光学光刻和极紫外光刻

先进的光刻技术是世界上精密的光学系统与精心设计、高度优化的光化学材料及工艺的结合，它用于生产支撑现代信息社会的微米和纳米尺度的芯片。这种应用光学、化学和材料科学的独特结合，为科学家和工程师探索科学与技术提供了一个理想的“用武之地”。多年来，光刻技术的发展几乎完全依赖尺寸缩放的驱动，并专注于分辨率的提高，以支持“摩尔定律”的延续，即不断提高集成电路的晶体管密度。尽管这种缩放还没有达到其终极限，但在半导体芯片上集成更多更小且均匀性好、没有缺陷的图形，无疑使相关技术变得越来越困难且成本越来越昂贵。未来的光刻技术要满足新的应用，势必具有不同的要求，例如器件三维（3D）形状的控制、新型（功能）材料的集成、非平面电路图案的实现、应用导向型目标图案的灵活设计等。过去五十多年来，在半导体光刻技术开发方面所积累的知识和经验，为开发新型微纳米技术的应用提供了重要帮助。

本书的材料部分来自我多年来在德国埃朗根大学（FriedrichAlexanderUniversity　ErlangenNuremberg，弗里德里希亚历山大埃朗根纽伦堡大学；简称埃朗根大学）教授光刻（技术、物理效应和建模方法）的课程内容，还有部分来自我为其他公司进行光刻技术专业培训和为学术会议提供专门课程的内容。本书旨在帮助具有物理学、光学、计算工程、数学、化学、材料科学、纳米技术和其他专业领域背景的学生涉足令人着迷的光刻技术领域，以及帮助高级工程师和管理人员拓展知识、拓宽视野。

本书的目的不是要为光刻技术的所有方面提供一个完整的描述，而是侧重于解释光刻成像和成形技术的基本原理。书中通过简单易懂的示例来演示这些基本原理，并讨论某些技术方法和技术选项的利弊，还引用详尽的参考文献以引导读者对感兴趣的特殊内容做进一步阅读。为了限制本书的篇幅和撰写所需的时间，有几个重要的光刻技术内容在本书里未能涵盖或仅有少量涉及。例如，量测和工艺控制对于量产光刻工艺越来越重要；先进的深紫外（DUV）和极紫外（EUV）投影光刻需要高质量的掩模，并能对其进行灵活地制造、检验、调整和修复；现代半导体制造需要电路设计者和光刻工艺专家之间的密切互动，以提供一个对光刻“友好”的设计；另外还有许多非光学平版刻印技术。这些方面的内容在其他几本书或评论文章中有所介绍。

关于半导体光刻的优秀书籍已经有几本，为什么还需要另一本关于这个主题的书？重要的原因是光刻技术是活力的技术领域之一，它的发展是不同背景下新思想和新技术的融合，是多学科高度结合的结果。纳米图案的精密制造和准确表征需要深入理解所涉及的物理和化学效应。本书试图从建模驱动的角度来帮助理解这些效应，但不依赖于复杂的数学表述。本书的内容反映了我在应用光学、衍射光学、严格建模，以及优化光与微纳结构相互作用等方面的特殊兴趣和对相关背景的了解。因此，与其他光刻书籍相比，本书对掩模和晶圆形貌效应及相关的光散射效应有较深入的讨论。后，本书旨在弥补高度专业性的半导体制造工程师，与致力于开发光刻技术及其应用的科学家、工程师之间的知识差异。

光学（投影）光刻技术是将掩模版图投影成像在感光材料（光刻胶）上，然后通过光刻工艺处理将光学图像转换为三维图案的过程。本书的第1章介绍空间成像和光刻胶工艺，解释了对成像质量、光刻胶轮廓和光刻工艺变化进行定量评估的典型指标，对这些指标的分析有助于理解本书后面所涉及的关于成像和工艺改进的影响。

第2章描述了通过投影物镜的开口（数值孔径）透射并聚焦到光刻胶上衍射光的叠加成像，以及投影系统的分辨率极限由阿贝瑞利（AbbeRayleigh）方程决定。第3章阐述了光刻胶化学和工艺的基本原理。接下来的第4、5章概述了分辨率增强技术，这些技术可以帮助现有波长和数值孔径的光学系统实现更小特征尺寸的成形。常见的光学分辨率增强技术包括离轴照明（OAI）、光学邻近效应校正（OPC）、相移掩模（PSM）和光源掩模协同优化（SMO）等。此外，多重成形技术和定向自组装技术（DSA）则采用特殊的材料和工艺来实现更小的特征尺寸。波长为13.5nm的极紫外（EUV）光刻能将光学投影光刻扩展到软X射线的光谱范围，对于波长如此小的光，没有任何材料可以透射。第6章解释了EUV光刻必须采用反射光学器件和掩模，以及新型的光源和光刻胶材料的原因。第7章概述了其他类型的光学光刻方法，包括三维（3D）光刻技术。

本书的其余章节致力于论述先进光学光刻和EUV光刻中的重要物理和化学效应。第8章讨论了波像差、偏振效应和随机散射光对光刻胶内部光强分布的影响。掩模和晶圆形貌效应是由掩模和晶圆上微小形貌的散射光引起的，这部分内容将在第9章中进行介绍。本书的后一章专门讨论了随机效应。随机效应不仅直接影响光刻胶轮廓的平整度，即纳米级图形边缘粗糙度（LER），而且也直接影响如图形微桥和接触孔未完全打开等致命缺陷的发生率。

本书章节的顺序遵循我在埃朗根大学的课程顺序，其设计旨在为光学和化学的理论及应用提供一个有趣组合，并对各种技术选项进行了阐述。第1～5章描述了光学和光刻胶化学的一般背景知识，应按顺序阅读，第6～10章的阅读顺序可以根据读者的特殊兴趣进行调整。第7章概述了其他可选（光学）光刻方法，这些方法对纳米电子学以外的各种微纳制造应用更有意义，而仅对（先进）半导体制造的光刻技术感兴趣的人可以跳过此章。

与许多同事、项目合作伙伴的合作研究，以及和他们富有成效的讨论，为本书提供了宝贵的材料来源。我非常感谢专家们对本书个别部分所提的建议，特别致谢： 来自ASML的Antony　Yen、来自Synopsys的HansJürgen　Stock、来自Mentor　Graphics的John　Sturtevant、来自哥廷根大学的Marcus　Müller、来自Zeiss　SMT的Michael　Mundt、来自Enx　Labs的Uzodinma　Okoroanyanwu和来自CEALeti的Raluca　Tiron。

非常感谢弗劳恩霍夫协会集成系统和元器件技术研究所计算光刻和光学组（Fraunhofer　IISB）的所有前任和现任成员和学生，特别是Peter　Evanschitzky、　Zelalem　Belete、　Hazem　Mesilhy、　Sean　DSilva、　Abdalaziz　Awad、Tim　Fühner、　Alexandre　Vial、Balint　Meliorisz、Bernd　Tollkühn、　Christian　Motzek、　Daniela　Matiut、　David　Reibold、　Dongbo　Xu、　Feng　Shao、　Guiseppe　Citarella、　Przemislaw　Michalak、　Shijie　Liu、　Temitope　Onanuga、　Thomas　Graf、　Thomas　Schnattinger、　Viviana　Agudelo　Moreno和Zhabis　Rahimi。所有这些人都为我们研究所开发的光刻仿真软件Dr.　LiTHO做出了贡献，本书中的大部分图由该仿真软件生成。来自弗劳恩霍夫光刻组的成员和我在埃朗根大学光刻讲座的学生，对本书的改进提供了许多有益的意见和帮助。特别感谢SPIE　Press的Dara　Burrows和Tim　Lamkins，他们提供了许多有用的技巧和编辑帮助。

安迪·爱德曼

德国，埃朗根

《光学光刻和极紫外光刻》是一本的光刻技术专著，内容涉及该领域的各个重要方面。在介绍光刻技术应用上，涵盖了全面又丰富的内容；在论述光刻技术的物理机制和数学模型时，采用了完整而不繁琐的方法，增加了可读性。本书在系统地阐述了光学光刻技术的基本内容后，还专门开辟章节，介绍了的极紫外光刻技术的特点和难点，揭示了极紫外光刻的技术奥秘。本书具有全面、完整、翔实和新颖的特点，它凝聚了作者三十多年光刻领域科研和教学的精华。

《光学光刻和极紫外光刻》是一本最新的光刻技术专著，内容涉及该领域的各个重要方面。在介绍光刻技术应用上，涵盖了全面又丰富的内容；在论述光刻技术的物理机制和数学模型时，采用了完整而不繁琐的方法，增加了可读性。本书在系统地阐述了光学光刻技术的基本内容后，还专门开辟章节，介绍了最先进的极紫外光刻技术的特点和难点，揭示了极紫外光刻的技术奥秘。本书具有全面、完整、翔实和新颖的特点，它凝聚了作者三十多年光刻领域科研和教学的精华。

安迪·爱德曼（Andreas Erdmann)，国际光学工程学会（SPIE）会士，德国弗劳恩霍夫协会（Fraunhofer）下属集成系统和元器件技术研究所（IISB）计算光刻和光学部门的负责人。他还是埃朗根大学（University of Erlangen）的客座教授、国际Fraunhofer光刻仿真研讨会的组织者，主持过国际光学工程学会（SPIE）的光学光刻和光学设计大会。拥有25年以上的光学光刻和极紫外光刻的研究经验，为多个先进光刻仿真软件的发展做出了关键贡献，其中包括光刻仿真软件Dr.LiTHO的研发。

高伟民，阿斯麦公司（ASML）中国区技术总监，资深的光刻技术专家。获浙江大学光学工程学士学位和比利时鲁汶大学物理学硕士、博士学位。曾任职于比利时微电子研发中心（IMEC）和美国新思科技（Synopsys）。他专注先进光刻技术研发20多年，参与了从0.13μm到5nm节点的多世代先进光刻技术开发，拥有16年极紫外光刻技术研发的丰富经验。技术专长涵盖了广泛的光刻领域，包括光刻工艺开发、成像技术、分辨率增强技术、计算光刻、先进掩模和设计工艺协同优化技术（DTCO）等。
徐东波，比利时微电子研发中心（IMEC）研究员。获中国科学院大学硕士学位和弗里德里希-亚历山大-埃朗根-纽伦堡大学博士学位，博士攻读于德国埃朗根弗劳恩霍夫（Fraunhofer IISB）计算光刻和光学小组。研究方向包括光学光刻和极紫外光刻仿真、光源掩模协同优化（SMO）、光学邻近效应矫正（OPC）建模及图像处理。
诸波尔，阿斯麦公司（ASML）中国区计算光刻高级工程师、项目主管。获浙江大学工学学士学位和中国科学院上海光学精密机械研究所博士学位（研究方向：高端光刻机技术）。拥有0.18μm～7nm全节点计算光刻研发经验，掌握光源掩模协同优化（SMO）和光学邻近效应校正（OPC）建模在各制程节点中的应用与优化技术。此外，研究方向还包括EUV计算光刻、设计工艺协同优化技术（DTCO）和严格电磁场仿真等。

第1章光刻工艺概述

1.1微型化：　从微电子到纳米技术_1

1.2光刻技术的发展史_3

1.3投影光刻机的空间成像_5

1.4光刻胶工艺_10

1.5光刻工艺特性_12

1.6小结_18

参考文献_18

第2章投影光刻的成像原理

2.1投影光刻机_20

2.2成像理论_21

2.2.1傅里叶光学描述_21

2.2.2倾斜照明与部分相干成像_26

2.2.3其他成像仿真方法_30

2.3阿贝瑞利准则及其影响_30

2.3.1分辨率极限和焦深_31

2.3.2影响_36

2.4小结_39

参考文献_39

第3章光刻胶

3.1光刻胶概述、常规反应原理和现象学描述_42

3.1.1光刻胶的分类_42

3.1.2基于重氮萘醌的光刻胶_45

3.1.3先进的正型化学放大光刻胶_46

3.1.4现象学模型_48

3.2光刻胶工艺步骤和建模方法_50

3.2.1技术方面_50

3.2.2曝光_51

3.2.3曝光后烘焙_54

3.2.4化学显影_58

3.3建模方法和紧凑光刻胶模型概述_61

3.4负型与正型光刻胶材料和工艺_65

3.5小结_68

参考文献_69

第4章光学分辨率增强技术

4.1离轴照明_74

4.1.1线空图形的离轴照明形态_76

4.1.2接触孔阵列的离轴照明_78

4.1.3从传统/参数化的照明形态到自由照明形态_80

4.2光学邻近效应校正_81

4.2.1孤立密集线宽偏差补偿_82

4.2.2线端缩短补偿_84

4.2.3从基于规则到基于模型的OPC和反演光刻技术_85

4.2.4OPC模型和工艺流程_88

4.3相移掩模_89

4.3.1强相移掩模：　交替型相移掩模_90

4.3.2衰减型或弱相移掩模_97

4.4光瞳滤波_100

4.5光源掩模协同优化_102

4.6多重曝光技术_106

4.7小结_109

参考文献_110

第5章材料驱动的分辨率增强

5.1分辨率极限的回顾_115

5.2非线性双重曝光_119

5.2.1双光子吸收材料_119

5.2.2光阈值材料_120

5.2.3可逆对比增强材料_121

5.3双重和多重成形技术_124

5.3.1光刻刻蚀光刻刻蚀_124

5.3.2光刻固化光刻刻蚀_125

5.3.3自对准双重成形_126

5.3.4双色调显影_127

5.3.5双重和多重成形技术的选项_128

5.4定向自组装_129

5.5薄膜成像技术_133

5.6小结_135

参考文献_135

第6章极紫外光刻

6.1EUV光源_141

6.2EUV和多层膜中的光学材料特性_143

6.3EUV掩模_146

6.4EUV曝光设备和图像形成_151

6.5EUV光刻胶_156

6.6EUV掩模缺陷_157

6.7EUV光刻的光学分辨率极限_161

6.7.16.xnm波长的超极紫外光刻_162

6.7.2高数值孔径EUV光刻_162

6.7.3低k1技术：　EUV光刻的光学分辨率增强技术_166

6.8小结_167

参考文献_168

第7章投影成像以外的光刻技术

7.1非投影式光学光刻：　接触式和接近式光刻_176

7.1.1图像形成和分辨率限制_176

7.1.2技术实现_179

7.1.3先进的掩模对准光刻_182

7.2无掩模光刻_186

7.2.1干涉光刻_186

7.2.2激光直写光刻_189

7.3无衍射限制的光刻_194

7.3.1近场光刻_195

7.3.2利用光学非线性_198

7.4三维光刻_203

7.4.1灰度光刻_203

7.4.2三维干涉光刻_205

7.4.3立体光刻和三维微刻印_206

7.5浅谈无光刻印_209

7.6小结_210

参考文献_211

第8章光刻投影系统：　高级技术内容

8.1实际投影系统中的波像差_220

8.1.1波像差的泽尼克多项式表示_221

8.1.2波前倾斜_226

8.1.3离焦像差_226

8.1.4像散_228

8.1.5彗差_229

8.1.6球差_231

8.1.7三叶像差_233

8.1.8泽尼克像差小结_233

8.2杂散光_234

8.2.1恒定杂散光模型_235

8.2.2功率谱密度（PSD）杂散光模型_236

8.3高数值孔径投影光刻中的偏振效应_239

8.3.1掩模偏振效应_240

8.3.2成像过程中的偏振效应_241

8.3.3光刻胶和晶圆堆栈界面的偏振效应_243

8.3.4投影物镜中的偏振效应和矢量成像模型_246

8.3.5偏振照明_248

8.4投影光刻机中的其他成像效应_250

8.5小结_250

参考文献_251

第9章光刻中的掩模和晶圆形貌效应

9.1严格电磁场仿真的方法_256

9.1.1时域有限差分法_257

9.1.2波导法_260

9.2掩模形貌效应_262

9.2.1掩模衍射分析_263

9.2.2斜入射效应_266

9.2.3掩模引起的成像效应_268

9.2.4EUV光刻中的掩模形貌效应及缓解策略_272

9.2.5各种三维掩模模型_277

9.3晶圆形貌效应_279

9.3.1底部抗反射涂层的沉积策略_279

9.3.2靠近栅极的光刻胶底部残余_281

9.3.3双重成形技术中的线宽变化_282

9.4小结_283

参考文献_283

第10章先进光刻中的随机效应

10.1随机变量和过程_288

10.2现象_291

10.3建模方法_294

10.4依存性及其影响_297

10.5小结_299

参考文献_299

专业词汇中英文对照表

《光学光刻和极紫外光刻》是一本的光刻技术专著，内容涉及该领域的各个重要方面。在介绍光刻技术应用上，涵盖了全面又丰富的内容；在论述光刻技术的物理机制和数学模型时，采用了完整而不繁琐的方法，增加了可读性。本书在系统地阐述了光学光刻技术的基本内容后，还专门开辟章节，介绍了的极紫外光刻技术的特点和难点，揭示了极紫外光刻的技术奥秘。本书具有全面、完整、翔实和新颖的特点，它凝聚了作者三十多年光刻领域科研和教学的精华。

安迪·爱德曼（Andreas Erdmann)，国际光学工程学会（SPIE）会士，德国弗劳恩霍夫协会（Fraunhofer）下属集成系统和元器件技术研究所（IISB）计算光刻和光学部门的负责人。他还是埃朗根大学（University of Erlangen）的客座教授、国际Fraunhofer光刻仿真研讨会的组织者，主持过国际光学工程学会（SPIE）的光学光刻和光学设计大会。拥有25年以上的光学光刻和极紫外光刻的研究经验，为多个先进光刻仿真软件的发展做出了关键贡献，其中包括光刻仿真软件Dr.LiTHO的研发。

高伟民，阿斯麦公司（ASML）中国区技术总监，资深的光刻技术专家。获浙江大学光学工程学士学位和比利时鲁汶大学物理学硕士、博士学位。曾任职于比利时微电子研发中心（IMEC）和美国新思科技（Synopsys）。他专注先进光刻技术研发20多年，参与了从0.13μm到5nm节点的多世代先进光刻技术开发，拥有16年极紫外光刻技术研发的丰富经验。技术专长涵盖了广泛的光刻领域，包括光刻工艺开发、成像技术、分辨率增强技术、计算光刻、先进掩模和设计工艺协同优化技术（DTCO）等。
徐东波，比利时微电子研发中心（IMEC）研究员。获中国科学院大学硕士学位和弗里德里希-亚历山大-埃朗根-纽伦堡大学博士学位，博士攻读于德国埃朗根弗劳恩霍夫（Fraunhofer IISB）计算光刻和光学小组。研究方向包括光学光刻和极紫外光刻仿真、光源掩模协同优化（SMO）、光学邻近效应矫正（OPC）建模及图像处理。
诸波尔，阿斯麦公司（ASML）中国区计算光刻高级工程师、项目主管。获浙江大学工学学士学位和中国科学院上海光学精密机械研究所博士学位（研究方向：高端光刻机技术）。拥有0.18μm～7nm全节点计算光刻研发经验，掌握光源掩模协同优化（SMO）和光学邻近效应校正（OPC）建模在各制程节点中的应用与优化技术。此外，研究方向还包括EUV计算光刻、设计工艺协同优化技术（DTCO）和严格电磁场仿真等。