스테퍼

Stepper
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코넬 나노스케일 과학기술 시설의 i라인 스테퍼(무작동광 아래에서 촬영)

스테퍼는 슬라이드 프로젝터 또는 사진 확대기와 유사한 작동 방식을 가진 집적회로(IC) 제조에 사용되는 장치입니다.Stepper는 스텝 앤 리피트 카메라의 줄임말이다.스테퍼는 실리콘 칩의 표면에 수백만 개의 미세한 회로 소자를 만드는 포토 리소그래피라고 불리는 복잡한 과정의 필수적인 부분입니다.이 칩들은 컴퓨터 프로세서, 메모리 칩, 그리고 다른 많은 장치들과 같은 IC의 심장부를 형성합니다.

스텝퍼는 1970년대 말에 등장했지만 1980년대까지 널리 퍼지지 않았다.이것은 초기 기술인 마스크 얼라이너를 대체하고 있었기 때문입니다.얼라이너는 웨이퍼 표면 전체를 동시에 촬영하여 한 번의 작업으로 많은 칩을 생성하였습니다.반면 스테퍼는 한 번에 하나의 칩만 이미징했기 때문에 작동 속도가 훨씬 느렸습니다.무어의 법칙의 가차없는 힘에 의해 작은 피처 사이즈의 사용이 요구되었을 때 스테퍼가 얼라이너를 교체했습니다.스테퍼는 한 번에 하나의 칩만 촬영했기 때문에 더 높은 해상도를 제공했고 1미크론 한계까지 도달한 최초의 기술이었다.자동 얼라인먼트 시스템의 추가는 여러 IC의 이미지 처리에 필요한 설정 시간을 단축시켰고, 1980년대 후반에는 하이엔드 시장에서 스테퍼가 얼라이너를 거의 완전히 대체했습니다.

스테퍼 자체는 추가적인 크기 분해능 향상을 제공하는 스텝 앤 스캔 시스템(스캐너)으로 대체되었으며 개별 IC에 대해 마스크의 일부만 스캔하여 작동하므로 원래 스테퍼보다 훨씬 긴 작동 시간이 필요합니다.이것들은 1990년대에 널리 퍼졌고 2000년대에는 기본적으로 보편화 되었다.오늘날 스텝 앤 스캔 시스템은 매우 광범위하여 단순히 스테퍼라고 불립니다.

사진 석판술에서 스테퍼의 역할은

집적회로(IC)는 포토 리소그래피라고 불리는 프로세스로 생산됩니다.

이 과정은 Boule로 알려진 반도체 물질의 고도로 정제된 원통형 결정으로 시작합니다.얇은 슬라이스를 잘라 원반을 형성한 후 초기 가공과 처리를 거쳐 실리콘 웨이퍼를 만든다.

IC상에 작성되는 회로의 소자는 포토마스크 또는 레티클이라고 불리는 유리 또는 플라스틱 플레이트 표면에 투명하고 불투명한 영역의 패턴으로 재생된다.웨이퍼는 포토 레지스트라고 불리는 감광성 물질로 코팅되어 있습니다.마스크는 웨이퍼 위에 배치되며 일반적으로 자외선을 포함한 밝은 빛이 마스크를 통해 비춰집니다.빛에 노출되면 공정에 따라 레지스트의 단면이 딱딱해지거나 부드러워집니다.

노광 후 웨이퍼는 사진 필름처럼 현상되어 노광 시 받은 빛의 양에 따라 특정 영역에서 포토 레지스트가 용해됩니다.포토 레지스트의 이러한 영역은, 포토 레지스트가 없는 레티클의 패턴을 재현합니다.그런 다음 개발된 웨이퍼가 용제에 노출됩니다.용제는 더 이상 포토 레지스트 코팅으로 보호되지 않는 웨이퍼 부분의 실리콘을 부식시킵니다.다른 화학 약품을 사용하여 맨 영역의 실리콘의 전기적 특성을 변경합니다.

그런 다음 웨이퍼를 세척하고 포토 레지스트(photo-regist)로 반동한 다음 실리콘 위에 회로를 층별로 생성하는 프로세스에서 다시 프로세스를 통과합니다.전체 프로세스가 완료되면 웨이퍼를 개별 칩으로 톱질하여 테스트한 후 포장하여 판매합니다.

얼라이너 대 스테퍼

스테퍼 이전에는 전체 웨이퍼를 한 번에 패턴화하는 마스크 얼라이너를 사용하여 웨이퍼가 노출되었습니다.이러한 시스템의 마스크에는 마스크 전체에 패턴화된 다수의 개별 IC가 포함됩니다.각 단계 사이에 작업자는 현미경을 사용하여 웨이퍼를 적용할 다음 마스크에 맞춥니다.1970년대에 얼라이너는 일반적으로 1대 1의 배율로 작동했는데, 웨이퍼의 디테일의 양은 마스크에서 만들어질 수 있는 모든 것으로 제한되었습니다.

Moore의 법칙에 따라 피처 사이즈가 축소됨에 따라 이러한 복잡한 멀티칩 마스크의 제작은 매우 어려워졌습니다.1975년, GCA는 마스크를 만드는 과정을 단순화한 최초의 스텝 앤 스캔 카메라를 도입했다.이 시스템에서는 "레티클"로 알려진 단일 부모 마스크가 대규모로 생산되어 기계적으로 견고할 수 있었습니다.이것은 사진 프로젝터를 통해 촬영되어 투사된 이미지를 5배에서 10배 축소했습니다.이 메커니즘은 사진 플레이트에 레티클을 이미징하고 레티클을 다른 위치로 이동한 후 이 과정을 반복합니다.그 결과 원래의 레티클 패턴의 많은 정밀한 이미지가 포함된 마스크가 생성되었습니다.

GCA는 하드웨어를 Direct-to-Wafer 시스템으로 계속 개발하여 레티클에서 마스크를 생성할 필요가 없으며 대신 레티클을 사용하여 웨이퍼를 직접 노출시켰습니다.레티클이 최종 이미지보다 훨씬 큰 스케일이었기 때문에 이전에는 마스크 자체의 해상도로 제한되었기 때문에 해상도를 향상시킬 수 있었다.전체 웨이퍼를 패턴화하기 위해 마스크를 웨이퍼 전면을 가로질러 반복적으로 이동하거나 "스텝"합니다.이를 위해서는 스테핑 메커니즘이 매우 정확해야 하며 정확한 정렬이 요구됩니다.정렬 프로세스는 일반적으로 자동화되므로 수동 작업이 필요하지 않습니다.각 노출은 얼라이너에서 전체 마스크만큼 시간이 걸리기 때문에 스테퍼는 얼라이너보다 사용 속도가 느리기 때문에 더 높은 분해능이 필요하지 않은 역할에는 계속 사용됩니다.

스테퍼는 얼라이너보다 해상도를 몇 배 높였으며, 1미크론 미만의 기능을 사용할 수 있는 최초의 시스템이었다.그러나 Moore의 법칙의 끊임없는 추진으로 인해 업계는 투영 시스템에서 가능한 최대 배율도 기능 크기를 계속 축소하기에 충분하지 않은 상황까지 내몰렸습니다.이는 1990년에 스텝 앤 스캔 시스템을 한 번에 마스크의 일부만 촬영하는 스캐너와 결합하는 스텝 앤 스캔 시스템의 도입으로 이어졌다.이렇게 하면 마스크의 작은 부분에 훨씬 더 초점을 맞출 수 있지만, IC 생산 프로세스도 훨씬 느려집니다.2008년 현재 스텝 앤 스캔 시스템은 하이엔드 반도체 디바이스 제조에 가장 널리 사용되는 시스템입니다.

주요 횡단구성요소

일반적인 스테퍼에는 웨이퍼 로더, 웨이퍼 스테이지, 웨이퍼 얼라인먼트 시스템, 레티클 로더, 레티클 스테이지, 레티클 얼라인먼트 시스템, 리덕션 렌즈 및 조명 시스템이 있습니다.웨이퍼에 인쇄된 각 층의 프로세스 프로그램은 프로그램 명령을 실행할 때 프로세스 프로그램을 기억하고 읽어내고 스테퍼의 각종 서브어셈블리와 통신하는 컴퓨터를 중심으로 한 제어시스템에 의해 실행된다.Stepper의 구성 요소는 정확한 온도로 유지되는 밀폐된 챔버에 포함되어 있어 온도 변화로 인한 웨이퍼의 팽창 또는 수축으로 인한 인쇄 패턴의 왜곡을 방지합니다.챔버에는 에어컨, 전원 공급 장치, 다양한 전기 구성 요소용 제어 기판 등 프로세스를 지원하는 다른 시스템도 포함되어 있습니다.

기본 조작

실리콘 웨이퍼는 포토 레지스트(photo-regist)로 코팅되어 다수의 웨이퍼를 수용하는 카세트 또는 "보트"에 저장됩니다.그런 다음 웨이퍼 로더라고 불리는 스테퍼의 일부에 배치되며, 일반적으로 스테퍼의 전면 하단에 위치합니다.

웨이퍼 로더의 로봇이 카세트에서 웨이퍼 중 하나를 들어 웨이퍼 스테이지에 로드하여 웨이퍼가 정렬된 곳에 로드하여 나중에 발생할 또 다른 미세 정렬 프로세스를 가능하게 합니다.

각 칩의 회로 패턴은 투명 석영 플레이트인 레티클에 크롬으로 식각된 패턴에 포함되어 있습니다.스테퍼에 사용되는 일반적인 레티클은 6인치 정사각형이며 사용 가능한 면적은 104mm x 132mm입니다.

프로세스의 1단계에 적합한 다양한 레티클이 레티클 로더의 랙에 들어 있습니다.이 랙은 보통 스테퍼의 윗면에 있습니다.웨이퍼가 노출되기 전에 로봇이 레티클 스테이지에 레티클을 로드합니다. 레티클 스테이지에서도 매우 정밀하게 정렬됩니다.동일한 레티클을 사용하여 여러 웨이퍼를 노출할 수 있으므로 일련의 웨이퍼가 노출되기 전에 한 번 로드되고 주기적으로 재조정됩니다.

웨이퍼와 레티클이 제자리에 배치되고 정렬되면 웜 나사 또는 리니어 모터에 의해 X 및 Y 방향(앞에서 뒤, 왼쪽에서 오른쪽으로)으로 매우 정밀하게 이동하는 웨이퍼 스테이지가 웨이퍼를 운반하여 노출되는 여러 패턴 중 첫 번째 패턴(또는 "샷")이 렌즈 바로 아래에 위치하도록 합니다.

웨이퍼가 웨이퍼 스테이지에 배치된 후 정렬되기는 하지만, 이 정렬만으로는 웨이퍼에 인쇄될 회로 층이 이미 있는 이전 층과 정확하게 겹쳐지는 것을 보장할 수 없습니다.따라서 각 샷은 각 최종 IC 칩의 패턴에 위치한 특수 정렬 마크를 사용하여 정렬됩니다.이 미세 정렬이 완료되면, 샷은 레티클을 통과하여 환원 렌즈를 통과하여 웨이퍼 표면에 노출됩니다.프로세스 프로그램 또는 "레시피"는 노출의 길이, 사용된 레티클 및 노출에 영향을 미치는 기타 요소를 결정합니다.

각 샷은 웨이퍼 위에 그리드 패턴으로 위치하며, 렌즈 아래에서 웨이퍼가 앞뒤로 움직이면서 차례로 노출됩니다.웨이퍼의 모든 샷이 노출되면 웨이퍼 로더 로봇에 의해 웨이퍼가 언로드되고 다른 웨이퍼가 스테이지에 배치됩니다.노출된 웨이퍼는 결국 현상액으로 이동되며, 그 표면의 포토 레지스트는 레티클을 통과하는 빛에 노출되었는지 여부에 따라 포토 레지스트의 영역을 씻어내는 화학 물질에 노출됩니다.현상된 표면은 다른 포토 리소그래피 과정을 거친다.

조명과 해상도 향상 과제

웨이퍼 표면에 점점 더 미세한 라인을 생성하는 능력에 대한 가장 큰 제한은 노출 시스템에 사용되는 빛의 파장이었습니다.필요한 라인이 점점 좁아짐에 따라 파장이 짧은 빛을 내는 광원이 스테퍼와 스캐너에서 사용되게 되었다.기존의 광기반의 리소그래피 대신에 나노임프린트 [1]리소그래피가 있습니다.

스테퍼와 같은 노광 시스템이 좁은 선을 해결하는 능력은 조명에 사용되는 빛의 파장, 점점 더 넓은 각도에서 오는 빛을 포착하는 렌즈(또는 실제로 회절 순서)의 능력, 그리고 프로세스 자체의 다양한 개선에 의해 제한됩니다.이는 다음 방정식으로 표현됩니다.

D는 임계치수, 즉 분해 가능한 최소선, k 은 프로세스 관련 요인을 나타내는 계수,(\는 빛의 파장, 는 수치 개구부이다.조명 시스템에서 빛의 파장을 감소시키면 스테퍼의 분해능이 높아집니다.

20년 전 수은 스펙트럼의 자외선 "g라인"(436nm)을 사용하여 수은 램프를 조명원으로 사용한 스테퍼에서 750nm 범위의 라인을 만들었습니다.몇 년 후 수은 램프의 "i-line"(365nm)을 사용하는 시스템이 도입되어 350nm의 낮은 라인을 만들었습니다.원하는 선폭이 가까워지고 최종적으로 선폭을 생성하는 데 사용되는 빛의 파장보다 좁아짐에 따라 이를 가능하게 하는 다양한 해상도 향상 기법, 예를 들어 위상 시프트 레티클 및 분해능을 최대화하기 위해 노광의 각도를 조작하는 다양한 기술이 개발되었습니다.렌즈의 조정기.

분해능을 가능하게 하는 축외 조명.

그러나 결국 원하는 선폭은 수은 램프를 사용한 것보다 좁아졌고, 2000년대 중반 무렵 반도체 산업은 248 nm의 빛을 내는 크립톤-불화물(KrF) 엑시머 레이저를 사용한 스테퍼로 옮겨갔다.이러한 시스템은 현재 110 nm 범위의 라인을 생성하는 데 사용되고 있습니다.파장 193 nm의 빛을 내는 Argon-Fluoride(ArF) 엑시머 레이저를 사용하여 생산 가능한 스테퍼에 의해 32 nm까지의 라인이 해결되고 있습니다.157 nm의 빛을 내는 플루오르화물(F2) 레이저를 사용할 수 있지만, 저전력 및 스테퍼에 사용되는 포토 레지스트 및 기타 재료를 빠르게 분해하기 때문에 실용적이지 않습니다.

패턴에 따라 최적의 조도가 달라집니다.주어진 패턴에 대한 최적의 조명은 패턴에 따라 달라집니다.임의의 2D 패턴의 경우 k > 0{{ 스타일 0.이면 기존 조명으로 충분하지만 1 <{ 스타일 < 0.의 조도가 패턴별로 제한됩니다.

이러한 레이저보다 파장이 좁은 실용적인 광원을 이용할 수 없기 때문에 제조업체는 프로세스 1을 줄여 해상도를 향상시키려 하고 있습니다.이는 조명 시스템과 레티클을 통과할 때 빛을 조작하는 기법뿐만 아니라 노출 전후의 웨이퍼 처리 기법도 개선함으로써 이루어집니다.제조사들 또한 수치 조리개를 증가시키는 수단으로 그 어느 때보다 크고 비싼 렌즈를 도입했다.그러나 이러한 기법은 실제 한계에 가까워지고 있으며 45nm 범위의 선폭은 기존 설계로 달성할 수 있는 최선의 수준에 근접한 것으로 보입니다.

동공의 위치가 제한되었습니다.해상도 한계에 가까워짐에 따라 특정 패턴에 대한 특정 조명 각도에 대응하는 동공의 특정 위치는 다른 패턴에 대해서는 금지된다.예를 들어, 대각 피치와 수평 피치는 서로 배타적입니다.

궁극적으로 가시광선보다 훨씬 짧은 파장을 가진 전자 빔, X선 또는 유사한 전자기 에너지원과 같은 다른 조명원을 사용해야 합니다.그러나, 전혀 새로운 타입의 조명 기술을 채용하는 데 드는 막대한 비용과 어려움을 가능한 한 늦추기 위해, 제조사들은, 이전에는 현미경에 사용되었던, 빛이 공기 대신에 물을 통과하도록 함으로써 렌즈의 개구수를 늘리는 기술로 눈을 돌렸다.몰입 리소그래피라고 불리는 이 방법은 현재 실용 생산 기술의 최첨단이다.수치 개구부는 렌즈에 들어갈 수 있는 빛의 최대 각도와 빛이 통과하는 매체의 굴절률의 함수이기 때문이다.물을 매개체로 사용하면 193nm에서 1.44의 굴절률을 보이는 반면 공기는 1.0003의 굴절률을 보이기 때문에 개구수가 크게 증가한다.이 기술을 사용하는 현재 생산 기계는 32nm [2]범위의 라인을 해결할 수 있으며, 최종적으로 30nm의 라인을 달성할 수 있습니다.

스캐너

최신 스캐너는 노출 중에 레티클 스테이지와 웨이퍼 스테이지가 서로 반대 방향으로 이동함으로써 각 샷(노출 필드)에서 노출되는 영역의 길이를 늘리는 스테퍼입니다.전체 필드를 한 번에 노출하는 대신 노출 영역만큼 넓지만 길이의 극히 일부(예: 35x25mm 필드의 경우 9x25mm 슬릿)만 노출됩니다.노출 슬릿의 영상이 노출 영역에 걸쳐 스캔됩니다.

스캐너가 웨이퍼의 단면을 노출하는 방법을 보여주는 애니메이션

이 기술에는 몇 가지 이점이 있습니다.이 필드는 레티클에서 웨이퍼까지의 크기를 작게 하여 노출할 수 있습니다(스캐너에서 4배 감소, 스테퍼에서 5배 감소 등). 반면 일반 스테퍼에서 노출할 수 있는 필드 크기보다 훨씬 큰 필드 크기를 허용합니다.또, 투사 슬릿의 화상이 통과하는 영역에서는 투사 렌즈의 광학 특성을 최적화할 수 있지만, 웨이퍼상의 노광 영역에 영향을 주지 않기 때문에, 이 영역외에서는 광학 수차를 무시할 수 있다.

스캔에 성공하려면 노출 중에 이동하는 레티클과 웨이퍼 단계 간에 매우 정밀한 동기화가 필요합니다.이를 실현하기 위해서는 많은 기술적 과제가 발생합니다.

「 」를 참조해 주세요.

스테퍼 제조사:

레퍼런스

  1. ^ "Nanoimprint Lithography". Canon Global.
  2. ^ "New Product: Carl Zeiss SMTs 'PROVE' handles mask pattern alignment and registration at 32nm node - Fabtech - The online information source for semiconductor professionals".