[IC]Lithograph(2)光刻技術的分辨率與分辨率加強技術

接上一篇介紹IC製造的基本過程，光刻的基本過程。這篇文章繼續介紹光刻過程當中的一些概念。 該系列文章的目錄以下：

1. [IC]Lithograph(0)半導體制造的基本過程
2. [IC]Lithograph(1)光刻技術分析與展望 
3. [IC]Lithograph(2)光刻技術的分辨率與分辨率加強技術 

1. 光刻投影系統的分辨率

　　投射到晶圓片上的特徵圖的精度，取決於投影系統的光波長，以及通過光掩膜板(illuminated mask)衍射光的衍射級次有多少能被會聚透鏡(縮圖透鏡the reduction lens system)捕獲。當前最經常使用的光刻機使用的深紫外光(deep ultraviolet,DUV)，是由波長爲248nm和193nm的受激準分子激光器產生的。所以，當前主要的光刻技術也被稱爲「準分子激光光刻」。

　　投影系統可以刻印的最小特徵尺寸可用瑞利判據給出：

\begin{equation} \label{E1}
CD = k_1 \cdot\frac{\lambda}{NA}
\end{equation}

$ \,CD $，爲最小特徵尺寸(也稱爲critical dimension)，也經常寫成半徑的2倍，即$ R = k_1 \cdot\frac{\lambda}{NA}$ ；

$ \,k_1 $ 因子，是光刻系統的相關係數，通常爲0. 4；採用計算光刻技術處理以後，這個係數還能有必定的減少；

$ \,\lambda  $，爲光的波長；

$ \,NA $，爲從晶圓的角度看過去的數值孔徑。

　　經過這個公式，咱們以看到分辨率 R 與光源波長 $ \,\lambda $ 是成正比的。要提升分辨率 R ，能夠減少光波波長 $ \,\lambda $，增大數值孔徑 NA 。當掩模版圖形尺寸遠大於光源波長 $ \,\lambda $, 亦即遠大於分辨率 R 時,由衍射產生的圖形誤差能夠忽略不計,在這種狀況下光刻膠膜中經過曝光造成的光刻圖形與掩模版圖形基本相同。然而因爲技術發展和資金規模的限制,光刻機所用光源波長的減少，速度遠遠慢於電路特徵尺寸的減少速度。並且隨着生產工藝的演進,光刻波長與特徵尺寸二者之間的差距愈來愈小。

　　另外,因爲硅片平整度偏差,光刻膠厚度不均勻,調焦偏差以及視場彎曲等因素的存在,最佳成像平面與實際成像平面之間老是存在必定偏差。這被稱之爲離焦,離焦通常會致使畸變的進一步加重，而且因爲光刻膠層有必定的厚度，要保證蝕刻質量也要求其上下表面的成像有必定的一致性。這都要求成像系統要在理想成像平面上下必定範圍以內都要有較佳的成像效果。通常將這一範圍稱之爲焦深(DepthofFocus,DoF)"。焦深能夠經過下面的公式計算：

\begin{equation} \label{E2}
　　D_F = k_2 \cdot\frac{\lambda}{{NA}^2}
\end{equation}

$\,k_2 $,爲另外一個與相關的係數。 能夠看到 $ D_F$ 也是與光源波長是成正比的,與數值孔徑成反比的。但不一樣的是，分辨率 R 是越小越好,而焦深 $ D_F $ 則是越大越好。所以若是經過減少光源波長 $ \,\lambda $ 以及增大 NA 的方法提升分辨率則同時也會下降系統的焦深,二者是矛盾的。

　　　　

　　　　　　　　　　　　　　圖1.特徵尺寸和光源波長關係的演進歷史與發展趨勢

如今的光刻，已經很長時間處於「亞波長光刻」時代。以gonm和65nm節點爲例,其生產時所採用的ArF光源波長爲193nm,特徵尺寸還不到光源波長的一半"。由圖1，能夠看到，在EUVL技術大規模商用以前，光刻技術很長時間都將處於「亞波長光刻」時代，並且特徵尺寸與光源波長的之間的間隔一直在擴大。

所以，下一代光刻技術(Next Generation Lithography,NGL)的開發變得十分緊迫，常見的有以下幾種,在上一篇文章中也已經有所介紹：

• 極紫外光刻(Extreme Ultraviolet Lithography,EUVL
• 納米壓印光刻(Nanoimprint Lithography,NIL)
• 電子束曝光光刻(Electron-beam Projection Lithography,EPL)

2. 光學鄰近效應

由前面的文章可知，NGL還沒有大規模應用以前，光刻很長時間都會處在「亞波長光刻」時代。所生產集成電路的特徵尺寸接近曝光系統的理論分辨率極限"在這種狀況下,硅片表面成像相對於原始版圖出現邊角圓化,線端縮短,線寬誤差等嚴重的不一致。這種掩模圖形和硅基表面實際印刷圖形之間的圖形轉移失真現象,通常被稱之爲光學鄰近效應(OPE, Optical Proximity Effects)

3. 分辨率加強技術

爲了減輕以及抵消亞波長光刻工藝產生的日益嚴重的光學鄰近效應,業界提出並 普遍採用了在不改變光刻波長的前提下經過控制光刻系統的其餘各項參數(減少k₁,增大k₂，來實現提升圖形轉移質量,減少光刻畸變和提升系統焦深的分辨率加強技術(Resolution Enhancement Teehnology,RET)。

　　　　

　　　　　　　　　　　　　　　圖2.ASML Brion OPC對於光刻效果的影響

• 分辨率加強技術(RET):
  • 光學鄰近校訂(Optical Proximity Correcttion,OPC)
  • 移相掩膜(Phase Shifting Mask,PSM)
  • 偏軸照明(Off Axis Illumination,OAI)
  • 次分辨率輔助圖形(Sub-Resolution Assist Feature,SRAF)

reference

1. 陳曄. "適用於超深亞微米集成電路製造與驗證流程的光學鄰近修正方法研究." PhD diss., 浙江大學, 2008.
2. wiki::Computational_lithography