光刻技术如何实现纳米级精度的对准？

光刻系统在晶圆上成像电路图案，制作一个芯片需要多达100层这样的图案，而且它们都必须彼此精确对齐，芯片才能正常工作。

一个光刻系统将一个图案与前一个图案对齐的能力是由其套刻精度能力衡量的。ASML目前最先进的光刻系统的套刻精度优于2纳米。

为了实现这种级别的套刻精度，光刻系统在曝光图案之前，需要知道晶圆的位置在几分之一纳米内。当晶圆进入光刻系统时，它最初的定位精度约为80微米，约为普通人头发的直径。

但这还远远不够精确。为了达到亚纳米级的精度，ASML的系统使用了一个光学对准传感器，该传感器根据晶圆上被称为“对准标记 （alignment marks）”的特殊特征的光线反射情况来计算晶圆的位置。

在不完美的世界中追求极度的精确

对准标记是专门设计的光栅，在晶圆上与每一层的图案同时创建。它们是由具有垂直边的立体线条组成的，与晶圆表面垂直。然而，芯片生产过程中的自然变化意味着，有时这些边并不完全垂直，而是倾斜的。

“我所面对的挑战非常直接——这倾斜边的位置或者重心特征在那里？”Simon解释，“你可以说它是顶角之间的一半，或底角之间的一半。对于垂直的特征，这是相同的，但对于倾斜的特征则不然，这带来了模糊性。”

Simon Mathijssen

“这是一个实际的问题，因为对准传感器使用多种颜色的光来确定晶圆的位置，在这种模糊性下，每种颜色都会给出不同的答案。因此，我们不确定晶圆的实际位置。这可能导致关键的错误，如短路和连接失败，使芯片停止工作。”

用时间和专研实现卓越成果

自2011年加入公司以来，Simon在其职业生涯中大部分时间都在为这个问题和类似问题寻找新的解决方案。其中许多解决方案已经在ORION对准传感器中实现。

2017年起，ORION对准传感器取代之前的SMASH传感器，成为ASML光刻系统中的晶圆对准技术平台。与SMASH相比，ORION更加精准，对可能导致对准标记倾斜的工艺变化不那么敏感。

芯片上的倾斜特征

“我们也在关注套刻精度量测中的一个类似问题：当标记变形时，我们如何准确地测量芯片上的各层？最大的区别是标记的数量。对于晶圆定位，有几十个对准标记。对于套刻精度，可能有超过1000个。”Simon补充说。

从修理电视到实现纳米尺度的技术

据Simon说，他的职业启发于小时候，他的父亲让他帮忙修理电视机。“当时，电视是一个相当大的、复杂的技术系统。你可以打开它并进行探索，这很吸引人。”他回忆道。

在获得埃因霍温科技大学的有机电子博士学位后，Simon加入了ASML的Sensors, Metrology and Control 团队。在这里，他从经验丰富、乐于助人的同事那里学到了很多光学知识。目前，Simon是使用ASML最先进系统的客户与公司量测研究之间的重要纽带。

总裁兼首席技术官Martin van der Brink、副总裁Jos Benschop和Simon为他在ASML Fellow墙上的牌匾揭幕

“实际上，正是通过与客户的沟通启发我们意识到了标记变形的问题。”他说。

为了表彰他的工作的重要性，Simon在2021年的ASML技术会议上被授予“ASML Fellow”的称号，这是ASML对最优秀和最聪明的技术人才的独家奖励，他们的突破性想法、关键的技术专利和夯实的文献记录为公司的成功做出了重要的贡献。

推荐阅读

ASML 101 | 挑战k1极限，铸就强大内“芯”

芯片制造的6个关键步骤