Войти
Я линия шагового в Корнельском наноразмерной науки и техники фонда. (Фотография сделана при безактичном свете. ) Шагового это устройство, используемое в производстве интегральные схемы (ИС), который аналогичен по работе с диапроектора или фотографической увеличитель. Термин «шаговый» является сокращением от «пошаговой камеры». Шаговые двигатели являются неотъемлемой частью сложного процесса, называемого фотолитографией, который создает миллионы микроскопических схемных элементов на поверхности кремниевых чипов. Эти микросхемы составляют основу таких микросхем, как компьютерные процессоры, микросхемы памяти и многие другие устройства.
Степпер появился в конце 1970-х годов, но не получил широкого распространения до 1980-х годов. Это произошло потому, что он заменил более раннюю технологию - выравниватель маски. Элайнеры визуализировали всю поверхность пластины одновременно, производя множество чипов за одну операцию. В отличие от этого, шаговый двигатель отображал только один чип за раз, и поэтому работал намного медленнее. Шаговый двигатель в конечном итоге сместил выравниватель, когда неумолимые силы закона Мура потребовали использования элементов меньшего размера. Поскольку степпер отображал только один чип за раз, он предлагал более высокое разрешение и был первой технологией, работающей с пределом в 1 микрон. Добавление систем автоматического выравнивания сократило время настройки, необходимое для изображения нескольких микросхем, и к концу 1980-х шаговый двигатель почти полностью заменил выравниватель на рынке высокого класса.
Сам шаговый двигатель был заменен системами пошагового сканирования (сканерами), которые предлагали дополнительное увеличение разрешения на порядок, которые работают, сканируя только небольшую часть маски для отдельной ИС, и, таким образом, требуют гораздо большего времени работы, чем оригинальные степперы. Они получили широкое распространение в 1990-е годы и практически универсальные к 2000-м годам. Сегодня пошаговые системы настолько широко распространены, что их часто называют просто степперами.
Интегральные схемы (ИС) производятся в процессе, известном как фотолитография.
Процесс начинается с большого высокоочищенного цилиндрического кристалла полупроводникового материала, известного как були. Тонкие срезы отрезаются от були, чтобы сформировать диски, а затем проходят первоначальную обработку и обработку для создания кремниевой пластины.
Элементы схемы, создаваемой на ИС, воспроизводятся в виде узора из прозрачных и непрозрачных областей на поверхности стеклянной или пластиковой пластины, называемой фотошаблоном или сеткой. Пластина покрыта светочувствительным материалом, называемым фоторезистом. Маска помещается на пластину, и через маску проходит яркий свет, обычно ультрафиолетовый. Под воздействием света участки резиста затвердевают или размягчаются, в зависимости от процесса.
После экспонирования пластина проявляется как фотопленка, в результате чего фоторезист растворяется в определенных областях в зависимости от количества света, полученного этими областями во время экспонирования. Эти области фоторезиста и не фоторезиста воспроизводят узор на сетке. Затем проявленная пластина подвергается воздействию растворителей. Растворитель вытравливает кремний на тех частях пластины, которые больше не защищены покрытием из фоторезиста. Другие химические вещества используются для изменения электрических характеристик кремния на оголенных участках.
Затем пластина очищается, снова покрывается фоторезистом, а затем снова проходит через процесс в процессе, который создает схему на кремнии, слой за слоем. После завершения всего процесса пластина распиливается на отдельные чипы, тестируется и упаковывается для продажи.
До появления степперов пластины экспонировались с помощью выравнивателей масок, которые формировали сразу всю пластину. Маски для этих систем будут содержать множество отдельных микросхем, расположенных по маске. Между каждым шагом оператор использовал микроскоп, чтобы выровнять пластину со следующей маской, которую нужно наложить. В 1970-х элайнеры обычно работали с увеличением один к одному, что ограничивало количество деталей на пластине примерно тем, что можно было воспроизвести на маске.
По мере того, как размеры элементов уменьшались в соответствии с законом Мура, создание этих сложных многочиповых масок стало очень трудным. В 1975 году GCA представила первую пошаговую камеру со сканированием, которая упростила процесс изготовления масок. В этой системе единственная родительская маска, известная как «сетка», производилась в больших масштабах, поэтому она могла быть механически прочной. Изображение было получено через фотопроектор, проецируемое изображение было уменьшено в 5-10 раз. Механизм отобразил сетку на фотопластинке, переместил сетку в другое положение и повторил этот процесс. В результате появилась маска, содержащая множество точных изображений исходного рисунка сетки.
GCA продолжила разработку оборудования как системы прямого подключения к пластине, исключив необходимость изготовления маски из сетки и вместо этого использовав сетку для непосредственного экспонирования пластины. Поскольку прицельная сетка была в гораздо большем масштабе, чем окончательное изображение, разрешение можно было улучшить, поскольку раньше оно ограничивалось разрешением самой маски. Для формирования рисунка всей пластины маска многократно перемещается или «ступенчато» проходит по передней части пластины. Для этого требуется, чтобы шаговый механизм был невероятно точным и требовал точного выравнивания. Процесс выравнивания обычно автоматизирован, что исключает необходимость ручного управления. Поскольку каждая экспозиция длится столько же, сколько и вся маска в выравнивателе, степперы по своей природе медленнее в использовании, чем выравниватели, поэтому выравниватели продолжают использоваться для ролей, где не требуется более высокое разрешение.
Степперы увеличили возможное разрешение во много раз по сравнению с элайнером и были первыми системами, допускающими элементы размером менее 1 микрона. Однако неумолимое движение закона Мура подтолкнуло отрасль к тому, что даже максимально возможное увеличение в проекционной системе было недостаточным для дальнейшего уменьшения размеров элементов. Это привело к появлению в 1990 году пошаговых систем сканирования, которые сочетают в себе шаговую систему со сканером, который отображает только часть маски за раз. Это позволяет гораздо лучше сфокусироваться на крошечной части маски, хотя также значительно замедляет процесс производства ИС. По состоянию на 2008 год, пошаговые и сканирующие системы являются наиболее широко используемыми системами для производства полупроводниковых устройств высокого класса.
Типичный шаговый двигатель состоит из следующих узлов: загрузчик полупроводниковых пластин, пластинчатый столик, система выравнивания пластин, загрузчик сетки нитей, ступень сетки нитей, система выравнивания сетки нитей, редукционная линза и система освещения. Технологические программы для каждого слоя, напечатанные на пластине, выполняются системой управления, сосредоточенной на компьютере, который хранит программу обработки, считывает ее и взаимодействует с различными подсистемами шагового двигателя при выполнении инструкций программы. Компоненты шагового двигателя содержатся в герметичной камере, в которой поддерживается точная температура, чтобы предотвратить искажения печатных рисунков, которые могут быть вызваны расширением или сжатием пластины из-за колебаний температуры. Камера также содержит другие системы, поддерживающие процесс, такие как кондиционирование воздуха, источники питания, платы управления для различных электрических компонентов и другие.
Силиконовые пластины покрываются фоторезистом и помещаются в кассету или «лодочку», в которую помещается несколько пластин. Затем он помещается в часть шагового двигателя, называемую загрузчиком пластин, обычно расположенную в нижней части шагового двигателя.
Робот в вафельном погрузчике поднимает одну из пластин из кассеты и загружает его на стадию пластин, где она выровнена, чтобы позволить другому, тоньше процесс выравнивания, что будет происходить в дальнейшем.
Схема схемы для каждой микросхемы содержится в узоре, выгравированном в хроме на сетке, которая представляет собой пластину из прозрачного кварца. Типичная сетка, используемая в степперах, имеет квадрат 6 дюймов и полезную площадь 104 мм на 132 мм.
Множество прицельных сеток, каждая из которых подходит для одного этапа процесса, содержится в стойке загрузчика сетки, обычно расположенной в верхней передней части шагового двигателя. Перед тем, как пластина обнажена, прицельная сетка с помощью робота загружается на столик прицельной сетки, где она также очень точно выравнивается. Поскольку одну и ту же сетку можно использовать для экспонирования множества пластин, она загружается один раз перед экспонированием серии пластин и периодически выравнивается.
После того, как пластина и сетка находятся на месте и выровнены, пластина, которая очень точно перемещается в направлениях X и Y (спереди назад и слева направо) с помощью червячных винтов или линейных двигателей, перемещает пластину так, чтобы первая из множество шаблонов (или «снимков»), которые необходимо экспонировать на нем, расположены под линзой, прямо под сеткой.
Несмотря на то, что пластина выравнивается после того, как она помещается на пластину, этого выравнивания недостаточно, чтобы гарантировать, что слой схемы, который будет напечатан на пластине, точно перекрывает предыдущие слои, уже находящиеся там. Следовательно, каждый снимок выравнивается с помощью специальных меток совмещения, которые расположены в шаблоне для каждой последней микросхемы IC. Как только это точное выравнивание завершено, снимок экспонируется светом от системы освещения шагового двигателя, который проходит через сетку, через уменьшающую линзу и попадает на поверхность пластины. Программа процесса или «рецепт» определяет продолжительность выдержки, используемую сетку, а также другие факторы, влияющие на выдержку.
Каждый снимок расположен в виде сетки на пластине и экспонируется по очереди, когда пластина шагает вперед и назад под линзой. Когда все снимки на пластине обнажены, пластина выгружается роботом-загрузчиком пластин, и другая пластина занимает ее место на сцене. Открытая пластина в конечном итоге перемещается в проявитель, где фоторезист на ее поверхности подвергается воздействию проявляющих химикатов, которые смывают участки фоторезиста, в зависимости от того, подвергались ли они воздействию света, проходящего через сетку. Затем проявленная поверхность подвергается другим процессам фотолитографии.
Наибольшее ограничение на способности производить более тонкие линии на поверхности пластины было длиной волны от света, используемого в системе экспонирования. По мере того, как требуемые линии становятся все уже и уже, в шаговых двигателях и сканерах используются источники освещения, излучающие свет со все более короткими длинами волн. Альтернативой традиционной световой литографии является литография наноимпринтов.
Способность системы экспонирования, такой как степпер, разрешать узкие линии ограничена длиной волны света, используемого для освещения, способностью линзы улавливать свет (или фактически порядки дифракции ), приходящий под все более широкими углами (так называемый числовая апертура или NA), а также различные улучшения в самом процессе. Это выражается следующим уравнением:
- критический размер или разрешимая самая тонкая линия; - коэффициент, выражающий факторы, связанные с процессом; - длина волны света; - числовая апертура. Уменьшение длины волны света в системе освещения увеличивает разрешающую способность шагового двигателя.
Двадцать лет назад ультрафиолетовая «линия g» (436 нм) ртутного спектра использовалась для создания линий в диапазоне 750 нм в шаговых двигателях, в которых в качестве источника освещения использовались ртутные лампы. Несколько лет спустя были внедрены системы, использующие "i-line" (365 нм) ртутных ламп для создания линий с длиной волны 350 нм. По мере того, как желаемая ширина линий приближалась и в конечном итоге становилась уже, чем длина волны света, используемого для их создания, были разработаны различные методы повышения разрешения, чтобы сделать это возможным, например, прицельные сетки с фазовым сдвигом и различные методы для управления углами экспонирующего света. чтобы максимально увеличить разрешающую способность объектива.
Внеосевое освещение как средство разрешения. Однако в конце концов желаемая ширина линии стала уже, чем это было возможно при использовании ртутных ламп, и ближе к середине 2000-х годов полупроводниковая промышленность перешла к шаговым двигателям, в которых использовались эксимерные лазеры на фтористом криптоне (KrF), производящие свет с длиной волны 248 нм. Такие системы в настоящее время используются для получения линий в диапазоне 110 нм. Линии размером до 32 нм разрешаются с помощью шаговых двигателей, пригодных для производства, с использованием эксимерных лазеров на фторид аргона (ArF), которые излучают свет с длиной волны 193 нм. Хотя доступны фторидные (F2) лазеры, которые излучают свет с длиной волны 157 нм, они непрактичны из-за их низкой мощности и из-за того, что они быстро разрушают фоторезист и другие материалы, используемые в шаговом двигателе.
Оптимальная зависимость освещенности от рисунка. Оптимальное освещение для данного рисунка зависит от рисунка. Для произвольного 2D-рисунка достаточно обычного освещения. Однако для каждого шаблона освещение ограничено. Поскольку практических источников света с длинами волн более узкими, чем у этих лазеров, не было, производители стремились улучшить разрешение за счет уменьшения технологического коэффициента. Это достигается за счет дальнейшего совершенствования методов управления светом, проходящего через систему освещения и сетку, а также за счет улучшения методов обработки пластины до и после экспонирования. Производители также ввели все более крупные и более дорогие линзы как средство увеличения числовой апертуры. Однако эти методы приближаются к своему практическому пределу, и ширина линий в диапазоне 45 нм кажется почти лучшей, которую можно достичь с помощью обычного дизайна.
Запрещенные места для учеников. По мере приближения к пределу разрешения определенные местоположения зрачка, соответствующие определенным углам освещения для определенных рисунков (с соответствующими цветами), запрещаются для других рисунков. Например, диагональный и горизонтальный + вертикальный шаги исключают друг друга. В конечном итоге придется использовать другие источники освещения, такие как электронные лучи, рентгеновские лучи или аналогичные источники электромагнитной энергии с длинами волн намного короче, чем видимый свет. Однако, чтобы как можно дольше отсрочить огромные расходы и трудности, связанные с внедрением совершенно нового типа осветительной технологии, производители обратились к методике, ранее использовавшейся в микроскопах, для увеличения числовой апертуры линз, позволяя свету светиться. проходят через воду вместо воздуха. Этот метод, называемый иммерсионной литографией, является современной технологией практического производства. Это работает, потому что числовая апертура является функцией максимального угла света, который может попасть в линзу, и показателя преломления среды, через которую проходит свет. Когда в качестве среды используется вода, она значительно увеличивает числовую апертуру, поскольку она имеет показатель преломления 1,44 при 193 нм, в то время как воздух имеет показатель 1,0003. Современные производственные машины, использующие эту технологию, способны разрешать линии в диапазоне 32 нм и в конечном итоге могут получать линии в 30 нм.
Современные сканеры - это степперы, которые увеличивают длину области, экспонируемой в каждом снимке (поле экспонирования), перемещая столик сетки и столик пластины в противоположных направлениях друг к другу во время экспонирования. Вместо того, чтобы экспонировать все поле сразу, экспонирование производится через «щель экспонирования», ширина которой равна ширине поля экспонирования, но составляет лишь часть его длины (например, щель 9x25 мм для поля 35x25 мм). Изображение из щели экспонирования сканируется по площади экспонирования.
 Анимация, показывающая, как сканер выявляет участки пластины |
У этой техники есть несколько преимуществ. Поле может быть экспонировано с меньшим уменьшением размера от сетки до пластины (например, 4-кратное уменьшение на сканере по сравнению с 5-кратным уменьшением на шаговом двигателе), при этом размер поля может быть намного больше, чем тот, который можно экспонировать с помощью типичный степпер. Также оптические свойства проекционной линзы могут быть оптимизированы в области, через которую проходит изображение проекционной щели, в то время как оптические аберрации можно игнорировать за пределами этой области, потому что они не будут влиять на экспонируемую область на пластине.
Успешное сканирование требует чрезвычайно точной синхронизации между движущейся сеткой и ступенями пластины во время экспонирования. Достижение этого связано со многими технологическими проблемами.
Шаговые производители:
- критический размер или разрешимая самая тонкая линия; - 
