NIKON光刻機的主要組成部分
光刻機就是一臺大照相機，帶光刻膠的wafer就是底片，reticle上的圖形就是風(fēng)景，光源（汞燈或者激光）就是太陽光，當(dāng)快門打開，光投射到reticle上，經(jīng)過鏡頭的投射，就在wafer上成像了。和照相機不一樣，每個風(fēng)景只要拍一次就好了，reticle上的圖形要拍很多次，要把整個wafer布滿才算曝光結(jié)束。
從炬豐科技平臺了解的nikon光刻機說起：NIKON曾經(jīng)是半導(dǎo)體行業(yè)的光刻之王，全世界80%的stepper都是nikon的，但是光刻機并不是日本人最先發(fā)明的，最早的大概是美國的GCA了，NIKON頂多算是GCA兒子。日本人是比較精明，他們買了一臺GCA，把它拆開來仔細(xì)研究，在GCA的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，再加上自己的優(yōu)勢->鏡頭（NIKON本來是軍工企業(yè)，給小日本做潛艇望遠(yuǎn)鏡的），推出了G4 （G4是我所知道的最老的型號的NIKON stepper了，不知道有沒有G1-G3，如果有，我相信保有量也不是特別大，應(yīng)該不是特別成熟）。緊接著G6, G7和G8的推出，把NIKON推入到巔峰時刻。那個時候全世界只知道NIKON，ASML和Canon那時候根本不是對手?？梢哉f在stepper上，NIKON是最大的贏家。隨著技術(shù)的推進(jìn)，stepper已經(jīng)跟不上時代的發(fā)展，大家開始往scanner上發(fā)展了，隨著ASML推出創(chuàng)新的TWINSCAN，靠著產(chǎn)能的優(yōu)勢，一舉打敗了nikon，奪走了光刻機老大的地位，而且從那以后，NIKON一直沒能翻身，市場被一點點蠶食，再也沒有往日的輝煌了。
NIKON光刻機的主要組成部分:其實大部分光刻機組成都是一樣的，一般分為：照明系（光源+產(chǎn)生均勻光的光路），STAGE（包括RETICLE STAGE和WAFER STAGE)，鏡頭（這個是光刻機的核心），搬送系（wafer handler+ reticle handler)，alignment （WGA, LSA, FIA)。另外半導(dǎo)體的工作溫度是23度，要保證wafer在恒溫和無particle的環(huán)境，一個chamber是必須的。
照明系：顧名思義，用來照明的系統(tǒng)，光刻機的原理就是用光來投射到reticle上產(chǎn)生衍射，然后鏡頭收集到光匯聚到wafer上，形成圖形，所以光是產(chǎn)生圖形的必要條件。具體請翻閱一些工藝的相關(guān)資料，在這就不多說了。要有光首先要有光源，一般stepper都是用汞燈做光源，最早有1kw，2kw到最后發(fā)展到了5kw，越來越恐怖。后來為了提高分辨率，采用了新的光源：laser，分為Krf(248nm)和Arf（193nm)，laser也是不斷在增加功率，現(xiàn)在最高的可以達(dá)到60kw級別了（相當(dāng)恐怖的激光能量）。 為什么要發(fā)展大功率的汞燈和激光呢？這是產(chǎn)能的需求，在相同的曝光量下，光源的功率越高，曝光需要的時間越少，這樣單位時間里面產(chǎn)能越高。
汞燈發(fā)出的光向各個方向擴散，我們需要把光匯聚起來，打到大光強的目的，這時候一個橢圓鏡是必須的了。我們知道橢圓有兩個焦點，我們把光源放到一個焦點上，那么光就會聚到另外一個焦點上，那就是快門的位置。同時這個橢圓鏡還有另外一個功能，吸收不需要的光線。這種鏡子上有一層涂層，一般500nm以上的紅外光不被反射，而是被吸收。這些光會被產(chǎn)生熱量，所以裝汞燈的地方?一定需要一個散熱的東西，功率小一點的就用風(fēng)扇吹，功率大的話就水冷了。
反射出來的光也不是全部需要的，我們只需要365nm（I-line）或者436nm（G-line）的波長，別的波長的光也是要淘汰的，這時候filter就上場了，它的作用就是過濾掉不要的東西，只讓需要的波長的光通過。
激光作為光源就不需要上面的這些東西了，因為從激光器里面出來的光已經(jīng)是很純的了，不需要再過濾。
有了我們需要的光源就可以曝光了嗎？當(dāng)然不可以，因為我們不僅需要很純的光，還需要均勻的光，這樣投射到wafer上不會造成各個地方的CD不一致。誰來擔(dān)當(dāng)這個重任呢？各個廠家用的都不一樣，nikon是一種叫flyeye的鏡頭。這種鏡片用很多塊凸透鏡組成，光打到上面就會在各個地方產(chǎn)生匯聚的作用，這樣在relay lens的幫助下，一個平行的均勻 的光產(chǎn)生了。ASML用的是一種叫quad rod的玻璃長方體，具體原理不是特別清楚，反正也是光在里面反射很多，現(xiàn)在有了均勻的光了，我們就可以拿來曝光用了，可是有時候我們不需要全部視場大小的光，可能只要曝光一個很小的區(qū)域，這時候用于擋光的機構(gòu)，nikon叫blind， ASML叫REMA的東西就用上了，他們都是上下左右四塊擋片，用馬達(dá)帶動，需要多大的區(qū)域只要讓馬達(dá)帶動擋片，把不要的光遮住，這樣就可以曝光我們需要的地方了。最后，通過一塊大的lens把光匯聚一下，就可以投射到reticle上進(jìn)行曝光了。
這些是照明系的主要組成部分，隨著技術(shù)的發(fā)展，廠家加入一些用于提供分辨率的機構(gòu)來達(dá)到要求。比如NIKON有一種變形照明，在光路中加入了一個可以旋轉(zhuǎn)的圓盤，圓盤上有一些用于產(chǎn)生特定圖形的東西，如小sigma，annual等等，有的時候還需要兩塊flyeye來進(jìn)行光的處理。在ASML的光路里，又會有很多負(fù)責(zé)產(chǎn)生各種pupil的機構(gòu)，以及發(fā)展到最后，需要偏振光，等等。反正是越先進(jìn)的東西，里面的鏡頭用的就越多。stage，直接理解就是工作臺。每一片wafer就是放在這個工作臺上進(jìn)行曝光的。因為一個產(chǎn)品不可能只曝一層就可以了，這就需要每一層之間的overlay要非常小，不至于產(chǎn)品報廢。Stage的工作精度是保證Overlay的重要因素之一。為什么說“之一”呢？因為曝光的過程是各個module合作的結(jié)果，要每一個module都很好才能生產(chǎn)出合格的產(chǎn)品。除了stage，alignment系統(tǒng)和Lens的畸變都會影響到Overlay的結(jié)果。
Stage都有那些東西呢？首先要有水平方向移動的驅(qū)動部件，比較老的機器如G6和I8等stepper都是有刷電機帶動絲桿，等到先進(jìn)一點的機器如I14，就發(fā)展到用線性馬達(dá)驅(qū)動了，stage使用的是氣浮臺，阻力比絲桿小很多，這樣速度也就上去了。除了水平方向，垂直方向也要可以動作，這樣才能保證wafer在lens的焦面上工作。熟悉老的機器的TX知道WS專門有一個叫Z-stage的組成部分，它是chuck下面有一個楔形機構(gòu)，用一個馬達(dá)拖動，通過這個楔形機構(gòu)使水平運動轉(zhuǎn)化為垂直運動。等到更先進(jìn)一點的機器，從I12開始，Z-stage和leveling stage集成到一起，在chuck底下平均分布這三個帶楔形機構(gòu)的馬達(dá)，叫Z-thita馬達(dá)，這三個馬達(dá)向同一方向運動，就能達(dá)到Z方向運動的目的，向不懂方向運動，就可以補償leveling。什么叫l(wèi)eveling？就是找到水平面。這個水平面不是絕對水平面，而是焦面。lens的焦面不可能做到完全水平，多多少少會有一點傾斜，而且wafer表面經(jīng)過多層工藝，表面上已經(jīng)是高低不平，所以每次曝光之前都要把這個水平面找到，在leveling系統(tǒng)和leveling stage的共同作用下，補償這個offset。
除了X，Y，Z(Z-stage)，Rx，Ry(leveling stage)方向的運動，Rz方向也需要的。Rz也就是rotation，補償?shù)氖莣afer的rotation。一片wafer放到stage上面，不可能每次都放的非常準(zhǔn)，多多少少有一點偏差，XY方向可以用stage的位置來補償，rotation就要靠thita stage來補償了。這個stage設(shè)計的有點傻，它的旋轉(zhuǎn)支點不在wafer正中間，這樣造成補償thita時候，XY方向也跟著變化。后來的機器（i12開始），就取消了這個stage，直接用reticle rotation來補償了。
NIKON的stage是一種塔狀設(shè)計，最底層是XY方向運動的stage，上面是Z-stage，再上面一層就是leveling stage，再上面就是Theta stage，然后就是chuck了。但是從i12開始，Leveing staage和theta stage被取消了，這樣就精簡了很多，所以i12以后的設(shè)計還是比較科學(xué)的。
上面介紹了一些stage硬件構(gòu)成，但是僅僅這些馬達(dá)不能使stepping精度到達(dá)um級別，甚至nm級別（在scanner出現(xiàn)以后，stage的精度需要到nm級別了）。閉環(huán)控制很重要的一環(huán)就是要有反饋，反饋從哪里來的呢？當(dāng)然是測量系統(tǒng)給出來的。Stage的stepping精度取決于測量系統(tǒng)和馬達(dá)的配合。所有的stage的水平方向的運動都是靠HP干涉計來確定的（不管是NIKON還是ASML，CANON都是用HP interferometer，別無二家），它的原理就是邁克爾遜干涉儀和多普勒效應(yīng)，有興趣的可以百度一下。最剛開始G6或者g7只用兩根激光，X和Y方向各一根，越往后激光用得越多，到后來聽說要達(dá)到十幾根，那時候的控制已經(jīng)是非常復(fù)雜了，超出我所能理解的范疇了。
Reticle stage的設(shè)計就沒有那么復(fù)雜了，它的作用就是找到reticle的mark，把它對準(zhǔn)到lens上的reference上，這樣就相當(dāng)于reticle的中心在lens中心了。NIKON的RS有三個馬達(dá)，只做水平運動，一個X方向，兩個Y方向，這樣兩個Y方向馬達(dá)控制reticle的ratate
Alignment系統(tǒng)，包括reticle alignment和wafer alignment，最終目的其實就是為了找到reticle的中心，通過鏡頭的投射，和wafer shot的中心重合。對于G6這種時代的老機器，reticle alignment比較簡單。假設(shè)lens為不動，在lens邊上安裝有兩個或者三個reticle alignment sensor（取決于機型），這兩個sensor機械位置的中心就認(rèn)為是lens的中心，reticle送到RS上以后，就會search reticle mark，找到sensor的位置，然后把reticle mark對準(zhǔn)到這些RA sensor上。對準(zhǔn)的原理是跟auto focus一樣的基準(zhǔn)波和倍周波信號，搞過NIKON的都應(yīng)該知道，具體請看manual。等到mark都對準(zhǔn)到sensor上，reticle alignment就認(rèn)為結(jié)束了，但是sensor有一個誤差范圍，為了知道這個誤差，用stage上的fidicual mark來check reticle在Y方向的誤差，就能知道reticle的rotation了。
NIKON 鏡頭溫度要求保持在23°，ASML為22°，為了實現(xiàn)這個目的，機器在鏡頭周圍做了一個與外界隔離的chamber，控制這個charmber的溫度保持在23。同時，鏡頭周圍會有cooler，老機器如G6,G7等用LATC（Lens Air Temp. Control), 較新一點的機器就用LLTC(Lens Liquid Temp. Control)了，使用FC77作為熱傳導(dǎo)的介質(zhì)，控制FC77的溫度在23°，然后將液體循環(huán)到Lens cooler里面，從而達(dá)到穩(wěn)定溫度的作用。
實現(xiàn)chamber溫度的穩(wěn)定，需要一個大大的空調(diào)系統(tǒng)，跟我們家用空調(diào)原理一樣，需要壓縮機，冷凝器，蒸發(fā)器還有氟利昂，有時候溫度達(dá)不到要求，就要考慮是不是要加點氟利昂了。"
此文章由炬豐科技提供，如需轉(zhuǎn)載，請聯(lián)系作者報備
?
