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            半導體光刻設備中的位置控制

            2024-04-09 10:49:48      點擊:

            純水設備www.elliotswandesigns.com光刻步進機和掃描儀是用于制造集成電路 (IC) 的高度復雜的機器。這些設備使用光學系統將石英板上的圖案圖像(稱為光罩)成像到基板(稱為晶圓)上的感光層上。圓形晶圓的直徑為 200 300 毫米,通常由硅制成。由于一個晶圓可以包含許多 IC(通常為 100 個或更多),因此晶圓需要從曝光到曝光重新定位。曝光本身發生在晶圓和光罩的掃描運動過程中。

            芯片制造業不斷努力在每個 IC 中裝入更多功能。這一進步對內存芯片的容量和微處理器的運行速度產生了重大影響。摩爾定律指出,每隔一年半到兩年,每個芯片的計算能力就會翻一番,四十年來一直保持不變。圖 1 以每 GB NAND 閃存的價格形式顯示了消費者所受的影響,在短短十幾年間,價格下降了數千倍。最小特征尺寸(表示可在單個 IC 中制造的最小組件)受到成像光的波長、透鏡材料的折射率以及最終襯底材料中單個原子的大小的限制。如今,這個最小特征尺寸約為 20 納米,1 納米為百萬分之一毫米。

            從位置控制的角度來看,有三個因素使光刻工具具有挑戰性。首先,光刻工具需要精確,以支持正在曝光的 IC 圖案的小特征尺寸。在曝光過程中,晶圓和光罩以恒定速度移動。掃描期間允許的位置誤差僅為幾納米,僅為最小特征尺寸的一小部分。測量系統、環境調節和控制策略是獲得如此高精度的關鍵要素。

            其次,這些機器每小時需要處理大量晶圓。每小時 175 片晶圓的吞吐量并不罕見,但每片晶圓的處理時間僅為 20 秒,即每次曝光 0.2 秒。曝光期間的晶圓掃描速度為 0.6-1 /秒,這是標準速度。20-40 /2 的高加速度所需的力會引起振動,這與納米級定位精度相沖突。光罩運動速度通常要快四倍,加速度也相應更高。

            最后,由于這些機器用于工業環境中,因此堅固性和可靠性至關重要。功能較小的 IC 可為芯片制造商帶來更高的利潤,因此需要最新的光刻掃描儀技術。盡早將最新技術推向市場往往與可靠性要求相沖突,因為這項技術通常需要相當長的時間進行優化,這要歸功于它的復雜性。此外,由于生產數量眾多,光刻工具的設計必須堅固耐用,避免在機器之間進行復雜的手動調整。

            1 總結了 1994 年至 2011 年期間步進機和掃描儀技術的進展。通過將晶圓直徑增加一倍、每小時處理的晶圓數量增加三倍、將最小特征尺寸縮小 17.5 倍,光刻工具每小時生產的位數增加了 2200 倍。

            在大多數情況下,晶圓和掩模版運動所需的高速度和加速度是由線性電機產生的,這些電機對支撐結構施加反作用力。這些力可能高達 5000-10,000 N。機器的動態設計必須確保將這些反作用力與位置測量系統和投影光學系統隔離。這些組件中的剩余振動必須得到抑制,其余的振動需要由平臺控制系統處理。加速階段之后,平臺需要幾毫秒的穩定時間才能達到納米級的掃描精度。

            本文介紹了光刻工具的基本光學原理以及由此產生的定位精度要求。對于三代光刻工具,討論了機電一體化架構和控制含義。然后,描述了六自由度 (DOF) 平臺控制,主要關注執行器力解耦,允許使用經典的單輸入、單輸出 (SISO)控制器。

            半導體制造中的光刻工藝

            在半導體制造中,晶圓上覆蓋有一層感光墨水,稱為光阻。光刻步進機或掃描儀中的光學系統將光罩圖案曝光到晶圓上,從而在抗蝕劑中形成圖像。光罩上的圖像尺寸是晶圓上投影圖像的四倍,因為投影透鏡將圖像尺寸縮小了四倍。晶圓上一個曝光區域的最大尺寸稱為芯片,通常為 26×3×32 毫米;一個芯片可以容納多個獨立的 IC 圖像。圖 2 顯示了光刻工藝的基本圖片。

            光源產生的光被光學系統的第一部分(稱為照明器)捕獲。照明器會修改光束的光學特性(例如偏振和瞳孔形狀),并將光傳輸到光罩上。需要單色光來避免光學像差,這種像差是由透鏡材料的折射率與波長的相關性引起的。光線穿過光罩后進入投影透鏡,在晶圓上形成圖像。

            為了曝光芯片,需要移動晶圓,將芯片置于透鏡下方。然后打開光源,直到晶圓上的光輻射量達到所需劑量。然后定位晶圓以進行下一次曝光,并重復此循環。當晶圓上的所有芯片都曝光后,從光刻工具中取出晶圓,換上新的晶圓。然后對曝光后的晶圓進行幾個化學、機械和熱處理步驟。完成這些處理步驟后,再次用感光層覆蓋晶圓,并將其放入光刻工具中。該工具不一定與曝光前一層的工具相同。然后,在前一個圖案的正上方曝光另一個圖案,在曝光整個晶圓后,再次從光刻工具中取出晶圓以進行新的工藝步驟。整個循環重復30-60 次,直到晶圓上的堆疊層組成一個可工作的電子設備。晶圓遇到的所有光刻工具都必須表現相似,以避免芯片功能層之間出現差異。因此,需要進行機器對機器校準,也稱為匹配。

            與圖 2 中示意性描繪的透鏡相比,真正的透鏡由 10-30 個光學元件組成。晶圓放在平坦的桌面(即晶圓臺)上。根據所應用的光源類型,照明波長 l 分別為 365、248、193、157 和最近的 13.5 nm [3]。由于曝光過程受衍射限制,因此較小的波長可以在晶圓上創建較小的圖案。較小的結構可以提高芯片中電子電路的密度,從而提高 CPU 處理能力和內存大小。

            基本成像

            投影光的波長 l 與光罩上的圖案間距具有相同的數量級,因此必須考慮衍射效應。假設光罩圖案由間隔均勻的線條組成,空間周期為 L,這對于內存芯片尤其如此。光罩充當光柵,將入射光束衍射成給定的角度

            其中整數 n 表示出射光路的階數。并非所有階數都具有相同的強度。第 0 階以與入射光相同的角度離開標線,其強度 I0 等于標線上入射光強度的一半。強度的降低是由標線上的線條引起的,這些線條阻擋了一半的入射光。偶數階的強度等于零;奇數階的強度等于 1 2/pn 2 I0,如圖 3 進一步說明。

            衍射階可以被視為傅立葉級數的組成部分。所有組成部分共同構成強度模式

            在光罩層,其中 L 是圖案間距,x 是圖案中的位置,如圖 3 所示。

            并非光罩層上的所有衍射級都能被投影鏡頭捕獲并成像到晶圓上。特別是,只有衍射角為 90° 的級數才能被捕獲和成像。光罩上的塊狀圖案不會在晶圓上重現為塊狀圖案,因為較高的傅里葉級數被截止。如果鏡頭只捕獲第 0 級和第 6 1 級,則晶圓表面會保留正弦圖案,因為傅里葉級數中只有第 0 級和第 6 1 級分量會重新組合。感光抗蝕劑通常在達到某個劑量閾值后突然反應,并將正弦圖像轉換為抗蝕劑中的塊狀結構。因此,對第 6 1 級進行成像足以在晶圓上重現線條和空間。如果透鏡只捕獲 0 階光并投射到晶圓上,那么晶圓上僅會保留平均強度 I0,圖案將不再成像。透鏡能夠在晶圓上成像的最大角度的正弦稱為數值孔徑 (NA)。實際極限約為 NA = 0.93。在投影透鏡和晶圓之間添加一層水,稱為浸沒式光刻 [4],可將 NA 增加水的折射率,在常用的 193 納米波長下為 1.44。晶圓上成像圖案的最小對應間距 L (1) 給出,其中

            通過光學系統的改進,最小間距可以減半至 72 納米。在 IC 制造行業中,通常提到的半間距為 36 納米。該值是單步曝光工藝中的最小理論臨界尺寸。通過使用多重曝光技術,可以制造更小的元件

            定位精度規格

            2 顯示了相對于投影透鏡固定的標線和晶圓。實際上,標線和晶圓被放置在定位臺上,這些定位臺是主動控制的。兩個定位臺中的任何一個的定位誤差都會導致投射在晶圓上的圖像在水平方向上發生偏移,或導致晶圓表面偏離透鏡焦平面。光刻工具的兩個規格決定了兩個階段所需的精度。

            首先,疊加是光刻工具將兩個圖像精確地曝光在彼此之上的能力。功能芯片需要所有芯片層相互配合。除了許多其他因素外,疊加還直接受到平臺定位精度的影響。曝光期間平臺的平均位置誤差決定了圖像在晶圓上的位置。該測量稱為移動平均值 (MA),定義為

              (4) 中,T 表示曝光時間,e 1 t 2 表示位置誤差隨時間 t 的變化。

            其次,有限的平臺定位精度會降低成像過程的質量,因為位置誤差會降低對比度,就像在不保持相機靜止的情況下拍照一樣。這里,曝光期間定位誤差的移動標準偏差 (MSD) 是關鍵指標,

            MSD 表示定位誤差的高頻部分,而 MA 表示誤差的低頻部分,邊界由曝光時間 T 決定。對于 38 納米半節距光刻,MA必須限制在 1 納米左右,而 MSD 必須限制在 7 納米左右。確切的限制取決于制造工藝特性,例如抗蝕劑特性、圖像圖案中的重復元素以及線尺寸和空間尺寸之間的比率。

            聚焦誤差以 MA MSD 的形式表示,z 方向的定位誤差(與鏡頭光軸平行)也會導致成像誤差。通?梢栽试S聚焦誤差比水平定位誤差大 100倍。

            步進機

            基本操作

            步進機(如圖 4 所示)是 1997 年之前使用的主要光刻工具。晶圓上的每個芯片在瞬間曝光,之后晶圓重新定位到下一個芯片位置。此過程重復進行,直到整個晶圓曝光完畢。

            投影鏡頭安裝在計量框架(稱為 metroframe)上,該框架由連接到底座的氣動隔振器支撐,底座固定在地板上。隔振器起弱彈簧的作用,解耦頻率在 1 Hz 范圍內,可阻止地板振動進入 metroframe。

            reticle位于連接到 metroframe 的臺子上。機器人系統提供自動reticle 交換。照明器也連接到 metroframe,提供照明光。只有使用簡單的照明源和光學元件才能實現照明器與 metroframe 的連接。準分子激光源和更大、更復雜的照明器無法連接到 metroframe,因此需要連接到外部框架。

            在圖 4 中,固定晶圓的工作臺被稱為鏡塊mirror block,因為鏡面側面可以進行干涉位置測量 (IFM)。干涉儀連接到固定在metroframe 上的傳感器板。假設鏡頭和傳感器板都牢固地連接到 metroframe,干涉儀位置測量相當于鏡塊相對于投影鏡頭的相對位置測量。

            測量投影鏡頭下晶圓表面高度和傾斜度的傳感器也連接到傳感器板。這些傳感器需要能夠將晶圓表面保持在鏡頭的焦平面上。請注意,原始晶圓的不平整度以及正在構建的芯片中存在現有層,需要測量和控制晶圓高度。

            在圖 4 中,鏡塊由氣腳支撐。氣腳使鏡塊能夠漂浮在拋光花崗巖石上的一層空氣中。提升氣腳的加壓空氣通過軟管帶入結構中,圖中未示出。除了加壓空氣外,氣腳中的一些隔間可能處于真空狀態,以增加氣腳與石材連接的垂直剛度。水平方向,氣腳允許無摩擦運動。

            為了使鏡塊能夠水平運動,電機采用 H 型結構。晶圓臺由鏡塊和氣腳組成,由電機定子表面上的滾柱軸承水平引導。然后,電機既充當執行器又充當導軌,如圖 5 所示。

            一個線性電機驅動平臺沿 x 方向移動,同時充當滾柱軸承的導向梁。x 電機本身可以通過兩個線性 y 電機沿 y 方向移動,也可以繞 z軸沿旋轉方向 u 移動。這些電機還充當 x 電機定子軸承的導向梁。兩個 y 電機連接到一個框架(未示出),該框架本身通過阻尼大的粘彈性材料連接到石頭。石頭懸掛在計量框架下方,通過板簧連接到計量框架。

            垂直執行器安裝在氣腳和鏡塊之間,允許鏡塊沿 z 方向移動,以及繞 x y 軸(分別稱為 x c)沿旋轉方向移動。

            動態和控制方面

            6 顯示了水平方向 x、y u 的基本控制方案。這些方向上的平臺位置測量由干涉儀執行,在由透鏡中心下方的焦點定義的透鏡坐標系中進行測量。在圖 5 中,可以看到干涉儀光束已經指向透鏡中心。由于光束測量的是鏡塊在晶圓表面下方的位置,因此需要根據旋轉 x c 應用位置校正,為此,在較低的高度存在額外的干涉儀光束。這種校正稱為阿貝臂校正。

            要移動平臺,電流通過兩個 y 電機和 x 電機。需要將控制力和扭矩 Fx、Fy Tz 轉換為單獨的執行器電流,以最大限度地減少運動方向之間的串擾。

            首先,要沿 y 方向移動平臺,電機 y1 y2 的力之間的正確平衡取決于實際的 x 位置。如果 x 0,如圖 5 所示,電機 y1 需要的電流比電機 y2 大。令 l 表示兩個 y 電機定子之間的距離。兩個電機的力 Fy1 Fy2 產生凈力 Fy 和平臺扭矩 Tz,具體取決于相對于鏡頭中心的實際 x 位置

            x 方向上,力 Fx 施加于平臺的質心,因此 x 方向上所需的加速度僅需要 x 電機的力。在圖 6 中,(9) 顯示在由解耦指示的塊中。

            其次,相對于鏡頭中心定義 u 方向上的旋轉設定點。施加扭矩會使平臺相對于其質心旋轉。要繞鏡頭中心旋轉,則需要在 x y 方向上施加額外的力。這種解耦形式(鏈接平臺和鏡頭坐標)稱為增益調度,圖 6 中未顯示,但下面將更詳細地描述。

            需要將相對于鏡頭的坐標 (Fx、Fy、Tz) 中的力轉換為單個執行器力,并結合測量這些相同坐標中位置的測量系統,以允許使用三個獨立的 SISO 控制器。每個控制器本質上都會遇到 1/1 ms2 2 的力學傳遞函數。然而,這種理想的傳遞函數受到三種現象的影響。

            首先,y 方向的執行器力使 x 電機定子移動,進而加速鏡塊。該力通過滾柱軸承施加,滾柱軸承在圖 5 中表示為彈簧。動態地,通過這些彈簧施加的力會產生共振。

            其次,執行器力還會對電機定子產生反作用力。由于電機定子連接到構成隔離計量框架世界的石頭,反作用力會在框架和可能的鏡頭中激發共振。圖 7 顯示了基本的動態模型。這里,彈簧表示有限剛度,并表示相應的共振頻率。

            由平臺運動激發的框架和鏡頭中的共振會導致振動,這在平臺控制環中可以觀察到。圖 8 顯示了平臺作用路徑傳遞函數和平臺反應路徑傳遞函數。雖然一般來說,平臺反應路徑傳遞函數的振幅比平臺作用路徑傳遞函數小得多,但在某些共振頻率下,反應路徑會影響組合傳遞函數,從而限制可獲得的平臺控制帶寬。

            第三,滾柱軸承在較長距離上幾乎無摩擦移動,但當移動較小時,往往會粘在導軌上。在納米(和微米)區域,軸承充當剛度未知的彈簧,導致傳遞函數變化很大,如圖 9 所示。導向梁和滾柱的機械公差、預緊力和潤滑是限制這種摩擦引起的剛度的相關因素。

            例如,應用帶低通濾波器的 30 Hz 帶寬比例積分微分 (PID) 控制器,傳遞函數

            PID 控制器調節為標準類型,其中所需帶寬 fbw、積分器頻率 fi、微分器頻率 fd 和低通濾波器參數 flp zlp 之間的比率由因子 a 確定,如表 2 所示。在本例中,a = 3,zlp = 0.7。較大的 a 值可產生更好的相位裕度,但會降低低頻下的干擾抑制。圖 10 11 分別顯示了開環 Bode Nyquist 圖。圖 11 顯示,由于框架共振,特別是在 60 Hz 左右,較大的環路增益可能會造成不穩定性。

            除了這個反饋控制器之外,還有一個前饋控制器,如圖 6 所示。通過對參考位置進行雙重微分獲得的設定點加速度乘以平臺質量 m 和慣性 J,然后添加到控制器輸出。這個前饋力負責平臺運動,而不需要控制器輸入,它等于位置誤差。請注意,平滑位置參考的數字微分不是問題,設定點設計本身就是一個值得關注的有趣主題。

            12 顯示了平臺對位置參考變化的時間響應,其中設定點加速度限制為 10 m/s2。圖 12(a) 顯示了 20 毫米平臺運動設定點和實際位置,以及縮放加速度。在這個尺度上,平臺準確地遵循其設定點。圖 12(b) 顯示了控制器誤差,在移動過程中該誤差在 50 毫米范圍內,此后僅緩慢減小。成像誤差(定義為晶圓上圖像的位置偏差)對應于控制器誤差。剩余的差異是由平臺反作用力激發的剩余鏡頭振動和傳感器板振動引起的。在這些頻率下,由于其 30 Hz 帶寬,平臺的干擾抑制幾乎不存在。

            垂直方向的情況也類似。調平引起的垂直力通過氣腳施加在石頭上。從動態角度來說,氣腳可以看作是一種彈簧,其剛度和阻尼取決于氣壓、真空度和軸承設計。垂直力最終在系統中的作用力與水平力一樣大,從而產生類似的框架共振效應。

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