Flusskontrolle in der Immersionslithographie
Seit über zehn Jahren ist die Immersionslithografie die wichtigste Belichtungstechnologie in der Halbleiterfertigung. Im Vergleich zu herkömmlichen Trockenlithografieverfahren verbessert diese Technik die Belichtungsauflösung erheblich, indem eine Flüssigkeit mit hohem Brechungsindex in den Spalt zwischen Linse und Waferoberfläche eingeleitet wird. Die Aufrechterhaltung der Reinheit und Homogenität der Flüssigkeit sowie die Vermeidung von Resttröpfchen während des Hochgeschwindigkeitsscans stellen zwei zentrale Herausforderungen für die Weiterentwicklung der Immersionslithografie dar. Verunreinigungen, Partikel, Blasen, Erwärmung und Spannungen in der Flüssigkeit können die Kontinuität des Brechungsindex beeinträchtigen. Die hohe Geschwindigkeit des Wafers während des Scans kann den Meniskus an der Grenzfläche zwischen Flüssigkeit und umgebendem Gas destabilisieren und so zu Resttröpfchen auf dem Wafer führen. Diese Phänomene beeinträchtigen die Belichtungsleistung der Immersionslithografie, weshalb geeignete Verfahren zur Steuerung des Flüssigkeitsflusses erforderlich sind.
1. Einfluss der Strömungsverhaltenskontrolle auf die Reinheit und Gleichmäßigkeit der Flüssigkeit
1.1. Einfluss des Fließverhaltens auf die Reinheit und Gleichmäßigkeit der Flüssigkeit
1.1.1. Partikel und Verunreinigungen
Partikel und Verunreinigungen sind die Hauptquellen fester Fremdstoffe in Flüssigkeiten. Partikel, die in einer Flüssigkeit nahe der Waferoberfläche oder auf dem Fotolack suspendiert sind, können während der Entwicklung in den darunterliegenden Fotolack abgebildet oder in diesen übertragen werden.
Partikel können in der Flüssigkeitszufuhr vorhanden sein oder von Oberflächen stammen, mit denen die Flüssigkeit in Berührung kommt. Da die zum Immersionsbad verwendete Flüssigkeit zwangsläufig Partikel und Verunreinigungen enthält, wird Reinstwasser als Immersionslösung verwendet, das vor der Injektion in den Immersionskopf zusätzlich aufbereitet und gefiltert wird. Ein weiteres Problem ist das Ablösen des Films um die Waferkante, verursacht durch unzureichende Haftung zwischen der Kantenoberfläche und der Oberflächenbeschichtung. Während der Belichtung können diese Partikel durch den Flüssigkeitsmeniskus vom Waferrand zur Wafermitte transportiert werden. Lösungsansätze für dieses Problem umfassen die Auswahl des Fotolacks, die Optimierung der EBR-Formulierung und die Waferbearbeitung. Auch Waferpads stellen eine potenzielle Partikelquelle dar. Beim Überfahren des Wafers nimmt der Immersionskopf Partikel auf und lagert sie wieder ab. Die konventionelle Reinigung des Wafertisches reduziert die Partikelanzahl, und die In-situ-Reinigungstechnologie hat sich als sehr effektive Methode für die Feldreinigung erwiesen. Andere Defekte, die durch transparente Fotolack-/Decklackpartikel verursacht werden, die sich auf der Oberfläche des Fotolack- oder Decklackfilms ablagern (wie z. B. Blasenbildungsdefekte), können durch Optimierung der Beschichtungsformulierung reduziert werden.
Die effektivste Methode zur Lösung des Auslaugungsproblems ist die Verwendung einer Resist- oder Deckschicht mit geringer Auslaugungsrate. Das Spülen von Resistfilmen mit deionisiertem Wasser wurde ebenfalls als Alternative untersucht. Da die Tauchkopffläche größer ist als die Belichtungsfeldfläche, wird der Wafer vor und nach der Belichtung, wie beim Spülprozess [38], durchtränkt. Durch den kontinuierlichen Durchfluss der Flüssigkeit durch den Tauchkopf während der Belichtung und des Eintauchens werden Verunreinigungen in der Tauchflüssigkeit weitgehend entfernt, wodurch der Spülprozess ersetzt werden kann.
Blasen reflektieren und brechen einfallendes Licht. a) auf der Oberfläche des Fotolacks und b) schwebend in der Eintauchlösung.
Defekte in Form von Blasen unterschiedlicher Größe. a) 0,85 μm, b) 3 μm.
1.1.2. Bubble
Eine der größten Herausforderungen der Blasenimmersionslithografie besteht darin, dass während des Belichtungsprozesses keine Blasen in der Immersionslösung entstehen dürfen. Die durch Blasen verursachte gekrümmte Gas-Flüssigkeits-Grenzfläche reflektiert und bricht das einfallende Licht, was zu Brechungsindexdiskontinuitäten und verstärkten Streueffekten führt. Dies wiederum verursacht Defekte im Muster und reduziert die Ausbeute.
Die Hauptfaktoren, die den Effekt von Blasen beeinflussen, sind Belichtungszeit, Blasengröße und Blasenhöhe über dem Wafer. Kürzere Belichtungszeiten verstärken den Blaseneffekt, da Strukturen länger im stärker beschatteten Bereich verbleiben. Zweitens: Ist die Blase so groß wie die Wellenlänge des verwendeten Lichts, streut sie das Licht und erhöht das Streulicht. Bei Blasen im Mikrometerbereich oder größer blockiert die Blase das Licht teilweise und verändert dessen Richtung. Schließlich zeigte die Studie, dass der Gesamteffekt der Blasen auf das Bild von ihrem Abstand zur Waferoberfläche abhängt: Je größer der Abstand, desto schwächer der Effekt, da Blasen, die sich weiter vom Fotolack entfernen, in einer schnell strömenden Flüssigkeit schnell weggespült werden können. Beträgt das Verhältnis von Blasenabstand zum Wafer zu Blasendurchmesser 4:10, ist der Effekt einer einzelnen, frei schwebenden Blase vernachlässigbar. Je näher die Blase dem Wafer kommt, desto stärker wird aufgrund der langsameren Strömung nahe der Waferoberfläche ihr Schatten in der Bildebene und desto länger verweilt sie an einer bestimmten Stelle auf dem Wafer. Dadurch stellen an der Waferoberfläche haftende Blasen eine deutlich größere Gefahr für ein fehlerfreies Bild dar. Systematische Untersuchungen des Blasenstreueffekts in der Unterwasserlithografie haben ergeben, dass 60 nm die maximale Blasengröße ist, die keine Defekte verursacht, wenn die Blase an der Oberfläche des Fotolacks haftet. Die Blasenbildung in der Unterwasserlithografie kann durch das Zusammenwirken verschiedener Faktoren wie Druck, Temperatur, photochemische Reaktionen und Fluiddynamik bedingt sein.
1.1.3. Heizung
Während der Belichtung erwärmt sich die eingetauchte Flüssigkeit ungleichmäßig. Die Temperaturverteilung kann das Bild auf verschiedene Weise beeinflussen und führt zu geringen sphärischen und Aberrationen höherer Ordnung. Der Hauptfehler der Abbildung ist die Unschärfe. Um eine Unschärfe von nur 1 Nanometer zuzulassen, muss die Brechungsindexänderung sehr gering sein. Da der Temperaturkoeffizient von Wasser (dn/dτ = -10⁻⁴ K⁻¹) im Vergleich zu Gasen sehr groß ist, muss die Flüssigkeitstemperatur unter 10 mK gehalten werden. Dies stellt hohe Anforderungen an die Flüssigkeitshandhabung und die Temperaturregelung.
1.1.4. Stress
Bei der Immersionslithografie können die hohe Viskosität und Dichte der Flüssigkeit im Vergleich zu Luft bei der Trockenlithografie erhebliche Spannungen sowohl auf der Linse als auch auf der Waferoberfläche verursachen. Diese Normal- und Scherspannungen können zu Linsenverzerrungen und Doppelbrechung führen und somit den gleichmäßigen Lichtweg stören.
1.2. Kontrollmethoden
Es gibt drei Möglichkeiten, die oben genannten Verhaltensweisen, die die Belichtungsleistung beeinträchtigen, zu reduzieren. Um Verunreinigungen und Blasen im Belichtungsprozess zu vermeiden,
Im Abschnitt
1.2.1 Es werden Fotolacke mit geringer Auslaugung und geringer Gasfreisetzung verwendet. Um zu verhindern, dass sich Blasen und Partikel auf dem Wafer ablagern, Abschnitt
1.2.2 beschreibt die spezifische Verdrahtungsmethode und die Methode der dicken Beschichtung. Abschließend wird die Temperatur- und Spannungsverteilung ausgeglichen, indem Verunreinigungen, Partikel, Blasen und Wärme aus dem Expositionsbereich abgeführt werden.
Abschnitt
1.2.3 nutzt Flüssigkeitszufuhr- und Rückgewinnungsverfahren.
Nikon entwickelte als weltweit erstes Unternehmen einen ArF-Immersionsscanner für die Serienproduktion, den NSR-S609B [75]. Zuvor hatte das Unternehmen zahlreiche Versuche mit Unterwasserkopfstrukturen auf Basis der lokalen Befüllung unternommen. Nikon simulierte diese Methode mit und ohne Flüssigkeitszufuhr- und -rückführungssystem [54, 67] und stellte fest, dass das System gleichzeitig als Flüssigkeitsrückhaltesystem fungiert. Ohne Zufuhr- und Rückführungssystem befindet sich ein Teil der Flüssigkeit außerhalb des Linsenbereichs, wodurch unterhalb der Linse ein leerer Raum entsteht. Mit Zufuhr- und Rückführungssystem verstärkt der Rückführungsstrom die Oberflächenspannung an der Gas-Flüssigkeits-Grenzfläche um die Flüssigkeitsmulde herum und hält die Flüssigkeit so in einem lokalen Bereich unterhalb der Linse, was zu einer besseren Flüssigkeitsrückhaltung führt.
Normale Verdrahtung und 2 spezielle Verdrahtungen zur Reduzierung von Defekten
Zwei verschiedene Düsenanordnungen. a) Düse der älteren Generation; b) Neue Düsen.
Grundstruktur des LLF-Immersionssystems.
Eine typische Meniskusform. a) Filmdehnung, b) Trägheitsüberlauf.
2. Strömungsverhaltenskontrolle der Meniskusstabilität
2.1. Meniskusinstabilität und Resttröpfchen in der Immersionslithographie
Während des gesamten Prozesses muss die Flüssigkeit innerhalb des Spalts zwischen der letzten optischen Linse und dem Wafer verbleiben. Sobald sich der Wafer unter der Flüssigkeit bewegt, ziehen viskose Kräfte die Flüssigkeit in Scanrichtung und beeinflussen den Meniskus. Ab einer bestimmten Geschwindigkeit wird die Stabilität des zurückweichenden Meniskus gestört, die Flüssigkeit tritt aus ihrem Volumen aus und zerfällt in Tröpfchen. Diese Resttröpfchen können auf dem Wafer zurückbleiben und zahlreiche Bildfehler verursachen. In der Halbleiterindustrie beträgt die Scangeschwindigkeit in der Massenfertigung derzeit 800 mm/s und wird zukünftig noch höher sein. Daher ist es unerlässlich, dass der Meniskus des Tauchfelds innerhalb dieser Geschwindigkeitsvorgabe seine Stabilität behält.
2.2 Grundlagenforschung zur Meniskusstabilität
Die kritische Geschwindigkeit bezeichnet die maximale Geschwindigkeit, die ohne Ablagerung von Restflüssigkeit erreicht werden kann, und ist ein sehr wichtiger Leistungsparameter in der Immersionslithografie. Die Ergebnisse von „Drag-Drop“-Experimenten mit 41 verschiedenen Fotolacken [80, 87, 88] zeigen, dass die kritische Geschwindigkeit sowohl im Filmabzugszustand als auch im Zustand des Trägheitsüberlaufs mit zunehmendem statischen Kontaktwinkel deutlich ansteigt.
2.3. Kontrollmethoden
Es gibt drei Möglichkeiten, Resttropfen auf dem Wafer zu reduzieren. Um die Stabilität des Meniskus zu verbessern und die Bildung von Resttropfen während der Belichtung zu vermeiden, kann in der Immersionslithografie ein hydrophoberer Fotolack verwendet werden. Zur Entfernung der Resttropfen, die den Meniskus gerade verlassen haben, kommen ein Luftschleier und ein poröses Medium zum Einsatz. Um die Flüssigkeitsflussrate in der Nähe des Rückgewinnungskanals zu steuern und die Rückgewinnungsfunktion zu verbessern, kann die Oberfläche des Tauchkopfes mit heterogenen Oberflächen mit Benetzbarkeitskontrast modifiziert werden.
2.3.1. Die Hydrophobie der modifizierten Kuppeloberfläche steuert die Geschwindigkeit des Wafer-Scannens und der Belichtung. Eine höhere Hydrophobie bedeutet einen größeren statischen Rückzugswinkel, wodurch die Flüssigkeit leichter und schneller über den Wafer gleiten kann, ohne Resttropfen zu hinterlassen. Eine höhere Hydrophobie ist daher entscheidend für einen maximalen Durchsatz und kann in Kombination mit geringeren Defektraten auch die Ausbeute steigern.
2.3.2. Zweites Verfahren zur Flüssigkeitseindämmung
Eine weitere Möglichkeit zur Kontrolle der Meniskusstabilität ist die spezielle Konstruktion des Tauchkopfes. Unter Berücksichtigung der unterschiedlichen Kontaktwinkel zwischen verschiedenen Fotolacken und Oberflächenbehandlungen und der Tauchflüssigkeit muss die Tauchkopfkonstruktion einen breiten Betriebsbereich bei hohen Scangeschwindigkeiten ermöglichen. ASML berichtet, dass die Verwendung des neuen Tauchkopfes die Gesamtfehlerrate bei einer Scangeschwindigkeit von 600 mm/s deutlich (um mehr als das Dreifache) reduziert.
Die gängigste Optimierung für Tauchköpfe ist die Luftschleierstruktur. Diese Konstruktion erzeugt einen Hochdruckluftschleier um den Tauchbereich und hält das Fluid im Spalt unterhalb des letzten optischen Elements.
2.3.3. Oberflächenmodifikation des Tauchkopfes
Die oben genannten Oberflächenmodifikationen zur Kontrolle der Meniskusstabilität werden alle auf Wafern angewendet und basieren auf homogenen Oberflächen. Heterogene Oberflächen mit Benetzbarkeitskontrast können jedoch ebenfalls verwendet werden, um die Flüssigkeit im Spalt aufzunehmen. Da der eigentliche Lithographieprozess die heterogene Modifizierung der Resistoberfläche möglicherweise nicht zulässt, kann diese Methode auch auf den Tauchkopf angewendet werden.
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