ASML reduceert duv-overlayfouten tot onder de 1 nanometer

Balancerend tussen precisie en productiviteit heeft ASML de doorvoer van zijn duv-machines verhoogd tot 295 wafers per uur, terwijl het een mijlpaal voor overlayfouten bereikte van 1 nanometer in zijn nieuwe Twinscan NXT:2050i. De eerste vijftien systemen zijn inmiddels verscheept.

René Raaijmakers
12 april

ASML blijft de overlay in zijn meest geavanceerde immersiescanners verbeteren. Sinds de introductie van het NXT:1950i-platform in 2010 daalde de overlayfout van 3 nanometer naar 1,4 nanometer op het NXT:2000i-systeem van twee jaar geleden. Tegelijkertijd steeg de doorvoer op deze deep uv-scanners van 175 naar 275 wafers per uur.

‘Zoals altijd in onze markt moest het nog beter’, zegt Bart Paarhuis, die tijdens de online conferentie High-Tech Systems 2021 de meest recente overlayresultaten presenteerde op ASML’s nieuwste duv-scanner. ‘Klanten vroegen om extra verbeteringen. De logicafabrikanten willen een betere matching tussen duv- en euv-lagen voor hun 3 nm-node. Onze geheugenklanten vragen om een betere overlay. En allemaal willen ze een hogere productiviteit.’

Om aan deze vraag te kunnen voldoen, introduceerde ASML de NXT:2050i met als belangrijkste kenmerken een thermisch verbeterde waferhandler, een nauwkeurigere waferstage, een slijtvaste wafertafel, een verbeterde lichtbron, een nieuw immersiehoedje en een 2050-projectielens met verminderde overlayfouten. De reticlestage vervormt de reticle nu minder tijdens het klemmen. Ook hebben de Veldhovenaren veel softwareverbeteringen doorgevoerd.

Dit plaatje illustreert de belangrijkste parameters voor de precisie van lithografiescanners. Een belangrijke taak is het afbeelden van lijnen en tussenruimtes van masker naar wafer. Bepalende parameters hierbij zijn de critical dimension (de breedte van de lijn), de pitch (de afstand tussen de lijnen) en de rechtheid van elk van de lijnen – bij elkaar weergegeven in groen. De tweede factor is de horizontale plaatsingsfout tussen de lagen, de overlay. Die beïnvloedt de kwaliteit van een chip sterk. De structuren die door de plaatsingsfouten worden beïnvloed, zijn in het rood aangegeven.

Voor de ontwikkeling van deze nieuwe immersiescanner werkte ASML samen met verschillende teams en leveranciers aan onder meer de nieuwe waferhandler (met VDL), de waferstage (VDL en Kyocera), de wafertafel (Berliner Glass), de productie van het immersiehoedje (AAE), een nieuwe reticlestage (ASML Wilton) en de projectielens (Zeiss). Cymer en het Japanse Gigaphoton leverden een pulsstretcher voor de lasers die de invloed van het spikkelpatroon (speckle) verminderde, wat resulteerde in minder ruwe lijntjes. Het softwareteam van ASML zorgde voor de vereiste software-inspanningen rond metingen, analyse en controles.

Pudding

Als we inzoomen tot op het moleculaire niveau van een lithografische machine, zien we geen starre structuur maar een pudding, een samenhangend geheel van elastisch bewegende onderdelen. Lenzen, frame, stage, sensoren, de wafers: op nanoniveau gedraagt alles zich als rubber. Deze microscopische dynamiek maakt de foutloze productie van nanochips steeds moeilijker. Het printen van kleinere details is al een uitdaging; het plaatsen van miljarden minuscule onderdelen waar ze nodig zijn, is nog veel ingewikkelder.

Het correct en voorspelbaar stapelen van pakweg zestig verschillende lagen is een absolute voorwaarde voor een goed werkende chip. Dit komt samen in het concept overlay: de nauwkeurigheid waarmee een lithografische scanner miljarden structuren in een laag correct boven op de miljarden elementen van de vorige laag weet te plaatsen. ‘Als je een overlayfout maakt, heb je minder contactoppervlak tussen de features in de lagen. Dat zorgt voor meer weerstand, en dus voor minder snelheid en meer energieverbruik’, legt Paarhuis uit. Hoe beter de overlay, hoe beter de opbrengst en de chipprestaties. Paarhuis: ‘Klanten splitsen lagen momenteel op in meerdere belichtingen waardoor de overlayperformance van onze machines nog kritieker is.’

Dit plaatje toont de resultaten van de dedicated chuck overlay (dco), een van de tests die ASML gebruikt om de overlayprestaties te meten. Met behulp van een speciaal overlaymasker met zeven bij zeven meetpatronen, drukt de scanner negenenveertig van deze merkjes af in de eerste laag van één belichtingsveld. Deze markeringen kunnen later worden uitgelezen met behulp van de uitlijnsensor. Dit wordt herhaald voor de volgende laag. Met behulp van de sensor worden de posities in laag 1 en laag 2 vergeleken en dit resulteert in een schema waarin de overlayfouten worden uitgezet als vectoren van de gemeten locaties. De grafiek toont maximale overlayfouten van 0,8 en 0,7 nm voor de beste dco-wafers op de NXT:2050.

Estafette

In het verleden werden kritieke lagen belicht op optische scanners met diep ultraviolet (duv) laserlicht. Tegenwoordig wordt een deel van deze lagen belicht met extreem ultraviolet licht (euv). ASML claimt dat zijn euv-machines de wet van Moore ook na het volgende decennium in stand zullen houden. Deze voortdurende krimp legt een behoorlijke druk op de overlay-eisen.

In de meest geavanceerde fabrieken worden de eerste lagen op kale siliciumplakken opgebouwd met euv-lithografie. Daarna gaan duv-immersiescanners aan de slag, gevolgd door droge duv-systemen en oudere generaties machines voor de minder kritieke lagen.

Zoals in elke estafetterace komt het doorgeven van het stokje heel nauw. In chipproductie vraagt vooral de overgang van euv naar duv veel aandacht. ‘We moeten zorgen voor een perfecte overlay tussen een laag die wordt belicht op een euv-scanner en een volgende laag die wordt belicht op een duv-scanner’, zegt Paarhuis.

De uitdaging is om de overlay-eisen af te stemmen op de voortdurende vraag van klanten naar hogere productiviteit. Chipproductie is immers een kapitaalintensief spel met hoge risico’s en hoge opbrengsten. Meer wafers per dag betekent meer inkomsten voor ASML’s klanten. De nieuwste NXT:2050i-scanners uit Veldhoven verhogen de productiviteit tot 295 wafers per uur (van 275 in de NXT:2000i).

Op de vraag uit het publiek of het mogelijk is om nog hogere doorvoersnelheden te realiseren en zo ja, of klanten bereid zijn om daarvoor nauwkeurigheid op te offeren, brengt Paarhuis de balanceeract naar voren waarmee de engineers van ASML dagelijks bezig zijn: ‘Het verhogen van de doorvoer is vrij eenvoudig. We kunnen draaien aan de knoppen voor conditionering of de tijd om de metingen te doen. Dat verhoogt de doorvoer, maar gaat ten koste van de overlay en de focus. Klanten zijn niet geïnteresseerd in die route. Ze willen altijd een combinatie van hogere productiviteit én betere prestaties.’

Hoogtekaart

De productie van chips met miljarden transistoren preciezer en productiever maken, begint het met fysica, nauwkeurige metingen, analyses en geavanceerde besturingssoftware. Paarhuis gaf enkele voorbeelden van verbeteringen en hoe die zijn bereikt in de nieuwe 2050-scanner.

In de fysica is temperatuur de parameter die het moeilijkst te sturen is. In de 2050-scanner worden zowel de reticles (maskers met originele patronen voor elke laag) als de wafers (plakken silicium die een patroon moeten krijgen) op de juiste temperatuur gebracht voordat ze de scanner in gaan en op de reticlestage en waferstage worden geplaatst.

Dit plaatje toont de overlayfouten die variëren van rij tot rij en van veld tot veld. Deze fouten zijn typisch te wijten aan de dynamiek van de wafer- en de reticlestage. Beide veroorzaken trillingen in de hele machine. Verhoogde stijfheid en geïntegreerde demping in de waferstage hielpen om de overlayfouten op de NXT:2050 te verminderen.

Voordat de machine een wafer belicht, wordt deze op een van de twee waferstages gemeten. Dit gebeurt voor elke belichting, omdat de wafers tussen de lithostappen allerlei chemische en mechanische veranderingen ondergaan. Een niveausensor maakt een complete hoogtekaart, met als doel om de wafer in focus houden als de scanner de plak belicht. De hoogteverschillen kunnen oplopen tot duizend nanometer.

Op de meetpositie van de waferstage meet een uitlijnsensor de x- en y-locaties van de markers. Niet alleen om de waferpositie te meten (ter correctie van vervangings- en laadfouten van de wafer op de wafertafel), maar ook om de vervorming te meten door de stress die andere bewerkingen in de fab veroorzaken.

Een chip wordt niet belicht in een lichtflits, zoals bij een stepper, maar op een scannende manier, net als bij een kopieerapparaat. Hiervoor moet de scanner de reticlestage vasthouden, de reticle bewegen en de wafer op de wafertafel klemmen en vasthouden. ‘Dat laatste doen we niet alleen om de wafer plat te leggen, maar ook om hem op de juiste temperatuur te houden en de wafer vast te houden tijdens de beweging’, legt Paarhuis uit. De krachten die vrijkomen bij deze bewegingen zijn indrukwekkend en moeten worden gecompenseerd. Kleine overlayfouten veroorzaakt door deze versnellingen zijn te zien als een nanopatroon in de belichtingen: de fouten variëren van rij tot rij en van veld tot veld. Het 2050-systeem is verbeterd door meer stijfheid en geïntegreerde demping in de waferstage. Paarhuis: ‘We zijn in staat geweest om deze overlayfouten met meer dan een factor twee te verminderen.’

Optimale route

Om de bewegingen en krachten te beheersen, is het nodig om precies te weten wat de positie van elk onderdeel in de scanner is. Centraal in het systeem staat het metaframe, een zeer stabiel frame om de lens en de rasterplaten vast te houden. De rasters zijn de linialen die door de encoders van de waferstage worden uitgelezen om de positie te bepalen. De reticlestage heeft een encoder om de positie ten opzichte van de lens te meten. Paarhuis: ‘Dit resulteert in een compleet meetsysteem om de positie van het reticle via de stijfheid van de chuck, de encoders, de stijfheid van de lens, de rasterplaten, de encoder van de wafertrap, de stijfheid van de waferstage en de wafertafel en een wafer aan elkaar te knopen.’

Nadat een wafer de scanner in is gegaan, wordt hij op een van de twee wafertafels geklemd. Dan kan de uitlijning van de stage beginnen: de meting om de wafer exact te lokaliseren. Hiervoor wordt de positie van de uitlijnmarkers op de wafer vergeleken met twee uitlijnmarkers die met behulp van de uitlijnsensor boven op de zogenaamde Paris-plaat zijn gedrukt. Deze Paris-plaat bevindt zich naast de waferpositie. Dit resulteert in nauwkeurige informatie over de positie en de vorm van de wafer.

Nu moet het meetsysteem het reticle nauwkeurig positioneren ten opzichte van de wafer. Zodra de exacte positie van de wafer ten opzichte van de Paris-sensor bekend is, vindt een chuck swap plaats: het wafertraject verandert zijn meetpositie in de belichtingspositie onder de lens. Aan de belichtingszijde begint de scanner met de uitlijning van het reticle. Hier gebruikt de scanner zeven sensoren die in dezelfde Paris-plaat zijn geïntegreerd. Deze zeven sensoren meten de belichte zeven merktekens van zowel de boven- als de onderkant van elk masker. ‘Met deze meting kunnen we niet alleen de positie van het reticle ten opzichte van de plaat meten, maar ook de vorm van het masker’, legt Paarhuis uit. ‘Nu weet de scanner alle posities en kunnen we beginnen met belichten.’

Om de overlayfouten te verminderen en tegelijkertijd de productiviteit te verbeteren, moest ASML het aantal waferuitlijnmetingen aanzienlijk verhogen in een kleinere tijdspanne. ‘Op het NXT:2000-systeem konden we 28 uitlijnmarkers meten bij 275 wafers per uur’, zegt Paarhuis. ‘Zonder extra maatregelen aan de meetkant, kwamen we uit op het lokaliseren van slechts 20 uitlijnmetingen bij 295 wafers per uur.’ Om alle controles op tijd te doen, versnelde het 2050-team de uitlijnscans en het meten van de waferhoogtekaart. ‘Die hebben we sneller gemaakt en we konden ook de routing tussen de merktekens optimaliseren.’

Het resultaat is dat het 2050-systeem 55 merktekens kan meten met 295 wafers per uur. ‘Dit maakt een betere overlay mogelijk, omdat we de vorm van de wafer nauwkeuriger kunnen vaststellen.’

Vingerafdruk

Een paar jaar geleden ontdekte ASML nog een bijdrage aan overlayfouten. Paarhuis: ‘Bij de analyse van de data ontdekten we een heel typisch scan-up-scan-down-patroon.’ Deze vingerafdruk bleek te worden veroorzaakt door het duv-pellicle en zorgde voor een mismatch tussen euv- en duv-lagen.

Specifieke overlayfoutpatronen, veroorzaakt door de vervorming van het duv-pellicle.

Tijdens de belichting beweegt de scanner de wafer in een zigzagpatroon onder de lens. Een deel van de velden wordt in opwaartse richting belicht en een deel in neerwaartse richting. De velden die omhoog waren gescand vertoonden een specifiek patroon. ‘De omlaag gescande velden hadden hetzelfde patroon, maar dan omgedraaid’, vertelt Paarhuis.

Deze patronen bleken het gevolg te zijn van de pellicles die tijdens de versnelling werden vervormd. Pellicles zijn zeer dunne folies die in een frame boven op het reticle worden gespannen om het masker te beschermen tegen stofdeeltjes. De transparante vliezen kunnen tot 280 nanometer dun zijn. Tijdens de belichtingen versnelt het reticle in de reticlestage en de pelliclefolie verbuigt als gevolg van drukvariaties. Hierdoor wordt het licht gebroken. Het resultaat is een zeer geringe verschuiving van het beeld. Dit veroorzaakt een fout die een functie is van de foliedikte, de plaatselijke buighoek van het pellicle en de brekingsindex van de folie. ‘Op waferniveau is deze fout typisch 0,5 tot 1 nanometer, dus dat is behoorlijk groot’, zegt Paarhuis. De oplossing was een model waarmee ASML de pellicle-impact kan verminderen. ‘Aan de hand van de baan van de reticlestage kunnen we de pellicle-buiging voorspellen en met een model de benodigde overlaycorrecties berekenen en die tijdens de belichtingen toepassen.’ Dit werkt vrij goed, aldus Paarhuis. Het model voorspelt de benodigde correctie met een fout van slechts 0,1 tot 0,2 nanometer. ‘Dat is heel mooi.’

Deze tekening laat zien hoe het dunne pelliclefolie (~300 nm dikte) een overlayfout van ongeveer 0,5 nm kan introduceren.

Het resultaat van al die inspanningen is een machine die de fouten in de overlay tussen duv-lagen onderling tot onder een nanometer beperkt. Paarhuis toonde in zijn presentatie op High-Tech Systems de resultaten van champion wafers met een overlayfout van 0,8 tot 0,7 nanometer. ‘Dit is gedaan in tests waarbij we typisch twaalf wafers belichten op dezelfde scanner in drie partijen. Dat is ruim onder de spec van één nanometer.’

Voor cross matching van euv naar duv gebruikte het engineeringteam zes wafers: één laag op de 2050 en één laag op de 3400. ASML’s kampioensgegevens van de NT:2050 versus de NXE:3400 bedroegen slechts 1,2 nanometer.