1、光學儀器工程光學儀器工程及系統設計及系統設計第六章 光刻曝光系統 光刻曝光系統光刻發展光刻發展歷史歷史光光 刻刻 原原 理理曝光系統基本結構曝光系統基本結構曝光系統技術難點曝光系統技術難點曝光系統發展前景曝光系統發展前景光刻工藝及光刻機結構光刻工藝及光刻機結構光刻發展歷史 1958年世界上出現第一塊平面集成電路，在短短的五十多年中，微電子技術以令世人震驚的速度突飛猛進地發展，創造了人間奇跡。人類社會和整個世界都離不開微電子技術。 作為微電子技術工藝基礎的微光刻技術與微納米加工技術是人類迄今為止所能達到的精度最高的加工技術。 1980年左右曾經有人預言：光刻線寬不能小于1微米；1989年曾經有預

2、言：到1997年光刻技術將走到盡頭；1994年也曾經有比較樂觀的長期預測，2007年線寬達到0.1微米（保守的預計為0.5微米）。這些預測都被光刻技術神話般進步的步伐遠遠拋在后頭 ！ 過去的幾十年證明，通過科學家的努力，人類就有辦法實現當時看來已經超過當時光刻工藝物理極限的加工精度，不斷地續寫著新的神話。 光刻發展歷史摩爾定律摩爾定律芯片集成度18個月翻一番，每三年器件尺寸縮小0.7倍的速度發展。大尺寸、細線寬、高精度、高效率、低成本的IC生產，正在對半導體設備帶來前所未有的挑戰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I線準分子激光浸沒/二次EUV/EBL曝光波長436nm365nm248nm193nm13.5/10-6特征尺寸1um1-0.35um0.35u-65nm65-22nm22-7nm存儲器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非主頻標準硅片尺寸4-66-88-1212-18主流設計工具LE-P&RP&R-SynthesisSynthesis-DFMSoC系統設

4、計主要封裝形式DIP雙列直插QFP平面安裝BGA球柵封裝SiP系統封裝微電子技術每十年產生一代的進步5杰克. 基爾比Jack S. Kilby 集成電路發明者提出 大膽的設想： “能不能將電阻、電容、晶體管等電子元器件都安置在一個半導體單片上？” 1958-9-12研制出世界上第一塊集成電路 2000年獲諾貝爾物理學獎 羅伯特. 諾伊斯Robert. Noyce 發明可商業化量產的集成電路 1959-7研究出以二氧化硅膜開窗口雜質擴散技術、PN結的隔離技術，氧化膜上鋁條連線技術，真正實現了半導體硅平面工藝 創辦仙童公司和英特爾公司 戈登. 摩爾Gordon .Moore 發現“摩爾定率”196

5、5-1975發現并預言集成電路芯片晶體管數每18個月翻一番（約每三年翻二番，特征尺寸縮小到0.7倍，進一個節點）的摩爾定率英特爾(Intel)公司創始人之一總裁兼CEO 安迪 格羅夫Andy Grove使微處理器這顆數字革命的心臟強勁跳動，為數字時代提供源源不斷的動力 1986年格羅夫提出的新的口號“英特爾，微處理器公司”核心、雙核、四核 改變世界1987年接過英特爾的 CEO接力棒 張忠謀 Zhang zhonmou創建了一個純芯片制造代工的臺積電模式的產業1987創建了全球第一家專業代工公司-臺灣積體電路制造股份有限公司（臺積電）開創了半導體代工時代 1985年臺灣工研究院院長 集成電路五

6、十年中對世界最具影響力的五個人* 光刻機發展路線圖光刻機發展路線圖光刻機發展歷史光刻機三巨頭ASMLCanonNikon據2007年統計，在中高階光刻機市場，ASML占有份額達60%左右，而在最高階光刻機市場， ASML占有份額達90%左右光刻發展背景信息時代半導體產業集成電路光刻技術什么是光刻？ 定義：光刻是將掩模版上的圖形轉移到涂有光致抗蝕劑（或稱光刻膠）的硅片上,通過一系列生產步驟將硅片表面薄膜的特定部分除去的一種圖形轉移技術。 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 義光刻工藝的簡介硅片截面硅片截面表面生長氧化層氧化層的生長在擴散爐，圖中為擴散爐光刻工藝的簡介硅片截面表面生長氧化層光刻進行加工的片子，都必須經過的步驟-勻膠。上圖中為2道勻膠機均勻膠層（正膠）光刻工藝的簡介硅片截面表面生長氧化層圖中為光刻的核心加工設備-光刻機。經過上版、版對準、上片、片對準后執行曝光。將掩膜圖形復印到硅片表面的膠層上均勻膠層（正膠）紫 外 線 曝 光 燈光刻工藝的簡介硅片截面表面生長氧化層曝光完成后，因為掩膜圖形遮擋的原因，只有部分膠膜被紫外光充分照射，化學性質發生了改變（圖

8、中橘黃色所示位置被曝光）。 紫 外 線 曝 光 燈光刻工藝的簡介硅片截面表面生長氧化層曝光完成，接下來的工藝是顯影，通過浸泡顯影液，被曝光的正性光刻膠或未曝光的負性光刻膠會被溶除。從而實現將掩膜上的圖形復印到膠層。上圖為顯影機，構造與勻膠機類似光刻工藝的簡介至此，光刻工藝簡介告一段落，經過顯影后的QC檢驗后即可送往下步工序。光刻的下步工序為：濕法腐蝕、干法刻蝕、離子注入硅片截面表面生長氧化層下圖是以濕法腐蝕為例：光刻工藝的簡介通過濕法腐蝕，主要用于去除掉沒有光刻膠保護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、硅片截面表面生長氧化層光刻工藝的簡介光刻工藝總結曝光硅片處理涂膠前烘后烘顯影堅膜檢測硅片脫水烘烤。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?；蛘吆唵尾捎昧蛩嶂笃パ趸瘜?。高速旋轉涂膠?？刮g劑濃度。氣泡/水汽。正性抗蝕劑/負性抗蝕劑/反轉抗蝕劑。硅片邊緣形成邊膠工藝中易產生缺陷需邊膠去除(EBR) 烘箱熱對流/紅外線輻射/熱板傳導。揮發光刻膠中的溶劑/增強附著力/緩解膠膜應力/避免粘連。溫度太高或時間過長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/步進掃描光刻機。靈敏度/分辨率/對比度/抗蝕性/對準套刻精度/CD控制?？狗瓷渫繉?/p>

10、(ARC)防止反射切跡和駐波效應?；瘜W放大抗蝕劑必須曝光后烘酸化提高靈敏度。曝光后烘烤，可以使光刻膠結構重新排列，減輕駐波影響。非化學放大膠可以不進行后烘顯影是產生圖形的關鍵步驟負膠顯影沒曝光的膠膜溶解掉；正膠將已曝光的膠膜溶解掉。 就要保持環境溫度的穩定和顯影液濃度的穩定。定影清洗光刻膠在顯影后再烘烤硬化堅膜。對刻蝕和離子注入工藝非常關鍵。正膠的堅膜烘焙溫度約為120到140。溫度太高會產生光刻膠流動。顯影檢查是保證光刻質量或成品率的重要工序。 根據以上介紹，可將整個芯片制造流程簡單總結如下：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的發展光刻技術的發展（紅色紅色表示主流技術 藍色藍色表示潛在發展方向）接觸接觸/臨近光刻臨近光刻193nm 雙曝光雙曝光復合復合電子束電子束離子束離子束1X 掃描掃描NA1.35X射線射線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步進步進&重復重復步進步進&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掩模無掩模光刻光刻電子束直寫電子束直寫193nm多次曝光多次曝光光刻技術的發展光刻分類 按曝光系統可分為三類：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、效應小，分辨率高，但版和 硅的硬接觸使兩者都造成損傷，導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題，但由于 衍射效應明顯使其分辨率降低投影式曝光投影式曝光：分辨率高，也沒有接觸曝光的缺陷問題，是目前主要的曝光方法光刻分類 按曝光視場范圍的不同可分為：步進光刻機，掃描光刻機步進重復式光刻機原理步進掃描式光刻機原理 按工作波長可分為：光刻分類光刻分類g線(436nm)i線(365nm)DUV光刻248nm193nm157nmEUV(13.5nm)X射線(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：擴展光刻研究的深度和廣度，

13、有效降低光刻單元的運營費用，縮短確定有效光刻解決方案所需時間。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利用數學方法計算投影光學系統的空間成像，70年代，經美國學者Rick Dill 和MACK等對其更加深入的研究，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 在光刻發展歷史這部分內容中，主要是想向大家講述一下光刻的發展背景，意義及

14、什么是光刻，旨在讓同學們對光刻有一個大概的了解； 曝光系統是光刻機中最為復雜的核心組件，其研制涉及到應用光學領域的所有基礎技術，且技術要求達到了當前應用光學技術發展水平的極限光刻機總體結構（汞燈）光刻機總體結構（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即刻線間距的半寬度 k1為僅與光刻系統相關因子 為 光刻物鏡工作波長 NA為光刻物鏡像方數值孔徑（曝光區） 193nm: n=1.0(空氣中)n=1.436(水中)NA=n sin光刻原理 焦深222()KDOFNA K2取決于接收像面標準和 掩膜 類型 為 光刻物鏡工作波長 NA為光刻物鏡像方數值孔徑NA = n sin iNumerical Apertureobject(re

16、ticle)Projection LensEntrance Pupil = max. Acceptance angle (at object)i = max. acceptance angle (at image)(wafer)Image數值孔徑(NA)光刻分辨率影響因素曝光波長 數值孔徑NA工藝系數 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，增加數值孔徑，減小K1因子縮短波長：從汞燈光刻到現在的準分子激光光刻，以及到未來的極紫外光刻，都是圍繞這一因素展開的增加數值孔徑：主要從兩個方面提高，一、折射率；二、孔徑角。折射率通過浸液改變

17、，孔徑角通過綜合的光學設計。數值孔徑增大有極限減小K1因子：通過一些方法突破傳統衍射極限限制，使得分辨率提高，目前的波前工程技術（RET技術）主要是針對降低K1因子展開的浸液提高分辨率浸沒光刻技術水折射率n=1.44，NA1 磷酸折射率為1.54正在開發折射率達到1.65-1.75的高折射率的第三代浸沒液體和新光學鏡頭材料 通過浸液增加數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(RET)技術 照明 掩模 兩次曝光分辨率增強技術 （RET）掩模：振幅型光學鄰近效應校正（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選擇性地結合起來

18、，對提高光刻分辨率、改善實用焦深、改善光刻圖形質量以及提高光刻圖形形狀和位置精度都會取得更加良好的效果。 兩次曝光技術把原來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，減少了曝光設備分辨率的壓力，同時還可以利用第二塊掩模版對第一次曝光的圖形進行修整； 兩次曝光是有效地拓展現有光刻曝光設備的技術延伸，不必等待更高的分辨率和更高數值孔徑系統的出現就可以投入下一個節點產品的生產； 存在問題，如對套刻精度要求更苛刻和生產效率降低的問題；兩次曝光兩次刻蝕；兩次曝光一次顯影；兩次曝光兩次顯影；側壁自對準刻蝕兩次間隙嵌套曝光技術（雙重圖形 double patterning

19、或雙重顯影 double processing）同樣需要解決“分色”沖突問題光刻原理小結：光刻原理這一部分主要是向大家介紹光刻中兩個最基本同時也是最重要的公式：分辨率公式和焦深公式，光刻曝光系統的工作基本上都是圍繞這兩個公式展開的介紹了一下當前幾種常用的RET技術，即掩膜，離軸照明，兩次曝光。旨在讓同學們對光刻曝光原理有一個更深的理解曝光系統基本結構 曝光光學系統光源照明系統投影物鏡曝光系統主要功能：光束變換與曝光劑量控制曝光系統基本功能曝光系統基本組成硅片臺硅片臺光光 源源整形單元整形單元勻光單元勻光單元照明物鏡照明物鏡控制系統控制系統采樣單元采樣單元能量探測能量探測衰減器衰減器投影物鏡投影

20、物鏡擴束傳輸單元擴束傳輸單元掩模臺掩模臺照明光度計照明光度計狹縫單元狹縫單元曝光系統組成光 源* 曝光波長曝光波長汞燈：汞燈：g-Line (453 nm)、h-Line (405 nm)、i-Line (365 nm)準分子激光器：準分子激光器：KrF (248 nm)、ArF (193 nm)、F2 (157 nm)極紫外光源：極紫外光源：EUV (13 nm)、X射線曝光波長影響曝光波長影響光源技術：光源技術：中心波長、光譜帶寬、輸出功率光學系統：光學系統：光學設計、光學材料、光學鍍膜光刻工藝：光刻工藝：光刻膠、工藝參數照明系統AERIAL-XP Illuminator (ASML)51

21、 主要功能：滿足能量需求：劑量和透過率的控制滿足照明光斑形狀和均勻性要求實現多種照明模式實現照明相干因子的控制實現分辨率增強技術（RETs)光光 源源整形單元整形單元勻光單元勻光單元照明物鏡照明物鏡控制系統控制系統采樣單元采樣單元能量探測能量探測衰減器衰減器投影物鏡投影物鏡擴束傳輸單元擴束傳輸單元掩模臺掩模臺硅片臺硅片臺照明光度計照明光度計狹縫單元狹縫單元照明系統照明系統照明系統組成部分 主光學系統擴束傳輸單元對激光器輸出光束進行擴束、準直，實現長距離傳輸（20m）整形單元對光束進行整形，實現多種照明模式勻光單元實現掩模的高均勻度照明狹縫單元調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，將激光束引導至光刻機整機，總長達20m 擴束鏡組柱面鏡組（一維擴束）：長方形光束正方形球面鏡組（二維擴束）：正方形光束需要的尺寸照明系統光束轉向單元根據監測到的光束位置與指向信號，通過多個伺服反射鏡實時調節激光束位置與指向，使進入照明系統的光束穩定，保證掃描曝光要求光束位置、指向監測單元兩路分別監測激光束位置與指向漂移，為光束轉向單元提供反饋信息變透過率板根據曝光劑量與曝光精度要求，選擇合適的透過率。通過轉動鍍膜平板改變光束入射角二改變透過率照明系統 3）變倍錐形鏡

23、 實現常規照明與環形照明之間的變換，并 改變環形、二極與四極照明的內外環大小 （outer與inner）， 而環帶寬度（outer-inner）不變。 光束整形器：1）衍射光學元件DOE1 獲得各種照明方式，需要4種（5個）DOE： 1）常規照明 2）環形照明 3）四極照明 4）二極照明（X、Y方向各1種）2）變倍擴束鏡 *連續變焦， 改變照明系統NA，以獲得連 續變化的部分相干因子。 照明系統能量監測單元： 掃描曝光時，實時監測并累加曝光能量，以精確 控制曝光劑量。 1）分束鏡BS3：對激光能量取樣 2）積分棒：使投射于PD上的光斑均勻，檢測精 度不受照明模式影響（其作用似于 積分球）。 3

24、）光陷阱： 消除反射雜光進入PD，提高檢測精度。 4）光電二極管：響應速度快，監測短脈沖激光光強。照明系統光束均勻器： 1）衍射光學元件DOE2： *分割光束，增加子光源數量，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： *光束在積分棒內經多次反射后，在其出射端 疊加，獲得均勻照明場。*為了減小光能損失，應采用CaF2材料。 掃描狹縫： 置于積分棒出射端之后一點的位置，即通過 離焦使掩模面在掃描方向上的照明光強分布 為梯形。 梯形光強分布有利于提高掃描曝光視場內各 處的劑量均勻性。 X Y Intensity 照明系統照明狹縫照明系統各單元照明鏡組（狹縫-掩

25、模成像鏡組）： 將掃描狹縫處的光強分布成像于掩模面； 雙遠心光路、無漸暈，無畸變； 照明系統各單元3）照明系統結構布局： 分 4個模塊：擴束鏡組模塊、傳輸光路模塊、底部模塊、頂部模塊。2）照明系統控制器： 設置變透過率板的透過率、部分相干因子、照明方式，能量監測單元的信號處理與采集，設置掃描狹縫的中心位置、尺寸與掃描速度，監測光路管道內的溫度與壓力等。 1）環境控制系統： 照明系統內部各單元光路應填充純凈、穩壓、恒溫的氮氣，以保證193nm光透過時能量被吸收少，并且不產生臭氧。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 優點 增大極限NA 提高焦深 繼承干法 缺點 增加工件臺復雜度 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設計中的應用WetDry摘自 SPIE反射元件 優點

28、 減小系統復雜程度 降低激光器線寬要求 提高工作穩定性 缺點 制造要求更高 視場遮攔 機械結構設計困難 解決方案 采用In-line式結構（Zeiss方案）NA1.2 (50nm)需使用反射元件需使用反射元件模擬驗證折反浸液式193nm超高NA光刻物鏡NA=1.2浸液 折疊、單反射鏡結構NA=1.2浸液偏軸，四反射鏡結構光刻曝光系統基本結構 小結： 這部分內容主要是向大家介紹光刻曝光系統的基本結構，介紹的結構模型基本上都是參考193光刻系統，該部分對光刻機系統的重要結構都進行了詳細的分析和討論，旨在讓同學們對光刻曝光系統有一個更深的了解，明白光刻曝光研究具體都在干些什么。曝光系統技術難點 技術

29、難點：高NA偏振照明系統設計與偏振控制 高NA浸沒極小像差投影物鏡設計 高NA超高精度光學加工與光學元件檢測 高NA低損耗高激光損傷閾值多層膜設計、制備與檢測 曝光光學系統裝調與檢測 投影物鏡精密支撐結構與環控照明系統技術難點 離軸照明 Hp90nm系統須使用離軸照明，并能在傳統照明和離軸照明方式之間轉換。 高精度勻光 為提高照明均勻性 偏振照明 對于高數值孔徑(NA0.9)系統，特別是浸沒式光刻必須考慮光源的偏振特性。偏振照明能夠進一步提高成像的對比度。 對于Hp90nm系統，可不考慮光源偏振態的影響。高NA浸沒極小像差投影物鏡設計鏡頭分辨能力要求非常高, 系統視場和孔徑大, 系統的高級像差

30、需要得到良好平衡，對畸變和像散的校正要求很高可以應用的光學材料少（只有石英和氟化鈣）受材料的限制，單片透鏡的直徑不能過大由于加工和檢測的限制，需合理控制使用非球面的數量考慮鍍膜的要求，對光學表面的入射角有限制經驗積累不足超高精度光學加工技術難點 為保證投影物鏡苛刻成像質量要求，光學元件加工必須保證元件的光學表面同時具備納米量級的面形精度和亞納米量級的粗糙度材 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)加工表面種類平面/球面/非球面亞表面損傷無光學加工過程中粗糙度和面形精度難以兼顧，修正面形時往往會使局

31、部的粗糙度精度降低，反之亦然99 鍍膜技術難點反射率與透射率要求 HR(高反)薄膜：反射率98，AR(增透)薄膜：透過率99長壽命，高激光損傷閾值可供選擇的膜料種類非常有限：有限的幾種氟化物和氧化物（MgF2/LaF3、AlF3/LaF3）膜料薄膜狀態光學常數強烈依賴于沉積工藝與參數薄膜散射損耗對襯底、薄膜表/界面粗糙度非常敏感納米亞納米量級膜厚空間分布控制高精度光學檢測技術難點193nm光刻鏡頭對光學元件的面形精度提出了很高要求，其光學元件表面的面形精度達到/50193nm （ PV值）對于采用低k技術并且鏡頭數值孔徑接近1的系統，裝調后系統的剩余像差要求不大于/100 193nm（RMS值

32、）光學材料折射率測量精度要求510-7nm,均勻性測量精度要求1.010-7高精度頂點曲率半徑測量 投影物鏡機械結構系統包括鏡筒、鏡框、調節機構、可變光闌、精密環控單元等為光學元件提供高穩定性、高精度、無應力的徑向和軸向支撐消除光學元件因機械結構作用產生的應力形變及自身重力形變所導致的系統像質劣化降低溫度、氣壓、震動等環境因素對系統穩定性的影響實現對投影光刻系統倍率、光學系統波像差等參數的微細調節 高穩定、高精度、環境作用對光學元件無影響的物鏡機械結構 光學元件無應力支撐、鏡筒超精密結構、高精度溫度控制、高精度氣體環境控制、物鏡防震機構精密機械結構與環控技術難點 小結： 這部分內容向大家介紹了

33、光刻曝光系統的一些技術難點，它包括了光學設計，光學檢測，光學加工，鍍膜，精密機械等很多方面，主要告訴大家光刻曝光系統那些事情不太好做。通過難點介紹也可以發現，在座的同學們所學的專業都是有用的，光刻所用的基本上都是各個領域中的精華部分，所以，同學們不要過分在乎專業的好壞（這個沒有覺對），踏實干好自己的那一行，都能派上大用場。誠然，興趣這個因素也不能忽略曝光系統技術難點 發展前景： 一、比當前主流技術有更高的分辨率； 二、該技術的生產效率高，能大規模投入實際生產應用 下一代光刻技術(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射線曝光曝光光學系統發展前景曝光光學系統發展前景業界之前所預測的光刻技術發展路線圖業界之前所預測的光刻技術發展路線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生等離子體，等離子體發EUV輻射，EUV輻射經過由周期性多層薄膜反射鏡組成的聚焦系統入射到反射掩模上，出射的EUV光波再通過反射鏡組成的投影系統，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）聚焦系統掩膜光學反射系統光刻膠成像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光刻機示意圖極紫外光刻EUV光刻機發展路線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光刻機發展路線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：光源、掩膜、光刻膠極紫外光刻光源：開發功率足夠高的光源并使系統具有足夠的透射率，以實現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缺陷問題成為關鍵光刻膠：開發高靈敏度且具有低線邊緣粗糙度(Line Edge Roughness,LER)的光刻膠X射線光刻 X射線光刻：將射線透射過射線專用掩模投影在基片表面的光刻膠上實

40、現曝光，與接近式光刻類似。優勢：射線方向性好，穿透能力強（射線能穿透絕大多數的材料），所以在需要制造高深寬比的微納米加工中有其獨特的優勢，同時掩模上的缺陷被復印到硅片上的可能性不大，工藝寬容度和工藝窗口較寬，大大提高了曝光質量和可靠性面臨問題：加工設備耗資巨大，射線專用掩模造價昂貴且工藝復雜，而且相比于光學光刻生產效率低，故很難在批量化生產的產業中應用；有賴于的具有高精度、高密度深亞微米圖形的射線光刻掩模制造技術的突破；為了避免光源和掩膜之間的X射線吸收，曝光一般在He器環境下進行；掩膜襯底要吸收25%-35%的X射線，要求冷卻。接近式X射線曝光系統示意圖電子束光刻(EBL) 電子束光刻：采用高能電子束對抗蝕劑進行暴光從而獲得結構圖形。廣泛應用于光學和非光學光刻技術中的高精度掩模制造,同時也是加工用于特殊目的的器件和結構的主要方法優點：不受衍射效應的影響，可獲得極高的分辨率和焦深，能直接產生圖形面臨問題：存在鄰近效應，生產效率低,遠小于目前對光刻產能的要求,限制了其進一步使用電子曝光機示意圖JEOL JBX 6300FS及其所刻的20nm點陣 鄰近效應在光學圖形曝光中，分辨率的