1、光學(xué)儀器工程光學(xué)儀器工程及系統(tǒng)設(shè)計(jì)及系統(tǒng)設(shè)計(jì)第六章 光刻曝光系統(tǒng) 光刻曝光系統(tǒng)光刻發(fā)展光刻發(fā)展歷史歷史光光 刻刻 原原 理理曝光系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)曝光系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)曝光系統(tǒng)技術(shù)難點(diǎn)曝光系統(tǒng)技術(shù)難點(diǎn)曝光系統(tǒng)發(fā)展前景曝光系統(tǒng)發(fā)展前景光刻工藝及光刻機(jī)結(jié)構(gòu)光刻工藝及光刻機(jī)結(jié)構(gòu)光刻發(fā)展歷史 1958年世界上出現(xiàn)第一塊平面集成電路，在短短的五十多年中，微電子技術(shù)以令世人震驚的速度突飛猛進(jìn)地發(fā)展，創(chuàng)造了人間奇跡。人類(lèi)社會(huì)和整個(gè)世界都離不開(kāi)微電子技術(shù)。 作為微電子技術(shù)工藝基礎(chǔ)的微光刻技術(shù)與微納米加工技術(shù)是人類(lèi)迄今為止所能達(dá)到的精度最高的加工技術(shù)。 1980年左右曾經(jīng)有人預(yù)言：光刻線(xiàn)寬不能小于1微米；1989年曾經(jīng)有預(yù)

2、言：到1997年光刻技術(shù)將走到盡頭；1994年也曾經(jīng)有比較樂(lè)觀的長(zhǎng)期預(yù)測(cè)，2007年線(xiàn)寬達(dá)到0.1微米（保守的預(yù)計(jì)為0.5微米）。這些預(yù)測(cè)都被光刻技術(shù)神話(huà)般進(jìn)步的步伐遠(yuǎn)遠(yuǎn)拋在后頭 ！ 過(guò)去的幾十年證明，通過(guò)科學(xué)家的努力，人類(lèi)就有辦法實(shí)現(xiàn)當(dāng)時(shí)看來(lái)已經(jīng)超過(guò)當(dāng)時(shí)光刻工藝物理極限的加工精度，不斷地續(xù)寫(xiě)著新的神話(huà)。 光刻發(fā)展歷史摩爾定律摩爾定律芯片集成度18個(gè)月翻一番，每三年器件尺寸縮小0.7倍的速度發(fā)展。大尺寸、細(xì)線(xiàn)寬、高精度、高效率、低成本的IC生產(chǎn)，正在對(duì)半導(dǎo)體設(shè)備帶來(lái)前所未有的挑戰(zhàn)第一代第二代第三代第四代第五代十年一代1975-19851985-19951995-20052005-2015201

3、5-2025光刻光源G線(xiàn)I線(xiàn)準(zhǔn)分子激光浸沒(méi)/二次EUV/EBL曝光波長(zhǎng)436nm365nm248nm193nm13.5/10-6特征尺寸1um1-0.35um0.35u-65nm65-22nm22-7nm存儲(chǔ)器bit4M4M-64M64M-1G1G-16G16G主流CPU 8086-386Pentiun proP4多核CPU晶體管104-105106-107108-1091010-10XCPU主頻2-33MHz33-200MHz200-3800非主頻標(biāo)準(zhǔn)硅片尺寸4-66-88-1212-18主流設(shè)計(jì)工具LE-P&RP&R-SynthesisSynthesis-DFMSoC系統(tǒng)設(shè)

4、計(jì)主要封裝形式DIP雙列直插QFP平面安裝BGA球柵封裝SiP系統(tǒng)封裝微電子技術(shù)每十年產(chǎn)生一代的進(jìn)步5杰克. 基爾比Jack S. Kilby 集成電路發(fā)明者提出 大膽的設(shè)想： “能不能將電阻、電容、晶體管等電子元器件都安置在一個(gè)半導(dǎo)體單片上？” 1958-9-12研制出世界上第一塊集成電路 2000年獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng) 羅伯特. 諾伊斯Robert. Noyce 發(fā)明可商業(yè)化量產(chǎn)的集成電路 1959-7研究出以二氧化硅膜開(kāi)窗口雜質(zhì)擴(kuò)散技術(shù)、PN結(jié)的隔離技術(shù)，氧化膜上鋁條連線(xiàn)技術(shù)，真正實(shí)現(xiàn)了半導(dǎo)體硅平面工藝 創(chuàng)辦仙童公司和英特爾公司 戈登. 摩爾Gordon .Moore 發(fā)現(xiàn)“摩爾定率”196

5、5-1975發(fā)現(xiàn)并預(yù)言集成電路芯片晶體管數(shù)每18個(gè)月翻一番（約每三年翻二番，特征尺寸縮小到0.7倍，進(jìn)一個(gè)節(jié)點(diǎn)）的摩爾定率英特爾(Intel)公司創(chuàng)始人之一總裁兼CEO 安迪 格羅夫Andy Grove使微處理器這顆數(shù)字革命的心臟強(qiáng)勁跳動(dòng)，為數(shù)字時(shí)代提供源源不斷的動(dòng)力 1986年格羅夫提出的新的口號(hào)“英特爾，微處理器公司”核心、雙核、四核 改變世界1987年接過(guò)英特爾的 CEO接力棒 張忠謀 Zhang zhonmou創(chuàng)建了一個(gè)純芯片制造代工的臺(tái)積電模式的產(chǎn)業(yè)1987創(chuàng)建了全球第一家專(zhuān)業(yè)代工公司-臺(tái)灣積體電路制造股份有限公司（臺(tái)積電）開(kāi)創(chuàng)了半導(dǎo)體代工時(shí)代 1985年臺(tái)灣工研究院院長(zhǎng) 集成電路五

6、十年中對(duì)世界最具影響力的五個(gè)人* 光刻機(jī)發(fā)展路線(xiàn)圖光刻機(jī)發(fā)展路線(xiàn)圖光刻機(jī)發(fā)展歷史光刻機(jī)三巨頭ASMLCanonNikon據(jù)2007年統(tǒng)計(jì)，在中高階光刻機(jī)市場(chǎng)，ASML占有份額達(dá)60%左右，而在最高階光刻機(jī)市場(chǎng)， ASML占有份額達(dá)90%左右光刻發(fā)展背景信息時(shí)代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)集成電路光刻技術(shù)什么是光刻？ 定義：光刻是將掩模版上的圖形轉(zhuǎn)移到涂有光致抗蝕劑（或稱(chēng)光刻膠）的硅片上,通過(guò)一系列生產(chǎn)步驟將硅片表面薄膜的特定部分除去的一種圖形轉(zhuǎn)移技術(shù)。 Lithography = Transfer the pattern of circuitry from a mask onto a wafer. waferd

7、ieImage (on reticle)Image (on wafer)Cell光刻定義光 刻 定 義光刻工藝的簡(jiǎn)介硅片截面硅片截面表面生長(zhǎng)氧化層氧化層的生長(zhǎng)在擴(kuò)散爐，圖中為擴(kuò)散爐光刻工藝的簡(jiǎn)介硅片截面表面生長(zhǎng)氧化層光刻進(jìn)行加工的片子，都必須經(jīng)過(guò)的步驟-勻膠。上圖中為2道勻膠機(jī)均勻膠層（正膠）光刻工藝的簡(jiǎn)介硅片截面表面生長(zhǎng)氧化層圖中為光刻的核心加工設(shè)備-光刻機(jī)。經(jīng)過(guò)上版、版對(duì)準(zhǔn)、上片、片對(duì)準(zhǔn)后執(zhí)行曝光。將掩膜圖形復(fù)印到硅片表面的膠層上均勻膠層（正膠）紫 外 線(xiàn) 曝 光 燈光刻工藝的簡(jiǎn)介硅片截面表面生長(zhǎng)氧化層曝光完成后，因?yàn)檠谀D形遮擋的原因，只有部分膠膜被紫外光充分照射，化學(xué)性質(zhì)發(fā)生了改變（圖

8、中橘黃色所示位置被曝光）。 紫 外 線(xiàn) 曝 光 燈光刻工藝的簡(jiǎn)介硅片截面表面生長(zhǎng)氧化層曝光完成，接下來(lái)的工藝是顯影，通過(guò)浸泡顯影液，被曝光的正性光刻膠或未曝光的負(fù)性光刻膠會(huì)被溶除。從而實(shí)現(xiàn)將掩膜上的圖形復(fù)印到膠層。上圖為顯影機(jī)，構(gòu)造與勻膠機(jī)類(lèi)似光刻工藝的簡(jiǎn)介至此，光刻工藝簡(jiǎn)介告一段落，經(jīng)過(guò)顯影后的QC檢驗(yàn)后即可送往下步工序。光刻的下步工序?yàn)椋簼穹ǜg、干法刻蝕、離子注入硅片截面表面生長(zhǎng)氧化層下圖是以濕法腐蝕為例：光刻工藝的簡(jiǎn)介通過(guò)濕法腐蝕，主要用于去除掉沒(méi)有光刻膠保護(hù)部分的氧化硅層或鋁層。利用光刻膠的抗蝕性和阻隔離子的能力，有選擇的保護(hù)硅片表面的氧化層、氮化硅層、鋁層等等，就是光刻工藝的意義。

9、硅片截面表面生長(zhǎng)氧化層光刻工藝的簡(jiǎn)介光刻工藝總結(jié)曝光硅片處理涂膠前烘后烘顯影堅(jiān)膜檢測(cè)硅片脫水烘烤。光刻膠需要疏水性的表面，硅片表面薄氧化層成親水性，HMDS鈍化親水性變成疏水性提高黏附性。或者簡(jiǎn)單采用硫酸煮片去氧化層。高速旋轉(zhuǎn)涂膠?？刮g劑濃度。氣泡/水汽。正性抗蝕劑/負(fù)性抗蝕劑/反轉(zhuǎn)抗蝕劑。硅片邊緣形成邊膠工藝中易產(chǎn)生缺陷需邊膠去除(EBR) 烘箱熱對(duì)流/紅外線(xiàn)輻射/熱板傳導(dǎo)。揮發(fā)光刻膠中的溶劑/增強(qiáng)附著力/緩解膠膜應(yīng)力/避免粘連。溫度太高或時(shí)間過(guò)長(zhǎng)變脆靈敏度變差反之溶解太快。接觸式/接近式/掃描投影/分步重復(fù)/步進(jìn)掃描光刻機(jī)。靈敏度/分辨率/對(duì)比度/抗蝕性/對(duì)準(zhǔn)套刻精度/CD控制?？狗瓷渫繉?/p>

10、(ARC)防止反射切跡和駐波效應(yīng)?；瘜W(xué)放大抗蝕劑必須曝光后烘酸化提高靈敏度。曝光后烘烤，可以使光刻膠結(jié)構(gòu)重新排列，減輕駐波影響。非化學(xué)放大膠可以不進(jìn)行后烘顯影是產(chǎn)生圖形的關(guān)鍵步驟負(fù)膠顯影沒(méi)曝光的膠膜溶解掉；正膠將已曝光的膠膜溶解掉。 就要保持環(huán)境溫度的穩(wěn)定和顯影液濃度的穩(wěn)定。定影清洗光刻膠在顯影后再烘烤硬化堅(jiān)膜。對(duì)刻蝕和離子注入工藝非常關(guān)鍵。正膠的堅(jiān)膜烘焙溫度約為120到140。溫度太高會(huì)產(chǎn)生光刻膠流動(dòng)。顯影檢查是保證光刻質(zhì)量或成品率的重要工序。 根據(jù)以上介紹，可將整個(gè)芯片制造流程簡(jiǎn)單總結(jié)如下：基片處理涂膠曝光顯影刻蝕去膠 Substrate Film Clean Substrate Stri

11、pFilm芯片制造流程光刻技術(shù)的發(fā)展光刻技術(shù)的發(fā)展（紅色紅色表示主流技術(shù) 藍(lán)色藍(lán)色表示潛在發(fā)展方向）接觸接觸/臨近光刻臨近光刻193nm 雙曝光雙曝光復(fù)合復(fù)合電子束電子束離子束離子束1X 掃描掃描NA1.35X射線(xiàn)射線(xiàn)光刻光刻投影光刻投影光刻極紫外光刻極紫外光刻（EUVL）DUV1X 掃描掃描 5x,10 x步進(jìn)步進(jìn)&重復(fù)重復(fù)步進(jìn)步進(jìn)&掃描掃描浸液浸液固體浸液固體浸液偏振成像偏振成像納米壓印納米壓印無(wú)掩模無(wú)掩模光刻光刻電子束直寫(xiě)電子束直寫(xiě)193nm多次曝光多次曝光光刻技術(shù)的發(fā)展光刻分類(lèi) 按曝光系統(tǒng)可分為三類(lèi)：接觸，接近，投影曝光接觸式曝光接觸式曝光：掩膜板與光刻膠直接接觸，衍射

12、效應(yīng)小，分辨率高，但版和 硅的硬接觸使兩者都造成損傷，導(dǎo)致很高的缺陷密度接近式曝光接近式曝光：版與光刻膠有一定間隙，這種曝光解決了缺陷問(wèn)題，但由于 衍射效應(yīng)明顯使其分辨率降低投影式曝光投影式曝光：分辨率高，也沒(méi)有接觸曝光的缺陷問(wèn)題，是目前主要的曝光方法光刻分類(lèi) 按曝光視場(chǎng)范圍的不同可分為：步進(jìn)光刻機(jī)，掃描光刻機(jī)步進(jìn)重復(fù)式光刻機(jī)原理步進(jìn)掃描式光刻機(jī)原理 按工作波長(zhǎng)可分為：光刻分類(lèi)光刻分類(lèi)g線(xiàn)(436nm)i線(xiàn)(365nm)DUV光刻248nm193nm157nmEUV(13.5nm)X射線(xiàn)(5)電子束光刻(0.62)離子束光刻(0.12)光刻仿真軟件光刻仿真軟件的功能：擴(kuò)展光刻研究的深度和廣度，

13、有效降低光刻單元的運(yùn)營(yíng)費(fèi)用，縮短確定有效光刻解決方案所需時(shí)間。主要仿真軟件：PROLITH(DUV,EUV),SPLAT, SAMPLE, IntellSuite, MEMSPro, MEMSCAD(CoventorWare)光刻模擬研究起源于1953年H.Hopkins利用數(shù)學(xué)方法計(jì)算投影光學(xué)系統(tǒng)的空間成像，70年代，經(jīng)美國(guó)學(xué)者Rick Dill 和MACK等對(duì)其更加深入的研究，使得光刻模擬研究逐漸形成體系，并漸漸成為光刻理論研究和光刻工藝改進(jìn)等方面不可或缺的一部分。第一款光刻仿真軟件SPLAT誕生于1979年光刻小結(jié) 在光刻發(fā)展歷史這部分內(nèi)容中，主要是想向大家講述一下光刻的發(fā)展背景，意義及

14、什么是光刻，旨在讓同學(xué)們對(duì)光刻有一個(gè)大概的了解； 曝光系統(tǒng)是光刻機(jī)中最為復(fù)雜的核心組件，其研制涉及到應(yīng)用光學(xué)領(lǐng)域的所有基礎(chǔ)技術(shù)，且技術(shù)要求達(dá)到了當(dāng)前應(yīng)用光學(xué)技術(shù)發(fā)展水平的極限光刻機(jī)總體結(jié)構(gòu)（汞燈）光刻機(jī)總體結(jié)構(gòu)（LASER）wafer vvvvvvvObjective lens reticle Condenserlens Light sourceAperturestopImaging Principle: Optical Projection光刻原理Imaging Principle: Fourier Optics光刻原理決定光刻圖案的是Wafer上的光強(qiáng)分布Image Intensityil

15、lumination iszHzFPOFTJdzrI20000);();()()()();(MaskPolarizationResistLens光刻原理 分辨率定義光刻原理NAkRpitchR12/ R=Picth/2即刻線(xiàn)間距的半寬度 k1為僅與光刻系統(tǒng)相關(guān)因子 為 光刻物鏡工作波長(zhǎng) NA為光刻物鏡像方數(shù)值孔徑（曝光區(qū)） 193nm: n=1.0(空氣中)n=1.436(水中)NA=n sin光刻原理 焦深222()KDOFNA K2取決于接收像面標(biāo)準(zhǔn)和 掩膜 類(lèi)型 為 光刻物鏡工作波長(zhǎng) NA為光刻物鏡像方數(shù)值孔徑NA = n sin iNumerical Apertureobject(re

16、ticle)Projection LensEntrance Pupil = max. Acceptance angle (at object)i = max. acceptance angle (at image)(wafer)Image數(shù)值孔徑(NA)光刻分辨率影響因素曝光波長(zhǎng) 數(shù)值孔徑NA工藝系數(shù) k1R = k1NA光刻分辨率提高方法 從分辨率公式可以看出，要提高光刻分辨率，只有三種辦法：縮短波長(zhǎng)，增加數(shù)值孔徑，減小K1因子縮短波長(zhǎng)：從汞燈光刻到現(xiàn)在的準(zhǔn)分子激光光刻，以及到未來(lái)的極紫外光刻，都是圍繞這一因素展開(kāi)的增加數(shù)值孔徑：主要從兩個(gè)方面提高，一、折射率；二、孔徑角。折射率通過(guò)浸液改變

17、，孔徑角通過(guò)綜合的光學(xué)設(shè)計(jì)。數(shù)值孔徑增大有極限減小K1因子：通過(guò)一些方法突破傳統(tǒng)衍射極限限制，使得分辨率提高，目前的波前工程技術(shù)（RET技術(shù)）主要是針對(duì)降低K1因子展開(kāi)的浸液提高分辨率浸沒(méi)光刻技術(shù)水折射率n=1.44，NA1 磷酸折射率為1.54正在開(kāi)發(fā)折射率達(dá)到1.65-1.75的高折射率的第三代浸沒(méi)液體和新光學(xué)鏡頭材料 通過(guò)浸液增加數(shù)值孔徑提高分辨率分辨率與k1因子降低k1的方式主要分辨率增強(qiáng)(RET)技術(shù) 照明 掩模 兩次曝光分辨率增強(qiáng)技術(shù) （RET）掩模：振幅型光學(xué)鄰近效應(yīng)校正（OPC） 相位型相移掩模（PSM）照明：離軸照明（OAI）兩次曝光 這些提高光刻分辨率的技術(shù)選擇性地結(jié)合起來(lái)

18、，對(duì)提高光刻分辨率、改善實(shí)用焦深、改善光刻圖形質(zhì)量以及提高光刻圖形形狀和位置精度都會(huì)取得更加良好的效果。 兩次曝光技術(shù)把原來(lái)一次光刻用的掩模圖形交替式地分成兩塊掩模，每塊掩模上圖形的分辨率可以減少一半，減少了曝光設(shè)備分辨率的壓力，同時(shí)還可以利用第二塊掩模版對(duì)第一次曝光的圖形進(jìn)行修整； 兩次曝光是有效地拓展現(xiàn)有光刻曝光設(shè)備的技術(shù)延伸，不必等待更高的分辨率和更高數(shù)值孔徑系統(tǒng)的出現(xiàn)就可以投入下一個(gè)節(jié)點(diǎn)產(chǎn)品的生產(chǎn)； 存在問(wèn)題，如對(duì)套刻精度要求更苛刻和生產(chǎn)效率降低的問(wèn)題；兩次曝光兩次刻蝕；兩次曝光一次顯影；兩次曝光兩次顯影；側(cè)壁自對(duì)準(zhǔn)刻蝕兩次間隙嵌套曝光技術(shù)（雙重圖形 double patterning

19、或雙重顯影 double processing）同樣需要解決“分色”沖突問(wèn)題光刻原理小結(jié)：光刻原理這一部分主要是向大家介紹光刻中兩個(gè)最基本同時(shí)也是最重要的公式：分辨率公式和焦深公式，光刻曝光系統(tǒng)的工作基本上都是圍繞這兩個(gè)公式展開(kāi)的介紹了一下當(dāng)前幾種常用的RET技術(shù)，即掩膜，離軸照明，兩次曝光。旨在讓同學(xué)們對(duì)光刻曝光原理有一個(gè)更深的理解曝光系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu) 曝光光學(xué)系統(tǒng)光源照明系統(tǒng)投影物鏡曝光系統(tǒng)主要功能：光束變換與曝光劑量控制曝光系統(tǒng)基本功能曝光系統(tǒng)基本組成硅片臺(tái)硅片臺(tái)光光 源源整形單元整形單元?jiǎng)蚬鈫卧獎(jiǎng)蚬鈫卧彰魑镧R照明物鏡控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)采樣單元采樣單元能量探測(cè)能量探測(cè)衰減器衰減器投影物鏡投影

20、物鏡擴(kuò)束傳輸單元擴(kuò)束傳輸單元掩模臺(tái)掩模臺(tái)照明光度計(jì)照明光度計(jì)狹縫單元狹縫單元曝光系統(tǒng)組成光 源* 曝光波長(zhǎng)曝光波長(zhǎng)汞燈：汞燈：g-Line (453 nm)、h-Line (405 nm)、i-Line (365 nm)準(zhǔn)分子激光器：準(zhǔn)分子激光器：KrF (248 nm)、ArF (193 nm)、F2 (157 nm)極紫外光源：極紫外光源：EUV (13 nm)、X射線(xiàn)曝光波長(zhǎng)影響曝光波長(zhǎng)影響光源技術(shù)：光源技術(shù)：中心波長(zhǎng)、光譜帶寬、輸出功率光學(xué)系統(tǒng)：光學(xué)系統(tǒng)：光學(xué)設(shè)計(jì)、光學(xué)材料、光學(xué)鍍膜光刻工藝：光刻工藝：光刻膠、工藝參數(shù)照明系統(tǒng)AERIAL-XP Illuminator (ASML)51

21、 主要功能：滿(mǎn)足能量需求：劑量和透過(guò)率的控制滿(mǎn)足照明光斑形狀和均勻性要求實(shí)現(xiàn)多種照明模式實(shí)現(xiàn)照明相干因子的控制實(shí)現(xiàn)分辨率增強(qiáng)技術(shù)（RETs)光光 源源整形單元整形單元?jiǎng)蚬鈫卧獎(jiǎng)蚬鈫卧彰魑镧R照明物鏡控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)采樣單元采樣單元能量探測(cè)能量探測(cè)衰減器衰減器投影物鏡投影物鏡擴(kuò)束傳輸單元擴(kuò)束傳輸單元掩模臺(tái)掩模臺(tái)硅片臺(tái)硅片臺(tái)照明光度計(jì)照明光度計(jì)狹縫單元狹縫單元照明系統(tǒng)照明系統(tǒng)照明系統(tǒng)組成部分 主光學(xué)系統(tǒng)擴(kuò)束傳輸單元對(duì)激光器輸出光束進(jìn)行擴(kuò)束、準(zhǔn)直，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離傳輸（20m）整形單元對(duì)光束進(jìn)行整形，實(shí)現(xiàn)多種照明模式勻光單元實(shí)現(xiàn)掩模的高均勻度照明狹縫單元調(diào)整掩模上的照明光斑形狀和尺寸照明物鏡將整形、勻光后

22、的光束成像于掩模面 輔助單元能量探測(cè)及控制單元照明劑量控制光束采樣單元光束傳輸控制照明系統(tǒng)光束傳輸單元由多塊反射鏡與密封管道組成，將激光束引導(dǎo)至光刻機(jī)整機(jī)，總長(zhǎng)達(dá)20m 擴(kuò)束鏡組柱面鏡組（一維擴(kuò)束）：長(zhǎng)方形光束正方形球面鏡組（二維擴(kuò)束）：正方形光束需要的尺寸照明系統(tǒng)光束轉(zhuǎn)向單元根據(jù)監(jiān)測(cè)到的光束位置與指向信號(hào)，通過(guò)多個(gè)伺服反射鏡實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)激光束位置與指向，使進(jìn)入照明系統(tǒng)的光束穩(wěn)定，保證掃描曝光要求光束位置、指向監(jiān)測(cè)單元兩路分別監(jiān)測(cè)激光束位置與指向漂移，為光束轉(zhuǎn)向單元提供反饋信息變透過(guò)率板根據(jù)曝光劑量與曝光精度要求，選擇合適的透過(guò)率。通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)鍍膜平板改變光束入射角二改變透過(guò)率照明系統(tǒng) 3）變倍錐形鏡

23、 實(shí)現(xiàn)常規(guī)照明與環(huán)形照明之間的變換，并 改變環(huán)形、二極與四極照明的內(nèi)外環(huán)大小 （outer與inner）， 而環(huán)帶寬度（outer-inner）不變。 光束整形器：1）衍射光學(xué)元件DOE1 獲得各種照明方式，需要4種（5個(gè)）DOE： 1）常規(guī)照明 2）環(huán)形照明 3）四極照明 4）二極照明（X、Y方向各1種）2）變倍擴(kuò)束鏡 *連續(xù)變焦， 改變照明系統(tǒng)NA，以獲得連 續(xù)變化的部分相干因子。 照明系統(tǒng)能量監(jiān)測(cè)單元： 掃描曝光時(shí)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并累加曝光能量，以精確 控制曝光劑量。 1）分束鏡BS3：對(duì)激光能量取樣 2）積分棒：使投射于PD上的光斑均勻，檢測(cè)精 度不受照明模式影響（其作用似于 積分球）。 3

24、）光陷阱： 消除反射雜光進(jìn)入PD，提高檢測(cè)精度。 4）光電二極管：響應(yīng)速度快，監(jiān)測(cè)短脈沖激光光強(qiáng)。照明系統(tǒng)光束均勻器： 1）衍射光學(xué)元件DOE2： *分割光束，增加子光源數(shù)量，提高均勻性； *增大積分棒入射端面光斑尺寸，避免激光損傷。 2）CaF2積分棒： *光束在積分棒內(nèi)經(jīng)多次反射后，在其出射端 疊加，獲得均勻照明場(chǎng)。*為了減小光能損失，應(yīng)采用CaF2材料。 掃描狹縫： 置于積分棒出射端之后一點(diǎn)的位置，即通過(guò) 離焦使掩模面在掃描方向上的照明光強(qiáng)分布 為梯形。 梯形光強(qiáng)分布有利于提高掃描曝光視場(chǎng)內(nèi)各 處的劑量均勻性。 X Y Intensity 照明系統(tǒng)照明狹縫照明系統(tǒng)各單元照明鏡組（狹縫-掩

25、模成像鏡組）： 將掃描狹縫處的光強(qiáng)分布成像于掩模面； 雙遠(yuǎn)心光路、無(wú)漸暈，無(wú)畸變； 照明系統(tǒng)各單元3）照明系統(tǒng)結(jié)構(gòu)布局： 分 4個(gè)模塊：擴(kuò)束鏡組模塊、傳輸光路模塊、底部模塊、頂部模塊。2）照明系統(tǒng)控制器： 設(shè)置變透過(guò)率板的透過(guò)率、部分相干因子、照明方式，能量監(jiān)測(cè)單元的信號(hào)處理與采集，設(shè)置掃描狹縫的中心位置、尺寸與掃描速度，監(jiān)測(cè)光路管道內(nèi)的溫度與壓力等。 1）環(huán)境控制系統(tǒng)： 照明系統(tǒng)內(nèi)部各單元光路應(yīng)填充純凈、穩(wěn)壓、恒溫的氮?dú)猓员ＷC193nm光透過(guò)時(shí)能量被吸收少，并且不產(chǎn)生臭氧。頂 部 模 塊離軸照明原理 離軸照明原理離軸照明原理 采用離軸照明方式，入射光束偏離主光軸方向一個(gè)傾斜角，使得更多高頻

26、成分參與成像使得更多高頻成分參與成像。inout部分相干光照明wafer vvvvvvvObjective lens reticle Light sourcevCondenser lens Aperture stop = partial coherence factor = effective source filling factor in the projection optics pupil部分相干因子sinsinibaWaferiabStopMaskProjection lens64No imagingNACoherentPartial Coherence+1 0-1+1 0 -1 +

27、1 0 -1+1 0 -1 = fraction of pupil that is filled with zeroth order0部分相干因子對(duì)MTF的影響5 . 00 完全相干00.8 (90nm)NA0.8 (90nm)需采用非球面元件需采用非球面元件模擬驗(yàn)證采用非球面的193nm高NA光刻物鏡 全球面 NA=0.85含有非球面 NA=0.85浸液的使用 優(yōu)點(diǎn) 增大極限NA 提高焦深 繼承干法 缺點(diǎn) 增加工件臺(tái)復(fù)雜度 新的光刻膠 解決方案 浸液裝置 NA1.0 (65nm)NA1.0 (65nm)必需采用浸液必需采用浸液反射元件在光學(xué)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用WetDry摘自 SPIE反射元件 優(yōu)點(diǎn)

28、 減小系統(tǒng)復(fù)雜程度 降低激光器線(xiàn)寬要求 提高工作穩(wěn)定性 缺點(diǎn) 制造要求更高 視場(chǎng)遮攔 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)困難 解決方案 采用In-line式結(jié)構(gòu)（Zeiss方案）NA1.2 (50nm)需使用反射元件需使用反射元件模擬驗(yàn)證折反浸液式193nm超高NA光刻物鏡NA=1.2浸液 折疊、單反射鏡結(jié)構(gòu)NA=1.2浸液偏軸，四反射鏡結(jié)構(gòu)光刻曝光系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu) 小結(jié)： 這部分內(nèi)容主要是向大家介紹光刻曝光系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)，介紹的結(jié)構(gòu)模型基本上都是參考193光刻系統(tǒng)，該部分對(duì)光刻機(jī)系統(tǒng)的重要結(jié)構(gòu)都進(jìn)行了詳細(xì)的分析和討論，旨在讓同學(xué)們對(duì)光刻曝光系統(tǒng)有一個(gè)更深的了解，明白光刻曝光研究具體都在干些什么。曝光系統(tǒng)技術(shù)難點(diǎn) 技術(shù)

29、難點(diǎn)：高NA偏振照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)與偏振控制 高NA浸沒(méi)極小像差投影物鏡設(shè)計(jì) 高NA超高精度光學(xué)加工與光學(xué)元件檢測(cè) 高NA低損耗高激光損傷閾值多層膜設(shè)計(jì)、制備與檢測(cè) 曝光光學(xué)系統(tǒng)裝調(diào)與檢測(cè) 投影物鏡精密支撐結(jié)構(gòu)與環(huán)控照明系統(tǒng)技術(shù)難點(diǎn) 離軸照明 Hp90nm系統(tǒng)須使用離軸照明，并能在傳統(tǒng)照明和離軸照明方式之間轉(zhuǎn)換。 高精度勻光 為提高照明均勻性 偏振照明 對(duì)于高數(shù)值孔徑(NA0.9)系統(tǒng)，特別是浸沒(méi)式光刻必須考慮光源的偏振特性。偏振照明能夠進(jìn)一步提高成像的對(duì)比度。 對(duì)于Hp90nm系統(tǒng)，可不考慮光源偏振態(tài)的影響。高NA浸沒(méi)極小像差投影物鏡設(shè)計(jì)鏡頭分辨能力要求非常高, 系統(tǒng)視場(chǎng)和孔徑大, 系統(tǒng)的高級(jí)像差

30、需要得到良好平衡，對(duì)畸變和像散的校正要求很高可以應(yīng)用的光學(xué)材料少（只有石英和氟化鈣）受材料的限制，單片透鏡的直徑不能過(guò)大由于加工和檢測(cè)的限制，需合理控制使用非球面的數(shù)量考慮鍍膜的要求，對(duì)光學(xué)表面的入射角有限制經(jīng)驗(yàn)積累不足超高精度光學(xué)加工技術(shù)難點(diǎn) 為保證投影物鏡苛刻成像質(zhì)量要求，光學(xué)元件加工必須保證元件的光學(xué)表面同時(shí)具備納米量級(jí)的面形精度和亞納米量級(jí)的粗糙度材 料熔石英(Fused Silica)低頻(面形)1.0nm(RMS)中頻(波紋度)0.6nm(RMS)高頻(粗糙度)0.5nm(RMS)加工表面種類(lèi)平面/球面/非球面亞表面損傷無(wú)光學(xué)加工過(guò)程中粗糙度和面形精度難以兼顧，修正面形時(shí)往往會(huì)使局

31、部的粗糙度精度降低，反之亦然99 鍍膜技術(shù)難點(diǎn)反射率與透射率要求 HR(高反)薄膜：反射率98，AR(增透)薄膜：透過(guò)率99長(zhǎng)壽命，高激光損傷閾值可供選擇的膜料種類(lèi)非常有限：有限的幾種氟化物和氧化物（MgF2/LaF3、AlF3/LaF3）膜料薄膜狀態(tài)光學(xué)常數(shù)強(qiáng)烈依賴(lài)于沉積工藝與參數(shù)薄膜散射損耗對(duì)襯底、薄膜表/界面粗糙度非常敏感納米亞納米量級(jí)膜厚空間分布控制高精度光學(xué)檢測(cè)技術(shù)難點(diǎn)193nm光刻鏡頭對(duì)光學(xué)元件的面形精度提出了很高要求，其光學(xué)元件表面的面形精度達(dá)到/50193nm （ PV值）對(duì)于采用低k技術(shù)并且鏡頭數(shù)值孔徑接近1的系統(tǒng)，裝調(diào)后系統(tǒng)的剩余像差要求不大于/100 193nm（RMS值

32、）光學(xué)材料折射率測(cè)量精度要求510-7nm,均勻性測(cè)量精度要求1.010-7高精度頂點(diǎn)曲率半徑測(cè)量 投影物鏡機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)包括鏡筒、鏡框、調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、可變光闌、精密環(huán)控單元等為光學(xué)元件提供高穩(wěn)定性、高精度、無(wú)應(yīng)力的徑向和軸向支撐消除光學(xué)元件因機(jī)械結(jié)構(gòu)作用產(chǎn)生的應(yīng)力形變及自身重力形變所導(dǎo)致的系統(tǒng)像質(zhì)劣化降低溫度、氣壓、震動(dòng)等環(huán)境因素對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響實(shí)現(xiàn)對(duì)投影光刻系統(tǒng)倍率、光學(xué)系統(tǒng)波像差等參數(shù)的微細(xì)調(diào)節(jié) 高穩(wěn)定、高精度、環(huán)境作用對(duì)光學(xué)元件無(wú)影響的物鏡機(jī)械結(jié)構(gòu) 光學(xué)元件無(wú)應(yīng)力支撐、鏡筒超精密結(jié)構(gòu)、高精度溫度控制、高精度氣體環(huán)境控制、物鏡防震機(jī)構(gòu)精密機(jī)械結(jié)構(gòu)與環(huán)控技術(shù)難點(diǎn) 小結(jié)： 這部分內(nèi)容向大家介紹了

33、光刻曝光系統(tǒng)的一些技術(shù)難點(diǎn)，它包括了光學(xué)設(shè)計(jì)，光學(xué)檢測(cè)，光學(xué)加工，鍍膜，精密機(jī)械等很多方面，主要告訴大家光刻曝光系統(tǒng)那些事情不太好做。通過(guò)難點(diǎn)介紹也可以發(fā)現(xiàn)，在座的同學(xué)們所學(xué)的專(zhuān)業(yè)都是有用的，光刻所用的基本上都是各個(gè)領(lǐng)域中的精華部分，所以，同學(xué)們不要過(guò)分在乎專(zhuān)業(yè)的好壞（這個(gè)沒(méi)有覺(jué)對(duì)），踏實(shí)干好自己的那一行，都能派上大用場(chǎng)。誠(chéng)然，興趣這個(gè)因素也不能忽略曝光系統(tǒng)技術(shù)難點(diǎn) 發(fā)展前景： 一、比當(dāng)前主流技術(shù)有更高的分辨率； 二、該技術(shù)的生產(chǎn)效率高，能大規(guī)模投入實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用 下一代光刻技術(shù)(NGLNGL）？）？ 極紫外(EUV)-13.5nm光源(軟X-RAY) 最為看好 電子束投影曝光 離子束投影曝光

34、X射線(xiàn)曝光曝光光學(xué)系統(tǒng)發(fā)展前景曝光光學(xué)系統(tǒng)發(fā)展前景業(yè)界之前所預(yù)測(cè)的光刻技術(shù)發(fā)展路線(xiàn)圖業(yè)界之前所預(yù)測(cè)的光刻技術(shù)發(fā)展路線(xiàn)圖極紫外光刻極紫外光刻(EUV)工作原理：利用激光能或電能轟擊靶材料產(chǎn)生等離子體，等離子體發(fā)EUV輻射，EUV輻射經(jīng)過(guò)由周期性多層薄膜反射鏡組成的聚焦系統(tǒng)入射到反射掩模上，出射的EUV光波再通過(guò)反射鏡組成的投影系統(tǒng)，將反射掩模上的集成電路的幾何圖形成像到硅片上的光刻膠中，從而形成集成電路所需要的光刻圖形。激光能或電能靶（錫或氙）聚焦系統(tǒng)掩膜光學(xué)反射系統(tǒng)光刻膠成像EUV輻射極紫外光刻EUV工作原理圖EUV工作原理示意圖極紫外光刻EUV光刻機(jī)示意圖極紫外光刻EUV光刻機(jī)發(fā)展路線(xiàn)201

35、0NXE:3100Resolution = 27 nmNA = 0.25, = 0.8Overlay 4.5 nmThroughput 60 WPH10mJ/cm22006ADTResolution = 32 nmNA = 0.25, = 0.5Overlay 7 nmThroughput 5 WPH2012NXE:3300BResolution = 22 nmNA = 0.32, = 0.2-0.9Overlay 3.5 nmThroughput 125 WPH15mJ/cm22013NXE:3300CResolution = 18/16* nmNA = 0.32, OAIOverlay 3

36、 nmThroughput 150 WPH15mJ/cm2Platform enhancements1) Source power increase* Requires 7nm resist diffusion lengthMain improvements1) New EUV platform :NXE2) Improved low flare optics3) New high illuminator4) New high power LPP source5) Dual stagesMain improvements1) New high NA 6 mirror lens2) New hi

37、gh efficiency illuminator3) Off-Axis illumination option4) Source power increase5) Reduced footprintMain development phase startedShipped極紫外光刻EUV光刻機(jī)發(fā)展路線(xiàn)Node NA0.250.320.532 nm0.590.83constant1.1922 nm0.410.520.8116 nm0.300.370.5911 nm0.200.270.41k1 reductionEUV Optics: The futureEUV is introduced as

38、 a high k1 technologyk1NARES opportunity and will at higher NA and lower k factorsenable resolutions down to 11 nm.2009 International Symposium on Extreme Ultraviolet Lithography極紫外光刻2009 International Symposium on Extreme Ultraviolet LithographyHigh NA solution roadmapSolution overview:0.50.320.7NA

39、6M8Munobscuredcentral obscured(smaller fields)There are design solutions for high NA systems enabling 11 nm and beyond極紫外光刻EUV光刻面臨的三大挑戰(zhàn)：光源、掩膜、光刻膠極紫外光刻光源：開(kāi)發(fā)功率足夠高的光源并使系統(tǒng)具有足夠的透射率，以實(shí)現(xiàn)并保持高吞吐量掩膜：如何解決掩膜版表面多層抗反射膜的無(wú)缺陷問(wèn)題成為關(guān)鍵光刻膠：開(kāi)發(fā)高靈敏度且具有低線(xiàn)邊緣粗糙度(Line Edge Roughness,LER)的光刻膠X射線(xiàn)光刻 X射線(xiàn)光刻：將射線(xiàn)透射過(guò)射線(xiàn)專(zhuān)用掩模投影在基片表面的光刻膠上實(shí)

40、現(xiàn)曝光，與接近式光刻類(lèi)似。優(yōu)勢(shì)：射線(xiàn)方向性好，穿透能力強(qiáng)（射線(xiàn)能穿透絕大多數(shù)的材料），所以在需要制造高深寬比的微納米加工中有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)掩模上的缺陷被復(fù)印到硅片上的可能性不大，工藝寬容度和工藝窗口較寬，大大提高了曝光質(zhì)量和可靠性面臨問(wèn)題：加工設(shè)備耗資巨大，射線(xiàn)專(zhuān)用掩模造價(jià)昂貴且工藝復(fù)雜，而且相比于光學(xué)光刻生產(chǎn)效率低，故很難在批量化生產(chǎn)的產(chǎn)業(yè)中應(yīng)用；有賴(lài)于的具有高精度、高密度深亞微米圖形的射線(xiàn)光刻掩模制造技術(shù)的突破；為了避免光源和掩膜之間的X射線(xiàn)吸收，曝光一般在He器環(huán)境下進(jìn)行；掩膜襯底要吸收25%-35%的X射線(xiàn)，要求冷卻。接近式X射線(xiàn)曝光系統(tǒng)示意圖電子束光刻(EBL) 電子束光刻：采用高能電子束對(duì)抗蝕劑進(jìn)行暴光從而獲得結(jié)構(gòu)圖形。廣泛應(yīng)用于光學(xué)和非光學(xué)光刻技術(shù)中的高精度掩模制造,同時(shí)也是加工用于特殊目的的器件和結(jié)構(gòu)的主要方法優(yōu)點(diǎn)：不受衍射效應(yīng)的影響，可獲得極高的分辨率和焦深，能直接產(chǎn)生圖形面臨問(wèn)題：存在鄰近效應(yīng)，生產(chǎn)效率低,遠(yuǎn)小于目前對(duì)光刻產(chǎn)能的要求,限制了其進(jìn)一步使用電子曝光機(jī)示意圖JEOL JBX 6300FS及其所刻的20nm點(diǎn)陣 鄰近效應(yīng)在光學(xué)圖形曝光中，分辨率的