衍射极限附近的光刻工艺

　　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最新成果
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最新进展
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第一步： 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最新发展
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最新成果
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多电子束的介绍和最新进展
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
11.2.1阿斯麦Athena系统仿真算法和尼康FIA系统仿真算法
11.2.2两种算法和实验的比较
11.3光刻空间像的仿真参数
11.4一维阿贝仿真算法
11.5二维阿贝仿真算法
11.6基于传输交叉系数的空间像算法
11.7矢量的考虑
11.8偏振的计算
11.9像差的计算
11.10琼斯矩阵
11.11时域有限元的算法
11.11.1掩模三维散射造成的掩模函数的修正
11.11.2麦克斯韦方程组
11.11.3Yee元胞
11.11.4麦克斯韦方程组的离散化
11.11.5二阶吸收边界条件
11.11.6完全匹配层边界条件
11.11.7金属介电常数避免发散的方法
11.11.8掩模版三维散射的效应： 一维线条/沟槽
11.11.9掩模版三维散射的效应： 二维线端/通孔
11.12严格的耦合波算法
11.13光源掩模联合优化
11.13.1不同光瞳照明条件对掩模版图形的影响
11.13.2一个交叉互联图形的光源掩模联合优化举例
11.14光刻胶曝光显影模型
11.14.1一般光刻胶光化学反应的阈值模型
11.14.2改进型整合参数模型
11.14.3光刻胶光酸等效扩散长度在不同技术节点上的列表
11.14.4负显影光刻胶的模型特点
11.14.5负显影光刻胶的物理模型
11.15逆光刻仿真算法
11.15.1逆光刻的思想
11.15.2逆光刻的主要算法
11.15.3逆光刻面临的主要挑战
11.16其他仿真算法
思考题
引文
第12章光学邻近效应修正
12.1光学邻近效应
12.1.1调制传递函数
12.1.2禁止周期
12.1.3光学邻近效应的图示分析(一维线条/沟槽)
12.1.4照明离轴角和光酸扩散长度对邻近效应的影响
12.1.5光学邻近效应在线端线端、线端横线结构的表现
12.2光学邻近效应的进一步探讨： 密集图形和孤立图形
12.3相干长度的理论和仿真计算结果
12.4基于规则的简单光学邻近效应修正方法
12.5基于模型的光学邻近效应修正中空间像计算的化简
12.5.1传输交叉系数TCC的Cobb本征值分解
12.5.2传输交叉系数TCC的Yamazoe奇异值分解
12.5.3包含矢量信息的传输交叉系数
12.5.4掩模版多边形图形的基于边的分解
12.5.5掩模三维效应计算的区域分解法(DDM方法)
12.6基于模型的光学邻近效应修正： 建模
12.6.1模型的数学表达式和重要参数
12.6.2建模采用的图形类型
12.6.3类似20nm逻辑电路的前段线条层OPC建模举例
12.6.4类似20nm逻辑电路的中后段通孔层OPC建模的特点
12.6.5类似20nm逻辑电路的后段沟槽层OPC建模的特点
12.7基于模型的光学邻近效应修正： 修正程序
12.8光学邻近效应中的亚分辨辅助图形的添加
12.8.1基于规则的添加
12.8.2基于模型的添加
12.9基于模型的光学邻近效应修正： 薄弱点分析和去除
12.9.1薄弱点的分析和解决： 例1(线宽问题的寻找和修补)
12.9.2薄弱点的分析和解决： 例2(线宽问题的寻找和修补)
思考题
引文
第13章浸没式光刻
13.1浸没式光刻工艺产生的背景
13.2浸没式光刻机使用的投影物镜的特点
13.3浸没式光刻工艺的分辨率提高
13.4浸没式光刻工艺的工艺窗口提升
13.5浸没式光刻工艺的新型光刻机的架构改进
13.5.1双工件台
13.5.2平面光栅板测控的硅片平台
13.5.3紫外光源调平系统
13.5.4像素式自定义照明系统(灵活照明系统)
13.6浸没式光刻工艺的光刻胶
13.6.1最初的顶部隔水涂层
13.6.2自分凝隔水层的光刻胶
13.6.3含有光可分解碱的光刻胶
13.7浸没式光刻工艺的光刻材料膜层结构
13.8浸没式光刻工艺特有的缺陷
13.9浸没式轨道机的架构
13.10浸没式光刻的辅助工艺技术
13.10.1多重成像技术的使用
13.10.2负显影技术
13.11浸没式光刻工艺的建立
13.11.1光刻工艺研发的一般流程
13.11.2目标设计规则的研究和确认
13.11.3基于设计规则，通过仿真进行初始光源、掩模版类型的选取
13.11.4光刻材料的选取
思考题
引文
第14章光刻工艺的缺陷
14.1旋涂工艺缺陷
14.1.1表面疏水化处理工艺相关缺陷
14.1.2光刻胶旋涂缺陷
14.1.3洗边工艺相关缺陷
14.2显影工艺缺陷
14.2.1材料特性对显影缺陷的影响
14.2.2显影模块硬件特点对显影缺陷的影响
14.2.3显影清洗工艺特性与缺陷的关系
14.3其他类型缺陷(前层和环境等影响)
14.3.1化学放大光刻胶的“中毒”现象
14.3.2非化学放大光刻胶的“中毒”现象
14.4浸没式光刻工艺缺陷
14.4.1浸没式光刻机最早的专利结构图
14.4.2浸没式光刻遇到的常见缺陷分类分析
14.4.3去除浸没式光刻缺陷的方法