最新光刻技术

由上涂层残留物引起曝光光线散射
污迹（污点） 微粒
209
36 《半导体制造》
光刻胶中的酸发生剂溶出
环境中的杂质/ 光刻胶中的酸发生剂溶出
210
Semiconductor Manufacturing Basic
后退接触角与扫描速度的关系
光刻 (2)
后退接触角与缺陷的关系
扫描速度标准（a.u.) (无水滴） 缺陷密度 (/cm2) 缺陷数量
文献值：N.Matsuzawa et al., Jap.J.Appl.Phys., 38, 7109 (1999).
233
40 《半导体制造》
234
Semiconductor Manufacturing Basic
EUV曝光后产生的光刻胶图形
光刻 (2)
EUV曝光后产生的光刻胶图形
（主链断裂型光刻胶）
用高折射率浸没液的32nm 线条/间距图形
n=1.64@193nm
多轴系统
单轴系统
193
JSR and Canon 提供
194
用高折射率浸没液的29.9nm 线条/间距图形
高折射率浸没液举例： 磷酸（H 3 PO4 ）
折射率
透镜：n＝1.6
85％ H3PO4 n=1.54（100nm厚）
195
波 长（nm）
分辨率(高NA透镜+浸入式曝光)
光刻 (2)
浸入式光刻的特点
有可能以高分辨率实现 微细图形的成像
181
浸入式曝光
水
182
90nm线条/间距图形的焦深
浸入式
衬底
常规 (干式)
183
184
70nm线条/间距图形的焦深
70nm线条图形的焦深
干式
浸入式 （湿式）
焦点
干式
浸入式 （湿式）
焦点
用浸入式曝光提高焦深近2倍
ArF激光
分光镜
反射镜
棱镜
反射镜
浸入式材料 (水)
光刻胶
水
原理上可分辨1/2波长 → 浸入式光刻时分辨率更能提高
188
60nm线条/间距图形
浸入式
常规（干式）
ArF浸入式光刻产生的光刻胶图形
100nm节距 L/S = 50nm线条
90nm节距 L/S = 45nm线条
光刻胶
189
190
高NA的分辨率-焦深效果
○ 适合目前使用的主链断裂型光刻胶、PHS 系化学放大型正性光刻胶等
○ 主要课题 ● 灵敏度 ● 线条边缘粗糙度 ● 放气
主链断裂型光刻胶举例
主链断裂→分子量降低→有机溶剂现象产生正图形
227
228
39 《半导体制造》
Semiconductor Manufacturing Basic
光刻 (2)
干式 高NA透镜
浸入式
浸入式中更有可能 成像
→高分辨率
177
焦深(以前的常规NA透镜+浸入式曝光)
光刻胶
焦深小
178
分辨率(高NA透镜+干式曝光)
光刻胶 入射角小
焦深增大
179
31 《半导体制造》
由于透镜-空气界面 的反射，分辨率没 有提高（NA＞1）
180
Semiconductor Manufacturing Basic
212
EUV曝光方式
晶圆
反射镜
光源（激光等离子、同步辐射光等等）
光刻胶
非球面反射光学系统
掩膜
214
EUV曝光装置实例
真空室
照明光学系统
对准光学系统和信号处理器 掩膜
晶圆扫描 工作台
晶圆
掩膜扫描 工作台
基座
成像光学系统
振动隔离台
215
216
37 《半导体制造》
Semiconductor Manufacturing Basic
PHS系化学放大型正性光刻胶举例
用反射率计计算透射率的方法
光刻胶 多层膜
EUV光从真空中入射到光刻胶表面时 的反射率
EUV光从光刻胶一侧出射到真空一侧 时的反射率
光刻胶层的透射率 EUV光从真空中入射到多层膜表面 时的反射率
曝光时放气少
229
因为EUV光在多层膜上表面的反射率和光刻胶表面的反射率非常小，所以 ，则有
SiN+Be滤色镜 多层膜镜(Mo/Si)
晶圆
SR光
光强（a.u.) 光强（a.u.)
滤色镜
晶圆
波长（nm)
用SiN+Be滤色镜将长、短波长光分断； 用Mo/Si多层膜镜使光为单色13.5nm
218
EUV光刻的基本技术和课题
聚光镜光学系统
非球面反射光学系统
无缺陷反射镜掩膜
聚光镜光学系统
掩膜台
污染控制光刻胶放气
220
EUV曝光设备的组成
照明光学系统
掩膜夹
晶圆工件台
投影光学系统
EUV掩膜的构造（1）
吸收体（Cr、TaN等） 缓冲层（SiO2、Ru等） 多层反射膜（Mo/Si）
衬底（Si、玻璃等）
221
222
38 《半导体制造》
Semiconductor Manufacturing Basic
光刻 (2)
EUV掩膜的构造(2)
199
200
光刻胶中的酸发生剂向浸没液中溶出
膜的膨胀（ppth) PFBS水平 [ppb]
与水接触的时间（sec） 水与光刻胶短时间接触浸渗而引起膜膨胀
201
停留时间 [sec] 光刻胶 开始阶段酸发生剂溶出量大
202
图形不良的原因
采用上涂层的浸入式光刻
水
光刻胶 未曝光
已曝光 未曝光
水向光刻胶浸渗
光刻胶的酸发生剂、 抑制剂向水中溶出
198
34 《半导体制造》
Semiconductor Manufacturing Basic
高NA浸入式光刻必须的材料
水 浸没液
CaF2 透镜
高折射率液体 高折射率透镜材料 曲面成最后使用的透镜
光刻胶
现有的聚合物镀膜
高折射率聚合物
光刻 (2)
与浸入式光刻有关的不良图形
图形崩塌 图形T-顶
水向光刻胶内浸润
用浸入式曝光提高焦深近2倍
185
186
32 《半导体制造》
Semiconductor Manufacturing Basic
焦深/曝光宽容度的比较
曝光宽容度[%] 曝光宽容度[%]
干式
浸入式
浸入式 ห้องสมุดไป่ตู้式
焦深[μm] 线条和间距
焦深[μm] 线条
浸入式曝光使曝光宽容度增大
187
光刻 (2)
双光束干涉曝光
节距约6.5nm 40对薄层以上
轻原子 重原子
吸收体TaN、Cr等 缓冲层Ru、SiO2等 多层膜
衬底 (超低热膨胀材料)
223
EUV掩膜的构造(3)
吸收体图形的SEM照片
吸收体图形(TaN) 缓冲层(Ru) 多层膜(Mo/Si) 衬底200mmφ Si晶圆 将实际使用的ULE衬底
EUVL掩膜俯视图
224
EUV掩膜
衬底：6”Si晶圆 多层膜：Mo/Si(40对薄膜, 顶层为Si) 吸收体：Ta(100nmt) 最小图形尺寸：250nm L/S
225
EUV掩膜缺陷
图形缺陷
多层膜缺陷
吸收体
多层膜
衬底
微粒 缺陷无法修正→要求无缺陷掩膜
226
EUV光刻胶
○ 透射率不是由聚合物原子键合形式决定， 而是由组成原子的吸收及其数量决定的
Semiconductor Manufacturing Basic
光刻 (2)
第四章
光 刻 (2)
31 《半导体制造》
Semiconductor Manufacturing Basic
光刻 (2)
ArF浸入式光刻
○ 波长：134nm的效果（折射率1.44的 场合）
○ 常规光刻的延伸 ○ 主要课题 ● 高NA曝光设备 ● 浸没液内的气泡 ● 缺陷
可能的全产额
液浸上涂层 液浸光刻胶
后退接触角（度）
后退接触角
50μl水滴
滑移角
211
EUV光刻
● 波长：13.5nm ● 反射光学系统 ● 主要研究课题
● 光刻胶 ● 光学系统精度 ● 掩膜精度 ● 无缺陷掩膜 ● 高亮度光源
213
EUV反射镜光学系统
二次掩膜板
晶圆
干法曝光基线
后退接触角（度）
后退接触角约67°以上时缺陷水平与干法曝光相等
光刻胶：厚度110nm
分辨至60nm的线条和间距图形
237
EUV曝光后产生的光刻胶图形
（化学放大型光刻胶）
110nm厚
140nm厚
160nm厚
180nm厚
曝光条件：
剂量：15mJ/cm2 NA: 0.147 σ: 0.01
分辨至膜厚180nm（70nm线条和间距图形）
238
EUV曝光后产生的光刻胶图形
175
浸入式光刻的原理和效果
液回收
缩小透镜
分辨率 液供给
工件台 浸入式介质 扫描方向
晶圆
焦深
介质
ArF干式光刻
KrF浸入式光刻
F2干式光刻 ArF浸入式光刻
F2浸入式光刻
PFPE：全氟聚醚
176
浸入式光刻的效果
干式
浸入式
以前的常规NA透镜
浸入式中光进入光 刻胶的入射角更锐
→焦深增加
焦深(以前的常规NA透镜+干式曝光)
（化学放大型光刻胶）
光刻胶层厚度：0.24μm 70nm L/N
EUV曝光后产生的光刻胶图形
（２层光刻胶）
上层光刻胶厚度：0.1μm 下层光刻胶厚度：0.25μm
70nm L/N
分辨至膜厚240nm（70nm线条和间距图形）
分辨至70nm线条和间距图形
239
240
41 《半导体制造》
Semiconductor Manufacturing Basic
56nm间距图形
235
60-nm 线条和间距
50-nm 线条和间距 40-nm 线条和间距
光刻胶：ZEP520A（厚度110nm）
分辨至50nm的线条和间距图形
236
EUV曝光后产生的光刻胶图形
（化学放大型光刻胶）
70-nm 线条和间距
60-nm 线条和间距
50-nm 线条和间距
曝光剂量：15mJ/cm2
乙烯)(PHS) 乙烯)(PTBS)
树脂(NVC)
P-甲氧基苄胺倍 半硅氧烷(MBSQ)
聚二苯基硅 烷(PDPS)
聚(对氟苯乙 聚五氟苯乙烯
烯)(PFS)
(PPFS)
232
各种聚合物的透射率
(以膜厚100nm计)
测定值 文献值
关于EUV光的原子吸收
透射率(％)
聚合物 PDPS、PTBS、PS有70%以上的高透射率→Si、C原子的效果 PPFS、MBSQ透射率低→F、O原子的影响 [EUV光被聚合物吸收仅仅与原子的吸收系数和密度有关(与原子键合形式无关)]
光刻 (2)
缺陷分类（1）
泡缺陷 水迹 污点
205
206
缺陷分类（2）
微粒（小）
微桥接
微粒（大）
产生缺陷的原因（图形变窄）
ArF光束
水滴
光刻胶 暗 节距变窄 暗
上涂层/光刻胶之间有水滴
207
208
产生缺陷的原因（图形缺陷）
缺陷的分类（归纳）
种类
形状
原因
水迹 桥接
浸入式曝光后的水滴残留
上涂层缺陷
图形生成后的缺陷
高NA浸入式光刻产生的45nm 光刻胶图形（NA1.2)
45nm/节距90nm
焦深(μm)
分辨率半节距(nm)
对于45nm半节距需要1.2NA
191
45nmL/S的焦深0.25μm
192
33 《半导体制造》
Semiconductor Manufacturing Basic
浸入式反射折射光学系统
光刻 (2)
透射率
230
波长13nm用EUV反射率计的 组成示意图
测定EUV透射率用的聚合物
多层膜镜 (MoSi2/Si)
YAG激光
MCP1
(检测器) 铍滤光器
狭缝
样品
q-2q 工件台
MCP2 (I0监控器) 喷嘴 等离子体
样品台
231
聚甲基丙烯酸 聚苯乙烯 甲酯(PMMA) (PS)
聚 ( 羟 基 苯 聚(对甲氧基苯 热塑性酚醛
196
用高折射率浸没液的68nm 线条/间距图形
高NA浸入式光刻的课题
光学玻璃
glass
fluid
glass
n 浸没液 fluid
197
光刻胶
Resist Resist
NA=nglasssinθ glass=nfluidsinθ fluid=nResistsinθ Resist
因为NA受最小折射率限制，不但浸没液而且透镜 都必须是高折射率材料（1.6以上）
EUV曝光后产生的光刻胶图形
(硅烷化工艺) 下层光刻胶厚度：0.35μm
70nm L/N
光刻 (2)
35nm线条和间距图形
分辨至70nm线条和间距图形
241
44nm接触孔图形
242
35nm接触孔 30nm线条和
图形
间距图形
相当于 k1=1
243
EUV曝光后产生的光刻胶图形粗糙度
244
光刻胶的放气
(非化学放大型光刻胶)
靶
晶圆
对准
传感器 源
反射光学系统
晶圆工件台
喷射孔
系统集成·对准
LD激发的 YAG激光
Xe聚束射流
光源[激光等离子(LPP)]
真空工件台
219
EUV曝光设备原理图
分辨率：50nm(β机)/35nm(量产机) 产额：10/80片/小时(300mm)
照明光学系统 靶
掩膜台
激光等离子 光源
晶圆对准 传感器
投影光学系统 晶圆工件台
在光刻胶曝光处产生 的酸、酸发生剂副产 品向水中溶解
在光刻胶曝光处分解 的酸脱离剂向水中溶 解
没有上涂层
液体(水) 光刻胶 衬底
203
35 《半导体制造》
有上涂层
上涂层
204
Semiconductor Manufacturing Basic
浸入式曝光中的缺陷
微粒
透镜
水迹/污迹
液体 晶圆 工件台
气泡
EUV曝光设备技术指标示例
孔径角（NA） 倍比 分辨率 焦深 晶圆的环形场 (扫描模式) 对准精度 掩膜尺寸 晶圆尺寸
0.1 1/5 0.06μm 1.9μm(0.1μm) 30mm×1mm 30mm×28mm 30nm 6” 8”
大面积曝光区域
217
光刻 (2)
EUV曝光方式（SOR光使用）
储存环