Control for thermoelastic disturbance rejection in immersion optical lithography systems

The last decades have shown a constant increase of the quality and the performance of Integrated Circuits (ICs). As the workhorse of the modern semiconductor manufacturing industry, Optical Lithography transfers a two-dimensional circuit pattern with sub-micron features from a photomask to a stack of thin films on the surface of a silicon wafer, by photomask illumination. Optical Lithography has considerably evolved in order to satisfy the more and more demanding requirement to constantly reduce the critical dimensions of the features used in fabricating ICs. Immersion Optical Lithography has been proposed as a method for achieving smaller IC patterns via the insertion of a liquid between the last optical element and the wafer surface. This shift from conventional dry optical lithography introduces numerous challenges. The engineering of maintaining the liquid stable between the lens surface and the silicon wafer in a high-speed scanning environment is critical. Small liquid leaks evaporate causing a local cooling of the wafer and thermoelastic disturbances, that lead to unconformity between the projected pattern and the wafer surface topology. In this thesis, we are interested in compensating for the local cooling-induced in-plane wafer deformations that occur around the focal point during the wafer illumination using distributed sensor-actuator arrays. The evaluation of the local immersion-induced wafer distortions is performed via the Finite Element thermoelastic analysis of the wafer stage. In this regard, a MATLAB Finite Element routine is implemented to accurately describe the thermoelastic behaviour of the system and evaluate the consequences of the thermal disturbances on the performance of the IC manufacturing process. Augmented the FEM model with the actuation and sensing concept, the controller, to reject the adverse thermoelastic disturbances, is designed. A variety of control strategies and algorithms are proposed. For each of them, the fundamental theoretic background is presented, advantages and drawbacks are discussed and the performance to compensate for the wafer deformations are evaluated. In particular, the interest is placed on the Iterative Learning Control, which has proven to be an extraordinary effective method to achieve high performance in a width range of manufacturing applications. The fit of the Iterative Learning Control for the deformation rejection in Immersion Optical Lithography is novel and is investigated. The thermoelastic disturbances, at the focal point, are attenuated, allowing to improve the accuracy in the IC fabrication. These results allow the thesis to contribute to the roadmap for a constant reduction of the IC critical size.

L'avvento dei computer, nonché il loro evolversi, è strettamente correlato con l'evoluzione tecnologica e la miniaturizzazione dei circuiti integrati, i quali vengono impiegati anche in tutti i macchinari, macchine e meccanismi che utilizzano una componente elettronica per il loro funzionamento. Quanto premesso consente di immaginare il business legato alla produzione di IC, la quale, per essere competitiva, deve rispettare i parametri sia di alta qualità, che di rendimento. L'attuale sistema produttivo di IC si basa sulla litografia ottica, che consente la realizzazione di un IC, partendo da un modello bidimensionale avente dettagli sub-micron, tramite l'utilizzo di una foto-maschera e la sovrapposizione di svariati film fotosensibili posti sulla superficie di un wafer in silicio. La pellicola fotosensibile viene esposta in modo selettivo attraverso una maschera, che contiene le informazioni, alla luce, consentendo di imprimere il modello del particolare IC in lavorazione. Negli anni, per poter soddisfare l'esigenza di circuiti con dimensioni sempre più ridotte, la litografia ottica ha assistito ad una straordinaria evoluzione degli strumenti di esposizione e delle metodologie di stampa. Nel 2002 viene introdotta una nuova tecnica: la litografia ottica ad immersione; con questa nuova tecnica l'aria, che costituiva tradizionalmente l'elemento riempitivo dello spazio tra la lente e la pellicola fotosensibile del wafer, viene sostituita con un liquido. L'utilizzo di un liquido consente di ottenere dei miglioramenti, sino a decine di nanometri, nella risoluzione ottica, spostando i limiti della litografia ottica fino a un livello di dettaglio di 45 nm e, potenzialmente, fino a 32 nm. Il metodo ad immersione comporta nuove sfide tecniche, molte delle quali correlate alla meccanica dei fluidi, quali: l'esigenza di rifornire, in modo corretto, il liquido nella zona del wafer soggetta al processo espositivo e la necessità di impiego di un liquido che si mantenga uniforme in merito alle sue proprietà ottiche. Inoltre, per una resa produttiva elevata, il wafer, quando viene impressionato nelle varie aree, deve potersi muovere rapidamente, quindi la principale sfida è rappresentata dal riuscire a mantenere la stabilità del liquido, collocato tra la lente ed il wafer di silicio, in quanto, al raggiungimento di una velocità critica (variabile in base al tipo di fluido utilizzato, all'ampiezza del gap, agli angoli di contatto, ecc.), il liquido di immersione ’rompe’ in gocce lungo il lato posto a valle del fluido. Queste gocce evaporando, non appena si allontanano dalla zona di immersione, sottraggono calore ad alcuni punti del wafer; tale raffreddamento crea disturbi termoelastici nel piano del wafer, che comportano una discordanza, dovuta a distorsioni, tra l'immagine proiettata e la topologia del wafer stesso. Approfondite indagini, in merito al meccanismo di rottura e alla creazione di gocce, hanno consentito di limitare e controllare il problema, che continua, però, a rappresentare un rischio relativamente alla precisione di questa tecnica. In questo progetto, lo studio è stato focalizzato sulla compensazione delle deformazioni del wafer, nel punto focale di esposizione, causate dal raffreddamento, tramite l'utilizzo di un apparato distribuito di sensori ed attuatori. Le distorsioni del wafer sono state valutate quantitativamente attraverso l'analisi termoelastica ad elementi finiti del sistema. A questo proposito, un codice MATLAB, per l’analisi ad elementi finiti, è stato implementato in modo tale da descrivere accuratamente il comportamento termoelastico del wafer e valutare le conseguenze dei disturbi termici sulle prestazioni durante il processo di fabbricazione degli IC. Dopo aver integrato il modello FEM con attuatori e sensori, si è passati alla progettazione del sistema di controllo. Diverse strategie di controllo sono state proposte, per ognuna di esse i fondamenti teorici sono stati presentati, i vantaggi e gli svantaggi discussi e le capacità, nel compensare le deformazioni del wafer, valutate. In particolare l'analisi è stata incentrata sull' Iterative Learning Control, una recente tecnica di controllo, che si è dimostrata molto efficace nell'ottenimento di elevate prestazioni in un ampio campo di applicazioni. L'utilizzo dell' Iterative Learning Control, quale metodo per compensare i disturbi termoelastici nella litografia ottica ad immersione è sicuramente innovativo e la sua validità è stata valutata in questo studio. I disturbi termoelastici, nel punto di fuoco del processo di esposizione, sono stati attenuati, permettendo di migliorare l'accuratezza nella produzione di IC. Questi risultati consentono a questa tesi di apportare un contributo per il successivo sviluppo tecnologico degli IC.