03-光刻机结构及工作原理1.ppt

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1、电子工业专用设备,主讲教师：刘世元教授 吴懿平教授 办公电话：87548116 移动电话：13986163191 电子邮件：,机械学院先进制造大楼B310 武汉光电国家实验室B102,讲授内容,第一讲：微电子制造工艺流程（回顾） 第二讲：微电子制造装备概述 光刻工艺及基本原理 第三讲：光刻机结构及工作原理(1) 第四讲：光刻机结构及工作原理(2),上讲内容：完整的IC制造工艺流程,上讲内容：微电子制造装备概述,加法工艺,减法工艺,图形转移工艺,辅助工艺,掺杂 扩散 离子注入 薄膜 氧化 化学气相淀积 溅射 外延 刻蚀 湿法刻蚀 干法刻蚀 抛光及清洗 化学机械平坦化 清洗 图形转移 光刻 测试及

2、封装 测试 封装,后道工艺,扩散炉 离子注入机 退火炉,氧化炉 CVD反应炉 溅射镀膜机 外延设备,湿法刻蚀机 反应离子刻蚀机,光刻机 涂胶显影设备,CMP抛光机 硅片清洗机,测试设备 划片机 键合机,上讲内容：光刻工艺流程,光刻工艺的8个基本步骤,气相成底膜,旋转涂胶,软烘,对准和曝光,曝光后烘焙,显影,坚膜烘焙,显影检查,上讲内容：光刻与光刻机,对准和曝光在光刻机(Lithography Tool)内进行。 其它工艺在涂胶显影机(Track)上进行。,本讲内容：光刻机结构及工作原理,光刻机简介 光刻机结构及工作原理,光刻机简介,* 微电子装备 芯片设计能力 芯片制造与制造设备 芯片测试与测

3、试设备 设备是信息产业的源头： 我们开发设备、设备制造芯片、芯片构成器件、器件改变世界！,光刻机简介,* 摩尔定律 Intel 创始人之一摩尔1964年提出，大约每隔12个月： 1). 芯片能力增加一倍、芯片价格降低一倍； 2). 广大用户的福音、行业人员的噩梦。 芯片集成密度不断提升、光刻分辨率的不断提升！,* 2006国际半导体技术路线图(ITRS) 原理研究 样机研发 产品量产 持续改进,光刻机简介,* 光刻机的作用 光刻机是微电子装备的龙头 技术难度最高 单台成本最大 决定集成密度 光刻机是源头中的龙头！,光刻机简介,光刻工艺流程,光刻机简介,Lithography = Transfe

4、r the pattern of circuitry from a mask onto a wafer.,* 对准曝光工作流程,光刻机简介,光刻机简介,光刻机简介,Development of lithography system,* 光刻机发展路线图1,光刻机简介,* 光刻机发展路线图2,光刻机简介,光刻机三巨头,光刻机简介,光刻机原理,Reticle (Mask) Wafer Light Lens Photoresist,wafer,die,Image (on reticle),Image (on wafer),光刻机原理,硅片(wafer),单晶硅芯棒直径可达300mm,长度可达30fe

5、et (9m)，重量可达400kg。 用金刚石锯，将芯棒切成薄圆片，即晶片(wafer)。,标准晶片尺寸和厚度为： 100mm (4”) x 500m 150mm (6”) x 750 m 200mm (8”) x 1mm 300mm (12”) x 750m,硅片,Wafer type: SEMI JEIDA Diameter： 8 inch - 200mm 12 inch 300mm Notch：Y/N Flat edge length Clearance Round Flat,SEMI = Semiconductor Equipment and Materials Internation

6、al JEIDA = Japan Electronic Industries Development Association,光刻机重要评价指标,CD Line width（线宽） Overlay（套刻精度） Field size（场尺寸） Throughput（生产率）,Y,Wph,CD = Critical Dimension,光刻机重要设计指标,* 光刻机 (汞灯),光刻机总体结构,* 光刻机 (激光器),光刻机总体结构,Step and Scan System,193 nm Excimer Laser Source,Computer Console,Exposure Column (L

7、ens),Wafer,Reticle (Mask),光刻机总体结构,自动对准系统,投影物镜系统,框架减振系统,掩模传输系统,调平调焦测量系统,照明系统,工件台系统,掩模台系统,硅片传输系统,环境控制系统,整机控制系统,整机软件系统,光刻机结构及工作原理,曝光系统 (照明系统和投影物镜) 工件台掩模台系统 自动对准系统 调焦调平测量系统 掩模传输系统 硅片传输系统 环境控制系统 整机框架及减振系统 整机控制系统 整机软件系统,光刻机结构：曝光系统,* 曝光系统 激光器/汞灯 提供光源 照明系统 均匀照明掩模 投影物镜 高分辨率成像,光刻机结构：曝光系统,* 曝光系统总体结构,光刻机结构：曝光系统

8、,* 曝光系统工作原理,光刻机结构：曝光系统,* 曝光系统结构1,光刻机结构：曝光系统,* 曝光系统结构2,光刻机结构：曝光系统,* 曝光波长 汞灯：g-Line (453 nm)、h-Line (405 nm)、i-Line (365 nm) 准分子激光器：KrF (248 nm)、ArF (193 nm)、F2 (157 nm) 极紫外光源：EUV (13 nm) 曝光波长影响 光源技术：中心波长、光谱带宽、输出功率 光学系统：光学设计、光学材料、光学镀膜 光刻工艺：光刻胶、工艺参数,光刻机结构原理：曝光系统,* 汞灯光源,光刻机结构：曝光系统,* 激光器 中心波长193.365 nm 波

9、长带宽0.3 pm 脉冲频率4000 Hz 脉冲能量5 mJ 输出功率20 W,光刻机结构：曝光系统,* 离轴照明,光刻机结构：曝光系统,顶部模块 (Top Modular),光刻机结构：曝光系统,* 刀口狭缝Slit,光刻机结构：曝光系统,* 投影物镜,典型的投影物镜： - 30 块镜片 - 60 个光学表面 - 0.8m 最大直径 - 500kg 重量,wafer,v,v,v,v,v,v,v,Objective lens,reticle,Condenser lens,Light source,Aperture stop,光刻机工作原理：成像原理Imaging Principle: Opti

10、cal Projection,Imaging Principle: Fourier Optics,object,Projection Lens Entrance Pupil,NA = Numerical Aperture = Angular Measure of Lens Size,(wafer),(reticle),Image,Definition of Numerical Aperture (NA),Diffraction,Illumination of a Periodic Grating,n = order #,n = 0,n = -/+1,n = -/+3,Diffraction O

11、rders,n = 0,n = 1,n = 3,Reticle level,Wafer level,DC bias,Resist,Zero and +1st order waveform,Zero and 3rd order waveform,Diffraction Orders,Zero order waveform,Recombination of Orders,A grating diffracts the light in orders. The orders contain information about the pattern on the grating. A lens ca

12、n recombine the orders to form an image of the wafer.,-5,-7,+7,+5,sum,+,First order,Third order,Recombination of Orders,Zero order,Recombination of Orders,Image,Fourier Coefficients,-3 -1 0 +1 +3,Zero order,Criterion to Form an Image,Only the zero order is not enough to form an image. (there is only

13、 a “DC level”) There must be at least two orders captured by the lens. This is also known as Abbe theorem.,Diffraction in & Recombination of Orders,The grating (mask) transverse the light into orders. The lens captures these orders to form an image.,-1,+1,0,-3,+3,Depth of Focus (1),Image in focus. D

14、epth of Focus (DOF): the area near the focus plane where the orders are near enough to give constructive interference.,Depth of Focus (2),0th Order,Long wavelength,Short wavelength,Resolution: The smallest printable lines,NA,0,Resolution: Coherent Illumination,R,No imaging!,+1 0-1,+1 0 -1,Lithograph

15、y resolution & depth of focus,光刻机原理：分辨率,光刻分辨率影响因素,曝光波长 l 数值孔径 NA 工艺系数 k1,照明光源（减小波长l),i-line,h-line,g-line,e-line,浸液式光刻（提高NA),数值孔径 浸液技术,分辨率增强技术,RET = Resolution Enhancement Technique = 分辨率增强技术 离轴照明 (方向） 相移掩模 (相位) 光学校正 (强度),照明与掩模,传统照明 环形照明 二极照明 四极照明 二元掩模 移相掩模 光学校正,Partial Coherent Illumination,Optical

16、 projection in Lithography,s = partial coherence factor = effective source filling factor in the projection optics pupil,Beyond the Resolution Limit,No imaging,Imaging!,s,s = fraction of pupil that is filled with zeroth order,NA,Coherent,Partial Coherence,+1 0-1,+1 0 -1,+1 0 -1,+1 0 -1,NA = 0.70, s

17、= 0.85/0.55,120nm,Best Focus,110nm,120nm and 110nm Dense Lines using Binary Mask,wafer,-2 order,-1 order,+2 order,+1 order,0 order,reticle,lens,Conventional Illuminationresolution limits,Linewidth = 90nm Linewidth = 65nm Linewidth = 45nm,Illuminator,同轴照明,离轴照明,Introduction to Mask,Mask components,普通铬

18、掩模,移相掩模,移相掩模 (PSM, Phase Shifting Mask),光学临近效应校正OPC,OPC种类,Mask版图设计,设计目标版图,OPC后版图,实际掩模,曝光图形,步进光刻机原理,Stepper,步进光刻机原理,扫描光刻机原理,Scanner,扫描光刻机原理,Stepper,Scanner,曝光视场与投影镜头视场,曝光剂量控制,投影物镜波像差,波像差(Wavefront Aberration)是指经过投影物镜后的实际波面与理想波面之间的光程差,典型的投影物镜： - 30 块镜片 - 60 个光学表面 - 0.8m 最大直径 - 500kg 重量,波像差是衡量投影物镜性能的重要

19、指标！,波像差的Zernike多项式表示,As polynomial expansion: Zernike polynomials: fn(, ) Zernike coefficients: Zn,Intention of Wavefront Metrology (1) On-line measurement (2) Measure Zernike coefficients up to Z37 (3) Suitable to partial coherent illumination,Effect of aberrations All aberrations: Reduction of contrast Even aberrations: Axial image shift Axial asymmetries Odd aberrations: Lateral image shift Lateral asymmetries,Odd aberration,Even aberration,Measurement process of the novel technique,Agreement between input and measured wavefronts,