浸没式光刻技术培训资料

1、浸没式光刻技术所谓准分子激光，是指受激二聚体（惰性气体和卤素两种元素）所产生的激光，波长范围为157353nm，所属紫外激光波段。氟化氩(ArF)混合物产生的波长为193nm的超紫外冷激光.光刻技术在半导体器件大规模生产中发挥重要作用.今天,多数先进半导体生产都已经应用ArF准分子激光浸没光刻技术.双重图像曝光和侧壁图像转移技术使ArF准分子激光浸润光刻技术延伸到32纳米半节距(HP)器件的制造成为可能.ArF（氟化氩）准分子激光浸没光刻技术193nm浸没式光刻技术 液体浸没技术用于光学显微镜，使数值孔值和成像对比度明显提高。相对于157nm(F2) 光刻技术，193nm 浸没式光刻技术不需要

2、研发新的掩模、透镜和光刻胶材料，193nm 浸没式光刻机甚至可以保留现有193nm 干式光刻机的大部分组件，仅对部分分系统进行改进设计即可。（一）浸没式光刻的原理 浸没式光刻技术需要在光刻机投影物镜最后一个透镜的下表面与硅片上的光刻胶之间充满高折射率的液体。传统光刻和浸没式光刻的对比示意图 投影物镜的数值孔径 NA=nsinq 其中，n 为投影物镜与硅片之间介质的折射率，q 为光线最大入射角。在最大入射角相同的情况下，浸没式光刻系统的数值孔径比传统光刻系统增大了n 倍。而从傅里叶光学的角度，数值孔径扮演着空间频率低通滤波器阈值的角色。注入高折射率的浸没液体可以使更高空间频率的光波入射到光刻胶上

3、，因此成像分辨率得以提高。 根据瑞利判据，光刻机的分辨率R 和焦深DOF 为其中，k1，k2为工艺因子，入eff=l/n 为有效曝光波长。由(2)式可以看出，浸没式光刻的特征尺寸缩小为传统光刻的1/n，相当于有效曝光波长缩小为原来的1/n。当l=193nm，n=1.437(水)时，入eff=134.3nm，已经小于F2光刻157nm 的曝光波长。由(3)式知，相对于传统光刻技术，在q 相同的情况下，引入浸没光刻技术可以使焦深增大n 倍。此外，浸没液体也减小了界面上的光反射损耗。（二）浸没式光刻带来的主要问题及对策 浸没液体 液体浸没方式 大数值孔径投影物镜的设计 偏振光照明 液体温度变化带来的

4、影响 气泡的消除 光刻胶与污染浸没液体（积淀、气泡、光吸收） 当今高精度的浸没式步进扫描投影光刻机对浸没液体的选择相当苛刻，高折射率和高透射系数是最基本的要求。 使用水作为193nm 光刻的浸没液体。 在曝光过程中，由于水中溶解的物质有可能沉积到投影物镜最后一个透镜的下表面或者光刻胶上，引起成像缺陷，而水中溶解的气体也有可能形成气泡，使光线发生散射和折射。因此，目前业界普遍使用价格便宜、简单易得的去离子和去气体的纯水作为第一代浸没式光刻机的浸没液体。 在大多数波段水的折射率为1.33 左右，而在193nm 附近，水的折射率高达1.437。水在193nm波段的吸收系数很低，仅为0.035/cm。

5、光刻机的生产率与照明光的透射率成正比，因此为了减小水对光的吸收，水层的厚度不能太大。 另外，还要考虑水层的厚度对扫描速度的影响。在500mm/s 的扫描速度下，水层的厚度应该控制在12mm。2.液体浸没方式(局部浸没法) 浸没式光刻系统需要在投影物镜最后一个透镜的下表面与硅片上的光刻胶之间保持稳定的液体流动。液体的流动使得液体均匀化，使液体保持清洁，防止污染物沉积。主要有三种液体浸没方法： 硅片浸没法 工件台浸没法 局部浸没法 目前业界多采用局部浸没法。 硅片浸没法示意图 工件台浸没法示意图 局部浸没法示意图 局部浸没法可以解决硅片浸没法和工件台浸没法存在的一些问题。局部浸没法中投影物镜是固定

6、的，最后一个透镜的下表面始终浸没在液体中。在步进扫描过程中，硅片的不同部位浸没在液体中。 在硅片的一侧设置一个喷嘴，将液体注入到镜头下面，在另一侧设置一个吸嘴将液体吸回，形成液体的流动。这种结构也被称为喷淋结构。局部浸没法局部浸没法的优点：1) 工件台本质上与干式系统相同，这样将节省研发成本和 时间； 2) 可以保留干式光刻系统的对准系统和调焦调平系统； 3) 注入的液体容量比较小，可以快速注满和排空，保持了 较高的生产率。局部浸没法的缺点： 在对硅片边缘部分进行曝光时，硅片边缘的液体容易发生泄漏，从而导致边缘曝光场的成像质量较差。因此，采取局部浸没法设计方案时，应当采取有效的液体防泄漏措施。

7、3.大数值孔径投影物镜的设计（折反式投影物镜） 提高浸没式光刻机分辨率的关键是增大投影物镜的数值孔径。随着光刻分辨率和套刻精度的提高，投影物镜的像差和杂散光对成像质量的影响越来越突出。因此，需要在严格控制像差和杂散光的前提下，设计大数值孔径的浸没式光刻投影物镜。 传统的干式光刻机投影物镜 Nikon 公司设计的折反式投影物镜(a)是多轴设计方案(b)是单轴设计方案 单轴设计方案结合了全折射式物镜和折反式物镜的优点，在具有较好机械稳定性的同时，可以获得更大的数值孔径。 为了使数值孔径达到1.3 甚至更高，就要使用非球面反射镜。非球面反射镜除了会带来更多的局部杂散光以外，它在高产率生产过程中会受到

8、不均匀加热，进而影响成像质量。折反式投影物镜4.偏振光照明(无损偏振光照明系统) 随着浸没技术的引入，光刻机投影物镜的数值孔径越来越大。考虑大数值孔径光刻系统的成像质量问题时，照明光的偏振态已不可忽视。在光刻机照明系统中，照明光经过掩模发生衍射，掩模像是由其中的零级衍射光和一级衍射光在硅片表面发生干涉形成的。 随着投影物镜数值孔径的增大，入射光线之间夹角变大，振动方向之间的夹角也随之增大，造成成像对比度的下降。因此，在大数值孔径光刻系统中，应该使用成像对比度较高的s 偏振光照明。高数值孔径下s 偏振光和p 偏振光的成像对比度 激光器输出的光一般是线偏振光，然而光刻机照明系统中光学材料的本征双折

9、射和应力双折射会使光的偏振态发生变化，光学薄膜的偏振特性以及光在界面的反射和折射也会影响光的偏振态。因此为了实现偏振光照明，需要对整个照明系统进行偏振控制。简单地在光路中插入偏振器件，会损失大量的激光能量，意味着光刻机生产率的下降。如果通过提高激光器的输出功率补偿光能损失，会使激光器和照明光路元件的寿命下降。 Nikon 公司的无损偏振光照明系统框图5.液体温度变化带来的影响(热量累积效应) 浸没式光刻机在工作过程中，光刻胶、BARC (bottom anti -reflective coating)、硅片都会吸收照明光的能量，并把热传导给水，使水的温度升高。而水本身也会吸收照明光的能量而引起

10、温度升高。 水温的变化将引起折射率的改变。如果水温变化不均匀，会导致像面聚焦偏移和球差的改变。在曝光系统中，焦面的偏移可由调焦调平系统校正，然而局部的温度起伏将引起局部的成像质量恶化。 保持浸没区域的水循环流动是解决水温变化的有效方法。6.气泡的消除(曝光缺陷) 气泡是浸没式光刻技术面临的又一难题。气泡形成的原因有：1) 温度和气压变化使水中气体的溶解度降低，原来溶解在水中的部分气体释放出来形成气泡；2) 水的流动带入周围的气体形成气泡；3)光刻胶释放出的气体形成气泡。不同尺寸的气泡对光刻机光学性能的影响是不同的. 在设计液体浸没系统时，要对喷嘴结构进行改良设计，防止发生飞溅，阻止气泡的带入。

11、7.光刻胶与污染(污染沉积) 在浸没式光刻系统中，光刻胶与水长时间接触，人们担心光刻胶溶入水中，导致水的污染。污染物可能沉积在透镜的下表面，水也有可能渗透到光刻胶中，影响到光刻胶的显影特性。 研究发现，水中溶入光刻胶物质后，激光的透射率基本不变。在透镜下表面未经激光照射的区域发现了污染沉积，这些沉积物质又演变为微粒，影响光刻成像质量。 为了解决浸没式光刻机的污染问题，通常保持纯水一定速度的流动更新，降低溶解物质的浓度。除此之外，在浸没式光刻机的周期性维护过程中，应该对浸没区域进行彻底的清洗。（三）展望 浸没式光刻技术已经展现出巨大的优势，浸没带来的一系列难题也找到了相应的对策。浸没式光刻机将在65nm 和45nm 节点发挥重要作用。同时，浸没式光刻技术也显示出巨大的发展潜力，浸没式光刻机将继续朝着更大数值孔径的方向发展。 用水作为浸没液体的浸没式光刻机，数值孔径的极限为1.35左右。为了将浸没式光刻技术延伸到32nm 甚至22nm 节点，应用折射率更高的液体取代水作为浸没液体。许多公司正致力于第二代浸没液体的研究，已经找到多种折射率在1.65左右的液体。 引入第二代浸没液体后，寻找高折射率(n1.65)的投影物镜底部透镜材料将成为进一步提高数值孔径的关键。