grundlæggende proces med fotolitografi:
Først påføres fotoresist på substratoverfladen ved hjælp af en belægningsmaskine;
Derefter bruges en fotolitografimaskine til at eksponere substratet belagt med fotoresist, og den fotokemiske reaktionsmekanisme bruges til at registrere maskemønsterinformationen transmitteret af fotolitografimaskinen, hvilket afslutter troskabstransmissionen, overførslen og replikationen af maskemønsteret til substratet;
Endelig bruges en fremkalder til at fremkalde det eksponerede substrat for at fjerne (eller fastholde) fotoresisten, der gennemgår en fotokemisk reaktion efter eksponering.
Anden fotolitografiproces
For at overføre det designede kredsløbsmønster på masken til siliciumwaferen, skal overførslen først opnås gennem en eksponeringsproces, og derefter skal siliciummønsteret opnås gennem en ætsningsproces.
Da belysningen af fotolitografiprocesområdet bruger en gul lyskilde, som lysfølsomme materialer er ufølsomme overfor, kaldes det også det gule lysområde.
Fotolitografi blev først brugt i trykkeriindustrien og var den vigtigste teknologi til tidlig PCB-fremstilling. Siden 1950'erne er fotolitografi gradvist blevet den almindelige teknologi til mønsteroverførsel i IC-fremstilling.
Nøgleindikatorerne for litografiprocessen inkluderer opløsning, følsomhed, overlejringsnøjagtighed, defektrate osv.
Det mest kritiske materiale i fotolitografiprocessen er fotoresisten, som er et fotofølsomt materiale. Da fotoresistens følsomhed afhænger af lyskildens bølgelængde, kræves der forskellige fotoresistmaterialer til fotolitografiprocesser såsom g/i-linje, 248nm KrF og 193nm ArF.
Hovedprocessen i en typisk fotolitografiproces omfatter fem trin:
-Base film forberedelse;
- Påfør fotoresist og blød bagning;
-Justering, eksponering og bagning efter eksponering;
-Udvikle hård film;
- Detektion af udvikling.
(1)Forberedelse af basisfilm: hovedsageligt rengøring og dehydrering. Fordi enhver forurening vil svække adhæsionen mellem fotoresisten og waferen, kan grundig rensning forbedre adhæsionen mellem waferen og fotoresisten.
(2)Fotoresist belægning: Dette opnås ved at dreje siliciumwaferen. Forskellige fotoresists kræver forskellige belægningsprocesparametre, herunder rotationshastighed, fotoresisttykkelse og temperatur.
Blød bagning: Bagning kan forbedre vedhæftningen mellem fotoresisten og siliciumwaferen, samt ensartetheden af fotoresistens tykkelse, hvilket er gavnligt for den præcise kontrol af de geometriske dimensioner af den efterfølgende ætseproces.
(3)Justering og eksponering: Justering og eksponering er de vigtigste trin i fotolitografiprocessen. De henviser til at justere maskemønsteret med det eksisterende mønster på waferen (eller det forreste lagmønster) og derefter bestråle det med specifikt lys. Lysenergien aktiverer de lysfølsomme komponenter i fotoresisten og overfører derved maskemønsteret til fotoresisten.
Udstyret, der bruges til justering og eksponering, er en fotolitografimaskine, som er det dyreste enkelt stykke procesudstyr i hele fremstillingsprocessen for integrerede kredsløb. Fotolitografimaskinens tekniske niveau repræsenterer udviklingsniveauet for hele produktionslinjen.
Bagning efter eksponering: refererer til en kort bageproces efter eksponering, som har en anden effekt end i dybe ultraviolette fotoresists og konventionelle i-line fotoresists.
Til dyb ultraviolet fotoresist fjerner bagning efter eksponering de beskyttende komponenter i fotoresisten, hvilket tillader fotoresisten at opløses i fremkalderen, så bagning efter eksponering er nødvendig;
For konventionelle i-line fotoresists kan bagning efter eksponering forbedre vedhæftningen af fotoresisten og reducere stående bølger (stående bølger vil have en negativ effekt på fotoresistens kantmorfologi).
(4)Udvikling af den hårde film: Brug fremkalder til at opløse den opløselige del af fotoresisten (positiv fotoresist) efter eksponering, og nøjagtigt vise maskemønsteret med fotoresistmønsteret.
Nøgleparametrene i udviklingsprocessen omfatter fremkaldertemperatur og -tid, fremkalderdosering og -koncentration, rengøring osv. Ved at justere de relevante parametre i fremkaldelsen kan forskellen i opløsningshastighed mellem de eksponerede og ueksponerede dele af fotoresisten øges, hvorved opnå den ønskede udviklingseffekt.
Hærdning er også kendt som hærdningsbagning, som er processen med at fjerne det resterende opløsningsmiddel, fremkalder, vand og andre unødvendige restkomponenter i den fremkaldte fotoresist ved at opvarme og fordampe dem for at forbedre vedhæftningen af fotoresisten til siliciumsubstratet og fotoresistens ætsningsmodstand.
Temperaturen på hærdningsprocessen varierer afhængigt af de forskellige fotoresists og hærdningsmetoderne. Forudsætningen er, at fotoresistmønsteret ikke deformeres, og fotoresisten skal gøres hårdt nok.
(5)Udviklingsinspektion: Dette er for at kontrollere for defekter i fotoresistmønsteret efter fremkaldelse. Normalt bruges billedgenkendelsesteknologi til automatisk at scanne chipmønsteret efter fremkaldelse og sammenligne det med det forudlagrede defektfrie standardmønster. Hvis der findes en forskel, anses den for at være defekt.
Hvis antallet af defekter overstiger en vis værdi, vurderes siliciumwaferen at have bestået udviklingstesten og kan skrottes eller omarbejdes efter behov.
I den integrerede kredsløbsfremstillingsproces er de fleste processer irreversible, og fotolitografi er en af de meget få processer, der kan omarbejdes.
Tre fotomasker og fotoresistmaterialer
3.1 Fotomaske
En fotomaske, også kendt som en fotolitografimaske, er en mester, der bruges i fotolitografiprocessen til fremstilling af integrerede kredsløbswafere.
Fremstillingsprocessen for fotomasker er at konvertere de originale layoutdata, der kræves til wafer-fremstilling designet af designingeniører med integrerede kredsløb, til et dataformat, der kan genkendes af lasermønstergeneratorer eller elektronstråleeksponeringsudstyr gennem maskedatabehandling, så det kan eksponeres af ovennævnte udstyr på fotomaske-substratmaterialet belagt med lysfølsomt materiale; derefter behandles det gennem en række processer såsom udvikling og ætsning for at fiksere mønsteret på substratmaterialet; til sidst inspiceres, repareres, rengøres og filmlamineres det til et maskeprodukt og leveres til producenten af integrerede kredsløb til brug.
3.2 Fotoresist
Fotoresist, også kendt som fotoresist, er et lysfølsomt materiale. De lysfølsomme komponenter i det vil undergå kemiske ændringer under bestråling af lys, og derved forårsage ændringer i opløsningshastigheden. Dens hovedfunktion er at overføre mønsteret på masken til et substrat såsom en wafer.
Arbejdsprincip for fotoresist: Først coates fotoresisten på substratet og forbages for at fjerne opløsningsmidlet;
For det andet udsættes masken for lys, hvilket får de lysfølsomme komponenter i den eksponerede del til at gennemgå en kemisk reaktion;
Derefter udføres en bagning efter eksponering;
Endelig opløses fotoresisten delvist gennem udvikling (for positiv fotoresist er det eksponerede område opløst; for negativ fotoresist er det ueksponerede område opløst), hvorved overførslen af det integrerede kredsløbsmønster fra masken til substratet realiseres.
Komponenterne i fotoresist omfatter hovedsageligt filmdannende harpiks, lysfølsom komponent, sporadditiver og opløsningsmiddel.
Blandt dem bruges den filmdannende harpiks til at give mekaniske egenskaber og ætsningsbestandighed; den lysfølsomme komponent undergår kemiske ændringer under lys, hvilket forårsager ændringer i opløsningshastigheden;
Sportilsætningsstoffer omfatter farvestoffer, viskositetsforstærkere osv., som bruges til at forbedre ydeevnen af fotoresist; opløsningsmidler bruges til at opløse komponenterne og blande dem jævnt.
De fotoresister, der i øjeblikket er udbredt, kan opdeles i traditionelle fotoresists og kemisk forstærkede fotoresists i henhold til den fotokemiske reaktionsmekanisme, og kan også opdeles i ultraviolet, dyb ultraviolet, ekstrem ultraviolet, elektronstråle, ionstråle og røntgenfotoresist ifølge lysfølsom bølgelængde.
Fire fotolitografiudstyr
Fotolitografiteknologi har gennemgået udviklingsprocessen for kontakt/nærhedslitografi, optisk projektionslitografi, step-and-repeat litografi, scanningslitografi, immersionslitografi og EUV-litografi.
4.1 Kontakt-/nærhedslitografimaskine
Kontaktlitografiteknologi dukkede op i 1960'erne og blev meget brugt i 1970'erne. Det var den vigtigste litografimetode i æraen med integrerede kredsløb i lille skala og blev hovedsageligt brugt til at producere integrerede kredsløb med funktionsstørrelser større end 5 μm.
I en kontakt/nærhedslitografimaskine placeres waferen normalt på en manuelt styret vandret position og roterende arbejdsbord. Operatøren bruger et diskret feltmikroskop til samtidig at observere positionen af masken og waferen og kontrollerer manuelt positionen af arbejdsbordet for at justere masken og waferen. Efter at waferen og masken er justeret, vil de to blive presset sammen, så masken er i direkte kontakt med fotoresisten på overfladen af waferen.
Efter fjernelse af mikroskopobjektivet flyttes den pressede wafer og masken til eksponeringsbordet for eksponering. Lyset, der udsendes af kviksølvlampen, er kollimeret og parallelt med masken gennem en linse. Da masken er i direkte kontakt med fotoresistlaget på waferen, overføres maskemønsteret til fotoresistlaget i et forhold på 1:1 efter eksponering.
Kontaktlitografiudstyr er det enkleste og mest økonomiske optiske litografiudstyr og kan opnå eksponering af grafik i sub-mikrons størrelse, så det bruges stadig i små-batch-produktfremstilling og laboratorieforskning. I storstilet integreret kredsløbsproduktion blev proximity litografiteknologi indført for at undgå stigningen i litografiomkostninger forårsaget af direkte kontakt mellem masken og waferen.
Nærhedslitografi blev meget brugt i 1970'erne under æraen med integrerede kredsløb i små skala og den tidlige æra med integrerede kredsløb i mellemskala. I modsætning til kontaktlitografi er masken i proximity litografi ikke i direkte kontakt med fotoresisten på waferen, men der efterlades et hul fyldt med nitrogen. Masken flyder på nitrogenet, og størrelsen af mellemrummet mellem masken og waferen bestemmes af nitrogentrykket.
Da der ikke er nogen direkte kontakt mellem waferen og masken i nærhedslitografi, reduceres de defekter, der indføres under litografiprocessen, hvorved tabet af masken reduceres og waferudbyttet forbedres. I nærhedslitografi placerer mellemrummet mellem waferen og masken waferen i Fresnel-diffraktionsområdet. Tilstedeværelsen af diffraktion begrænser den yderligere forbedring af opløsningen af nærhedslitografiudstyr, så denne teknologi er hovedsageligt velegnet til produktion af integrerede kredsløb med funktionsstørrelser over 3μm.
4.2 Stepper og repeater
Stepperen er et af de vigtigste udstyr i waferlitografiens historie, som har fremmet sub-mikron litografiprocessen til masseproduktion. Stepperen bruger et typisk statisk eksponeringsfelt på 22 mm × 22 mm og en optisk projektionslinse med et reduktionsforhold på 5:1 eller 4:1 til at overføre mønsteret på masken til waferen.
Trin-og-gentag litografimaskinen er generelt sammensat af et eksponeringsundersystem, et emnetrinsundersystem, et masketrinsundersystem, et fokus/nivelleringsundersystem, et alignment undersystem, et hovedrammeundersystem, et waferoverførselsundersystem, et maskeoverførselsundersystem , et elektronisk undersystem og et softwareundersystem.
Den typiske arbejdsproces for en trin-og-gentag litografimaskine er som følger:
Først overføres waferen, der er coatet med fotoresist, til emnebordet ved hjælp af waferoverførselsundersystemet, og masken, der skal eksponeres, overføres til maskebordet ved at bruge maskeoverførselsundersystemet;
Derefter bruger systemet fokuserings-/nivelleringsundersystemet til at udføre flerpunkts højdemåling på waferen på arbejdsemnets scene for at opnå information såsom højden og hældningsvinklen på overfladen af waferen, der skal eksponeres, således at eksponeringsområdet for waferen kan altid kontrolleres inden for brændvidden af projektionsobjektivet under eksponeringsprocessen;Efterfølgende bruger systemet justeringsundersystemet til at justere masken og waferen, således at positionsnøjagtigheden af maskebilledet og wafermønsteroverførslen under eksponeringsprocessen altid er inden for overlejringskravene.
Endelig fuldføres trin-og-eksponeringshandlingen af hele waferoverfladen i overensstemmelse med den foreskrevne vej for at realisere mønsteroverførselsfunktionen.
Den efterfølgende stepper- og scannerlitografimaskine er baseret på ovenstående grundlæggende arbejdsproces, forbedring af stepping → eksponering til scanning → eksponering og fokusering/nivellering → justering → eksponering på totrinsmodellen til måling (fokusering/nivellering → justering) og scanning eksponering parallelt.
Sammenlignet med step-and-scan litografimaskinen behøver step-and-repeat litografimaskinen ikke at opnå synkron omvendt scanning af masken og waferen og kræver ikke et scanningsmaskebord og et synkront scanningskontrolsystem. Derfor er strukturen relativt enkel, omkostningerne er relativt lave, og driften er pålidelig.
Efter at IC-teknologien trådte ind i 0,25μm, begyndte anvendelsen af step-and-repeat litografi at falde på grund af fordelene ved step-and-scan litografi i scanning af eksponeringsfeltstørrelse og eksponeringsensartethed. I øjeblikket har den seneste step-and-repeat-litografi leveret af Nikon et statisk eksponeringsfelt, der er lige så stort som step-and-scan-litografien og kan behandle mere end 200 wafers i timen med ekstrem høj produktionseffektivitet. Denne type litografimaskine bruges i øjeblikket hovedsageligt til fremstilling af ikke-kritiske IC-lag.
4.3 Stepper Scanner
Anvendelsen af step-and-scan litografi begyndte i 1990'erne. Ved at konfigurere forskellige eksponeringslyskilder kan step-and-scan-teknologi understøtte forskellige procesteknologinoder, fra 365nm, 248nm, 193nm nedsænkning til EUV-litografi. I modsætning til step-and-repeat litografi, anvender enkeltfeltseksponeringen af step-and-scan litografi dynamisk scanning, det vil sige, at maskepladen fuldender scanningsbevægelsen synkront i forhold til waferen; efter at den aktuelle felteksponering er afsluttet, bæres waferen af emnetrinnet og trinvis til den næste scanningsfeltposition, og gentagen eksponering fortsætter; gentag trin-og-scan eksponeringen flere gange, indtil alle felter af hele waferen er eksponeret.
Ved at konfigurere forskellige typer lyskilder (såsom i-line, KrF, ArF) kan stepper-scanneren understøtte næsten alle teknologiknuder i halvlederfront-end-processen. Typiske silicium-baserede CMOS-processer har vedtaget stepper-scannere i store mængder siden 0,18μm-knuden; de ekstreme ultraviolette (EUV) litografimaskiner, der i øjeblikket anvendes i procesknuder under 7nm, bruger også stepper-scanning. Efter delvis adaptiv modifikation kan stepper-scanneren også understøtte forskning og udvikling og produktion af mange ikke-siliciumbaserede processer såsom MEMS, strømenheder og RF-enheder.
De største producenter af step-and-scan projektionslitografimaskiner omfatter ASML (Holland), Nikon (Japan), Canon (Japan) og SMEE (Kina). ASML lancerede TWINSCAN-serien af step-and-scan litografimaskiner i 2001. Den anvender en to-trins systemarkitektur, som effektivt kan forbedre outputhastigheden af udstyret og er blevet den mest udbredte high-end litografimaskine.
4.4 Nedsænkningslitografi
Det kan ses fra Rayleigh-formlen, at når eksponeringsbølgelængden forbliver uændret, er en effektiv måde at forbedre billedopløsningen på at øge billeddannelsessystemets numeriske blænde. For billedopløsninger under 45nm og højere kan ArF-tøreksponeringsmetoden ikke længere opfylde kravene (fordi den understøtter en maksimal billedopløsning på 65nm), så det er nødvendigt at indføre en nedsænkningslitografimetode. I traditionel litografiteknologi er mediet mellem linsen og fotoresisten luft, mens immersionslitografiteknologien erstatter luftmediet med væske (normalt ultrarent vand med et brydningsindeks på 1,44).
Faktisk bruger immersionslitografiteknologi afkortningen af lyskildens bølgelængde, efter at lyset passerer gennem det flydende medium, for at forbedre opløsningen, og forkortningsforholdet er det flydende mediums brydningsindeks. Selvom nedsænkningslitografimaskinen er en type step-and-scan litografimaskine, og dens udstyrssystemløsning ikke har ændret sig, er den en modifikation og udvidelse af ArF step-and-scan litografimaskinen på grund af introduktionen af nøgleteknologier relateret til fordybelse.
Fordelen ved immersionslitografi er, at på grund af stigningen i systemets numeriske blænde, forbedres billedopløsningsevnen for stepper-scanner litografimaskinen, som kan opfylde proceskravene til billedopløsning under 45nm.
Da nedsænkningslitografimaskinen stadig bruger ArF-lyskilde, er kontinuiteten i processen garanteret, hvilket sparer F&U-omkostningerne til lyskilde, udstyr og proces. På dette grundlag, kombineret med flere grafik og beregningslitografiteknologi, kan immersionslitografimaskinen bruges ved procesknudepunkter på 22nm og derunder. Før EUV-litografimaskinen officielt blev sat i masseproduktion, var nedsænkningslitografimaskinen blevet meget brugt og kunne opfylde proceskravene for 7nm-knuden. Men på grund af indførelsen af nedsænkningsvæske er selve udstyrets tekniske vanskelighed steget betydeligt.
Dets nøgleteknologier omfatter teknologi til forsyning og genvinding af immersionsvæske, nedsænkningsvæskefeltvedligeholdelsesteknologi, immersionslitografi-forurenings- og defektkontrolteknologi, udvikling og vedligeholdelse af nedsænkningsprojektionslinser med ultra-stor numerisk blænde og billedkvalitetsdetektionsteknologi under nedsænkningsforhold.
I øjeblikket leveres kommercielle ArFi step-and-scan litografimaskiner hovedsageligt af to virksomheder, nemlig ASML fra Holland og Nikon fra Japan. Blandt dem er prisen på en enkelt ASML NXT1980 Di omkring 80 millioner euro.
4.4 Ekstrem ultraviolet litografimaskine
For at forbedre opløsningen af fotolitografi forkortes eksponeringsbølgelængden yderligere, efter at excimer-lyskilden er vedtaget, og ekstremt ultraviolet lys med en bølgelængde på 10 til 14 nm indføres som eksponeringslyskilde. Bølgelængden af ekstremt ultraviolet lys er ekstremt kort, og det reflekterende optiske system, der kan bruges, er normalt sammensat af flerlagsfilmreflektorer såsom Mo/Si eller Mo/Be.
Blandt dem er den teoretiske maksimale reflektivitet af Mo/Si flerlagsfilm i bølgelængdeområdet fra 13,0 til 13,5 nm omkring 70 %, og den teoretiske maksimale reflektivitet af Mo/Be flerlagsfilm ved en kortere bølgelængde på 11,1 nm er omkring 80 %. Selvom reflektionsevnen af Mo/Be-flerlagsfilmreflektorer er højere, er Be meget giftig, så forskning i sådanne materialer blev opgivet ved udvikling af EUV-litografiteknologi.Den nuværende EUV litografiteknologi bruger Mo/Si flerlagsfilm, og dens eksponeringsbølgelængde er også bestemt til at være 13,5 nm.
Den almindelige ekstreme ultraviolette lyskilde bruger laser-produceret plasma (LPP) teknologi, som bruger høj-intensitet lasere til at excitere hot-melt Sn plasma til at udsende lys. I lang tid har lyskildens kraft og tilgængelighed været de flaskehalse, der begrænser effektiviteten af EUV-litografimaskiner. Gennem master oscillator effektforstærkeren, prædiktiv plasma (PP) teknologi og in-situ opsamlingsspejlrengøringsteknologi er kraften og stabiliteten af EUV lyskilder blevet væsentligt forbedret.
EUV-litografimaskinen er hovedsageligt sammensat af undersystemer såsom lyskilde, belysning, objektivlinse, emnetrin, masketrin, waferjustering, fokusering/nivellering, masketransmission, wafertransmission og vakuumramme. Efter at have passeret gennem belysningssystemet, der består af flerlagsbelagte reflektorer, bestråles det ekstreme ultraviolette lys på den reflekterende maske. Lyset, der reflekteres af masken, kommer ind i det optiske totalreflektionsbilleddannelsessystem, der består af en række reflektorer, og til sidst projiceres det reflekterede billede af masken på overfladen af waferen i et vakuummiljø.
Eksponerings- og billedsynsfeltet for EUV-litografimaskinen er begge bueformede, og en trin-for-trin scanningsmetode bruges til at opnå fuld wafereksponering for at forbedre outputhastigheden. ASMLs mest avancerede EUV-litografimaskine i NXE-serien bruger en eksponeringslyskilde med en bølgelængde på 13,5 nm, en reflekterende maske (6° skrå incidens), et 4x reduktionsreflekterende projektionsobjektivsystem med en 6-spejlstruktur (NA=0,33), en scanningssynsfelt på 26 mm × 33 mm og et vakuumeksponeringsmiljø.
Sammenlignet med nedsænkningslitografimaskiner er enkelteksponeringsopløsningen for EUV-litografimaskiner, der anvender ekstreme ultraviolette lyskilder, blevet væsentligt forbedret, hvilket effektivt kan undgå den komplekse proces, der kræves for multipel fotolitografi for at danne grafik i høj opløsning. På nuværende tidspunkt når enkelteksponeringsopløsningen på NXE 3400B litografimaskinen med en numerisk blænde på 0,33 13nm, og outputhastigheden når 125 stykker/t.
For at imødekomme behovene for yderligere udvidelse af Moores lov vil EUV-litografimaskiner med en numerisk blænde på 0,5 i fremtiden anvende et projektionsobjektivsystem med central lysblokering, der anvender en asymmetrisk forstørrelse på 0,25 gange/0,125 gange, og scanningseksponeringens synsfelt reduceres fra 26m × 33mm til 26mm × 16,5mm, og enkelteksponeringsopløsningen kan nå under 8nm.
————————————————————————————————————————————————— ———————————
Semicera kan leveregrafit dele, blød/stiv filt, siliciumcarbid dele, CVD siliciumcarbid dele, ogSiC/TaC belagte delemed fuld halvlederproces på 30 dage.
Hvis du er interesseret i ovenstående halvlederprodukter,tøv ikke med at kontakte os første gang.
Tlf.: +86-13373889683
WhatsAPP: +86-15957878134
Email: sales01@semi-cera.com
Indlægstid: 31. august 2024