（物理电子学专业论文）极紫外光刻投影光学系统优化设计.pdf

摘要 光亥0 技术及其在产业中的开发应用一直是业界最关注的焦点之一。极紫外光 刻成为了下一代光刻技术最有力的竞争者。然而，要实现商业化，必须先克服技 术上难关。 光刻是大规模集成电路的制造过程中最为关键的工艺，光刻物镜是光刻的核 心，其性能直接决定了光刻的图形传递能力。本文介绍了极紫外光刻光学系统的 设计原理，提出一种五反射镜的设计构思，它在光学质量、自v h i 作距离方面满 足极紫外光刻商业化的要求。为了实现这个设计，文章对精密非球面加工和计算 机辅助光学装校也作了一定探讨。 此外，论文针对投影光学系统，从光学设计要求出发，分析了影响光学系统 成像质量的各种主要误差因素，并使用z e m h x 软件对设计结果进行了检验。 关键词：极紫外非球面镜投影光学系统光刻像差 l i t h o g r a p h y a n di t s d e v e l o p m e n th a sb e e n o n eo ff o c u si ne l e c t r o n i c s i n d u s t r y e x t r e m eu l t r a v i o l e tl i t h o g r a p h yo i u v l ) i st h eb e s tc a n d i d a t ef o rt h en e x t g e n e r a t i o nl i t h o g r a p h y h o w e v e r , m a n yt e c h n i q u eb o t t l e n e c k sa l en e e d e dt oo v e r c o m e b e f o r ec o m m e r c i a l i z a t i o n l i t h o g r a p h yi s t h em o s ti m p o r t e rt e c h n i cw h e nm a n u f a c t u r i n go fl a r g es c a l e i n t e g r a t ec i r c u i t t h el i t h o g r a p h yl e n si st h ec o r eo ft h ef i t h o g r a p h y , w h o s ec a p a b i l i t y d e t e r m i n e st h et r a n s f e rc a p a b i l i t yo ft h ep a a e r nd i r e c t l y t h ed e s i g np r i n c i p l ea n d i n t e g r a t i o no fb a s i co p t i c ss y s t e ma r ei n t r o d u c e di nt h i sp a p e r s e v e r a la d v a n c e de u v l p r o j e c t i o n m e r d 5a r ed i s c u s s e dh e r e ，a n dan e wd e s i g no fo f f - a x i sf i v em j i t o r so p t i c s i s p r e s e n t e db a s e do nt h e s i xn l i n o r so p t i c s t h en e wo n ei sv e r ys u i tf o rt h e c o m m e r c i a l i z a t i o na to p t i c a lq u a l i t ya n df r e ew o r kd i s t a n c e i no r d e rt oa c c o m p l i s ht h i s a j i mt h ef i n a la s p h e r i c a lm i i t o rp r o c e s s i n ga n dc o m p u t e r - a s s i s t a n to p t i c a la d j u s t m e n t a r ea l s od i s c u s s e d m o r e o v e r , b a s e d0 1 1t h el i t h o g r a p h yl e n s e sw k i c h 锄b eu s e dt ob a s i co p t i c s s y s t e mb yo n es t e p ，w ea n a l y z e dt h ev a r i o u sf a c t o r sw h i c hm a yc a u s et h ei m a g eq u a l i t y d e t e r i o r a t i o no ft h eo p t i c a ls y s t e me s p e c i a l l yf o rt h i st y p eo fl e n s e sj nt h i sp a p e r , b y z e m a xs i m u l a t i o nw eg e tt h er e s u l to ft h el e n sd e s i g n k e y w o r d s ：e x t 弛m e - u l t r a v i o l e t ( e u v ) a s p h e r i c a lm i r r o r sp r o j e c t i o n o p t i c ss y s t e mm u o g r a p h y a b e r r a t i o n 长春理工大学硕士学位论文原刨性声明 本人郑重声明：所呈交的硕士学位论文极紫外光刻投影光学系统优化设计 是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明 引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成 果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法镎结果由本人承担。 作者签名；亟1 2 i 鑫：旦壁年互月翌日 长春理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“长春理工大学硕士学位论文版权使用 规定”，同意长春理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件 和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权长春理工大学可以将本学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手 段保存和汇编学位论文。 作者签名：蛰丛签：墨年土月上日 指导导师签名：年三月皇细 1 1 引言 第一章绪论 光刻是一种图形转移技术，将光刻版上的图形转移到涂有光敏材料，即光刻胶的 硅片上，通过一系列生产步骤将硅片表面薄膜的特定部分除去。 1 9 5 8 年美国首次成功地把光刻技术应用于集成电路制造中，从此以后，光刻技术 就在不断发展，图形从简单到复杂，线条从粗糙到精细，光源从光子到粒子，从表面 光刻到深度光刻，现已成为大规模、超大规模集成电路制造中的一项不可缺少的重要 技术。目前，占光刻技术主导地位的仍然是紫外光刻。按波长可分为紫外、深紫外和 极紫外光刻。按曝光方式可分为接触接近式光刻和投影式光刻。为了在2 0 1 0 年解决 5 0 n m 技术难关，光学光刻遇到了困难，因此，用于替代光学光刻的下一代光刻技术( n g l ) 也处在大力的研发阶段1 1 j 。下一代光刻技术( n g l ) 主要有：极紫外光刻、x 射线光刻、 电子束光刻、离子束光刻等。 极紫外投影光刻( e u 、r l ) 从众多构想中脱颖而出，成为下一代光刻技术( n g l ) 最有 力的竞争者。2 0 0 1 年4 月1 1 日，e u 、，l l c 宣布完成了e u v 光刻设备原型机e t s 的建造。经 过多年的技术研发，e u ，l 。技术已经到达面临重大突破的阶段。美国、欧共体与日本三 方等广泛开展了e u v l 的研究，分别取得了很大的进展。比较国外，我国在e u v l 技术研 究方面由于诸种因素制约发展较为滞后。“九五”期间，中国科学院长春光机所在国家 自然科学基金的支持下，开展了x 射线投影光刻技术基础性研究工作，并制作出两反射 镜( 施瓦茨s c h w a r z s c h i i do p t i c s ) e u v l 试验性装置。长春光机所，中科院微电子中心 和中科院光电技术研究所经过多年的x 射线光刻技术研究，在掩模技术上也取得了突 破，x 射线曝光和对准装置的应用为该技术进一步实用化奠定了基础。同时也为e i n l 技 术打下了良好的基础 1 2 光刻技术的应用和发展 随着电子产业的技术进步和发展，光刻技术及其应用已经远远超出了传统意义上 的范畴，它几乎包括和覆盖了所有微细图形的传递、微细图形的加工和微细图形的形 成过程。因此，未来光刻技术的发展也是多元化的【2 j 。 通过物理接触方式进行图像转印和图形加工的方法发展得最早，但和光刻技术相 提并论，并纳入光刻领域是在产业对光刻技术的要求步入纳米阶段和纳米压印技术取 得了技术突破以后。 物理接触式光刻技术最初被应用在了的半导体器件制造中，该技术采用了将掩模 与硅片贴在一起的设计，并于1 9 6 7 年被应用于制造特征尺寸( f e a t u r e s i z e ) 为2 0 9 m ， 集成度为2 5 6 b i t 的d r a m 。此后，半导体行业引入了掩模与硅片问具有定间隙的接近 式光刻技术，并分别在1 9 7 1 年和1 9 7 4 年制造出集成度为1 0 0 0 b i t ( 特征尺寸为l o m m ) 和4 0 0 0 b i t ( 特征尺寸为6 口m ) 的d r a m 。进入二十世纪八十年代，开发出采用折射式缩 小光学系统的分步光刻机( s t e p p e r ) ，成为半导体制造技术中的主流。分步光刻机与此 前的光刻机相比，极大地改善了系统的分辨率和掩模硅片套刻时的对准精度。 接触式光刻主要包括p r i n t i n g 、m e l d i n g 和e m b o s s i n g ，其核心是纳米级模版的制 作。物理接触式光刻技术中，纳米压印技术最为成熟和受人们关注，它的分辨率已经 达到了l o n m ，而且图形的均一性完全符合大生产的要求，目前的主要应用领域是把h i s 、 m o e 船、微应用流体学器件和生物器件，预测也将是未来半导体厂商实现3 2 n m 技术节 点生产的主流技术。由于日前实际的半导体规模牛产技术还处在使用光学光刻技术苦 苦探索和解决6 5 n m 工艺中的一些技术问题，而纳米压印技术近期在一些公司的研究中 心工艺上取得的突破以及验证的技术优势，特别是e vg r o u p 和m i i ( m o l e c u l a r i m p r i n t i n gi n e ) 为一些半导体设计和工艺研究中心提供的成套光刻系统( 包括涂胶机、 纳米压印光刻机和等离子蚀刻系统) 取得的满意数据，使得人们觉得似乎真正找到了纳 米制造技术的突破口。因此，一些专家预测，到2 0 1 5 年，市场对纳米成像工具、模版、 光刻胶以及其他耗材的需求将达到约1 5 亿美元，最大的客户仍然是半导体产业和微电 子产品制造业，约占5 2 左右 以光子为基础的光刻技术种类很多，但产业化前最较好的主要是紫外( u 、，) 光刻技 术、深紫外( d u v ) 光刻技术、极紫外( e u 、，) 光刻技术和x 射线( ) ( - r a y ) 光刻技术h 。这些 技术在目前产业中应用最为广泛，特别是前两种技术，在半导体工业的进步中，起到 了重要作用。 紫外光刻技术是以高压和超高压汞( h g ) 或者汞一氙( h g - e ) 弧灯在近紫外( 3 5 0 4 5 0 m n ) 的3 条光强很强的光谱( g 、h 、i ) 线，特别是波长为3 6 5 m l 的i 线为光源，配合 使用像离轴照明技术( o m ) 移相掩模技术( p s m ) 、光学接近矫正技术( o p c ) 等等，在目 前任何一家f a b 中，此类设备和技术会占整个光刻技术至少5 0 9 6 的份额：同时，还覆盖 了低端和特殊领域对光刻技术的要求。光学系统的结构方面，有全反射式( c a t o p t r i c s ) 投影光学系统、折反射式( c a t a d i o p t r i c s ) 系统和折射式( d i o p t r i c s ) 系统等。主要供 应商是众所周知的a s 儿、n i k o n 、c a n o n ，u l t r a t e c h 和s u s sm i c r o t e c hu s h i o 、t 舭r a c k 和e vg r o u p 等。 ， 深紫外技术是以i 【r f 气体在高压受激而产生的等离子体发出的深紫外波长( 2 4 8 n m 和1 9 3 捌竹) 的激光作为光源，配合使用i 线系统使用的一些成熟技术和分辨率增强技术 ( r e t ) 、高折射率图形传递介质( 如浸没式光刻使用折射率常数大于1 的液体) 等，可完 全满足0 2 5 0 8 芦m 和0 1 8 9 0m z 的生产线要求；同时，9 0 6 5 , v n 的大生产技术已 经在开发中，如光刻的成品率问题、光刻胶的问题、光刻工艺中缺陷和颗粒的控制等， 仍然在突破中；至于深紫外技术能否满足6 5 4 5 n m 的大生产工艺要求，目前尚无明确 的技术支持。相比之下，由于深紫外( 2 4 8 n m 和1 9 3 , u n ) 激光的波长更短，对光学系统 材料的开发和选择、激光器功率的提高等要求更高。耳前材料主要使用的是融石英和 氟化钙，投影成像系统方面，主要有反射式系统( c a t o p t r i c s ) 、折射式系统( d i o p t r i c s ) 和折反射式系统( c a t a d i o p t r i c s ) 。n i k o n 公司和c a n o n 公司用于f p d 产业的光刻机，都 采用折反射式系统，他们以前并没有将这种光学系统用于半导体领域的光刻机，而是 使用折射式系统，像a s i a , 公司一样。但随着技术的进步和用户需求的提高，他们也将 折反射技术使用到了半导体领域的光刻机上，极紫外光刻技术承担了目前大生产技术 中关键层的光刻工艺，占有整个光刻技术的4 0 左右。 极紫外( e u v ) 光刻技术早期有波长l o 1 0 0 册和波长l 2 5 n m 的软x 光两种，两者 的主要区别是成像方式，而非波长范围。前者以缩小投影方式为主，后者以接触接近 式为主，目前的研发和开发主要集中在1 3 t , n 波长的系统上。极紫外系统的分辨率主 要瞄准在1 3 1 6 删w 的生产上。光学系统结构上，由于很多物质对1 3 册波长具有很强 的吸收作用，透射式系统达不到要求，开发的系统以多层的铝膜加一层氟化镁。保护 膜的反射镜所构成的反射式系统居多。主要是利用了当反射膜的厚度满足布拉格 ( b r a g g ) 方程时，可得到最大反射率，供反射镜用。目前这种系统主要由一些大学和研 究机构在进行技术研发和样机开发，光源的功率提高和反射光学系统方面进步很快， 但还没有产业化的公司介入。考虑到技术的延续性和产业发展的成本等因素，极紫外 ( e u 、r ) 光刻技术是众多专家和公司看好的、能够满足未来1 6 棚生产的主要技术。但由 于极紫外( e u v ) 光刻掩模版的成本愈来愈高，产业化生产中由于掩模版的费用增加会导 致生产成本的增加，进而会大大降低产品的竞争力，这是极紫外( e u v ) 光刻技术快速应 用的主要障碍。为了降低成本，国外有的研发机构利用极紫外( e u v ) 光源结合电子束 无掩模版的思想，开发成功了极紫外( e u v ) 无掩模版光刻系统，但还没有商品化，进入 生产线。 x 射线光刻技术也是2 0 世纪8 0 年代发展非常迅速的、为满足分辨率1 0 0 , 豁n 以下要求 生产的技术之一主要分支是传统靶极x 光、激光诱发等离子x 光和同步辐射x 光光刻技 术。特别是同步辐射x 光( 主要是0 8 聊1 ) 作为光源的x 光刻技术，光源具有功率高、亮 度高、光斑小、准直性良好，通过光学系统的光束偏振性小、聚焦深度大、穿透能力 强：同时可有效消除半阴影效应( p e n u m b r ae f f e c t ) 等优越性。x 射线光刻技术发展的 主要困难是系统体积庞大，系统价格昂贵和运行成本居高不下等等。不过最新的研究 成果显示，不仅x 射线光源的体积可以大大减小，近而使系统的体积减小外，而且一个 x 光光源可开出多达2 0 束x 光，成本大幅降低，可与深紫外光光刻技术竞争。 以粒子( p a r t i c l e s ) 为光源的光刻技术主要包括粒子束光刻、电子束光刻，特别 是电子束光刻技术，在掩模版制造业中发挥了重要作用，目前仍然占有霸主地位，没有 被取代的迹象；但电子束光刻由于它的产能问题，一直没有在半导体生产线上发挥作 用。从此，人们一直想把缩小投影式电子束光刻技术推进半导体生产线。特别是在近 几年，取得了很大成就，产能已经提高到2 0 片h ( 中2 0 0 m m 圆片) 。 电子束光刻进展和研发较快的是传统电子束光刻、低能电子束光刻、限角度散射 投影电子束光刻( s c a l p e l ) 和扫描探针电子束光刻技术( s p l ) 。传统的电子束光刻已经 为人们在掩模版制造业中广泛接受，由于热冷场发射( f e ) 比六鹏化镧( l a b 6 ) 热游离 ( t e ) 发射的亮度能提高1 0 0 1 0 0 0 倍之多，因此，热冷场发射是目前的主流，分辨率 覆盖了1 0 0 2 0 0 m m 的范围。但由于传统电子束光刻存在前散射效应、背散射效应和邻 近效应等，有时会造成光致抗蚀剂图形失真和电子损伤基底材料等问题，由此产生了 低能电子束光刻和扫描探针电子束光刻。低能电子束光刻光源和电子透镜与扫描电子 显微镜( s e m ) 基本一样，将低能电子打入基底材料或者抗蚀和，以单层或者多层l - - b 膜 ( l a n g m u i r - - - b l o d g e t t f i l m ) 为抗蚀剂，分辨率可达到1 0 册l 以下，目前在实验室和科研 单位使用较多。扫描探针电子柬光刻技术( s p l ) 是利用扫描隧道电子显微镜和原子力显 微镜原理，将探针产生的电子束，在基底或者抗蚀剂材料上直接激发或者诱发选择性 化学作用，如刻蚀或者淀积进行微细图形加工和制造。s p l 目前比较成熟，主要应用领 域是脏i l s 和m o e m s 等纳米器件的制造，随着纳米制造产业的快速发展，扫描探针电子束 光刻技术( s p l ) 的前景有望与光学光刻媲美。另外一种比较有潜力的电了束光刻技术是 s c a i p e l ，由于s c a l p e l 的原理非常类似于光学光刻技术，使用散射式掩模版( 又称鼓膜) 和缩小分步扫描投影工作方式，具有分辨率高( 纳米级) 、聚焦深度长、掩模版制作容 易和产能高等优势，很多专家认为s c a l p e l 是光学光刻技术退出历史舞台后，半导体大 生产进入纳米阶段的主流光刻技术，因此，有人称之为后光学光刻技术。 粒子束光刻发展较快的有聚焦粒子束光刻( f i b ) 和投影粒子束光刻，由于光学光刻 的不断进步利不断满足工业生产的需要，使离子束光刻的应用绎有所扩展，如f i b 技 术目前主要的应用是将f i b 与f e _ s 雕连用，扩展s e m 的功能和使得s e m 观察方便：另外， 通过方便的注射含金属、介电质的气体进入f i b 室，聚焦离子分解吸附在晶网表画的气 体，可完成金属淀积、强化金属刻蚀、介电质淀积和强化介电质刻蚀等作用。投影粒 子束光刻的优点很明显，但缺点也很明显，如无背向散射效应和邻近效应，聚焦深度 长，大于1 0 加i ，单次照射面积大，故产能高，目前可达中2 0 0 t r i m 硅片6 0 片h ，可控 制粒子对抗蚀剂的渗透深度，较容易制造宽高比较大的三维图形等等；但也有很多缺 点，如因为空间电荷效应，使得分辨率不好，日前只达到8 0 6 5 聊，较厚的掩模版散 热差，易受热变形，有些时候还需要添加冷却装置等等。近几年由于电子束光刻应用 的迅速扩展，粒子束光刻除了在f i b 领域的应用被人们接受外，在m e i s 的纳米器件制作 领域也落后丁电子束和光学光刻，同时，人们对其在未来半导体产业中的应用也没有 给予厚望。 4 1 3 本文的主要内容 极紫外光刻系统大致可以划分为三个部分：光源、照明系统和成像系统。所谓成 像系统就是将掩模经过投影光学系统成像于芯片上，本文要研究的正是这中间的光学 系统。通过优化组合，改变物镜参数设计出一种高分辨率、大焦深的五反射镜投影光 学系统，同时这种系统还应该具有经济价值。 5 第二章极紫外光刻投影光学系统 2 1e u v l 投影光学系统 早期，第一代极紫外光刻的使命是实现特征尺寸。= 7 0 l o o n m ，为了这一目标， 中国长春光学精密机械与物理研究所、日本姬路工业大学同步辐射实验室和美国 s a n d i a 国家实验室分别研制了工程试验的极紫外光刻装置，这三套试验装置的物镜分 别由2 枚、3 枚和4 枚非球面反射镜组成。但是，传统a r f 光亥0 机通过分辨力增强技术实现 了1 0 0 删特征尺寸( 临界尺寸) 的加工能力，所以，迫使极端紫外光刻的研制目标移向 厶。 5 0 h m 2 枚、3 枚和4 非球面反射镜构成的极端紫外光刻物镜无法通过进一步增大 数值孔径来实现5 0 h m 分辨力同时保证合理的曝光面积、畸变和像差的控制。进一步增 大数值孔径带来的像差，必须通过增加非球面镜的数目来进行补偿。 在一定分辨力和产率的要求下，必须考虑高分辨力和。控制、系统集成化、成本 合理化、加工和检测精度、系统调试精度和工件台运动精度等因素。半导体工业对特 征尺寸为k 的器件进行加工时，要求加工的图形均匀性满足：ak k 1 0 ，畸 变：d l 。1 0 ，套刻精度小于工。3 。一般来讲，光学物镜分担上述公差的二分之一，因 此，下一代产业化极紫外曝光机投影物镜设计应该考虑以下几个方面： 1 ) o 。= 5 0 肋l ，a ( 2 5 捌啊，畸变d 2 5 r i m ，波面差e 研f o 0 3 ( r m s ) ：套刻精度小于 3 6 r i m ；2 ) 反射镜数目不大于6 枚；3 ) 曝光面积s 2 6 m m im n ，保证较高的产率；4 ) 远心聚焦系统；5 ) 非球面偏差范围在加工检测限制的范围内：6 ) 设计要控制每一个表 面的入射角和多层膜设计的匹配：7 ) 缩小倍率在4 ：l 【，j ，并控制其变化在。控制要求范 围内；8 ) 尽可能小的镜面尺寸；9 ) 掩模到硅片的距离在1 5 0 0 m m 左右。 考虑到基板加工( 非球面镜制作工艺) 和多层膜反射镜制备工艺的限制，中科院 长春光机所的极紫外光刻系统采用了球面施瓦茨结构( s c h w a r z s c h i l do p t i c s ) 的微缩 投影物镜，此系统可消除三级球差、彗差和像散。从像差分析可知，长春光机所选用 的施瓦茨结构只能校正三级球差、彗差和像散，系统5 级球差限制了系统数值孔径的 增大，轴外5 级球差、彗差和像散限制了视场。 对于目本和欧洲而言，且前它们在各自的实验性装置中使用的是离轴三反射镜的 光学系统。物( 原版) 和像( 芯片) 平面之间分开的距离要求比较严格，以便使物和像平 台有尽可能大的移动自由度。物和像环场中心的横向距离至少应等于原版尺寸，比如 3 0 0 t m l 。光轴和像环场中心距离定为7 5 t , 硼，物和像之间的最小横向距离为3 7 5 m m 。 6 像环场宽度限定为i 聊撵。对于n a = 0 1 0 的情况，能得到相当好的像差校正。研究发现， 限制这种系统的因素一个是畸变，它不允许有较大的像环场宽度；另一个是残余彗差。 考虑反射式原版的照明方向，照明系统应当小巧并靠近光轴放置。光学系统的总长度 等于1 0 5 0 栅左右【】。 美国e u v l 光学装置( 由图2 1 可见) ：研究起步早，再加上强大经济实力的支持， 美国的e u v l 研究处于世界领先水平。这一点可以从它于2 0 0 2 年制造出全球第一款利 用极紫外技术制造计算机芯片的完整设备原型机( e t s ) 中看出。它们采用的离轴四反 射镜的光学系统应该说是目前已经制造出来的最先进的光学系统( 仅对极紫外光刻而 言) 。在这个系统中，光线在各表面上的入射角略微减小，更重要的是自由工作距离f f w d ) 有所增加。在e u v 投影系统中f w d 应有较大的数值，因为反射镜基片要有一定的厚度， 几个辅助光学系统( 焦点探测、校准控制等系统) 也必须放在像空闻。该设计像环场宽 度定为1 2 m m ，位于离光轴约5 0 , r 删。最突出的像差是残余畸变，等子1 5 m n ( 随环 场宽度呈平方律增加) 。分辨率、光学成像质量都优越于上面的二反和三反的设计【l o j 。 通常四面反射镜中的一面为球面， 而其它三面为非球面。 图2 1e 【i v l 光学系统设计图 2 2e u v l 光学系统的组成及工作原理 景缝 极紫外光刻( e u v l ) 是用波长为1 3 5 脚的极紫外辐射作为曝光光源的光刻技术。由 于曝光波长显著缩小，e u v 光刻使得实现更小的特征尺寸，并同时具有中等的数值孔径 和显著增加的焦深成为可能。e u v l 曝光机结构见图2 2 。由图可见，e u v l 光学系统由光 源、聚光系统、反射式掩模版和微缩光学系统等组成。 7 图2 2e u v l 曝光机构示意图 e u 、r 光刻原理如图2 3 所示。光源采用气体喷射靶激光等离子体光源或同步辐射光 源，工作气体为氙( x e ) 气。利用激光能或电能轰击靶材料产生等离子体，等离子体发 出e u v 辐射，e u v 辐射经过由周期性多层薄膜反射镜组成的聚焦系统入射到反射掩模上， 反射出的e u v 光波再通过反射镜组成的投影系统，将反射掩模上的集成电路的几何图形 投影成像到硅片上的光刻胶中，从而形成集成电路所需要的光刻图形。 图2 3e 【i 、，光刻原理不惹图 对e u v l 的光学系统，几乎所有物质，即使是中低z ( z 为原子序数) 材科如铝。铁等， 在e u v 波段都表现出强烈的吸收特性，因而e u v 的成像必须在真空系统中。图2 4 实线给 出了我们使用细致谱项模型得到的铝等离子体( 温度2 0 e v ，质量密度0 0 1g 册) 在 1 3 5 捌协附近的吸收系数，虚线为实验结果。可以看出，铝材料在1 3 5 册l 附近吸收强 烈。高z 材料在e u v 波段的吸收也很强州。因此，为了获得e u v 波段内大于6 0 的反射率， 8 e u v l 成像系统的镜面要涂有多层膜涂层( 单纯一种元素物质无法在e u v 波段达到高反射 率) 。所谓的多层膜指的是高散射和低散射两种材料交替沉积而成的一种人造涂层，高 低散射材料的间距为几纳米甚至更小，从而使e u v 可以像可见光那样进行反射、聚焦和 成像。在1 3 5 硎附近，s i 多层结构在光线垂直入射时的反射率达到6 5 5 ，因而常 用来做成像系统的镜面。 虽然极紫外光刻很有可能成为突破3 2 蹦啊节点的有效途径，但要将其最终应用于商 业化批量生产，需要在技术方面攻克众多难关。这包括制造低命低损耗的光学部件； 研发线宽边缘粗糙度 3 捌w ，感光灵敏度 l o n t c m 2 ，分辨率 4 0 h m 半间距线宽工艺 图形的光刻胶；制造 0 o l 删均方根误差和 1 0 本征光散射的光学部件；控制光学部 件的污染；研究不使用有机保护薄膜的掩模板的保护；研究与光学成像工艺生产设备 的兼容性。 图2 4 铝等离子体( 2 0 e v ，0 0 1 9 册3 ) 的透射光谱 2 3e u v 光源的工作原理 e u v 光源可以分为光产生、光收集、光谱纯化三个部分【1 8 j 光的产生有两种方法：激光等离子体光源( l p p ) 和放电等离子体光源( d p p ) 。l p pe u v 光源的优点是光源尺寸小，产生碎片或粒子的种类少，光收集效率高；主要缺点是e u v 输出功率小，价格昂贵。d p pe u v 光源( 图2 5 ) 利用放电使负载( x e 或s n ) 形成等离子体， 辐射出紫外线，利用多层膜反射镜多次反射净化能谱，获得1 3 5 r i m 的e u v 光。d p pe u v 光源的优点是产生e u v 的能量转换效率高，输出功率高，造价低；缺点是电极热负载高， 产生碎片多，机制复杂，光学器件易于受损，光收集角小。d p pe u v 光源主要有d p f ( 等 离子体焦点装置) 、毛细管放电、星形等多种形式。 光收集器就是一个反射镜，通常是椭球面的，也有球面或平面的，其研究重点是 9 增大收集角，提高反射效率和延长使用寿命。目前d p p 光源的光收集器立体角已达到 1 8 s r ，理论极限为3 1 4 s r ，l p p 光源的光收集器已达到理论极限5 s r 。目前光收集器的 反射效率已达到5 5 ，理论极限为7 0 ，尚有提高的余地。 图2 5e u v 光源示意图 光谱纯化是利用多层膜反射镜多次反射实现的，为了满足e u v l 对光谱纯度的要求， 通常要经过7 次反射。目前的多层膜通常用硅作基底材料，每层厚度7 r i m 左右，材料为 m o s , i ，层数4 0 层左右，目前达到的峰值反射率接近7 0 ，图2 6 为多层膜在某入射角条 件下的反射率曲线。 * 誊 世 图2 6 多层膜反射率曲线 2 4e o v 光源面临的挑战 经过多年的发展，目前各研究团体把研究焦点集中在了放电等离子体源( d p p ) 和激 n 光等离子体源( l p p ) 这两种极紫外光源上，并已经取得了显著的成果。但作为商业化量 1 0 产光刻工具，i ) p p 和l p p 都还面临着巨大的挑战例。 。 目前，把电能转换成极紫外辐射能最有效的放电等离子体是z 箍缩等离子体。它的 基本原理是在两个电极之间加高压脉冲，使电极问的气体电离形成等离子体壳层，流 经等离子体的脉冲电流所形成的环形磁场和其自身电场，对等离子体在径向进行压缩 ( 即所谓的箍缩效应) ，使等离子体达到高温高密的状态。根据黑体辐射理论，当等离 子体的温度达到2 2 0 0 0 0 k 时，其发射谱在1 3 5 n m 处达到最强( 黑体辐射是发光体温度与 周围环境达到热力学平衡的极限情况，它用单一温度t 来表征发光体发出的辐射。对于 实验室等离子体来说，黑体辐射显然是一种理想情况，但它为考虑准热力学辐射提供 了一个有用的限制) 。 放电等离子体直接将电能转化为极紫外辐射能，因此它是一种比较高效的光源。 然而，由于电极寿命问题，放电等离子体的输出功率受到了很大的限制。在放电等离 子体的放电过程中，除了1 3 5 a m 处的辐射外，绝大部分能量转化为其他波段的辐射能， 这些能量必须通过对放电电极的冷却来及时导出，否则将会对电极产生严重的侵蚀作 用，从而影响电极寿命。因此，可以说，放电等离子体中热负载的处理效率限制了它 可以得到的最大极紫外辐射功率。目前，x t r e m e 公司利用多孔金属冷却技术，使余热 移除能力达到了2 0 k w ，而极紫外输出功率则达到了2 0 0 w ( 立体角范围为2 z s r ) ，这是x e 箍缩放电等离子体所达到的最大输出功率。 除了余热移除能力对放电等离子体的限制以外，它还有一个致命弱点就是放电区 域较大，这首先会导致光源可收集立体角范围比较小，也就是说等离子体发出的极紫 外辐射不能得到有效收集。另外，放电区域大还会导致光源的光展量较大。在一个好 的光学系统中，光展量是一个守恒量，而对极紫外光刻来说，其投影系统的光展量一 般为1 3 3 m m2 s r 也就是说，如果光源输出的光展量太大，收集到的极紫外辐射将 不能全部进入后面的投影系统，这将对到达的极紫外功率提出更高的指标。通过对z 箍缩装置几何参数的修正，放电等离子体的发光面积与发展之初相比已经降低了几十 倍，从而使可收集立体角范围显著提高( 由最初的0 2 s r 增加到了现在的1 8 s r ) ，光源 的输出光展量也降低了很多。 激光等离子体源简单来讲是用高能脉冲激光照射高密度的靶( x e ，s n ，l i ) ，产生 高温稠密等离子体，从而发出极紫外辐射。在激光等离子体中，等离子体区离光源的 硬件部分较远( 离最近的喷嘴口距离一般为5 c m ) ，所以热负载问题不是很严重，也比 较容易解决。与放电等离子相比，激光等离子体源的最大优点是发光区域小，它发出 的极紫外辐射可很好地收集。目前，它最大可收集立体角范围达到了5 s r ，而且还有可 能进一步提高。另外，发光区域小的另一个结果是光源的输出光展量比较小，这样经 过收集光学系统的极紫外辐射功率可以无损耗地进入投影系统。 从目前已经取得的结果来看，激光等离子的输出功率显然远不能与放电等离子相 比，但如果利用高峰值功率的激光器，激光等离子体源还是有很大的潜力达到量产的 1 1 要求( 按现在最乐观的转化效率，要实现i f 处的可用功率为1 l o w ，要求激光功率至少达 至u i o k w ) 。这样，光源的复杂程度和成本都将大大提高，这对于商业化生产是一个致命 的缺点。 对于实现8 0 1 0 0 个h 晶片的商业化批量生产目标来说，激光等离子体的潜力更大 一些，而付出的代价将是光源系统的庞杂化及其成本的急剧增加( 除了设备成本外，还 要考虑维护成本) 。 2 5 投影光刻物镜的加工 光学元件质量( 特别是投影系统的质量) 对于整个e u v l 的成像影响很大，反射镜不 仅要求非球面，而且要求超光滑。软x 射线光学元件表面的粗糙度比工作在可见光及 红外线波段的光学元件表面粗糙度低两个数量级，这就给加工超精密光学元件提出了 异乎寻常的要求。传统的研磨及沥青抛光法已无法适应上述要求，目前加工非球面有 两种方式：金刚石单点车削和数控抛光。金刚石单点车削指以天然单晶金刚石为车刀， 在精密数控车床上用车削方式制作光学非球面。这一加工法相对于传统光学加工法有 许多优点，比如能加工各种复杂的轴对称曲面，成本较低，能高精度加工多种软金属、 晶体和塑料。计算机技术快速发展为数控技术精密加工非球面光学元件提供了条件， 用数控系统保证了磨具在工件不同区域的驻留时间，得到不同量的材料去除量。显然， 光学元件被加工表面上不同坐标处的材科去除量的多少以定量监测结果为依据。另外 国外新开发了一种离子束刻蚀抛光法，在真空环境下用惰性气体离子束轰击e b t 光学 元件表面，通过计算机实时精确控制打在e u v 元件表面上的离子强度和时问，使e u v 元件表面产生原子级平面度的起伏。 为获得e u v 波段内大于6 0 的反射率，e u v l 成像系统的镜面需涂有多层膜，多层 膜指高散射和低散射两种材料交替沉积而成的一种人造涂层，高、低散射材料的间距 为数纳米或更小，使e u v 像可见光那样反射、聚焦和成像。多层膜须遵循b r a g g 定律： a - 2 ds i n 0 ，其中a 为e u v l 系统工作波长；d 为有效多层膜周期厚度；口为入射角。 多层膜制作工艺目前已用于制造软x 光单色器、偏振元件和衍射光栅。目前最佳的多 层膜材料是m o ，s i 和m o ，b e 。m o 、s i 在1 3 o 1 3 5 a m 范围内，范围垂直入射反射 率达6 5 5 ，而在i i i u l l 5 m 范围，m o 、b e 多层结构在垂直入射时的反射率达6 8 。 至今还未找到一种精确的微观物理模型来解释预测影响多层膜反射率的各种因素，故 一般都用宏观模型表示实际测量的多层膜反射率例。 2 6e u v 光刻掩模的结构 掩模是影响e u v l 系统性能最主要的因素之一。根据国际半导体2 0 0 4 技术蓝图，极 紫外光刻( e u v l ) 将应用于4 5 脯l 及其以下节点。由于大多数材料对于波长为1 3 4 n 研的 极紫外光有很强的吸收率，因此与传统光刻工艺不同，极紫外光刻采用反射式掩模版。 极紫外光刻中，掩模版由基底、m o s i 多层膜和吸收层三部分组成，图2 7 为掩模版 结构示意图。基底材料为u l eg l a s s ，其热膨胀系数非常小( 在目前应用较多的有石英 玻璃、z e r o d u r 和u l eg l a s s ) ；基底上覆盖有m o s i 双分子多层膜，厚度为2 8 2 n m ，对 于极紫外光m o s i 多层膜的反射率可以达到6 5 ；吸收层沉积于m o s i 多层膜上，材料为 t i n 。厚度i 0 0 ，册，吸收层对于极紫外光的吸收率接近1 0 0 。掩模版的标准1 5 2 榭lx 1 5 2 聊”结构为：图形区域为1 0 0 删x 1 0 0 m r a ，掩模上的照明区域为i 0 0 m m 6 m m 。 图2 7 掩模版机构图 无论用何法制作e u v 反射掩模，它的衬度都定义为：高反射率区域与低反射率区域 的反射率之一比。一般要求反射掩模衬度至少大于2 0 。另) e u v l 是面向纳米级的4 ：l 光 刻手段，比如对于5 0 删的光刻分辨率，e u v l 光学掩模吸收体图形的分辨率要求是 0 2 m 例。显然，e 吖l 对e u v 掩模图形的指标远比硅片上图形的指标严格，制作成本也 相当高。制作e u v 掩模过程或多或少会产生缺陷，缺陷的多少和大小取决于工艺水平的 高低，但缺陷几乎不可避免。缺陷会直接影响n 1 c 的电学性能和芯片的成品率，故存 在着e u v l 的缺陷检测与修复问题。e u v 掩模的检测与修复比光学掩模的检测与修复技术 难度大一些，常需同时使用脉冲激光束和聚焦离子束两种设备。目前对多层膜涂层缺 陷的精确修复难度较大，故需重点研发低缺陷的多层膜制造技术。 2 7 曝光过程中的热变形对掩模的影响 极紫外光刻( e u v l ) 技术是实现4 5 聊l 特征尺寸的候选技术之一，产业化设备要求 3 0 0 n u n 硅片的产率大于每小时8 0 片( 8 0 w a f e r h ) ，此时入射到掩模版上的极紫外光功率 密度很高，掩模版上的吸收层和m o s i 多层膜将分别吸收1 0 0 和3 5 的入射光能量，从而 导致其热变形，引起光刻性能下降，因此必须分析和控制掩模热变 影响掩模版热变形的因素主要有以下几方面：入射光功率、基底材料和边界条件。 入射光功率不但与产量、扫描速度等有关，还与抗蚀剂性能有关，抗蚀剂感光性能越好， 所需入射光功率越小；基底则需选取熟膨胀系数小而热传导系数大的材料，边界条件中 热传导对于热变形影响较大，由于极紫外光刻是在真空环境下进行的，因此与外界只有 传导和辐射两种传热方式，掩模版依靠静电力吸附在工件台上，其与卡盘问的热传导系 数为1 5 0 w r n 2 k 通过有限元方法分析掩模版在不同功率密度下的热变形，结果表明，抗蚀剂灵敏度 为7 村c r n 2 和5 m j c m 2 时，入射到掩模版上的光功率密度分别为2 5 9 1 2 4 w e r n 2 和 1 8 4 1 3 8 w c m 2 ，掩模版图形区域x - y 平面内最大变形分别为1 1 1 1 朋竹和0 1 7 1 n m ，z 方向 最大交形分别为0 1 2 6 n m 和o l l 9 n m 。 2 8 租糙度对掩模的影响 在极紫外波段，光子能量与原予内电子的束缚能相当，物质对光的吸收很强烈， 同时表现出反常色散。用人们熟悉的形式描述物质的折射率为： 蠢- 1 - 6 + l 占( 2 1 ) 则6 和6 为远比l 小的正数，一般在1 0 。量级或者更小折射率实部描述的就是物 质的色散，虚部是吸收项。因为所有的物质在极紫外波段都有强烈的吸收，掩模如果 采用透射式，则面临强度与吸收损失之间不可调和的矛盾。极紫外波段的多层膜技术 的发展，使反射式掩模技术成为了可能。 从极紫外投影光刻掩模的结构可以看出，掩模的反射能力源自于多层膜，e u v l 系 统对掩模提出的关于峰值反射率和照明均匀性的要求，最终都归结到多层膜。为了达 到工程化生产的量产要求多层膜的峰值反射率必须大于6 5 。另方面，为了满足光刻 c d ( c r i t i c a ld i m e n s i o n ) 控制，需要严格控制由掩模引入的照明误差，在e u v l 刚投入 生产时( 7 0 h m 节点) ，将允许由掩模引入的照明误差达到1 5 30 ，而在3 2 r i m 节点时， 苑模引入的照明误差必须控制在o 5 黼3 0 以内。掩模作为e u v l 系统中的一个反射光 学元件，可能从以下三方面引入照明误差：一、掩模反射面各点的峰值反射率不同； 二、掩模反射面各点的反射光谱带宽不同；三、掩模反射面各点的反射光谱中心波长 不同。从根本上说，这三个问题都源于掩模基底上的多层膜，而峰值反射率、带宽和 中心波长描述的正是多层膜反射光谱的三个特征参数。 极紫外投影光刻系统中，照明光以近垂直的角度入射到掩模表面，掩模上的多层 膜周期厚度在7 n , n 左右，工作在此条件下的多层膜的反射特性必然受到粗糙度的严重 影响。通过定量分析粗糙度对e u v l 掩模反射光谱影响的方法。首先，利用n e v o t c r o c e 模型计算并得到了租糙度与掩模的峰值反射率、带宽和中心波长的函数关系；然后， 1 4 从照明误差的定义出发，并根据e u v l 系统对掩模提出的照明误差要求进行分析。假设 仅有峰值反射率引入照明误差，通过计算知道，当粗糙度的平均值为0 8