Uma visão geral
No processo de fabricação de circuitos integrados, a fotolitografia é o processo central que determina o nível de integração dos circuitos integrados. A função deste processo é transmitir e transferir fielmente as informações gráficas do circuito da máscara (também chamada de máscara) para o substrato do material semicondutor.
O princípio básico do processo de fotolitografia é utilizar a reação fotoquímica do fotorresiste revestido na superfície do substrato para registrar o padrão do circuito na máscara, atingindo assim o objetivo de transferir o padrão do circuito integrado do projeto para o substrato.
O processo básico da fotolitografia:
Primeiro, o fotorresistente é aplicado na superfície do substrato usando uma máquina de revestimento;
Em seguida, uma máquina de fotolitografia é usada para expor o substrato revestido com fotorresiste, e o mecanismo de reação fotoquímica é usado para registrar as informações do padrão de máscara transmitidas pela máquina de fotolitografia, completando a transmissão de fidelidade, transferência e replicação do padrão de máscara para o substrato;
Finalmente, um revelador é usado para revelar o substrato exposto para remover (ou reter) o fotorresistente que sofre uma reação fotoquímica após a exposição.
Segundo processo de fotolitografia
Para transferir o padrão de circuito projetado na máscara para o wafer de silício, a transferência deve primeiro ser obtida por meio de um processo de exposição e, em seguida, o padrão de silício deve ser obtido por meio de um processo de gravação.
Como a iluminação da área do processo de fotolitografia utiliza uma fonte de luz amarela à qual os materiais fotossensíveis são insensíveis, ela também é chamada de área de luz amarela.
A fotolitografia foi usada pela primeira vez na indústria gráfica e foi a principal tecnologia para a fabricação inicial de PCB. Desde a década de 1950, a fotolitografia tornou-se gradualmente a principal tecnologia para transferência de padrões na fabricação de IC.
Os principais indicadores do processo de litografia incluem resolução, sensibilidade, precisão de sobreposição, taxa de defeitos, etc.
O material mais crítico no processo de fotolitografia é o fotorresistente, que é um material fotossensível. Como a sensibilidade do fotorresistente depende do comprimento de onda da fonte de luz, diferentes materiais fotorresistentes são necessários para processos de fotolitografia, como linha g/i, KrF 248nm e ArF 193nm.
O processo principal de um processo típico de fotolitografia inclui cinco etapas:
-Preparação do filme base;
-Aplicar fotorresiste e cozimento suave;
-Alinhamento, exposição e cozimento pós-exposição;
-Revelar filme duro;
-Detecção de desenvolvimento.
(1)Preparação do filme base: principalmente limpeza e desidratação. Como quaisquer contaminantes enfraquecerão a adesão entre o fotorresistente e o wafer, a limpeza completa pode melhorar a adesão entre o wafer e o fotorresistente.
(2)Revestimento fotorresistente: Isto é conseguido girando o wafer de silício. Diferentes fotorresistentes requerem diferentes parâmetros de processo de revestimento, incluindo velocidade de rotação, espessura do fotorresistente e temperatura.
Cozimento suave: O cozimento pode melhorar a adesão entre o fotorresistente e o wafer de silício, bem como a uniformidade da espessura do fotorresistente, o que é benéfico para o controle preciso das dimensões geométricas do processo de gravação subsequente.
(3)Alinhamento e exposição: O alinhamento e a exposição são as etapas mais importantes no processo de fotolitografia. Eles se referem ao alinhamento do padrão da máscara com o padrão existente no wafer (ou ao padrão da camada frontal) e, em seguida, irradiá-lo com luz específica. A energia luminosa ativa os componentes fotossensíveis no fotorresistente, transferindo assim o padrão da máscara para o fotorresistente.
O equipamento utilizado para alinhamento e exposição é uma máquina de fotolitografia, que é o equipamento de processo mais caro em todo o processo de fabricação de circuitos integrados. O nível técnico da máquina de fotolitografia representa o nível de avanço de toda a linha de produção.
Cozimento pós-exposição: refere-se a um curto processo de cozimento após a exposição, que tem um efeito diferente dos fotorresistentes ultravioleta profundos e dos fotorresistentes convencionais de linha i.
Para fotorresistente ultravioleta profundo, o cozimento pós-exposição remove os componentes protetores do fotorresistente, permitindo que o fotorresistente se dissolva no revelador, portanto, o cozimento pós-exposição é necessário;
Para fotorresistentes convencionais de linha i, o cozimento pós-exposição pode melhorar a adesão do fotorresistente e reduzir as ondas estacionárias (as ondas estacionárias terão um efeito adverso na morfologia da borda do fotorresistente).
(4)Revelando o filme duro: usando o revelador para dissolver a parte solúvel do fotorresistente (fotorresistente positivo) após a exposição e exibir com precisão o padrão da máscara com o padrão fotorresistente.
Os principais parâmetros do processo de revelação incluem temperatura e tempo de revelação, dosagem e concentração do revelador, limpeza, etc. Ao ajustar os parâmetros relevantes na revelação, a diferença na taxa de dissolução entre as partes expostas e não expostas do fotorresistente pode ser aumentada, assim obter o efeito de desenvolvimento desejado.
O endurecimento também é conhecido como cozimento por endurecimento, que é o processo de remoção do solvente restante, revelador, água e outros componentes residuais desnecessários no fotorresistente desenvolvido, aquecendo-os e evaporando-os, de modo a melhorar a adesão do fotorresistente ao substrato de silício e a resistência à corrosão do fotorresiste.
A temperatura do processo de endurecimento varia dependendo dos diferentes fotorresistentes e dos métodos de endurecimento. A premissa é que o padrão do fotorresistente não se deforme e o fotorresistente deve ser suficientemente duro.
(5)Inspeção de desenvolvimento: Isto é para verificar se há defeitos no padrão fotorresistente após a revelação. Normalmente, a tecnologia de reconhecimento de imagem é usada para digitalizar automaticamente o padrão do chip após o desenvolvimento e compará-lo com o padrão pré-armazenado sem defeitos. Se alguma diferença for encontrada, ela será considerada defeituosa.
Se o número de defeitos exceder um determinado valor, o wafer de silício será considerado reprovado no teste de desenvolvimento e poderá ser descartado ou retrabalhado conforme apropriado.
No processo de fabricação de circuitos integrados, a maioria dos processos é irreversível e a fotolitografia é um dos poucos processos que pode ser retrabalhado.
Três fotomáscaras e materiais fotorresistentes
3.1 Fotomáscara
Uma fotomáscara, também conhecida como máscara de fotolitografia, é um mestre usado no processo de fotolitografia de fabricação de wafer de circuito integrado.
O processo de fabricação da fotomáscara consiste em converter os dados de layout originais necessários para a fabricação de wafers projetados por engenheiros de projeto de circuitos integrados em um formato de dados que pode ser reconhecido por geradores de padrões de laser ou equipamentos de exposição de feixe de elétrons por meio do processamento de dados da máscara, para que possam ser expostos por o equipamento acima no material do substrato da máscara fotográfica revestido com material fotossensível; em seguida, ele é processado por meio de uma série de processos, como revelação e gravação, para fixar o padrão no material do substrato; finalmente, ele é inspecionado, reparado, limpo e laminado com filme para formar um produto de máscara e entregue ao fabricante do circuito integrado para uso.
3.2 Fotorresiste
O fotorresistente, também conhecido como fotorresistente, é um material fotossensível. Os componentes fotossensíveis nele contidos sofrerão alterações químicas sob a irradiação da luz, causando assim alterações na taxa de dissolução. Sua principal função é transferir o padrão da máscara para um substrato como um wafer.
Princípio de funcionamento do fotorresistente: Primeiro, o fotorresistente é revestido no substrato e pré-cozido para remover o solvente;
Em segundo lugar, a máscara é exposta à luz, fazendo com que os componentes fotossensíveis da parte exposta sofram uma reação química;
Em seguida, é realizado um cozimento pós-exposição;
Finalmente, o fotorresistente é parcialmente dissolvido através da revelação (para o fotorresistente positivo, a área exposta é dissolvida; para o fotorresistente negativo, a área não exposta é dissolvida), realizando assim a transferência do padrão do circuito integrado da máscara para o substrato.
Os componentes do fotorresistente incluem principalmente resina formadora de filme, componente fotossensível, vestígios de aditivos e solvente.
Dentre elas, a resina filmogênica é utilizada para conferir propriedades mecânicas e resistência ao ataque; o componente fotossensível sofre alterações químicas sob a luz, causando alterações na taxa de dissolução;
Os aditivos vestigiais incluem corantes, intensificadores de viscosidade, etc., que são usados para melhorar o desempenho do fotorresiste; solventes são usados para dissolver os componentes e misturá-los uniformemente.
Os fotorresistentes atualmente em amplo uso podem ser divididos em fotorresistentes tradicionais e fotorresistentes quimicamente amplificados de acordo com o mecanismo de reação fotoquímica, e também podem ser divididos em ultravioleta, ultravioleta profundo, ultravioleta extremo, feixe de elétrons, feixe de íons e fotorresistentes de raios X de acordo com o comprimento de onda da fotossensibilidade.
Quatro equipamentos de fotolitografia
A tecnologia de fotolitografia passou pelo processo de desenvolvimento de litografia de contato/proximidade, litografia de projeção óptica, litografia passo a passo, litografia de varredura, litografia de imersão e litografia EUV.
4.1 Máquina de litografia de contato/proximidade
A tecnologia de litografia de contato surgiu na década de 1960 e foi amplamente utilizada na década de 1970. Foi o principal método de litografia na era dos circuitos integrados de pequena escala e foi usado principalmente para produzir circuitos integrados com tamanhos de recursos superiores a 5 μm.
Em uma máquina de litografia de contato/proximidade, o wafer é geralmente colocado em uma posição horizontal controlada manualmente e em uma mesa de trabalho rotativa. O operador usa um microscópio de campo discreto para observar simultaneamente a posição da máscara e do wafer e controla manualmente a posição da mesa de trabalho para alinhar a máscara e o wafer. Depois que o wafer e a máscara estiverem alinhados, os dois serão pressionados juntos para que a máscara fique em contato direto com o fotorresistente na superfície do wafer.
Depois de remover a objetiva do microscópio, o wafer prensado e a máscara são movidos para a mesa de exposição para exposição. A luz emitida pela lâmpada de mercúrio é colimada e paralela à máscara através de uma lente. Como a máscara está em contato direto com a camada fotorresistente do wafer, o padrão da máscara é transferido para a camada fotorresistente na proporção de 1:1 após a exposição.
O equipamento de litografia de contato é o equipamento de litografia óptica mais simples e econômico e pode atingir a exposição de gráficos de tamanho submícron, por isso ainda é usado na fabricação de produtos em pequenos lotes e em pesquisas de laboratório. Na produção de circuitos integrados em larga escala, a tecnologia de litografia de proximidade foi introduzida para evitar o aumento nos custos de litografia causados pelo contato direto entre a máscara e o wafer.
A litografia de proximidade foi amplamente utilizada na década de 1970, durante a era dos circuitos integrados de pequena escala e no início da era dos circuitos integrados de média escala. Ao contrário da litografia de contato, a máscara na litografia de proximidade não está em contato direto com o fotorresiste no wafer, mas é deixada uma lacuna preenchida com nitrogênio. A máscara flutua no nitrogênio, e o tamanho do espaço entre a máscara e o wafer é determinado pela pressão do nitrogênio.
Como não há contato direto entre o wafer e a máscara na litografia de proximidade, os defeitos introduzidos durante o processo de litografia são reduzidos, reduzindo assim a perda da máscara e melhorando o rendimento do wafer. Na litografia de proximidade, a lacuna entre o wafer e a máscara coloca o wafer na região de difração de Fresnel. A presença de difração limita a melhoria adicional da resolução dos equipamentos de litografia de proximidade, de modo que esta tecnologia é principalmente adequada para a produção de circuitos integrados com tamanhos de recurso acima de 3μm.
4.2 Passo e Repetidor
O stepper é um dos equipamentos mais importantes na história da litografia wafer, que promoveu o processo de litografia submícron para a produção em massa. O stepper usa um campo de exposição estática típico de 22 mm × 22 mm e uma lente de projeção óptica com taxa de redução de 5:1 ou 4:1 para transferir o padrão da máscara para o wafer.
A máquina de litografia passo a passo é geralmente composta por um subsistema de exposição, um subsistema de estágio de peça de trabalho, um subsistema de estágio de máscara, um subsistema de foco/nivelamento, um subsistema de alinhamento, um subsistema de quadro principal, um subsistema de transferência de wafer, um subsistema de transferência de máscara , um subsistema eletrônico e um subsistema de software.
O processo de trabalho típico de uma máquina de litografia passo a passo é o seguinte:
Primeiro, o wafer revestido com fotorresistente é transferido para a mesa da peça usando o subsistema de transferência de wafer, e a máscara a ser exposta é transferida para a mesa de máscara usando o subsistema de transferência de máscara;
Em seguida, o sistema usa o subsistema de foco/nivelamento para realizar medições de altura multiponto no wafer no estágio da peça para obter informações como a altura e o ângulo de inclinação da superfície do wafer a ser exposta, de modo que a área de exposição de o wafer sempre pode ser controlado dentro da profundidade focal da objetiva de projeção durante o processo de exposição;Posteriormente, o sistema utiliza o subsistema de alinhamento para alinhar a máscara e o wafer, de modo que durante o processo de exposição a precisão da posição da imagem da máscara e da transferência do padrão do wafer esteja sempre dentro dos requisitos de sobreposição.
Finalmente, a ação de passo e exposição de toda a superfície do wafer é concluída de acordo com o caminho prescrito para realizar a função de transferência de padrão.
A máquina de litografia de passo e scanner subsequente é baseada no processo de trabalho básico acima, melhorando a etapa → exposição à digitalização → exposição e foco/nivelamento → alinhamento → exposição no modelo de estágio duplo para medição (focagem/nivelamento → alinhamento) e digitalização exposição em paralelo.
Em comparação com a máquina de litografia passo a passo, a máquina de litografia passo a passo não precisa realizar a varredura reversa síncrona da máscara e do wafer e não requer uma mesa de máscara de varredura e um sistema de controle de varredura síncrona. Portanto, a estrutura é relativamente simples, o custo é relativamente baixo e a operação é confiável.
Depois que a tecnologia IC entrou em 0,25 μm, a aplicação da litografia step-and-repeat começou a declinar devido às vantagens da litografia step-and-scan na digitalização do tamanho do campo de exposição e na uniformidade da exposição. Atualmente, a mais recente litografia step-and-repeat fornecida pela Nikon tem um campo de visão de exposição estática tão grande quanto o da litografia step-and-scan e pode processar mais de 200 wafers por hora, com eficiência de produção extremamente alta. Este tipo de máquina de litografia é atualmente usada principalmente para a fabricação de camadas de IC não críticas.
4.3 Scanner deslizante
A aplicação da litografia step-and-scan começou na década de 1990. Ao configurar diferentes fontes de luz de exposição, a tecnologia step-and-scan pode suportar diferentes nós de tecnologia de processo, desde imersão em 365nm, 248nm, 193nm até litografia EUV. Ao contrário da litografia passo a passo, a exposição de campo único da litografia passo a passo adota varredura dinâmica, ou seja, a placa de máscara completa o movimento de varredura de forma síncrona em relação ao wafer; após a exposição do campo atual ser concluída, o wafer é transportado pelo estágio da peça de trabalho e avança para a próxima posição do campo de varredura, e a exposição repetida continua; repita a exposição passo a passo várias vezes até que todos os campos de todo o wafer sejam expostos.
Ao configurar diferentes tipos de fontes de luz (como i-line, KrF, ArF), o scanner de passo pode suportar quase todos os nós de tecnologia do processo front-end de semicondutores. Processos CMOS típicos baseados em silício adotaram scanners de passo em grandes quantidades desde o nó de 0,18 μm; as máquinas de litografia ultravioleta extrema (EUV) atualmente usadas em nós de processo abaixo de 7 nm também usam varredura passo a passo. Após a modificação adaptativa parcial, o scanner de passo também pode apoiar a pesquisa, o desenvolvimento e a produção de muitos processos não baseados em silício, como MEMS, dispositivos de energia e dispositivos de RF.
Os principais fabricantes de máquinas de litografia de projeção step-and-scan incluem ASML (Holanda), Nikon (Japão), Canon (Japão) e SMEE (China). ASML lançou a série TWINSCAN de máquinas de litografia step-and-scan em 2001. Ela adota uma arquitetura de sistema de dois estágios, que pode efetivamente melhorar a taxa de produção do equipamento e se tornou a máquina de litografia de ponta mais amplamente utilizada.
4.4 Litografia de Imersão
Pode-se observar pela fórmula de Rayleigh que, quando o comprimento de onda da exposição permanece inalterado, uma forma eficaz de melhorar ainda mais a resolução da imagem é aumentar a abertura numérica do sistema de imagem. Para resoluções de imagem abaixo de 45 nm e superiores, o método de exposição a seco ArF não pode mais atender aos requisitos (porque suporta uma resolução máxima de imagem de 65 nm), por isso é necessário introduzir um método de litografia por imersão. Na tecnologia de litografia tradicional, o meio entre a lente e o fotorresistente é o ar, enquanto a tecnologia de litografia por imersão substitui o meio de ar por líquido (geralmente água ultrapura com índice de refração de 1,44).
Na verdade, a tecnologia de litografia por imersão utiliza o encurtamento do comprimento de onda da fonte de luz após a luz passar pelo meio líquido para melhorar a resolução, e a taxa de encurtamento é o índice de refração do meio líquido. Embora a máquina de litografia por imersão seja um tipo de máquina de litografia step-and-scan, e sua solução de sistema de equipamento não tenha mudado, é uma modificação e expansão da máquina de litografia step-and-scan ArF devido à introdução de tecnologias-chave relacionadas à imersão.
A vantagem da litografia de imersão é que, devido ao aumento da abertura numérica do sistema, a capacidade de resolução de imagem da máquina de litografia com scanner passo a passo é melhorada, o que pode atender aos requisitos do processo de resolução de imagem abaixo de 45 nm.
Como a máquina de litografia por imersão ainda utiliza fonte de luz ArF, a continuidade do processo é garantida, economizando custos de P&D de fonte de luz, equipamentos e processos. Nesta base, combinada com múltiplos gráficos e tecnologia de litografia computacional, a máquina de litografia de imersão pode ser usada em nós de processo de 22 nm e abaixo. Antes da máquina de litografia EUV ser oficialmente colocada em produção em massa, a máquina de litografia por imersão era amplamente utilizada e podia atender aos requisitos de processo do nó de 7 nm. Porém, devido à introdução do líquido de imersão, a dificuldade de engenharia do próprio equipamento aumentou significativamente.
Suas principais tecnologias incluem tecnologia de fornecimento e recuperação de líquido de imersão, tecnologia de manutenção de campo de líquido de imersão, tecnologia de controle de defeitos e poluição por litografia de imersão, desenvolvimento e manutenção de lentes de projeção de imersão com abertura numérica ultragrande e tecnologia de detecção de qualidade de imagem sob condições de imersão.
Atualmente, as máquinas comerciais de litografia step-and-scan ArFi são fornecidas principalmente por duas empresas, nomeadamente ASML da Holanda e Nikon do Japão. Entre eles, o preço de um único ASML NXT1980 Di ronda os 80 milhões de euros.
4.4 Máquina de litografia ultravioleta extrema
A fim de melhorar a resolução da fotolitografia, o comprimento de onda de exposição é ainda mais reduzido após a adoção da fonte de luz excimer, e a luz ultravioleta extrema com comprimento de onda de 10 a 14 nm é introduzida como fonte de luz de exposição. O comprimento de onda da luz ultravioleta extrema é extremamente curto, e o sistema óptico reflexivo que pode ser usado é geralmente composto de refletores de filme multicamadas, como Mo/Si ou Mo/Be.
Entre eles, a refletividade máxima teórica do filme multicamadas Mo/Si na faixa de comprimento de onda de 13,0 a 13,5 nm é de cerca de 70%, e a refletividade máxima teórica do filme multicamadas Mo/Be em um comprimento de onda mais curto de 11,1 nm é de cerca de 80%. Embora a refletividade dos refletores de filme multicamadas Mo/Be seja maior, o Be é altamente tóxico, portanto a pesquisa sobre tais materiais foi abandonada durante o desenvolvimento da tecnologia de litografia EUV.A atual tecnologia de litografia EUV usa filme multicamadas Mo/Si, e seu comprimento de onda de exposição também é determinado em 13,5 nm.
A principal fonte de luz ultravioleta extrema usa tecnologia de plasma produzido a laser (LPP), que usa lasers de alta intensidade para excitar o plasma Sn derretido a quente para emitir luz. Durante muito tempo, a potência e a disponibilidade da fonte de luz foram os gargalos que restringiam a eficiência das máquinas de litografia EUV. Através do amplificador de potência do oscilador mestre, da tecnologia de plasma preditivo (PP) e da tecnologia de limpeza de espelho de coleta in-situ, a potência e a estabilidade das fontes de luz EUV foram bastante melhoradas.
A máquina de litografia EUV é composta principalmente de subsistemas como fonte de luz, iluminação, lente objetiva, estágio da peça de trabalho, estágio de máscara, alinhamento de wafer, foco/nivelamento, transmissão de máscara, transmissão de wafer e estrutura de vácuo. Após passar pelo sistema de iluminação composto por refletores revestidos multicamadas, a luz ultravioleta extrema é irradiada na máscara reflexiva. A luz refletida pela máscara entra no sistema óptico de imagem de reflexão total composto por uma série de refletores e, finalmente, a imagem refletida da máscara é projetada na superfície do wafer em um ambiente de vácuo.
O campo de visão de exposição e o campo de visão de imagem da máquina de litografia EUV são ambos em forma de arco, e um método de digitalização passo a passo é usado para obter a exposição total do wafer para melhorar a taxa de saída. A mais avançada máquina de litografia EUV da série NXE da ASML usa uma fonte de luz de exposição com comprimento de onda de 13,5 nm, uma máscara reflexiva (incidência oblíqua de 6°), um sistema objetivo de projeção reflexiva com redução de 4x com uma estrutura de 6 espelhos (NA = 0,33), um campo de visão de digitalização de 26 mm × 33 mm e um ambiente de exposição a vácuo.
Em comparação com as máquinas de litografia por imersão, a resolução de exposição única das máquinas de litografia EUV que usam fontes de luz ultravioleta extrema foi bastante melhorada, o que pode efetivamente evitar o processo complexo necessário para a fotolitografia múltipla formar gráficos de alta resolução. Atualmente, a resolução de exposição única da máquina de litografia NXE 3400B com abertura numérica de 0,33 atinge 13 nm e a taxa de saída atinge 125 peças/h.
Para atender às necessidades de maior extensão da Lei de Moore, no futuro, as máquinas de litografia EUV com abertura numérica de 0,5 adotarão um sistema de objetiva de projeção com bloqueio central de luz, utilizando uma ampliação assimétrica de 0,25 vezes/0,125 vezes, e o o campo de visão da exposição de digitalização será reduzido de 26m × 33mm para 26mm × 16,5mm, e a resolução de exposição única pode chegar abaixo de 8nm.
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Horário da postagem: 31 de agosto de 2024