1、步進式對準機,課程大綱 .微影成像簡介 .基本光學概要 .stepper架構 3-1 outline 3-2 alignment system 3-3 wafer stage 3-4 illumination system and projection lens .設備管理 .next generation and DUV laser .重要名詞,步進式對準機,1.微影成像簡介1-1 概念石版印刷術(lithography)使用一片片的平板浮雕,在每一片沾上不同顏色的油墨,依次分別印到紙上,每一層顏色之間必須互相精確對準(align)至某一可接受的誤差範圍,以完成一頁文稿或圖片.積體電路工業使
2、用的微影成像術(micro-lithography)可完全類比於上述之石版印刷術,平板浮雕就像光罩,油墨就像光源及光阻劑, 印刷紙就是晶片, 微影成像術是半導體工業的關鍵技術之一,因為在製造程序(process)中,依製程之複雜度,被一再反復使用,以製作每一層電路,不僅影響元件的品質,甚且影響生產力以及成本,步進式對準機,依序將每一層電路印到晶片上,將電路印到晶片上的方式,步進式對準機,光阻有分正負, 正光阻運用較為廣泛,光阻成像之應用,步進式對準機,-製作電容,- 製作NMOS電晶體,步進式對準機,1-2 製程及步驟: 步驟 說明 去水烘烤 By hot plate, proximity,用
3、以去除水氣 80300C 60 sec HMDS 塗佈 Hexamethyldisilazane, 加強光阻與晶片間黏合強度 冷卻 冷卻至塗佈光阻的適當溫度,使厚度均勻 抗反射層塗佈 Top ARC or bottom ARC, TARC在光阻塗布之後.用以避免lightscattering造成notching 現像導致斷線,及降低駐波現像 光阻塗佈 By spin coating method, related to dispense method,spin speed, acceleration, temperature, humidity, supply air flow ,exhaus
4、t, resist and substrate 膜厚量測 Thickness and uniformith, skip in normal process 晶邊及晶背清洗(EBR) 避免光阻殘餘污染aligner exposure chuck, back side particle導致local de-focusing問題 soft-bake 去除大部份光阻內部solvent,影響光阻靈敏度. 90110C, 6090 sec,步進式對準機,冷卻 對準 Pre-align, search align, EGA, Die by Die 曝光 time mode or integrator mod
5、e, varies light source, to convert PAC to alkali-solublecompound WEE wafer edge exposure, more precisely remove wafer edge photo resist for next process post exposure bake 降低駐波效應(standing wave) 100110C, 6090 sec 顯影 hard-bake or UV curing 硬化光阻, 120150C, 6090 sec CD measurement Sampling, critical dime
6、nsion誤差應為10%以內, 主要貢獻來自auto-focusing/leveling 及exposure dosage Registration measurement Sampling, 誤差應為CD的30%以內, 主要貢獻有alignment error, distortion, machine matching Auto correction parameter feed back 藉由以上量測的SPC trend chart, correct aligner 的 focus/dosage/alignment/magnification offset Next process etc
7、hing, diffusing, film deposition, ion implantation,步進式對準機,1-2-1 Photo-resists 由matrix material (Resin )和sensitizer (Photo-Active Compound ),solvent, additives(dye)組成 Important property: Sensitivity and contrast Viscosity Adhesion Thermal stability Etch resistance Contamination Shelf-life Ease of pro
8、cessing Pinhole density Charging Light absorbability,步進式對準機,1-2-2. Standing wave effect 可利用broadband ,Anti-reflectionfilm, die及post-bake減輕,步進式對準機,1-2-3. optical conditionMTF=(Imax-Imin) / (Imax+Imin,步進式對準機,1-3. Hardware system,步進式對準機,1-3-1 optical aligner分類: a& b. contact/ proximity aligner c mirror
9、/lens projection aligner 近年來量產型機器大多為lens projection type,代表機型如圖10 所示 代表廠商有 ASML, Canon, GCA, Nikon, SVGL, Ultratec 等公司,圖10,步進式對準機,1-3-2 contact/ proximity alinger: 代表機型為Canon PLA-500 series,是一種最簡單的aligner,商業上同一機器上通常可使用兩種modeM1: oval mirrorM2: cold mirror F1,F2: interference filterL: flys eye lens g
10、: gap between mask and wafer in proximity mode,在contact mode 下, 光罩與晶片間緊密接觸,通常輔以0.050.3 atm 的真空壓力, 使用400nm左右的光源, 由於整片晶片無法均勻接觸, 晶片各點的解析度也不均勻使用PMMA光阻, 200260nm光源,Quartz msk,可解析到0.2um space, 但由於光罩與晶片互相接觸,有產生defect問題,光罩壽命很短,並不實用,近來已不用於量產,步進式對準機,在proximity mode下,晶片與光罩保持2050um距離,從而避免了接觸問題.,assume gW2 / - t
11、he region of Fresnel diffractionWmin.=(g)在實用gap 約2550 um 下,可量產約510um的產品,步進式對準機,1-3-3 Full wafer mirror projection (reflection) scanner基本上沒有上述wafer與mask contact 及gap setting的問題, mirror projection 沒有chromatic aberration, 使用mirror 對稱於圓心的一小部份slit,使其它的aberration也可minimize. 使用在2.0um production,是64k DRAM以前
12、最hot的型式. 也有做成stepper型式者1985年起量產機型開始轉為Lens projection stepper, 2000年起將是step and scan stepper 的天下,步進式對準機,1-3-4 Lens projection (refraction) stepper and step & scan stepper (scanner)Lens projection 主要優點是容易做成reduction lens, 對光罩製作,解析度,defect density 等有重大貢獻,商業上現有的機型主要為 5X, 其它尚有10X,4X,2.5X,2X下一世代將以4X 為主.,步
13、進式對準機,scanner的優點是顯而易見的, 對相同的field size來說, lens比較小,製作較容易, 由於exposure area僅為一條slit, 製作成功率較高, 也可以有較高品質, 在曝光時採用focusing on the fly, 尚可optimize wafer flatness issue, 有效enhance UDOF.,Scanner 的hardware在製作以及maintain 上極為複雜,主要是防震結構及stage scanning servo control上,步進式對準機,步進式對準機,1-3-5. Electron lithography 比optic
14、al lithography更佳的resolution, 在 1050keV下波長小於 1 angstron, 對resolution 而 言,scattering是主要問題.此外,through put過低,通 常廣泛用於光罩製作有scanning及 proximity/projection兩種exposure方式, scanning 又有raster及vector兩種,步進式對準機,Electron Proximity printing,Projection printing,步進式對準機,1-3-6. X-ray lithography,步進式對準機,X-ray mask for X-r
15、ay proximity printing,X-ray projection printing (5X),步進式對準機,1-3-7 Ion-lithography,步進式對準機,2.基本光學概要,2-1 Resolution 解析度,Rayeighs criteriond = 0.61*/ n * sin,步進式對準機,NA = n * sin f/# = 1 / NA = f / D micro-lithography特別重視 pattern edge profile,以及CD (critical dimension) 的控制能力, Rayeighs criteria 考慮其他參數,如光阻製
16、程參數後,通常寫成,Resolution = k1 * / NA,k1: k factor for process,Optical system 設計與建造從來不會完美,Rayeighs criteria 僅表示system的diffraction limit, 後面還要討論其它影響因素- aberration,步進式對準機,2-2. DOF (depth of focus)景深,DOF = k2 */ (NA)2,k2: another k factor for process,提高NA固然提昇resolution,但須提防DOF過窄,而失去process window,步進式對準機,步進式
17、對準機,2-3 aberration 像差,2-3-1 chromatic aberration色像差,micro-lithography 是monochromatic system, 不同顏色的成像皆解讀為影像的對比, chromatic aberration 會劣化pattern edge profile contrast,解決之道,除了利用消色差設計以外,須使用單色光源,步進式對準機,2-3-2 monochromatic aberration (Seidel aberration),Snells law n1 sin1= n2sin2Expanded in infinite Taylo
18、r seriessin1=1-13 / 3!+ ,1st order 用來決定focal length, magnification,等等 3nd order稱為Seidel aberration ,可分成5項討論,但在optical system中是互相影響,不是互相獨立的項目.a. Spherical b. Astigmatism c. Coma d. Field curvature e. Distortion,步進式對準機,a. Spherical aberration球面像差:造成影像對比變差, pattern edge profile 較不sharp 是由於鏡面為球面造成,可用組合曲
19、面或用拋物面鏡改善,步進式對準機,b. Astigmatism像散:Objective point從off-axis上一點出發,離開lens時橫切面為圓形,逐漸變成主軸在sagittal plane的橢圓,一直到primary image聚焦成一線,之後通過least confusion circle變回圓形,再逐漸變成主軸在meridional plane的橢圓,一直到second image聚焦成一線, FT到FS的距離大小為像散程度大小.,步進式對準機,將一車軸樣子的object成像,在不同focal plane 可以見到如右圖般奇特的成像,左圖是在晶片上的實例,垂直方向有橋接(brid
20、ging)現像,水平方像則解析良好,步進式對準機,. Coma慧差:Object 點通過lens成像後, 影像變成類似慧星形,慧核向著光軸下圖為spherical 的電腦模擬,步進式對準機,d. Field curvature像場彎曲:廣義的像場彎曲包含image tilt UDOF 或 TFD 主要來自astigmatism, field curvature, image tilt 的貢獻,步進式對準機,e. Distortion:廣義的distortion尚包含 Magnification (1st order ) Trapezoid Random (manufacturing error
21、) Rotation,步進式對準機,2-4 光的干涉 干涉條件temporal coherence時間相干: 單色性,應用於interferometerspatial coherence空間相干: 光源各點發光的相位一致性partial coherence部份相干: 既不完全相干,又有一些相干,干涉現像較不明晰 定義partial coherence = NA illuminator / NA projection lens,楊氏干涉實驗鈉燈: 單色光,符合時間相干條件第一個單狹縫: 限制發光區域,使光源相位比較有一致性,符合空間相干條件.,步進式對準機,2-5 polarization光的偏振圓偏振 橢圓偏振 線偏振 起偏器 檢偏器 1/4波長板 1/2波長板,步進式對準機,兩片偏振片相差90度疊在一起, 上面比較暗, 是天空中含有些偏振光正好被濾掉,檢偏器,步進式對準機,步進式對準機,1/2 plate,步進式對準機,Laser interferometer,步進式對準機,
