Smart industrial networks and digital twins for optimizing the overlay modeling in advanced photolithography processes

Abstract

Photolithography is a microfabrication process used to transfer intricate patterns onto semiconductor wafers through the use of light-sensitive materials. It serves as a foundational technology in semiconductor manufacturing, enabling the creation of integrated circuits (IC) with ever-decreasing feature sizes. In photolithography, yield refers to the percentage of semiconductor devices that meet quality and performance standards after the manufacturing process, serving as a critical indicator of process reliability and product quality. Throughput, on the other hand, measures the efficiency of the manufacturing process by quantifying the number of wafers processed within a given time period. Manufacturers constantly grapple with a fundamental dilemma: increasing throughput to meet high production demands often risks reducing yield if process parameters are compromised, while an exclusive focus on yield may slow production rates. This tension between quality and efficiency drives ongoing research aimed at optimizing process parameters, modeling techniques, and equipment performance to achieve a balance where improvements in yield do not come at the expense of throughput. This study contends that targeted modifications to the overlay (OL) modeling process in advanced photolithography can significantly enhance yield without compromising throughput. By systematically analyzing process parameters and modeling techniques, the research seeks to identify optimal strategies that balance efficiency and output, thereby offering valuable insights for improving semiconductor manufacturing. This research highlights the essential challenge of balancing throughput and quality, particularly due to the time-intensive nature of precise OL sensor measurements. To address this, the study proposes a Sensor Markers Selection (SMS) algorithm utilizing Genetic Algorithms (GA), optimizing measurement selection to achieve an improved balance between uniformity and information gain without reducing throughput. Additionally, a novel Surface Reconstruction (SR) technique is introduced to enhance OL modeling accuracy. By leveraging spatial interpolation, this approach enables more precise parameter tuning while minimizing the number of necessary sensor measurements. The research further investigates Ridge Regression as an effective alternative to traditional Least Squares (LSQ) methods to address multicollinearity in high-dimensional OL models. Lastly, the thesis proposes a Digital Twin (DT) architecture for self-adaptive OL control. This architecture integrates Advanced Process Control (APC) and computational techniques, dynamically estimating and adjusting OL models to reduce sensor dependency while maintaining throughput. This approach demonstrates significant potential for advancing Moore’s Law through data-driven methodologies in photolithography. The proposed methods were validated using an actual industrial process involving 300 mm wafers. The results indicate substantial improvement in OL accuracy in both the x and y directions, underscoring the practical effectiveness of the presented techniques.

Η φωτολιθογραφία είναι μια διαδικασία που χρησιμοποιείται για τη μεταφορά περίπλοκων μοτίβων σε πλακίδια ημιαγωγών με τη χρήση φωτοευαίσθητων υλικών. Χρησιμεύει ως θεμελιώδης τεχνολογία στην κατασκευή ημιαγωγών, επιτρέποντας τη δημιουργία ολοκληρωμένων κυκλωμάτων με ολοένα και μικρότερα μεγέθη χαρακτηριστικών. Στη φωτολιθογραφία, η απόδοση (yield) αναφέρεται στο ποσοστό των διατάξεων ημιαγωγών που πληρούν τα πρότυπα ποιότητας μετά τη διαδικασία κατασκευής, αποτελώντας κρίσιμο δείκτη αξιοπιστίας της διαδικασίας και ποιότητας του προϊόντος. Ο ρυθμός παραγωγής (throughput) , από την άλλη πλευρά, μετρά την αποτελεσματικότητα της διαδικασίας κατασκευής με την ποσοτικοποίηση του αριθμού των πλακιδίων που επεξεργάζονται μέσα σε μια δεδομένη χρονική περίοδο. Η βελτίωση της απόδοσης για την ικανοποίηση των υψηλών απαιτήσεων παραγωγής συχνά ενέχει τον κίνδυνο μείωσης του ρυθμού παραγωγής, ενώ η αποκλειστική εστίαση στην απόδοση μπορεί να επιβραδύνει τον ρυθμό παραγωγής. Αυτή η διαρκής πάλη μεταξύ ποιότητας και αποδοτικότητας οδηγεί στη συνεχή έρευνα με στόχο τη βελτιστοποίηση των παραμέτρων της διαδικασίας, των τεχνικών μοντελοποίησης και της απόδοσης του εξοπλισμού για την επίτευξη μιας ισορροπίας όπου οι βελτιώσεις στην απόδοση δεν έρχονται σε βάρος του ρυθμού παραγωγής. Η παρούσα μελέτη υποστηρίζει ότι στοχευμένες τροποποιήσεις στη διαδικασία μοντελοποίησης σφαλμάτων επικάλυψης στην προηγμένη φωτολιθογραφία μπορούν να βελτιώσουν σημαντικά την απόδοση της φωτολιθογραφίας χωρίς να διακυβεύεται ο ρυθμός παραγωγής. Με τη συστηματική ανάλυση των παραμέτρων της διαδικασίας και των τεχνικών μοντελοποίησης, η έρευνα επιδιώκει να εντοπίσει βέλτιστες στρατηγικές που εξισορροπούν τον ρυθμό παραγωγής και την απόδοση, προσφέροντας έτσι πολύτιμες γνώσεις για τη βελτίωση της κατασκευής ημιαγωγών. Η έρευνα αναδεικνύει την ουσιαστική πρόκληση ιδίως λόγω της χρονοβόρας φύσης των μετρήσεων μέσω ασθητήρων. Για την αντιμετώπιση αυτού του προβλήματος, η μελέτη προτείνει έναν αλγόριθμο επιλογής σημείων μέτρησης (SMS) που χρησιμοποιεί γενετικούς αλγόριθμους (GA), βελτιστοποιώντας την επιλογή των μετρήσεων για την επίτευξη ισορροπίας μεταξύ ομοιομορφίας και κέρδους πληροφορίας χωρίς μείωση της απόδοσης. Επιπλέον, εισάγεται μια νέα τεχνική ανακατασκευής επιφάνειας για τη βελτίωση της ακρίβειας μοντελοποίησης του σφάλματος επικάλυψης. Αξιοποιώντας τη χωρική παρεμβολή, η προσέγγιση αυτή επιτρέπει ακριβέστερη ρύθμιση των παραμέτρων, ελαχιστοποιώντας παράλληλα τον αριθμό των απαραίτητων μετρήσεων αισθητήρων. Η εργασία διερευνά περαιτέρω την παλινδρόμηση κορυφογραμμής ως αποτελεσματική εναλλακτική λύση στις παραδοσιακές μεθόδους ελαχίστων τετραγώνων για την αντιμετώπιση της πολυσυγγραμμικότητας σε μοντέλα υψηλής διάστασης. Τέλος, η διατριβή προτείνει μια αρχιτεκτονική Ψηφιακού Διδύμου για αυτοπροσαρμοζόμενο έλεγχο. Αυτή η αρχιτεκτονική ενσωματώνει προηγμένο έλεγχο διεργασιών και τεχνικές συνδυασμού, εκτιμώντας και προσαρμόζοντας δυναμικά τα μοντέλα επικάλυψης για τη μείωση της εξάρτησης από τους αισθητήρες, διατηρώντας παράλληλα τον ρυθμό παραγωγής. Η προσέγγιση αυτή επιδεικνύει σημαντικές δυνατότητες για την προώθηση του νόμου του Moore μέσω μεθοδολογιών με βάση τα δεδομένα στη φωτολιθογραφία. Οι προτεινόμενες μέθοδοι επικυρώθηκαν με τη χρήση μιας πραγματικής βιομηχανικής διεργασίας που περιλαμβάνει πλακίδια 300 mm. Τα αποτελέσματα υποδεικνύουν σημαντική βελτίωση της ακρίβειας μοντελοποίησης σφαλμάτων επικάλυψης τόσο στις διευθύνσεις x όσο και y, υπογραμμίζοντας την πρακτική αποτελεσματικότητα των παρουσιαζόμενων τεχνικών.