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《半导体制造》SemiconductorManufacturingBasic光刻(2)第四章光刻(2)《半导体制造》SemiconductorManufacturingBasic光刻(2)175176177178179180浸入式光刻的效果干式浸入式干式浸入式以前的常规NA透镜高NA透镜浸入式中光进入光刻胶的入射角更锐→焦深增加浸入式中更有可能成像→高分辨率焦深(以前的常规NA透镜+干式曝光)焦深小光刻胶焦深(以前的常规NA透镜+浸入式曝光)光刻胶入射角小焦深增大分辨率(高NA透镜+干式曝光)由于透镜-空气界面的反射，分辨率没有提高（NA＞1）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 ●缺陷浸入式光刻的原理和效果缩小透镜工件台液回收浸入式介质扫描方向晶圆液供给分辨率焦深介质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《半导体制造》SemiconductorManufacturingBasic光刻(2)181182183184185186浸入式曝光水90nm线条/间距图形的焦深浸入式常规(干式)衬底70nm线条/间距图形的焦深用浸入式曝光提高焦深近2倍干式浸入式（湿式）焦点70nm线条图形的焦深用浸入式曝光提高焦深近2倍干式浸入式（湿式）焦点分辨率(高NA透镜+浸入式曝光)有可能以高分辨率实现微细图形的成像浸入式光刻的特点《半导体制造》SemiconductorManufacturingBasic光刻(2)18718818919019119260nm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线条光刻胶高NA的分辨率-焦深效果对于45nm半节距需要1.2NA分辨率半节距(nm)焦深(μm)高NA浸入式光刻产生的45nm光刻胶图形（NA1.2)45nm/节距90nm45nmL/S的焦深0.25μm焦深/曝光宽容度的比较浸入式曝光使曝光宽容度增大焦深[μm]浸入式干式浸入式干式焦深[μm]曝光宽容度[%]曝光宽容度[%]线条和间距线条双光束干涉曝光浸入式材料(水)反射镜分光镜水ArF激光光刻胶棱镜原理上可分辨1/2波长 →浸入式光刻时分辨率更能提高反射镜《半导体制造》SemiconductorManufacturingBasic光刻(2)193194195196197198用高折射率浸没液的29.9nm线条/间距图形透镜：n＝1.6高折射率浸没液举例：磷酸（HPO）波长（nm）折射率34用高折射率浸没液的68nm线条/间距图形85％H3PO4 n=1.54（100nm厚）高NA浸入式光刻的课题光学玻璃浸没液因为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）光刻胶glassglassfluidResistResistnfluidNA=nglasssinθglass=nfluidsinθfluid=nResistsinθResist浸入式反射折射光学系统多轴系统单轴系统用高折射率浸没液的32nm线条/间距图形JSRandCanon提供n=1.64@193nm《半导体制造》SemiconductorManufacturingBasic光刻(2)199200201202203204水向光刻胶内浸润与水接触的时间（sec）膜的膨胀（ppth)水与光刻胶短时间接触浸渗而引起膜膨胀光刻胶中的酸发生剂向浸没液中溶出开始阶段酸发生剂溶出量大光刻胶停留时间[sec]PFBS水平[ppb]图形不良的原因水向光刻胶浸渗光刻胶的酸发生剂、抑制剂向水中溶出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水光刻胶未曝光已曝光未曝光采用上涂层的浸入式光刻没有上涂层有上涂层液体(水)光刻胶衬底上涂层高NA浸入式光刻必须的材料透镜浸没液水高折射率液体CaF2高折射率透镜材料曲面成最后使用的透镜现有的聚合物镀膜高折射率聚合物光刻胶与浸入式光刻有关的不良图形图形T-顶图形崩塌《半导体制造》SemiconductorManufacturingBasic光刻(2)205206207208209210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）上涂层/光刻胶之间有水滴水滴ArF光束光刻胶暗节距变窄暗产生缺陷的原因（图形缺陷）由上涂层残留物引起曝光光线散射上涂层缺陷图形生成后的缺陷缺陷的分类（归纳）种类形状原因水迹浸入式曝光后的水滴残留桥接污迹（污点）光刻胶中的酸发生剂溶出微粒环境中的杂质/光刻胶中的酸发生剂溶出浸入式曝光中的缺陷微粒气泡水迹/污迹晶圆透镜工件台液体缺陷分类（1）泡缺陷水迹污点《半导体制造》SemiconductorManufacturingBasic光刻(2)211212213214215216EUV曝光方式晶圆反射镜光源（激光等离子、同步辐射光等等）非球面反射光学系统光刻胶掩膜EUV反射镜光学系统晶圆二次掩膜板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EUV曝光装置实例对准光学系统和信号处理器振动隔离台晶圆掩膜基座真空室照明光学系统晶圆扫描工作台成像光学系统掩膜扫描工作台后退接触角与扫描速度的关系可能的全产额后退接触角滑移角50μl水滴液浸上涂层液浸光刻胶后退接触角（度）扫描速度标准（a.u.)(无水滴）后退接触角与缺陷的关系后退接触角约67°以上时缺陷水平与干法曝光相等干法曝光基线缺陷密度(/cm2)缺陷数量后退接触角（度）《半导体制造》SemiconductorManufacturingBasic光刻(2)217218219220221222EUV光刻的基本技术和课题LD激发的YAG激光系统集成·对准光源[激光等离子(LPP)]真空工件台非球面反射光学系统聚光镜光学系统无缺陷反射镜掩膜污染控制光刻胶放气Xe聚束射流喷射孔靶源掩膜台聚光镜光学系统反射光学系统晶圆工件台晶圆对准传感器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)照明光学系统掩膜台投影光学系统靶激光等离子光源晶圆对准传感器晶圆工件台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）EUV曝光设备技术指标示例孔径角（NA）0.1倍比1/5分辨率0.06μm焦深1.9μm(0.1μm)晶圆的环形场30mm×1mm(扫描模式)30mm×28mm对准精度30nm掩膜尺寸6”晶圆尺寸8”大面积曝光区域EUV曝光方式（SOR光使用）光强（a.u.)SR光用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储存环SiN+Be滤色镜多层膜镜(Mo/Si)晶圆滤色镜晶圆光强（a.u.)波长（nm)《半导体制造》SemiconductorManufacturingBasic光刻(2)223224225226227228EUV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：250nmL/SEUV掩膜缺陷图形缺陷多层膜缺陷缺陷无法修正→要求无缺陷掩膜吸收体多层膜衬底微粒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○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EUV掩膜的构造(2)节距约6.5nm40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)EUV掩膜的构造(3)EUVL掩膜俯视图吸收体图形的SEM照片吸收体图形(TaN)缓冲层(Ru)多层膜(Mo/Si)衬底200mmφSi晶圆将实际使用的ULE衬底0《半导体制造》SemiconductorManufacturingBasic光刻(2)229230231232233234波长13nm用EUV反射率计的组成示意图多层膜镜(MoSi2/Si)YAG激光铍滤光器等离子体喷嘴MCP1(检测器)MCP2(I0监控器)样品q-2q工件台样品台狭缝测定EUV透射率用的聚合物聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)热塑性酚醛树脂(NVC)聚(对甲氧基苯乙烯)(PTBS)聚(羟基苯乙烯)(PHS)聚苯乙烯(PS)P-甲氧基苄胺倍半硅氧烷(MBSQ)聚五氟苯乙烯(PPFS)聚(对氟苯乙烯)(PFS)聚二苯基硅烷(PDPS)各种聚合物的透射率(以膜厚100nm计)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)]测定值文献值透射率(％)聚合物文献值：N.Matsuzawaetal.,Jap.J.Appl.Phys.,38,7109(1999).关于EUV光的原子吸收PHS系化学放大型正性光刻胶举例曝光时放气少用反射率计计算透射率的方法多层膜光刻胶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，则有透射率《半导体制造》SemiconductorManufacturingBasic光刻(2)235236237238239240EUV曝光后产生的光刻胶图形（化学放大型光刻胶）曝光剂量：15mJ/cm2光刻胶：厚度110nm分辨至60nm的线条和间距图形70-nm线条和间距60-nm线条和间距50-nm线条和间距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厚分辨至膜厚180nm（70nm线条和间距图形）曝光条件：剂量：15mJ/cm2NA:0.147σ:0.01EUV曝光后产生的光刻胶图形（化学放大型光刻胶）光刻胶层厚度：0.24μm70nmL/N分辨至膜厚240nm（70nm线条和间距图形）EUV曝光后产生的光刻胶图形（２层光刻胶）分辨至70nm线条和间距图形上层光刻胶厚度：0.1μm下层光刻胶厚度：0.25μm70nmL/NEUV曝光后产生的光刻胶图形56nm间距图形EUV曝光后产生的光刻胶图形（主链断裂型光刻胶）光刻胶：ZEP520A（厚度110nm）分辨至50nm的线条和间距图形60-nm线条和间距50-nm线条和间距40-nm线条和间距《半导体制造》SemiconductorManufacturingBasic光刻(2)24124224324424524644nm接触孔图形相当于k1=135nm接触孔30nm线条和图形间距图形EUV曝光后产生的光刻胶图形粗糙度单层光刻胶，用硅烷化工艺，粗糙度3.5nm(3σ)(70nm图形)测得的CD(nm)LER(3σ,nm)光刻胶的放气(非化学放大型光刻胶)离子束流（A）质量数EUV曝光后产生的光刻胶图形(硅烷化工艺)分辨至70nm线条和间距图形下层光刻胶厚度：0.35μm70nmL/N35nm线条和间距图形《半导体制造》SemiconductorManufacturingBasic光刻(2)247248249250251252EUV曝光的MEEFMEEF=1.53（50nmC/H）OPC图形的比较EUV掩膜ArF掩膜分子光刻胶的概念常规的聚合物光刻胶 →成像后材质不均 =LER大分子光刻胶 →成像后材质均匀 =LER小二次图形曝光技术○可以减小k1因子○可延伸常规的光学光刻○主要课题 ·工艺过程复杂化