（机械电子工程专业论文）浸没式光刻机浸液流动特性及其对物镜影响.pdf

浙江大学博士学位论文摘要 摘要 本课题以浸没式光刻机中的浸液控制系统为主要研究对象，针对浸没液体的流动特性 及其对物镜的影响展开系统研究。在系统中引入液体是浸没式光刻机区别于传统光刻机的 主要特征，本研究有助于分析浸没式光刻机中浸没液体的流动更新及其带来影响，这将为 浸液控制系统结构参数的设计优化、浸没流场均一稳定的获得、浸没装置与投影物镜的可 靠连接等方面提供有价值的参考。 首先根据浸没流场的特点，建立浸没液体流动的二维数学模型，获得了硅片步进扫描 运动对浸没液体流动影响的范围、强度及随时间的周期性变化规律，这些结果得到了瞬态 数值仿真结果的验证。其次，在二维模型所获得硅片影响流场的典型运动周期内，对三维 结构下浸没液体流动尤其是液体更新进行研究；建立了三维浸没流场的瞬态流动模型，并 使用数值方法对浸没液体的流动更新过程与效率进行了分析，以分析结果为基础提出了相 应的优化设计方案。同时，建立浸没流场可视化试验检测系统，采用粒子图像测速技术对 浸没液体的流动特性进行研究，试验结果验证了所提出的设计要求对获得更高浸没流场更 新效率的有效性最后，对浸没液体的流动更新对物镜影响进行研究，分析了供液参数、 硅片运动参数，材料属性等对物镜应力双折射和形变的影响规律，并由此提出抑制的方法。 课题的主要研究工作如下： 1 光刻中浸没液体的流动特性研究。在浸没流场流动性质分析的基础上，建立浸没 流场的二维数学模型，研究硅片步进扫描运动对浸没流场的影响过程，分析在液体粘度和 流场高度变化下的流场特征尤其针对当前主流的1 9 3 r i m 纯水浸没式光刻，研究硅片运 动对流场的影响范围与强度，在此基础上提出获得高更新效率的方案，减小硅片运动对于 流场带来的不利影响。此外，建立瞬态数值仿真模型，对二维数学模型结果的有效性进行 了验证。 2 浸没液体更新效率的数值仿真研究。兼顾硅片扫描参数和供液结构对浸没液体流 动的影响，对三维结构下浸没液体流动尤其是液体更新进行瞬态数值仿真研究。在浸没液 体流动分析基础上，研究曝光过程中浸液的更新效率，尤其针对曝光区平均流速和污染物 更新时问等参数进行量化对比，由此确定硅片运动对于浸没流场更新的影响规律，并获得 常见光刻工艺下优化的浸没液体供液结构。 3 浸没液体流动更新的试验研究。根据浸没流场的自身特性，选取特定尺寸的示踪 粒子，并在粒子图像测速技术的基础上设计浸液流动检测方案。建立浸没液体的供液及回 i i i 浙 i ：大学博士学位论文摘要 收回路，以控制浸没液体流动的压力与流量，结合光学平台、运动控制平台和高速相机等 设备，搭建三维浸没流场检测的试验系统。试验中采用高速相机拍摄流场内部的示踪粒子， 结合互相关图像处理算法获得浸没液体的流动特征，相关试验结果与浸没流场瞬态模型数 值分析结果相符合 4 浸没液体的流动应力及其对物镜的影响。对浸没液体流动应力及其对物镜影响进 行研究，分析了供液参数、硅片运动参数和材料属性等对物镜应力双折射和物镜形变的影 响规律，并由此提出抑制的方法。通过数学建模和三维仿真对剪切力引起的物镜双折射效 应进行分析，结果显示流场厚度是影响物镜双折射的主要因素。对于正应力引起的物镜形 变，当注液方向和硅片扫描方向相反时为最大；此外物镜形变还受到投影物镜属性，支撑 投影物镜的结构胶材质和浸没流场参数的影响，增加物镜厚度、提高结构胶刚度和降低注 液速度都是减少物镜形变的有效途径。 关键词：浸没式光刻；光刻机；浸没液体；流动特性；物镜双折射；物镜形变 浙江大学博士论文 a b s t r a c t a b s t r a c t t h ed i s s e r t a t i o nd w e l l so ni m m e r s i o nc o n t r o ls y s t e mo fi m m e r s i o nl i t h o g r a p h ym a c h i n e t h ef l o wm e c h a n i s mo fi m m e r s i o nl i q u i da n di t se f f e c t so nl e n se l e m e n ta r es y s t e m a t i c a l l y s t u d i e d c o m p a r e dt ot h et r a d i t i o n a ll i t h o g r a p h ym a c h i n e s ，a ni m m e r s i o nl i q u i di n s e r t e di n t ot h e s p a c eb e t w e e nt h ef i n a l l e n se l e m e n ta n dw a f e ri st h ek e yc h a r a c t e r i s t i co fi m m e r s i o n l i t h o g r a p h ym a c h i n e b ya n a l y z i n gt h ef l o wm e c h a n i s mo fi m m e r s i o nl i q u i d ，s o m ev a l u a b l e r e s u l t sa r eo b t a i n e d ，i n c l u d i n gt h eo p t i m i z a t i o nd e s i g n so fi m m e r s i o nc o n t r o ls y s t e m ，t h e m e t h o d sf o rs t a b l yu n i f o r mi m m e r s i o nf l o w , a n dt h er e l i a b l ec o n n e c t i o nb e t w e e ni m m e r s i o n a p p a r a t u sa n dl e n se l e m e n t f i r s t l y , at w o - d i m e n s i o n a lm a t h e m a t i c a lm o d e lf o ri m m e r s i o nf l o wi sd e v e l o p e da c c o r d i n g t ot h ec h a r a c t e r i s t i c so fi m m e r s i o nl i q u i df l o w s o m eq u a n t i t a t i v er e s u l t sa b o u tt h ei n f l u e n c eo f w a f e rs t e p a n d s c a no ni m m e r s i o nl i q u i da r eg i v e n ，a n dt h er e s u l t sa r ev e r i f i e db yt h es i m u l a t i o n w i t hu n s t e a d ys t a t e s e c o n d l y ，d u r i n gat y p i c a lp e r i o dg i v e nb yt h et w o - d i m e n s i o n a l m a t h e m a t i c a lm o d e l ，t h ei m m e r s i o nl i q u i dm e c h a n i s mo ft h r e e d i m e n s i o n a ls t r u c t u r ei ss t u d i e d ， e s p e c i a l l yt h el i q u i dr e n o v a t i o n t h eu n s t e a d yn u m e r i c a lm o d e lo f t h r e e - d i m e n s i o n a li m m e r s i o n f l o wi sd e v e l o p e dt o s t u d yt h el i q u i d r e n o v a t i o np r o c e s sa n de f f i c i e n c yo ff l o w ，a n dt h e c o n s t r u c t i o n a ld e s i g n sa n dr e q u i r e m e n t sf o rh i g hr e n o v a t i o ne f f i c i e n c ya r ep r o p o s e d m e a n w h i l e ， av i s u a ld e t e c t i o ns y s t e mf o ri m m e r s i o nl i q u i df l o wi se s t a b l i s h e dt oi n v e s t i g a t et h ef l o w c h a r a c t e r i s t i c so fi m m e r s i o nl i q u i d ，a n dt h ed e s i g nr e q u i r e m e n t sf o rh i g hr e n o v a t i o ne f f i c i e n c y a r ev e r i f i e db ye x p e r i m e n t a lr e s u l t sb a s e do nt h et e c h n o l o g yo fp a r t i c l ei m a g ev e l o c i m e t r y f i n a l l y ，t h e s t r e s sg e n e r a t e db yi m m e r s i o nl i q u i df l o wa n di t se f f e c to nl e n se l e m e n ta r e i n v e s t i g a t e d t h ei n f l u e n c e so fi n j e c t i o np a r a m e t e r s ，w a f e rs c a n n i n ga n dm a t e r i a lp r o p e r t yo n l e n sb i r e f r i n g e n c ea n dd i s t o r t i o na r es t u d i e d ，a n dt h ec o r r e s p o n d i n gm e t h o d sa r ep r o p o s e dt o r e d u c et h en e g a t i v ee f f e c t s t h em a i nc o n t e n t so ft h i sd i s s e r t a t i o na r eb r i e f l ys t a t e da st h ef o l l o w i n g s ： 1 r e s e a r c ho nt h ef l o wm e c h a n i s mo fi m m e r s i o nl i q u i dd u r i n ge x p o s u r e a c c o r d i n gt ot h e c h a r a c t e r i s t i c so fi m m e r s i o nl i q u i df l o w t h et w o d i m e n s i o n a lm a t h e m a t i c a lm o d e li s c o n s t r u c t e dt os t u d yt h ee f f e c to fw a f e rm o t i o n ，l i q u i dv i s c o s i t ya n dt h eh e i g h to fl e n s - t o w a f e r o ni m m e r s i o nf l o w f o rt h ec a s eo f19 3 n mi m m e r s i o nl i t h o g r a p h yw i t hw a t e r , t h em e t h o d sf o r l l i g he f f i c i e n c yo fl i q u i dr e n o v a t i o na r ei n v e s t i g a t e db a s e do nt h es t u d yo ft h er e l a t i o nb e t w e e n w a f e rm o t i o na n df l o ws t a t u s ，a n dt h er e s u l t sa r ev e r i f i e db yt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nw i t h u n s t e a d ys t a t e v 浙江大学博士论文 a b s t r a c t 2 r e s e a r c ho nt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o na b o u tt h er e n o v a t i o ne f f i c i e n c yo fi m m e r s i o n l i q u i d c o n s i d e r i n gt h ei n f l u e n c eo fw a f e rs c a n n i n ga n di n j e c t i o ns t r u c t u r e ，t h em e c h a n i s mo f t h r e e - d i m e n s i o n a l l yu n s t e a d ym o d e lo fi m m e r s i o nl i q u i df l o wi ss t u d i e d o nt h eb a s i so f i m m e r s i o nf l o wa n a l y s i s ，s o m ei m p o r t a n tf a c t o r so ft h el i q u i dr e n o v a t i o ne f f i c i e n c ya r e i n v e s t i g a t e d ，i n c l u d i n gt h em e a nv e l o c i t ya n dr e n o v a t i n gc y c l et i m eo fc o n t a m i n a t i o ni n e x p o s u r ea r e a t h ee f f e c to ft h ew a f e rm o t i o no ni m m e r s i o nl i q u i dr e n o v a t i o ni so b t a i n e d ，a n d t h eo p t i m i z e dd e s i g n sa n dc o n s t r u c t i o n a lr e q u i r e m e n t sf o rh i g hr e n o v a t i o ne f f i c i e n c yu n d e r t y p i c a ll i t h o g r a p h yp r o c e s sa r ep r o p o s e d 3 e x p e r i m e n tr e s e a r c ho nt h ei m m e r s i o nl i q u i dr e n o v a t i o n a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c s o fi m m e r s i o nf l o w ，af l o wd e t e c t i o ns c h e m ec o n s i d e r i n gt r a c e rp a r t i c l e sw i t hs p e c i f i e d d i m e n s i o n si sd e v e l o p e d b a s e do nt h i ss c h e m e ，at r a n s m i s s i o n a n d - c o n t r o ls y s t e mi sb u i l tt o c o n t r o lt h ep r e s s u r ea n df l o wr a t eo fi m m e r s i o nl i q u i d ，a n dat h r e e d i m e n s i o n a lv i s u a ld e t e c t i o n s y s t e mi se s t a b l i s h e d ，i n c l u d i n ga no p t i c a lt a b l e ，t h em o t i o np l a t f o r mc o n t r o ls y s t e m ，a h i g h s p e e dv i d e oc a m e r aa n ds oo n a f t e rt h ec r o s s - c o r r e l a t i o np r o c e s s i n gb e t w e e nt w op i c t u r e s o ft r a c e rp a r t i c l e sc a p t u r e db yt h eh i g h - s p e e dv i d e oc a m e r a ，t h ec h a r a c t e r i s t i c so fi m m e r s i o n f l o wa r eo b t a i n e d t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ep r e d i c t i o n so ft h es i m u l a t e dm o d e la r ei n a c c o r d a n c ew i t he x p e r i m e n t a lo n e 4 r e s e a r c ho nt h es t r e s sg e n e r a t e db yi m m e r s i o nf l o wa n di t se f f e c to nl e n se l e m e n t t h e e f f e c t so fi n j e c t i o np a r a m e t e r s ，w a f e rs c a n n i n ga n dm a t e r i a lp r o p e r t yo nl e n sr e s p o n s ea r e a n a l y z e d ，a n dt h ec o r r e s p o n d i n gm e t h o d sa r ep r o p o s e dt or e d u c et h en e g a t i v ee f f e c t s f o rt h e l e n sb i r e f r i n g e n c ei n d u c e db ys h e a rs t r e s s ，t h em a t h e m a t i c a lm o d e la n dt h r e e d i m e n s i o n a l c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c sm o d e la r ed e v e l o p e dt op r e d i c ti t ，a n dt h er e s u l t ss h o wt h a tt h e h e i g h to fl e n s - t o - w a f e ri st h ek e yf a c t o rw h i c hi n f l u e n c e sb i r e f r i n g e n c e f o rt h el e n sd i s t o r t i o n g e n e r a t e db yn o r m a ls t r e s s ，t h em a x i m u m l e n sd i s t o r t i o no c c u r sw h e nt h ed i r e c t i o n so fi n j e c t i o n v e l o c i t ya n dw a f e rs c a n n i n ga r eo p p o s i t e i na d d i t i o n ，t h el e n sd i s t o r t i o n i sa f f e c t e db yt h e p r o p e r t i e so fl e n sa n dp o l y m e ru s e dt om o u n tt h el e n sa n dt h ep a r a m e t e r so fi m m e r s i o nl i q u i d f l o w i tc a nb ec o n c l u d e dt h a ti n c r e a s i n gl e n st h i c k n e s sa n dt h ee l a s t i cm o d u l u so fp o l y m e r , o r r e d u c i n gt h ei n j e c t i o nv e l o c i t ya r et h ee f f e c t i v ew a y st oc o n t r o ll e n sd i s t o r t i o n k e y w o r d s ：i m m e r s i o nl i t h o g r a p h y ；l i t h o g r a p h ym a c h i n e ；i m m e r s i o nl i q u i d ；f l o wm e c h a n i s m ； l e n sb i r e f r i n g e n c e ；l e n sd i s t o r t i o n 浙江大学博士学位论文致谢 致谢 本文是在导师傅新教授的悉心指导下完成的。感谢傅新教授的接纳，使我能有机会进 入浙江大学流体动力与机电系统国家重点实验室攻读博士学位。您广博的学识、前瞻性的 眼光和精益求精的作风对我的成长和进步起到了深远的影响。难忘您的笑容与父辈般的谆 谆教导，我一生受益。在此博士论文完成之际，谨向在学业和生活上给予我无微不至关怀 的傅新教授表示衷心的感谢和深深的敬意。 感谢课题组的阮晓东教授、邹俊副教授和刘伟庭老师在科研和生活中的热情指导与大 力帮助。感谢浙江大学流体动力与机电系统国家重点实验室的杨华勇教授和周华教授在科 研过程中所给予的热心帮助和支持。感谢上海微电子装备有限公司李小平副总工程师和李 钢、李映笙、孙文凤、卢士良等在技术上的宝贵意见。 感谢i c 组的陈文昱、陈颖、郭丽媛、赵金余、巴静、邵杰杰、俞明强、刁煜晨、王 楚男、刘琦、郭伟龙和申英男，谢谢你们对我的照顾与付出。感谢液压新楼2 0 2 的韩青、 林哲、陈松松、傅阳、吉晨、黄峰、王鹏飞、胡维岩、邹志超、俞坚才和李寰等兄弟姐妹 们。感谢已毕业的王伟、黄硕、杜学文和胡亮等博士，你们是我学习的榜样。感谢陆亮、 王利军、康健、李霏、程晓颖、黄建业、周城、徐明、顾其丰、崔逊波、姚伟江、申慧敏、 冯斌、何成、侯交义等其他课题组成员对我的关心和帮助。 回首二十载求学路，填满的是父母无尽的付出，你们哺育我成长，教育我成才，是你 们让我领悟“知足常乐”的道理，对于你们儿子时刻心存感激。惟愿父母身体健康，平安 开心 最后感谢我最亲爱的沈明，因为有了你，我的人生充满了色彩。未来的路，我们一起 书写，相信明天一定会更加灿烂。 陈晖 2 0 1 1 年4 月于求是园 浙# i ：大学博士学位论文 绪论 1 绪论 1 1 浸没式光刻技术研究背景 1 1 1 半导体产业与集成电路制造 半导体产业是现代信息产业迅猛发展的核心推动力，在国家经济建设、社会发展和国 防安全中有着重要的地位1 2 1 。 半导体产业最初始于1 9 5 7 年仙童半导体公司制造的第一个商用平面晶体管，其在硅 片最顶层淀积一层铝互连材料以连接晶体管的不同部分，同时通过热氧化在硅的表面生长 出一层自然氧化层隔离铝导线。这种互连概念和材料的使用形成了现代集成电路雏形【3 l 。 在上述研究的基础上，将多个半导体器件( 如晶体管、二极管、电容等) 集成在一个硅衬 底上，组合成一个具有特定功能的电路，便形成了集成电路( i n t e g r a t e dc i r c u i t ，i c ) 1 9 5 9 年仙童半导体公司r o b e r tn o y c e 和德州仪器公司j a c kk i l b y 各自分别发明了集成电路。 从2 0 世纪6 0 年代集成电路问世至今，如表1 1 所示，伴随着技术的发展，集成电路 经历了小、中、大、极大和超大规模五个阶段。电路集成度的迅速提高，极大的提升了半 导体芯片的性能，并由此掀起了信息产业迅猛发展的一个又一个浪潮。 表1 - 1 集成电路的发展历程 集成电路半导体产业的时间周期每个芯片元件数 没有整合( 离散元件)1 9 6 0 年前 l 小规模集成电路( s s i )1 9 6 0 年早期 2 5 中规模集成电路( m s i ) 1 9 6 0 年1 9 7 0 年早期 5 0 5 0 0 0 大规模集成电路( l s i )1 9 7 0 年早期1 9 7 0 年晚期 5 0 0 0 1 0 0 0 0 0 极大规模集成电路( v l s i )1 9 7 0 年晚期1 9 8 0 年晚期 1 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 超大规模集成电路( u l s i )1 9 9 0 年至今 1 0 0 0 0 0 0 技术发展一个主要标志是单个芯片大小的不断缩小，衡量芯片大小的参数通常采用 ( 物理) 特征尺寸，硅片上的最小特性尺寸也称为关键尺寸( c r i t i c a ld i m e n s i o n ) 。在芯片 制造中，半导体产业使用“技术节点”这一术语通常指的便是关键尺寸在过去的半个多 世纪里，遵循着摩尔( m o o r e ) 定律，集成电路的性能每过1 8 个月提高一倍，器件尺寸每 3 年更新一代，缩小1 4 1 4 倍，关键尺寸已由1g r n 发展到当前的6 5n m ，其典型设备光刻 机产率( 注：其后产率数据仅限于光刻机) 已从2 0 片小时( 4 寸硅片) 发展到1 0 0 片 浙江大学博士学位论文绪论 以上小时( 1 2 寸硅片) 【4 1 。 这一切依赖于半导体产业规范的集成电路制造流程，包括硅片制备、芯片制造、硅片 测试与拣选、装配与封装和终测5 个阶段。 硅片制备是将硅从沙中提炼并纯化，最终获得满足工业要求硅片的过程。它包括单晶 生长、单晶硅锭、滚磨、切割、研磨、倒角、腐蚀、抛光，以及尺寸和表面检测等一系列 工序。芯片制造便是基于硅片制备而展开的，该步骤为了在硅片表面永久制作出一整套集 成电路，包括清洗、成膜、光刻、刻蚀和掺杂等步骤。制造出来的硅片在经过测试和拣选 之后进行装配与封装，并在终测之后推向市场。 在集成电路制造流程中，芯片制造是制作电路与电子元件( 如电晶体管、电容器、逻 辑门等) 的直接途径。它通过图形转换技术将掩膜版上的图形转移到硅片上以形成需要的 图案，并通过后续的掺杂等复杂工艺形成晶体管等器件。制造可靠的电子元件主要取决于 图形转换的可靠性，该步骤主要由图1 1 中的涂胶、曝光、显影、刻蚀和去胶等几道工序 组成。首先设计好一定图形的掩膜，在经光学系统之后，激光通过曝光步骤将掩膜上的图 形投影到已经涂有光刻胶的硅片表面，随后采用显影液进行显影，使得光刻胶得到与掩膜 上相同( 或互补) 的图形，最后再经过刻蚀步骤实现将掩膜上的图形传递到硅片 基底 s i 0 2 芭兰 a ) 准备 ，始 影液 e 竺 。 紫外光l i 上尘i 掩模丑 l _ _ 圈_ - 掩模_ 】二l 兰二 i 罡竺竺苎竺竺驾 ( ) b ) 涂胶( 成膜)c ) 曝光( 近似式为例) 刻蚀区域 e 兰 刻蚀线条 e = ! 刍 d ) 显影( 正胶为例)e ) 刻蚀d 去胶 图l - j 图形转换技术的基本原理 在图形转换之前，需要制作一套分层的掩模版，为将图形转移到硅片上做好准备在 设计完集成电路的版图以后，根据得到的标准制版数据，通过图形发生器将设计结果分层 的转移到掩模版上。在此基础上，通过分步重复技术在最终掩模版上产生具有一定行数和 列数的重复图形阵列，由此将产生了若干块的集成电路分层掩模版。集成电路加工过程的 复杂度和制作周期很大程度上决定了掩模版个数，通常一套掩模版有十几块分层掩模版。 2 浙i 1 ：大学博士学位论文 绪论 图形转换技术主要包含光刻和刻蚀两个加工工艺。光刻工艺利用光敏的抗蚀涂层( 即 光刻胶) 发生光化学反应，结合刻蚀工艺把掩膜版上的图形复制到硅片上，为后续工艺做 好了必要的准备。伴随着半导体产业关键尺寸不断的向着更精细的纳米尺寸延伸，在极大 规模集成电路硅片上需要生产几亿甚至更多个器件，这使得光刻成为了集成电路制造中最 复杂和最关键的工艺之一，也决定了光刻设备总处于设备设计和制造技术的前沿。目前， 一个高性能的芯片制造厂的费用大约是1 5 3 0 亿美元，购置设备的费用约占7 5 。光刻 在整个产品制造中是重要的经济影响因子，光刻成本占据了整个制造成本的3 5 ，并且 还在进一步的攀升。 1 1 2 光刻技术的发展历程与现状 光刻技术的实现是以光刻设备为载体，从上个世纪7 0 年代以来，光刻设备的发展主 要经历了5 个阶段，分别为：接触式光刻机、接近式光刻机、扫描投影式光刻机、分步重 复式光刻机和步进扫描光刻机。 接触式光刻机是小规模集成电路时代到2 0 世纪7 0 年代的主要光刻手段，该类型光刻 机被广泛的应用于关键尺寸5 微米以上工况中。由于对准时，掩模版和硅片表面的光刻胶 将直接接触，易导致掩模版和光刻胶层的损坏，同时该类型光刻机非常依赖操作者，重复 性和控制可靠性不佳。 为了缓解接触式光刻机的沾污问题，将掩模版和硅片表面光刻胶的间距提升至2 5 2 5 微米，从而发展出了接近式光刻机。该类型光刻机于2 0 世纪7 0 年的小规模集成电路 时代和随后的中规模集成电路的早期普遍使用，适用于关键尺寸为2 4 微米的工况。然 而，当紫外线光通过掩模版透明区域和空气时将会发生发散，边缘的光衍射使得掩模版下 侧反射引起了不必要的光刻胶曝光，这种现象降低了系统的分辨率。 在上述研究的基础上，为了回避沾污问题、边缘衍射和分辨率限制等一系列问题，7 0 年代末发展起了一种扫描投影光刻机。该类型光刻机在2 0 世纪7 0 年代末和8 0 年代初占 据光刻设备的主导地位，并适用于线宽大于1 微米的非关键层该类型光刻机利用反射镜 系统把1 ：l 图象的整个掩模版上图形投影到硅片表面。从而在获得接触式光刻技术的分辨 率的同时，避免接触式光刻技术造成的玷污掩模版问题。 伴随着曝光关键尺寸向着亚微米级的不断延伸，制造高精度的1 倍掩模版越来越困 难，如何避免掩模版图形的缩小而获得更加精细的关键尺寸成为了研究热点。分步重复式 光刻机正式基于此而产生，在2 0 世纪8 0 年代早期实现了商业化，并在8 0 年代后期主导 了i c 制造业，主要用于关键尺寸0 2 5 0 3 5 微米它由照明系统、缩小透镜、工作台定 3 浙钿：大学博士学位论文绪论 位系统、自动调焦系统和精密的自动对准系统组成。投影掩模版图形尺寸是实际像的4 倍、 5 倍或1 0 倍，该设备只投影一个曝光场，然后步进到硅片另外一个位置重复曝光。由于 可以使用缩小投影成像的方式，对硅片的平整度和几何形状变化的补偿容易，从而为获得 高分辨率光学系统的制作创造了有利条件。 近年来，半导体芯片的物理尺寸越来越大，而半导体关键尺寸进一步向着纳米级延伸， 增加曝光场尺寸和改进光刻机光学系统的需求变得越发强烈。在扫描投影光刻机和分步重 复光刻机二者技术融合的基础上，将一个较大曝光场的图像通过缩小透镜扫描到硅片上的 一部分，从而形成了步进扫描式光刻机。如图1 - 2 所示，曝光过程中的硅片处在扫描运动 状态，当该过程结束时，则迅速的通过步进方式进入下个曝光场进行重复的曝光过程。步 进扫描光刻机由于增大了曝光场，从而可以获得较大的芯片尺寸，并且透镜视场只需一个 细长条即可。同时，该类型光刻机具有整个扫描过程调节聚焦的能力，可以补偿透镜缺陷 和硅片平整度的变化。此外，由于步进扫描光刻机曝光过程中硅片和掩模版需要精确快速 的运动，因此需要对机械容许偏差进行有效的控制，通常不允许超过几十纳米。 曝光区域 激光光源 掩模板 图1 - 2 步进扫描式光刻机的曝光过程 通过上述分析可以发现，光刻设备的不断革新的关键动力来自于对于更加精细关键尺 寸的需要。越小的关键尺寸( 即更高的刻蚀分辨率) 意味着在相同大小的范围内可以制造 更多的晶体管，从而获得性能更加优越的半导体器件。在半导体器件的制造过程中，除了 分辨率之外，焦深也至关重要，大的焦深可以增大刻蚀的清晰范围，提高光刻的质量。光 刻的分辨率和焦深可由以下公式描述嘲： 4 浙f f ：大学博士学位论文 绪论 尺：舷生 1 n s i n 口 d o f ：竺 2n a 2 式中： 尺为光刻分辨率； k l ，岛为工艺因子( 与工艺因素和波前工程技术有关的系数) ； a 为光在真空中的波长； 秒为半孔径角； n a 为数值孔径，它代表透镜收集衍射光的能力； 门为折射率。 ( 1 1 ) ( 1 - 2 ) 在投影光刻机诞生后的前二十多年，人们基于公式( 1 1 ) 不断通过采用更短曝光波 长和技术改良的方式来提高光刻分辨率【锚】。光刻机曝光光源的波长经历了4 3 6r i m ( g 线) ， 3 5 6a m ( i 线) 、2 4 8n i n ( k r f ) 和1 9 3n m ( a r f ) 的发展过程工艺因子k 不断减小，数 值孔径n a 不断增大。工艺因子k l ，k 2 是与光刻胶质量和分辨率增强技术相关的系数，由 于工艺因子k 已接近o 2 5 的物理极限，进一步采用分辨率增强技术将大大增加掩膜和工艺 的成本f 4 i 。数值孔径m 现已从8 0 年代的0 4 左右发展到当前的0 9 2 1 9 1 ，并以逐渐逼近干 式光刻方法的极限值。进一步增大数值孔径，不仅将使成像焦深缩短，增加光刻工艺的困 难性，同时物镜的加工变得更加苛刻，从而给设计和制造带来难以克服的困难【1 0 1 。 对于当前1 9 3a m 氟化氩干式光刻方法，在工艺因子和数值孔径接近物理极限的情 况下，采用降低曝光波长方法是获得更高分辨率的最佳方案。然而在分辨率跨越9 0n m 之 后，进一步降低激光波长的方法遇到了巨大挑战1 2 1 1 1 3 下一代光刻技术 针对如何提高光刻的分辨率，集成电路行业掀起了对下一代光刻技术的研究热潮。目 前比较有发展前景的主要有：极紫外光刻( e u v l ，e x t r e m eu l t r a - v i o l e tl i t h o g r a p h y ) 无掩 模光刻技术( m a s k l e s sl i t h o g a r p h y ) 、纳米压印( i m p r i n tl i t h o g r a p h y ) 和浸没式光刻 ( i m m e r s i o nl i t h o g a r p h y ) 极紫外光刻技术使用1 3 5n l l l 的极紫外光作为光源，可大幅提升光刻分辨率，并且工 艺简单、分辨率和生产率高且无需采用分辨率增强技术，因此成为了下一代光刻技术最受 浙江大学博士学位论文绪论 关注的技术【1 3 l 。然而，由于极紫外光几乎被所有的材料强吸收，其光学系统和掩膜版都需 要采用反射式，适用于量产的反射式投影光学系统和低缺陷密度掩模的制备等将变得十分 困难。2 0 0 5 年，a s m l 公司报道了该公司的第一台极紫外光刻样机，已具备3 2n m 分辨 率的曝光能力，主要用于4 5a m 工艺的曝光实验研刘1 4 1 不过，由于极紫外光刻仍有一系 列难题有待解决，近期将不具备量产的条件 无掩模光刻技术种类很多，主要有基于光学的无掩模和基于带电粒子的无掩模等。该 技术通过动态的可编程孔径板系统，替代传统光刻中使用的掩模，从而有效的回避了半导 体器件关键尺寸不断缩小带来的高昂掩模成本问题”】。由于采用了无掩模光刻工具，用户 可以根据所制造芯片结构的变化做出相应的改变，而不需要针对不同芯片专门定制一套掩 模。不过，现阶段无掩模光刻技术还是一种不成熟的光刻技术，有待解决的问题还很多， 主要体现在光束校正确认和在硅片上像素的检测，与光刻工艺的兼容性，数据储存与传输 等一系列问题【。6 1 。该技术近期仅能应用在一些特殊领域，其应用前景逊色于极紫外线光刻 技术。 纳米压印光刻技术形式多样，主要包括热压印、紫外压印和微接触压印3 种。它们的 原理基本相同，先通过高分辨率电子束和干法刻蚀等常规微电子工艺制作带有纳米图形结 构的模板，然后在一定的温度( 高于聚合物的玻璃转化温度) 和压力下，将已刻有纳米图形 的硬“模板”压印到带有涂有光刻胶( 如聚甲基丙烯酸甲脂p m m a ) 的硅片上并使其发生 变形，从而实现图形的转印【1 7 1 。纳米压印技术具有生产效率高、成本低和尺寸小等特点， 已成为下一代光刻技术中的有力竞争者。目前，m o l e c u l a ri m p r i n t s 公司已研发出商业化的 s f i l 系统用于压印5 0n n l 以下的图形，此外奥地利的e vg r o u p 、美国的n a n o n e x 、瑞典的 o b d u c a t 等公司也纷纷推出了各自的纳米压印光刻设备。然而，对于更高分辨率的图形而 言，该技术的大批量产业化实现还需要更高品质模版的设计和制造，当前该模版及其配套 的低粘性系数的刻蚀阻挡层制造仍有较大困难【1 8 1 相比于其它下一代光刻技术，浸没式光刻通过在最后一片投影物镜和硅片之间填充液 体，利用液体折射率高于气体的特点，提高光刻分辨率因其对传统干式光刻技术具有最 好的继承性，而受到业界的高度关注2 0 0 2 年以后发布的国际半导体技术蓝图( i n t e r n a t i o n a l t e c h n o l o g yr o a d m a pf o rs e m i c o n d u c t o r s ) 已将浸没式光刻技术列为4 5 n m 节点的主流技术 1 9 1 。借助高折射率液体 2 0 , 2 1 1 和双重曝光技术( d o u b l ep a t t e r i n gl i t h o g r a p h y ) 1 2 2 埘】，即将一 套高密度的电路图分解成为两套独立的、密度低一些的图形。分别进行光刻、显影和刻缮， 有望进一步将1 9 3 n m 的a r f 浸没光刻技术延伸至1 6 n m 技术节点，如图1 3 所示。 f ； 浙i 大学博士学位论文绪论 年2 0 1 0 2 0 1 3 2 0 1 6 2 0 1 9 2 0 2 1 4 5 n m3 2 n m2 3 n m1 6 n m1 3 n m 鬯j 图1 - 32 0 0 9 年国际半导体技术蓝图 1 1 4 浸没式光刻技术概况 浸没式光刻技术与传统干式光刻的本质区别在于：通过在投影物镜和硅片之间填充高 折射率的液体 2 5 , 2 6 i ，如图l - 4 所示，以达到提高光刻分辨率的目的。 iijj 激光 图1 - 4 浸没式光刻技术的基本原理 当光刻系统参数确定后，参照式( 1 1 ) ，工艺因子k i 以及激光波长2 保持不变；此时， 在投影物镜和硅片之间填充高折射率的液体，提高了折射率甩，从而获得更精细的光刻分 辨率r 。随着高折射率浸没液体研制的不断突破，将在不减小波长和工艺系数的情况下获 得更高的分辨率。同时，根据式( 1 - 2 ) 可知，提高了系统的折射率月，同时也将容易获得 更大的曝光焦深( 即d o f ) 焦深的增大有利于降低系统对曝光平台精度的要求，这将有 助于提高良品率图卜5 对比了干式光刻与采用浸没式光刻之后的焦深差异 2 7 1 ，从图中可 见，采用漫没式光刻的焦深大干干武光刻的焦深 浙江大学博士学位论文 绪论 ( a ) 干式光刻的焦深( b )采用浸没式光刻的焦深 图1 5 传统干式光刻与浸没式光刻的焦深比较 1 2 浸没式光刻国内外研究现状 1 2 1 浸没式光刻技术的提出与产业化 采用浸没式光刻技术提高光刻分辨率的构想是1 9 7 9 年w e m e rt 和e m s tw l 在欧洲 专利中首次提出，其半导体的加工工艺则是在1 9 8 4 年的一篇专利【2 8 1 中首次阐述。然后随 后的近二十年里浸没式光刻的关注度依旧很低。2 0 0 0 年以后，由于传统的干式光刻向着 1 5 7 n mf 2 光刻技术发展中遇到强烈的技术障碍，而新一代的极紫外光刻技术并未仍未成 熟浸没式光刻因其最好的继承了传统干式光刻且技术成本低廉而获得了科研机构和工业 界的广泛关注。 浸没光刻技术的实质工业化研究始于2 0 0