浸沒式光刻技術(shù)培訓(xùn)資料

1、浸沒式光刻技術(shù)所謂準(zhǔn)分子激光，是指受激二聚體（惰性氣體和鹵素兩種元素）所產(chǎn)生的激光，波長范圍為157353nm，所屬紫外激光波段。氟化氬(ArF)混合物產(chǎn)生的波長為193nm的超紫外冷激光.光刻技術(shù)在半導(dǎo)體器件大規(guī)模生產(chǎn)中發(fā)揮重要作用.今天,多數(shù)先進(jìn)半導(dǎo)體生產(chǎn)都已經(jīng)應(yīng)用ArF準(zhǔn)分子激光浸沒光刻技術(shù).雙重圖像曝光和側(cè)壁圖像轉(zhuǎn)移技術(shù)使ArF準(zhǔn)分子激光浸潤光刻技術(shù)延伸到32納米半節(jié)距(HP)器件的制造成為可能.ArF（氟化氬）準(zhǔn)分子激光浸沒光刻技術(shù)193nm浸沒式光刻技術(shù) 液體浸沒技術(shù)用于光學(xué)顯微鏡，使數(shù)值孔值和成像對比度明顯提高。相對于157nm(F2) 光刻技術(shù)，193nm 浸沒式光刻技術(shù)不需要

2、研發(fā)新的掩模、透鏡和光刻膠材料，193nm 浸沒式光刻機(jī)甚至可以保留現(xiàn)有193nm 干式光刻機(jī)的大部分組件，僅對部分分系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)即可。（一）浸沒式光刻的原理 浸沒式光刻技術(shù)需要在光刻機(jī)投影物鏡最后一個(gè)透鏡的下表面與硅片上的光刻膠之間充滿高折射率的液體。傳統(tǒng)光刻和浸沒式光刻的對比示意圖 投影物鏡的數(shù)值孔徑 NA=nsinq 其中，n 為投影物鏡與硅片之間介質(zhì)的折射率，q 為光線最大入射角。在最大入射角相同的情況下，浸沒式光刻系統(tǒng)的數(shù)值孔徑比傳統(tǒng)光刻系統(tǒng)增大了n 倍。而從傅里葉光學(xué)的角度，數(shù)值孔徑扮演著空間頻率低通濾波器閾值的角色。注入高折射率的浸沒液體可以使更高空間頻率的光波入射到光刻膠上

3、，因此成像分辨率得以提高。 根據(jù)瑞利判據(jù)，光刻機(jī)的分辨率R 和焦深DOF 為其中，k1，k2為工藝因子，入eff=l/n 為有效曝光波長。由(2)式可以看出，浸沒式光刻的特征尺寸縮小為傳統(tǒng)光刻的1/n，相當(dāng)于有效曝光波長縮小為原來的1/n。當(dāng)l=193nm，n=1.437(水)時(shí)，入eff=134.3nm，已經(jīng)小于F2光刻157nm 的曝光波長。由(3)式知，相對于傳統(tǒng)光刻技術(shù)，在q 相同的情況下，引入浸沒光刻技術(shù)可以使焦深增大n 倍。此外，浸沒液體也減小了界面上的光反射損耗。（二）浸沒式光刻帶來的主要問題及對策 浸沒液體 液體浸沒方式 大數(shù)值孔徑投影物鏡的設(shè)計(jì) 偏振光照明 液體溫度變化帶來的

4、影響 氣泡的消除 光刻膠與污染浸沒液體（積淀、氣泡、光吸收） 當(dāng)今高精度的浸沒式步進(jìn)掃描投影光刻機(jī)對浸沒液體的選擇相當(dāng)苛刻，高折射率和高透射系數(shù)是最基本的要求。 使用水作為193nm 光刻的浸沒液體。 在曝光過程中，由于水中溶解的物質(zhì)有可能沉積到投影物鏡最后一個(gè)透鏡的下表面或者光刻膠上，引起成像缺陷，而水中溶解的氣體也有可能形成氣泡，使光線發(fā)生散射和折射。因此，目前業(yè)界普遍使用價(jià)格便宜、簡單易得的去離子和去氣體的純水作為第一代浸沒式光刻機(jī)的浸沒液體。 在大多數(shù)波段水的折射率為1.33 左右，而在193nm 附近，水的折射率高達(dá)1.437。水在193nm波段的吸收系數(shù)很低，僅為0.035/cm。

5、光刻機(jī)的生產(chǎn)率與照明光的透射率成正比，因此為了減小水對光的吸收，水層的厚度不能太大。 另外，還要考慮水層的厚度對掃描速度的影響。在500mm/s 的掃描速度下，水層的厚度應(yīng)該控制在12mm。2.液體浸沒方式(局部浸沒法) 浸沒式光刻系統(tǒng)需要在投影物鏡最后一個(gè)透鏡的下表面與硅片上的光刻膠之間保持穩(wěn)定的液體流動。液體的流動使得液體均勻化，使液體保持清潔，防止污染物沉積。主要有三種液體浸沒方法： 硅片浸沒法 工件臺浸沒法 局部浸沒法 目前業(yè)界多采用局部浸沒法。 硅片浸沒法示意圖 工件臺浸沒法示意圖 局部浸沒法示意圖 局部浸沒法可以解決硅片浸沒法和工件臺浸沒法存在的一些問題。局部浸沒法中投影物鏡是固定

6、的，最后一個(gè)透鏡的下表面始終浸沒在液體中。在步進(jìn)掃描過程中，硅片的不同部位浸沒在液體中。 在硅片的一側(cè)設(shè)置一個(gè)噴嘴，將液體注入到鏡頭下面，在另一側(cè)設(shè)置一個(gè)吸嘴將液體吸回，形成液體的流動。這種結(jié)構(gòu)也被稱為噴淋結(jié)構(gòu)。局部浸沒法局部浸沒法的優(yōu)點(diǎn)：1) 工件臺本質(zhì)上與干式系統(tǒng)相同，這樣將節(jié)省研發(fā)成本和 時(shí)間； 2) 可以保留干式光刻系統(tǒng)的對準(zhǔn)系統(tǒng)和調(diào)焦調(diào)平系統(tǒng)； 3) 注入的液體容量比較小，可以快速注滿和排空，保持了 較高的生產(chǎn)率。局部浸沒法的缺點(diǎn)： 在對硅片邊緣部分進(jìn)行曝光時(shí)，硅片邊緣的液體容易發(fā)生泄漏，從而導(dǎo)致邊緣曝光場的成像質(zhì)量較差。因此，采取局部浸沒法設(shè)計(jì)方案時(shí)，應(yīng)當(dāng)采取有效的液體防泄漏措施。

7、3.大數(shù)值孔徑投影物鏡的設(shè)計(jì)（折反式投影物鏡） 提高浸沒式光刻機(jī)分辨率的關(guān)鍵是增大投影物鏡的數(shù)值孔徑。隨著光刻分辨率和套刻精度的提高，投影物鏡的像差和雜散光對成像質(zhì)量的影響越來越突出。因此，需要在嚴(yán)格控制像差和雜散光的前提下，設(shè)計(jì)大數(shù)值孔徑的浸沒式光刻投影物鏡。 傳統(tǒng)的干式光刻機(jī)投影物鏡 Nikon 公司設(shè)計(jì)的折反式投影物鏡(a)是多軸設(shè)計(jì)方案(b)是單軸設(shè)計(jì)方案 單軸設(shè)計(jì)方案結(jié)合了全折射式物鏡和折反式物鏡的優(yōu)點(diǎn)，在具有較好機(jī)械穩(wěn)定性的同時(shí)，可以獲得更大的數(shù)值孔徑。 為了使數(shù)值孔徑達(dá)到1.3 甚至更高，就要使用非球面反射鏡。非球面反射鏡除了會帶來更多的局部雜散光以外，它在高產(chǎn)率生產(chǎn)過程中會受到

8、不均勻加熱，進(jìn)而影響成像質(zhì)量。折反式投影物鏡4.偏振光照明(無損偏振光照明系統(tǒng)) 隨著浸沒技術(shù)的引入，光刻機(jī)投影物鏡的數(shù)值孔徑越來越大?？紤]大數(shù)值孔徑光刻系統(tǒng)的成像質(zhì)量問題時(shí)，照明光的偏振態(tài)已不可忽視。在光刻機(jī)照明系統(tǒng)中，照明光經(jīng)過掩模發(fā)生衍射，掩模像是由其中的零級衍射光和一級衍射光在硅片表面發(fā)生干涉形成的。 隨著投影物鏡數(shù)值孔徑的增大，入射光線之間夾角變大，振動方向之間的夾角也隨之增大，造成成像對比度的下降。因此，在大數(shù)值孔徑光刻系統(tǒng)中，應(yīng)該使用成像對比度較高的s 偏振光照明。高數(shù)值孔徑下s 偏振光和p 偏振光的成像對比度 激光器輸出的光一般是線偏振光，然而光刻機(jī)照明系統(tǒng)中光學(xué)材料的本征雙折

9、射和應(yīng)力雙折射會使光的偏振態(tài)發(fā)生變化，光學(xué)薄膜的偏振特性以及光在界面的反射和折射也會影響光的偏振態(tài)。因此為了實(shí)現(xiàn)偏振光照明，需要對整個(gè)照明系統(tǒng)進(jìn)行偏振控制。簡單地在光路中插入偏振器件，會損失大量的激光能量，意味著光刻機(jī)生產(chǎn)率的下降。如果通過提高激光器的輸出功率補(bǔ)償光能損失，會使激光器和照明光路元件的壽命下降。 Nikon 公司的無損偏振光照明系統(tǒng)框圖5.液體溫度變化帶來的影響(熱量累積效應(yīng)) 浸沒式光刻機(jī)在工作過程中，光刻膠、BARC (bottom anti -reflective coating)、硅片都會吸收照明光的能量，并把熱傳導(dǎo)給水，使水的溫度升高。而水本身也會吸收照明光的能量而引起

10、溫度升高。 水溫的變化將引起折射率的改變。如果水溫變化不均勻，會導(dǎo)致像面聚焦偏移和球差的改變。在曝光系統(tǒng)中，焦面的偏移可由調(diào)焦調(diào)平系統(tǒng)校正，然而局部的溫度起伏將引起局部的成像質(zhì)量惡化。 保持浸沒區(qū)域的水循環(huán)流動是解決水溫變化的有效方法。6.氣泡的消除(曝光缺陷) 氣泡是浸沒式光刻技術(shù)面臨的又一難題。氣泡形成的原因有：1) 溫度和氣壓變化使水中氣體的溶解度降低，原來溶解在水中的部分氣體釋放出來形成氣泡；2) 水的流動帶入周圍的氣體形成氣泡；3)光刻膠釋放出的氣體形成氣泡。不同尺寸的氣泡對光刻機(jī)光學(xué)性能的影響是不同的. 在設(shè)計(jì)液體浸沒系統(tǒng)時(shí)，要對噴嘴結(jié)構(gòu)進(jìn)行改良設(shè)計(jì)，防止發(fā)生飛濺，阻止氣泡的帶入。

11、7.光刻膠與污染(污染沉積) 在浸沒式光刻系統(tǒng)中，光刻膠與水長時(shí)間接觸，人們擔(dān)心光刻膠溶入水中，導(dǎo)致水的污染。污染物可能沉積在透鏡的下表面，水也有可能滲透到光刻膠中，影響到光刻膠的顯影特性。 研究發(fā)現(xiàn)，水中溶入光刻膠物質(zhì)后，激光的透射率基本不變。在透鏡下表面未經(jīng)激光照射的區(qū)域發(fā)現(xiàn)了污染沉積，這些沉積物質(zhì)又演變?yōu)槲⒘?，影響光刻成像質(zhì)量。 為了解決浸沒式光刻機(jī)的污染問題，通常保持純水一定速度的流動更新，降低溶解物質(zhì)的濃度。除此之外，在浸沒式光刻機(jī)的周期性維護(hù)過程中，應(yīng)該對浸沒區(qū)域進(jìn)行徹底的清洗。（三）展望 浸沒式光刻技術(shù)已經(jīng)展現(xiàn)出巨大的優(yōu)勢，浸沒帶來的一系列難題也找到了相應(yīng)的對策。浸沒式光刻機(jī)將在65nm 和45nm 節(jié)點(diǎn)發(fā)揮重要作用。同時(shí)，浸沒式光刻技術(shù)也顯示出巨大的發(fā)展?jié)摿?，浸沒式光刻機(jī)將繼續(xù)朝著更大數(shù)值孔徑的方向發(fā)展。 用水作為浸沒液體的浸沒式光刻機(jī)，數(shù)值孔徑的極限為1.35左右。為了將浸沒式光刻技術(shù)延伸到32nm 甚至22nm 節(jié)點(diǎn)，應(yīng)用折射率更高的液體取代水作為浸沒液體。許多公司正致力于第二代浸沒液體的研究，已經(jīng)找到多種折射率在1.65左右的液體。 引入第二代浸沒液體后，尋找高折射率(n1.65)的投影物鏡底部透鏡材料將成為進(jìn)一步提高數(shù)值孔徑的關(guān)鍵。