hệ thống 193i vẫn được coi là con ngựa chiến và vẫn là trung tâm của nhiều bước xử lý tiên tiến
Quang khắc nhúng hoạt động ra sao
kỹ thuật quang khắc trước đây có một khoảng không khí giữa tấm wafer và cỗ máy
quang khắc nhúng là thay thế khoảng không ấy bằng nước để chiếu tia cực tím qua nước vào tấm wafer
thực tiễn là nhúng thấu kính xuống nước, theo đúng nghĩa đen
Cơ sở vật lý
kích cỡ cấu trúc đạt được của quang khắc sẽ phụ thuộc vào độ phân giải của linh kiện quang học của công cụ máy
độ phân giải, còn được gọi là chiều không gian thiết yếu, được tính bằng công thức Rayleigh
Lịch sử
quang khắc nhúng là chuyển thể từ hiển vi nhúng, một kỹ thuật đã có từ thập niên 1840 khi chuyên gia kính hiển vi Giovanni Battista Amici bắt đầu sử dụng dầu và sau đó là nước để cải thiện chât lượng hình ảnh hiển vi
đề xuất đầu tiên được áp dụng nguyên tắc nhúng vào quang khắc thì thập niên 1980 mới xuất hiện
một đăng ký bản quyền sáng chế năm 1984 bởi nhiều nhân viên Hitachi đã nhắc đến việc chen chất lỏng vào giữa thấu kính và chất cản quang - phần chứa thiết kế mạch tích hợp
năm 1985 Werner Tabarelli và Ernst Lobach làm cho công ty PerkinElmer đăng ký bằng sáng chế để đặt thấu kính trực tiếp trong nước
năm 1987 Burn Lin làm cho IBM đề xuất dùng cách này đề tăng độ sâu trường ảnh của quang khắc 249 nanomet
năm 1989 Hiroaki Kawata và đội trường đại học Osaka đã thí nghiệm kỹ thuật này lần đầu tiên cho bước sóng 453 nanomet
nhưng sau đó ý tưởng dừng lại ở học thuật vì ngành quang khắc tiếp tục lộ trình phát triển
Kế tiếp
thập kỷ sau đó, ngành bán dẫn tập trung vào phát triển quang khắc 193 nanomet
khó khăn ví dụ như hầu hết vật liệu đều hấp thụ bước sóng ánh sáng quá ngắn này, cần linh kiện mới phải tái thiết kế lại gần hết
sau 193 nanomet, ngành nghĩ đến siêu cực tím 13.5 nanomet nhưng kỹ thuật bị trì hoãn không kịp cho bước xử lý kế tiếp
cho nên ngành hướng đến quang khắc 157 nanomet là kỹ thuật khả thi cuối cùng
Chuyển sang nhúng
mùa hè năm 2002 SEMATECH tài trợ một xưởng quang khắc 157 nanomet cho ngành
tiến sĩ Burn Lin lúc này đã là giám đốc nghiên cứu phát triển của TSMC được sắp xếp bài phát biểu tại xưởng
ban đầu, bài phát biểu định nói về kỹ thuật quang khắc nhúng và chất lỏng để mở rộng vòng đời của quang khắc 157 nanomet
nhiều nghiên cứu đã thử kỹ thuật nhúng để kéo dài 157nm thên vài năm
tiến sĩ Lin đã làm thí nghiệm nhúng ở IBM một thập kỷ trước nên đủ uy tín để nói
bài phát biểu của Lin đã có bước ngoặt, khi ông nói lên suy nghĩ mà có lẽ mọi người đều lo ngại: ấy là bước tiến trình 157 nanomet là cú flop và trở ngại kỹ thuật là không thể khắc phục
Lin đề xuất áp dụng kỹ thuật nhúng vào bước 193 nanomet sẵn có - sẽ là lần đầu tiên cùng một bước tiến trình được dùng cho thế hệ kế tiếp
bài phát biểu của Lin là thảm hoạ cho ngành quang khắc bán dẫn vì 2 tỷ đôla trên toàn bộ chuỗi cung đã được đầu tư vào 157 nanomet
nhưng Lin đúng và SEMATECH sớm mở một hội thảo nữa vào tháng 12 để mọi người được phổ biến 10 trở ngại căn bản để chuyển sang kỹ thuật 193i
kiểm tra và thử nghiệm sau đó cho thấy những trở ngại ấy có thể khắc phục
ngành cũng mất một thời gian giằng co giữa 157 nanomet và nhúng, đến tháng 5 năm 2003 Intel bỏ 157 nanomet và ngành sớm theo chân
Những tình tiết quang khắc
những kỹ thuật quang khắc mới cạnh tranh được nhờ 3 tiêu chuẩn thị trường: độ phân giải, độ chính xác và năng suất
trực giác mách bảo rằng máy có độ phần giải cao sẽ khắc được những nét nhỏ hơn và độ chính xác cao sẽ giảm tỷ lệ lỗi
năng suất còn được gọi là thông lượng, cũng quan trọng không kém
thường đo lượng theo số wafer được xử lý mỗi giờ, thông lượng vượt trội là một trong những lý do tại sao máy quét nước đôi của ASML bán chạy hơn đối thủ Nikon và Canon
một máy quang khắc nếu thiếu đi 1 trong 3 tiêu chuẩn trên thì sẽ chỉ nằm lại trong phòng thí nghiệm, không được đưa ra bán thực tế
Lựa chọn wafer
cả 3 nhà chế tạo thiết bị quang khắc đều lựa chọn nước siêu tinh khiết làm dung dịch nhúng đầu tiên
dung dịch nhúng đúng sẽ không gây tổn thương vật lý lên đĩa wafer, thấu kính hay lớp phủ lên
dung dịch cần trôi chảy thoải mái, không thể hấp thụ quá nhiều ánh sáng cực tím và không thể quá nhạy cảm dễ hình thành bong bóng
nước siêu tinh khiết đạt những yêu cầu ấy
chỉ một dung dịch khác là dầu mỡ bôi trơn gốc PFPE [perfluoropolyether] - một dầu nhờn dùng cho máy bay - có thể cân nhắc, nhưng nước vẫn hợp lý hơn vì đã sẵn dùng cho gia công fab wafer
sau này, các xưởng đã dùng những dung dịch khác cho thế hệ quang khắc nhúng mới hơn
Sắp đặt nước
các nhà chế tạo quang khắc đã thử nghiệm nhiều cách để sắp đặt nước vào giữa thấu kính và đĩa wafer
để nước được sạch và ngăn nhiễm bẩn lên bề mặt wafer thì nước phải liên tục chảy
đầu tiên, người ta tính đến một bồn tắm lưu thông đơn giản, kỹ thuật gọi là kết cấu dựa vào wafer
đĩa wafer được nhúng trong một bể lưu thông liên tục mang nước qua và bên dưới đĩa wafer
nước bẩn liên tục được bơm ra và nước siêu tinh khiết mới được đổ vào
giống bồn sục
trở ngại lớn nhất của cách sắp đặt này là ta phải đổ đầy và làm rỗng cả bồn sục, tức là cái bồn tắm, khỏi nước mỗi lần trước khi đặt vào và lấy đĩa wafer ra
sẽ tốn thời gian vào công đoạn xử lý và làm chậm thông lượng
cũng sẽ phải tái thiết kế đáng kể toàn bộ nối dây và sắp đặt của máy quang khắc hiện hữu, mà có vẻ không cần thiết
nên người ta đã chọn cách sắp đặt khác, gọi là kết cấu buồng tắm vòi hoa sen
ta bơm nước để chỉ chảy lên phần đĩa wafer bị phơi ra bởi thấu kính
sau khi thấu kính được truyền qua, một lực hút sẽ hút nước lên
cách này cũng tiết kiệm nước hơn và có thể tích hợp vào những máy 193 nanomet hiện hữu
kỹ thuật viên cũng không cần đợi cho bồn tắm lấp đầy và rút cạn trước
trở ngại làm thế nào để giữ cho nước chảy liên tục, làm thế nào hút hết nước và ngăn những vệt nước, đặc biệt trên những khu vực xung quanh thấu kính
các cạnh của đĩa wafer đặc biệt khó
tỷ lệ đạt ở cạnh đã chỉ bằng một nửa chỗ khác trên đĩa wafer
khi nước bơm đến cạnh đĩa wafer, nước có thể rò rỉ qua các kẽ hở và mắc kẹt bên dưới đĩa wafer tạo thành một khoảng chân không
nếu các công cụ bảo vệ và thẩm nghiệm cạnh không được phát triển để ngăn nước khỏi lọt xuống bên dưới đĩa wafer thì nước có thể hút chặt đĩa wafer vào khay và hút những hạt nhiễm bẩn - rủi ro cọ xát dẫn đến tổn thương
Bong bóng
một vấn đề lớn nữa liên quan đến cắt giảm số bong bóng, vệt nhơ và hạt dị vật
trong công đoạn quang khắc, có rất nhiều chuyển động
máy di chuyển đĩa wafer loanh quanh khi máy làm phơi sáng - tốc độ 500 milimet mỗi giây
nước được bơm rất nhanh qua hệ thống, lên và sau đó rút khỏi đĩa wafer
khi nước bị rung lắc qua lại như thế, bong bóng thường xuất hiện
những thử nghiệm ban đầu của ASML đã phát hiện vấn đề này, tìm thấy bong bóng kích cỡ 1 đến 150 micromet - chỉ to gấp đôi tóc người
bong bóng trong nước làm phân tán hạt photon ánh sáng, gây 2 hậu quả
một, nếu bong bóng đủ lớn - thường lớn hơn bước sóng ánh sáng, bong bóng tạo ra những tạo tác hình ảnh lộ liễu ngay trên con chip
hai, bong bóng làm yếu sức mạnh của tia DUV vì các photon bị cuốn đi
tia bị yếu đi nên hình ảnh thiết kế chip không được khắc sâu lên đĩa wafer
sau rốt, các xưởng tìm ra được cách là phải khử khí nước trước khi cho vào khoảng nhúng
ngày nay, khử khí là một công đoạn thường xuyên của vòng đời nước siêu tinh khiết
Lớp phủ trên cùng [topcoat]
đặt nước trực tiếp lên đĩa wafer gây ra những vấn đề nhiễm bẩn mới
SEMATECH đã cụ thể tập trung vào những vấn đề nhiễm bẩn và xói mòn liên quan đến chất cản quang
xử lý quang khắc có công đoạn phủ lên một chất cản quang sẽ phản ứng với phơi sáng DUV
nước có thể mang chất nhiễm bẩn từ đĩa wafer lên thấu kính quang học, hoặc ngược lại
và nếu nước, bằng cách này ấy, xói mòn đủ những cấu kiện chất cản quang, lớp cản quang có thể mất khả năng hấp thụ ánh sáng DUV
để ngăn lớp cản quang khỏi bị rửa trôi và nhiễm bẩn thấu kính, các xưởng đã phát triển và phủ lên một lớp bảo vệ gọi là "lớp phủ trên cùng" cho đĩa wafer
nhìn chung, ngành yêu cầu tránh phải làm topcoat
cách khác là thay đổi chính chất cản quang để kị nước hoặc chống thấm
nhưng hiển nhiên là chỉ cần cụ thể cho công đoạn nhúng nước - nên kỹ sư đang tìm cách khiến cho chức năng chống thấm của chất cản quang được xuất hiện chỉ sau bước xoay hoặc nung
khó vì những chất hoá học liên quan đến những chất cản quang "tự phân tách" [self-segregating]
Quang học
Zeiss đã phải thiết kế một hệ thống quang học mới tinh cho máy nhúng
máy DUV cũ sử dụng một hệ thống quang học chỉ bao gồm các thấu kính khúc xạ hoặc công suất quang [dioptric]
khẩu độ dài hơn nghĩa là thêm độ phức tạp cho hệ thống quang học
khẩu độ 1.2 sẽ tăng kích thước của hệ thống lên gấp 6 lần
nên Zeiss đổi từ hệ thống khúc xạ sang hệ kính tổ hợp - có cả thấu kính và gương - để giảm kích cỡ của hệ thống
vấn đề phát sinh là gương tách chùm tia ra 2 - chùm tia ban đầu và người em song sinh phản xạ - ta phải đảm bảo cho 2 chùm không giao thoa
nhiều đề xuất đưa ra nhưng không đạt vì vấn đề dao động, phân cực và không đạt con số khẩu độ yêu cầu
sau rốt, thiết kế được chốt là một hệ thống kính tổ hợp nội tuyến
ánh sáng nảy qua lại giữa nhiều gương, sắp xếp chuẩn xác để cho đường đi ánh sáng không giao thoa nhau
Siêu khẩu độ
năm 2003 ASML bàn giao mẫu đầu tiên của hệ thống quang khắc nhúng cho khách: chiếc TWINSCAN XT:1150i
ASML cũng giao hàng một phiên bản tiền sản xuất cho công cụ quang khắc argon florua khô: chiếc XT:1250i
chiếc dập bước nhúng đầu tiên được bán quy mô là XT:1700i ra mắt năm 2006
Canon và Nikon mất lâu hơn để làm nhúng, Canon không ra mắt được máy nào còn Nikon hoàn thiện mẫu thử đầu tiên tháng 10 năm 2004
ngay sau thế hệ công cụ quang khắc nhúng đầu tiên, ASML và Nikon lập tức phát triển thế hệ kế, nâng khẩu độ lên đến 1.92 cho các xưởng có thể gia công những kích thước chức năng xuống mức 40 nanomet
thế hệ mới cũng cần những dung dịch nhúng mới là hydro photphat hoặc nhôm clorua, và cả một hệ thống quang học mới tinh
những hệ thống nhúng 193 nanomet hàng đầu của ASML ngày nay đã trưởng thành là loạt XT:1900 ra mắt cách đây 1 thập kỷ
năm 2010 ASML cán mốc bán sản phẩm DUV nhúng chiếc thứ 100
Kết
trôi nổi được 2 thập kỷ, người ta dễ nghĩ rằng thiết bị quang khắc nhúng trưởng thành là đã cũ và trở thành di sản
thực tế thì không, mặc dù máy quang khắc hiện đại đã tiến đến bước N7 thì 193i cũng chỉ lạc hậu 1 thế hệ so với EUV tiên tiến
và đang có dấu hiệu cho thấy EUV có thể sẽ không bao giờ trở thành con trâu cày như 193i
ngày nay ASML và Nikon tiếp tục tinh chỉnh sản phẩm máy quang khắc nhúng, thường kỳ ra mắt thế hệ mới kèm theo những cải thiện
Không có nhận xét nào:
Đăng nhận xét