衍射極限附近的光刻工藝（第2版）

目錄

第1章光刻技術引論

1.1集成電路簡史

1.2我國集成電路的發展簡史(1958年至20世紀90年代)

1.3我國成像鏡頭的發展簡史和數碼相機的最新成果

1.4光刻機的發展簡史和我國光刻機的發展簡史

1.5我國光刻膠的發展簡史和最新進展

1.6光刻工藝使用的其他設備的發展和我國的發展

1.7光刻工藝的模擬計算發展

1.8極紫外光刻的發展和導向自組裝的發展

參考文獻

第2章光刻工藝概覽

2.1光刻的整體技術要點

2.2光刻工藝的流程

2.3光刻工藝使用的設備

2.3.1光刻機

2.3.2塗膠顯影一體機

2.4光刻工藝使用的材料： 光刻膠、抗反射層、填隙材料

2.5光刻工藝的一整套建立方法，包括確定各種膜厚、照明條件、工藝窗口等

參考文獻

思考題

第3章光學成像原理及分辨率

3.1光學成像原理

3.2分辨率的定義： 瑞利判據、全寬半高定義

3.3部分相乾光的成像理論： 照明條件中的部分相乾性

3.4光學照明系統的結構和功能： 科勒照明方式

3.5光學成像的傅里葉變換

參考文獻

思考題

第4章光刻膠

4.1光刻材料綜述

4.1.1光刻膠

4.1.2溶劑

4.1.3光刻膠的生產流程

4.1.4抗反射層

4.1.5顯影液和清洗液

4.1.6剝離劑和清除劑

4.2負性光刻膠(光刻膠樹脂、負性光刻膠類型、交聯化學原理)

4.2.1負性光刻膠原理

4.2.2負性光刻膠類型

4.3非化學放大型正性光刻膠——紫外436nm、365nm光刻膠

4.3.1非化學放大型正性光刻膠——重氮萘醌酚醛樹脂光刻膠

4.3.2重氮萘醌酚醛樹脂類型光刻膠體系的主要組成成分

4.4化學放大型的正性光刻膠——深紫外（DUV）248nm、193nm光刻膠

4.4.1對更短波長深紫外光刻膠的需求

4.4.2化學放大的原理

4.4.3基於聚羥基苯乙烯及其衍生物的248nm光刻膠

4.4.4以聚甲基丙烯酸酯為主的193nm光刻膠

4.4.5193nm浸沒式光刻膠

4.4.6正性負顯影（NTD）光刻膠

4.5極紫外（EUV）光刻膠

4.5.1基於斷鏈作用的非化學放大光刻膠

4.5.2聚合物型化學放大光刻膠

4.5.3正性極紫外（EUV）化學放大光刻膠

4.5.4負性有機小分子型光刻膠

4.5.5正性有機小分子型光刻膠

4.5.6基於無機物的新型光刻膠

4.6光刻膠的分辨率線邊粗糙度曝光靈敏度(RLS)極限

4.7輻射化學與光化學概述

4.7.1輻射作用

4.7.2激發態復合物

4.7.3能量轉移

4.7.4光譜增感

4.7.5光化學與輻射化學

4.7.6輻射化學量子產率

4.7.7輻射曝光敏感度

4.7.8輻射與光刻膠材料相互作用機理

4.8描述光刻膠物理特性的基本參數

4.8.1迪爾參數（Dill parameters）

4.8.2光酸擴散長度和系數

4.8.3光刻膠顯影液中溶解率對比度

參考文獻

思考題

第5章抗反射層

5.1抗反射層和反射率控制

5.2抗反射層種類

5.2.1頂部抗反射層

5.2.2底部抗反射層

5.3有機、無機底部抗反射層對比

5.4底部抗反射層與光刻膠相互作用

5.5含硅的抗反射層(SiARC)

5.6用於極紫外光刻的底部增感層

參考文獻

思考題

第6章光刻機

6.1引言

6.2成像鏡頭的發展和像差消除原理

6.2.1單片凸透鏡的像差分析(三階塞得(Seidel)像差)

6.2.23片3組柯克鏡頭的成像和像差分析

6.2.34片3組天塞鏡頭的成像和像差分析

6.2.46片4組雙高斯鏡頭的成像和像差分析

6.3像差的種類和表徵

6.3.1球差、彗差、像散、場曲、畸變、軸向色差和橫向色差

6.3.2鏡頭像差的分攤原理： 6片4組鏡頭像差分析

6.4齊明點(Aplanatic Point)和零像差設計

6.5大數值孔徑光刻機鏡頭的介紹

6.5.1蔡司0.93NA、193nm深紫外投影物鏡的成像和像差分析、結構分析

6.5.2蔡司1.35NA、193nm水浸沒式折反深紫外投影物鏡的成像和像差

分析、結構分析

6.5.3蔡司0.33NA、6片6組13.5nm極紫外（EUV）全反射式投影物鏡的

成像和像差分析、結構分析

6.5.4更大數值孔徑極紫外投影物鏡的展望

6.5.5我國光刻投影物鏡的簡要發展歷程和最新發展

6.6光刻機的移動平臺介紹

6.6.1移動平臺系統及移動平臺的功能、結構和主要元件

6.6.2移動平臺三維空間位置的校準

6.6.3阿斯麥雙工件台光柵尺測控系統介紹

6.6.4我國在光刻機雙工件台移動平臺研製的最新成果

6.6.5光刻機中硅片的對準和調平(阿斯麥雙工件台方法、尼康串行

工件台方法)

6.6.6掩模台的對準

6.6.7硅片台的高精度對準補償

6.6.8浸沒式光刻機硅片台的溫度補償和硅片吸附的局部受力導致的

套刻偏差補償

6.6.9掩模版受熱的k18畸變系數的補償

6.6.10鏡頭受熱的焦距和像散補償方法

6.6.11光刻機的產能計算方法介紹

6.6.12光刻機中的部分傳感器(空間像傳感器、光瞳像差傳感器、光強

探測傳感器、乾涉儀等)

6.7光刻機的照明系統結構和功能

6.7.1固定光圈的照明系統、帶可變照明方式的照明系統(阿斯麥公司的

可變焦互補型錐鏡)

6.7.2照明光的非相乾化、均勻化及穩定性

6.7.3偏振照明系統

6.7.4自定義照明系統(阿斯麥公司的Flexray)

6.8光刻機的使用和維護

6.8.1光刻機的定期檢查項目(焦距校準、套刻校準、照明系統校準、

光束準直)

6.8.2多台光刻機的套刻匹配(標準)

6.8.3多台光刻機的照明匹配

6.8.4多台光刻機的焦距匹配

6.8.5阿斯麥公司的光刻機的基線（Baseline）維持功能

6.9光刻機的延伸功能

6.9.1曝光均勻性的補償

6.9.2套刻分佈的補償

6.9.3阿斯麥光刻機基於氣壓傳感器（AGILE）的精確調平測量

6.9.4硅片邊緣對焦調平的特殊處理

6.9.5硅片邊緣曝光的特殊處理

6.10193nm浸沒式光刻機的特點

6.10.1防水貼

6.10.2浸沒頭(水罩)

6.1113.5nm極紫外（EUV）光刻機的一些特點

6.11.1激光激發的等離子體光源

6.11.2照明系統和自定義照明系統

6.11.3全反射式的掩模版和投影物鏡

6.11.4高數值孔徑的投影物鏡設計： X方向和Y方向放大率不同的

物鏡（Anamorphic）

參考文獻

思考題

第7章塗膠烘焙顯影一體機： 軌道機

7.1軌道機的主要組成部分(塗膠機、熱板、顯影機)和功能

7.1.1塗膠子系統

7.1.2熱板子系統

7.1.3顯影子系統

7.2光刻膠的容器類型(玻璃瓶和Nowpak塑料瓶)、輸送管道和輸送泵

7.3顯影後沖洗設備(含氮氣噴頭的先進缺陷去除ADR沖洗設備)

7.4光刻設備使用的過濾器

參考文獻

思考題

第8章光刻工藝的測量設備

8.1線寬掃描電子顯微鏡的原理和基本結構(電子光學系統的基本參數)

8.2線寬掃描電子顯微鏡的測量程序和測量方法

8.3線寬掃描電子顯微鏡的校準和調整

8.4套刻顯微鏡的原理和測量方法

8.5套刻顯微鏡的測量程序和測量方法

8.6套刻顯微鏡設備引入的誤差及其消除方法

8.7基於衍射的套刻(DBO)探測原理

8.8套刻記號的設計

8.9光學線寬(OCD)測量原理及應用

8.10缺陷檢測設備原理

參考文獻

思考題

第9章光掩模

9.1光掩模的種類

9.2光掩模的製作

9.2.1掩模版的數據處理

9.2.2掩模版的曝光刻蝕

9.2.3掩模版線寬、套刻、缺陷的檢測

9.2.4掩模版的修補

9.3光掩模製作過程中的問題

9.3.1掩模版電子束曝光的鄰近效應及補償方法

9.3.2電子束曝光的其他問題(霧化、光刻膠過熱等)

9.4光掩模線寬均勻性在不同技術節點的參考要求

9.4.1各技術節點對掩模版線寬均勻性的要求

9.4.2線寬均勻性測量使用的圖形類型

9.5光掩模製作和檢測設備的其他資料

9.5.1電子束各種掃描方式及其優、缺點

9.5.2電子束曝光機採用的電子槍

9.5.3多電子束的介紹和最新進展

參考文獻

思考題

第10章光刻工藝參數和工藝窗口

10.1曝光能量寬裕度、歸一化圖像光強對數斜率

10.2對焦深度

10.3掩模版誤差因子

10.4線寬均勻性(包括圖形邊緣粗糙度)

10.5光刻膠形貌

參考文獻

思考題

第11章光刻工藝的模擬

11.1反射率模擬算法

11.2對準記號對比度的算法

11.2.1阿斯麥公司的Athena系統模擬算法和尼康公司的FIA系統

模擬算法

11.2.2兩種算法和實驗的比較

11.3光刻空間像的模擬參數

11.4一維阿貝模擬算法

11.5二維阿貝模擬算法

11.6基於傳輸交叉系數的空間像算法

11.7矢量的考慮

11.8偏振的計算

11.9像差的計算

11.10瓊斯矩陣

11.11時域有限差分的算法

11.11.1掩模三維散射造成的掩模函數的修正

11.11.2麥克斯韋方程組

11.11.3Yee元胞

11.11.4麥克斯韋方程組的離散化

11.11.5二階吸收邊界條件

11.11.6完全匹配層邊界條件

11.11.7金屬介電常數避免發散的方法

11.11.8掩模版三維散射的效應： 一維線條/溝槽

11.11.9掩模版三維散射的效應： 二維線端/通孔

11.11.10時域有限差分在極紫外光刻模擬里的應用

11.12嚴格的耦合波分析方法

11.12.1嚴格的耦合波分析方法推導過程

11.12.2嚴格的耦合波分析方法在極紫外光刻的模擬應用

11.13光源掩模協同優化

11.13.1不同光瞳照明條件對掩模版圖形的影響

11.13.2一個交叉互聯圖形的光源掩模協同優化舉例

11.14光刻膠曝光顯影模型

11.14.1一般光刻膠光化學反應的閾值模型

11.14.2改進型整合參數模型

11.14.3光刻膠光酸等效擴散長度在不同技術節點上的列表

11.14.4負顯影光刻膠的模型特點

11.14.5負顯影光刻膠的物理模型

11.15逆光刻模擬算法

11.15.1逆光刻的思想

11.15.2逆光刻的主要算法

11.15.3逆光刻面臨的主要挑戰

11.16其他模擬算法

參考文獻

思考題

第12章光學鄰近效應修正

12.1光學鄰近效應

12.1.1調制傳遞函數

12.1.2禁止周期

12.1.3光學鄰近效應的圖示分析(一維線條/溝槽)

12.1.4照明離軸角和光酸擴散長度對鄰近效應的影響

12.1.5光學鄰近效應在線端線端和線端橫線結構的表現

12.2光學鄰近效應的進一步探討： 密集圖形和孤立圖形

12.3相乾長度的理論和模擬計算結果

12.4基於規則的簡單光學鄰近效應修正方法

12.5基於模型的光學鄰近效應修正中空間像計算的化簡

12.5.1傳輸交叉系數的考布本徵值分解

12.5.2傳輸交叉系數的Yamazoe奇異值分解

12.5.3包含矢量信息的傳輸交叉系數

12.5.4掩模版多邊形圖形的基於邊的分解

12.5.5掩模三維效應計算的區域分解法

12.6基於模型的光學鄰近效應修正： 建模

12.6.1模型的數學表達式和重要參數

12.6.2建模採用的圖形類型

12.6.3類似20nm邏輯電路的前段線條層OPC建模舉例

12.6.4類似20nm邏輯電路的中後段通孔層OPC建模的特點

12.6.5類似20nm邏輯電路的後段溝槽層OPC建模的特點

12.7基於模型的光學鄰近效應修正： 修正程序

12.8光學鄰近效應中的亞分辨輔助圖形的添加

12.8.1基於規則的添加

12.8.2基於模型的添加

12.9基於模型的光學鄰近效應修正： 薄弱點分析和去除

參考文獻

思考題

第13章浸沒式光刻

13.1浸沒式光刻工藝產生的背景

13.2浸沒式光刻機使用的投影物鏡的特點

13.3浸沒式光刻工藝的分辨率提高

13.4浸沒式光刻工藝的工藝窗口提升

13.5浸沒式光刻工藝的新型光刻機的架構改進

13.5.1雙工件台

13.5.2平面光柵板測控的硅片台

13.5.3紫外光源調平系統

13.5.4像素式自定義照明系統(靈活照明系統)

13.6浸沒式光刻工藝的光刻膠

13.6.1最初的頂部隔水塗層

13.6.2自分凝隔水層的光刻膠

13.6.3含有光可分解鹼的光刻膠

13.7浸沒式光刻工藝的光刻材料膜層結構

13.8浸沒式光刻工藝特有的缺陷

13.9浸沒式軌道機的架構

13.10浸沒式光刻的輔助工藝技術

13.10.1多重成像技術的使用

13.10.2負顯影技術

13.11浸沒式光刻工藝的建立

13.11.1光刻工藝研發的一般流程

13.11.2目標設計規則的研究和確認

13.11.3基於設計規則，通過模擬進行初始光源、掩模版類型的選取

13.11.4光刻材料的選取

參考文獻

思考題

第14章光刻工藝的缺陷

14.1旋塗工藝缺陷

14.1.1錶面疏水化處理工藝相關缺陷

14.1.2光刻膠旋塗缺陷

14.1.3洗邊工藝相關缺陷

14.2顯影工藝缺陷

14.2.1材料特性對顯影缺陷的影響

14.2.2顯影模塊硬件特點對顯影缺陷的影響

14.2.3顯影清洗工藝特性與缺陷的關系

14.3其他類型缺陷(前層和環境等影響)

14.3.1化學放大光刻膠的“中毒”現象

14.3.2非化學放大光刻膠的“中毒”現象

14.4浸沒式光刻工藝缺陷

14.4.1浸沒式光刻機最早的專利結構圖

14.4.2浸沒式光刻遇到的常見缺陷分類分析

14.4.3去除浸沒式光刻缺陷的方法

參考文獻

思考題

第15章光刻工藝的線寬控制及改進

15.1光刻線寬均勻性的定義

15.2光刻線寬均勻性的計算方法

15.2.1硅片範圍的線寬均勻性

15.2.2曝光場內的線寬均勻性

15.3光刻線寬均勻性的改進方法

15.3.1批次批次之間均勻性的改進

15.3.2批次內部線寬均勻性的改進

15.3.3硅片內部線寬均勻性的改進

15.3.4曝光場內部線寬均勻性的改進

15.3.5局域線寬均勻性的改進

15.4線寬粗糙度以及改進方法介紹

15.4.1提高空間像對比度

15.4.2提高光刻膠的光化學反應充分度

15.4.3錨點的掩模版偏置選取

15.4.4曝光後烘焙的充分度

15.4.5選擇抗刻蝕能力強的(堅硬的)光刻膠

參考文獻

思考題

第16章光刻工藝的套刻控制及改進

16.1套刻控制的原理和參數

16.2套刻記號的設計和放置

16.2.1套刻記號的種類(歷史、現在)

16.2.2套刻記號的放置方式(切割道、芯片內)

16.3影響套刻精度的因素

16.3.1設備的漂移

16.3.2套刻記號的設計和放置

16.3.3襯底的影響

16.3.4化學機械平坦化研磨料殘留對套刻的影響

16.3.5刻蝕、熱過程工藝可能對套刻記號產生的變形

16.3.6掩模版圖形放置誤差對套刻的影響

16.3.7上、下層掩模版線寬誤差對套刻的擠壓

16.3.8掩模版受熱可能導致的套刻偏差

16.3.9高階套刻偏差的補償——套刻測繪

16.3.10套刻誤差來源分解舉例

16.4套刻/對準樹狀關系

16.4.1間接對準的誤差來源和改進方式

16.4.2光刻機指定硅片工件台(對雙工件台光刻機)和掩模版曝光機

連續出片

16.4.3套刻前饋和反饋

16.4.4混合套刻測量和反饋

參考文獻

思考題

第17章線邊粗糙度和線寬粗糙度

17.1線邊粗糙度和線寬粗糙度概論

17.2線邊粗糙度和線寬粗糙度數據分析方法

17.3影響線邊粗糙度和線寬粗糙度的因素

17.4線邊粗糙度和線寬粗糙度的改善方法

17.5小結

參考文獻

思考題

第18章多重圖形技術

18.1背景

18.2光刻刻蝕、光刻刻蝕方法

18.3圖形的拆分方法——塗色法

18.3.1三角矛盾

18.3.2應用範圍

18.4自對準多重圖形技術

18.4.1自對準多重圖形技術的優點和缺點

18.4.2自對準多重圖形技術的應用範圍

18.5套刻的策略和原理

18.6線寬均勻性的計算和分配

參考文獻

思考題

第19章下一代光刻技術

19.1極紫外光刻技術的發展簡史

19.2極紫外光刻與193nm浸沒式光刻的異同點

19.2.1光刻設備的異同點

19.2.2光刻膠材料的異同點

19.2.3掩模版的異同點

19.2.4光刻工藝的異同點

19.2.5光學鄰近效應的異同點

19.3極紫外技術的進展

19.3.1光源的進展

19.3.2光刻膠的現狀

19.3.3掩模版保護膜的進展

19.3.4錫滴的供應和循環系統的進展 

19.4導向自組裝技術介紹

19.4.1原理介紹

19.4.2類型： 物理限制型外延和化學錶面編碼型外延

19.4.3缺陷的來源和改進

19.4.4圖形設計流程介紹

19.5納米壓印技術介紹

19.6電子束直寫技術介紹

參考文獻

思考題

第20章光刻工藝的工藝窗口標準的發展與未來趨勢

20.1光刻新技術的發展

20.2極紫外技術的局限性

20.3光刻工藝窗口主要參數的發展和趨勢

20.3.1曝光能量寬裕度

20.3.2掩模版誤差因子

20.3.3焦深

20.3.4套刻精度

20.3.5線邊粗糙度/線寬粗糙度

20.4化學放大型光刻膠的等效光酸擴散長度

參考文獻

思考題

第21章光刻技術發展展望

21.1光刻技術繼續發展的幾點展望

21.2光刻技術的發展將促進我國相關技術的發展

附錄A典型光刻工藝測試圖形

附錄B光刻工藝建立過程中測試掩模版的繪制

思考題參考答案

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