第六章 光刻曝光系统演示幻灯片

光学仪器工程及系统设计,第六章光刻曝光系统,光刻曝光系统,光刻发展历史,1958年世界上出现第一块平面集成电路，在短短的五十多年中，微电子技术以令世人震惊的速度突飞猛进地发展，创造了人间奇迹。人类社会和整个世界都离不开微电子技术。作为微电子技术工艺基础的微光刻技术与微纳米加工技术是人类迄今为止所能达到的精度最高的加工技术。1980年左右曾经有人预言：光刻线宽不能小于1微米；1989年曾经有预言：到1997年光刻技术将走到尽头；1994年也曾经有比较乐观的长期预测，2007年线宽达到0.1微米（保守的预计为0.5微米）。这些预测都被光刻技术神话般进步的步伐远远抛在后头！过去的几十年证明，通过科学家的努力，人类就有办法实现当时看来已经超过当时光刻工艺物理极限的加工精度，不断地续写着新的神话。,光刻发展历史,摩尔定律,芯片集成度18个月翻一番，每三年器件尺寸缩小0.7倍的速度发展。大尺寸、细线宽、高精度、高效率、低成本的IC生产，正在对半导体设备带来前所未有的挑战,微电子技术每十年产生一代的进步,杰克.基尔比JackS.Kilby集成电路发明者提出大胆的设想：“能不能将电阻、电容、晶体管等电子元器件都安置在一个半导体单片上？”1958-9-12研制出世界上第一块集成电路2000年获诺贝尔物理学奖,罗伯特.诺伊斯Robert.Noyce发明可商业化量产的集成电路1959-7研究出以二氧化硅膜开窗口杂质扩散技术、PN结的隔离技术，氧化膜上铝条连线技术，真正实现了半导体硅平面工艺创办仙童公司和英特尔公司,戈登.摩尔Gordon.Moore发现“摩尔定率”1965-1975发现并预言集成电路芯片晶体管数每18个月翻一番（约每三年翻二番，特征尺寸缩小到0.7倍，进一个节点）的摩尔定率英特尔(Intel)公司创始人之一总裁兼CEO,安迪格罗夫AndyGrove使微处理器这颗数字革命的心脏强劲跳动，为数字时代提供源源不断的动力1986年格罗夫提出的新的口号“英特尔，微处理器公司”核心、双核、四核改变世界1987年接过英特尔的CEO接力棒,张忠谋Zhangzhonmou创建了一个纯芯片制造代工的台积电模式的产业1987创建了全球第一家专业代工公司-台湾积体电路制造股份有限公司（台积电）开创了半导体代工时代1985年台湾工研究院院长,集成电路五十年中对世界最具影响力的五个人,*光刻机发展路线图,光刻机发展历史,光刻机三巨头,据2007年统计，在中高阶光刻机市场，ASML占有份额达60%左右，而在最高阶光刻机市场，ASML占有份额达90%左右,光刻发展背景,什么是光刻？,定义：光刻是将掩模版上的图形转移到涂有光致抗蚀剂（或称光刻胶）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的一种图形转移技术。Lithography=Transferthepatternofcircuitryfromamaskontoawafer.,wafer,die,Image(onreticle),Image(onwafer),光刻定义,光刻定义,光刻工艺的简介,光刻工艺的简介,光刻工艺的简介,紫外线曝光灯,光刻工艺的简介,曝光完成后，因为掩膜图形遮挡的原因，只有部分胶膜被紫外光充分照射，化学性质发生了改变（图中橘黄色所示位置被曝光）。,紫外线曝光灯,光刻工艺的简介,曝光完成，接下来的工艺是显影，通过浸泡显影液，被曝光的正性光刻胶或未曝光的负性光刻胶会被溶除。从而实现将掩膜上的图形复印到胶层。,光刻工艺的简介,至此，光刻工艺简介告一段落，经过显影后的QC检验后即可送往下步工序。光刻的下步工序为：湿法腐蚀、干法刻蚀、离子注入,下图是以湿法腐蚀为例：,光刻工艺的简介,通过湿法腐蚀，主要用于去除掉没有光刻胶保护部分的氧化硅层或铝层。利用光刻胶的抗蚀性和阻隔离子的能力，有选择的保护硅片表面的氧化层、氮化硅层、铝层等等，就是光刻工艺的意义。,光刻工艺的简介,光刻工艺总结,硅片脱水烘烤。光刻胶需要疏水性的表面，硅片表面薄氧化层成亲水性，HMDS钝化亲水性变成疏水性提高黏附性。或者简单采用硫酸煮片去氧化层。,高速旋转涂胶。抗蚀剂浓度。气泡/水汽。正性抗蚀剂/负性抗蚀剂/反转抗蚀剂。硅片边缘形成边胶工艺中易产生缺陷需边胶去除(EBR),烘箱热对流/红外线辐射/热板传导。挥发光刻胶中的溶剂/增强附着力/缓解胶膜应力/避免粘连。温度太高或时间过长变脆灵敏度变差反之溶解太快。,接触式/接近式/扫描投影/分步重复/步进扫描光刻机。灵敏度/分辨率/对比度/抗蚀性/对准套刻精度/CD控制。抗反射涂层(ARC)防止反射切迹和驻波效应。,化学放大抗蚀剂必须曝光后烘酸化提高灵敏度。曝光后烘烤，可以使光刻胶结构重新排列，减轻驻波影响。非化学放大胶可以不进行后烘,显影是产生图形的关键步骤负胶显影没曝光的胶膜溶解掉；正胶将已曝光的胶膜溶解掉。就要保持环境温度的稳定和显影液浓度的稳定。定影清洗,光刻胶在显影后再烘烤硬化坚膜。对刻蚀和离子注入工艺非常关键。正胶的坚膜烘焙温度约为120到140。温度太高会产生光刻胶流动。显影检查是保证光刻质量或成品率的重要工序。,根据以上介绍，可将整个芯片制造流程简单总结如下：,Film,芯片制造流程,光刻技术的发展,光刻技术的发展（红色表示主流技术蓝色表示潜在发展方向）,光刻技术的发展,光刻分类,按曝光系统可分为三类：接触，接近，投影曝光,接触式曝光：掩膜板与光刻胶直接接触，衍射效应小，分辨率高，但版和硅的硬接触使两者都造成损伤，导致很高的缺陷密度,接近式曝光：版与光刻胶有一定间隙，这种曝光解决了缺陷问题，但由于衍射效应明显使其分辨率降低,投影式曝光：分辨率高，也没有接触曝光的缺陷问题，是目前主要的曝光方法,光刻分类,按曝光视场范围的不同可分为：步进光刻机，扫描光刻机,步进重复式光刻机原理,步进扫描式光刻机原理,按工作波长可分为：,光刻分类,光刻仿真软件,光刻仿真软件的功能：扩展光刻研究的深度和广度，有效降低光刻单元的运营费用，缩短确定有效光刻解决方案所需时间。,主要仿真软件：PROLITH(DUV,EUV),SPLAT,SAMPLE,IntellSuite,MEMSPro,MEMSCAD(CoventorWare),光刻模拟研究起源于1953年H.Hopkins利用数学方法计算投影光学系统的空间成像，70年代，经美国学者RickDill和MACK等对其更加深入的研究，使得光刻模拟研究逐渐形成体系，并渐渐成为光刻理论研究和光刻工艺改进等方面不可或缺的一部分。第一款光刻仿真软件SPLAT诞生于1979年,光刻小结,在光刻发展历史这部分内容中，主要是想向大家讲述一下光刻的发展背景，意义及什么是光刻，旨在让同学们对光刻有一个大概的了解；,曝光系统是光刻机中最为复杂的核心组件，其研制涉及到应用光学领域的所有基础技术，且技术要求达到了当前应用光学技术发展水平的极限,光刻机总体结构（汞灯）,光刻机总体结构（LASER）,wafer,v,v,v,v,v,v,v,Objectivelens,reticle,Condenserlens,Lightsource,Aperturestop,ImagingPrinciple:OpticalProjection,光刻原理,ImagingPrinciple:FourierOptics,光刻原理,决定光刻图案的是Wafer上的光强分布,光刻原理,分辨率定义,光刻原理,R=Picth/2即刻线间距的半宽度k1为仅与光刻系统相关因子为光刻物镜工作波长NA为光刻物镜像方数值孔径（曝光区）193nm:n=1.0(空气中)n=1.436(水中),光刻原理,焦深,K2取决于接收像面标准和掩膜类型为光刻物镜工作波长NA为光刻物镜像方数值孔径,object,(reticle),ProjectionLensEntrancePupil,(wafer),Image,数值孔径(NA),光刻分辨率影响因素,曝光波长l数值孔径NA工艺系数k1,光刻分辨率提高方法,从分辨率公式可以看出，要提高光刻分辨率，只有三种办法：缩短波长，增加数值孔径，减小K1因子,缩短波长：从汞灯光刻到现在的准分子激光光刻，以及到未来的极紫外光刻，都是围绕这一因素展开的,增加数值孔径：主要从两个方面提高，一、折射率；二、孔径角。折射率通过浸液改变，孔径角通过综合的光学设计。数值孔径增大有极限,减小K1因子：通过一些方法突破传统衍射极限限制，使得分辨率提高，目前的波前工程技术（RET技术）主要是针对降低K1因子展开的,浸液提高分辨率,浸没光刻技术水折射率n=1.44，NA1磷酸折射率为1.54正在开发折射率达到1.65-1.75的高折射率的第三代浸没液体和新光学鏡头材料,通过浸液增加数值孔径提高分辨率,分辨率与k1因子,降低k1的方式,主要分辨率增强(RET)技术,照明掩模两次曝光,分辨率增强技术（RET）,掩模：振幅型光学邻近效应校正（OPC）相位型相移掩模（PSM）照明：离轴照明（OAI）两次曝光,这些提高光刻分辨率的技术选择性地结合起来，对提高光刻分辨率、改善实用焦深、改善光刻图形质量以及提高光刻图形形状和位置精度都会取得更加良好的效果。,两次曝光技术把原来一次光刻用的掩模图形交替式地分成两块掩模，每块掩模上图形的分辨率可以减少一半，减少了曝光设备分辨率的压力，同时还可以利用第二块掩模版对第一次曝光的图形进行修整；两次曝光是有效地拓展现有光刻曝光设备的技术延伸，不必等待更高的分辨率和更高数值孔径系统的出现就可以投入下一个节点产品的生产；存在问题，如对套刻精度要求更苛刻和生产效率降低的问题；两次曝光两次刻蚀；两次曝光一次显影；两次曝光两次显影；侧壁自对准刻蚀,两次间隙嵌套曝光技术（双重图形doublepatterning或双重显影doubleprocessing）,同样需要解决“分色”冲突问题,光刻原理,小结：光刻原理这一部分主要是向大家介绍光刻中两个最基本同时也是最重要的公式：分辨率公式和焦深公式，光刻曝光系统的工作基本上都是围绕这两个公式展开的介绍了一下当前几种常用的RET技术，即掩膜，离轴照明，两次曝光。旨在让同学们对光刻曝光原理有一个更深的理解,曝光系统基本结构,曝光光学系统,主要功能：光束变换与曝光剂量控制,曝光系统基本功能,曝光系统基本组成,曝光系统组成,光源,*曝光波长汞灯：g-Line(453nm)、h-Line(405nm)、i-Line(365nm)准分子激光器：KrF(248nm)、ArF(193nm)、F2(157nm)极紫外光源：EUV(13nm)、X射线曝光波长影响光源技术：中心波长、光谱带宽、输出功率光学系统：光学设计、光学材料、光学镀膜光刻工艺：光刻胶、工艺参数,照明系统,AERIAL-XPIlluminator(ASML),主要功能：满足能量需求：剂量和透过率的控制满足照明光斑形状和均匀性要求实现多种照明模式实现照明相干因子的控制实现分辨率增强技术（RETs),照明系统,组成部分,主光学系统扩束传输单元对激光器输出光束进行扩束、准直，实现长距离传输（20m）整形单元对光束进行整形，实现多种照明模式匀光单元实现掩模的高均匀度照明狭缝单元调整掩模上的照明光斑形状和尺寸照明物镜将整形、匀光后的光束成像于掩模面辅助单元能量探测及控制单元照明剂量控制光束采样单元光束传输控制,照明系统,光束传输单元由多块反射镜与密封管道组成，将激光束引导至光刻机整机，总长达20m,扩束镜组柱面镜组（一维扩束）：长方形光束正方形球面镜组（二维扩束）：正方形光束需要的尺寸,照明系统,光束转向单元根据监测到的光束位置与指向信号，通过多个伺服反射镜实时调节激光束位置与指向，使进入照明系统的光束稳定，保证扫描曝光要求光束位置、指向监测单元两路分别监测激光束位置与指向漂移，为光束转向单元提供反馈信息变透过率板根据曝光剂量与曝光精度要求，选择合适的透过率。通过转动镀膜平板改变光束入射角二改变透过率,照明系统,3）变倍锥形镜实现常规照明与环形照明之间的变换，并改变环形、二极与四极照明的内外环大小（outer与inner），而环带宽度（outer-inner）不变。,光束整形器：1）衍射光学元件DOE1获得各种照明方式，需要4种（5个）DOE：1）常规照明2）环形照明3）四极照明4）二极照明（X、Y方向各1种）2）变倍扩束镜*连续变焦，改变照明系统NA，以获得连续变化的部分相干因子。,照明系统,能量监测单元：扫描曝光时，实时监测并累加曝光能量，以精确控制曝光剂量。1）分束镜BS3：对激光能量取样2）积分棒：使投射于PD上的光斑均匀，检测精度不受照明模式影响（其作用似于积分球）。3）光陷阱：消除反射杂光进入PD，提高检测精度。4）光电二极管：响应速度快，监测短脉冲激光光强。,照明系统,光束均匀器：1）衍射光学元件DOE2：*分割光束，增加子光源数量，提高均匀性；*增大积分棒入射端面光斑尺寸，避免激光损伤。,2）CaF2积分棒：*光束在积分棒内经多次反射后，在其出射端叠加，获得均匀照明场。*为了减小光能损失，应采用CaF2材料。,扫描狭缝：置于积分棒出射端之后一点的位置，即通过离焦使掩模面在扫描方向上的照明光强分布为梯形。梯形光强分布有利于提高扫描曝光视场内各处的剂量均匀性。,照明系统照明狭缝,照明系统各单元,照明镜组（狭缝-掩模成像镜组）：将扫描狭缝处的光强分布成像于掩模面；双远心光路、无渐晕，无畸变；,照明系统各单元,3）照明系统结构布局：分4个模块：扩束镜组模块、传输光路模块、底部模块、顶部模块。,2）照明系统控制器：设置变透过率板的透过率、部分相干因子、照明方式，能量监测单元的信号处理与采集，设置扫描狭缝的中心位置、尺寸与扫描速度，监测光路管道内的温度与压力等。,1）环境控制系统：照明系统内部各单元光路应填充纯净、稳压、恒温的氮气，以保证193nm光透过时能量被吸收少，并且不产生臭氧。,顶部模块,离轴照明原理,离轴照明原理采用离轴照明方式，入射光束偏离主光轴方向一个倾斜角，使得更多高频成分参与成像。,部分相干光照明,s=partialcoherencefactor=effectivesourcefillingfactorintheprojectionopticspupil,部分相干因子,Wafer,Noimaging,s,NA,Coherent,PartialCoherence,+10-1,+10-1,+10-1,+10-1,s=fractionofpupilthatisfilledwithzerothorder,部分相干因子对MTF的影响,0完全相干01.0(65nm)必需采用浸液,反射元件在光学设计中的应用,Wet,Dry,摘自SPIE,反射元件,优点减小系统复杂程度降低激光器线宽要求提高工作稳定性缺点制造要求更高视场遮拦机械结构设计困难解决方案采用In-line式结构（Zeiss方案）,NA1.2(50nm)需使用反射元件,模拟验证折反浸液式193nm超高NA光刻物镜,NA=1.2浸液折叠、单反射镜结构,NA=1.2浸液偏轴，四反射镜结构,光刻曝光系统基本结构,小结：这部分内容主要是向大家介绍光刻曝光系统的基本结构，介绍的结构模型基本上都是参考193光刻系统，该部分对光刻机系统的重要结构都进行了详细的分析和讨论，旨在让同学们对光刻曝光系统有一个更深的了解，明白光刻曝光研究具体都在干些什么。,曝光系统技术难点,技术难点：,高NA偏振照明系统设计与偏振控制高NA浸没极小像差投影物镜设计高NA超高精度光学加工与光学元件检测高NA低损耗高激光损伤阈值多层膜设计、制备与检测曝光光学系统装调与检测投影物镜精密支撑结构与环控,照明系统技术难点,离轴照明Hp90nm系统须使用离轴照明，并能在传统照明和离轴照明方式之间转换。高精度匀光为提高照明均匀性偏振照明对于高数值孔径(NA0.9)系统，特别是浸没式光刻必须考虑光源的偏振特性。偏振照明能够进一步提高成像的对比度。对于Hp90nm系统，可不考虑光源偏振态的影响。,高NA浸没极小像差投影物镜设计,镜头分辨能力要求非常高,系统视场和孔径大,系统的高级像差需要得到良好平衡，对畸变和像散的校正要求很高可以应用的光学材料少（只有石英和氟化钙）受材料的限制，单片透镜的直径不能过大由于加工和检测的限制，需合理控制使用非球面的数量考虑镀膜的要求，对光学表面的入射角有限制经验积累不足,超高精度光学加工技术难点,为保证投影物镜苛刻成像质量要求，光学元件加工必须保证元件的光学表面同时具备纳米量级的面形精度和亚纳米量级的粗糙度,光学加工过程中粗糙度和面形精度难以兼顾，修正面形时往往会使局部的粗糙度精度降低，反之亦然,镀膜技术难点,反射率与透射率要求HR(高反)薄膜：反射率98，AR(增透)薄膜：透过率99长寿命，高激光损伤阈值可供选择的膜料种类非常有限：有限的几种氟化物和氧化物（MgF2/LaF3、AlF3/LaF3）膜料薄膜状态光学常数强烈依赖于沉积工艺与参数薄膜散射损耗对衬底、薄膜表/界面粗糙度非常敏感纳米亚纳米量级膜厚空间分布控制,高精度光学检测技术难点,193nm光刻镜头对光学元件的面形精度提出了很高要求，其光学元件表面的面形精度达到/50193nm（PV值）对于采用低k技术并且镜头数值孔径接近1的系统，装调后系统的剩余像差要求不大于/100193nm（RMS值）光学材料折射率测量精度要求510-7nm,均匀性测量精度要求1.010-7高精度顶点曲率半径测量,投影物镜机械结构系统包括镜筒、镜框、调节机构、可变光阑、精密环控单元等为光学元件提供高稳定性、高精度、无应力的径向和轴向支撑消除光学元件因机械结构作用产生的应力形变及自身重力形变所导致的系统像质劣化降低温度、气压、震动等环境因素对系统稳定性的影响实现对投影光刻系统倍率、光学系统波像差等参数的微细调节高稳定、高精度、环境作用对光学元件无影响的物镜机械结构光学元件无应力支撑、镜筒超精密结构、高精度温度控制、高精度气体环境控制、物镜防震机构,精密机械结构与环控技术难点,小结：这部分内容向大家介绍了光刻曝光系统的一些技术难点，它包括了光学设计，光学检测，光学加工，镀膜，精密机械等很多方面，主要告诉大家光刻曝光系统那些事情不太好做。通过难点介绍也可以发现，在座的同学们所学的专业都是有用的，光刻所用的基本上都是各个领域中的精华部分，所以，同学们不要过分在乎专业的好坏（这个没有觉对），踏实干好自己的那一行，都能派上大用场。诚然，兴趣这个因素也不能忽略,曝光系统技术难点,发展前景：一、比当前主流技术有更高的分辨率；二、该技术的生产效率高，能大规模投入实际生产应用下一代光刻技术(NGL）？极紫外(EUV)-13.5nm光源(软X-RAY)最为看好电子束投影曝光离子束投影曝光X射线曝光,曝光光学系统发展前景,曝光光学系统发展前景,业界之前所预测的光刻技术发展路线图,极紫外光刻,极紫外光刻(EUV),工作原理：利用激光能或电能轰击靶材料产生等离子体，等离子体发EUV辐射，EUV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，出射的EUV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。,EUV辐射,极紫外光刻,EUV工作原理图,EUV工作原理示意图,极紫外光刻,EUV光刻机示意图,极紫外光刻,EUV光刻机发展路线,2010NXE:3100Resolution=27nmNA=0.25,=0.8Overlay4.5nmThroughput60WPH10mJ/cm2,2006ADTResolution=32nmNA=0.25,=0.5Overlay7nmThroughput5WPH,2012NXE:3300BResolution=22nmNA=0.32,=0.2-0.9Overlay3.5nmThroughput125WPH15mJ/cm2,2013NXE:3300CResolution=18/16*nmNA=0.32,OAIOverlay3nmThroughput150WPH15mJ/cm2,Platformenhancements1)Sourcepowerincrease*Requires7nmresistdiffusionlength,Mainimprovements1)NewEUVplatform:NXE2)Improvedlowflareoptics3)Newhighilluminator4)NewhighpowerLPPsource5)Dualstages,Mainimprovements1)NewhighNA6mirrorlens2)Newhighefficiencyilluminator3)Off-Axisilluminationoption4)Sourcepowerincrease5)Reducedfootprint,Maindevelopmentphasestarted,Shipped,极紫外光刻,EUV光刻机发展路线,k1reduction,EUVOptics:ThefutureEUVisintroducedasahighk1technology,k1NA,RES=,opportunityandwillathigherNAandlowerkfactorsenableresolutionsdownto11nm.2009InternationalSymposiumonExtremeUltravioletLithography,极紫外光刻,2009InternationalSymposiumonExtremeUltravioletLithography,HighNAsolutionroadmapSolutionoverview:,0.5,0.32,0.7,NA,6M8Munobscuredcentralobscured(smallerfields)TherearedesignsolutionsforhighNAsystemsenabling11nmandbeyond,极紫外光刻,EUV光刻面临的三大挑战：光源、掩膜、光刻胶,极紫外光刻,光源：开发功率足够高的光源并使系统具有足够的透射率，以实现并保持高吞吐量,掩膜：如何解决掩膜版表面多层抗反射膜的无缺陷问题成为关键,光刻胶：开发高灵敏度且具有低线边缘粗糙度(LineEdgeRoughness,LER)的光刻胶,X射线光刻,X射线光刻：将射线透射过射线专用掩模投影在基片表面的光刻胶上实现曝光，与接近式光刻类似。,优势：射线方向性好，穿透能力强（射线能穿透绝大多数的材料），所以在需要制造高深宽比的微纳米加工中有其独特的优势，同时掩模上的缺陷被复印到硅片上的可能性不大，工艺宽容度和工艺窗口较宽，大大提高了曝光质量和可靠性面临问题：加工设备耗资巨大，射线专用掩模造价昂贵且工艺复杂，而且相比于光学光刻生产效率低，故很难在批量化生产的产业中应用；有赖于的具有高精度、高密度深亚微米图形的射线光刻掩模制造技术的突破；为了避免光源和掩膜之间的X射线吸收，曝光一般在He器环境下进行；掩膜衬底要吸收25%-35%的X射线，要求冷却。,接近式X射线曝光系统示意图,电子束光刻(EBL),电子束光刻：采用高能电子束对抗蚀剂进行暴光从而获得结构图形。广泛应用于光学和非光学光刻技术中的高精度掩模制造,同时也是加工用于特殊目的的器件和结构的主要方法,优点：不受衍射效应的影响，可获得极高的分辨率和焦深，能直接产生图形面临问题：存在邻近效应，生产效率低,远小于目前对光刻产能的要求,限制了其进一步使用,电子曝光机示意图,JEOLJBX6300FS及其所刻的20nm点阵,邻近效应,在光学图形曝光中，分辨率的好坏是由衍射来决定的。在电子束图形曝光中，分辨率好坏是由电子散射决定的。当电子穿过抗蚀剂与下层的基材时，这些电子将经历碰撞而造成能量损失与路径的