Technologie et équipement pour semi-conducteurs : technologie et équipement de lithographie
Première partie : le procédé de lithographie
La photolithographie est une technique de transfert de motifs dans laquelle le motif sur la plaque de masque est transféré sur une plaquette de silicium recouverte d'une résine photosensible (ou photorésine), et une partie spécifique du film sur la surface de la plaquette de silicium est retirée par une série d'étapes de production.
La lithographie est une technologie clé des semi-conducteurs, développée à partir de la photographie et de l'impression à plat. La fabrication de circuits intégrés consiste à produire des centaines de millions de composants par lots sur une surface de quelques centimètres carrés. La structure de chaque composant est complexe, comme le montre la figure ci-dessous, qui illustre la difficulté apparente à distinguer la structure interne d'une puce.
Cette densité de production équivaut à fabriquer des dizaines de millions de transistors de ce type dans la section transversale d'un cheveu humain.
La deuxième partie : équipement de lithographie
Les machines de lithographie existent depuis les années 1960. Les premières techniques de lithographie n'étaient pas particulièrement complexes, car la largeur de trait requise à l'époque était de l'ordre du micron. De ce fait, la machine de lithographie était elle aussi très simple ; Intel a même pu utiliser directement un objectif d'appareil photo de 16 mm. Seules quelques entreprises, comme GCA, K&S et Kasper, ont produit quelques exemplaires de ces appareils, et les machines de lithographie étaient loin d'être de haute technologie ; elles n'étaient guère plus sophistiquées que des appareils photo.
Cependant, avec le doublement constant du nombre de transistors, la précision d'exposition passe rapidement de quelques microns à quelques dixièmes de micron. De ce fait, les machines de lithographie classiques peinent à répondre à la demande, et les problèmes se multiplient. L'augmentation du nombre de transistors entraîne une forte augmentation des interconnexions, nécessitant des connexions métalliques multicouches. Ces couches métalliques doivent être empilées sur la couche support, et il est nécessaire d'effectuer différentes expositions sur le câblage de la couche support, ainsi que des expositions répétées sous différents éclairages. L'alignement précis des couches devient ainsi un enjeu majeur, à l'instar de la construction d'un bâtiment : chaque couche doit être parfaitement alignée verticalement, sans risque d'inclinaison. Dans le processus de fabrication des circuits intégrés, cette précision doit être extrêmement élevée, de l'ordre du nanomètre.
Aujourd'hui, la machine de lithographie, initialement un équipement extrêmement simple, est devenue un système de pointe intégrant des dizaines de disciplines technologiques de pointe : optique de précision, laser, physique des fluides, électromagnétisme, contrôle de précision, usinage, électronique, circuits électroniques, chimie, etc. Elle représente actuellement l'équipement industriel le plus sophistiqué et le plus coûteux. Les machines de lithographie haut de gamme d'ASML se vendent à plus de 100 millions de dollars, un prix comparable à celui d'un avion. Les premières machines de lithographie étaient appelées « aligneurs de masques », en référence à l'exposition du masque. Désormais, le terme « lithographie » désigne à la fois la machine et le procédé de lithographie.
Voici quelques-uns des principaux types de machines de lithographie, accompagnés d'une brève description de leurs caractéristiques principales. Présentés selon l'évolution progressive de la technologie, ils permettent d'appréhender la lithographie de manière progressive, des concepts les plus simples aux plus complexes.
- Aligneur de masques
- Photolithographie de contact
- Photolithographie par pas à pas
- Photolithographie Sacnner
- Immersion
- DUV/EUV
Nous présentons ci-dessous les détails de chaque machine de lithographie
Masque Aliger
Il s'agit de l'application de lithographie la plus directe. L'alignement de masque le plus simple peut être réalisé par le dispositif « manuel » illustré ci-dessous : l'alignement du masque est effectué à l'aide d'un microscope et d'un réglage manuel, et la photolithographie par exposition.
Photolithographie de contact
La lithographie par contact est une technique de lithographie utilisant un calibrateur de masque. L'aligneur de masque comprend deux éléments principaux : le porte-masque et le porte-plaquette. Le porte-masque est usiné avec une surface parfaitement plane sur laquelle le photomask est fixé par aspiration. Le porte-plaquette, également usiné avec une grande planéité, est lui aussi maintenu en place par aspiration. Cet outil garantit le parallélisme des surfaces des deux pièces pendant le fonctionnement. Le porte-plaquette peut être déplacé sur le porte-masque afin d'appliquer des forces variables pour mettre la plaquette en contact avec le masque. La position de la surface du porte-plaquette peut également être ajustée pour être aussi plane que possible avec le masque, pour des résultats optimaux ; c'est ce qu'on appelle la compensation d'erreur de coin. Une fois la plaquette et le masque en place, l'exposition peut être réalisée en ouvrant l'obturateur de la lampe. À l'intérieur de la lampe se trouvent une lampe à arc au mercure et son système optique, qui permettent d'exposer le masque et la plaquette à une bande UV contrôlée.
Lithographie par étapes
La lithographie par projection est utilisée pour les puces plus petites et plus fines, en ajustant progressivement la position de la plaquette, permettant ainsi de multiples expositions sur une seule plaquette. Également connue sous le nom deSystème de marche et de répétition.
Photolithographie de sacnner
Il existe deux grandes catégories d'outils de lithographie par projection : les systèmes de balayage et les systèmes de répétition pas à pas.
L'impression par projection à balayage, dont Perkin-Elmer [1.5] a été le pionnier, utilise des systèmes optiques réfléchissants (c'est-à-dire des miroirs plutôt que des lentilles) pour projeter la lumière issue de la fente du masque sur la plaquette lorsque le masque et la plaquette sont déplacés simultanément par la fente. La dose d'irradiation est déterminée par l'intensité lumineuse, la largeur de la fente et la vitesse de balayage de la plaquette. Ces premiers systèmes de balayage utilisaient une lumière multicolore provenant d'une lampe à arc au mercure de rapport 1:1, ce qui signifie que le masque et l'image avaient la même taille.
Les caméras à balayage et à répétition (également appelées caméras à balayage) exposent simultanément une portion rectangulaire de la plaquette (appelée champ image), à l'échelle 1:1 ou réduite. Ces systèmes utilisent des optiques de réfraction (lentilles) et sont généralement quasi-monochromatiques. Les deux types de systèmes (figures 1 à 5) permettent l'imagerie haute résolution, bien que la résolution maximale nécessite une imagerie de restauration.
Au milieu des années 1970, les scanners ont remplacé l'impression quasi-précise pour les dispositifs de moins de 4 à 5 μm. Au début des années 1980, avec la miniaturisation des dispositifs en dessous de 2 μm, les systèmes de lithographie par projection (steppers) ont commencé à s'imposer. Avec des dimensions minimales de gravure atteignant 250 nm, ces systèmes ont continué de dominer la lithographie tout au long des années 1990. Cependant, au début des années 1990, le successeur de Perkin-Elmer, SVG Lithography, a introduit une méthode de lithographie par projection hybride.
La méthode de balayage par étapes utilise une petite portion de la zone de balayage classique (par exemple, 25 mm x 8 mm) et balaie cette zone dans une direction afin d'exposer l'intégralité du masque de réduction x4. La plaquette est ensuite déplacée et le balayage répété. La réduction de la taille des zones d'imagerie simplifie la conception et la fabrication des lentilles, mais implique des ouvertures et des plots de connexion plus complexes. La technologie de balayage par étapes est aujourd'hui privilégiée pour la fabrication de puces inférieures à 250 nm.
Lithographie par immersion
La lithographie par immersion est une technique d'amélioration lithographique qui remplace l'espace d'air habituel entre la lentille finale et la surface de la résine photosensible par un milieu liquide d'indice de réfraction supérieur à 1. Les longueurs d'onde plus courtes dans les liquides permettent l'imagerie de détails plus fins ; actuellement, l'eau est utilisée comme liquide. La technologie d'immersion a été introduite par Carl Zeiss dans les années 1880 pour améliorer la résolution des microscopes optiques. Dans les années 1980, elle a été intégrée à la lithographie moderne. Depuis 2002, la lithographie par immersion a connu une croissance fulgurante.
DUV/EUV
Les systèmes de lithographie ont évolué des longueurs d'onde bleues (436 nm) à l'ultraviolet (UV, 365 nm), puis à l'ultraviolet profond (DUV, 248 nm), pour aboutir aujourd'hui à la longueur d'onde haute résolution courante de 193 nm. Grâce au développement des outils de projection et de diverses autres technologies, la technologie DUV permet de produire des motifs inférieurs à 100 nanomètres. Ces dernières années, avec l'utilisation de la technologie de décalage par recouvrement, la technologie DUV a continué de progresser et sa capacité de production a été continuellement réduite à 50 nm, 28 nm, voire 7 nm. La lithographie ultraviolette extrême (EUV) est une technique utilisant les rayons X d'une longueur d'onde de 13,5 nm. Les scanners EUV actuels peuvent atteindre des résolutions aussi faibles que 22 nm (demi-pas). Dans ce système, la source de lumière EUV utilise un laser de haute puissance pour générer un plasma. Ce dernier permet d'émettre une lumière de courte longueur d'onde dans la chambre à vide.
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