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助力高級光刻技術:存儲和運輸EUV掩模面臨的挑戰


作者:Entegris    時間:2019/7/3 21:14:31  來源:   

引言

隨著半導體行業持續突破設計尺寸不斷縮小的極限,極紫外 (EUV) 光刻技術的運用逐漸擴展到大規模生產環境中。對于 7 納米及更小的高級節點,EUV 光刻技術是一種能夠簡化圖案形成工藝的支持技術。要在如此精細的尺寸下進行可靠制模,超凈的掩模必不可少。

與所有掩模一樣,用于 EUV 光刻的掩模依靠掩模光罩盒實現安全存儲,以及保護它們免受光刻圖案形成、檢測、清潔和修復的影響。防護光罩盒必須能夠使用多年,而且不會造成有害的污染或物理損壞。

專為 193 納米沉浸式光刻而設計的光罩盒無法為 EUV 掩模提供足夠的保護。EUV 光刻的獨特要求對光罩盒提出了額外的限制條件和要求,使得 EUV 掩模光罩盒成為一種具有多個關鍵元件且高度專業化的設備。

本文介紹了為 EUV 光刻設計光罩盒所面臨的內在挑戰, 并提出了解決方案以便讓更多晶圓廠能夠在其工廠中采用先進的光刻節點。

 

保護EUV掩模

光刻圖案越精細,發生掩模污染的風險就越高。潛在污染源包括外來顆粒和化學殘留物。掩模涂層比較脆弱,容易損壞。接觸掩模的任何物體都可能造成損壞,無論是意料之中的制程部件(例如,晶圓廠里的機械臂),還是意外污染物(例如,人的毛發)。

沉浸式光刻采用薄膜作為“防塵罩”,以保護掩模在圖案曝光期間免受顆粒污染。薄膜需要是光學透明的,從 EUV 光刻角度來說,這意味著它們必須對波長約 13.5 納米的EUV 光譜中的光透明。現有的大多數薄膜材料都會吸收EUV 光,但半導體行業已開始采用EUV 專用薄膜

(見圖 1)。

在薄膜成為 EUV 光刻技術的使用標準之前,EUV 光罩盒需要保護沒有添加薄膜的掩模。用于 EUV 光刻的 NXE 機臺需要采用雙光罩盒配置,包括處于真空條件下的金屬內光罩盒以及與周圍環境接觸的外光罩盒。內光罩盒只有在處于機臺設備內部時才會打開。

 

雙光罩盒配置是 EUV 光刻的標準慣例,而且這種光罩盒可以在市場上買到。雖然它們很容易買到,但不能因此就將它們視為商品。EUV 光罩盒設計(見圖 2)會不斷改進,以滿足性能和光刻產率的要求。

盡管雙光罩盒配置可以提供保護,但發生污染的可能性依然很大。因此,開發 EUV 光罩盒時必須考慮如何降低污染風險。尤其是對于沒有添加薄膜的掩模,內光罩盒起著主要保護作用,但也是潛在污染物的主要來源。

光罩盒的設計考量包括內外光罩盒的幾何結構及其制作材料。

 

材料清潔度

接觸或圍繞掩模的所有表面(包括光罩盒的表面)都必須保持超凈,避免以顆粒或通過空氣傳播的化學蒸氣的形式引入有害污染物。

聚合物放氣會產生不良化學污染物,而且它們會沉積在掩模表面。因此,應秉持著最大限度減少放氣可能性的目標來選擇光罩盒材料。內光罩盒由金屬制成,不會發生釋氣。但是,外光罩盒是采用聚合物制成的,正如非 UV 光刻中使用的單掩模光罩盒。

踐行的縮小設計準則使得無污染環境更為重要,因為即使很小的污染顆粒也很有可能導致圖案轉移錯誤和良率損失。

 

確保有效的機械保護

在晶圓廠內和工廠之間運輸過程中,例如通過空運或陸運從掩模工廠運輸到集成器件制造商 (IDM) 時,光罩盒必須妥善保護其中的掩模。不僅需要保護光罩盒中的掩模,還需要盡量減少接觸力過高所引起的機械損傷,這兩者之間存在微秒的平衡。如果阻力過小,掩模將無法承受運輸過程中出現的機械加速和振動,并將遭到損壞。

如果接觸片的阻力過大,將在掩模上造成過多的接觸痕跡。若是掩模邊緣的玻璃被刮掉,玻璃顆粒就會成為導致光刻缺陷的污染物。從顆粒產生的角度來看,接觸力越小越好。

只要光罩盒能夠將掩模牢牢固定在原位即可,接觸點越少,光罩盒引起顆粒污染的可能性就越低。接觸點的大小同樣很重要。接觸面越大,光罩盒關閉時的接觸應力就越小。

光罩盒材料的選擇對于盡可能減少接觸痕跡也至關重要。理想的光罩盒材料能夠抵抗在固定掩模以及打開和關閉光罩盒時的磨損。

 

凈化光罩盒

需要定期凈化外光罩盒以除去內部的水分,為掩膜保持干潔的環境。凈化氣體(極凈的干燥空氣 (XCDA) 或氮氣)通過進氣口進入外光罩盒即可進行凈化。

雖然凈化期間的大部分氣體交換都發生在外光罩盒中, 但在凈化或 NXE 機臺內的真空抽氣和排氣過程中,確實會有一些氣體流入和流出內光罩盒。內光罩盒中內置有過濾器,可用于進行氣體分子的交換,并最大限度減少進入內光罩盒的顆粒。處于關閉狀態時,還需對內光罩盒進行密封,從而幾乎所有氣體交換都通過過濾器完成,而不是任何密封漏洞。

在理想的設計中,過濾器傳導性(對氣體流經過濾器的能力的衡量)應顯著高于密封傳導性,從而進入內光罩盒的空氣中至少有 90% 是經由過濾器進入的。

內光罩盒中的過濾器必須有足夠的滲透性,以允許充足的氣流進入,但還要足夠穩固,以便能夠承受清潔的力度。為了實現適當的平衡,必須要謹慎選擇過濾器材料和幾何結構。

如果顆粒通過蓋板和基板之間的密封處進入掩模,則掩模和基板之間的間隙尺寸應盡可能小,以確保顆粒處于掩模外邊緣,而不是轉移到可能導致良率損失的活躍區

(見圖 3)。

 

設備兼容性

大部分光刻制程都是自動執行,處理光罩盒的機械臂需始終能與光罩盒尺寸相匹配。尺寸方面幾乎沒有調整的空間,光罩盒必須與標準機械接口兼容。光罩盒的設計使用壽命為七到十年,因此新設備需要與現有光罩盒向后兼容。

光罩盒的預期使用壽命較長,這意味著它們會在多年內經歷數千次的開/關循環。使用抗磨損材料既能最大限度地減少顆粒污染,又能延長光罩盒的使用壽命。

掩模光罩盒的光學窗口必須與自動化設備兼容。光刻機中的攝像頭需要能夠觀察光罩盒內部以便正確檢測掩模情況,這對光罩盒中窗口的反射性和平整度提出了嚴格的要求。

 

安置薄膜

掩模光罩盒需要能夠使用多年,因而它們必須滿足當前和未來 EUV 光刻的要求。因此,現今的光罩盒設計人員應該考慮設計兩款光罩盒,一款具有可容納薄膜的空  間,另一款可在不添加薄膜的情況下使用。可通過添加薄膜袋來修改內光罩盒,但仍要滿足光罩盒的整體尺寸和重量要求。

要設計與薄膜兼容的光罩盒,光罩盒制造商、薄膜供應商和光刻機制造商需要密切協作。自動化設備假定內光罩盒的重量變化范圍很小,這意味著在為了制作薄膜袋而去除一部分材料后,必須在光罩盒的其他地方添加相近的重量。確定內光罩盒中接觸點和窗口的位置時,必須考慮薄膜的幾何結構。

薄膜極其易碎。在進行光刻操作期間,真空凈化和通風會導致內光罩盒中發生壓力變化。必須將此壓差控制在特定閾值以下,從而過度偏轉也不會損壞薄膜。在與薄膜兼容的內光罩盒中正確放置窗口可以提供可見性,這樣光刻機就能夠檢測薄膜損壞情況。

EUV 設備必須能夠處理帶有或不帶薄膜的掩模,并能夠區分這兩種掩模之間的區別。如果不小心將帶有薄膜的掩模放入沒有薄膜袋的光罩盒,將會對薄膜造成不可挽回的損傷。內光罩盒應包含相應設計功能,確保 EUV 設備中的攝像頭能掃描并光學檢測出光罩盒類型,從而降低錯誤識別光罩盒的風險。

 

總結

EUV 掩模光罩盒是一種高度專業化的設備,在 EUV 光刻中起著至關重要的作用。在使用、存儲和運輸過程中,它們必須保護掩模,同時確保不引入其他污染物或導致損壞。光罩盒必須與光刻設備兼容,還要能夠保持為掩模提供干潔的環境。對于帶有和不帶薄膜的掩模,精確設計的雙光罩盒配置可以實現這些目標,從而確保 EUV 光刻技術滿足未來發展需求。

 

參考文獻

1 Zoldesi, C.,2014 SPIE Advanced Lithography, San Jose CA, 9048-54,幻燈片 21 https://staticwww.asml.com/doclib/misc/

asml_20140306_EUV_lithography_-_NXE_platform_performance_ overview.pdf

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