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嘉峪檢測網(wǎng) 2024-10-29 15:46
一、光刻機發(fā)展歷程
集成電路（Integrated Circuit，IC）是現(xiàn)代信息技術(shù)的核心與基石，IC的發(fā)展一直遵循著Intel創(chuàng)始人之一——戈登·摩爾（Gordon Moore）提出的摩爾定律：價格不變時，約每隔 18-24個月集成度增加一倍，性能也隨之提升一倍。
下圖為全球半導(dǎo)體晶圓代工技術(shù)藍(lán)圖：
光刻機是IC制造裝備中最核心也是技術(shù)難度最大的裝備，它已經(jīng)從接觸式、接近式等發(fā)展到目前主流的步進(jìn)掃描式。
目前，光刻機國際市場基本被三大巨擘ASML、Nikon與Canon瓜分，而近年來高端光刻機市場已基本被ASML壟斷。
國內(nèi)從事光刻機相關(guān)技術(shù)研究的單位主要有上海微電子裝備有限公司、清華大學(xué)、中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所、中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、華中科技大學(xué)等。與國際先進(jìn)水平相比，國內(nèi)光刻機的整體研發(fā)及制造水平還存在差距。
光刻機的發(fā)展是伴隨著工作波長的減少進(jìn)行的。最早的光源是紫外光源（UV，Ultra-Violet），由汞燈產(chǎn)生波長436nm的g-line激光、405nm的h-line激光與波長365nm的i-line激光。
之后的光源為深紫外光源（DUV，Deep Ultra-Violet），激光為準(zhǔn)分子激光（波長248nm的 KrF、波長193nm的ArF）。在深紫外光刻機中加入浸沒式技術(shù)，可增加數(shù)值孔徑并提高分辨率。
為了減小集成電路的特征尺寸，進(jìn)一步發(fā)展集成電路技術(shù)，研究者提出了極紫外（EUV， Extreme Ultra-Violet）光刻機技術(shù)。
1997年，美國的極紫外線有限責(zé)任公司（EUVLLC）聯(lián)盟開始著手EUV光刻技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化研究。該技術(shù)采用波長為13.5 nm的極紫外光作為工作激光進(jìn)行投影光刻。
目前EUV光刻技術(shù)為ASML獨有，已進(jìn)入大批量生產(chǎn)，允許在7 nm及小于7nm節(jié)點上進(jìn)行更簡單、更具成本效益的生產(chǎn)。
EUV光刻機中波長為13.5 nm的激光極易被空氣吸收。為了保證激光的傳播與光源的工作功率，EUV光刻機中的光學(xué)系統(tǒng)采用反射式結(jié)構(gòu)，并且整個光學(xué)系統(tǒng)置于真空環(huán)境中。光刻機的整體環(huán)境的改變?yōu)楣饪虣C的零部件設(shè)計帶來了新的挑戰(zhàn)。
二、光刻機的組成部分
光刻機主要由光源、光路系統(tǒng)及物鏡、雙工件臺、測量系統(tǒng)、聚焦系統(tǒng)、對準(zhǔn)系統(tǒng)等部分組成。其中，晶圓模組部分主要負(fù)責(zé)曝光前晶片的測 量與參數(shù)錄入，照明光學(xué)模組部分完成晶圓的曝光。
在晶圓模組部分：晶圓傳送模組中，由機械手臂負(fù)責(zé)將晶圓由光阻涂布機傳送到晶圓平臺模組。而晶圓雙平臺模組負(fù)責(zé)在一片晶圓曝光的同時，將待曝光晶圓進(jìn)行預(yù)對準(zhǔn)，隨后對其表面高低起伏的程度進(jìn)行測量，并將相關(guān)坐標(biāo)錄入計算機。由此，在不到0.15秒的單位曝光時間內(nèi)，硅片承載臺可以精準(zhǔn)快速移動以達(dá)到最好的曝光效果。
在照明光學(xué)模組部分：紫外光從光源模組生成后，被導(dǎo)入到照明模組，并經(jīng)過矯正、能量控制器、光束成型裝置等后進(jìn)入光掩膜臺，隨后經(jīng)過物鏡補償光學(xué)誤差，最后將線路圖曝光在已測量對準(zhǔn)的晶圓上。
三、光刻機關(guān)鍵性能參數(shù)
光刻機中重要的性能參數(shù)主要有：分辨率、焦深、套刻精度、產(chǎn)率、視場、MTF（調(diào)控傳遞函數(shù)）、掩膜版誤差因子等。而核心參數(shù)為分辨率、焦深和套刻精度。
其中，分辨率與光刻機的最小精度相關(guān)聯(lián)，焦深對光刻機成像范圍有影響，套刻精度則決定了工藝層是否套疊對準(zhǔn)。因此，這三個技術(shù)指標(biāo)被視為光刻機最重要的三個因素。
現(xiàn)如今，光刻機主要分為EUV光刻系統(tǒng)和DUV光刻系統(tǒng)兩大類，其分辨率分別已經(jīng)達(dá)到了13nm和38nm，套刻精度分別達(dá)到了1.1nm和1.3nm。
ASML的NXT 3600D光刻機已經(jīng)實現(xiàn)了160wph的產(chǎn)率，最佳套刻精度甚至達(dá)到了1.1nm，分辨率可達(dá)13nm。同時，NXT 2100i相較于NXT2050i在套刻精度方面也有了20％的提升，能夠用來生產(chǎn)最先進(jìn)的3nm芯片。而ASML計劃即將發(fā)行的NXE 3800E，套刻精度達(dá)到了0.9nm，產(chǎn)率也實現(xiàn)了從160wph到220wph的跨越。
(1)分辨率
分辨率即光刻系統(tǒng)能清晰投影最小圖像的能力。
分辨率數(shù)值越小，光刻機性能越佳。分辨率由光源波長、數(shù)值孔徑以及光刻工藝參數(shù)決定。
根據(jù)瑞利準(zhǔn)則，分辨率與數(shù)值孔徑成反比，與光源波長和工藝參數(shù)成正比。其中，數(shù)值孔徑衡量系統(tǒng)所能收集光的角度范圍（計算公式為NA=n*sinα，n為介質(zhì)折射率，α為孔徑角的一半），是物鏡光軸上點與物鏡前透鏡的有效直徑所形成的角度，孔徑角越大，透鏡的光通量越大。
瑞利準(zhǔn)則：透鏡系統(tǒng)的分辨率極限。由于光具有衍射特性，一個無限小的點在成像后會變成一個彌散光斑，稱為“艾里斑”，因此實際光學(xué)系統(tǒng)成像的分辨率即兩個艾里斑恰好能夠區(qū)分開的距離。
分辨率改進(jìn)方法：1)增大數(shù)值孔徑；2) 縮短曝光波長；3) 縮小光刻工藝參數(shù)。
焦深即光刻機能夠清晰成像的范圍。依據(jù)瑞利判據(jù)，焦深與波長成正比關(guān)系，與數(shù)值孔徑成反比。其中，ASML公司2023年首臺High-NA EUV 光刻機的NA從0.33提升至0.55，焦深隨之縮小至40nm，對聚焦準(zhǔn)確性的要求也隨之提高。同時，焦深還受到數(shù)值孔徑、波長、光刻膠厚度、 類型以及晶圓表面平整度等因素影響。
(2)套刻精度
套刻精度是指光刻工藝中，每一層電路圖圖形間（即當(dāng)前層對準(zhǔn)標(biāo)記相對于前一層標(biāo)記）的疊對精度。IC芯片的制造需要在晶圓表面壘加工藝層，且每層曝光圖形必須保證一定精度的套疊對準(zhǔn)，以保證芯片的正常功能。隨著半導(dǎo)體工藝的發(fā)展，圖形的關(guān)鍵尺寸不斷減小，對套刻精度的要求也越來越高。一般的，每層曝光圖形之間的套刻精度需控制在硅片尺寸的25％～30％。
曝光過程中的套刻流程：硅片曝光需要先制作對準(zhǔn)標(biāo)記，以便于工藝層之間的圖形對準(zhǔn)，在進(jìn)行套刻參數(shù)補值后，再曝光當(dāng)層圖案并制作對準(zhǔn)記號，最后進(jìn)行外觀、套刻精度與線寬的測量。
光刻機套刻精度直接受工件臺定位精度的影響，而工件臺定位精度又受到工件臺位置測量精度的制約，定位誤差在誤差分配中通常占總套刻誤差的十分之一，即對于“14nm”節(jié)點，定位精度應(yīng)優(yōu)于0.57nm。位置測量的精度直接決定了多次光刻間的相互重合誤差，因此超精密位移測量系統(tǒng)是光刻機不可或缺的關(guān)鍵子系統(tǒng)之一。
(四)光刻機工件臺的結(jié)構(gòu)原理
下圖為ASML步進(jìn)掃描式光刻機（TWINSCAN系列）的結(jié)構(gòu)示意圖，它主要由光學(xué)投影物鏡系統(tǒng)、工件臺系統(tǒng)和對準(zhǔn)系統(tǒng)等組成。其中，工件臺系統(tǒng)包括掩模臺和硅片臺，是完成硅片曝光的關(guān)鍵子系統(tǒng)之一。
掩模臺和硅片臺分別布置在基座的上下兩層。
如下圖所示，掩模臺上承載掩模板，硅片臺上承載待曝光的硅片。光源發(fā)出的光束經(jīng)整形、勻光等處理后透射到掩模板上。在掃描曝光過程中，掩模臺與硅片臺在掃描方向上作精確地同步運動，從而將掩模板上的圖像以4:1的比例投影到硅片的曝光視場內(nèi)。之后，硅片臺作步進(jìn)運動將下一視場運動到曝光區(qū)，如此循環(huán)地完成硅片上所有視場的曝光。
工件臺的軌跡跟蹤性能是保證光刻機產(chǎn)率和分辨率的關(guān)鍵。
為了在大行程范圍內(nèi)實現(xiàn)高加速、高速及高精度的運動，光刻機工件臺普遍采用粗精疊層結(jié)構(gòu)。
其中，粗動臺完成大行程、微米級精度運動；小行程的微（精）動臺疊加在粗動臺上，用于補償粗動臺的運動誤差，最終實現(xiàn)納米級運動精度。
下圖是ASML TWINSCAN XT系列光刻機硅片臺的結(jié)構(gòu)示意圖，由三個直線電機構(gòu)成H型粗動臺，實現(xiàn)x-y平面大行程粗動；微動臺由若干音圈電機驅(qū)動，采用激光干涉儀作位移反饋，實現(xiàn)六自由度微動。
下圖是ASML TWINSCAN NXT系列光刻機硅片臺的結(jié)構(gòu)示意圖，粗動臺由磁懸浮平面電機驅(qū)動，省去了從直線運動到平面運動的中間轉(zhuǎn)換裝置，具有動態(tài)特性好、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點；微動臺依然由若干音圈電機驅(qū)動，但采用平面光柵作位移反饋。與激光干涉儀相比，平面光柵受氣壓、溫度、濕度等環(huán)境因素的影響較小，且結(jié)構(gòu)更為緊湊。因此，相比于XT系列，NXT系列光刻機可實現(xiàn)更高的產(chǎn)率和分辨率。
(五)雙工件臺的運行原理
傳統(tǒng)的光刻機工件臺系統(tǒng)僅包含一個掩模臺和一個硅片臺，硅片的上片、形貌測量、掃描曝光、下片等工序依次完成。為了提高光刻機的產(chǎn)率，ASML于2000年首次提出了雙硅片臺技術(shù)，并將其成功應(yīng)用于TWINSCAN系列光刻機中。雙硅片臺技術(shù)將硅片的上述工序分離成兩個并行處理的部分，一個硅片臺在測量位進(jìn)行硅片的上下片、形貌測量等準(zhǔn)備工作，同時另一硅片臺在曝光位進(jìn)行硅片的掃描曝光，待完成后兩硅片臺交換位置與職能，如此循環(huán)地實現(xiàn)硅片的高效曝光。
光刻機晶圓臺是磁懸浮運動的，其運動由三個平面運動自由度XYZ和三個旋轉(zhuǎn)自由度組成，因此測量系統(tǒng)需對其完成六自由度的位移測量。目前，雙頻激光干涉儀和二維光柵尺是當(dāng)前最為常用的兩種測量六自由度位移的高精度測量方法。
下圖是國內(nèi)自主研發(fā)的超精密硅片臺采用粗精疊層結(jié)構(gòu)。粗動臺以三路激光尺作位移反饋，微動臺以分辨率為0.6 nm的九軸雙頻激光干涉儀作位移反饋，并通過電渦流傳感器測量微動臺與粗動臺之間的相對位移。硅片臺采用獨立控制模式，即微動臺、粗動臺相互獨立地跟蹤相同的參考軌跡。
下圖為清華大學(xué)IC裝備研究室最新自主研發(fā)的光刻機雙硅片臺，氣浮粗動臺由平面電機驅(qū)動，磁浮微動臺由若干音圈電機驅(qū)動并通過9軸雙頻激光干涉儀作位移反饋，在國內(nèi)處于領(lǐng)先水平。
(六)雙工件臺的技術(shù)難點
(1)對準(zhǔn)精度高。
芯片制造中圖形的曝光需多層疊加，掩膜曝光的圖形必須和前一層掩膜曝光準(zhǔn)確套疊在一起，疊加的誤差即為套刻精度，要求為2nm以下。硅片上對準(zhǔn)標(biāo)記的數(shù)目越多，對準(zhǔn)精度越低。
(2)運動速度快。
當(dāng)前ASML最先進(jìn)的DUV光刻機產(chǎn)率高達(dá)300wph，0.1秒完成1個影像單元的曝光成像，這要求晶圓平臺以高達(dá)7g的加速度高速移動。
(3)運作穩(wěn)定。
雙工件臺頻繁的位置互換，對加減速防震、精確定位及減少磨損等要求極 高，同時需保持長時間的高速運作。
隨著工件臺的尺寸及推重比不斷增大，其動力學(xué)特性愈來愈復(fù)雜：模型階次更高、高頻段的不確定性更大，進(jìn)而導(dǎo)致建模誤差較大。工件臺需要在高加速、高速的情況下實現(xiàn)納米級軌跡跟蹤精度及毫秒級建立時間。雖然相關(guān)技術(shù)很難，隨著我國技術(shù)的不斷進(jìn)步，高端光刻機相關(guān)技術(shù)也將逐漸被攻克！
關(guān)于光刻機結(jié)構(gòu)及工件臺的內(nèi)容就介紹到這兒，歡迎各位同學(xué)點贊！
參考文獻(xiàn)：
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來源：半導(dǎo)體全解
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