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1、项目名称：超大规模集成电路制造装备基础问题研究首席科学家：雒建斌 清华大学起止年限：2009.1至2013.8依托部门：教育部一、研究内容本项目以32nm及其以下线宽的IC制造装备所面临的纳米精度图形转移、超低应力平坦化、高密度封装、高速高精运动和超精密测量等关键共性技术为突破口，围绕下列三个重要科学问题展开研究：科学问题一、纳米精度制造中的界面与尺度效应及精确控制随IC制造未来向32nm及其以下线宽的推进，由尺寸效应而引起的铜导线的电阻率以指数关系上升。因此，互连结构的电阻和电容所引起的信号延迟效应越来越严重。超低k介电质材料的引入成为必然趋势。由于其与Cu力学性能的巨大差异，导致在图形转移
2、、平坦化等工艺中界面问题成为关键瓶颈之一。在平坦化方面，如何在微区粗糙度、中等区域波纹度和大尺寸晶圆的全局平整度的三个跨尺度（纳米微米毫米）域中实现高精度控制、如何避免互连线损伤和界面剥离、如何在降低平坦化压力的情况下实现高效、大面积、均匀的材料去除等问题成为急需克服的屏障。同时，在作为图形高保真转移的关键方法之一，即纳米压印光刻方面，随线宽的缩小，界面的物理化学性能对阻蚀胶流变将产生很强的约束作用，其流变特性将显示出明显的尺度效应。为实现图形的高保真转移，界面的分子作用机制、纳米间隙流变规律、静电场诱导的分子自组装过程的界面行为等是急需研究的问题。针对这些难点，设置两方面研究内容：1）超低压
3、力下异质表面纳米精度平坦化新原理与实现针对32nm及以下线宽、晶圆直径300-450mm、Cu互连与超低k介质材料的超大规模集成电路制造，需要探索超低下压力化学机械平坦化（CMP）新原理、异质材料表面CMP过程中材料的原子尺度去除规律，揭示表面间的摩擦化学和机械的耦合作用对原子尺度材料去除的影响，探明原子逸出数目与分布规律、多场耦合下界面分子刷趋向与刚度控制机制、超低应力平坦化过程实现异质材料均匀、快速去除机制和纳米二相流的流动规律等问题。从而提出新的超低应力平坦化方法、研制出新的CMP系统。拟研究五个部分内容： 原子尺度（级）材料的去除机制； 超低应力平坦化新方法 柔性分子刷； 超低应力平坦
4、化中界面行为与损伤控制； 外电场辅助全局平坦化的原理和方法； 超低应力平坦化的原理样机及工艺实现。2）纳米结构的外场诱导流变成形规律与控制电场和紫外光诱导的流变图形化过程将纳米结构的图形模板以纳米间距置于高分子材料(阻蚀胶)膜的上方，施加静电场驱动阻蚀胶分子在基材表面的运动聚集，形成图形，再以紫外光将液态的分子膜固化定型。这种图形化方法的本质是外场诱导的纳米尺度几何约束形变过程，其阻蚀胶与各工艺要素的交互作用与现有光学投影光刻过程中有显著不同。光学光刻过程中的阻蚀胶在激光能的作用下仅发生原位化学或物理作用。而在外场诱导流变成形时，阻蚀胶首先必须经历力学流变，然后在外部光能场的照射下发生光聚合固
5、化反应。提高图形化效率，需要施加激光和热场等辅助能量形式，以提高分子的自由能。显然，在这种新的纳米结构图形化过程中，纳米尺度下的界面约束作用、流变规律和控制是核心问题。因此，拟展开以下研究： 纳米尺度空间材料的流变行为； 纳米成形中界面分子作用的规律及外场诱导机制； 成形过程结构的几何形状及物理特性演变规律； 纳米成形中的外场传输控制与装备实现。科学问题二、纳尺度键合的快速能量通道形成机制与性能调控为满足封装向系统集成、小型化、超薄化方向发展，基于引线键合的芯片堆叠三维封装和基于倒装互连的高密度封装将成为32 nm及以下IC封装的主流工艺。预计到2013年，晶圆厚度将降低到40 m，凸点间距（
6、pitch）降低到15 m，三维封装最小厚度减小到0.5 mm，倒装芯片的I/O数增至5000个/cm2，封装的空间约束将发生根本变化，键合过程的复杂性也更加突出，对现有的键合原理和技术提出了挑战，如：三维堆叠芯片悬梁键合在非稳定状态下，多形态能量如何输入？键合界面如何响应？稳定可靠的超低弧引线如何成形？高密度超细凸点倒装键合中，热、力、流体、运动等多物理量如何精确控制？机械振动、温度变化等环境因素对超薄芯片多自由度精密操作的影响等等，需要研究“高密度封装多能场复合作用机制” 这一核心科学问题，主要研究内容包括：1) 超薄芯片叠层组合互连中多域能量传递与键合形成三维封装中堆叠芯片导致悬梁键合和
7、超低弧引线等特殊需求，使互连的可靠性、稳定性要求大幅提高，迫切需要解决：1)芯片悬梁键合的动力学参数匹配问题。悬臂末端位移过大（50m），超声加载过程中悬臂处于振动状态，导致互连失效、强度降低、悬臂硅片裂纹等问题；2)超低弧(Ultra-low-loop)引线稳定性。超薄芯片、悬臂下面的引线和整个封装高度的降低，都需要发展75m的超低弧，且弧高/弧形一致性要求更严格，以避免同层线或上下层线间的短路。因此，需要研究如何在堆叠芯片悬臂上有效施加、吸收外场能量，实现高强度、高可靠性悬臂键合；研究空间引线成形过程中，引线微位移、微张力、刚度的动态匹配与弧形稳定性的相关规律，以提高弧高/弧形一致性。主要
8、的研究内容： 芯片悬梁键合中多形态键合能输入、响应与键合微结构的生成； 复杂条件下的引线成形过程建模； 键合头精密运动生成与高精度引线运动控制； 键合过程与键合质量的监控理论与方法。2) 高密度倒装键合中多物理量协同控制机制与实现对于32nm及以下线宽IC封装，超薄芯片（40m）高密度凸点（5000/cm2）超细间距（15m）的倒装键合过程中尺度效应和表面效应作用明显，超薄芯片与基板之间的翻转、定位、对准、调平等多自由度精密操作易受机械振动以及温度、湿度等环境因素影响而变得非常困难。由于高密度封装导致的热功率密度增加、有机基板的变形弯翘、芯片与有机基板热膨胀系数相差过大（1：6）等因素综合影响
9、，倒装键合过程易产生较大的残余热应力和应力集中现象使封装界面分层失效，对热、力、流体等键合参数精确控制提出了挑战。因此，建立多自由度微米精度快速对准新原理，提出大尺寸超薄晶圆或微小芯片的快速转移与精确定位新方法；研究热、力、流体等多物理场复合作用下高密度倒装键合界面精确形成机理，提出热、力、流体等多物理量耦合多参数精确协同控制方法。研究内容如下： 高密度倒装键合的多自由度快速精确对准； 超薄晶圆/芯片的表面效应与可靠拾取； 高密度微互连中的多物理场作用机理与精确控制； 键合过程缺陷在线检测、实时诊断及质量评估； 高密度超细间距倒装键合原型机研制。科学问题三：纳米制造系统的高速精确响应机制与运动
10、精度生成原理随着光刻工艺逐步进入32nm及以下节点，在目前光刻机工件台运动控制系统中无需特别关注的微弱扰动、测量的时滞非线性、未建模动态特性对系统的精度和动态性能影响效应凸显，光刻机工件台的“极限”运动精度将带来一系列原理性问题。对环境的要求也向超高真空/超洁净发展，晶圆、薄膜和电路图案的制造过程在线检测和质量检测也越来越困难。这些问题对现有运动系统建模、测量、控制的理论和方法提出了新的挑战，如：光刻机工件台作为大惯量多体多场跨尺度系统，其中的力-热-光-电磁-流场等多物理场如何复合作用；如何补偿环境的微弱扰动，形成大尺寸范围高速运动的亚纳米测量精度；如何实现多轴测量数据与时间的同步，以及解决
11、测量离散空间对高动态纳米精度运动表征的不确定性；如何实现大尺寸晶圆高效超洁净传输、超精加工的在线测量等等。需要围绕“纳米制造系统的高速精确响应机制与运动精度生成原理” 这一核心科学问题，开展下面三个方面的研究：1）大惯量多体系统的多场多尺度建模与纳米精度运动生成光刻机工件台是大惯量多体混杂系统，在复合场的复杂作用下，从多个层面影响纳电子制造精度的生成。影响精度生成的各种因素之间并不完全独立，存在着静态与动态关联，其中环境扰动、运动系统自身复杂的机械特性是影响系统精度的主要因素。由运动系统多结构串联特征所带来的误差放大效应，也是影响系统总体精度的重要因素。为解决这些问题，需要建立并分析复杂环境中
12、的扰动与动力学模型，分析各种误差形成机理，通过对动态与静态扰动的精确补偿以及精密振动控制，才能保障纳电子制造的最终纳米精度运动生成。主要研究内容如下： 大惯量多体多尺度及多场系统的动力学建模与分析； 曝光运动中激光干涉测量的动态流场对精度影响分析； 精密运动机构的构型优化与振动控制； 亚纳米精度下轨迹跟踪与曝光运动动态精度生成； 光刻机动力学分析与纳米精度生成的综合实验验证。2）复杂环境下大尺寸超薄晶圆的高效稳定传输原理与实现随着IC的集成度和复杂性越来越高，对环境的要求也向着超高真空/超洁净的方向发展，如CVD、PVD和等离子刻蚀等制造阶段，为避免工件被氧化或被污染，晶圆的操纵环境的真空度要
13、求达到10-9torr量级。大规模IC生产设备要求控制0.1m的尘粒达到class 1，甚至更严。在如此苛刻的环境下工作，对晶圆传输设备的运动生成提出了更高的要求。随着晶圆向大尺寸(300mm)发展，IC制造产能不断提高，传输设备的高效高可靠性成为一个重要的制约环节，在快速传输运动与晶圆快速拾放过程中，容易产生振动、擦伤、晶圆滑落等问题。随着晶圆向超薄 (50m)发展，如何避免超薄晶圆在传输中容易产生表面划伤、变形等问题，是超薄晶片成功取放的首要条件。主要研究内容如下： 传输摩擦界面的固体薄膜润滑机理与控制； 传输机构磁流体密封与高性能磁力传动； 大尺寸超薄晶圆的高效可靠拾取机理与方法； 大尺
14、寸超薄晶圆高效稳定传输的轨迹优化与控制。3）晶圆表面加工中几何参数的纳米精度在线测量方法与表征在IC制造过程中，晶圆、薄膜和电路图案的加工质量检测是不可缺少的内容。为了解决32 nm及以下线宽、300-450mm晶圆平坦化加工过程中铜膜厚度变化的实时在线检测和晶圆加工的高速高精度全局和局部微观形貌测量问题，本研究提出非接触快速高精度硅片微观几何参数测试方法，以实现32nm及以下IC制造过程硅片表面质量的在线测量。主要研究内容如下： 基于电涡流原理的高频微波反射式涡流探测器的设计原理； 高频微波反射式涡流探测器系统的构建以及与CMP工艺的集成； 晶圆表面微观形貌在线检测的快速测量原理； 晶圆异质
15、表面光学特性对莫尔条纹形成的影响因素； 大范围纳米分辨率微观形貌测量技术及方法。二、预期目标【总体目标】针对高精度、高可靠和高性能IC制造技术和装备面临的技术挑战，通过上述七个课题的研究，实现IC制造若干关键工艺和先进装备的自主创新，造就一批从事该领域前沿科学研究的高科技人才，奠定支撑我国新一代IC制造技术和工业体系发展的理论和技术基础，为我国在IC制造装备领域实现跨越式发展，成为世界IC制造的主要生产和创新中心提供支撑。【五年预期目标】第一方面：理论研究通过研究，建立面向32nm及以下技术节点IC制造装备的理论体系，争取在以下方面取得突破性进展：（1）通过对晶圆互连层表面平坦化机制和外场诱导流变成形规律的研究，揭示纳米精度制造中的界面与尺度效应，提出纳米精度制造的精确控制方法；（2）通过对高密度键合过程中多能场（热、流变应力、超声、摩擦化学）耦合作用规律的实验与理论研究，揭示纳尺度键合的快速能量通道形成机制，实现键合性能的调控；（3）通过对光刻机运动系统不确定因素的数理表达，解决多体、多场、多尺度制造装备耦合建模难题，进而揭示纳米制造系统的高速精确响应机制，提出运动精度生成的新原理。第二方面：技术成果撑0mm
