Moteur pas à pas

Un stepper ou un stepper à wafer est un dispositif utilisé dans la fabrication de circuits intégrés (CI). Il s'agit d'une partie essentielle du processus de photolithographie , qui crée des millions d'éléments de circuit microscopiques à la surface des wafers de silicium à partir desquels les puces sont fabriquées. Son fonctionnement est similaire à celui d'un projecteur de diapositives ou d'un agrandisseur photographique . Les CI ainsi fabriqués constituent le cœur des processeurs d'ordinateur , des puces mémoire et de nombreux autres appareils électroniques.

Stepper est l'abréviation de « step-and-repeat camera ».

Le stepper est apparu à la fin des années 1970, mais ne s'est répandu que dans les années 1980. En effet, il remplaçait une technologie antérieure, l' aligneur de masques . Les aligneurs imagés sur toute la surface d'une plaquette en même temps, produisant de nombreuses puces en une seule opération. En revanche, le stepper imagé n'imagé qu'une seule puce à la fois, et était donc beaucoup plus lent à fonctionner. Le stepper a fini par remplacer l'aligneur lorsque les forces implacables de la loi de Moore ont exigé l'utilisation de tailles de caractéristiques plus petites. Comme le stepper imagé n'imagé qu'une seule puce à la fois, il offrait une résolution plus élevée et était la première technologie à dépasser la limite de 1 micron. L'ajout de systèmes d'alignement automatique a réduit le temps de configuration nécessaire pour imager plusieurs circuits intégrés et, à la fin des années 1980, le stepper avait presque entièrement remplacé l'aligneur sur le marché haut de gamme.

Le moteur pas à pas a lui-même été remplacé par les systèmes step-and-scan (scanners) qui offraient un ordre de grandeur supplémentaire de progrès en termes de résolution. Les systèmes step-and-scan fonctionnent en ne scannant qu'une petite partie du masque d'un circuit intégré individuel et nécessitent donc des temps de fonctionnement beaucoup plus longs que les moteurs pas à pas d'origine. Les systèmes step-and-scan se sont répandus dans les années 1990 et sont devenus pratiquement universels dans les années 2000. Aujourd'hui, les systèmes step-and-scan sont si répandus qu'ils sont souvent simplement appelés moteurs pas à pas. Le PAS 5500 d' ASML est un exemple de système step-and-scan .

1957 : Les tentatives de miniaturisation des circuits électroniques ont commencé en 1957 lorsque Jay Lathrop et James Nall des Diamond Ordnance Fuze Laboratories de l'armée américaine ont obtenu un brevet US2890395A pour une technique photolithographique qui pouvait être utilisée pour déposer des bandes métalliques à couche mince qui, à leur tour, servaient à connecter des transistors discrets sur une plaque en céramique. Elle a également été utilisée pour graver des trous dans les couches de dioxyde de silicium (SiO2 ₎ afin de microfabriquer des réseaux de diodes. Plus tard, en 1959, Lathrop est allé chez Texas Instruments , travaillant pour Jack Kilby , et Nall a rejoint Fairchild Semiconductor .

1958 : Sur la base de leurs travaux, Jay Last et Robert Noyce de Fairchild Semiconductor ont construit l'une des premières caméras « step-and-repeat » qui répétait des motifs identiques de transistors sur une seule plaquette en utilisant la photolithographie.

1959 : (ou au plus tard en 1961) ; la division David W. Mann de GCA Corporation est devenue la première entreprise à fabriquer des dispositifs commerciaux de réduction de masques par étapes et répétitions appelés photo-répéteurs, qui étaient les prédécesseurs des photolithographes pas à pas modernes. La société a ensuite été vendue à GCA Corporation /Mann et Perkin Elmer.

1970 : la société Cobilt a été fondée par un groupe de trois ingénieurs allemands et anglais (de Kasper Instruments) et un vendeur Peter Wolken. La société fabriquait ce que l'on appellerait plus tard des machines pas à pas de plaquettes ou des machines de lithographie, appelées à l'époque aligneurs de masques . Le débit de cette machine était d'une plaquette de 2 pouces de large à la fois.

Le Cobilt, qui faisait également du commerce à l'étranger et possédait des usines en Asie (Hong-Kong, Corée, etc.), était à l'origine représenté en Europe par une société appelée Advanced Semiconductor Materials (ASM) dirigée par Arthur del Prado en Hollande , qui a fondé l' ASML au milieu des années 1960.

Vers 1971, Cobilt a été acquis par Computervision , qui avait grandement automatisé la machine Cobilt.

1973 : Perkin-Elmer a introduit l'aligneur de projection Micralign . Il a contribué à réduire la quantité de puces défectueuses qui entraînaient de faibles rendements et a considérablement stimulé l'industrie des circuits intégrés en contribuant à réduire les prix des puces.

GCA a introduit le premier moteur pas à pas à succès, le DSW 4800, en 1975. Il pouvait atteindre des dimensions critiques de 1 micron, mieux que tout autre système à l'époque.

Les circuits intégrés (CI) sont fabriqués selon un procédé appelé photolithographie. Le procédé commence par un grand cristal cylindrique hautement purifié du matériau semi-conducteur appelé boule . De fines tranches sont découpées dans la boule pour former des disques, puis subissent un traitement initial pour créer une plaquette de silicium vierge .

Les éléments du circuit à créer sur le circuit intégré sont reproduits selon un motif de zones transparentes et opaques sur la surface d'une plaque de verre ou de plastique appelée photomasque ou réticule. La plaquette est recouverte d'un matériau photosensible appelé photorésine . Le masque est positionné sur la plaquette et une lumière vive, généralement ultraviolette , est projetée à travers le masque. L'exposition à la lumière provoque le durcissement ou le ramollissement de sections de la résine, selon le processus.

Après l'exposition, la plaquette est développée comme un film photographique, ce qui provoque la dissolution de la résine photosensible dans certaines zones en fonction de la quantité de lumière reçue pendant l'exposition. Ces zones de résine photosensible et sans résine photosensible reproduisent le motif sur le réticule. La plaquette développée est ensuite exposée à des solvants . Le solvant attaque le silicium dans les parties de la plaquette qui ne sont plus protégées par le revêtement de résine photosensible. D'autres produits chimiques sont utilisés pour modifier les caractéristiques électriques du silicium dans les zones nues.

La plaquette est ensuite nettoyée, recouverte d'une couche de résine photosensible, puis soumise à un nouveau processus qui crée le circuit sur le silicium, couche par couche. Une fois le processus terminé, la plaquette est sciée en puces individuelles, testée et conditionnée pour la vente.

Avant l'apparition des steppers, les plaquettes étaient exposées à l'aide d'aligneurs de masques , qui dessinaient le motif de la plaquette entière en une seule fois. Les masques de ces systèmes contenaient de nombreux circuits intégrés individuels dessinés sur le masque. Entre chaque étape, l'opérateur utilisait un microscope pour aligner la plaquette avec le masque suivant à appliquer. Dans les années 1970, les aligneurs fonctionnaient généralement avec un grossissement de un à un, ce qui limitait la quantité de détails sur la plaquette à ce qui pouvait être produit sur le masque.

À mesure que la taille des éléments se rétrécissait, conformément à la loi de Moore , la construction de ces masques complexes à puces multiples devenait très difficile. En 1975, GCA a introduit la première caméra step-and-scan, qui a simplifié le processus de fabrication des masques. Dans ce système, un seul masque parent, connu sous le nom de réticule , a été produit à grande échelle afin qu'il puisse être mécaniquement robuste. L'image était prise à travers un projecteur photographique, réduisant l'image projetée de 5 à 10 fois. Le mécanisme imprimait l'image du réticule sur une plaque photographique, déplaçait le réticule vers une autre position et répétait ce processus. Le résultat était un masque contenant de nombreuses images précises du motif du réticule d'origine.

GCA a continué à développer le matériel en tant que système direct sur wafer, éliminant ainsi le besoin de produire un masque à partir du réticule et utilisant plutôt le réticule pour exposer directement le wafer. Comme le réticule était à une échelle beaucoup plus grande que l'image finale, la résolution a pu être améliorée, car elle était auparavant limitée à la résolution du masque lui-même. Pour modeler l'ensemble du wafer, le masque est déplacé à plusieurs reprises, ou par paliers , sur la surface du wafer. Cela nécessite que le mécanisme de pas à pas soit incroyablement précis, exigeant un alignement précis. Le processus d'alignement est normalement automatisé, éliminant ainsi l'opération manuelle. Comme chaque exposition prend autant de temps que le masque entier dans un aligneur, les pas à pas sont intrinsèquement plus lents à utiliser que les aligneurs, de sorte que les aligneurs restent utilisés pour les rôles où des résolutions plus élevées ne sont pas nécessaires.

Les systèmes step-and-scan ont multiplié la résolution possible par rapport aux aligneurs et ont été les premiers systèmes à autoriser des détails inférieurs à 1 micron. Cependant, la loi de Moore a poussé l'industrie à un point où même les grossissements maximaux possibles dans le système de projection n'étaient pas suffisants pour continuer à réduire la taille des détails. Cela a conduit à l'introduction en 1990 des systèmes step-and-scan, qui combinent un système step-and-scan avec un scanner qui n'image qu'une partie du masque à la fois. Cela permet une bien meilleure mise au point sur la petite partie du masque, bien que cela rende également le processus de production de circuits intégrés beaucoup plus lent. En 2008, les systèmes step-and-scan sont les systèmes les plus largement utilisés pour la fabrication de dispositifs semi-conducteurs haut de gamme .

Un stepper typique comporte les sous-ensembles suivants : chargeur de plaquettes, platine de plaquettes, système d'alignement de plaquettes, chargeur de réticule, platine de réticule, système d'alignement de réticule, lentille de réduction et système d'éclairage. Les programmes de traitement pour chaque couche imprimée sur la plaquette sont exécutés par un système de contrôle centré sur un ordinateur qui stocke le programme de traitement, le lit et communique avec les différents sous-ensembles du stepper pour exécuter les instructions du programme. Les composants du stepper sont contenus dans une chambre scellée qui est maintenue à une température précise pour éviter les distorsions dans les motifs imprimés qui pourraient être causées par la dilatation ou la contraction de la plaquette en raison des variations de température. La chambre contient également d'autres systèmes qui prennent en charge le processus, tels que la climatisation , les alimentations électriques , les cartes de contrôle des différents composants électriques, etc.

Les plaquettes de silicium sont recouvertes de résine photosensible et placées dans une cassette ou un « bateau » qui contient un certain nombre de plaquettes. Celle-ci est ensuite placée dans une partie du moteur pas à pas appelée chargeur de plaquettes , généralement située à l'avant inférieur du moteur pas à pas.

Un robot dans le chargeur de plaquettes récupère l'une des plaquettes de la cassette et la charge sur la platine à plaquettes où elle est alignée pour permettre un autre processus d'alignement plus précis qui se produira ultérieurement.

Le schéma du circuit de chaque puce est contenu dans un motif gravé en chrome sur le réticule, qui est une plaque de quartz transparent . Un réticule typique utilisé dans les moteurs pas à pas mesure 6 pouces carrés et a une surface utilisable de 104 mm sur 132 mm.

Une variété de réticules, chacun adapté à une étape du processus, sont contenus dans un rack dans le chargeur de réticules , généralement situé à l'avant supérieur du stepper. Avant que la plaquette ne soit exposée, un réticule est chargé sur la platine à réticules par un robot, où il est également aligné avec une grande précision. Étant donné que le même réticule peut être utilisé pour exposer de nombreuses plaquettes, il est chargé une fois avant qu'une série de plaquettes ne soit exposée, et est réaligné périodiquement.

Une fois le wafer et le réticule en place et alignés, la platine à wafer, qui est déplacée très précisément dans les directions X et Y (d'avant en arrière et de gauche à droite) par des vis sans fin ou des moteurs linéaires , transporte le wafer de sorte que le premier des nombreux motifs (ou « clichés ») à exposer sur celui-ci soit situé sous la lentille, directement sous le réticule.

Bien que la plaquette soit alignée après avoir été placée sur la platine à plaquette, cet alignement ne suffit pas à garantir que la couche de circuit imprimé à imprimer sur la plaquette recouvre exactement les couches précédentes déjà présentes. Par conséquent, chaque cliché est aligné à l'aide de marques d'alignement spéciales situées dans le motif de chaque puce de circuit intégré finale. Une fois cet alignement précis terminé, le cliché est exposé à la lumière du système d'éclairage du stepper qui traverse le réticule, à travers une lentille de réduction et sur la surface de la plaquette. Un programme de processus ou « recette » détermine la durée de l'exposition, le réticule utilisé, ainsi que d'autres facteurs qui affectent l'exposition.

Chaque plan est situé dans un motif de grille sur la plaquette et est exposé à son tour lorsque la plaquette est déplacée d'avant en arrière sous la lentille. Lorsque tous les plans de la plaquette sont exposés, la plaquette est déchargée par le robot de chargement de plaquette et une autre plaquette prend sa place sur la platine. La plaquette exposée est finalement déplacée vers un révélateur où la résine photosensible à sa surface est exposée à des produits chimiques de développement qui éliminent les zones de la résine photosensible, selon qu'elles ont été ou non exposées à la lumière traversant le réticule. La surface développée est ensuite soumise à d'autres processus de photolithographie .

La plus grande limitation à la capacité de produire des lignes de plus en plus fines sur la surface de la plaquette a été la longueur d'onde de la lumière utilisée dans le système d'exposition. Comme les lignes requises sont devenues de plus en plus étroites, des sources d'éclairage produisant une lumière avec des longueurs d'onde progressivement plus courtes ont été mises en service dans les moteurs pas à pas et les scanners. Une alternative à la lithographie conventionnelle basée sur la lumière est la lithographie par nano-impression .

La capacité d'un système d'exposition, tel qu'un stepper, à résoudre des lignes étroites est limitée par la longueur d'onde de la lumière utilisée pour l'éclairage, la capacité de l'objectif à capturer la lumière (ou en fait les ordres de diffraction ) arrivant à des angles de plus en plus larges (appelés ouverture numérique ou NA), et diverses améliorations du processus lui-même. Ceci est exprimé par l'équation suivante :

Il y a vingt ans, la « raie g » (436 nm) du spectre du mercure était utilisée pour créer des raies dans la gamme des 750 nm dans des appareils pas à pas qui utilisaient des lampes à mercure comme source d'éclairage. Plusieurs années plus tard, des systèmes utilisant la « raie i » ultraviolette (365 nm) des lampes à mercure ont été introduits pour créer des raies aussi basses que 350 nm. À mesure que les largeurs de raies souhaitées se rapprochaient et devenaient finalement plus étroites que la longueur d'onde de la lumière utilisée pour les créer, diverses techniques d'amélioration de la résolution ont été développées pour rendre cela possible, telles que les réticules à décalage de phase et diverses techniques de manipulation des angles de la lumière d'exposition afin de maximiser le pouvoir de résolution de l'objectif.

Cependant, les largeurs de ligne souhaitées sont devenues plus étroites que ce qui était possible avec les lampes à mercure et, vers le milieu des années 2000, l'industrie des semi-conducteurs s'est orientée vers des moteurs pas à pas qui utilisaient des lasers excimères au krypton-fluorure ( KrF) produisant une lumière de 248 nm. De tels systèmes sont actuellement utilisés pour produire des lignes dans la gamme des 110 nm. Des lignes aussi basses que 32 nm sont résolues par des moteurs pas à pas capables de production utilisant des lasers excimères au fluorure d'argon (ArF) qui émettent une lumière d'une longueur d'onde de 193 nm. Bien que des lasers au fluorure (F2) soient disponibles et produisent une lumière de 157 nm, ils ne sont pas pratiques en raison de leur faible puissance et parce qu'ils dégradent rapidement la résine photosensible et d'autres matériaux utilisés dans le moteur pas à pas.

Comme il n'existe pas de sources lumineuses pratiques avec des longueurs d'onde plus étroites que ces lasers, les fabricants ont cherché à améliorer la résolution en réduisant le coefficient de traitement . Pour ce faire, ils ont perfectionné les techniques de manipulation de la lumière lorsqu'elle traverse le système d'éclairage et le réticule, ainsi que les techniques de traitement de la plaquette avant et après l'exposition. Les fabricants ont également introduit des lentilles toujours plus grandes et plus chères pour augmenter l'ouverture numérique. Cependant, ces techniques approchent de leur limite pratique et les largeurs de ligne dans la gamme de 45 nm semblent être proches de la meilleure résolution possible avec une conception conventionnelle.

En fin de compte, il faudra recourir à d'autres sources d'éclairage, comme les faisceaux d'électrons , les rayons X ou des sources d' énergie électromagnétique similaires dont les longueurs d'onde sont bien plus courtes que la lumière visible . Cependant, afin de retarder le plus possible les coûts et les difficultés liés à l'adoption d'un tout nouveau type de technologie d'éclairage, les fabricants se sont tournés vers une technique, déjà utilisée dans les microscopes , pour augmenter l'ouverture numérique de la lentille en laissant passer la lumière à travers l'eau au lieu de l'air . Cette méthode, appelée lithographie par immersion , est à la pointe de la technologie de production pratique. Elle fonctionne parce que l'ouverture numérique est fonction de l'angle maximal de la lumière qui peut pénétrer dans la lentille et de l' indice de réfraction du milieu à travers lequel la lumière passe. Lorsque l'eau est utilisée comme milieu, elle augmente considérablement l'ouverture numérique, car elle a un indice de réfraction de 1,44 à 193 nm, tandis que l'air a un indice de 1,0003. Les machines de production actuelles utilisant cette technologie sont capables de résoudre des lignes dans la gamme de 32 nm, et pourraient éventuellement être capables d'atteindre des lignes de 30 nm.

Les scanners modernes sont des appareils pas à pas qui augmentent la longueur de la zone exposée à chaque prise de vue (le champ d'exposition) en déplaçant la platine du réticule et la platine de la plaquette dans des directions opposées l'une par rapport à l'autre pendant l'exposition. Au lieu d'exposer l'intégralité du champ en une seule fois, l'exposition est réalisée à travers une « fente d'exposition » qui est aussi large que le champ d'exposition, mais seulement une fraction de sa longueur (comme une fente de 9x25 mm pour un champ de 35x25 mm). L'image de la fente d'exposition est scannée sur toute la zone d'exposition.

Cette technique présente plusieurs avantages. Le champ peut être exposé avec une réduction de taille moindre du réticule à la plaquette (par exemple, une réduction de 4x sur un scanner, par rapport à une réduction de 5x sur un stepper), tout en permettant une taille de champ bien plus grande que celle qui peut être exposée avec un stepper classique. De plus, les propriétés optiques de la lentille de projection peuvent être optimisées dans la zone traversée par l'image de la fente de projection, tandis que les aberrations optiques peuvent être ignorées en dehors de cette zone, car elles n'affecteront pas la zone exposée sur la plaquette.

Une numérisation réussie nécessite une synchronisation extrêmement précise entre le réticule mobile et les plateaux de wafers pendant l'exposition. La réalisation de cette opération présente de nombreux défis technologiques.