1. Fotolithografie-Prozess

Photolithographieanlagen sind Kernausrüstungen in der Halbleiterindustrie und werden hauptsächlich zur Herstellung von Mikrostrukturen auf Chips eingesetzt. Sie projizieren Muster von Fotomasken auf Siliziumwafer und bestrahlen die Waferoberfläche mit ultraviolettem Licht, um winzige Mikrostrukturen zu erzeugen.^[1].

Eine Lithografiemaschine besteht aus drei Hauptmodulen: dem optischen System, dem mechanischen System und dem Steuerungssystem. Ausgestattet mit Belichtungslichtquellen, Linsen, Reflektoren und weiteren optischen Komponenten projiziert das optische System Mikrostrukturen von Fotomasken auf die Oberfläche von Siliziumwafern. Das mechanische System umfasst Werkstückträger, Bewegungssteuerungssysteme, automatische Ausrichtungssysteme und weitere Vorrichtungen zur präzisen Positionierung und Bewegungsbahn der Siliziumwafer. Das Steuerungssystem besteht aus Computern und zugehöriger Steuerungssoftware, die eine einheitliche Planung des gesamten Maschinenbetriebs und der Belichtungsvorgänge ermöglicht. Das optische System ist die Kernkomponente der Lithografiemaschine. Belichtung und Entwicklung sind die beiden kritischsten Prozesse im gesamten Lithografie-Workflow.

Belichtung bezeichnet den Prozess der Projektion von Fotomaskenmustern auf Siliziumwafer mithilfe des optischen Systems. Fotolacke werden in positive und negative Typen unterteilt (die schematische Darstellung eines negativen Fotolacks befindet sich links, die eines positiven Fotolacks rechts).^[1]Positive Fotolacke reagieren unter UV-Bestrahlung photochemisch; die belichteten Bereiche können durch Entwickler aufgelöst werden, und die verbleibenden Strukturen entsprechen den lichtgeschützten Bereichen der Fotomaske. Negative Fotolacke vernetzen sich unter UV-Bestrahlung, wodurch die belichteten Bereiche resistent gegen die Auflösung durch Entwickler werden, und die verbleibenden Strukturen entsprechen den transparenten Bereichen der Fotomaske.

Die Entwicklung ist ein Prozess, bei dem Fotolack mithilfe eines Entwicklers selektiv aufgelöst wird, um Zielstrukturen auf dem Fotolackfilm zu erzeugen. Der Entwickler wird auf die Oberfläche des belichteten Fotolacks aufgetragen, um die entsprechenden Bereiche entsprechend den lichtempfindlichen Eigenschaften des Fotolacks selektiv aufzulösen. Nach dem Reinigen und Trocknen entsteht ein strukturierter Fotolack, der der Fotomaske entspricht. Im nachfolgenden Ätzprozess dient der Fotolack als Ätzbarriere, um den Basisfilm ohne Fotolackschutz zu ätzen und so die Strukturen auf die Waferoberfläche zu übertragen.

2. Fotolackbeschichtungsverfahren und daraus resultierende Defekte

Sowohl positive als auch negative Fotolacke spielen eine unersetzliche Rolle in der Lithographie, daher sind extrem hohe Standards für die Fotolackbeschichtung erforderlich.

Es gibt vier Fotolackbeschichtungsverfahren: manuelle Beschichtung, Schleuderbeschichtung, Sprühbeschichtung und Walzenbeschichtung. Die Schleuderbeschichtung ist derzeit das am weitesten verbreitete Beschichtungsverfahren, hauptsächlich aufgrund folgender Vorteile:

1. Hohe Beschichtungsgleichmäßigkeit; die Flüssigkeit kann automatisch in die Kapillarporen der Versuchssubstrate eindringen.

2. Kurze Beschichtungszeit, die eine schnelle Massenpräparation von Proben ermöglicht.

3. Fähig zur Bildung einschichtiger Beschichtungen auf dünnen Blechmaterialien.

Das Aufbringen von Fotolack mittels Spin-Coating ist ein wichtiger Vorbehandlungsprozess vor der Belichtung von Strukturen. Die Gleichmäßigkeit der aufgetragenen Schichten bestimmt direkt das Ergebnis der nachfolgenden Belichtungsprozesse und ist ein entscheidender Faktor für die Qualität der resultierenden Lithografiestrukturen. Der Standardprozess der Spin-Coating-Beschichtung gliedert sich in drei Phasen. Zunächst wird der Fotolack durch die Beschichtungsdüse quantitativ auf die Mitte des Wafers aufgesprüht. Anschließend rotiert der Wafer mit hoher Geschwindigkeit, wodurch sich der Fotolack durch die Zentrifugalkraft nach außen zum Waferrand verteilt und dort eine Ansammlung bildet. Die Dicke des Fotolackfilms kann durch Erhöhung der Rotationsgeschwindigkeit reduziert werden. Abschließend rotiert der Wafer weiter mit hoher Geschwindigkeit, das Lösungsmittel im Film verdunstet kontinuierlich, und es bildet sich ein gleichmäßiger und stabiler Fotolackfilm auf der Waferoberfläche.

Bei herkömmlichen Spin-Coating-Verfahren weist die Fotolackdicke entlang des Waferradius eine typische „schalenförmige“ Verteilung auf: Der Film ist in der Wafermitte etwas dicker, während er im mittleren Bereich relativ gleichmäßig ist. Durch Zentrifugalkraft und Oberflächenspannung bilden sich am äußeren Waferrand deutliche Fotolackansammlungen (Randwülste), deren Dicke deutlich über der Standardfilmdicke liegt. Diese radiale Schwankung der Filmdicke beeinträchtigt die Fokussiergenauigkeit der nachfolgenden Lithografiebelichtung und somit die Stabilität des Lithografieprozesses. Die Dickenzunahme in der Wafermitte ist gering und hat praktisch keine negativen Auswirkungen auf die Belichtung. Das Problem der Fotolackansammlung am Waferrand ist jedoch ausgeprägt; die Dicke dort ist um ein Vielfaches höher als die des Standardfilms. Überschüssiger Fotolack am Rand verteilt sich leicht auf die Waferrückseite, verunreinigt den Wafer und beeinträchtigt den gesamten Waferprozess, wie in der Abbildung unten dargestellt.

Überschüssiger Fotolack an den Rändern und der Rückseite des Wafers beschädigt nicht nur die Beschichtungs- und Entwicklungsanlagen, sondern beeinträchtigt auch die Belichtungsmaschinen und kann sogar Anlagen außerhalb des Lithografiebereichs kontaminieren. Aufgrund dieser gravierenden Auswirkungen ist ein spezielles Verfahren zur Entfernung von Randperlen (Edge Bead Removal, EBR) erforderlich, um den überschüssigen Fotolack an den Rändern zu entfernen, die Lithografie abzuschließen und die Produktionsanlagen zu schützen. Die EBR-Behandlung kann durchgeführt werden, nachdem der Fotolack auf dem Wafer zu einem stabilen Film ausgehärtet ist.

3. Fotolack-Kantenreparatur

In der Industrie werden zwei gängige EBR-Lösungen zur Fotolackrandreparatur eingesetzt, die jeweils Vor- und Nachteile aufweisen.

3.1 Chemische EBR

Nach dem Beschichten und Vorbacken sprüht Chemical EBR Kantenentferner (PGMEA oder EGMEA) auf die Vorder-, Fase- und Rückseitenbereiche des Wafers. Die Abdeckung des Lösungsmittels muss während des Betriebs streng kontrolliert werden, um ein Eindringen in den gültigen strukturierten Bereich des Fotolacks zu vermeiden.^[2]Dieses Verfahren löst Randfilme mithilfe eines Lösungsmittels auf. Neben dem Entfernen von Randfotolack können gleichzeitig Reste der Antireflexionsbeschichtung beseitigt und Fotolackablagerungen auf der Wafervorder-, -rück- und -rückseite bearbeitet werden. Es ist mit allen Fotolacktypen unabhängig von ihrer Lichtempfindlichkeit kompatibel. Allerdings führt der Flüssigkeitsfluss zu ungleichmäßigen Abtragprofilen an den Rändern, und es besteht die Gefahr, dass das Lösungsmittel eindringt und intakte Strukturen beschädigt. Aufgelöste Fotolackreste können leicht zu Partikelverunreinigungen führen. Zudem verursacht der kontinuierliche Verbrauch hochreiner organischer Lösungsmittel relativ hohe Kosten für Verbrauchsmaterialien und die Entsorgung der Abwässer.

3.2 Optische EBR (Wafer Edge Exposure, WEE)

Optisches EBR, auch bekannt als Wafer Edge Exposure (WEE), wird entweder nach dem Beschichten und Vorbacken vor der Belichtung der Hauptstruktur oder nach der Belichtung der Hauptstruktur durchgeführt. Laser bestrahlen den Waferrandbereich, um photochemische Reaktionen auf dem bestrahlten Fotolack auszulösen, der sich im nachfolgenden Entwicklungsprozess synchron mit den belichteten Strukturen auflöst.^[3]Optisches EBR benötigt keine chemischen Lösungsmittel, gewährleistet eine hohe Reinheit der Waferoberfläche, erzeugt gleichmäßige Belichtungsgrenzen, eliminiert das Risiko der Flüssigphasenerosion auf intaktem Fotolack und reduziert die Verbrauchskosten bei der Einzelwaferbearbeitung. Seine Einschränkung besteht darin, dass es nur fotoempfindliche Fotolacke verarbeiten und nicht fotoempfindliche Antireflexbeschichtungen nicht entfernen kann.^[4].

4. Optischer Wafer-Kantenbelichtungsprozess

Die Prozessstabilität der optischen Elektronenstrahllithographie (EBR) stellt hohe Anforderungen an Lasersysteme, wobei die Wahl der Lichtquellenwellenlänge entscheidend ist. Für gängige i-Linien-Lithographieprozesse (365 nm) werden in der Regel 355-nm-Ultraviolettlaser eingesetzt. Diese Wellenlänge ist optimal auf die Lichtabsorptionseigenschaften kommerzieller i-Linien-Fotolacke abgestimmt und ermöglicht die stabile Auslösung der gewünschten photochemischen Reaktionen. Zudem zeichnen sich 355-nm-Laser durch einen ausgereiften industriellen Einsatz, eine stabile Ausgangsleistung und eine geringe Photoalterung der optischen Komponenten aus. Darüber hinaus können sie verschiedene Defekte reduzieren, die durch Photodegradation der Dünnschicht und Streulicht entstehen. Tief-Ultraviolettlaser mit 266 nm Wellenlänge sind nur mit KrF-Fotolacksystemen (248 nm) kompatibel und werden nicht für Standard-g/i-Linien-Prozesse verwendet. Eine direkte Anpassung an i-Linien-Fotolacke führt zu einer Überbelichtung der Oberflächenschicht und einer unzureichenden Lichtempfindlichkeit der unteren Schicht, wodurch Fotolackreste zurückbleiben. Zusätzlich weisen Laser dieser Wellenlänge eine geringe Frequenzverdopplungseffizienz, eine begrenzte Lebensdauer der optischen Komponenten und ein enges Prozessfenster auf.

Um den Anforderungen an die Lichtquelle von Optical EBR gerecht zu werden, RealLight unabhängig entwickelt Mikrochip-Laser der MCC-Serie. Der MCC RealSubns® Mikrochip-Laser Sie zeichnen sich durch eine ideale, extrem schmale Pulsbreite und hohe Einzelpulsenergie aus. Als passiv gütegeschaltete, diodengepumpte Festkörperlaser liefern sie saubere Pulsformen ohne Nachpulse, eine stabile Einzelpulsenergie und eine exzellente Strahlqualität. Das Schaltbild und Fotos der Laser sind unten abgebildet.

Der Laser verwendet ein passiv gütegeschaltetes Design mit gebundenen Nd:YAG- und Cr:YAG-Kristallen, entsprechend dem firmeneigenen Verfahren. Mikrochip-Laser technischer Weg von RealLightWir verfügen über umfassende technische Expertise in den relevanten Prozessen, was eine lange Lebensdauer, hohe Stabilität und einen Betrieb in einem breiten Temperaturbereich ermöglicht. Ein im Laser integrierter thermoelektrischer Kühler sorgt für eine konstante Betriebstemperatur und ermöglicht so den Einsatz in Umgebungen mit hohen und niedrigen Temperaturen.

Der MCC-Serie Umfasst fünf Wellenlängen: 1064 nm, 532 nm, 355 nm, 266 nm und 213 nm. Mikrochip-Laser aus RealLight Unterstützt interne und externe Triggerung. Die synchrone Steuerung im externen Triggermodus ermöglicht die Anbindung an Waferrotations- und Positionierungssysteme. Laser mit 355 nm und 266 nm unterstützen Wiederholraten von 1 kHz, 5 kHz, 10 kHz und 20 kHz mit einer maximalen Einzelpulsenergie von 20 μJ und einer Pulsdauer von 650 ps. Die Tabelle der technischen Parameter finden Sie hier. Mikrochip-Laser wird unten dargestellt. Darüber hinaus bieten wir kundenspezifische Laser mit hoher Wiederholrate bei 355 nm und 266 nm für Fotolackreparaturanwendungen mit Wiederholraten von bis zu 20 kHz bzw. 30 kHz an.

Mit der kontinuierlichen Weiterentwicklung von Halbleiterprozessknoten wächst die Marktnachfrage nach Wafer-Fotolack-Randreparatur (EBR) stetig. Diese zeichnet sich durch hohe Zuverlässigkeit, kompakte Größe und niedrige Kosten aus. RealLightDie Produkte von [Unternehmen] werden die technische Weiterentwicklung der Wafer-Kantenbelichtung (WEE) kontinuierlich vorantreiben. Die optische EBR-Technologie soll die durch chemische Lösungsmittel verursachte Umweltbelastung und den Verbrauch von Verbrauchsmaterialien reduzieren, Prozessfehler an den Waferrändern optimieren und die Qualität von Lithographieprozessen steigern sowie deren Kosten senken. Wir freuen uns auf ihre weitere Entwicklung.

RealLight ist ein Hightech-Unternehmen, das sich auf die Forschung und Entwicklung, die Produktion und den Vertrieb von Halbleiterlasern konzentriert. Mikrochip-LaserDas Unternehmen entwickelt und produziert Erbiumglaslaser, Hochleistungs-Festkörperlaser und zugehörige optische Komponenten. Basierend auf eigener Innovation bietet es leistungsstarke, zuverlässige und kundenspezifisch anpassbare Laserlichtquellen und Systemlösungen für Radarentfernungsmessung, Analysegeräte, Biomedizin, wissenschaftliche Forschung und Laserbearbeitung. Zudem bietet es umfassende OEM/ODM-Dienstleistungen für Anpassung und Entwicklung.

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Referenzen

[1] icguide. Schritt-für-Schritt-Anleitung zum Funktionsprinzip von Lithographiemaschinen [EB/OL]. 12.04.2024.

[2] Laura Peters. Kantenbehandlung ist entscheidend für Hartmasken[J]. Anwendungen integrierter Schaltungen, 2007(10):29.

[3] Detaillierte Erklärung des Halbleiter-Photolithographieprozesses. Elektronische Lüfter. 10.11.2025.

[4] Wei Yiyi. Fortschrittliche Lithographietheorie und Anwendungen für VLSI. Peking: Science Press, 2016:35-36, 39-40.