2.2 投影式曝光

為了克服遮蔽式曝光的掩模損傷問(wèn)題，出現(xiàn)了投影式曝光設(shè)備：

此類設(shè)備可將掩模上的圖形投影到距離掩模幾厘米遠(yuǎn)的涂有光刻膠的晶圓上。每次只曝光掩模的一小部分，然后移至下一個(gè)芯片位置曝光，用掃描或分步重復(fù)的方法使小面積圖形布滿整個(gè)晶圓。

重點(diǎn)：分辨率的影響因素有哪些：

投影時(shí)，當(dāng)掩膜上的尺寸比光的粒子性質(zhì)大，效果就很好。但在較小的尺寸下，即掩模上的尺寸與光的波長(zhǎng)相當(dāng)，衍射效應(yīng)占主導(dǎo)地位，即光的波動(dòng)性。

艾里斑(Airy disk)是點(diǎn)光源通過(guò)衍射受限成像時(shí)，由于衍射而在焦點(diǎn)處形成的光斑。

艾里斑(Airy disk)

最中心的圓的直徑為1.22λf/d。那么掩膜上2個(gè)很緊鄰的特征會(huì)發(fā)生什么？

成像面上的A'和B'是否可分辨呢？這就引出了瑞利判據(jù)：

考慮衍射情況下的艾里斑，當(dāng)2個(gè)物點(diǎn)過(guò)于靠近，則不可分辨；當(dāng)一個(gè)物點(diǎn)正處在另一個(gè)物點(diǎn)的艾里斑的第一個(gè)暗環(huán)位置時(shí)，稱為剛剛好可分辨的狀態(tài)：

依據(jù)瑞利判據(jù)，有了投影系統(tǒng)分辨率(線寬)的公式：

lm=k1 · λ / NA

λ為曝光波長(zhǎng)。

k1為工藝參數(shù)，包含光學(xué)鄰近效應(yīng)、光刻膠的化學(xué)成分、光刻系統(tǒng)的溫度等多個(gè)參數(shù)。

NA為數(shù)值孔徑，由下式給出：

NA=nsinθ

其中，n為成像介質(zhì)的折射率，θ為光線在晶圓處匯聚成點(diǎn)像時(shí)的錐體頂角的一半

從分辨率公式 lm=k1 · λ / NA 可知，要提高分辨率，可以減小λ 、減小k1或增大NA。從上圖也可以看到，θ的增大雖然會(huì)增大NA，但是也會(huì)讓焦深DOF減小。

瑞利判據(jù)還有第二個(gè)限制條件是針對(duì)焦深DOF(δ)做出的，即：

所以，在優(yōu)化過(guò)程中，需要綜合考慮多方面因素。

3.光學(xué)光刻-提高分辨率：

3.1 減小λ：從436nm到13.5nm

3.2 增大NA

根據(jù)公式 NA=nsinθ 可知，NA由透鏡的接收角和透鏡周圍介質(zhì)的折射率決定。所以，有兩個(gè)方向可以增大NA：

(1)優(yōu)化鏡片(改變sinθ)

在曝光波長(zhǎng)縮短的同時(shí)，鏡頭設(shè)計(jì)的改進(jìn)也導(dǎo)致曝光系統(tǒng)鏡頭的數(shù)值孔徑(NA)得到改善，見(jiàn)圖 。在八十年代中期，NA 值約為 0.4 ，后來(lái)248nm 曝光系統(tǒng)的 NA 大于 0.8。使用空氣作為透鏡和晶圓之間介質(zhì)的曝光系統(tǒng)的 NA 物理極限為 1，實(shí)際極限約為 0.9.

(2)改變介質(zhì)(折射率)--浸沒(méi)式光刻

NA 由透鏡的接收角和透鏡周圍介質(zhì)的折射率決定?；诳諝獾南到y(tǒng)的物理限制是明確的，但如果用具有更高折射率的介質(zhì)代替空氣呢？多年來(lái)，顯微鏡一直在鏡頭和所觀察的樣品之間使用油來(lái)提高分辨率，令人驚訝的是，半導(dǎo)體行業(yè)花了很長(zhǎng)時(shí)間才考慮用替代品替代空氣。

3.3 減小K1：相移掩膜、光學(xué)鄰近效應(yīng)矯正、離軸照明、雙重曝光

(1)相移掩膜 PSM

相移掩模(phase-shifting mask)原理如圖:

傳統(tǒng)的掩模，每個(gè)縫隙處電場(chǎng)的相位都相同，如圖(a）所示。光學(xué)系統(tǒng)的衍射與分辨率的限制使得晶圓上的電場(chǎng)分布散開(kāi)，如圖中虛線所示。相鄰縫隙處的衍射波相互干涉，增強(qiáng)了兩者之間的電場(chǎng)。由于光強(qiáng)度I與電場(chǎng)的平方成正比，因此，若兩個(gè)圖形靠得很近，經(jīng)過(guò)投影后就很難分辨了。將相移層覆蓋在相鄰縫隙處，則可以使其電場(chǎng)方向相反，如圖(b）所示。因?yàn)檠谀Ｉ系墓鈴?qiáng)度未改變，晶圓上圖形的電場(chǎng)可被抵消，所以兩個(gè)靠得很近的圖形也可以清晰地分辨。180°的相位變化可以通過(guò)在縫隙處添加一個(gè)厚度為d＝λ／2(n-1)的透明層得到，其中n是折射系數(shù)，λ是波長(zhǎng)。

(2)光學(xué)鄰近效應(yīng)矯正 OPC

光學(xué)鄰近效應(yīng)校正(optical proximity correction)是通過(guò)采用對(duì)鄰近區(qū)域修正過(guò)的圖形來(lái)提高圖像的質(zhì)量，可用于在一定程度上補(bǔ)償衍射效應(yīng)。

例如，若接近分辨率極限的方形接觸孔刻出來(lái)像一個(gè)圓孔，則可在掩模方形接觸孔的拐角處對(duì)圖形進(jìn)行修正，使它刻出來(lái)成為一個(gè)準(zhǔn)確的方孔。

OPC還分為基于規(guī)則和基于模型兩種：

(3)離軸照明

離軸照明即光源不在軸上：

“離軸照明”允許捕獲一些高階衍射光，從信息光學(xué)的觀點(diǎn)看，掩模圖形經(jīng)投影物鏡成像時(shí)，由于投影物鏡的數(shù)值孔徑有限，高頻部分不能進(jìn)入光瞳對(duì)成像無(wú)貢獻(xiàn)，使硅片面上的掩模像的對(duì)比度降低，影響成像質(zhì)量。由于0級(jí)衍射光不包含掩模圖形的任何空間調(diào)制信息，所以要對(duì)掩模圖形成像至少要包含1級(jí)衍射光。在投影曝光系統(tǒng)中掩模圖形的空間像的對(duì)比度依賴于投影物鏡中參與成像的1級(jí)衍射光的比例。離軸照明技術(shù)通過(guò)降低成像光束中的低頻成分來(lái)提高高頻成分在總光強(qiáng)中的比例從而提高了空間像的對(duì)比度，同時(shí)還可以提高焦深。

在IC工業(yè)中，僅收集m=0和+1（或-1）級(jí)衍射光。無(wú)需二階。上圖左邊僅僅收集到了0階衍射光，右邊有了離軸照明后，可以收集到0階和1階衍射光。

離軸照明的形式有多種，比如下圖中的環(huán)形照明和四極照明：

四極照明：對(duì)于線/空間圖案最有效（取決于線方向，最適合垂直或水平線/空間圖案），對(duì)于孤立特征效果較差。

環(huán)形照明：分辨率增強(qiáng)較少，但與方向無(wú)關(guān)。

(4)雙重曝光

雙重曝光是將掩模上的圖案分成兩個(gè)掩模，從而使特征之間有更大的分離。使用兩個(gè)掩模將光刻膠曝光兩次。

雙重曝光的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是：同一布局中的不同特征（如不同顏色所示）可能需要不同的照明，因此需要不同的曝光。

雖然水平線和垂直線可以使用普通的四極照明（藍(lán)色）來(lái)解決，但 45 度方向會(huì)受到影響，因?yàn)樗鼈冃枰耆煌乃臉O照明（紅色）。因此，要包括所有這些情況，需要單獨(dú)曝光。

盡管上述的相移掩模、光學(xué)鄰近效應(yīng)校正、離軸照明等方法能彌補(bǔ)光學(xué)曝光的不足，但人們也在尋找新的曝光方法來(lái)完成納米級(jí)的集成電路制造，比如電子束曝光、X射線曝光、離子束曝光、極紫外曝光等。此部分內(nèi)容在下一篇中介紹。

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