ASML’s worstelingen met temperatuureffecten in het euv-overlayproject

Modellering van thermisch gedrag helpt bij het oplossen van problemen in het veld en bij het schalen van chips. Tooling verbetert de communicatie aanzienlijk en versnelt de ontwikkeling.

René Raaijmakers
19 oktober

Tijdens een reviewmeeting bij ASML, ergens in de jaren 2000, wordt een probleem besproken met Zerodur, een type glas dat extreem vormvast is. Een medewerker van Zeiss komt met een verklaring. De Duitser wijst op de warmtebeheersing in het magazijn waar het materiaal lag opgeslagen. ‘Hoe kan dat een probleem zijn?’, reageert Martin van den Brink. ‘Wij kopen dat materiaal juist bij jullie omdat het temperatuurbestendig is.’

Naast de kenmerkende humor van de ASML-cto toont de anekdote ook dat warmte-invloeden een steeds groter probleem vormen. Van den Brink weet natuurlijk maar al te goed dat zelfs Zerodur geen wondermiddel is tegen ongewenste krimp of uitzetting als het gaat om de laatste nanometers. Het hilarische van zijn opmerking: in de vergadering hebben de deelnemers het over extreme eisen en controle bij de chipproductie en dan valt een leverancier hen lastig met zoiets simpels als de klimaatbeheersing van de opslag.

Het volledige optische lichtpad in ASML’s euv-scanner. Alle materialen absorberen euv-licht: spiegels, reticles en ook het ijle waterstofgas in de vacuümkamer.

In de geschiedenis van de waferstepper is hitte een probleem van alle tijden. In de jaren zestig had het al invloed op het ontwerp van de Philips Photorepeater, een machine die maskers voor contactdrukken produceerde en een overlay moest leveren van 0,5 micron over de volledige lengte van een 2 inch masker en wafer. De ontwerpers kregen dat toen onder meer voor elkaar door de olie die in de hydraulische stage circuleerde op een constante temperatuur te houden. Ook in het begin van de jaren zeventig merkte de eerste waferstepperarchitect bij Philips, Herman van Heek, afwijkingen in de overlay als zijn assistenten een kwartiertje naast de machine stonden. Zijn machine trok krom door de straling van lichaamswarmte.

Slecht koelontwerp

Tijdens een recent Comsol-webinar over modelleren in halfgeleidertoepassingen gaf Emilio Bajonero Canonico, thermisch ingenieur bij ASML’s performancecluster voor het NXE-overlayproject, een presentatie over thermische modellering in euv-scanners. Veel cijfers in de grafieken van Bajonero’s presentatie waren uit concurrentieoverwegingen zwartgelakt, maar zijn lezing gaf ruim voldoende inzicht in de huidige uitdagingen, met name over de opwarming van het masker.

 advertorial 

Online sessie: 21 december

Tijdens de volgende online sessie van de Bits&Chips System Architecting Conference geven Robin Rieken en Felix Patschkowski (Nexperia) een lezing over enkele belangrijke uitdagingen met betrekking tot prestaties, evolueerbaarheid en fabrieksintegratie. Haal je tickets nu!

Het overlayteam waarvan Bajonero deel uitmaakt, richt zich op het oplossen van escalaties uit het veld en het identificeren van de hoofdoorzaken van slechte overlayprestaties. Een tweede opdracht is ASML op de uitgestippelde overlayroadmap houden.

Laten we beginnen met een vroeg succes. Toen Bajonero bij ASML aan de slag ging, zei zijn mentor tegen hem: ‘Als je impact wilt maken, moet je niet alleen resultaten leveren, je moet ook tools bouwen.’ Bajonero: ‘Hij legde uit dat ik door tools te bouwen inzicht in natuurkundige fenomenen kon delen en gevoeligheden kon bespreken over wat er wel of niet toe doet bij thermisch problemen.’ Zijn mentor bleek gelijk te hebben: ‘Het maakte mijn discussies inderdaad makkelijker.’

Het reticle heating-model.

Toen Bajonero voor het eerst zijn reticle-verwarmingsmodel in Comsol-tooling goot, kreeg hij echter niet direct de aandacht waarop hij had gehoopt. Maar hij had wel het geluk dat een collega het wilde uitproberen. Deze specialist en zijn team kampten met langetermijndrift. De drift was asymmetrisch en had een zeer lange tijdconstante die geen verband leek te houden met de verwarming van het reticle. Tijdens het weekend voerde de collega een lange simulatie uit van een paar honderd wafers. ‘In het model zette mijn collega de uitzettingscoëfficiënt op nul’, vertelt Bajonero. ‘Het resultaat was dat hij een tweede warmtevervormingsmodus identificeerde. Eentje die het gevolg was van een slecht koelontwerp. Het wees ons niet alleen naar de hoofdoorzaak van de vervorming, maar het stelde ons ook in staat manieren te vinden om deze vervorming te ondervangen en te corrigeren.’ Het resultaat is dat de NXE:3600D-waferscanner die dit jaar op de markt kwam een nieuw correctiemechanisme heeft dat dit probleem ondervangt.

Prestatiedaling

Temperatuureffecten hebben een grote invloed op de patroonprecisie van euv-lithomachines. De pasnauwkeurigheid van 500 nanometer in de jaren zestig en zeventig is gedaald tot een nanometer en moet als het kan nog lager. Om onnauwkeurigheden te voorkomen, worden alle elementen in het projectiesysteem zoals het reticle, de spiegels en de motoren gekalibreerd. Maar dat is slechts het begin.

De transient-mode in het model stelt de gebruiker in staat verwarmingscycli te simuleren en informatie te verkrijgen over hoe het patroon opwarmt gedurende een wafer of over meerdere wafers. Rechts worden verschillende belichtingstijden gesimuleerd. Deze simulatie helpt bij het vinden van hoofdoorzaken voor slechte prestaties, omdat ook in de echte praktijk de machine niet altijd dezelfde tijd nodig heeft voor elke wafer.

Aangezien elk materiaal euv-licht absorbeert, wordt de machine intern op zeer lage druk gehouden. De problemen beginnen wanneer de machine start met belichten. Euv-licht schiet door de hele machine; de waferstage en de reticle-stage beginnen te bewegen om de wafers te scannen en te belichten. Bajonero: ‘Dit betekent dat de motoren warmte beginnen af te geven. Aanvankelijk zijn de positie en status van al die elementen gekalibreerd, maar zodra er thermische drift optreedt en thermische vervorming in het spel komt, zullen de machineprestaties dalen.’

Als de euv-bron inschakelt of de machine overstapt op een ander chippatroon, dan is er meer of minder stroom nodig. ‘Kortom, de productiestatus verandert en gaat thermisch driften. De machine vervormt en je ziet dat de positioneringsprestaties dalen.’

De pijn verzachten

In zijn presentatie legde Bajonero de nadruk op de reticle-stage en het masker. Dit laatste bevat het patroon dat chipfabrikanten op elke wafer willen afdrukken. Dat is gebaseerd op reflecterende optiek. ‘De reflectie is niet perfect. We schijnen euv-licht op het reticle en dat weerkaatst naar de projectieoptiek. Maar het reticle zal een fractie van dat licht absorberen en heet worden. Wanneer we de productiviteit van de machine willen verhogen, gebruiken we bovendien meer stroom, wat betekent dat voor toekomstige machine-iteraties het reticle-verhittingsprobleem moet worden ondervangen.’

Het reticle is gemaakt van glas met een zeer lage uitzettingscoëfficiënt. Helaas is de uitzetting door verhitting niet nul. Bovendien kunnen de thermische gradiënten in het glas vrij groot zijn door de lage thermische geleidbaarheid. ‘Helaas kunnen we het thermische probleem niet volledig indammen, dus moeten we de impact op onze machineprestaties beperken.’ Dat betekent thermisch conditioneren.

De eerste stap naar het verlichten van de pijn is het begrijpen van de fysica achter het fenomeen. Hiervoor vertrouwt ASML in hoge mate op eindige-elementenmethodes. Net als in de echte wereld wordt het reticle in het model vastgeklemd op de stage met een dunne elastische laag. Die houdt het reticle op zijn plaats maar laat toch een beetje vervorming toe. Het verwarmingsmodel bevat elementen als warmtegeleiding, vastestofgedrag en mechanische vervorming door thermische uitzetting. De thermische gradiënt veroorzaakt door euv-absorptie resulteert in thermische rek in alle onderdelen.

Export van deformatiegegevens is een van de belangrijkste kenmerken van de toepassingsmodus. Gebruikers kunnen ervoor kiezen om de vervorming van het reticle als functie van de tijd te exporteren en de effecten van een belichtingssequentie te simuleren. Dit maakt het mogelijk voor het overlayanalyseteam om de effecten van machinekalibraties te simuleren. De grafiek toont de belichtingscycli. Tijdens het koelen voert de machine kalibraties uit en deze worden gesimuleerd. De overlayinhoud die deze kalibraties aan de vervorming van het veld zullen onttrekken, wordt gevisualiseerd en het werkelijke reticle-verhittingsprobleem kan worden ingeschat. Zodra het systeem verzadigd is, kan enige vervorming worden gecorrigeerd door een regelkring.

Bajonero: ‘Alle fysica die in de simulatie zit, zoals de thermische vervormingscurves van de materialen, de stijfheid van de klem, de effectiviteit van het koelsysteem en de warmteoverdracht in de lagedrukomgeving, vangen we in parameters die ofwel de thermische ofwel de mechanische formulering controleren.’ En zoals gebruikelijk bij eindige-elementenmodellering worden de parameters van het model afgesteld op basis van metingen en experimenten. ‘De leercurve volgt dus een iteratielus’, legt Bajonero uit. ‘We stellen onszelf vragen als: kunnen we op basis van experimentele gegevens het gedrag reproduceren dat we in onze modellering zien? En kunnen we een oplossingsruimte vinden die we kunnen reproduceren in onze machine?’

Helaas gaat het niet altijd goed met de simulatielus. ‘Dan worden we gedwongen onszelf vragen te stellen als: waarom zien we dit niet in ons model? Halen we wel zuivere warmtevervormingsgegevens uit ons systeem?’

Comsol-applicatie

In het begin zat er nogal wat vertraging in het NXE-overlayproject. ‘Ons bedrijf is vrij groot en er is een inherente scheiding tussen analisten, ons architectuurteam en het overlayteam. Dit maakte de iteraties op het model een beetje te traag en het leren ook een beetje traag naar onze smaak.’

Om dit proces te versnellen, werd het model overgebracht naar een standalone Comsol-applicatie die de reticle-expansie simuleert als functie van een veelheid aan inputvariabelen. ‘Hiermee kunnen we simuleren hoe de opwarming van het reticle overlayfouten veroorzaakt en hoe deze afhangen van parameters zoals het geabsorbeerde vermogen van het reticle en de omgevingsconditionering, zoals de koelkarakteristieken van de waterstroom, de temperatuur van de waterstroom, enzovoort.’

De thermische experts bij ASML houden de meer geavanceerde eindige-elementenfuncties zoals meshing bewust verborgen voor hun collega’s. Bajonero legt uit waarom: ‘Onze eindgebruikers zijn geen fem-experts. We willen vooral dat ze leren van de use cases die ze uitvoeren. We willen dat ze zich collega’s voelen en dat ze gegevens genereren op basis van de use cases die ze zelf belangrijk vinden.’ De thermische experts maakten het echter wel mogelijk voor gebruikers om niet alleen de input te variëren, maar ook modules te isoleren en beelden te genereren ‘zodat ze de informatie kunnen presenteren die ze het beste vinden’.

Nieuwe oplossingen

Bajonero gaf ook enkele interessante inzichten in de materiaalproblematiek van glas en de onderliggende fysica in het nanodomein. Zelfs bij een materiaal met zeer lage uitzetting is de uitzettingscoëfficiënt niet nul. Erger nog: ook die is temperatuurafhankelijk. Het is ook een glas, geen kristal. Glas is amorf, waardoor het inherent inhomogeen is.

‘De zeer lage thermische uitzetting gaat ten koste van een niet-lineaire thermische spanningskromme’, vertelt Bajonero. ‘Dit betekent dat wanneer mijn reticle heet is, één graad temperatuurverschil meer uitzetting genereert dan op kamertemperatuur.’ Dit wordt gemoduleerd met de nuldoorgangstemperatuur, die de temperatuur van het minimum in de vervorming van het reticle bepaalt, en de nuldoorgangshelling, die de groeisnelheid van de vervorming als functie van de temperatuur bepaalt.

Bajonero: ‘De verwarming van het reticle is zeer gevoelig voor deze twee parameters. Het slechte nieuws is dat we hebben gezien dat deze parameters variëren over het hele reticle. De ruimtelijke verdeling van de vervorming beïnvloedt onze correctietechnieken sterk. Dit betekent dat we minder goed in staat zijn om vervormingen met een hoge frequentie te corrigeren.’

In deze weergave heeft de linkerkant van het reticle een lagere nuldoorgangstemperatuur (stippellijn) en de rechterkant van het reticle heeft geen nuldoorgangstemperatuuroffset (oranje lijn). De gesimuleerde vervorming toont aan dat de rechterkant van het reticle een lagere vervorming waarneemt dan de linkerkant van het reticle (in stabiele toestand).

Het team van thermische experts heeft het voor gebruikers mogelijk gemaakt om tweedimensionale kaarten van nuldoorgangstemperatuuroffsets te importeren. ‘Met het importeren van deze kaart zal de applicatie die offset projecteren in het reticle en zorgen we ervoor dat elk punt in het reticle beweegt of vervormt met een andere thermische vervormingscurve.’

Met dit soort mogelijkheden zijn de ASML-ingenieurs in staat een kaart van materiaaleigenschappen (aangeleverd door de glasleverancier) te importeren. ‘We kunnen ook inschatten wat voor invloed dergelijke variaties kunnen hebben op onze uitlijntechnieken en bijbehorende prestaties. Maar dat niet alleen, we stellen onze ingenieurs ook in staat om tools te geven aan een leverancier om hun ontwerpruimte te verkennen, en te kijken of ze ons kunnen helpen een materiaal te leveren dat aan onze specificaties voldoet.’

De modellen maken het ook mogelijk om specifieke situaties bij de klant te verkennen. ‘Het kan zijn dat de klant meer velden per wafer wil printen en er een kleiner masker nodig is. Dan verschilt de vervormingsmodus van het hele reticle ineens met de normale situatie. Dit betekent dat ook de correctiemogelijkheden van onze gebruikelijke correctiemechanismen zullen moeten veranderen. Wij zijn nu in staat om het effect van deze kleinere veldgroottes te simuleren. Daarmee kunnen we de zwakke punten van onze correctiemechanismen onderzoeken en nieuwe oplossingen vinden. Het belangrijkste is om dit snel te doen, zodat we weten in welke richting we oplossingen moeten zoeken.’

Het heeft flink wat tijd gekost om de toepassing in Comsol-tooling te bouwen, maar Bajonero zegt dat dit is gecompenseerd door de verbeterde resultaten en door de gedeelde simulatie-informatie. De thermische experts bij ASML worden nu wel meer uitgedaagd. ‘Naarmate het team de fysica achter hun probleem beter begrijpt, wordt het niveau van de vragen die terugkomen hoger’, zegt Bajonero. ‘Dit maakt mijn werk een beetje moeilijker, maar ook veel spannender.’