模拟镜头(光刻机的原理介绍，一文了解透彻)

Posted 2023-05-30

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模拟镜头(光刻机的原理介绍，一文了解透彻)

光刻机原理介绍

一台光刻机可分为几大系统：

硅片输运分系统（wafer handler sub-system）
硅片平台分系统（wafer stage sub-system）
掩膜版输运分系统（ reticle handler sub-system ）
系统测量与校正分系统（calibration and metrology sub-system）
成像分系统（imaging sub-system ）
光源分系统（ light source sub-system ）
电气（ electric ）
厂区通信（ fab communication ）
纯水（ purified wafer）
污染和温度控制（contamination and temperature control）

1．硅片输运分系统

硅片输运分系统的任务是将轨道机传递来的硅片准确无误地按照一定的角度和位置放预对准平台（pre-alignment stage）内进行预对准（有的光刻机甚至开始对硅片进行温度调整），预对准完成后，由机械手将硅片按照预定的位置放在硅片平台上。这时，硅片在硅片平台上相对对准系统的位置精度一般小于15μm。当硅片完成曝光，再由硅片输运分系统将其输送到光刻机和轨道机的接口处，等待轨道机的机械手将其取走。

2．硅片平台分系统

硅片平台分系统的任务是协助镜头完成对硅片的精确对准（i线光刻机大于100纳米，193nm浸没式光刻机小于10nm），并且对硅片偏离尺度目标的偏差量（如套刻偏差（overlay deviation）、高低偏差（leveling Map））进行曝光前修正。

高级的光刻机还能够在曝光前对镜头重要像差（如三阶畸变）进行一次快速测量（如阿斯麦公司的光刻机通过透射图像传感器（Transmission Image Sensor，TIS）来对镜头的低阶像差进行测量）并且校正。在对准后，通过精确扫描和步进实现整片硅片准确曝光。硅片平台的精确移动依靠激光干涉计，可以达到几个纳米的精确度。也有的硅片平台使用编码-读码器（encoder）来控制精确移动，如阿斯麦公司的NXT型光刻机，它的套刻精度可以达到3nm。

这是由于激光干涉计中激光束需要穿过较长的空间区域（300mm），在10nm以下的测量中容易受到空气密度的涨落以及平台高速运动对空气的扰动。硅片平台一般通过气垫与直线马达来实现平稳运动和快速运动。不过有些光刻机由于无法使用气垫，如极紫外（EUV）光刻机的硅片平台在高真空（对氧气～10-9 Torr）中运动，无法使用气垫。硅片平台在使用真空吸附将硅片抓住以外，还通过硅片背面的加热器将硅片的温度稳定在一定的精度和分布范围内。

3．掩膜版输运分系统

掩膜版输运分系统的主要功能是对掩膜版进行预对准、表面缺陷、沾污进行扫描和报警以及将掩膜版输送到掩膜版移动平台上。

4．系统测量与校正分系统

系统的校正与测量分系统主要对系统的套刻、平台移动精度、镜头的像差、照明光在光瞳的分布、光源中激光的波长、带宽以及光束的几何位置进行测量和校正。

由于硅片平台是一个具有6个自由度的刚体，具有、、、、、X、Y、Z、RX、RY、RZX 、Y 、Z 、R_X 、R_Y 、R_Z 六个参量。对平台的移动精度的测量与校正需要使用到多束激光和平台侧面的平面镜。每一个自由度需要至少两束激光。例如，沿X方向的两束激光不但可以测量X 的位移，还可以测量围绕Z轴的转动RZR_Z 。

同样道理，如果在图7.71所示的X 方向上再加入一束激光，沿X 方向的两束激光可以同时测量X 方向的位移和沿Z 方向的转动。我们还可以测量沿着Y 轴的倾角RYR_Y ，如图7.72所示，在X 方向上加入一束激光，可以测量沿着Y 轴的倾角。

图7.71 光刻机中硅片平台的控制原理示意图

图7.72 光刻机中硅片平台的控制原理示意图

同样，在Y方向上使用至少二束激光也可以测量Y和 RXR_X ，所以，在X和Y 方向加起来需要至少5束激光就可以得到除了Z之外的、、、、X、Y、RX、RY、RZX 、Y 、R_X、R_Y 、R_Z ，再加上一束测量Z 的激光束，硅片平台的六个位置分量便可以全部测量到。当然，具体的光刻机会使用更加多的激光束，用以更加精确的测量。

硅片平台的定标工作的目标是在硅片平台运动的范围内，保证以下的精度：

（1）在平移（X ，Y ）时没有转动（RZR_Z ）或者倾斜（ RX,RYR_X,R_Y ）；

（2）在含有倾斜时（RX,RYR_X,R_Y ），对准传感器（alignment sensor）在硅片表面对准的位置不变；

（3）在含有倾斜时（RX,RYR_X,R_Y ），找平传感器（leveling sensor）在硅片表面对准的位置不变；

（4）对反射镜的平整度(mirror flatness)定标，保证水平移动时，在一个方向移动时没有另外一个方向的移动；

（5）确定硅片平台的最佳焦距；

（6）如果是双平台的光刻机，需要对两个平台之间的套刻参数和精度做匹配；

（7）平台上测量传感器本身位置和倾斜角的定标。

对于镜头的像差，高级的光刻机一般都有自带的测量像差的传感器。这种传感器一般是通过扫描测量空间像在某些特定掩膜版平面上图形的表现来计算像差的。还有的传感器将光瞳上的光强分布和位相通过光刻机的光瞳下面（离硅片靠近的镜头部分）的镜头部分投影到平台上的成像的干涉型传感器上，以直接测量在光瞳处的像差。通过镜头模型（lens model），将测得的像差函数经过解算，得出镜头内部可移动的镜片（分为Z方向可移动和X-Y 方向可移动）的最佳调整位置，以最大限度地优化镜头的剩余像差。

5．成像分系统

成像分系统由照明系统、主投影镜头以及光强控制子系统组成。照明系统负责将激光或者汞灯的出射光调整为具备一定部分相干性的光，并且将其输送至掩膜版。主投影镜头负责将掩膜版散射的光成像于硅片上。镜头中含有Z 方向可移动和X-Y 方向可移动镜片。

Z 方向可移动镜片用来修正轴对称像差，如球面像差（spherical aberration） Z9Z_9 。X-Y 方向可移动镜片用来修正非轴对称像差，如彗星（coma）像差Z7Z_7 、Z8Z_8 。有关像差的分类和对光刻工艺的影响将在后面讨论。

一般 248nm的光刻机的均方根（Root-Mean-Square，RMS）像差要求在25 ～60毫波长范围内，而193nm光刻机的要求为5～10毫波长范围。5个毫波长意味着在光瞳平面上，任何偏离位相平面的幅度必须在1nm之内，这给镜头加工提出了极高的要求。而且，不仅如此，每一个 193nm光刻机的镜头都是由30片左右镜片构成，分到每一个镜片上的分摊加工偏差要求就更加高了。

6．光源分系统

前面讲过，光源一般有汞（mercury）灯、准分子（excimer）激光、激光激励的放电灯（如极紫外的二氧化碳激光激励的锡灯）等类型。光源分系统的任务是将其发射角度整合成为科勒照明形式，并且使得部分相干性可以由使用者在一定范围内调节。

如阿斯麦公司的 193nm NXT1950i浸没式光刻机的部分相干性对传统照明条件可以做到 0.12～0.98可调。不仅如此，对于使用激光作为光源的系统，还要消除激光的较长的空间和时间的相干性，以去除各种原因造成的散射光之间干涉，又叫做散斑（speckle），提高照明均匀性。好在准分子激光的腔体中的Q 值较低（高增益带来的效果），激光输出的时间相干长度较短，模数较多，其造成的相干性比一般的激光器（如气体激光器）要低很多。

在193nm光刻机当中还需要引入偏振照明的装置。前面已经讲到，如果使用横电波偏振态，系统的对比度不会因为偏振而受到影响。在照明系统中，需要通过使用起偏器和偏振态转换器来实现多种偏振态。一般是通过使用1/4相位延迟波片，又叫1/4波片（quarter wave phase retarder plate或quarter wave plate）与偏振片结合将已有的偏振态旋转成任意的偏振状态。

7．污染和温度控制分系统

污染和温度控制分系统主要是控制镜头内部的沾污和温度。镜头的洁净度和温度都是由气体净化系统控制的，气体净化系统中的气体起到热交换的作用。镜头在曝光时会被紫外激光不时地加热，而镜头的冷却是由包裹在镜头外壳上的水管完成的，外壳与镜片之间的热交换靠镜头内的洁净气体。一般，这种热平衡需要长达几个小时才能够达到。而镜头被加热（lens heating）会影响到线宽、套刻。在193nm 光刻机，这种镜头被加热会造成焦距偏移（可达100nm），套刻非线性（如曝光区域内二阶D2D_2 、三阶D3D_3 畸变）偏移（可达10～20nm）。

在生产中，人们不可能等待几个小时以求得镜头达到热平衡。再者，这种镜头被加热会随着硅片曝光的硅片数量改变，慢慢地达到某种稳定状态（镜头的冷却作用抵消了镜头的加热作用的平衡点）。为此，工业界使用模型来模拟镜头被加热所产生的对光刻机参数的影响。而且，镜头被加热的现象会随着照明条件的不同而具有不同的特征。这是因为，不同的照明条件的光在光瞳的分布不同，会对镜头的不同区域进行加热，因而产生不同的镜头加热效应。阿斯麦公司的光刻机能够针对不同的层次建立不同的定标子程序（sub-recipe）来精确地补偿镜头加热所产生的光刻机工艺参数的变化。补偿使用镜头内部可移动的镜片，并通过镜头模型的计算来实现。

7.6.2 光学像差及其对光刻工艺窗口的影响

像差是指各种空间像同理想之间的偏差，如图7.73所示，实际波面和理想波面（球面）的偏差。泽尼克（Zernike，1953年诺贝尔奖获得者）通过使用一组多项式，来描述各种像差（又叫做泽尼克多项式），如表7.5所示。

1．球面像差

球面像差（spherical aberration），简称球差。最低阶的是Z9Z_9 ，其表现如图7.73所示，平行入射的光随着距离光轴的距离不同经过透镜聚焦在不同的焦点上。球差是一种轴上的对称像差。它在光刻工艺当中的表现形式是影响最佳焦距，如图7.74所示。

图7.74 （a）、（b）、（c）分别为空间周期为λ /NA 、1.5λ /NA 和2λ /NA 的掩膜版光栅图形具有不同的衍射角分布

当不同空间周期的图形出现在同一片掩膜版上，由于它们的衍射光的角度各不相同（因为空间周期不同），如果镜头具有球差，那么，这些图形的衍射光由于经过镜头不同的地方会具有不同的最佳焦距。图7.75显示了一台248nm光刻机在不同空间周期的一维密集图形上的线宽随焦距变化的函数图（实测值）。从图中可以看出这种影响还是不算小的。我们可以使用如图7.76的方法，将所测的焦距偏差转换为球差。

图7.75 不同空间周期的图形的最佳焦距实测值

图7.76 焦点位置的改变（从Z 到Z ′的变化）是由于经过透镜边缘的光线的相位因为透镜的球差而发生变化

由于从透镜边缘穿过的光线带上了透镜含有的球差，它不再汇聚于名义焦点Z ，而是新的位置Z ′。它同沿轴上传播的光线的波前位相差（WaveFront Error，WFE）为

通过转换，我们得出这台光刻机的均方根球差大约为0.064波长（前面提到，对248nm光刻机，像差的容忍范围为25～60毫波长，这台机器有点超过）。测量过程中，使用了传统照明方式（conventional illumination），部分相干设定为0.3。球差的这种性质会影响到光学邻近效应修正，因为它会导致在不同空间周期上焦距的不同。

2．彗星像差

彗星像差（coma），简称彗差。是一种非对称像差。最低阶的是Z7 Z_7（X 方向）、Z8Z_8 （Y 方向），如图7.77（a）所示，在离轴的位置上，光线经过透镜的不同部位聚焦在不同位置的焦平面上，如、F1、F2F_1、F_2 。它对光刻工艺所造成的影响是当某图形的左右两侧的其他图形分布不同时，由于彗差散射出来的光不一样，造成左右两侧的空间像不对称。一种简单的方法由图7.77（b）所示，由于彗差的非对称性，左右两根线将会被测得不同的线宽。彗差还会造成空间像的发散（工艺窗口下降）和空间平移（套刻的漂移）。所以彗差是必须被消除的。

图7.77 慧星像差

3．散光

散光（astigmatism），又叫做像散。它也是一种非对称像差。最低阶的是Z5Z_5 （XY 方向）、Z6Z_6 （45°角度方向）。主要表现形式是镜头对X 方向的图形和对Y 方向的图形具有不同的焦距。图7.78显示了当系统对Y方向的线条对准焦距时，X方向的图形便离焦了。也就是说，含有散光的镜头无法同时将横着的和竖着的图形放在共同的焦平面内。所以，散光的存在，会影响到对焦深度，降低了工艺窗口。

图7.78 散光示意图

最先进的浸没式193nm光刻机一般只允许有15nm（X 和Y 方向的焦距差）以下的散光存在。

4．像场弯曲

像场弯曲（field curvature）是一种对称像差。最低阶的是Z2Z_2 （X 方向）、Z3Z_3 （Y 方向）的非线性项（至少为2阶）。这种像差的存在会影响到整块曝光区域的共同对焦深度（Depth of Focus，DOF），从而影响曝光区域内的线宽均匀性。

像差的测量可以通过很多方法，比如阿斯麦公司的硅片平台上的自带干涉仪（Ilias传感器），其原理就是通过在掩膜版对应曝光狭缝不同位置的地方设计小孔，这些小孔发出的球面波会在镜头的光瞳位置形成有不同倾角的平面波。如果镜头没有像差，那么这些平面波的相位分布是均匀的。然后再在硅片平台上还原为点状的像。Ilias传感器的探测器平面选在光瞳平面的共轭面上。为了探测相位，在此探测器中使用了错位干涉仪（lateral shearing interferomenter，又叫做剪切干涉仪）来探测在光瞳位置的相位非均匀性。另外，也可以通过使分析硅片曝光结果来推算出像差的情况，如约瑟夫·柯克(Joe Kirk)的工作。图7.79中使用的方法与柯克的方法在原理上是一样的。

图7.79 像场弯曲示意图

7.6.3 光刻胶配制原理

光刻胶首先可以分为正性光刻胶和负性光刻胶。正性光刻胶在给予一定量的曝光之后，在显影液里面的溶解率会显著升高。而负性光刻胶正好相反，在经过曝光之后，变得很难溶解于显影液。

在硅片曝光机出现之前，负性光刻胶主导着半导体光刻工艺。但是，由于负性光刻胶通过光化学反应实现小分子的交联（cross linking）来降低在有机溶剂（显影液）中的溶解率，不可避免地会在显影过程当中吸收显影液并且造成膨胀（swelling），对于分辨率要求较高的工艺会造成困难；而且，用作显影液的有机溶剂在使用与废弃方面也面临不小挑战；

此外这种光刻胶容易在空气中被氧化，导致了现代工业当中绝大多数光刻胶都是正性光刻胶。进入了深紫外时代（248nm、193nm），由于负性光刻胶在分辨率与灵敏度方面的矛盾：一方面，我们需要负性光刻胶的高灵敏度，稍微有一点光就能够改变在显影液中的溶解率；另一方面，我们又需要其在空间像定义的没有光的地方不留下光刻胶残留。

高灵敏度会导致在空间像定义的没有光的地方（实际上没有空间像会造就完全没有光的地方，少有空间像具有100% 对比度）产生一定程度的被曝光，导致显影不完全。而正性光刻胶就没有这个问题。正性光刻胶高灵敏度比较容易实现，因为它只需要在空间像定义的有光的地方大部分光刻胶被曝光，就可以将整块地方被显影液冲走（像拆大楼），而不像负性光刻胶，需要对在空间像定义的有光的地方最大限度地曝光，以形成可以抵御显影的坚固的区域（像建大楼）。

光刻胶一般由以下几大组成成分构成：

主聚合物主干（backbone polymer）
光敏感成分（Photoactive Compound，PAC）
刻蚀阻挡基团（etching resistant group）
保护基团（protecting group）
溶剂（solvent）

i 线光刻胶主要成分是酚醛树脂（novolak）和二氮萘醌（diazonaphthoquinone，DNQ）的混合物。二氮萘醌的作用是阻止酚醛树脂溶解于碱性的显影液，二氮萘醌受到曝光之后会变成一种羧酸（-COOH），叫indenecarboxylic acid，这种羧酸的存在会加快酚醛树脂在碱性显影液中的溶解。二氮萘醌的光化学反应结构式如图7.80所示。

图7.80 酚醛树脂-二氮萘醌光刻胶中的二氮萘醌的光化学反应结构式示意图

进入了深紫外时代，如248nm、193nm，由于DNQ胶对此光波段的强烈吸收，使得入射光无法穿透光刻胶，这将严重影响分辨率。由于需要更加高的分辨率和灵敏度，化学放大光刻胶（Chemically Amplified Resist，CAR）概念被伊藤和威尔逊于20世纪80年代初引入，其目的是为了改善光刻胶的分辨率和灵敏度。

这是由于传统的i线光刻胶通过吸收光的能量来直接进行溶解率变化反应，这样，当光线从光刻胶顶部向光刻胶底部传播时，会逐渐被吸收。这导致在光刻胶底部的光强不足，会形成如图7.81（a）的梯形形貌。这种形貌会限制分辨率的进一步提升。而化学放大的光刻胶使用完全不同于DNQ 的反应原理。它通过使用一种叫做光酸产生剂（ Photo-Acid Generator，PAG）的有机化合物，在深紫外光的照射下，会产生酸分子，而此光酸分子会在一定的温度下（绝大多数化学放大的光刻胶需要加热，由曝光后烘焙实现）催化光刻胶被曝光部分的去保护（deprotection）反应，如图7.82所示。说到这里，我们不得不讲一下化学放大光刻胶的组成。

图7.81

图7.82 化学放大的光刻胶在深紫外光加上酸的催化反应示意图

化学放大的光刻胶通常含有以下成分：主聚合物主干（backbone polymer）、光酸产生剂（Photo-Acid Generator，PAG）、刻蚀阻挡基团（etching barrier）、酸根（acidic group）、保护基团（protecting group）、溶剂（solvent）等。一种早期的化学增幅光刻胶酸催化反应结构式由图7.83显示。

图7.83 一种化学增幅的光刻胶在深紫外光加上酸的催化反应结构式

由图7.83所示的结构式实际上是国际商业机器公司(International Business Machines，IBM)第一代248nm的化学增幅的光刻胶，叫做APEX。由于化学增幅的光刻胶的酸催化反应，它对光的吸收变得很小，深紫外光可以投射到光刻胶底部，断面形貌也因此变得接近垂直，如图7.81(b)所示。不过，由于光刻胶曝光显影依赖光酸的催化反应，如果工厂里面的空气中含有碱性(Base)成分，如氨气、氨水(Ammonia)、胺类有机化合物(Amine)，对光刻胶顶部的渗透中和了一部分光酸，导致顶部局部线宽变大，严重时会导致线条粘连。

描述光刻胶的参数主要有迪尔（Dill）参数A 、B 、C ，显影溶解率对比度（dissolution contrast）参数γ ，光酸扩散系数D ，或者扩散长度a 。

其实，C 是和吸收效率有关的参量。对深紫外光刻胶，m 对应光酸产生剂的浓度。注意到m是空间和时间的函数。其随着时间的变化可以由式（7-79）解出，如

其中，R 为显影速率，E 为曝光能量。其中 E0E_0 为完全显影对应的能量（dose to clear），也就是把一定厚度的光刻胶，对一个给定的烘焙和显影程序完全溶解和清洗干净所需要的曝光能量。通常这个能量比曝光能量要低一些。在光刻工艺仿真上，由于当今的深紫外化学增幅的光刻胶的对比度都很高，我们可以近似将图7.84中的曲线近似为阶跃函数，也就是光刻仿真中的阈值模型（threshold model）的由来，当然，我们还需要对空间像做一阶高斯扩散，或者卷积，如式（7- 48）、式（7-58）、式（7-70），然后再取阈值.

7.6.4 掩膜版制作介绍

掩膜版的制作使用电子束和激光曝光的方式。由于现代光刻机一般使用4:1的缩小倍率，掩膜版的尺寸是硅片尺寸的4倍。但是由于日益增加的光刻工艺的掩膜版误差因子以及对亚衍射散射条（Sub-Resolution Assist Feature，SRAF）的需求，掩膜版的制造也愈发具有挑战性。比如，对于32nm工艺，对掩膜版线宽的要求已经达到了 2nm（3倍标准偏差）以内。对于线宽，由于使用了亚衍射散射条，其最小线宽已经达到了70～80nm。

无论是电子束曝光也好，激光曝光也好，由于曝光方式是扫描式的，无论掩膜版上的图形如何复杂，或者线宽如何多样化，电子束、激光束走的路径和历经的格点（grid point）都是一样的。只是在不同的格点处使用的扫描曝光次数不一样。而且，为了提高扫描式曝光方法的速度，通过使用较大光斑的电子束加不同的曝光次数来实现空间像边缘位置的移动。比如，光斑的直径是实际掩膜版格点的4倍（一次扫描可以提高16倍速度），为了表达在实际格点处的边缘，只要将边缘的光斑位置逐次减少曝光次数，以起到匹配边缘的目的，如图7.85 所示。

图7.85 在掩膜版曝光机光斑大小为掩膜版格点4倍大小时，通过控制格点的曝光灰度来绘出斜边

掩膜版数据有以下集中格式：具有等级分别（hierarchical）的 GDSII，最早由美国通用电气的Calma部门开发，现在法律归属权由Cadence设计系统公司所有。在掩膜版扫描曝光机上，GDSII的使用不方便，机器希望连续和“平坦”的数据流。GDSII具有等级分别，重复的数据在存储上只有一个非重复的单元，虽然节省空间，但是对于掩膜版光刻机来讲需要增加几何和逻辑计算时间。所以，等级分别必须去掉。不仅如此，设计图样当中的任意大小多边形（polygons）也必须分解为一些原始的图形，如长方形和三角形。最终，将平坦化的掩膜版数据再分解为光刻头的分区的数据流，叫做“ 分解 ”（fracturing）。

电子束曝光的优点是分辨率较高，当前先进的曝光机使用的电压为50kV。但是，由于高能电子在掩膜版上的散射，会再次将掩膜版表面的光刻胶曝光。造成所谓的邻近效应（proximity effect）。在有邻近效应的掩膜版光刻工艺当中，会出现如图7.86所示的现象。解决邻近效应的方法有很多，如使用补偿曝光方式，在有邻近效应的地方对曝光进行补偿。

图7.86 掩膜版邻近效应在硅片上的曝光图形示意图

由于电子束曝光速度受电子枪的电流限制，以及电子束曝光会有电子散射的问题。对分辨率要求不是那么高的层次，可以使用激光曝光的方法。例如，应用材料公司（Applied Materials）的ALTA3500最小可制造的线宽为500nm（在硅片上为125nm）。曝光使用的波长一般可以从绿光（514nm）到紫外（250～300nm）。激光曝光机的速度通常比电子束曝光机快接近一个数量级。一片掩膜版通常也就1～2h，而电子束机器需要8～12h以上。