光學還活著─但是還能活多久呢?


今年的SPIE先進微影研討會中有很多研究發表顯示,許多規劃量產的45奈米製程都使用193奈米波長浸潤式微影技術,其他往前看的先進製程也達到每兩年一個世代的ITRS時程(32奈米2009年、22奈米2011年),每年都可以看到消逝的光學技術,而且大部分的注意力都會放在替代科技的名單上,已經過了好幾年了還是重複這種情景,光學技術持續做實際的工作;同時它的終結持續被預期,而較有可能的替代技術則被討論著。
IBM、TI、Intel、TSMC等還有其他公司使用193奈米波長的光線,水浸潤式和高數值孔徑的透鏡(1.30 ~1.35NA)來量產45奈米的晶片,ASML說他們已經交貨36部浸潤式系統,Nikon也運出一些設備,Canon全新的7000系統也沒有落後太多,而且45奈米浸潤式的半間距光阻影像看起來結果還不錯。(如圖一)
使用193i生產晶圓發現的缺陷,今年引起一陣關注,每家積體電路製造商和設備供應商已經非常仔細的在看這些缺陷,所有的報告都說缺陷的程度跟乾式微影相同,範圍大概是每平方公分只有幾個缺陷,從這些言論可以很清楚看出光阻的上層塗佈(TC)是添加型缺陷的來源,還有增加的製程步驟也有產生微粒的可能。
有一種新發現光阻的上層塗佈水泡缺陷也被報導出來,看起來水會滲透過上層塗佈,產生一種半球型缺陷,如此影像就會被扭曲,因此圖案線條的成形並不良好,從報導中顯示,沒有使用上層塗佈的浸潤式製程有較少的缺陷,對於某些研究群來說,他們的上層塗佈似乎允許抑制劑浸入水中,當有一滴小液滴遺留在水中時,抑制劑看起來會集中在一個點,避免形成一個影像,顯然的,仍然有許多研究工作專注於改善浸潤式缺陷,不需要上層塗佈的浸潤式微影製程是比較好的,但缺陷數量必須夠少,才能夠應用於大量生產。
大部分的人在今年的研討會,期望光學技術再過幾年能推展到32奈米製程,而且使用雙重曝光成像技術(double patterning)為最優先選擇的方法,靜態隨機存取記憶體結構的線尾使用第二次曝光成型,經由掃描式電子顯微鏡的照片結果顯示出有顯著的改善,然而積體電路製造商抱怨關於兩次光罩的成本,但是這種抱怨看起來並不實際,只有少數層(大約所有曝光層的20%)需要先進的微影,光罩成本與寫進光罩的線路密度有關,比較疏鬆的光罩(第二片光罩只有一半圖形)應該比較便宜,除此之外設備製造商正計畫生產速度更快的設備,所以最後結果可能只增加微影成本的百分之十或更少,目前並不是所有的設計都可以分開成兩個光罩圖形,幾年前相位差光罩也面臨類似的問題,但是改良設計軟體和改變線路設計兩者結合,解決相位差光罩的問題,期望雙圖形光罩也有相似的解法。
對準問題是雙圖形光罩最大的挑戰,ASML和Nikon報導說真正製程步驟的對準範圍大約是5~10奈米,很清楚的是,使用雙重曝光成像技術來達到臨界尺寸均勻性的目標仍然有些挑戰。
當32奈米製程開始衝量的時候,超高數值孔徑成像的單次曝光技術仍然有機會取代雙重曝光成像技術,第二代取代水的高折射率流體和1.65數值孔徑透鏡看起來都可行,但是這些進展可能有些許副作用─在193奈米時1.70數值孔徑透鏡的k1值滑落到0.28,但是這麼低的k1值也可能有效,況且透鏡的波前失誤,發光均勻性和雷射功率表現都持續在改善中。
但是這些改善的結果在32奈米的單次曝光,並不足以提供一個足夠的製程容許度,積體電路製造商很明顯地要求得更多,就是第三代高折射率流體和很高數值孔徑的透鏡,例如1.90數值孔徑的透鏡會提昇k1值到0.315,這些值就是45奈米設備正在提供的,Schott Lithotec報導已經長成直徑80毫米的LuAG晶體並且希望2009年上半年提供250毫米直徑透鏡材料,這個時程讓32奈米單曝光製程陷入風險中,就算是LuAG材料在2009年真的是成為透鏡品質的材料,第一組設備在2011年之前也不會運交給客戶,這樣比計畫中的32奈米導入時程大約慢了兩年。
EUV是現今期望能取代光學微影的技術,ASML和Nikon期望EUV生產設備將在32奈米製程中導入,而在22奈米製程上量生產,Canon說他將在2007年中評估他的選擇,但是看起來結果會是一樣,ASML表示將用EUV設備來製造32奈米接觸孔的影像。
但是不幸的是,未來並不會像EUV倡導者所說的那麼正面,EUV的光阻影像還有很多在本次研討會所展示的-並不為40奈米以下所接受,那有一大堆線條邊緣粗糙(line edge roughness)和幾乎所有影像都有橋接等問題還沒解決,還有光阻影像是由5倍慢速材料所做的,Rohm & Hass建議EUV光阻符合臨界尺寸和LER目標,可能在20mJ/cm2以下是不存在的,在干涉設備,小場景設備和一些現在少有的全景設備,光阻公司可以得到所有他們需要的實驗開發時間,但是在2009年以前似乎不可能有好的EUV光阻出現。
EUV的光源也是令外一個焦點,在這範圍內的所有系統正都使用一束密集的電漿源(dense pinch plasma,DPP),但是都不夠穩定可靠(IMEC的先期設備交貨時甚至沒有準備光源),需要大幅增加光源功率來符合產能和營運成本的目標,但是仍有希望的是-EUVA和Cymer雷射兩者都報導在二氧化碳脈衝雷射和錫球型LPP光源都有顯著的進步,他們的規劃時程允諾在幾年內在中間焦距達成200瓦13.5奈米光波的目標,也許明年,光源的解決方案會比較明確。
EUV光罩的錯誤,缺陷程度和對準的挑戰,都是嚴肅的議題但是都有穩健的進展,較佳的缺陷偵測設備正在銷售中,例如KLA-Tencor正製造一種以電子束為基礎的缺陷檢驗機。
今年的SPIE見證到一般的共識就是光學技術使用193奈米浸潤式、高數值孔徑和雙重曝光將符合32奈米製程需求。EUV將錯失32奈米的時機並且22奈米的微影技術還不明朗。光學微影技術的障礙就是挑戰,EUV是有可能的替代技術。類似的景像再次重覆,光學會進行到下一世代製程,但是替代技術將在更下一世代使用,這些事從不改變。
微影供應商在SPIE提供的展示
今年SPIE最後一天有很多設備商參加傳統的曝光系統和零組件會場,先進微影研討會也藉這個機會展示最新一代高數值孔徑浸潤式掃瞄機,他們都宣稱可以消除浸潤式特有的缺陷和其他支援性技術。
Nikon公司的Jun Ishikawa報導,說用公司的NSR-609B得到最新的55奈米生產的統計數據,顯示全部臨界尺寸均勻性現在介於0.7~1.06奈米之間(3倍標準差),單一機台對準(平均值+3倍標準差)小於7奈米和搭配乾式NSR-308F掃瞄機的對準誤差小於12奈米。他指出甚至在每小時130片晶圓的產能之下,這些數據隱含著水的蒸發冷卻,現在可以忽略不計。較少上層塗佈的光阻,會比可溶式顯影液的上層塗佈,有稍為好一點的缺陷表現,三個月內缺陷密度都小於每平方公分0.04個。
Ishikawa說Nikon的第一台1.3數值孔徑NSR-610C設備已經交貨了,而且使用Dipole照明生產出超過900奈米景深的39奈米半節距線寬圖形,使用cross-pole照明方式可成像出43奈米線寬圖形,而且在兩個方向都有2.3奈米(3倍標準差)水準的CDU,6個透鏡合組成1.5%光斑(flare)(比乾式308F好)甚至在極端幾何形狀下的照明均勻度,達到正負0.1%。
ASML的Jos de Klerk計算公司XT:1900Gi的初步結果,顯示載台可以每秒600毫米速率及1.35數值孔徑成像36.5奈米線寬圖形,但是卻有害於線條邊緣粗糙度,De Klerk報告說在3微米暗靶之下散失光的程度小於0.4%,而且CDU小於2奈米(3倍標準差),而且針對垂直和水平方向40奈米線寬圖形使用cross-pole照明,單一機台的對準在每秒600毫米載台速率下(每小時130片晶圓)的對準小於5.5奈米,相對的乾式曝光機的對準誤差小於8奈米。小於7奈米的疏-密距焦偏差,並不會隨著機台使用而改變,隱喻著透鏡的發熱並不嚴重。比較晶圓放在單一吸盤的往返式掃瞄結果,暗示雙重曝光的對準誤差應會小於3奈米。
根據De Klerk的數據指出更早期建立的XT:1700(1.2數值孔徑),符合生產晶圓的缺陷程度,45奈米圖形約每平方公分有0.03個,Sokudo和TEL光阻機則每平方公分有0.07個,當生產從1700i轉到1900i或相反時,因為彼此照明系統互相匹配,所以OPC處理就不用再更改了。
Paul Hinnen報導一種新的更有彈性的對準感測器,ASML將使用它來取代Athena系統,這種新的感測器已經用在1250i和1400i系統上,並使用一個單偵測器的干涉儀來收集對準訊號放到軟體程式裏面,這樣就不像Athena指揮7個繞射命令到一個精細的感測器,這種新系統允許較小的和較有彈性的記號設計和使用四種不同的波長,其中兩種波長位於紅外線範圍,這樣硬光罩製程就較不可能對訊號強度有負面影響,ASML跟Toshiba合作開發不同的對準記號設計和顯示超過42天小於9奈米的穩定度,這是很正面的消息。
Canon的Hiroki Kubo形容公司新的FPA-7000曝光平台,也會配備乾式(AS5)或浸潤式(AS7)ArF投影透鏡,兩者在今年內都可以出貨,下一版本將包含KrF曝光和可能高折射率的流體浸潤設計。
這個新平台將也會匹配小對準記號,並且跟量測機台合作和搭配設備參數最佳化的軟體,Canon的液體薄膜噴嘴在低壓下操作,水流只從單方向流動,減少溫度變化和微粒傳遞,使用無上層塗佈的光阻。其缺陷程度由14片晶圓計算後的結果,顯示每平方公分小於0.03個。
Cymer和Gigaphoton兩者都提到60瓦ArF excimer雷射,打算給高數值孔徑浸潤式微影技術使用。Cymer宣佈第一台XLR500i已經運到Nikon,裝配到一台即將出貨的設備上。XLR500i使用一個飽和的循環圈放大器,從氣體和加大脈衝穩定度,來淬取大部份能量。創新研發項目,包括延長氣體壽命10倍的軟體(GLX)和自動頻寬穩定器(ABS)。根據Cymer的Daniel Brown說,一個90瓦的版本可應用於雙重曝光很快即將問世。
Toru Suzuki形容Gigaphoton的GT61A超窄頻寬(E95=0.25pm),雷射計畫打算給大於1.3數值孔徑來應用。Gigaphoton的新雷射使用一個注入閉鎖(injection-locked)的震盪器設計和結合聲波阻尼使得雷射參數不受脈衝速率改變的影響。Suzuki說所有的雷射的結構都是一樣的,藉此簡化全公司製程的重覆性。他也介紹了一個頻寬控制模組,藉由改變在主震盪器繞射光柵的光束聚散,來調整雷射頻譜的寬窄程度。
解決難纏的有機