เทคโนโลยีและอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์: เทคโนโลยีและอุปกรณ์การพิมพ์หิน

ส่วนที่หนึ่ง: กระบวนการพิมพ์หิน

Photolithography เป็นเทคนิคการถ่ายโอนรูปแบบ โดยลวดลายบนแผ่นมาส์กจะถูกถ่ายโอนไปยังเวเฟอร์ซิลิคอนที่เคลือบด้วยโฟโตรีซิสต์ (หรือโฟโตรีซิสต์) และส่วนเฉพาะของฟิล์มบนพื้นผิวของเวเฟอร์ซิลิคอนจะถูกกำจัดออกโดยชุดการผลิต ขั้นตอน

เทคโนโลยีการพิมพ์หินเป็นเทคโนโลยีเซมิคอนดักเตอร์หลักที่พัฒนาขึ้นบนพื้นฐานของเทคโนโลยีการถ่ายภาพและเทคโนโลยีการพิมพ์แบบเรียบ เข้าใจง่ายว่าการผลิตวงจรรวมคือการผลิตอุปกรณ์หลายร้อยล้านเครื่องเป็นชุด ๆ บนพื้นที่ไม่กี่ตารางเซนติเมตรและโครงสร้างของแต่ละอุปกรณ์ก็ค่อนข้างซับซ้อนดังแสดงในรูปต่อไปนี้ดูเหมือนจะเป็นเรื่องยาก เพื่อเคลียร์โครงสร้างภายในของชิป

ความหนาแน่นของการผลิตนี้เทียบเท่ากับการผลิตทรานซิสเตอร์หลายสิบล้านตัวในพื้นที่หน้าตัดของเส้นผมมนุษย์

ส่วนที่สอง: อุปกรณ์การพิมพ์หิน

เครื่องพิมพ์หินมีมาตั้งแต่ปี 1960 เทคนิคการพิมพ์หินในยุคแรกๆ ไม่ใช่สิ่งที่ยากเป็นพิเศษ อย่างไรก็ตาม ความกว้างของเส้นที่จำเป็นสำหรับการพิมพ์หินในขณะนั้นก็อยู่ในระดับไมครอน ดังนั้นเครื่องพิมพ์หินจึงเรียบง่ายมาก แม้ว่า Intel จะถอดเลนส์กล้อง 16 มม. ออกโดยตรงก็สามารถใช้เลนส์กล้องได้ มีเพียงไม่กี่บริษัท เช่น GCA, K&S และ Kasper ที่ผลิตอุปกรณ์ดังกล่าวจำนวนหนึ่ง และเครื่องพิมพ์หินก็ไม่ใช่เทคโนโลยีขั้นสูงเลย และไม่ได้ซับซ้อนไปกว่ากล้องมากนัก

อย่างไรก็ตาม เนื่องจากจำนวนทรานซิสเตอร์ยังคงเพิ่มขึ้นเป็นสองเท่า ความแม่นยำในการรับแสงอย่างรวดเร็วจากไม่กี่ไมครอนไปจนถึงสองสามในสิบของไมครอน ดังนั้นเครื่องพิมพ์หินธรรมดาเหล่านี้จึงยากที่จะตอบสนองความต้องการ และปัญหาก็เพิ่มมากขึ้นเรื่อยๆ หลังจากที่ทรานซิสเตอร์มากขึ้น การเชื่อมต่อโครงข่ายได้เพิ่มขึ้นมาก ความจำเป็นในการเชื่อมต่อโลหะหลายชั้น ชั้นโลหะจะต้องซ้อนกันบนชั้นกลาง ความต้องการกราฟิกแสงที่แตกต่างกันบนการเดินสายชั้นกลาง ความต้องการที่แตกต่างกัน ฝาครอบแสงที่เปิดรับแสงซ้ำๆ ดังนั้นความแม่นยำในการจัดตำแหน่งซ้ำๆ จึงกลายเป็นปัญหาใหญ่ เช่นเดียวกับอาคาร แต่ละชั้นจะต้องจัดตำแหน่งขึ้นและลง ไม่สามารถครอบคลุมฝาครอบเฉียงได้ ในกระบวนการวงจรรวม ความแม่นยำนี้จำเป็นต้องมีความแม่นยำสูงถึงระดับนาโนเมตร...

ในเวลานี้ เครื่องพิมพ์หินได้มาจากอุปกรณ์ที่เรียบง่ายในยุคแรก ๆ ไปสู่คอลเลกชั่นปัจจุบันของเลนส์ที่มีความแม่นยำ เลเซอร์ ฟิสิกส์ของไหล แม่เหล็กไฟฟ้า การควบคุมความแม่นยำ การตัดเฉือน ข้อมูลอิเล็กทรอนิกส์ วงจรอิเล็กทรอนิกส์ เคมี และสาขาวิชาอื่น ๆ อีกหลายสิบสาขาของการตัด -เทคโนโลยีล้ำสมัยในหนึ่งเดียว ปัจจุบันเป็นอุปกรณ์อุตสาหกรรมที่ซับซ้อนและมีราคาแพงที่สุด เครื่องจักรการพิมพ์หินระดับไฮเอนด์ของ ASML ขายได้ในราคามากกว่า 100 ล้านเหรียญสหรัฐ เทียบได้กับเครื่องบิน เครื่องพิมพ์หินในยุคแรกเรียกว่า Mask Aligner ซึ่งหมายถึงการเปิดรับแสงของตัวจัดตำแหน่งหน้ากาก และตอนนี้คำว่าการพิมพ์หินใช้เพื่ออ้างถึงเครื่องพิมพ์หินและกระบวนการพิมพ์หิน

ต่อไปนี้เป็นประเภทหลักของเครื่องพิมพ์หิน และคำอธิบายโดยย่อเกี่ยวกับคุณลักษณะหลักของแต่ละประเภท ลำดับจะจัดเรียงในลักษณะของการปรับปรุงเทคโนโลยีอย่างค่อยเป็นค่อยไป และการทำความเข้าใจเทคโนโลยีการพิมพ์หินจากง่ายไปลึกจะเป็นประโยชน์

1. เครื่องจัดตำแหน่งหน้ากาก
2. ติดต่องานถ่ายภาพ
3. การพิมพ์หินด้วยแสง Stepper
4. การพิมพ์หินของ Sacnner
5. การแช่
6. DUV/EUV

ด้านล่างนี้เราจะแนะนำรายละเอียดของเครื่องพิมพ์หินแต่ละเครื่อง

หน้ากากของอลิเกอร์

เป็นแอปพลิเคชั่นการพิมพ์หินที่ตรงที่สุด การเปิดรับแสงสำหรับการจัดตำแหน่งหน้ากากที่ง่ายที่สุดอาจเป็นอุปกรณ์ "แบบแมนนวล" ในภาพด้านล่าง โดยที่การจัดตำแหน่งมาส์กทำได้โดยใช้กล้องจุลทรรศน์และการปรับด้วยตนเอง และดำเนินการถ่ายภาพหินผ่านการรับแสง

ติดต่องานถ่ายภาพ

การพิมพ์หินแบบสัมผัสคือการพิมพ์หินโดยใช้เครื่องปรับเทียบหน้ากาก เครื่องมือจัดตำแหน่งหน้ากากมีโครงสร้างเครื่องมือหลักสองโครงสร้าง: ที่จับหน้ากากและที่จับเวเฟอร์ ที่ยึดหน้ากากถูกกลึงให้มีพื้นผิวเรียบมากซึ่งมีการยึดโฟโตมาสก์ด้วยสุญญากาศ ที่ยึดเวเฟอร์ซึ่งมีการตัดเฉือนให้เรียบมากก็ถูกดูดฝุ่นเพื่อให้เวเฟอร์อยู่กับที่ เครื่องมือนี้ช่วยให้แน่ใจว่าพื้นผิวของทั้งสองส่วนยังคงขนานกันระหว่างการทำงาน สามารถเลื่อนที่วางเวเฟอร์ขึ้นไปบนที่วางหน้ากากได้ เพื่อใช้แรงที่แปรผันเพื่อให้เวเฟอร์สัมผัสกับหน้ากากได้ ตำแหน่งพื้นผิวของหัวจับชิปสามารถปรับให้เรียบที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ด้วยมาส์กเพื่อให้ได้ผลลัพธ์ที่ดีที่สุด สิ่งนี้เรียกว่าการชดเชยข้อผิดพลาดของลิ่ม เมื่อแผ่นเวเฟอร์และมาส์กเข้าที่แล้ว สามารถรับแสงได้โดยเปิดชัตเตอร์บนโป๊ะโคม ภายในโป๊ะโคมมีโคมไฟอาร์คปรอทและเลนส์ที่เกี่ยวข้อง ซึ่งจะช่วยให้แถบรังสียูวีที่ได้รับการควบคุมที่เลือกไว้เผยให้เห็นหน้ากากและแผ่นเวเฟอร์

การพิมพ์หินแบบสเต็ปเปอร์

การพิมพ์หินแบบสเต็ปเปอร์ใช้สำหรับชิปที่มีขนาดเล็กและละเอียดกว่า โดยการปรับตำแหน่งของเวเฟอร์ในลักษณะก้าวหน้า โดยแสดงภาพซ้อนบนเวเฟอร์แผ่นเดียว หรือเรียกอีกอย่างว่าขั้นตอนและทำซ้ำระบบ

การพิมพ์หินของ Sacnner

เครื่องมือพิมพ์หินสำหรับการฉายภาพมีสองประเภทกว้างๆ ได้แก่ ระบบการสแกนและระบบขั้นและทำซ้ำ

การพิมพ์การฉายภาพด้วยการสแกนบุกเบิกโดย Perkin-Elmer [1.5] โดยใช้เลนส์สะท้อนแสง (เช่น กระจก แทนที่จะเป็นเลนส์) เพื่อฉายแสงจากช่องในหน้ากากไปยังแผ่นเวเฟอร์ เมื่อทั้งหน้ากากและแผ่นเวเฟอร์ถูกเคลื่อนด้วยช่องในเวลาเดียวกัน . ปริมาณการฉายรังสีถูกกำหนดโดยความเข้มของแสง ความกว้างของรอยกรีด และความเร็วในการสแกนแผ่นเวเฟอร์ ระบบสแกนในยุคแรกๆ เหล่านี้ใช้แสงหลากสีจากหลอดปรอทที่มีอัตราส่วน 1:1 ซึ่งหมายความว่าหน้ากากและรูปภาพมีขนาดเท่ากัน

กล้องสเต็ปเปอร์และกล้องทำซ้ำ (เรียกสั้น ๆ ว่าสเต็ปเปอร์กล้อง) เผยให้เห็นส่วนสี่เหลี่ยมของเวเฟอร์ (เรียกว่าช่องภาพ) ในคราวเดียว 1:1 หรือลดขนาดลง ระบบเหล่านี้ใช้เลนส์หักเห (เช่น เลนส์) และมักจะเป็นแบบกึ่งสีเดียว ระบบทั้งสองประเภท (รูปที่ 1-5) สามารถถ่ายภาพความละเอียดสูงได้ แม้ว่าความละเอียดสูงสุดจะต้องอาศัยการถ่ายภาพเพื่อการฟื้นฟูก็ตาม

ในช่วงกลางทศวรรษ 1970 เครื่องสแกนเข้ามาแทนที่การพิมพ์ระยะใกล้สำหรับอุปกรณ์ที่มีขนาดเล็กกว่า 4 ถึง 5 μm ในช่วงต้นทศวรรษ 1980 เมื่อการออกแบบอุปกรณ์ถูกดันให้ต่ำกว่า 2 μm สเต็ปเปอร์ก็เริ่มมีอิทธิพลเหนือ ด้วยขนาดคุณสมบัติขั้นต่ำถึงระดับ 250 นาโนเมตร steppers ยังคงครองการพิมพ์หินตลอดช่วงทศวรรษ 1990 อย่างไรก็ตาม ในช่วงต้นทศวรรษ 1990 SVG Lithography ซึ่งเป็นผู้สืบทอดต่อจาก Perkin-Elmer ได้แนะนำวิธีการสแกนแบบขั้นตอนแบบไฮบริด

วิธีการสแกนขั้นตอนใช้ส่วนเล็กๆ ของแนวทางขั้นตอนปกติ (เช่น 25 มม. x 8 มม.) จากนั้นสแกนฟิลด์นั้นในทิศทางเดียวเพื่อให้เห็นมาส์กลดขนาด 4 เท่าทั้งหมด จากนั้นย้ายเวเฟอร์ไปยังตำแหน่งใหม่แล้วสแกนซ้ำ พื้นที่การถ่ายภาพที่เล็กลงทำให้การออกแบบและการผลิตเลนส์ง่ายขึ้น แต่ต้องแลกมาด้วยค่ารูรับแสงและแผ่นเวเฟอร์ที่ซับซ้อนมากขึ้น เทคโนโลยีการสแกนขั้นตอนเป็นเทคโนโลยีตัวเลือกแรกสำหรับการผลิตที่มีขนาดต่ำกว่า 250 นาโนเมตรในปัจจุบัน

การพิมพ์หินแช่

การพิมพ์หินแบบจุ่มเป็นเทคนิคการปรับปรุงการพิมพ์หินที่แทนที่ช่องว่างอากาศตามปกติระหว่างชิ้นเลนส์สุดท้ายและพื้นผิวของตัวต้านทานแสงด้วยตัวกลางของเหลวที่มีดัชนีการหักเหของแสงมากกว่า 1 ความยาวคลื่นที่น้อยกว่าในของเหลวทำให้สามารถถ่ายภาพคุณสมบัติที่มีขนาดเล็กลงได้ ซึ่งปัจจุบันใช้น้ำเป็นของเหลว . เทคโนโลยี Immersion เปิดตัวครั้งแรกโดย Carl Zeiss ในปี 1880 เพื่อปรับปรุงความละเอียดของกล้องจุลทรรศน์แบบใช้แสง ในช่วงทศวรรษที่ 1980 เทคโนโลยีการแช่ได้ถูกนำมาใช้ในการพิมพ์หินสมัยใหม่ ตั้งแต่ปี 2002 Immersion เติบโตอย่างรวดเร็วอย่างไม่น่าเชื่อ

DUV/EUV

ระบบการพิมพ์หินได้พัฒนาจากความยาวคลื่นสีน้ำเงิน (436 นาโนเมตร) ไปจนถึงอัลตราไวโอเลต (UV:อุตราไวโอเลต, 365 นาโนเมตร) ไปจนถึงอัลตราไวโอเลตระดับลึก (DUV:อัลตราไวโอเลตลึก, 248 นาโนเมตร) มาเป็นความยาวคลื่นความละเอียดสูงกระแสหลักในปัจจุบันที่ 193 นาโนเมตร ด้วยการพัฒนาเครื่องมือฉายภาพและเทคโนโลยีอื่นๆ เทคโนโลยี DUV สามารถใช้เพื่อสร้างคุณสมบัติที่มีขนาดเล็กกว่า 100 นาโนเมตรได้ ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา ด้วยการใช้เทคโนโลยีออฟเซ็ตแบบทับซ้อนกัน เทคโนโลยี DUV ก็ยังคงก้าวหน้าอย่างต่อเนื่อง และกำลังการผลิตก็ลดลงอย่างต่อเนื่องเหลือ 50 นาโนเมตร 28 นาโนเมตร และแม้กระทั่ง 7 นาโนเมตร การพิมพ์หินอัลตราไวโอเลตขั้นรุนแรงเป็นเทคนิคการเอ็กซ์เรย์ที่มีความยาวคลื่น 13.5 นาโนเมตร เครื่องสแกน EUV ในปัจจุบันสามารถบรรลุความละเอียดที่ต่ำถึง 22 นาโนเมตร half-pitch ในระบบ แหล่งกำเนิดแสง EUV ใช้เลเซอร์กำลังสูงเพื่อสร้างพลาสมา ซึ่งจะช่วยปล่อยแสงความยาวคลื่นสั้นในห้องสุญญากาศ

Fountyl Technologies PTE Ltd มุ่งเน้นไปที่อุตสาหกรรมการผลิตเซมิคอนดักเตอร์ ผลิตภัณฑ์หลัก ได้แก่: Pin chuck, หัวจับเซรามิกที่มีรูพรุน, เอฟเฟกต์ปลายเซรามิก, คานสี่เหลี่ยมเซรามิก, แกนหมุนเซรามิก ยินดีต้อนรับสู่การติดต่อและการเจรจา！