衍射极限附近的光刻工艺

前言
半导体集成电路技术已成为我国信息技术发展的重要环节。 虽然近年来我国集成电路产业发展势头很迅猛， 但还是缺乏关键技术，尤其是关键设备，如光刻机、光学检测设备、涂胶显影机、扫描电子显微镜和套刻测量显微镜、缺陷检测设备、高端193nm浸没式光刻胶、抗反射层、高端显影液等； 此外，光刻计算软件和自动化设计软件等几乎完全依赖进口。 由于外国供应商对我国技术出口的限制和种种控制，我国的光刻工艺工程师很难从工作中比较系统地了解到设备和材料的设计原理和构造，需要长时间地积累、分析和总结。 同时，我国的设备、材料和软件研发厂商也对现代光刻工艺的苛刻要求体会不多。 
作者基于在国内外多家集成电路公司技术研发的工作经历及经验，并结合自己多年来分析总结的各种理论和实践知识，编写了本书。 希望通过本书建立起联系工业界芯片制造中的光刻工艺研发和国产光刻设备、材料、计算软件的研发，以及大专院校、科研院所科学技术研究的一座桥梁，以此抛砖引玉，促进国内各单位的相互了解、紧密合作，同时促进跨领域科技人才的培养，以期我国能够早日在光刻整体技术上赶上发达国家，摆脱关键技术长期依赖进口的局面，化解高新技术发展被“卡脖子”的巨大风险，为我国信息科技的可持续、健康发展出一份力。
本书聚焦光刻工艺的研发，同时以工艺研发为视角，详细介绍和分析了重要的设备，如光刻机、涂胶显影机、光掩模电子束曝光机、线宽测量扫描电镜、套刻测量显微镜、缺陷检测设备、其他测量设备，以及的极紫外曝光机。同时，对光刻材料，如光刻胶、抗反射层做了深入分析。此外，还对光刻仿真软件、光学邻近效应修正软件算法做了详细推导和分析。在总结过去国际上的光刻技术研发和技术发展历程的同时，还提出了光刻工艺研发和工艺评价的行之有效的改进标准，包括对各种工艺窗口参数的分析和范围设定，还提出了独到的工艺设计和评价方法。 本书的读者建议为各大专院校微电子、集成电路等相关专业的教师和学生，以及科研院所、集成电路工厂的光刻工艺研发、制造的工程技术人员和国产光刻设备、材料、软件的研发人员。 
本书的章节介绍如下： 
第1章介绍国际上和我国光刻技术发展的历史，包括我国1958年开始的次成功尝试和现代的发展。
第2章简要介绍光刻工艺的各方面，包括工艺建立方法、光刻设备、光刻胶材料，希望读者能够对复杂的光刻工艺有一个全面的了解。
第3章详细论述衍射极限和光学分辨率，以及照明方式和成像原理中的傅里叶变换，希望读者建立光刻工艺极限的明确概念。
第4章详细地介绍光刻胶的发展、原理、组分及其合成方法，光刻胶的性能极限，光物质相互作用的辐射化学描述方法，其中对193nm浸没式光刻胶和极紫外光刻胶做了详细的分析和论述。
第5章详细介绍光刻抗反射层的原理、组分和在光刻工艺中的作用，包括含硅的抗反射层和极紫外光刻的底部增感层。
第6章详细介绍光刻机的投影物镜原理和装置、工件台原理和装置、部分相干照明原理和装置、偏振装置、工程材料、重要传感器的原理和功能，以及测控和各种光刻机生产应用的附加功能及其对光刻工艺的作用。 还包括193nm浸没式投影物镜的结构和性能分析，极紫外光刻机的投影物镜和光源介绍，193nm浸没式光刻机使用的浸没头的原理和构造分析，以及光刻机的日常维护和匹配等。 还对照相机镜头和光刻机镜头之间的联系，以及像差表征和消除的理论方法做了详细论述。

第7章详细介绍涂胶显影一体机（轨道机）的结构和功能。尤其对193nm浸没式光刻机特有的显影方法和光刻工艺的重要耗材，如过滤器的原理和性能要求做了详细介绍。
第8章对测量设备的原理和使用方法做了详细的介绍，包括扫描电子显微镜、套刻测量显微镜、光学散射探测的原理和方法。 还对扫描电镜使用的电子成像光学做了特别介绍。
第9章对光掩模做了详细介绍，包括掩模版制作前的版图数据处理，极紫外的反射式光掩模结构，掩模版电子束曝光机的结构和性能等。 其中分析和讨论了先进的可变截面电子束曝光机的原理和构造、多电子束直写电子束曝光机的原理和构造，以及各种对电子束曝光的设备工艺补偿方法。
第10章介绍光刻工艺参数，如曝光能量宽裕度、焦深和掩模版误差因子； 概述了线宽均匀性以及光刻胶形貌的分类和改进。
第11章系统介绍光刻工艺用到的各种仿真方法，包括衬底反射率、对准记号的强度、部分相干照明下的空间像、掩模版三维散射、光源掩模版联合优化、光刻胶曝光显影模型、逆光刻方法等，并深入分析工艺仿真的核心算法。
第12章系统地介绍光学邻近效应在光刻工艺上的表象和理论基础以及光学邻近效应模型的核心快速算法，包括传输交叉系数及其本征化或者奇异化的公式推导、矢量的引入、掩模版三维散射的引入等， 还举例说明了光学邻近效应的建模、修正和薄弱点的检测。
第13章专门介绍193nm浸没式光刻的设备、材料和工艺方法，还提出了高效的光刻工艺研发流程。
第14章系统地介绍光刻工艺缺陷产生的原因，包括涂胶、显影和193nm浸没式光刻工艺特有的缺陷分类，分析这些原因并给出解决方法。
第15章详细地介绍光刻线宽均匀性的分类和控制方法，改进图形粗糙度的工艺方法。
第16章详细地介绍导致光刻套刻偏差的各种原因和改进方法，深入分析先进的光刻工艺中的间接对准和套刻，提出了适合生产线的对准和套刻测量方案。
第17章详细分析光刻图形边缘粗糙度，介绍历史上为了改善图形边缘粗糙度所做出的努力，包括光刻胶的配方调整、光刻工艺的协助和刻蚀工艺的协助等。
第18章详细介绍在衍射极限到达后采用多重曝光的图形形成方法，包括在多重曝光情况下对准和套刻的方法，以及线宽均匀性的控制方法。
第19章详细介绍下一代光刻技术的历史发展和当前的进展，深入分析和讨论了极紫外光刻技术的发展历程，以及导向自组装、纳米压印和多电子束直写技术。
第20章总结了光刻技术中的方方面面，并对未来的技术发展提出展望。
参与本书撰写的作者有： 伍强、胡华勇、何伟明、岳力挽、张强、杨东旭和黄怡。其中第4章由胡华勇、杨东旭和伍强编写； 第5章由胡华勇和伍强编写； 第7章由伍强和何伟明编写； 第8章由伍强和黄怡编写； 第13章由岳力挽和伍强编写； 第14章由何伟明和伍强编写； 第17章由张强和伍强编写； 第1～3、6、9～12、15、16、18～20章由伍强编写； 附录A和B由岳力挽编写。
本书在撰写过程中得到了北京华卓精机科技股份有限公司朱煜教授团队张鸣老师在光刻机工件台描述上给予的重要帮助。 本书还得到了长春国科精密光学有限公司杨怀江教授团队隋永新等老师在投影物镜以及照明系统描述上给予的重要帮助。 这些帮助提高了本书的专业水平，在此向上述老师表示衷心感谢。同时，本书在出版制作过程中获得了清华大学出版社文怡编辑及其团队的大力支持， 没有他们的辛勤工作，就不会有本书的圆满出版。在此，向出版社的同志们表示由衷的感谢！在本书的出版过程中还得到了我国集成电路行业中诸多朋友和同志们的大力支持，在此本书作者也向他们一并致谢！
限于作者的水平，本书定会有不正确和疏漏之处，请各位读者不吝指正，本书作者在此表示衷心的感谢！
作者2019年12月

为了应对我国在集成电路领域,尤其是光刻技术方面严重落后于发达国家的局面,破解光刻制造设备、材料和光学邻近效应修正软件几乎完全依赖进口的困境,作为从事光刻工艺研发近 20 年的资深研发人员,作 者肩负着协助光刻设备、材料和软件等产业链共同研发和发展的责任,将近 20 年的学习成果和研发经验汇编 成书,建立联系我国集成电路芯片的研发和制造,设备、材料和软件的研发,以及大专院校、科研院所的科学 技术研究、人才培养的一座桥梁。 本书以光刻工艺为主线,有机地将光刻设备、光刻材料、光刻成像的理论计算、光刻工艺中各种建模思想 和推导、芯片制造的技术发展要求以及对光刻工艺各项参数的要求紧密地联系在一起,给读者一个整体的图 景。《衍射极限附近的光刻工艺》可供光刻技术领域科研院所的研究人员、大专院校的教师和学生、集成电路工厂的工程技术人员等 参考。

伍强，1993年于复旦大学获物理学学士学位，1999年于耶鲁大学获物理学博士学位。毕业后就职于IBM公司，担任半导体集成电路光刻工艺研发工程师，在研发65nm逻辑光刻工艺时，在世界上首次通过建模精确地测量了光刻工艺的重要参数：等效光酸扩散长度。2004年回国，先后担任光刻工艺研发主管、光刻设备应用部主管，就职于上海华虹NEC电子有限公司、荷兰阿斯麦（ASML）光刻设备制造（中国）有限公司、中芯国际集成电路制造（上海）有限公司、中芯国际集成电路新技术研发（上海）有限公司和上海集成电路研发中心。先后研发或带领团队研发0.18 ?m、0.13 ?m、90 nm、65 nm、40 nm、28 nm、20 nm、14 nm、10 nm等逻辑光刻工艺技术和0.11 ?m 动态随机存储器（DRAM）光刻工艺技术，带领设备应用部团队将193 nm浸没式光刻机成功引入中国。截至2019年5月，共获得114项专利授权，其中26项美国专利，单独或带领团队发表光刻技术论文52篇。担任国家“02”重大专项光刻机工程指挥部专家，入选“2018年度上海市优秀技术带头人”计划，2007-2009年 担任ISTC（国际半导体技术大会）光刻分会主席。2010年-2019年担任CSTIC（中国国际半导体技术大会）光刻分会副主席。

目录
第1章光刻技术引论

1.1集成电路简史

1.2我国集成电路的发展简史(1958年—20世纪90年代)

1.3我国成像镜头的发展简史和我国数码相机的成果

1.4光刻机的发展简史和我国光刻机的发展简史

1.5我国光刻胶的发展简史和进展

1.6光刻工艺使用的其他设备的发展和我国的发展

1.7光刻工艺的仿真计算发展包括光学邻近效应修正的发展

1.8极紫外光刻的发展和导向自组装的发展

结语

引文

第2章光刻工艺概览

2.1光刻的整体技术要点

2.2光刻工艺的流程

2.2.1步： 气体硅片表面预处理

2.2.2第二步： 旋涂光刻胶，抗反射层

2.2.3第三步： 曝光前烘焙

2.2.4第四步： 对准和曝光

2.2.5第五步： 曝光后烘焙

2.2.6第六步： 显影和冲洗

2.2.7第七步： 显影后烘焙，坚膜烘焙

2.2.8第八步： 测量

2.3光刻工艺使用的设备

2.3.1光刻机

2.3.2涂胶显影一体机

2.4光刻工艺使用的材料： 光刻胶、抗反射层、填隙材料

2.5光刻工艺的一整套建立方法，包括确定各种膜厚、照明条件、工艺窗口等

思考题

引文

第3章光学成像原理及分辨率

3.1光学成像原理

3.2分辨率的定义： 瑞利判据、全宽半高定义

3.3部分相干光的成像理论： 照明条件中的部分相干性

3.4光学照明系统的结构和功能： 科勒照明方式

3.5光学成像的傅里叶变换

思考题

引文

第4章光刻胶

4.1光刻材料综述

4.1.1光刻胶

4.1.2溶剂

4.1.3光刻胶的生产流程

4.1.4抗反射层

4.1.5显影液和清洗液

4.1.6剥离剂和清除剂

4.2负性光刻胶(光刻胶树脂、负性光刻胶类型、交联化学原理)

4.2.1负性光刻胶原理

4.2.2负性光刻胶类型

4.3非化学放大型正性光刻胶——紫外436nm、365nm光刻胶

4.3.1非化学放大型正性光刻胶——重氮萘醌酚醛树脂
光刻胶

4.3.2重氮萘醌酚醛树脂类型光刻胶体系的主要组成成分

4.4化学放大型的正性光刻胶——深紫外248nm、193nm光刻胶

4.4.1对更短波长深紫外光刻胶的需求

4.4.2化学放大的原理

4.4.3基于聚羟基苯乙烯及其衍生物的248nm光刻胶

4.4.4以聚甲基丙烯酸酯为主的193nm光刻胶

4.4.5193nm浸没式光刻胶

4.4.6正性负显影光刻胶

4.5极紫外光刻胶

4.5.1基于断链作用的非化学放大光刻胶

4.5.2聚合物型化学放大光刻胶

4.5.3正性极紫外化学放大光刻胶

4.5.4负性有机小分子型光刻胶

4.5.5正性有机小分子型光刻胶

4.5.6基于无机物的新型光刻胶

4.6光刻胶的分辨率线边粗糙度曝光灵敏度极限

4.7辐射化学与光化学概述

4.7.1辐射作用

4.7.2激发态复合物

4.7.3能量转移

4.7.4光谱增感

4.7.5光化学与辐射化学

4.7.6辐射化学量子产率

4.7.7辐射曝光敏感度

4.7.8辐射与光刻胶材料相互作用机理

4.8描述光刻胶物理特性的基本参数

4.8.1迪尔参数

4.8.2光酸扩散长度和系数

4.8.3光刻胶显影液中溶解率对比度

思考题

引文

第5章抗反射层

5.1抗反射层和反射率控制

5.2抗反射层种类

5.2.1顶部抗反射层

5.2.2底部抗反射层

5.3有机、无机底部抗反射层对比

5.4底部抗反射层光刻胶相互作用

5.5含硅的抗反射层

5.6用于极紫外光刻的底部增感层

思考题

引文

第6章光刻机

6.1引言

6.2成像镜头的发展和像差消除原理

6.2.1单片凸透镜的像差分析(三阶塞得像差)

6.2.23片3组柯克镜头的成像和像差分析

6.2.34片3组天塞镜头的成像和像差分析

6.2.46片4组双高斯镜头的成像和像差分析

6.3像差的种类和表征

6.3.1球差、彗差、像散、场曲、畸变、轴向色差、横向色差

6.3.2镜头像差的分摊原理： 6片4组镜头像差分析

6.4齐明点和零像差设计

6.5大数值孔径光刻机镜头的介绍

6.5.1蔡司0.93NA、193nm深紫外投影物镜的成像和像差分析、结构分析

6.5.2蔡司1.35NA、193nm水浸没式折反深紫外投影物镜的成像和像差分析、
结构分析

6.5.3蔡司0.33NA、6片6组13.5nm极紫外全反射式投影物镜的成像和
像差分析、结构分析

6.5.4更加大数值孔径极紫外投影物镜的展望

6.5.5我国光刻投影物镜的简要发展历程和发展

6.6光刻机的移动平台介绍

6.6.1移动平台系统、移动平台的功能、结构和主要元件

6.6.2移动平台三维空间位置的校准

6.6.3阿斯麦双工件台光栅尺测控系统的介绍

6.6.4我国在光刻机双工件台移动平台研制的成果

6.6.5光刻机中硅片的对准和调平(阿斯麦双工件台方法、尼康串列
工件台方法)

6.6.6掩模台的对准

6.6.7硅片平台的高精度对准补偿

6.6.8浸没式光刻机硅片台的温度补偿、硅片吸附的局部受力导致的套刻
偏差补偿

6.6.9掩模版受热的k18畸变系数的补偿

6.6.10镜头受热的焦距和像散补偿方法

6.6.11光刻机的产能计算方法介绍

6.6.12光刻机中的部分传感器(空间像传感器、光瞳像差传感器、光强探测
传感器、干涉仪等)

6.7光刻机的照明系统结构和功能

6.7.1固定光圈的照明系统、带可变照明方式的照明系统(阿斯麦的可变焦
互补型锥镜)

6.7.2照明光的非相干化、均匀化及稳定性

6.7.3偏振照明系统

6.7.4自定义照明系统(阿斯麦的Flexray)

6.8光刻机的使用和维护

6.8.1光刻机的定期检查项目(焦距校准、套刻校准、照明系统校准、
光束准直)

6.8.2多台光刻机的套刻匹配(标准)

6.8.3多台光刻机的照明匹配

6.8.4多台光刻机的焦距匹配

6.8.5阿斯麦光刻机的基线维持功能

6.9光刻机的延伸功能

6.9.1曝光均匀性的补偿

6.9.2套刻分布的补偿

6.9.3阿斯麦光刻机基于气压传感器的精确调平测量

6.9.4硅片边缘对焦调平的特殊处理

6.9.5硅片边缘曝光的特殊处理

6.10193nm浸没式光刻机的特点

6.10.1防水贴

6.10.2浸没头(水罩)

6.1113.5nm极紫外光刻机的一些特点

6.11.1激光激发的等离子体光源

6.11.2照明系统、自定义照明系统

6.11.3全反射式的掩模版和投影物镜

6.11.4高数值孔径的投影物镜设计： X方向和Y方向放大率不同的
物镜

思考题

引文

第7章涂胶烘焙显影一体机： 轨道机

7.1轨道机的主要组成部分(涂胶机、热板、显影机)和功能

7.1.1涂胶子系统

7.1.2热板子系统

7.1.3显影子系统

7.2光刻胶的容器类型(Nowpak和玻璃瓶)、输送管道和输送泵

7.3显影后冲洗设备(含氮气喷头的先进缺陷去除ADR冲洗设备)

7.4光刻设备使用的各种过滤器

思考题

引文

第8章光刻工艺的测量设备

8.1线宽扫描电子显微镜的原理和基本结构(电子光学系统的基本参数)

8.2线宽扫描电子显微镜的测量程序和测量方法

8.3线宽扫描电子显微镜的校准和调整

8.4套刻显微镜的原理和测量方法

8.5套刻显微镜的测量程序和测量方法

8.6套刻显微镜设备引入的误差及其消除方法

8.7基于衍射的套刻探测原理

8.8套刻记号的设计

8.9光学线宽测量原理

8.10缺陷检查设备原理

思考题

引文

第9章光掩模

9.1光掩模的种类

9.2光掩模的制作

9.2.1掩模版的数据处理

9.2.2掩模版的曝光刻蚀

9.2.3掩模版线宽、套刻、缺陷的检测

9.2.4掩模版的修补

9.3光掩模制作过程中的问题

9.3.1掩模版电子束曝光的邻近效应及补偿方法

9.3.2电子束曝光的其他问题(雾化、光刻胶过热等)

9.4光掩模线宽均匀性在不同技术节点的参考要求

9.4.1各技术节点对掩模版线宽均匀性的要求

9.4.2线宽均匀性测量使用的图形类型

9.5光掩模制作和检测设备的其他资料

9.5.1电子束各种扫描方式及其优缺点介绍

9.5.2电子束曝光机采用的电子枪

9.5.3多电子束的介绍和进展

思考题

引文

第10章光刻工艺参数和工艺窗口

10.1曝光能量宽裕度、归一化的图像光强对数斜率

10.2对焦深度

10.3掩模版误差因子

10.4线宽均匀性(包括图形边缘粗糙程度)

10.5光刻胶形貌

思考题

引文

第11章光刻工艺的仿真

11.1反射率仿真算法

11.2对准记号对比度的算法