ステッパー

ステッパーまたはウェーハ ステッパーは、集積回路(IC)の製造に使用される装置です。これは、チップの元となるシリコン ウェーハの表面に何百万もの微細な回路要素を作成するフォトリソグラフィープロセスの重要な部分です。動作はスライド プロジェクターや写真引き伸ばし機に似ています。製造される IC は、コンピューター プロセッサ、メモリ チップ、その他多くの電子機器 の心臓部を形成します。

ステッパーはステップアンドリピートカメラの略です。

ステッパーは 1970 年代後半に登場しましたが、1980 年代まで普及しませんでした。これは、以前のテクノロジであるマスク アライナーに取って代わったためです。アライナーは、ウェーハの表面全体を同時にイメージングし、1 回の操作で多くのチップを製造しました。対照的に、ステッパーは一度に 1 つのチップのみをイメージングするため、操作がはるかに遅くなります。ムーアの法則の容赦ない力により、より小さなフィーチャ サイズの使用が要求されると、最終的にステッパーがアライナーに取って代わりました。ステッパーは一度に 1 つのチップのみをイメージングするため、解像度が高く、1 ミクロンの制限を超えた最初のテクノロジでした。自動アライメント システムの追加により、複数の IC をイメージングするために必要なセットアップ時間が短縮され、1980 年代後半までには、ハイエンド市場ではステッパーがアライナーをほぼ完全に置き換えました。

ステッパー自体は、解像度がさらに桁違いに向上したステップアンドスキャン システム (スキャナー) に置き換えられました。ステップアンドスキャン システムは、個々の IC のマスクのごく一部だけをスキャンすることで機能するため、元のステッパーよりもはるかに長い動作時間が必要です。ステップアンドスキャン システムは 1990 年代に普及し、2000 年代にはほぼ普遍的になりました。今日では、ステップアンドスキャン システムは非常に普及しているため、単にステッパーと呼ばれることがよくあります。ステップアンドスキャン システムの例としては、ASMLの PAS 5500 があります。

1957年:電子回路を小型化する試みは、1957年に米国陸軍のダイヤモンド兵器信管研究所のジェイ・ラソップとジェームズ・ナルが、セラミックプレート上の個別のトランジスタを接続するために使用できる薄膜金属ストリップを堆積するために使用できるフォトリソグラフィー技術に関するUS2890395A特許を取得したことに遡ります。この技術は、ダイオードアレイを微細加工するために二酸化ケイ素(SiO ₂ )層に穴をエッチングするためにも使用されました。その後、1959年にラソップはテキサスインスツルメンツに移り、ジャック・キルビーの下で働き、ナルはフェアチャイルドセミコンダクターに入社しました。^[1]

1958年:フェアチャイルドセミコンダクターのジェイ・ラストとロバート・ノイスは、彼らの研究に基づいて、フォトリソグラフィーを使用して単一のウェーハ上でトランジスタの同一パターンを繰り返す最初の「ステップアンドリピート」カメラの1つを開発しました。^[1]

1959年（遅くとも1961年まで）GCAコーポレーションのデイビッド・W・マン部門は、現代のフォトリソグラフィーステッパーの前身であるフォトリピーターと呼ばれるステップアンドリピートマスク縮小装置を商業的に製造した最初の会社となった。^{[2] [3]} その後、同社はGCAコーポレーション/マンとパーキンエルマーに売却された。^[2]

1970年:コビルト社は、ドイツとイギリス（カスパー・インストゥルメンツ社出身）のエンジニア3名とセールスマンのピーター・ウォルケン1名によって設立された。同社は、後にウェーハ・ステッパーまたはリソグラフィー・マシンと呼ばれるようになるものを製造したが、当時は マスク・アライナーと呼ばれていた。^{[a] [5]}このマシンのスループットは、一度に2インチ幅のウェーハ1枚であった。 ^{[4] : 2–3}

コビルトは海外でも取引を行っており、アジア（香港、韓国など）にも工場を持っていたが、ヨーロッパではもともとオランダのアーサー・デル・プラド [nl]が経営するAdvanced Semiconductor Materials（ASM）という会社が代表を務めていた。デル・プラドは1960年代半ばにASMLを設立した。 ^{[4] : 7}

1971年頃、CobiltはComputervisionに買収され、同社はCobiltマシンを大幅に自動化しました。^{[4] : 2–3}

1973年： パーキンエルマー社がミクラライン投影アライナーを導入。^{[6] [7]}これにより、歩留まりの低下につながる不良チップの量が減少し、チップ価格の低下に寄与してIC産業が大きく成長した。

GCAは1975年に最初の成功したステッパーであるDSW 4800を発表しました。それは当時の他のどのシステムよりも優れた1ミクロンの臨界寸法に到達することができました。^[8]

集積回路 (IC) は、フォトリソグラフィーと呼ばれるプロセスで製造されます。このプロセスは、ブールと呼ばれる半導体材料の高度に精製された大きな円筒形の結晶から始まります。ブールから薄いスライスを切り取ってディスクを形成し、その後、初期処理と処置を行って空のシリコン ウェハーを作成します。

IC 上に作成される回路の要素は、フォトマスクまたはレチクルと呼ばれるガラスまたはプラスチックのプレートの表面の透明領域と不透明領域のパターンに再現されます。ウェーハにはフォトレジストと呼ばれる感光性材料が塗布されています。マスクをウェーハ上に配置し、明るい光 (通常は紫外線) をマスクを通して照射します。光にさらされると、プロセスに応じてレジストの一部が硬化または軟化します。

露光後、ウェハーは写真フィルムのように現像され、露光中に受けた光の量に応じて特定の領域のフォトレジストが溶解します。フォトレジストのある領域とフォトレジストのない領域によって、レチクル上のパターンが再現されます。現像されたウェハーは、次に溶剤にさらされます。溶剤は、フォトレジストコーティングで保護されなくなったウェハーの部分のシリコンをエッチングで除去します。他の化学物質を使用して、露出した領域のシリコンの電気特性を変更します。

次に、ウエハーを洗浄し、フォトレジストで再コーティングし、シリコン上に層ごとに回路を作成するプロセスを再度実行します。プロセス全体が完了すると、ウエハーは個々のチップに切断され、テストされ、販売用にパッケージ化されます。

ステッパーが登場する前は、ウェーハはマスク アライナーを使用して露光され、ウェーハ全体に一度にパターンが描画されていました。これらのシステムのマスクには、マスク全体にパターンが描画された多数の個別の IC が含まれています。各ステップの合間に、オペレーターは顕微鏡を使用して、次に適用されるマスクとウェーハの位置を合わせます。1970 年代、アライナーは一般に 1 対 1 の倍率で動作していたため、ウェーハ上の細部の量はマスク上に作成できる程度に制限されていました。

ムーアの法則に従って特徴サイズが縮小するにつれて、これらの複雑なマルチチップマスクの構築は非常に困難になりました。1975年、GCAは最初のステップアンドスキャンカメラを発表し、マスクの製造プロセスを簡素化しました。このシステムでは、レチクルと呼ばれる単一の親マスクが大規模に製造され、機械的に堅牢になりました。これは写真プロジェクターを介して画像化され、投影された画像は5〜10倍縮小されました。メカニズムはレチクルを写真プレートに画像化し、レチクルを別の位置に移動し、このプロセスを繰り返しました。その結果、元のレチクルパターンの正確な画像が多数含まれるマスクができました。

GCA は、ハードウェアをダイレクト・トゥ・ウェーハ・システムとして開発を続け、レチクルからマスクを作成する必要がなくなり、代わりにレチクルを使用してウェーハを直接露光するようになりました。レチクルは最終画像よりもはるかに大きいスケールであったため、以前はマスク自体の解像度に制限されていた解像度を向上させることができました。ウェーハ全体にパターンを形成するには、ウェーハの表面上でマスクを繰り返し移動、つまりステップ移動させます。これには、ステッピング メカニズムが非常に正確である必要があり、正確な位置合わせが求められます。位置合わせプロセスは通常自動化されているため、手動操作は不要です。各露光にはアライナーのマスク全体と同じ時間がかかるため、ステッパーは本質的にアライナーよりも使用が遅くなります。そのため、高解像度が必要ない場合にはアライナーが引き続き使用されます。

ステッパーは、アライナーの何倍もの解像度を実現し、1 ミクロン未満の微細構造を可能にした最初のシステムでした。しかし、ムーアの法則の容赦ない推進力により、業界は投影システムで可能な最大倍率でも微細構造のサイズを縮小し続けるのに十分でないという状況に追い込まれました。このため、1990 年にステップ アンド スキャン システムが導入されました。これは、ステッパー システムと、一度にマスクの一部のみをイメージ化するスキャナーを組み合わせたものです。これにより、マスクの小さな部分にはるかに正確に焦点を合わせることができますが、IC 製造プロセスは大幅に遅くなります。2008 年現在、ステップ アンド スキャン システムは、ハイエンドの半導体デバイス製造に最も広く使用されているシステムです。

典型的なステッパーには、ウェーハローダー、ウェーハステージ、ウェーハアライメントシステム、レチクルローダー、レチクルステージ、レチクルアライメントシステム、縮小レンズ、および照明システムなどのサブアセンブリがあります。ウェーハに印刷された各層のプロセスプログラムは、プロセスプログラムを保存し、それを読み取り、プログラムの指示を実行する際にステッパーのさまざまなサブアセンブリと通信するコンピュータを中心とした制御システムによって実行されます。ステッパーのコンポーネントは、温度変化によるウェーハの膨張や収縮によって引き起こされる可能性のある印刷パターンの歪みを防ぐために正確な温度に維持された密閉されたチャンバーに収められています。チャンバーには、空調、電源、さまざまな電気コンポーネントの制御ボードなど、プロセスをサポートするその他のシステムも含まれています。

シリコン ウェハーはフォトレジストでコーティングされ、複数のウェハーを収容するカセットまたは「ボート」に配置されます。次に、このカセットは、通常ステッパーの下部前面にある、ウェハー ローダーと呼ばれるステッパーの一部に配置されます。

ウェーハ ローダー内のロボットがカセットからウェーハを 1 枚取り出し、ウェーハ ステージにロードして位置合わせを行い、後で実行される別のより細かい位置合わせプロセスを可能にします。

各チップの回路パターンは、透明な石英板であるレチクル上にクロムでエッチングされたパターンに含まれています。ステッパーで使用される一般的なレチクルは 6 インチ四方で、使用可能領域は 104 mm x 132 mm です。

プロセスの 1 つの段階に適したさまざまなレチクルが、通常ステッパーの上部前面にあるレチクル ローダーのラックに収められています。ウェーハを露光する前に、レチクルがロボットによってレチクル ステージにロードされ、非常に正確に位置合わせされます。同じレチクルを使用して多数のウェーハを露光できるため、一連のウェーハを露光する前にレチクルを 1 回ロードし、定期的に再位置合わせします。

ウェハとレチクルが所定の位置に配置され、位置合わせされると、ウォーム スクリューまたはリニア モーターによって X 方向と Y 方向 (前後および左右) に非常に正確に移動するウェハ ステージがウェハを運び、ウェハ上に露光される多数のパターン (または「ショット」) の最初のパターンがレンズの下、レチクルの真下に配置されるようにします。

ウェーハはウェーハ ステージ上に置かれた後に位置合わせされますが、この位置合わせだけでは、ウェーハ上に印刷される回路層が、すでに存在する前の層と正確に重なることを保証するには不十分です。したがって、各ショットは、最終的な IC チップごとにパターンに配置された特別な位置合わせマークを使用して位置合わせされます。この精密な位置合わせが完了すると、ステッパーの照明システムからの光がレチクルを通過し、縮小レンズを通過してウェーハの表面に照射され、ショットが露光されます。プロセス プログラムまたは「レシピ」によって、露光時間、使用するレチクル、および露光に影響を与えるその他の要因が決まります。

各ショットはウェハー上にグリッド パターンで配置され、ウェハーがレンズの下で前後に移動するにつれて、順番に露光されます。ウェハー上のすべてのショットが露光されると、ウェハーはウェハー ローダー ロボットによってアンロードされ、別のウェハーがステージ上に置きます。露光されたウェハーは最終的に現像器に移動され、そこで表面のフォトレジストが現像剤にさらされ、レチクルを通過する光にさらされたかどうかに基づいてフォトレジストの領域が洗い流されます。現像された表面は、次にフォトリソグラフィーの他のプロセスにかけられます。

ウェーハ表面により細い線を描く能力に対する最大の制限は、露光システムで使用される光の波長であった。必要とされる線がますます狭くなるにつれて、より短い波長の光を発する照明源がステッパーやスキャナーに導入されてきた。従来の光ベースのリソグラフィーの代替として、ナノインプリントリソグラフィーがある。^[9]

ステッパーなどの露光システムの狭い線を解像する能力は、照明に使用される光の波長、ますます広い角度で来る光（または実際には回折次数）を捉えるレンズの能力（開口数または NA と呼ばれる）、およびプロセス自体のさまざまな改善によって制限されます。これは次の式で表されます。

${\displaystyle \mathrm {CD} =k_{1}{\frac {\lambda }{\mathrm {NA} }}}$

${\displaystyle \mathrm {CD} }$は臨界寸法、つまり解像可能な最も細い線、はプロセス関連の要素を表す係数、は光の波長、は開口数です。照明システムの光の波長を短くすると、ステッパーの解像力が高まります。 ${\displaystyle k_{1}}$${\displaystyle \lambda }$${\displaystyle \mathrm {NA} }$

20 年前^{[いつ? ]} 、水銀ランプを照明源とするステッパーで、水銀 スペクトルの「g 線」(436 nm) を使用して 750 nm の範囲の線を作成しました。数年後、水銀ランプの紫外線「i 線」(365 nm) を使用するシステムが導入され、350 nm の線を作成できるようになりました。必要な線幅が、線の作成に使用する光の波長に近づき、最終的にはそれよりも狭くなると、位相シフトレチクルや、レンズの解像度を最大化するために露光光の角度を操作するさまざまな技術など、さまざまな 解像度向上技術が開発されました。

しかし、最終的に、望ましい線幅は水銀ランプで可能な範囲よりも狭くなり、2000 年代中頃、半導体業界は248 nm の光を発するクリプトンフッ化物(KrF)エキシマレーザーを採用したステッパーへと移行しました。現在、このようなシステムは 110 nm の範囲の線を生成するために使用されています。32 nm という狭い線は、193 nmの波長の光を発するアルゴンフッ化物 (ArF) エキシマレーザーを使用した生産対応ステッパーによって解決されています。157 nm の光を発するフッ化物 (F2) レーザーは入手可能ですが、出力が低く、ステッパーで使用されるフォトレジストやその他の材料を急速に劣化させるため、実用的ではありません。

これらのレーザーよりも波長が狭い実用的な光源はこれまで存在しなかったため、メーカーはプロセス係数を低減して解像度の向上を図ってきました。これは、照明システムとレチクルを通過する光を操作する技術をさらに向上させ、露光前後のウェーハ処理技術を向上させることによって実現しました。メーカーはまた、開口数を増やす手段として、これまで以上に大型で高価なレンズを導入してきました。しかし、これらの技術は実用的な限界に近づいており、45 nm の範囲の線幅が従来の設計で達成できる最高の値に近いようです。 ${\displaystyle k_{1}}$

最終的には、電子ビーム、X線、または可視光よりもはるかに短い波長を持つ同様の電磁 エネルギー源など、他の照明源を使用する必要があります。ただし、まったく新しいタイプの照明技術を採用するための膨大な費用と困難をできるだけ遅らせるために、メーカーは、空気ではなく水を光が通過できるようにすることでレンズの開口数を増やす、以前は顕微鏡で使用されていた技術に目を向けました。液浸リソグラフィーと呼ばれるこの方法は、実用的な製造技術の現在の最先端です。この方法が機能するのは、開口数がレンズに入ることができる光の最大角度と光が通過する媒体の屈折率の関数であるためです。媒体として水を使用すると、193 nmでの屈折率が1.44であるのに対し、空気は1.0003であるため、開口数が大幅に増加します。この技術を採用した現在の生産機械は32nmの範囲の線を解像することができ、^[10]最終的には30nmの線を実現できる可能性がある。

最新のスキャナは、露光中にレチクル ステージとウェーハ ステージを互いに反対方向に移動させることで、各ショットで露光される領域 (露光フィールド) の長さを増やすステッパーです。フィールド全体を一度に露光する代わりに、露光フィールドと同じ幅で、長さの一部 (35 x 25 mm フィールドの場合は 9 x 25 mm のスリットなど) の「露光スリット」を通して露光が行われます。露光スリットからの画像が露光領域全体にスキャンされます。

この技術には、いくつかの利点があります。レチクルからウェーハまでの縮小サイズを少なくしてフィールドを露光できます (たとえば、ステッパーの 5 倍縮小に対して、スキャナーでは 4 倍縮小)。また、一般的なステッパーで露光できるサイズよりもはるかに大きなフィールド サイズが可能です。また、投影スリットの画像が通過する領域で投影レンズの光学特性を最適化できます。一方、この領域外では光学収差はウェーハの露光領域に影響しないため無視できます。

スキャンを成功させるには、露光中に移動するレチクルとウェハーステージ間の極めて正確な同期が必要です。これを実現するには、多くの技術的課題があります。

• ステップレベル
• フォトリソグラフィー
• 極端紫外線リソグラフィー
• 半導体
• 集積回路

ステッパーメーカー:

• ASML
• ウルトラテック
• ニコン精密部門
• キヤノン
• ウシオ電機株式会社
• ルドルフテクノロジーズ
• SUSSマイクロテック
• マッパー合同会社^[11]