光刻机和光掩膜版

十三章 光刻II光刻机和光掩膜版前几章讲述了光刻胶材料的性质和工艺技术。

在这一章里，我们介绍如何将图形转移到硅片表面上，包括以下内容：a)将图形投影到硅片表面的装置（即光刻对准仪或光刻翻版机），由此使得所需图形区域的光刻胶曝光。

b)将图形转移到涂有光刻胶的硅片上的工具（即光掩模版和中间掩模版）。

在介绍光刻机或掩模版之前，把用以设计和描述操作光刻机的光学原理简要地说明一下。

它们是讲明光掩模板和中间掩模版的基础。

在讨论光学原理之前，有必要介绍一下微光刻硬件的关键。

那就是把图形投影到硅表面的机器和掩模版的最重要的特征：a)分辨率、b)图形套准精度、c)尺寸控制、d)产出率。

通常，分辨律是指一个光学系统精确区分目标的能力。

特别的，我们所说的微图形加工的最小分辨率是指最小线宽尺寸或机器能充分打印出的区域。

然而，和光刻机的分辨率一样，最小尺寸也依赖于光刻胶和刻蚀的技术。

关于分辨率的问题将在微光刻光学一章中更彻底的讲解，但要重点强调的是高分辨率通常是光刻机最重要的特性。

图形套准精度是衡量被印刷的图形能“匹配”前面印刷图形的一种尺度。

由于微光刻应用的特征尺寸非常小，且各层都需正确匹配，所以需要配合紧密。

微光刻尺寸控制的要求是以高准度和高精度在完整硅片表面产生器件特征尺寸。

为此，首先要在图形转移工具〔光刻掩模版〕上正确地再造出特征图形，然后再准确地在硅片表面印刷出〔翻印或刻蚀〕。

加工产率是重要但不是最重要加工特征。

例如，如果一个器件只能在低生产率但高分辨率的光刻机制版，这样也许仍然是经济的。

不过，在大部分生产应用中，加工和机器的产率是很重要的，也许是选择机器的重要因素之一。

1.微光刻光学在大规模集成电路的制造中。

光刻系统的分辨率是相当重要的，因为它是微器件尺寸的主要限制。

在现代化投影光刻机中光学配件的质量是相当高的，所以图形的特征尺寸因衍射的影响而受限制，而不会是因为镜头的原因(它们被叫做衍射限制系统)。

因为分辨率是由衍射限度而决定的，那就必须弄明白围绕衍射限度光学的几个概念，包括一致性、衍射、数值孔径、调频和许多重要调节转换性能。

下几节的目的就是要简要和基本地介绍这些内容。

参考资料1·2讲得更详细。

衍射·一致性·数值孔径和分辨率图（1）：一束空间连续光线经过直的边缘时的光强 a)依据几何光学b)散射所有的光刻系统都有光衍射现象。

因为光线是从光源经边缘或开孔直接照射出来的。

因为衍射的影响，光线扩散到被掩蔽的范围内，屏幕上出现因衍射而产生的图形(看图1和图2)。

在屏幕上产生的图形可能是一系列的发散的光线和黑线，它依赖于孔径和掩模版与象屏(例如硅片表面)之间的距离，以及光口的几何形状和光源的纯度。

光源的纯度经常跟微光刻的关系不大。

因为光刻系统用过滤器选择特定的光波长度，或者选用的光刻胶只对特定范围内的波长敏感。

同样需要指出，所有图形边缘的信息只能通过衍射光学得到。

如果光孔和光屏的距离很短（与光刻机接触或靠近），就称为Fresnel(或近场)衍射。

因为大部分现代光刻系统是投影型的系统，其光孔和光屏的距离很大（例如光刻版到硅片），我们就只讨论弗朗荷费衍射。

引用惠更斯原理：波前的每点被认作是新的光波源点。

每个这样的惠更斯源都是同相同强。

就象图3所示，当初波前通过光孔，新波前就在光孔由源点产生。

光源量依赖于光孔的宽度b。

光强在光屏上的分布由图2所示，由光源照射到光屏上的所有的光线统计出。

图2表明当b>λ(光波长)，衍射的影响来源于波前从不同的距离到达光屏的每点的累加。

这是光学微光刻应用中的几何条件（即b≥1.0µm,≤0.43µm)。

一致性S是指由一个光源的波前发出的所有同相光线的量度。

一个有无限小尺寸的源点是理想的一致光源(图4.a)。

因为所有的光刻系统都是有限尺寸的发射光源，在一个平面上的光线表现出的一致性依赖于光源的尺寸（图4.b）、距光屏的距离和光源与光屏之间由光源发出经过可能的光孔得到的光波的角度。

我们后面将要说明用投影光刻机制作图形时不需要完美的一致性，部分一致更好。

这是很幸运的，因为理想性的光源几乎没有，而且需要很长的曝光时间。

决定一个光学系统的分辨率，典型考虑衍射光栅，不仅从实验上而且需要具体的数值分析。

衍射光栅由等宽的光线条等距离地间隔排列（叫作栅区ν）。

当用纯净的光照射时，光栅可以处理一系列衍射光孔，它将从每个光孔发射相同的衍射图形（在IC生产厂中人们不需要印刷光栅本身，但一系列设计成与光刻系统分辨限制相同的尺寸的相连线有本质相同的结构。

后面，这次讨论的原理仍然适用）。

…－的图形在光屏上产生光强度图形，它的原理由下式给出：dSinθn=Nλ （1）这里，N＝0,±/1，±2，…是衍射次序；d是光孔之间的距离；θn是衍射图形存在的角度。

理论最大值的宽度由所用光孔的数目决定，所有最大值密度由与所有光孔有相同宽度的单个光孔衍射图形给出。

在每个光学投影系统限制其分辨能力的主要因素是物镜的物理设计和它的数值孔径（NA）。

NA是一个镜头从物体（光刻板）上收集衍射光线以及把它投影到硅片上的能力。

NA由下式定义：NA=nSinα （2）这里n是折射率（空气的典型值是1.0），2α是镜头的视野（由图5标出）。

投影光刻机的NA范围是（0.16～0.40）。

镜头的分辨率依赖于光源光线的纯度和镜头的NA值。

分辨率的定义基于雷利标准。

那就是，即使是几何上相对完美的镜头也会使得理想无限小的光点分散成为模糊的园，叫做弥散圆。

当两个点相当靠近时，两个弥散圆看起来象一个模糊的圆，两个点不能分清。

雷利标准定义两个圆分开的标准是当两者之间的图形强度降低80%。

（如图6）数值上，这个标准表示如下： 2b=0.61/NA （3〕这里：2b是两图形之间的距离（即如图8b所示，它是线的尺寸以及硅片上的区域的，每个都是尺寸b；λ是曝光波长。

图7标绘出了随镜头NA（左）变化的rayleigh标准变化值，当光源波长是人＝436nm（即汞弧的G－线，其在许多光刻机中广泛作为曝光波长）〖4〗，在Zeiss10-77-82NA＝0.28，这是一些投影光刻中应用的镜头，最小分辨尺寸的rayleigh标准表示为0。

47µm。

因为图形由衍射光线组成，收集较高级别的衍射光线提高了图像的分辨率，NA越大允许的视野越大，分辨率也越好（也可从图6图7中看到)。

获得优点同样是需要代价的，焦距的深度σ与NA的平方的倒数成正比：σ＝λ/(NA)2 （4）例如，当NA＝0.3，λ＝0.4nm时σ＝4.4µm。

从这个例子可以很容易地看到硅片平整度的变化可以轻易地把图形反映到焦点平面以后。

另外，在高分辨率和长距离的焦距适当妥协必须在设计的光刻机础上达成。

然而,预言在1µm 和0.5µm之间的尺寸，场深变得非常小。

这样当要求高分辨率时将强迫光学光刻机让位于电子或X-射线光刻机。

另外有些看法认为二维技术的运用或缩短波长（例如I－线）将突破焦距深度的限制，允许光学分辨率的提高。

同样在图7中显示出，在反射型的投影系统中（在下一章中定义），高NA在另一图形区域范围扩大时获得更高的分辨率。

因为图形区域范围显著降低（例如，镜头变大图形区域范围在5×缩小光刻机是20mm×20mm）为了在100mm 或更大的硅片上能够印刷图形，必须减少一些连续曝光，而用步进重复型的曝光方法。

调制转换功能调制转换功能，或MTF是一个参数，把它适当地标绘出可以提供一种快速方便的方法判断一个光学投影系统的把掩模版上的图形转移到硅表面的能力1.5。

系统成象能力依赖于一些参数，包括曝光波长、掩模版成象特征尺寸、镜头的NA值和光源的空间纯度。

关于MTF概念本质上是指在不同的投影光刻机系统中的图像转换。

作为解释这个参数的开始，我们定义调制参数M 作为在一个平面上入射光的能量：M＝（Imax -Imin)/(Imax+Imin) （5）这里Imax 是指在明亮区域的中心的成象强度。

Imin是指在黑区中心的光强。

如图8所示，M的信息揭示了衍射效应引起的在掩模版的两个光孔在光屏上的图形之间的入射光线的减弱。

如果M＝1、Imin＝0，这是能够获得的最高调制能力。

在图8中不仅可由物平面（掩模版平面）Mmask 而且可由图形平面Mim决定调制。

曝光系统的MTF定义为Mim /Mmax.当掩模版上的一不透明线的中心的光线的强度完全是0，Mmask ＝1，我们可以简单的认为MTF和Mim的值相同。

这样简化可以使得MTF变得容易描述。

开始，MTF依赖于NA、λ、掩模版特征尺寸、曝光系统的空间纯度，因为镜头的λ和NA典型为系统硬件的设计考虑，绘制MTF对特征尺寸和参数改变空间纯度是相当有用的。

（如图8所示，v可被转换成特征区域b，用b[µm]=1/2v)。

假设Mmask=1。

由图9aA点给出光学系统分辨率的最大限制（即最小距离满足雷利标准)，是0.1。

当图像印刷的尺寸变大，MTF值变大。

当像平面上的两个像之间的一些点接受不到光线时（如图8），MTF函数的最大值是1（图9中的C点）。

在这种情况下，入射到光刻胶上的两个图形当然被复印成相异的特征。

总之，图9中表示的MTF曲线描述了，给定的光学投影系统在图形表面调制掩模版上的不同特征尺寸的程度。

硅片表面覆盖一层对入射光线感光的光刻胶。

这次讨论的相关响应特性是在12章中介绍的光刻胶反差。

理想的光刻胶必须有无限的反差，用这样的材料可以复制出比光学系统的雷利极限大或相等的图形尺寸。

但实际的光刻胶有有限的反差值，所以在一个图形能在实际的光刻胶上形成之前，必须先存在一个比雷利极限大的调幅（MTF）。

一个光学系统在光刻胶上充分定义一个图形的最小MTF依赖于光刻胶的反差值，它必须定义成关键MTF，或CMTF6resist 。

在12章中的图点表示出了光刻胶的反值CMTFresist.例如，正胶的感光差是2，12章图5表示出CMTFresist是0.6。

检查图9可以得到一个具有NA＝0.3，λ＝436nm空间一致性是0.7的光源，在正胶膜上可以印刷出的最大分光光栅频率是442linepairs/mm,与1。

13µm（图9B点）在最小特征尺寸一致。

这个例子表明2。

5X的经验法则，它与雷利极限给出的一个投影光刻机的最小分辨率和正胶的实际工作可以获得的分辨率有关。

大规模集成电路的特征尺寸的变小依赖于光刻仪器逐渐提高的分辨率。

从MTF的讨论可以描述出用以设计这些装置的途径。

首先。

回溯雷利标准，曝光波长可以降低或系统镜头的NA值可以提高。

第二，改变光刻胶的化学性质、制造全新的光刻胶可以或使用感光查的提高层，可以使得光刻胶的感光性得到提高，这样可以使小MTF产生满足要求的图形。