alias: 深紫外,DUV,光源,准分子激光,投影式曝光,接近式曝光,接触式曝光,化学增强,CA
tag: 黄光
紫外(UV)光源和深紫外(DUV)光源是目前工业上普遍应用的曝光光源。
![[A=PH=紫外线曝光工艺 image 1.png]]
水银弧光灯光源
在248nm的KrF准分子激光器被应用到DUV光刻之前，光刻系统是使用高压水银灯作为光源。
汞灯内部充有水银气体，在两个电极之间施加高压脉冲，脉冲将会使电极间的气体电离，形成高压水银气的弧光发射，发射一个特征光谱。如果在汞灯内加入一定的氙气，可以提高波长为200～300nm范围的输出能量。
下图显示了汞气的发射光谱。在350～450nm的UV光谱范围内，有三条强而锐利的发射线：
![[A=PH=紫外线曝光工艺 image 2.png]]
i线(365nm)、h线(405nm)和g线(436nm)
通过折射透镜进行分离，就可以得到单一波长的光线。
准分子激光DUV光源
DUV光刻系统中的光源是准分子激光器：
准分子激光原理
准分子：是由一个惰性气体原子和一个卤素原子组成的特殊分子，这种分子只是在激发状态下被约束在一起。如果其中一个或两个原子处在激发态，就可以发生化学反应形成二聚物。
准分子发射DUV光：当准分子中的原子的状态由激发态衰变到基态时，二聚物就分离成两个原子，在衰变的过程中，有DUV能量放射。
KrF准分子激光器
首先是等离子体中产生Kr+和F-离子，然后对Kr+和F-离子气体施加高电压的脉冲，使这些离子结合在一起形成KrF准分子。
在一些准分子开始自发衰变之后，它们发射的光穿过含有准分子的气体时，就会激励这些准分子发生衰变。因此，准分子激光以短脉冲形式发射，而不是连续地发射激光。
只要充以足够高的电压，那么激发、脉冲和激光发射就会重复产生。
可以产生波长为248nm的DUV光线，目前已经成为光刻工艺中的主要光源，应用于0.35μm、0.25μm和0.18μm CMOS技术。
ArF准分子激光器
可以产生波长为193nm的DUV光线，应用于0.2μm 以下的CMOS工艺。
接近式曝光
接近式曝光装置主要由四部分组成：
- 光源和透镜系统
- 掩模版
- 硅片(样品)
- 对准台
汞灯发射的紫外光由透镜变成平行光，平行光通过掩模版后在光刻胶膜上形成图形的像。
掩模版与硅片之间有一小的间隙s，一般为5μm，故称为接近式曝光。
![[A=PH=紫外线曝光工艺 image 3.png]]
接近式曝光的分辨率
在[[A=PH=光刻分辨率]]中我们知道，光学曝光的最高分辨率为1/λ。但在接近式曝光系统中，由于掩模版和硅片间有一小间隙s，必须考虑这种情况下衍射对分辨率的限制。
经过分析，如果像与掩膜版尺寸相同，没有畸变，则接近式曝光系统的最小线宽为
![[A=PH=紫外线曝光工艺 image 4.png]]
因此分辨率为
![[tmp_A=PH=紫外线曝光工艺 image 5.png]]
若s=5μm，λ=400nm，则a=2 μm，R=250线对。实际s>5μm，因此接近式曝光只能用于3 μm以上的工艺。
接触式曝光
接触式曝光系统与接近式相同，唯一的区别是掩模版与硅片是紧密接触，因此接触式曝光的分辨率优于接近式曝光。
接触式是集成电路研究与生产中最早采用的曝光方法，但目前已处于被淘汰的地位，主要原因是掩模版和硅片紧密接触容易引入大量的工艺缺陷，成品率太低。
投影式曝光
投影光刻系统如图所示：
- 光源光线经透镜后变成平行光
- 通过掩模版
- 由第二个透镜系统聚焦投影并在硅片上成像
- 硅片支架和掩模版间有一对准系统
![[tmp_A=PH=紫外线曝光工艺 image 5.png]]
投影式照明系统的作用是收集从弧光灯中射出的光，并使收集的光通过掩模版投射到透镜组的入射光孔中。
光学收集系统：通常为抛物面或椭圆面的镜子，尽可能多地将发射的光波引到需要曝光的硅片表面。
过滤器：将其他波长光过滤，通过投影透镜的就是曝光波长的光线。
光线空间均匀：弧形灯发射光线的空间一致性不够好，照明掩膜要求光强波动小于1％。使用蜂窝状透镜，产生小弧形灯的多重图像，从多重图像射出的光集合在一起，产生一个平均强度，这个平均强度要均匀很多。
投影曝光系统的分辨率及优点
投影曝光系统的分辨率：主要是受衍射限制。
透镜系统能够分辨的最小间隔δy为：
![[tmp_A=PH=紫外线曝光工艺 image 5.png]]
NA为透镜系统的数值孔径，一般为0.2-0.45。
若NA = 0.4，波长 = 400 nm，则δy = 0.61 μm。
投影光刻可以达到亚微米水平,投影光刻已成为3μm以下的主要光刻方法。
离轴照明
离轴照明技术在不改变工作波长、投影物镜的数值孔径与光刻胶工艺的条件下，就能提高光刻分辨率，优化焦深，因而得到了广泛应用。
离轴照明分辨率更高
![[Pasted image 20220808202204.png]]
对于数值孔径一定的投影物镜，当光栅周期太小时，在同轴照明情况下，±1级及更高阶衍射光都被物镜的光阑遮挡，只有0级衍射光进入物镜，0级衍射光不包含任何空间信息，硅片上不能形成掩模的图像。如果采用离轴照明的光线，如图(b)所示，0级和-1级衍射光都可能进入成像系统的光瞳，-1级衍射光包含了掩模图形的空间信息，能在硅片上得到掩模图像。
- 因此离轴照明分辨率更高。什么意思
离轴照明增大焦深
焦深：焦点深度，当焦点对准某一物体时，不仅位于该点平面上的各点都可以看清楚，而且在此平面的上下一定厚度内，也能看得清楚，这个清楚部分的厚度就是焦深。
焦深大, 可以看到物体的全层，焦深小，则只能看到物体的一薄层，焦深与其它技术参数有以下关系：
1．焦深与物镜的数值孔镜成反比，
![[Pasted image 20220808202516.png]]
2．焦深大，分辨率降低。
离轴照明条件下，参与成像的0级与-1级衍射光的夹角小于传统照明条件下成像的± 1级衍射光之间的夹角。因此．要实现相同的光刻分辨率，离轴照明需要较小的NA。由上式可知，与传统照明相比，离轴照明提高了焦深。
扩大调焦范围曝光
扩大调焦范围曝光(FLEX, Focus Latitude Enhancement Exposure )，主要适用于曝光接触孔或通孔时扩展焦深，同时也可以用于曝光硅片表面不平坦引起表面随机变化的区域。FLEX也称为焦点钻孔技术。曝光视场中存在两个焦点，一个位于光刻胶膜中点，一个接近光刻胶膜的顶部表面，每个接触孔形成两个重置的像，一个在焦点上，一个在焦点外，焦点外的像可以在一个宽敞的区域上伸展，其只对焦点上的像产生模糊的背景效果。通过选择曝光焦点可以提高接触孔的聚集深度3至4倍。
化学增强的深紫外光刻胶
对于0.35μm以下的工艺，需要采用深紫外光源，由于树脂和DQN对紫外光的250nm波长都存在强吸收，在DUV区不能很好地使用，这就需要使用==化学增强(CA)==的光刻胶材料。
CA光刻胶的优点：相对较高的光敏度；相比于DQN/树脂光刻胶，CA胶的对比度也较高。
对于0.35μm的工艺，通常会使用混合的光学曝光技术，包括使用i线和248nm的DUV曝光(使用单层的CA光刻胶)。
当器件尺寸达到0.25μm时，就需要完成由i线到248nm深紫外光源的过渡。通过采用相转移技术和多层光刻胶技术，248nm的光刻将会广泛应用到小尺寸器件的制备中去。
下一代193nm的光刻所需要的光刻胶，依然依赖于CA胶。
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