リソグラフィープロセスと装置の原理

リソグラフィーPプロセスとE装備P原則

I. リソグラフィープロセスの紹介

リソグラフィプロセスは半導体製造プロセスにおいて重要な位置を占めており、リソグラフィの品質はデバイスの性能に直接影響します。

次の図は、ASML リソグラフィー マシンの主な構造と配置を示しています。主に、光源、照明システム、マスク テーブル、マスク転送システム、投影リソグラフィー対物レンズ、ワークピース テーブル、シリコン ウェーハ転送システム、アライメント システム、レベリングおよびフォーカス システム、環境制御システム、マシン フレームおよび振動低減システム、マシン制御システム、マシン ソフトウェアなどが含まれます。

下の図に示すように、リソグラフィープロセスの主な手順は、エピタキシャルウェーハの洗浄、均質化、プリベーク、フォトリソグラフィー、ポストベーク、現像、およびフィルムの硬化です。

エピタキシャル ウェーハは輸送中に環境によって汚染され、エピタキシャル ウェーハの表面に汚染物質が付着することがあります。そのため、均質化の前にエピタキシャル ウェーハを洗浄して、エピタキシャル ウェーハの表面の汚染物質を除去し、製造プロセスで不純物が混入してデバイスの性能に影響しないようにする必要があります。洗浄後、エピタキシャル ウェーハを窒素ガス ガンで吹き飛ばすか、ホット プレートに置いて乾燥させ、その後、エピタキシャル ウェーハを均質化のためにホモジナイザーに入れます。

フォトレジストとエピタキシャル ウェーハの接着力を高め、フォトレジストをエピタキシャル ウェーハにしっかりと密着させるために、フォトレジストを均一に塗布する前に、エピタキシャル ウェーハに粘着剤の層を塗布するのが一般的です。ホモジナイザーは、真空中でエピタキシャル ウェーハを吸着し、高速で回転させてフォトレジストをエピタキシャル ウェーハに均一に密着させます。回転速度と均質化時間を調整することで、フォトレジストの厚さを変えることができます。

プリベークとは、エピタキシャル ウェーハをホットプレート上に置き、ベークしてフォトレジスト内の余分な溶剤を揮発させて固め、フォトレジストがエピタキシャル ウェーハにしっかりと付着できるようにすることです。

リソグラフィーは、プリベーク後のエピタキシャルウェーハをリソグラフィー装置に入れ、露光法を用いてマスクプレート上のパターンをエピタキシャルウェーハ表面のフォトレジストに転写し、パターンの転写を実現する。

良好なリソグラフィー効果を得るためには、さまざまなグラフィックに対応する露光量（露光時間）と露光焦点（フォーカス）を検討する必要があります。

一般的に、フォトリソグラフィー後、実験条件に応じて露出したエピタキシャル ウェーハをポストベークするかどうかを決定する必要があります。フォトレジストが厚い場合、ポストベークによりフォトレジスト上に気泡が発生し、最終的にリソグラフィーの失敗につながります。

ポストベークはフォトレジスト中の活性物質を拡散させ、リソグラフィープロセス中に干渉によって導入された定在波効果を排除し、リソグラフィー効果を向上させる。現像は、現像液とフォトレジストの化学反応によって露光部分を溶解することです。一般に、露光部分と非露光部分の両方が現像液と反応するため、現像時間を検討する必要があります。現像が完了したらすぐに、エピタキシャルウェーハをシンクに置き、流しの脱イオン水で洗い流して、フォトレジストに残っている現像液を除去する必要があります。

固まった膜はベーキングと現像後のエピタキシャルウェーハであり、フォトレジスト内の溶剤が揮発し、フォトレジストとエピタキシャルウェーハの接着力を高めます。膜が固まった後、顕微鏡を使用してフォトリソグラフィパターンを視覚的に検査し、リソグラフィ効果を判断し、脱ガム後にエッチングするか再リソグラフィするかを決定します。

II.リソグラフィー機の仕組み

リソグラフィー機の露光方法の違いにより、リソグラフィー機は接触リソグラフィー機、近接リソグラフィー機、投影リソグラフィー機、ステップリソグラフィー機に分けられ、以下では各リソグラフィー機の原理を紹介します。

上図（a）に示すように、コンタクトリソグラフィー機はマスクとフォトレジストの直接接触によって露光され、構造は比較的単純で、光源はレンズの焦点に位置し、放射された光はレンズを通過した後平行光になり、マスク全体のグラフィックがすべてフォトレジストに転写されます。このリソグラフィー機はミクロンレベルの解像度を備えていますが、マスクとフォトレジストが直接接触するため、マスクの寿命が大幅に短くなります。

プロキシミティリソグラフィー機とコンタクトリソグラフィー機の違いは、マスクとフォトレジストが直接接触していないことです。マスクはフォトレジストから10μmの距離に配置されますが、フォトレジストによって揮発した溶剤がマスクに付着し、マスクの耐用年数に影響を与えます。また、プロキシミティリソグラフィーの解像度はコンタクトリソグラフィーよりも低く、露光解像度は一般に3μmを超えます。

露光機テーブルの移動モードに応じて、投影露光機はステップ投影型とステップスキャン型の2つのタイプに分けられます。

図(c)に示すように、投影露光装置のマスクと露光するエピタキシャルウェーハの間にレンズが追加されているため、マスクがフォトレジストによって汚染されず、露光の再現性が向上します。

段階投影露光装置で露光されるパターンのサイズはマスク上のパターンと同じで、その比率は1:1であり、露光の解像度は約1μmです。

ステップバイステップ投影リソグラフィーマシンの動作原理を下図に示します。

ステッパー投影リソグラフィー装置の動作方法を次の図に示します。

ステップバイステップスキャン投影リソグラフィー機とステップバイステップ投影リソグラフィー機の違いは、マスク上のパターンとエピタキシャルウェーハ上に露光されるパターンのサイズの比率が5：1または1：1であることです。つまり、パターンの長さと幅は5：1または10：1の比率に応じて縮小されます。露光に使用される10：1の比率はより高い解像度を持ちますが、露光時間は5：1の比率の4倍であるため、ほとんどは妥協した5：1の比率で露光されます。この方式のリソグラフィー機は高解像度という利点があり、通常0.25μm未満であり、現在最も広く使用されているリソグラフィー機です。

スキャンリソグラフィーマシンの動作手順は次のとおりです。

ステッパー投影リソグラフィーと比較すると、スキャンリソグラフィーマシンはより複雑な方法で動き、テーブルが移動する間、リソグラフィープレートは反対方向に移動します。

このタイプの動きにより、リソグラフィ領域が増加します。

ステップ投影とステップスキャン動作の違いについて詳しく知るにはどうすればよいでしょうか? 下の図は、2 つの動作方法とスキャン領域の違いを示しています。ステップスキャン動作モードの方が動作領域が広く、局所性もより正確です。

2つの作業方法を例にとると、ステップ投影は長方形の漏斗に似ており、リソグラフィーでは長方形の漏斗内の光が同時に放出され、リソグラフィー作業が一回で完了します。ステップバイステップスキャンリソグラフィーマシンは円錐形の漏斗のようなもので、リソグラフィーが機能している間、光が下に満たされ、テーブルが移動します。作業台上の光はより均一で繊細です。

III.フォトレジスト用ポジ型およびネガ型接着剤

リソグラフィー技術は、主にリソグラフィー機の露光と露光されたエピタキシャルウェーハの現像を通じて、マスク上のパターンをフォトレジストに転写する。フォトレジストの主成分は、樹脂、光開始剤、溶剤である。露光後、フォトレジスト組成物中の光開始剤の化学的性質が変化し、現像後にパターン転写が完成する。フォトレジストは、露光現像後の特性により、ポジ型フォトレジストとネガ型フォトレジストに分けられる。下図（a）に示すように、ポジ型フォトレジストは現像後に露光部から除去され、一般的に使用されるポジ型フォトレジストはデュポン社製のSPR200である。ポジ型フォトレジストとは対照的に、図（b）に示すように、ネガ型フォトレジストは現像後に露光部のフォトレジストが保持され、一般的に使用されるネガ型フォトレジストはN244などである。

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