Una descripción general
En el proceso de fabricación de circuitos integrados, la fotolitografía es el proceso central que determina el nivel de integración de los circuitos integrados. La función de este proceso es transmitir y transferir fielmente la información gráfica del circuito desde la máscara (también llamada máscara) al sustrato de material semiconductor.
El principio básico del proceso de fotolitografía es utilizar la reacción fotoquímica del fotoprotector recubierto sobre la superficie del sustrato para registrar el patrón del circuito en la máscara, logrando así el propósito de transferir el patrón del circuito integrado del diseño al sustrato.
El proceso básico de la fotolitografía.:
Primero, se aplica fotoprotector sobre la superficie del sustrato utilizando una máquina de recubrimiento;
Luego, se usa una máquina de fotolitografía para exponer el sustrato recubierto con fotorresistente, y el mecanismo de reacción fotoquímica se usa para registrar la información del patrón de máscara transmitida por la máquina de fotolitografía, completando la transmisión, transferencia y replicación de fidelidad del patrón de máscara al sustrato;
Finalmente, se utiliza un revelador para revelar el sustrato expuesto para eliminar (o retener) el fotorresistente que sufre una reacción fotoquímica después de la exposición.
Segundo proceso de fotolitografía.
Para transferir el patrón de circuito diseñado en la máscara a la oblea de silicio, primero se debe lograr la transferencia mediante un proceso de exposición y luego se debe obtener el patrón de silicio mediante un proceso de grabado.
Dado que la iluminación del área de proceso de fotolitografía utiliza una fuente de luz amarilla a la que los materiales fotosensibles son insensibles, también se denomina área de luz amarilla.
La fotolitografía se utilizó por primera vez en la industria de la impresión y fue la principal tecnología para la fabricación temprana de PCB. Desde la década de 1950, la fotolitografía se ha convertido gradualmente en la tecnología principal para la transferencia de patrones en la fabricación de circuitos integrados.
Los indicadores clave del proceso de litografía incluyen resolución, sensibilidad, precisión de superposición, tasa de defectos, etc.
El material más crítico en el proceso de fotolitografía es el fotorresistente, que es un material fotosensible. Dado que la sensibilidad del fotorresistente depende de la longitud de onda de la fuente de luz, se requieren diferentes materiales fotorresistentes para los procesos de fotolitografía, como la línea g/i, KrF de 248 nm y ArF de 193 nm.
El proceso principal de un proceso típico de fotolitografía incluye cinco pasos.:
-Preparación de la película base;
-Aplicar fotorresistente y horneado suave;
-Alineación, exposición y horneado post-exposición;
-Revelar película dura;
-Detección de desarrollo.
(1)Preparación de la película base: principalmente limpieza y deshidratación. Debido a que cualquier contaminante debilitará la adhesión entre el fotorresistente y la oblea, una limpieza minuciosa puede mejorar la adhesión entre la oblea y el fotorresistente.
(2)Recubrimiento fotorresistente: Esto se logra girando la oblea de silicio. Diferentes fotorresistentes requieren diferentes parámetros del proceso de recubrimiento, incluida la velocidad de rotación, el espesor del fotorresistente y la temperatura.
Cocción suave: La cocción puede mejorar la adhesión entre el fotorresistente y la oblea de silicio, así como la uniformidad del espesor del fotorresistente, lo que resulta beneficioso para el control preciso de las dimensiones geométricas del proceso de grabado posterior.
(3)Alineación y exposición: La alineación y la exposición son los pasos más importantes en el proceso de fotolitografía. Se refieren a alinear el patrón de la máscara con el patrón existente en la oblea (o el patrón de la capa frontal) y luego irradiarlo con una luz específica. La energía luminosa activa los componentes fotosensibles del fotorresistente, transfiriendo así el patrón de máscara al fotorresistente.
El equipo utilizado para la alineación y exposición es una máquina de fotolitografía, que es el equipo de proceso más caro de todo el proceso de fabricación de circuitos integrados. El nivel técnico de la máquina de fotolitografía representa el nivel de avance de toda la línea de producción.
Horneado post-exposición: se refiere a un breve proceso de horneado después de la exposición, que tiene un efecto diferente al de los fotorresistentes ultravioleta profundo y los fotorresistentes i-line convencionales.
Para el fotorresistente ultravioleta profundo, el horneado posterior a la exposición elimina los componentes protectores del fotorresistente, lo que permite que el fotorresistente se disuelva en el revelador, por lo que es necesario el horneado posterior a la exposición;
Para los fotorresistentes i-line convencionales, el horneado posterior a la exposición puede mejorar la adhesión del fotorresistente y reducir las ondas estacionarias (las ondas estacionarias tendrán un efecto adverso en la morfología del borde del fotorresistente).
(4)Revelado de la película dura: use revelador para disolver la parte soluble del fotorresistente (fotorresistente positivo) después de la exposición y muestre con precisión el patrón de máscara con el patrón del fotorresistente.
Los parámetros clave del proceso de revelado incluyen la temperatura y el tiempo de revelado, la dosis y concentración del revelador, la limpieza, etc. Al ajustar los parámetros relevantes en el revelado, se puede aumentar la diferencia en la velocidad de disolución entre las partes expuestas y no expuestas del fotorresistente, con lo que obteniendo el efecto de desarrollo deseado.
El endurecimiento también se conoce como horneado de endurecimiento, que es el proceso de eliminar el solvente restante, el revelador, el agua y otros componentes residuales innecesarios en el fotorresistente revelado calentándolos y evaporándolos, para mejorar la adhesión del fotorresistente al sustrato de silicio y la resistencia al grabado del fotorresistente.
La temperatura del proceso de endurecimiento varía según los diferentes fotoprotectores y los métodos de endurecimiento. La premisa es que el patrón fotorresistente no se deforma y el fotorresistente debe endurecerse lo suficiente.
(5)Inspección de desarrollo: Esto es para comprobar si hay defectos en el patrón fotorresistente después del revelado. Por lo general, la tecnología de reconocimiento de imágenes se utiliza para escanear automáticamente el patrón del chip después del desarrollo y compararlo con el patrón estándar sin defectos previamente almacenado. Si se encuentra alguna diferencia, se considera defectuoso.
Si el número de defectos excede un cierto valor, se considera que la oblea de silicio no pasó la prueba de desarrollo y puede ser desechada o reelaborada según corresponda.
En el proceso de fabricación de circuitos integrados, la mayoría de los procesos son irreversibles y la fotolitografía es uno de los pocos procesos que se pueden reelaborar.
Tres fotomáscaras y materiales fotorresistentes.
3.1 Fotomáscara
Una fotomáscara, también conocida como máscara de fotolitografía, es un maestro utilizado en el proceso de fotolitografía de la fabricación de obleas de circuitos integrados.
El proceso de fabricación de fotomáscara consiste en convertir los datos de diseño originales necesarios para la fabricación de obleas diseñadas por ingenieros de diseño de circuitos integrados en un formato de datos que pueda ser reconocido por generadores de patrones láser o equipos de exposición a rayos de electrones a través del procesamiento de datos de máscara, de modo que pueda ser expuesto por el equipo anterior sobre el material de sustrato de fotomáscara recubierto con material fotosensible; luego se procesa mediante una serie de procesos como el revelado y grabado para fijar el patrón en el material del sustrato; finalmente, se inspecciona, repara, limpia y lamina con película para formar un producto de máscara y se entrega al fabricante del circuito integrado para su uso.
3.2 Fotorresistente
El fotorresistente, también conocido como fotorresistente, es un material fotosensible. Los componentes fotosensibles que contiene sufrirán cambios químicos bajo la irradiación de la luz, lo que provocará cambios en la velocidad de disolución. Su función principal es transferir el patrón de la máscara a un sustrato como una oblea.
Principio de funcionamiento del fotorresistente: primero, el fotorresistente se recubre sobre el sustrato y se hornea previamente para eliminar el disolvente;
En segundo lugar, la máscara se expone a la luz, lo que provoca que los componentes fotosensibles de la parte expuesta sufran una reacción química;
Luego, se realiza un horneado post-exposición;
Finalmente, el fotorresistente se disuelve parcialmente mediante el revelado (para el fotorresistente positivo, el área expuesta se disuelve; para el fotorresistente negativo, el área no expuesta se disuelve), logrando así la transferencia del patrón del circuito integrado desde la máscara al sustrato.
Los componentes del fotorresistente incluyen principalmente resina formadora de película, componente fotosensible, aditivos traza y disolvente.
Entre ellos, la resina formadora de película se utiliza para proporcionar propiedades mecánicas y resistencia al grabado; el componente fotosensible sufre cambios químicos bajo la luz, provocando cambios en la velocidad de disolución;
Los aditivos traza incluyen tintes, potenciadores de la viscosidad, etc., que se utilizan para mejorar el rendimiento del fotoprotector; Se utilizan disolventes para disolver los componentes y mezclarlos uniformemente.
Los fotorresistentes actualmente en uso generalizado se pueden dividir en fotorresistentes tradicionales y fotorresistentes químicamente amplificados según el mecanismo de reacción fotoquímica, y también se pueden dividir en fotorresistentes ultravioleta, ultravioleta profundo, ultravioleta extremo, haz de electrones, haz de iones y rayos X según el longitud de onda de fotosensibilidad.
Cuatro equipos de fotolitografía.
La tecnología de fotolitografía ha pasado por el proceso de desarrollo de la litografía de contacto/proximidad, la litografía de proyección óptica, la litografía de paso y repetición, la litografía de escaneo, la litografía de inmersión y la litografía EUV.
4.1 Máquina de litografía de contacto/proximidad
La tecnología de litografía de contacto apareció en la década de 1960 y fue ampliamente utilizada en la década de 1970. Fue el principal método de litografía en la era de los circuitos integrados a pequeña escala y se utilizó principalmente para producir circuitos integrados con tamaños de características superiores a 5 μm.
En una máquina de litografía de contacto/proximidad, la oblea generalmente se coloca en una posición horizontal controlada manualmente y en una mesa de trabajo giratoria. El operador utiliza un microscopio de campo discreto para observar simultáneamente la posición de la máscara y la oblea, y controla manualmente la posición de la mesa de trabajo para alinear la máscara y la oblea. Una vez alineadas la oblea y la máscara, se presionarán ambas para que la máscara esté en contacto directo con el fotorresistente en la superficie de la oblea.
Después de retirar el objetivo del microscopio, la oblea prensada y la máscara se trasladan a la mesa de exposición para su exposición. La luz emitida por la lámpara de mercurio es colimada y paralela a la máscara a través de una lente. Dado que la máscara está en contacto directo con la capa fotorresistente de la oblea, el patrón de la máscara se transfiere a la capa fotorresistente en una proporción de 1:1 después de la exposición.
El equipo de litografía de contacto es el equipo de litografía óptica más simple y económico y puede lograr la exposición de gráficos de tamaño submicrónico, por lo que todavía se utiliza en la fabricación de productos de lotes pequeños y en la investigación de laboratorio. En la producción de circuitos integrados a gran escala, se introdujo la tecnología de litografía de proximidad para evitar el aumento de los costos de litografía causado por el contacto directo entre la máscara y la oblea.
La litografía de proximidad se utilizó ampliamente en la década de 1970 durante la era de los circuitos integrados de pequeña escala y la era temprana de los circuitos integrados de mediana escala. A diferencia de la litografía de contacto, la máscara en la litografía de proximidad no está en contacto directo con el fotorresistente de la oblea, sino que deja un espacio lleno de nitrógeno. La máscara flota sobre el nitrógeno y el tamaño del espacio entre la máscara y la oblea está determinado por la presión del nitrógeno.
Dado que no hay contacto directo entre la oblea y la máscara en la litografía de proximidad, se reducen los defectos introducidos durante el proceso de litografía, reduciendo así la pérdida de la máscara y mejorando el rendimiento de la oblea. En la litografía de proximidad, el espacio entre la oblea y la máscara coloca la oblea en la región de difracción de Fresnel. La presencia de difracción limita la mejora adicional de la resolución de los equipos de litografía de proximidad, por lo que esta tecnología es principalmente adecuada para la producción de circuitos integrados con tamaños de características superiores a 3 μm.
4.2 Paso a paso y repetidor
El paso a paso es uno de los equipos más importantes en la historia de la litografía de obleas, que ha impulsado el proceso de litografía submicrónica a la producción en masa. El paso a paso utiliza un campo de exposición estática típico de 22 mm × 22 mm y una lente de proyección óptica con una relación de reducción de 5:1 o 4:1 para transferir el patrón de la máscara a la oblea.
La máquina de litografía de paso y repetición generalmente se compone de un subsistema de exposición, un subsistema de etapa de pieza de trabajo, un subsistema de etapa de máscara, un subsistema de enfoque/nivelación, un subsistema de alineación, un subsistema de marco principal, un subsistema de transferencia de oblea y un subsistema de transferencia de máscara. , un subsistema electrónico y un subsistema de software.
El proceso de trabajo típico de una máquina de litografía de paso y repetición es el siguiente:
En primer lugar, la oblea recubierta con fotoprotector se transfiere a la mesa de la pieza de trabajo utilizando el subsistema de transferencia de la oblea, y la máscara que se va a exponer se transfiere a la mesa de máscara utilizando el subsistema de transferencia de máscara;
Luego, el sistema utiliza el subsistema de enfoque/nivelación para realizar mediciones de altura de múltiples puntos en la oblea en la plataforma de la pieza de trabajo para obtener información como la altura y el ángulo de inclinación de la superficie de la oblea que se va a exponer, de modo que el área de exposición de la oblea siempre se puede controlar dentro de la profundidad focal del objetivo de proyección durante el proceso de exposición;Posteriormente, el sistema utiliza el subsistema de alineación para alinear la máscara y la oblea de modo que durante el proceso de exposición la precisión de la posición de la imagen de la máscara y la transferencia del patrón de la oblea esté siempre dentro de los requisitos de superposición.
Finalmente, la acción de paso y exposición de toda la superficie de la oblea se completa de acuerdo con el camino prescrito para realizar la función de transferencia del patrón.
La posterior máquina de litografía paso a paso y escáner se basa en el proceso de trabajo básico anterior, mejorando el paso → exposición al escaneo → exposición y el enfoque/nivelación → alineación → exposición en el modelo de dos etapas para medición (enfoque/nivelación → alineación) y escaneo. exposición en paralelo.
En comparación con la máquina de litografía de paso y escaneo, la máquina de litografía de paso y repetición no necesita lograr un escaneo inverso sincrónico de la máscara y la oblea, y no requiere una mesa de máscara de escaneo ni un sistema de control de escaneo sincrónico. Por lo tanto, la estructura es relativamente simple, el costo es relativamente bajo y el funcionamiento es confiable.
Después de que la tecnología IC ingresó a 0,25 μm, la aplicación de la litografía de paso y repetición comenzó a disminuir debido a las ventajas de la litografía de paso y escaneo en el tamaño del campo de exposición y la uniformidad de la exposición. Actualmente, la última litografía de paso y repetición proporcionada por Nikon tiene un campo de visión de exposición estática tan grande como el de la litografía de paso y escaneo y puede procesar más de 200 obleas por hora, con una eficiencia de producción extremadamente alta. Este tipo de máquina de litografía se utiliza actualmente principalmente para la fabricación de capas de CI no críticas.
4.3 Escáner paso a paso
La aplicación de la litografía paso a paso comenzó en la década de 1990. Al configurar diferentes fuentes de luz de exposición, la tecnología de paso y escaneo puede admitir diferentes nodos de tecnología de proceso, desde inmersión de 365 nm, 248 nm y 193 nm hasta litografía EUV. A diferencia de la litografía de paso y repetición, la exposición de campo único de la litografía de paso y escaneo adopta un escaneo dinámico, es decir, la placa de máscara completa el movimiento de escaneo sincrónicamente con respecto a la oblea; una vez completada la exposición actual del campo, la oblea es transportada por la etapa de la pieza de trabajo y pasa a la siguiente posición del campo de escaneo, y continúa la exposición repetida; repita la exposición de paso y escaneo varias veces hasta que todos los campos de toda la oblea estén expuestos.
Al configurar diferentes tipos de fuentes de luz (como i-line, KrF, ArF), el escáner paso a paso puede admitir casi todos los nodos tecnológicos del proceso frontal de semiconductores. Los procesos CMOS típicos basados en silicio han adoptado escáneres paso a paso en grandes cantidades desde el nodo de 0,18 μm; Las máquinas de litografía ultravioleta extrema (EUV) que se utilizan actualmente en nodos de proceso por debajo de 7 nm también utilizan escaneo por pasos. Después de una modificación adaptativa parcial, el escáner paso a paso también puede respaldar la investigación, el desarrollo y la producción de muchos procesos no basados en silicio, como MEMS, dispositivos de energía y dispositivos de RF.
Los principales fabricantes de máquinas de litografía de proyección paso y escaneo incluyen ASML (Países Bajos), Nikon (Japón), Canon (Japón) y SMEE (China). ASML lanzó la serie TWINSCAN de máquinas de litografía de paso y escaneo en 2001. Adopta una arquitectura de sistema de dos etapas, que puede mejorar efectivamente la tasa de salida del equipo y se ha convertido en la máquina de litografía de alta gama más utilizada.
4.4 Litografía de inmersión
De la fórmula de Rayleigh se puede ver que, cuando la longitud de onda de exposición permanece sin cambios, una forma efectiva de mejorar aún más la resolución de la imagen es aumentar la apertura numérica del sistema de imágenes. Para resoluciones de imágenes inferiores a 45 nm y superiores, el método de exposición seca ArF ya no puede cumplir con los requisitos (porque admite una resolución de imagen máxima de 65 nm), por lo que es necesario introducir un método de litografía de inmersión. En la tecnología de litografía tradicional, el medio entre la lente y el fotoprotector es aire, mientras que la tecnología de litografía de inmersión reemplaza el medio de aire con líquido (generalmente agua ultrapura con un índice de refracción de 1,44).
De hecho, la tecnología de litografía por inmersión utiliza el acortamiento de la longitud de onda de la fuente de luz después de que la luz pasa a través del medio líquido para mejorar la resolución, y la relación de acortamiento es el índice de refracción del medio líquido. Aunque la máquina de litografía por inmersión es un tipo de máquina de litografía de paso y escaneo, y su solución de sistema de equipo no ha cambiado, es una modificación y expansión de la máquina de litografía de paso y escaneo ArF debido a la introducción de tecnologías clave relacionadas. a la inmersión.
La ventaja de la litografía por inmersión es que, debido al aumento en la apertura numérica del sistema, se mejora la capacidad de resolución de imágenes de la máquina de litografía con escáner paso a paso, que puede cumplir con los requisitos del proceso de resolución de imágenes por debajo de 45 nm.
Dado que la máquina de litografía por inmersión todavía utiliza una fuente de luz ArF, la continuidad del proceso está garantizada, ahorrando el costo de I+D de la fuente de luz, el equipo y el proceso. Sobre esta base, combinada con múltiples gráficos y tecnología de litografía computacional, la máquina de litografía por inmersión se puede utilizar en nodos de proceso de 22 nm o menos. Antes de que la máquina de litografía EUV se pusiera oficialmente en producción en masa, la máquina de litografía por inmersión se había utilizado ampliamente y podía cumplir con los requisitos del proceso del nodo de 7 nm. Sin embargo, debido a la introducción del líquido de inmersión, la dificultad de ingeniería del propio equipo ha aumentado significativamente.
Sus tecnologías clave incluyen tecnología de recuperación y suministro de líquido por inmersión, tecnología de mantenimiento de campo de líquido por inmersión, tecnología de control de defectos y contaminación por litografía por inmersión, desarrollo y mantenimiento de lentes de proyección por inmersión de apertura numérica ultragrande y tecnología de detección de calidad de imagen en condiciones de inmersión.
Actualmente, las máquinas comerciales de litografía de paso y escaneo ArFi son proporcionadas principalmente por dos empresas: ASML de los Países Bajos y Nikon de Japón. Entre ellos, el precio de un único ASML NXT1980 Di ronda los 80 millones de euros.
4.4 Máquina de litografía ultravioleta extrema
Para mejorar la resolución de la fotolitografía, la longitud de onda de exposición se acorta aún más después de adoptar la fuente de luz excimer y se introduce luz ultravioleta extrema con una longitud de onda de 10 a 14 nm como fuente de luz de exposición. La longitud de onda de la luz ultravioleta extrema es extremadamente corta y el sistema óptico reflectante que se puede utilizar suele estar compuesto por reflectores de película multicapa como Mo/Si o Mo/Be.
Entre ellos, la reflectividad máxima teórica de la película multicapa de Mo/Si en el rango de longitud de onda de 13,0 a 13,5 nm es aproximadamente el 70 %, y la reflectividad máxima teórica de la película multicapa de Mo/Be en una longitud de onda más corta de 11,1 nm es aproximadamente el 80 %. Aunque la reflectividad de los reflectores de película multicapa Mo/Be es mayor, el Be es altamente tóxico, por lo que se abandonó la investigación sobre dichos materiales al desarrollar la tecnología de litografía EUV.La tecnología de litografía EUV actual utiliza una película multicapa de Mo/Si y también se determina que su longitud de onda de exposición es de 13,5 nm.
La principal fuente de luz ultravioleta extrema utiliza tecnología de plasma producido por láser (LPP), que utiliza láseres de alta intensidad para excitar el plasma Sn fundido en caliente para emitir luz. Durante mucho tiempo, la potencia y la disponibilidad de la fuente de luz han sido los obstáculos que restringen la eficiencia de las máquinas de litografía EUV. A través del amplificador de potencia del oscilador maestro, la tecnología de plasma predictivo (PP) y la tecnología de limpieza de espejos de recolección in situ, se ha mejorado enormemente la potencia y la estabilidad de las fuentes de luz EUV.
La máquina de litografía EUV se compone principalmente de subsistemas como fuente de luz, iluminación, lente objetivo, etapa de pieza de trabajo, etapa de máscara, alineación de oblea, enfoque/nivelación, transmisión de máscara, transmisión de oblea y marco de vacío. Después de pasar por el sistema de iluminación compuesto por reflectores recubiertos de múltiples capas, la luz ultravioleta extrema se irradia sobre la máscara reflectante. La luz reflejada por la máscara ingresa al sistema óptico de imágenes de reflexión total compuesto por una serie de reflectores y, finalmente, la imagen reflejada de la máscara se proyecta sobre la superficie de la oblea en un ambiente de vacío.
El campo de visión de exposición y el campo de visión de imágenes de la máquina de litografía EUV tienen forma de arco y se utiliza un método de escaneo paso a paso para lograr una exposición completa de la oblea para mejorar la tasa de salida. La máquina de litografía EUV de la serie NXE más avanzada de ASML utiliza una fuente de luz de exposición con una longitud de onda de 13,5 nm, una máscara reflectante (incidencia oblicua de 6°), un sistema de objetivo de proyección reflectante de reducción de 4x con una estructura de 6 espejos (NA=0,33), un campo de visión de escaneo de 26 mm × 33 mm y un entorno de exposición al vacío.
En comparación con las máquinas de litografía por inmersión, la resolución de exposición única de las máquinas de litografía EUV que utilizan fuentes de luz ultravioleta extrema se ha mejorado enormemente, lo que puede evitar eficazmente el complejo proceso requerido para que la fotolitografía múltiple forme gráficos de alta resolución. En la actualidad, la resolución de exposición única de la máquina de litografía NXE 3400B con una apertura numérica de 0,33 alcanza los 13 nm y la velocidad de salida alcanza las 125 piezas/h.
Para satisfacer las necesidades de una mayor extensión de la Ley de Moore, en el futuro, las máquinas de litografía EUV con una apertura numérica de 0,5 adoptarán un sistema de objetivo de proyección con bloqueo de luz central, utilizando un aumento asimétrico de 0,25 veces/0,125 veces, y el El campo de visión de exposición de escaneo se reducirá de 26 m × 33 mm a 26 mm × 16,5 mm, y la resolución de exposición única puede alcanzar menos de 8 nm.
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Hora de publicación: 31 de agosto de 2024