鐘志堅(jiān)，李琛毅，李世光,3*，郭 磊,3，韋亞一

（1.中國(guó)科學(xué)院微電子研究所，北京 100029；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京100049；3.江蘇影速集成電路裝備股份有限公司，無(wú)錫214142）

1 引 言

集成電路(Integrated Circuit,IC)是信息時(shí)代各行各業(yè)快速發(fā)展的基礎(chǔ)。集成電路發(fā)展至今僅有70余年，但一直快速發(fā)展。從1949年晶體管效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)，到1958年世界上第一塊集成電路的搭建，再到國(guó)際先進(jìn)半導(dǎo)體制造工藝在2018年實(shí)現(xiàn)7 nm工藝制程量產(chǎn)、2020年實(shí)現(xiàn)5 nm工藝制程量產(chǎn)[1]，集成電路行業(yè)飛速發(fā)展，晶體管密度逐漸提高。這不僅得益于制造工藝的不斷革新，也得益于生產(chǎn)設(shè)備的改造升級(jí)。早在1965年，英特爾公司的創(chuàng)始人之一戈登.摩爾(Gordon Moore)就提出了著名的摩爾定律[2]：集成電路上的晶體管數(shù)量約每隔24個(gè)月增加一倍。

也正是在摩爾定律的驅(qū)動(dòng)下，集成電路不斷向更小尺度發(fā)展，目前技術(shù)節(jié)點(diǎn)已達(dá)到5 nm及以下。從每一個(gè)技術(shù)節(jié)點(diǎn)到下一個(gè)技術(shù)節(jié)點(diǎn)，器件的關(guān)鍵線寬(Critical Dimension,CD)也會(huì)按0.7倍縮減。集成電路制造的難點(diǎn)在于其復(fù)雜的制造工藝和制造裝備，其中涉及切片、拋光、涂膠、光刻、顯影、刻蝕、切割、封裝等一系列步驟。光刻技術(shù)是半導(dǎo)體行業(yè)的核心技術(shù)之一。光刻的本質(zhì)是利用光化學(xué)原理將掩模版上的圖案轉(zhuǎn)移到襯底上。在這個(gè)過(guò)程中，會(huì)涉及到光源、掩模版、投影物鏡、晶圓、光刻膠、等部件或材料。光刻曝光時(shí)，需要將晶圓送至指定的高度范圍內(nèi)，在該高度范圍內(nèi)，晶圓曝光的質(zhì)量是可以保證的，這個(gè)高度范圍稱為聚焦深度(Depth Of Focus,DOF)。

聚焦深度是衡量光刻工藝窗口質(zhì)量的參數(shù)之一。在制造納米級(jí)集成電路圖形時(shí)，工藝窗口極大地決定了光刻曝光的難易程度。當(dāng)硅片上包含多種特征圖形時(shí)，光刻聚焦深度為所有特征圖形的公共DOF范圍，稱為可用聚焦深度(Usable Depth Of Focus,UDOF）。硅片掃描曝光時(shí)，待曝光區(qū)域超出UDOF將導(dǎo)致成像質(zhì)量變差，產(chǎn)品良率降低，因此必須加以控制。光刻過(guò)程中，控制待曝光區(qū)域在UDOF范圍內(nèi)的過(guò)程稱為聚焦（Focus）或聚焦控制（Focus Control）。在光刻機(jī)的頂層關(guān)鍵功能中，聚焦控制是其中之一，精準(zhǔn)的聚焦控制是保障曝光質(zhì)量、光刻成像質(zhì)量，良好光刻工藝窗口的重要保證[3-4]。根據(jù)ITRS路線圖，對(duì)于7 nm節(jié)點(diǎn)的邏輯器件，其聚焦深度僅為50 nm[5]。在光刻機(jī)這樣的精密設(shè)備中，整機(jī)性能與子系統(tǒng)性能之間存在千絲萬(wàn)縷的聯(lián)系，子系統(tǒng)之間相互制約。聚焦控制精度不僅與光刻機(jī)內(nèi)上百項(xiàng)部件級(jí)別的因素有關(guān)，還與系統(tǒng)控制、光刻工藝、測(cè)量手段、用戶使用狀態(tài)等有關(guān)。50 nm這個(gè)指標(biāo)對(duì)擁有成千上萬(wàn)零部件的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，是極為苛刻的，此時(shí)任何一項(xiàng)誤差因素被忽略或沒(méi)被適當(dāng)控制，都可能導(dǎo)致聚焦深度變小，曝光質(zhì)量變差。只有將這些因素盡可能全面地提取出來(lái)，詳細(xì)分析，并將總的聚焦精度控制在UDOF范圍內(nèi)，才能曝光出滿意的產(chǎn)品。

然而，對(duì)于這樣一個(gè)龐大的系統(tǒng)工程，公開(kāi)文獻(xiàn)中對(duì)此進(jìn)行專題總結(jié)的研究非常少，很多內(nèi)容只是零散地分布在文獻(xiàn)中。目前尚未見(jiàn)到專門(mén)介紹與聚焦控制有關(guān)的聚焦偏移因素和DOF方面的綜述性報(bào)道。本文將盡可能全面地總結(jié)先進(jìn)光刻機(jī)中，光路部分對(duì)聚焦控制產(chǎn)生影響的各種因素，并對(duì)這些因素的研究方法，作用機(jī)理進(jìn)行歸納總結(jié)，最終對(duì)各影響因素提出合理的精度要求，稱為聚焦控制預(yù)算[6-7]，以便為先進(jìn)光刻聚焦控制系統(tǒng)的研究提供有意義的參考。

本文作者將分三篇文章系統(tǒng)介紹先進(jìn)光刻中的若干聚焦偏移因素及其與工藝窗口/DOF的關(guān)系，總結(jié)各種光刻聚焦預(yù)算形式，建立以芯片良率為最終評(píng)價(jià)指標(biāo)的誤差疊加方法。本文側(cè)重總結(jié)EUV光刻機(jī)中，光路部分中導(dǎo)致聚焦偏移和工藝窗口/DOF變化的各種因素，下一篇為非光路和工藝部分的各種因素，第三篇為聚焦預(yù)算形式和誤差疊加方法。

2 先進(jìn)光刻機(jī)中的光路

瑞利判據(jù)(Rayleigh Criterion)[8]告訴人們，晶圓表面清晰成像的兩個(gè)點(diǎn)的最小距離由工藝因子k1，曝光波長(zhǎng)λ，投影物鏡的數(shù)值孔徑NA決定。通過(guò)減小曝光波長(zhǎng)λ，工藝因子k1，或者增大數(shù)值孔徑可以使最小線寬減小，降低技術(shù)節(jié)點(diǎn)。后兩種方案由于物理限制，幾乎已經(jīng)達(dá)到了極限，所以通過(guò)減小曝光光源波長(zhǎng)在光刻技術(shù)發(fā)展史中，一直是科研人員探索的主要方向。光刻機(jī)的曝光波長(zhǎng)經(jīng)歷了從435 nm(G線)、365 nm(I線)、248 nm(KrF)，再發(fā)展到193 nm(ArF)、13.5 nm波長(zhǎng)的極紫外光刻。其中，248 nm的KrF和193 nm的ArF準(zhǔn)分子激光始于上個(gè)世紀(jì)90年代中期，屬于深紫外波段(Deep Ultraviolet,DUV)。荷蘭光刻機(jī)制造公司Advanced Semiconductor Material Lithography(ASML)于2018年生產(chǎn)的193 nm波長(zhǎng)曝光光源的NXT:2000i為目前技術(shù)水平最高的DUV浸沒(méi)式光刻機(jī)。其套刻(Overlay)精度可以達(dá)到1.4 nm[9]。迄今為止最先進(jìn)的量產(chǎn)光刻機(jī)為EUV光刻機(jī)。ASML于2017年生產(chǎn)的EUV光刻機(jī)TWINSCAN NXE:3400B，可支持7 nm和5 nm技術(shù)節(jié)點(diǎn)批量生產(chǎn)，并明確提出了聚焦控制指標(biāo)為60 nm[10]。極紫外光刻機(jī)的光路如圖1所示，包括光源、照明系統(tǒng)、掩模和投影物鏡。其傳播路徑可簡(jiǎn)單概括為：光源發(fā)出的光，經(jīng)過(guò)照明系統(tǒng)后到達(dá)掩模，從掩模反射的光，再通過(guò)投影物鏡成像于硅片上的光刻膠上。

圖1 EUV光刻機(jī)中的光路示意圖[11]Fig.1 Schematic diagram of optical system of EUV lithography machine[11]

由于幾乎所有的光學(xué)材料對(duì)13.5 nm波長(zhǎng)的EUV光都具有很強(qiáng)的吸收，因此EUV光刻機(jī)中的所有光學(xué)元件均采用反射式結(jié)構(gòu)[11]。為了提高反射鏡的反射率，通常會(huì)在反射鏡的表面鍍上多層膜(Mo/Si)，依靠這種結(jié)構(gòu)的相長(zhǎng)干涉(Constructively Interference)來(lái)增大反射率。EUV光刻機(jī)中的照明系統(tǒng)是由一系列反射鏡組成的，通過(guò)若干個(gè)反射鏡形成所需要的照明方式。在EUV光刻中，掩模版也是反射式的，經(jīng)過(guò)掩模版反射的光，攜帶了掩模版上的圖形信息。掩模和晶圓之間的光路稱為投影物鏡(Projection Lens)，也稱為投影光路(Projection Optics)。

由于EUV光的曝光波長(zhǎng)比DUV的更短，且光刻機(jī)的光路部分為反射式，因此部分存在于DUV中的影響因素，在EUV中會(huì)更明顯，例如掩模的三維效應(yīng)(Mask 3D Effect,M3D)。除此之外，還會(huì)出現(xiàn)與DUV系統(tǒng)不同的影響因素，例如反射鏡的結(jié)構(gòu)、多層膜厚、入射出射光錐角度等等。因此，本文將重點(diǎn)關(guān)注EUV光刻，并按照光路部分光的傳播順序，即從光源出發(fā)，經(jīng)過(guò)照明系統(tǒng)到達(dá)掩模，再經(jīng)過(guò)投影物鏡到達(dá)晶圓表面上的光刻膠的順序，一一給出介紹。

3 光源與照明

在光刻機(jī)中，從激光光源發(fā)出的激光光束，在到達(dá)掩模和投影物鏡之前，一般需要經(jīng)過(guò)機(jī)器內(nèi)部的照明系統(tǒng)，照明系統(tǒng)對(duì)光束進(jìn)行擴(kuò)束和均勻化，并可以改變光束方向。其中的光瞳整形單元通過(guò)調(diào)整衍射光學(xué)元件、變焦準(zhǔn)直鏡組和錐形鏡組實(shí)現(xiàn)各種照明方式[12]。簡(jiǎn)而言之，照明系統(tǒng)用于對(duì)光強(qiáng)分布做空間變換，使之以一定的方式照明在掩模上。在實(shí)際工藝中，必須根據(jù)掩模上的圖形來(lái)調(diào)整照明方式，以獲得最大的工藝窗口?？梢哉f(shuō)，照明方式是光刻工藝中最為關(guān)鍵的因素之一，也是實(shí)際應(yīng)用中調(diào)整的最多的參數(shù)之一。

除此之外，光源的偏振態(tài)、帶寬、相干系數(shù)，甚至在EUV中，雜散光也會(huì)對(duì)聚焦控制產(chǎn)生不同程度的影響。

3.1 EUV照明方式對(duì)聚焦控制的影響

在EUV光刻機(jī)中，如ASML NXE:3300能夠?yàn)橛脩籼峁?種照明方式，除了常規(guī)照明(Conventional Illumination)外,還能提供另外6種離軸照明方式[13]。EUV光刻機(jī)的照明方式對(duì)于工藝窗口的影響是顯著的。比利時(shí)微電子的Eric Hendrickx等人采用ASML NXE:3100 EUV光刻機(jī)，實(shí)驗(yàn)研究了采用相同光刻膠，不同光照條件下的DOF[14]，圖2（彩圖見(jiàn)期刊電子版）給出了實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

圖2 NXE:3100在不同光照條件下（常規(guī)，環(huán)形，雙極）獲得的光刻膠圖案的電子顯微照片[14]Fig.2 Electron micrographs of photoresist patterns obtained by NXE:3100 under conventional,circular,dipole illuminations[14]

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，雙極照明可以為22 nm的密集線條提供大于±0.16μm的聚焦深度，而對(duì)于常規(guī)照明，即使曝光27 nm密集線條，在聚焦偏移量為?0.16μm時(shí)也出現(xiàn)了明顯的缺陷。而環(huán)形照明方式的聚焦深度范圍介于常規(guī)照明和雙極照明之間。這表明照明方式是影響聚焦深度大小的一個(gè)因素。

類似的，英特爾的Lee等人研究了EUV系統(tǒng)中不同照明設(shè)置下的DOF大小[15]。他們采用Intel公司的光刻模擬工具I-Photo對(duì)不同照明方式下的工藝窗口進(jìn)行了仿真。并對(duì)比了45 nm和50 nm密集線的仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果。結(jié)果表明，與環(huán)形照明(Annular)相比，雙極照明(Dipole)和四級(jí)照明

(Quadrupole)的DOF更大。該研究還發(fā)現(xiàn)，在環(huán)形照明中，較大的環(huán)形寬度會(huì)有更大的DOF。而雙極照明會(huì)為密集線生成最大的工藝窗口。這進(jìn)一步證明在EUV中，照明方式對(duì)DOF的大小有著顯著的影響。

3.2 光源的其他性質(zhì)對(duì)聚焦控制的影響

光源的相干設(shè)置會(huì)對(duì)光刻曝光的最佳焦點(diǎn)產(chǎn)生影響，這一影響需要聯(lián)系掩模的三維效應(yīng)進(jìn)行討論，將在4.1節(jié)給出。此處僅給出其對(duì)于經(jīng)過(guò)投影透鏡對(duì)晶圓表面成像的理論關(guān)系。葉變換，由于物鏡的尺寸是有限的，不是全部的衍射光都穿過(guò)透鏡，用空間頻率的函數(shù)P=(fx,fy)表示大于一定空間頻率的衍射光束被光瞳擋住，

如果假設(shè)光線由一點(diǎn)發(fā)出，經(jīng)過(guò)投影透鏡后形成平行的光沿著一個(gè)方向照射到掩模上，這便是相干光源。在這種情況下，假設(shè)掩模透射函數(shù)為tm(x,y)，對(duì)于薄掩模，則在不透光區(qū)域近似有tm(x,y)= 0，在透光區(qū)域tm(x,y)=1。 將(x,y)看作掩模平面內(nèi)的坐標(biāo)，(x′,y′)是投影透鏡平面內(nèi)的坐標(biāo)；(u,v)為晶圓表面上的坐標(biāo)。z是掩模到投影透鏡之間的距離；n為掩模和投影透鏡之間介質(zhì)的折射率；E(x,y)是入射在掩模平面上光線的電場(chǎng)強(qiáng)度；衍射圖形在(x′,y′)平面內(nèi)的空間頻率可以定義為fx=nx′/zλ，fy=ny′/zλ。那么薄掩模近似下衍射圖形在(x′,y′)平面內(nèi)的電場(chǎng)強(qiáng)度可以表示為[16]：

這也就是說(shuō)，衍射圖形是掩模上圖形的傅立

則會(huì)聚在晶圓表面上的電場(chǎng)強(qiáng)度可表示為：

式中，F(xiàn)?1表示傅立葉逆變換，晶圓表面的光強(qiáng)分布有I(u,v)=|E(u,v)|2。以上推導(dǎo)都是基于相干光源，實(shí)際情況中，照射在掩模上的光是來(lái)自一個(gè)角度范圍內(nèi)的相干光源，這種照明叫做部分相干照明[17]。部分相干系數(shù)也被定義為：

在σ空間中創(chuàng)建瞳孔坐標(biāo)，則有

光源形狀函數(shù)可以歸一化為

所以

由此可見(jiàn)，在先進(jìn)光刻曝光時(shí)，空間像的強(qiáng)度可以通過(guò)瞳孔坐標(biāo)來(lái)表征，這也表明了空間像的強(qiáng)度與相干因子是相關(guān)的。

需要注意的是，在EUV光刻中，由于采用反射式光路，掩模也采用反射型掩模，因此在掩模處會(huì)形成入射光錐和出射光錐。圖3給出了EUV光刻中出射和入射光錐的兩種狀態(tài)。0.33 NA的EUV光刻可以提供11 nm的分辨率，小于此分辨率的圖形，必須依靠更大數(shù)值孔徑的EUV光刻機(jī)，或者使用0.33 NA的光刻機(jī)進(jìn)行多次曝光[18]。為了實(shí)現(xiàn)大于0.33 NA的EUV光刻機(jī)，其光路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)必須考慮一個(gè)問(wèn)題，即會(huì)聚在掩模上的入射光形成的錐體不能與掩模上反射光形成的錐體有重疊。隨著NA的增大，為了保證入射出射光錐不重疊，只有增大入射角(Chief Ray Angle)，或者是增大縮小倍數(shù)M(掩模和晶圓上的圖形大小之比)，才不至于使得曝光時(shí)產(chǎn)生陰影效應(yīng)(Shadow Effect)。因?yàn)殛幱靶?yīng)將會(huì)導(dǎo)致CD的偏差和對(duì)比度的損失[19]。

圖3 EUV入射光錐與出射光錐的重疊與不重疊狀態(tài)Fig.3 The overlapping and non-overlapping states of the exiting light cone and the incident light cone in EUV

3.3 EUV中的其他潛在影響因素

在DUV中，光源的帶寬、照明的偏振都將引起最佳焦點(diǎn)的偏移。雖然在目前公開(kāi)文獻(xiàn)中暫時(shí)還未發(fā)現(xiàn)EUV中的有關(guān)研究，但由于EUV光刻中，對(duì)激光的輸出脈沖頻率及能量的穩(wěn)定性要求極高，在中間會(huì)聚點(diǎn)處(Intermediate Focus,IF)所要求的大功率，比DUV中的光源要求更為苛刻。因此，DUV中的有關(guān)影響因素具有積極的借鑒意義。以下給出光源的色差和偏振照明在DUV中的影響。

在DUV光學(xué)系統(tǒng)中，由于色差的存在，光源帶寬對(duì)工藝窗口有明顯影響，這是因?yàn)閳D像的形成是各個(gè)波長(zhǎng)疊加的結(jié)果。當(dāng)光源波長(zhǎng)存在有限帶寬時(shí)，圖像疊加會(huì)導(dǎo)致聚焦模糊，從而使對(duì)比度變差。Conley等人對(duì)比了光源帶寬為200 pm和300 pm兩種情況下工藝窗口的變化[20]。結(jié)果顯示，5個(gè)不同的特征圖形在使用較低帶寬時(shí)，聚焦深度都有不同程度的增加。

在早期的光刻成像中，偏振并不是一個(gè)需要考慮的因素，但是當(dāng)掩模上的圖形CD遠(yuǎn)小于曝光光源波長(zhǎng)時(shí)，偏振特性對(duì)于成像的影響必須要考慮，并且有可能需要聯(lián)合掩模的三維效應(yīng)進(jìn)行考慮。ASML的Johannes Ruoff等人進(jìn)行了偏振照明的實(shí)驗(yàn)和仿真分析[21]。仿真采用修正的Kirchhoff模型，即考慮三維效應(yīng)的掩模模型，通過(guò)在掩模側(cè)壁添加擾動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。仿真結(jié)果表明，對(duì)于TM和TE模式偏振光，該擾動(dòng)的幅值和位相不同，從而導(dǎo)致位相差，并最終導(dǎo)致不同偏振光之間最佳焦點(diǎn)的差異。實(shí)驗(yàn)使用Twinscan XT1400光刻機(jī)，掩模上的結(jié)構(gòu)為孤立的180 nm鉻(Cr)線條，使用y向偏振光，并在0.85 NA下曝光了水平和垂直兩種圖樣。結(jié)果顯示偏振引起的最佳焦點(diǎn)的變化為30 nm。當(dāng)曝光劑量增加時(shí)，最佳焦點(diǎn)的差異會(huì)增加。當(dāng)曝光劑量增至45 mJ/cm2時(shí)，最佳焦點(diǎn)偏移達(dá)到了300 nm。

由此可見(jiàn)：(1)考慮掩模三維效應(yīng)時(shí)，不同偏振將引起最佳焦點(diǎn)的變化；(2)同一偏振光，對(duì)于不同方向的線條，也會(huì)引起最佳焦點(diǎn)的變化。在DUV中其量級(jí)可能達(dá)到百納米級(jí)別?？紤]到在EUV中光源波長(zhǎng)更短，與掩模上的金屬材料等作用更加劇烈，因此偏振在EUV中也應(yīng)當(dāng)引起研究人員的重視。上文也提到了掩模的兩種模型，分別為Kirchhoff和考慮三維效應(yīng)的模型。光線經(jīng)過(guò)照明系統(tǒng)后，下一步將經(jīng)過(guò)掩模，下一章節(jié)將對(duì)掩模對(duì)聚焦控制的影響進(jìn)行詳細(xì)介紹。

4 掩模

掩模版(Mask)簡(jiǎn)稱掩模，其上承載有設(shè)計(jì)圖形，光線經(jīng)過(guò)照明系統(tǒng)之后，透過(guò)掩模之后便攜帶了掩模上的圖形信息。EUV中的反射式掩模形式更為復(fù)雜，如圖4所示的，EUV中的掩模，基本結(jié)構(gòu)由5部分組成，分別是：吸收層(Absorber Stack)，覆蓋層(Capping Layer)，多層膜結(jié)構(gòu)(Multilayer Stack)，襯底(Substrate)，導(dǎo)電層(Conductive Layer)。

圖4 EUV掩模結(jié)構(gòu)Fig.4 Structure of EUV mask

EUV掩模結(jié)構(gòu)比DUV掩模結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，又是斜入射照明，掩模在EUV光刻中具有重要研究?jī)r(jià)值。本章節(jié)將從以下幾方面進(jìn)行介紹：(1)通過(guò)理論推導(dǎo)和實(shí)驗(yàn)仿真，重點(diǎn)介紹掩模的三維效應(yīng)及其他方面對(duì)于聚焦控制的影響；(2)如何在實(shí)際中減輕掩模三維效應(yīng)的負(fù)作用；(3)掩模的其他方面的影響。

4.1 EUV光刻中掩模影響聚焦控制的因素

在掩模的實(shí)際生產(chǎn)中，通常需要考慮三維效應(yīng)(Mask 3D Effect,M3D)。掩模三維(Mask 3D)效應(yīng)指的是掩模上的遮光材料與光波相互作用，導(dǎo)致曝光時(shí)最佳焦點(diǎn)隨著圖形的尺寸發(fā)生偏移。這種效應(yīng)，同時(shí)存在于DUV和EUV中。考慮三維效應(yīng)的影響可以很好地從理論上解釋光刻工藝實(shí)際生產(chǎn)中遇到的問(wèn)題。詳細(xì)了解其作用機(jī)理需要經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的三維電磁場(chǎng)計(jì)算來(lái)求解，也就是時(shí)域有限差分分析(Finite Difference Time Domain,FDTD)[22]，但是由于該方法計(jì)算量過(guò)大，不適用于實(shí)際生產(chǎn)中的全版圖設(shè)計(jì)。因此也有二維薄掩模近似，其適用于掩模上的圖形在XY方向的尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于掩模在Z方向上的尺寸的情形。這種近似又被稱作Kirchhoff近似[23]。

如圖5所示，假設(shè)掩模上的一維圖形是光柵線條，入射光以θinc與?θinc的方向射向掩模，入射光電場(chǎng)平行于光柵取向，也就是TE偏振光，這種入射光可以使用對(duì)稱的雙極照明獲得。

圖5 在雙極TE照明下的一維圖形(光柵)成像Fig.5 One-dimensional graphic(grating)imaging under dipole TE illumination

把兩個(gè)非相干的光源在晶圓表面所成的像疊加，并假設(shè)k0=2π/λ，可以得到晶圓表面的光強(qiáng)分布I[24]:

式中，C和a是 常數(shù)，x是晶圓平面內(nèi)的坐標(biāo)，z是晶圓表面的位置高度。sinθd=sinθinc?λ/Pmask，Pmask是掩模上光柵的圖形周期。δ是掩模的三維效應(yīng)所引起的0級(jí)和1級(jí)衍射光之間的相位差，δ與掩模材料和厚度、入射光的方式和角度、以及掩模上的圖形等都有關(guān)系。最佳焦點(diǎn)處滿足?I/?z=0。故可得到：

上式說(shuō)明，最佳焦點(diǎn)除了與掩模上的圖形和光照方向有關(guān)外，還與0級(jí)和1級(jí)衍射光之間的相位差呈線性關(guān)系，這一相位差與掩模的材料、圖形尺寸和密度有關(guān)。有研究表明，當(dāng)不考慮掩模的三維效應(yīng)時(shí)，0級(jí)和1級(jí)衍射光相位差為0，最佳焦點(diǎn)不會(huì)隨著掩模上圖形的尺寸而變化[25]。這一觀點(diǎn)在仿真中也得到了佐證，M.Saied等人分別使用Kirchhoff模型和FDTD模型對(duì)掩模進(jìn)行仿真[26]。在他們的研究中，將最佳焦點(diǎn)定義為空間像中最大對(duì)比度所對(duì)應(yīng)的點(diǎn)，如圖6所示。對(duì)于Kirchhoff模型而言，最佳焦點(diǎn)為常數(shù)，當(dāng)考慮三維掩模效應(yīng)時(shí)，最佳焦點(diǎn)偏移量會(huì)隨著圖形周期(Pitch)的增大而增大。

圖6 Kirchhoff和三維模型下的掩模最佳焦點(diǎn)的偏移情況[26]Fig.6 Best focus shift of the mask with Kirchhoff and the 3D model[26]

Intel的Yan[27]等人在EUV上進(jìn)行仿真，也得到了類似結(jié)果。如圖7所示，對(duì)于初始周期為30 nm的線條，隨著周期的增大，密集線逐漸變?yōu)楣铝⒕€，其最佳焦點(diǎn)偏移量隨著圖形周期的增大而增大。該研究指出，這種現(xiàn)象是由于考慮了掩模的非平面幾何特征，即考慮了三維效應(yīng)。該研究試圖通過(guò)近場(chǎng)衍射來(lái)解釋這種現(xiàn)象，認(rèn)為掩模邊緣的電場(chǎng)分布是來(lái)自在掩模邊緣衍射的光和來(lái)自反射基板的光的組合光。也正是掩模邊緣導(dǎo)致光線產(chǎn)生了額外的振幅和相位偏差，從而導(dǎo)致了最佳焦點(diǎn)隨著圖形周期變化而變化的現(xiàn)象。

圖7 焦點(diǎn)偏移與pitch間的關(guān)系[27]Fig.7 Relationship between focus shift and pitch[27]

為了更好地解釋掩模在二維Kirchhoff近似與考慮三維效應(yīng)下不同的表現(xiàn)，Erdmann使用嚴(yán)格的電磁場(chǎng)理論（Rigorous Diffraction Theory）分析了Cr雙極型掩模上密集線條的三維效應(yīng)，并和Kirchhoff的分析結(jié)果作了對(duì)比[28]。

圖8 是第0級(jí)和第1級(jí)的衍射相位隨掩模圖形周期變化的結(jié)果。其中Rigorous代表掩模三維效應(yīng)曲線。衍射級(jí)的相位是指衍射光束與入射在掩模上光線之間的相位差。計(jì)算時(shí)的仿真條件為：垂直入射光，波長(zhǎng)為248 nm，TE極化，Cr的折射率N=2.5?2.0i，襯底為SiO2。結(jié)果表明，在二維Kirchhoff近似下，衍射級(jí)的光強(qiáng)和相位不隨線條的周期變化，但是在考慮掩模三維效應(yīng)后，隨著線條周期的不斷減小，即線條越密集，相位偏差越大，從而導(dǎo)致最佳焦點(diǎn)的偏移。盡管在此仿真中，使用的是Cr雙極型掩模，但是隨著掩模圖形尺寸的不斷縮小，材料更為復(fù)雜，可以預(yù)見(jiàn)，該結(jié)論仍然具有十分重要的參考意義。

圖8 0級(jí)和1級(jí)的衍射相位隨圖形周期的變化情況[28]Fig.8 Results of diffraction phase of the 0th and 1st order varying with pitch[28]

除此之外，由于用于EUV的掩模結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，由吸收層和多層膜結(jié)構(gòu)組成。有關(guān)研究[29-30]表明在EUV光刻機(jī)成像過(guò)程中，掩模的吸收層也會(huì)導(dǎo)致最佳焦點(diǎn)的偏移。其作用機(jī)理可以概括為以下兩點(diǎn)：(1)光在吸收層與真空界面附近的傳播相對(duì)于不在吸收層附近的光具有不同程度的相位差；(2)由于吸收層/真空介電常數(shù)的失配，也會(huì)導(dǎo)致最佳焦點(diǎn)的偏移。

4.2 改善掩模三維效應(yīng)的措施

為了減輕EUV成像中的掩模三維效應(yīng)，也有科研團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了相關(guān)研究。Erdmann在文獻(xiàn)[31-32]中提出，掩模在EUV中表現(xiàn)出的三維效應(yīng)是由于掩模影響了衍射光的相位，而這種相位差可以綜合近似為光學(xué)系統(tǒng)的像差。也正是這些類似于像差行為的存在，導(dǎo)致成像時(shí)，出現(xiàn)了最佳焦點(diǎn)的偏移和工藝窗口的傾斜。這提示人們，進(jìn)行適當(dāng)?shù)南癫钛a(bǔ)償，也許能夠補(bǔ)償EUV中的掩模三維效應(yīng)。

Haque[33]在研究EUV系統(tǒng)上的三維掩模效應(yīng)時(shí)，提出三維效應(yīng)可以近似為球差，并且可以通過(guò)球差對(duì)三維效應(yīng)導(dǎo)致的最佳焦點(diǎn)偏移進(jìn)行補(bǔ)償。在透鏡上添加?10mλ三 階和+10mλ五階球差，對(duì)于吸收層厚度為45 nm的掩模，最佳焦點(diǎn)偏移20 nm，補(bǔ)償后減小到5 nm。對(duì)于厚度為60 nm和70 nm的吸收層，也達(dá)到了一定的效果。

除此之外，還有添加輔助圖形的方法能夠減輕掩模的三維效應(yīng)。輔助圖形是在進(jìn)行光學(xué)鄰近效應(yīng)校正(OPC)時(shí)，放置在掩模上的一些曝光圖形。它們被放置在稀疏設(shè)計(jì)圖形的周?chē)沟孟∈鑸D形看起來(lái)更密集一些，其作用是為了使適用于密集圖形曝光的光照條件也能適合稀疏圖形的曝光，增大工藝窗口。

比利時(shí)微電子中心Iacopo Mochi聯(lián)合ASML團(tuán)隊(duì)提出[34]，如果使用平面掩模做薄掩模近似，可研究掩模三維效應(yīng)對(duì)于最佳焦點(diǎn)和工藝窗口的影響。仿真設(shè)定為EUV光刻，采用扇形（Quasar）照明，在ASML NXE:3300光刻機(jī)中觀察了輔助圖形對(duì)最佳焦點(diǎn)產(chǎn)生的影響。使用了兩種輔助圖形，分別是對(duì)稱(ASY)的圖形和不對(duì)稱(SYM)的圖形。圖9顯示了周期分別為64 nm和96 nm線條引入輔助圖形前后，最佳焦點(diǎn)和聚焦深度的變化。Y向雙極照明(Y-Dipole)實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，引入輔助圖形之后，兩種線條曝光時(shí)的最佳焦點(diǎn)的變化約為45 nm，并且DOF都有明顯的增加。

圖9 64 nm、96 nm周期線條下的最佳焦點(diǎn)（點(diǎn)）和聚焦深度（柱）[34]Fig.9 Best focus(point)and DOF(bar)of different pitches(64 nm,96 nm)[34]

在早期DUV下的三維掩模效應(yīng)中，也有相關(guān)學(xué)者提出了改善措施。ASML的Anita Bouma等人[35]在研究中指出，掩模吸收層的有限厚度對(duì)不同特征的最佳焦點(diǎn)有顯著影響。這是因?yàn)槲詹牧系挠邢藓穸葘?dǎo)致衍射級(jí)的附加相位分配。對(duì)具有不同折射率n的幾種材料的仿真結(jié)果顯示，當(dāng)光程n·d接近波長(zhǎng)(193 nm)時(shí)，聚焦深度將變得很小。如果光程在某一最佳吸收層厚度范圍內(nèi)，聚焦深度就會(huì)增大。因此，光刻工藝制備掩模時(shí)，通過(guò)微調(diào)吸收層厚度可能會(huì)改善聚焦深度。在早期的DUV浸沒(méi)式光刻機(jī)NXT:1950i中，ASML搭載FlexWave模塊，該模塊放置在投影物鏡瞳孔平面附近，通過(guò)局部加熱改變光程，調(diào)整波前相位，可以減輕掩模三維效應(yīng)[36]。

4.3 EUV中掩模的其他影響因素

除去三維效應(yīng)之外，掩模在光刻機(jī)中會(huì)通過(guò)卡盤(pán)(Chuck)緊緊吸附在曝光光路中，有關(guān)報(bào)道顯示，掩?？ūP(pán)對(duì)掩模的吸附會(huì)引起掩模的局部或整體變形。如圖10所示，由于卡盤(pán)導(dǎo)致的掩模彎曲引起了在Z向上的高度變化，進(jìn)而引起了最佳焦點(diǎn)的偏移。這種偏移如果不進(jìn)行校準(zhǔn)，將會(huì)超過(guò)100 nm。由此引起的最佳焦點(diǎn)偏移，可以利用空間像傳感器(Aerial Image Sensor,AIS)進(jìn)行標(biāo)定以消除[37]。

圖10 掩模彎曲對(duì)聚焦偏移的影響[37]Fig.10 Effect of mask bending on focus shift[37]

在EUV光刻中，掩模的模型也具有特殊性。如圖11所示，照射在EUV掩模上主光線的入射角是6°，這使得當(dāng)掩模在垂直方向(Z)上發(fā)生聚焦偏移（Off-focus）時(shí)，成像位置將沿水平方向移動(dòng)(X/Y)。掩模的聚焦偏移將會(huì)導(dǎo)致晶圓上圖像成像的偏移。由于EUV采用斜入射光線角照射反射型掩模，其將存在與采用折反式光路的DUV不同的影響因素。ASML的Peng Liu[38]等人通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)表明，EUV投影物鏡系統(tǒng)的非遠(yuǎn)心性要求掩模處在一個(gè)最佳焦平面上，以減小圖形偏移。并且，EUV掩模必須采用傾斜入射光線照射，因此，掩模側(cè)的遠(yuǎn)心條件不再滿足，在這種情況下，掩模離焦的影響不能忽略。遺憾的是，該研究只是定性給出最佳焦點(diǎn)的偏移與掩模上圖案形狀具有相關(guān)性，但卻未給出定量的結(jié)論。

圖11 EUV光刻機(jī)中的掩模聚焦偏移Fig.11 Mask defocus of EUV lithography machine

從上述內(nèi)容中可以看出，在EUV光刻中，掩模的三維效應(yīng)是導(dǎo)致最佳焦點(diǎn)產(chǎn)生偏移的主要因素，另外，吸收層的厚度和材料也會(huì)影響最佳焦點(diǎn)的偏移。

要改善EUV光刻中的三維掩模效應(yīng)，可采用以下措施：(1)補(bǔ)償相應(yīng)的像差；(2)使用輔助圖形；(3)雖然暫無(wú)EUV中，調(diào)整吸收層厚度的報(bào)道，但已有EUV中掩模吸收層厚度影響最佳焦點(diǎn)的例子，或許可借鑒DUV中微調(diào)吸收層厚度這一措施。除此之外，掩模自身的卡盤(pán)和離焦也是潛在的影響因素，需要引起重視。

5 投影物鏡

光線經(jīng)過(guò)掩模之后，進(jìn)入到投影物鏡中。如第二章節(jié)所述，EUV的投影物鏡由數(shù)個(gè)反射鏡構(gòu)成。本章節(jié)將對(duì)投影物鏡中影響聚焦控制的因素進(jìn)行介紹。

5.1 像差

鏡頭的像差有兩種表征方式，一種是澤尼克像差，另一種是賽德?tīng)栂癫睢Ｔ诠饪虣C(jī)中，投影物鏡產(chǎn)生的最佳焦點(diǎn)偏移歸根結(jié)底是由于像差造成的。像差的大小可以用光曈位置處實(shí)際波面偏離理想波面的光程差（Optical Path Difference,OPD）表示，該OPD通常分解為Zernike多項(xiàng)式，如下：

其中，Zm(ρ,θ) 是Zernike多項(xiàng)式，Cm是Zernike系數(shù)(m=1,2,3……)，(ρ,θ)是出瞳處(Z0)平面的極坐標(biāo)。圖12表 示 了Zm(ρ,θ)的 空 間 分 布，在Zm(ρ,θ)圖中，m=0,2,4…代表偶數(shù)像差，m=1,3…代表奇數(shù)像差。對(duì)于偶數(shù)項(xiàng)像差，它是X和Y方向?qū)ΨQ的，它的存在會(huì)導(dǎo)致聚焦的偏移，使CD出現(xiàn)偏差。奇數(shù)項(xiàng)像差只沿X或Y方向?qū)ΨQ，它的存在會(huì)導(dǎo)致圖形沿X或Y方向移動(dòng)，會(huì)形成圖形在晶圓上的放置誤差（Placement Error）[39-40]。為了達(dá)到最佳的聚焦效果，必須有效降低投影物鏡的偶數(shù)像差。

圖12 澤尼克多項(xiàng)式[41]Fig.12 Zernike polynomials[41]

圖12 中，每一個(gè)圖樣代表了該像差對(duì)成像的影響。例如最右側(cè)的Z9表征的是球差，球差的存在使得成像對(duì)比度在對(duì)稱點(diǎn)處不同。這意味著最佳焦點(diǎn)偏移將會(huì)導(dǎo)致晶圓上的線寬發(fā)生變化。鏡頭像差的另一種表征方式是賽德?tīng)栂癫?，它指光線通過(guò)鏡頭實(shí)際的追跡結(jié)果與近軸光線追跡結(jié)果的偏差。圖13給出了像散與場(chǎng)曲對(duì)UDOF的影響[42]。

圖13 像散與場(chǎng)曲對(duì)UDOF的影響[42]Fig.13 Effects of astigmatism and field curvature on UDOF[42]

場(chǎng)曲使得各個(gè)視場(chǎng)聚焦不同，像散則使X、Y方向的圖形聚焦不同，兩者共同作用，使UDOF大幅減小。相比于Zernike多項(xiàng)式，它可以更方便地表征與視場(chǎng)有關(guān)的像差，例如場(chǎng)曲、畸變等。

5.2 投影物鏡熱效應(yīng)

投影物鏡的熱效應(yīng)，在先進(jìn)光刻機(jī)中的影響同樣顯著。一個(gè)明顯的影響是，它將引起附加波像差，惡化成像質(zhì)量，必須加以有效控制[43]。圖14為鏡頭熱效應(yīng)示意圖，衍射光束透過(guò)掩模之后，被投影光學(xué)系統(tǒng)收集會(huì)聚在晶圓表面。

圖14 曝光導(dǎo)致的透鏡熱效應(yīng)Fig.14 Lens heating caused by exposure

在這個(gè)過(guò)程中，透鏡吸收的光使得透鏡局部溫度升高，這將導(dǎo)致兩個(gè)后果：一個(gè)是投影透鏡材料膨脹，從而改變光學(xué)系統(tǒng)局部形狀；另一個(gè)是改變了光學(xué)系統(tǒng)的折射率等光學(xué)參數(shù)。受熱透鏡與冷透鏡形成的波前不同，這將引起附加像差，進(jìn)一步損失工藝窗口。由此可知，投影物鏡中，由于各類像差的存在，將導(dǎo)致聚焦深度減小，而投影物鏡的熱效應(yīng)同樣會(huì)導(dǎo)致波前誤差，也可看作是像差的一種。因此，應(yīng)用波前校正能夠改善聚焦深度[44]，圖15（彩圖見(jiàn)期刊電子版）給出了一個(gè)例子。

圖15 (a)波前校正前的(b)波前校正后公共聚焦深度[44]Fig.15 Common UDOFs(a)without and(b)with appling wavefront[44]

圖15 (彩圖見(jiàn)期刊電子版)給出了波前校正前后，周期分別為90、100、110、120 nm的特征圖形的工藝窗口。其中，紅色橢圓區(qū)域代表波前校正前后，它們共同的工藝窗口，而該橢圓區(qū)域?qū)?yīng)的最大聚焦值范圍，則為可用聚焦深度。通過(guò)應(yīng)用波前校正，聚焦深度由92 nm增至了109 nm。

ASML提出了一個(gè)透鏡熱效應(yīng)導(dǎo)致的焦點(diǎn)偏移的公式[45]：

其中，F(xiàn)(t)表示投影物鏡由于熱效應(yīng)導(dǎo)致的最佳焦點(diǎn)變化，T表示掩模透射系數(shù)，S表示掩模遮蔽面積，Q表示強(qiáng)度，t表示曝光時(shí)間，μ1，μ2表示修正比例系數(shù)，τ1，τ2為時(shí)間常數(shù)。在Ho[45]等人的實(shí)驗(yàn)中，最佳焦點(diǎn)偏移F(t)由FOCAL所確定，然后導(dǎo)出修正系數(shù)μ1和μ2。FOCAL是ASML公司采用的通過(guò)對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)讀取的FOCAL標(biāo)記，確定曝光系統(tǒng)最佳焦點(diǎn)的測(cè)試方法[46]。Cui[47]指出，該模型還需要考慮硅片表面反射、減反膜等。熱效應(yīng)還依賴于照明設(shè)置，例如數(shù)值孔徑，Sigma設(shè)置等。在諸多文獻(xiàn)[45,48]中，最佳焦點(diǎn)偏移用CD變化間接表示。Cheng等人[49]測(cè)試了8個(gè)硅片上、一個(gè)曝光場(chǎng)（Field）內(nèi)7個(gè)曝光點(diǎn)處由于熱效應(yīng)造成的CD變化。結(jié)果顯示，不同硅片上、一個(gè)曝光場(chǎng)內(nèi)不同位置處的CD值不同，但趨勢(shì)基本相同，在曝光場(chǎng)中心位置有較小的CD，邊緣處的CD逐漸增大。這意味著，透鏡熱效應(yīng)導(dǎo)致硅片的邊緣處有較大的最佳焦點(diǎn)偏移。

5.3 雜散光和物鏡制備

DUV光刻機(jī)的光學(xué)系統(tǒng)由很多透鏡和光瞳組成，EUV主要的部件則是反射鏡，其上還鍍有增強(qiáng)反射的反射膜。這些精密光學(xué)元件存在著很多的界面，這些界面上的折射，或者表面粗糙度和玻璃不均勻性都會(huì)導(dǎo)致雜散光(Flare)的出現(xiàn)。因此，在EUV中，雜散光也是一個(gè)影響曝光系統(tǒng)聚焦控制的重要因素。Sang Hun Lee等人[50]提出在EUV光刻中，雜散光對(duì)整個(gè)工藝窗口有著重大影響。如圖16所示，令透鏡像差固定為0.75 nm RMS，當(dāng)雜散光小于10%時(shí)，雜散光對(duì)UDOF的影響較小，且隨雜散光的變化UDOF的變化幅度較小。當(dāng)而當(dāng)雜散光大于10%時(shí)，UDOF隨雜散光的增大迅速下降。當(dāng)雜散光達(dá)到20%時(shí)，相較于10%的雜散光，UDOF減少了130 nm。

圖16 雜散光對(duì)聚焦深度的影響[50]Fig.16 Effect of flare on depth of focus[50]

除了投影物鏡的像差外，鏡片上多層膜制備工藝也可能引起像差。文獻(xiàn)[51]指出，優(yōu)化EUV反射率后的Mo/Si多層膜的應(yīng)力通常為?420 MPa（壓縮），Mo/Be多層膜的應(yīng)力為+330 MPa（拉伸），這么大的薄膜應(yīng)力足以使EUV投影光學(xué)系統(tǒng)產(chǎn)生圖形變形。采用非晶硅和Mo/Be緩沖層（Buffer Layer）的非熱緩沖層技術(shù)，Mo/Be和Mo/Si多層膜凈應(yīng)力可以接近于零，而反射率損失小于1%。

綜上所述，投影物鏡最主要的影響因素在于像差。除了光學(xué)像差外，物鏡在光線傳輸時(shí)的熱效應(yīng)，同樣導(dǎo)致波前的變化，物鏡上的多層膜，也將引起像差或者類似像差的現(xiàn)象。像差的存在導(dǎo)致聚焦深度減小，最佳焦點(diǎn)偏移。而這可以通過(guò)應(yīng)用波前校正來(lái)改善。此外，雜散光也會(huì)導(dǎo)致聚焦深度的明顯減小。

6 光刻膠及光路聯(lián)合優(yōu)化

以上章節(jié)均單獨(dú)分析了先進(jìn)光刻機(jī)中光學(xué)系統(tǒng)各個(gè)部分對(duì)最佳焦點(diǎn)和聚焦深度的影響，事實(shí)上，最終的最佳焦點(diǎn)和聚焦深度是所有這些部分綜合作用的結(jié)果，因此光路各部分通常需進(jìn)行聯(lián)合優(yōu)化，有時(shí)還會(huì)加上光刻膠的影響。

6.1 綜合考慮光刻膠的三維效應(yīng)的影響

有關(guān)研究表明，類似的，光刻膠也有三維效應(yīng)[52]。如圖17所示，入射到光刻膠表面的光束，會(huì)發(fā)生折射，不同入射角對(duì)應(yīng)的折射角不同，匯聚于光刻膠內(nèi)的不同位置。

圖17 光刻膠三維效應(yīng)導(dǎo)致最佳焦點(diǎn)偏移Fig.17 Best focus shift caused by resist 3D effect

這種由于光刻膠折射導(dǎo)致的最佳焦點(diǎn)的不同與光刻膠的光學(xué)參數(shù)(n,k)有關(guān)，對(duì)于1.35 NA的光刻工藝以及折射率n為1.7的光刻膠，最佳焦點(diǎn)偏移已經(jīng)接近25 nm左右。在20 nm邏輯技術(shù)節(jié)點(diǎn)，關(guān)鍵光刻層的最大DOF僅僅在100 nm左右，25 nm的最佳焦點(diǎn)偏移不能忽略。

6.2 綜合考慮光源、掩模的影響

綜合考慮光源和掩模的影響，也叫做光源與掩模的協(xié)同優(yōu)化(Source Mask Optimization,SMO)。它是一項(xiàng)為整機(jī)設(shè)計(jì)提供頂層光學(xué)計(jì)算模型的技術(shù)。在實(shí)際的生產(chǎn)工藝中，照明方式應(yīng)該根據(jù)掩模上的圖形來(lái)設(shè)置，以便為所有圖形提供最大的工藝窗口。通過(guò)SMO進(jìn)行計(jì)算的包括光源形狀和光強(qiáng)分布，通常又稱為光源圖(Source Map)。這種光源圖通常不再是前文介紹的規(guī)則照明方式(環(huán)形、雙極等)，而是像素式的光照，也稱之為自由形式光照(Freeform Illumination)[53]。這意味著照明中每一個(gè)像素處的光照都是可以調(diào)整的。

有關(guān)團(tuán)隊(duì)研究了EUV中的光源掩模協(xié)同優(yōu)化[54]，針對(duì)EUV中的特殊效應(yīng)例如反射型掩模、反射型光路，引入了掩模三維效應(yīng)。針對(duì)掩模離焦導(dǎo)致晶圓上成像偏移這一情況，通過(guò)SMO引入非對(duì)稱照明，從而保證了掩模離焦時(shí)，成像不發(fā)生偏移。中芯國(guó)際的吳強(qiáng)對(duì)14 nm技術(shù)節(jié)點(diǎn)的SMO進(jìn)行了研究[55]。在該技術(shù)節(jié)點(diǎn)下，利用明場(chǎng)照明，結(jié)合衰減相移掩模（Attenuated Phase Shift Mask,Att-PSM）能夠有效地改善工藝窗口。類似的，三星的Jia提出掩模的三維效應(yīng)需要聯(lián)合照明方式來(lái)討論[56]。在不同照明方式下，掩?？煞譃榱裂谀：桶笛谀?。實(shí)驗(yàn)表明，雖然亮掩模導(dǎo)致的透鏡熱效應(yīng)很明顯，但其掩模的三維效應(yīng)并不明顯。而暗掩模正好相反，暗掩模不會(huì)導(dǎo)致透鏡的熱效應(yīng)，然而其掩模的三維效應(yīng)卻非常明顯。如圖18所示的，當(dāng)掩模上圖形的線寬不變(50 nm)時(shí)，隨著圖形周期的不斷增大，亮掩模上不同圖形的最佳焦點(diǎn)非常接近，而暗掩模上不同圖形的最佳焦點(diǎn)變化較大。

圖18 亮掩模和暗掩模上不同圖形的最佳焦點(diǎn)[56]Fig.18 Best focus through pitch on bright and dark mask[56]

SMO的目的是計(jì)算最佳照明方式，而光學(xué)鄰近效應(yīng)修正(Optical Proximity Correction,OPC)則是對(duì)掩模上的圖形進(jìn)行修改，以得到最大的工藝窗口。顯然OPC的結(jié)果與SMO是相關(guān)聯(lián)的。為了保證工藝窗口足夠大，如果OPC不夠理想，則可通過(guò)SMO使用較復(fù)雜的照明來(lái)補(bǔ)償。同樣，如果光刻機(jī)不具備先進(jìn)的照明系統(tǒng)，則可以使用較復(fù)雜的OPC模型對(duì)掩模進(jìn)行設(shè)計(jì)，以達(dá)到補(bǔ)償?shù)哪康摹?/p>

7 總結(jié)與展望

在光刻機(jī)研發(fā)過(guò)程中，為了保證研制出的系統(tǒng)滿足預(yù)期性能需求，需要進(jìn)行指標(biāo)預(yù)算，預(yù)測(cè)系統(tǒng)的工作性能。這一過(guò)程非常重要，它是確保研制出來(lái)的系統(tǒng)不會(huì)出現(xiàn)設(shè)計(jì)（過(guò)設(shè)計(jì)或者欠設(shè)計(jì)）方面問(wèn)題的關(guān)鍵。光刻機(jī)是一臺(tái)由成千上萬(wàn)的零部件構(gòu)成的整機(jī)，我國(guó)目前正在研發(fā)攻關(guān)的先進(jìn)光刻機(jī)，要求的聚焦精度不斷縮小。因此，明確關(guān)鍵子系統(tǒng)中影響聚焦控制精度的重要因素，提出聚焦控制指標(biāo)中所能允許的該因素導(dǎo)致的最大誤差范圍，才能滿足越來(lái)越小的聚焦預(yù)算空間。這可以降低研發(fā)過(guò)程中潛在的設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)，也是當(dāng)前最前沿的光刻技術(shù)背景的要求。

在最先進(jìn)的量產(chǎn)光刻機(jī)——EUV光刻機(jī)中，影響光刻聚焦精度的因素很多，光路部分的光源、照明光路、掩模、投影光路和光刻膠均對(duì)其產(chǎn)生影響，按照光路順序，涉及到的影響項(xiàng)有：光源的照明方式、激光帶寬和偏振態(tài)，掩模的受熱變形、三維效應(yīng)、吸收層和自身聚焦偏移，掩?？ūP(pán)的平整度，投影光路的像差、熱效應(yīng)、雜散光和鍍膜，以及光刻膠的三維效應(yīng)等。其中，掩模的三維效應(yīng)是一個(gè)重要因素。鑒于上述內(nèi)容，結(jié)合當(dāng)前業(yè)界發(fā)展趨勢(shì)，為了提高先進(jìn)光刻中的聚焦控制精度，在光路設(shè)計(jì)時(shí)，可通過(guò)以下方式進(jìn)行提升：

(1)投影物鏡系統(tǒng)中，固有像差及熱效應(yīng)導(dǎo)致的額外像差，可通過(guò)波前校正進(jìn)行補(bǔ)償，并能有效增大聚焦深度；

(2)為了降低掩模的三維效應(yīng)，可以通過(guò)添加輔助圖形，或者優(yōu)化掩模制備材料的光學(xué)參數(shù)和光刻膠的化學(xué)參數(shù)。另外，由于影響因素之間存在關(guān)聯(lián)，例如掩模對(duì)聚焦的影響實(shí)際是掩模對(duì)光位相的影響，因此，該影響可與投影物鏡像差統(tǒng)一考慮，進(jìn)行補(bǔ)償；

(3)在實(shí)際開(kāi)發(fā)中，考慮到某一影響可能并不是獨(dú)立作用的，因此從光學(xué)仿真方面可提出以下兩點(diǎn)意見(jiàn)：

第一、考慮EUV波段的掩模三維效應(yīng)時(shí)，利用光源-掩模協(xié)同優(yōu)化(SMO)技術(shù)，不斷貼近最佳模型。該技術(shù)優(yōu)勢(shì)在于其像素式的光照分布能夠使用一個(gè)參考光照條件作為起點(diǎn)，不斷迭代到新的照明方式，提供最大的工藝窗口。

第二、通過(guò)光學(xué)鄰近效應(yīng)校正(OPC)指導(dǎo)掩模圖形設(shè)計(jì)，SMO是找到最佳照明方式，OPC則是優(yōu)化掩模圖形設(shè)計(jì)，并聯(lián)合與工藝窗口相關(guān)的OPC(Process Window OPC,PWOPC)，通過(guò)分析經(jīng)OPC修正后的圖形，可快速地發(fā)現(xiàn)哪些圖形的聚焦深度較小。

當(dāng)然，現(xiàn)在此工作還存在著需要完善的部分，這也是將來(lái)前進(jìn)的方向。例如，每一項(xiàng)影響聚焦控制因素的具體作用模型尚不明晰，不同因素間之間的聯(lián)合作用仍需深入研究。這些問(wèn)題涉及的技術(shù)難度大，瓶頸多，可借鑒的資料少，對(duì)于我國(guó)的光刻技術(shù)發(fā)展是一大挑戰(zhàn)。但同時(shí)也要看到，在EUV光刻研發(fā)方面，中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所承擔(dān)的國(guó)家科技重大專項(xiàng)項(xiàng)目“極紫外光刻關(guān)鍵技術(shù)研究”順利通過(guò)驗(yàn)收[57]，并研制出了高性能的投影曝光裝置，可滿足線寬32 nm的需求。近日，清華大學(xué)團(tuán)隊(duì)報(bào)告了一種新型粒子加速器光源“穩(wěn)態(tài)微聚束”的首個(gè)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)[58]，有望為EUV光刻光源提供新的技術(shù)路線，這也給國(guó)內(nèi)光刻機(jī)研發(fā)提升了信心。雖然說(shuō)我國(guó)在設(shè)備產(chǎn)品方面與國(guó)外頂尖光刻機(jī)制造廠商還存在著較大差距。但相信只要不斷學(xué)習(xí)借鑒國(guó)內(nèi)外同行優(yōu)秀技術(shù)，組織科研團(tuán)隊(duì)扎實(shí)研究，就一定能在核心技術(shù)上取得創(chuàng)新和突破，為解決“卡脖子”問(wèn)題提供助力。