接上一篇介紹IC制造的基本過程，光刻的基本過程。這篇文章繼續介紹光刻過程中的一些概念。 該系列文章的目錄如下：
1. 光刻投影系統的分辨率
投射到晶圓片上的特征圖的精度，取決於投影系統的光波長，以及經過光掩膜板(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。當前最常用的光刻機使用的深紫外光(deep ultraviolet,DUV)，是由波長為248nm和193nm的受激准分子激光器產生的。因此，當前主要的光刻技術也被稱為“准分子激光光刻”。
投影系統能夠刻印的最小特征尺寸可用瑞利判據給出：
\begin{equation} \label{E1}
CD = k_1 \cdot\frac{\lambda}{NA}
\end{equation}
$ \,CD $，為最小特征尺寸(也稱為critical dimension)，也常常寫成半徑的2倍，即$ R = k_1 \cdot\frac{\lambda}{NA}$ ；
$ \,k_1 $ 因子，是光刻系統的相關系數，一般為0. 4；采用計算光刻技術處理之后，這個系數還能有一定的減小；
$ \,\lambda $，為光的波長；
$ \,NA $，為從晶圓的角度看過去的數值孔徑。
通過這個公式，我們以看到分辨率 R 與光源波長 $ \,\lambda $ 是成正比的。要提高分辨率 R ，可以減小光波波長 $ \,\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,由衍射產生的圖形偏差可以忽略不計,在這種情況下光刻膠膜中通過曝光形成的光刻圖形與掩模版圖形基本相同。然而由於技術發展和資金規模的限制,光刻機所用光源波長的減小，速度遠遠慢於電路特征尺寸的減小速度。而且隨着生產工藝的演進,光刻波長與特征尺寸兩者之間的差距越來越小。
另外,由於硅片平整度誤差,光刻膠厚度不均勻,調焦誤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總是存在一定誤差。這被稱之為離焦,離焦一般會導致畸變的進一步加劇，並且由於光刻膠層有一定的厚度，要保證蝕刻質量也要求其上下表面的成像有一定的一致性。這都要求成像系統要在理想成像平面上下一定范圍之內都要有較佳的成像效果。一般將這一范圍稱之為焦深(DepthofFocus,DoF)"。焦深可以通過下面的公式計算：
\begin{equation} \label{E2}
D_F = k_2 \cdot\frac{\lambda}{{NA}^2}
\end{equation}
$\,k_2 $,為另一個與相關的系數。 可以看到 $ D_F$ 也是與光源波長是成正比的,與數值孔徑成反比的。但不同的是，分辨率 R 是越小越好,而焦深 $ D_F $ 則是越大越好。因此如果通過減小光源波長 $ \,\lambda $ 以及增大 NA 的方法提高分辨率則同時也會降低系統的焦深,兩者是矛盾的。
圖1.特征尺寸和光源波長關系的演進歷史與發展趨勢
現在的光刻，已經很長時間處於“亞波長光刻”時代。以gonm和65nm節點為例,其生產時所采用的ArF光源波長為193nm,特征尺寸還不到光源波長的一半"。由圖1，可以看到，在EUVL技術大規模商用之前，光刻技術很長時間都將處於“亞波長光刻”時代，而且特征尺寸與光源波長的之間的間隔一直在擴大。
因此，下一代光刻技術(Next Generation Lithography,NGL)的開發變得十分緊迫，常見的有如下幾種,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尚未大規模應用之前，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征尺寸接近曝光系統的理論分辨率極限"在這種情況下,硅片表面成像相對於原始版圖出現邊角圓化,線端縮短,線寬偏差等嚴重的不一致。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,一般被稱之為光學鄰近效應(OPE, Optical Proximity Effects)
3. 分辨率增強技術
為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 廣泛采用了在不改變光刻波長的前提下通過控制光刻系統的其他各項參數(減小k1,增大k2，來實現提高圖形轉移質量,減小光刻畸變和提高系統焦深的分辨率增強技術(Resolution Enhancement Teehnology,RET)。
圖2.ASML Brion OPC對於光刻效果的影響
- 分辨率增強技術(RET):
- 光學鄰近校正(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
- 陳曄. "適用於超深亞微米集成電路制造與驗證流程的光學鄰近修正方法研究." PhD diss., 浙江大學, 2008.
- wiki::Computational_lithography