摘要：隨著微電子產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，我國迫切需要研制極大規(guī)模集成電路的加工設(shè)備-***。曝光波長為193nm的投影式***因其技術(shù)成熟、曝光線寬可延伸至32nm節(jié)點(diǎn)的優(yōu)勢已成為目前光刻領(lǐng)域的主流設(shè)備。照明系統(tǒng)是***的重要組成部分，其主要作用是提供高均勻性照明、控制曝光劑量和實(shí)現(xiàn)離軸照明，以提高光刻分辨率和增大焦深。論文以深紫外光刻照明系統(tǒng)光學(xué)設(shè)計(jì)為研究方向，對照明系統(tǒng)關(guān)鍵單元進(jìn)行了光學(xué)設(shè)計(jì)與仿真研究。

首先，根據(jù)所用激光光源和照明區(qū)域特性，對照明系統(tǒng)的擴(kuò)束單元、光束整形單元、勻光單元以及照明物鏡四個關(guān)鍵部分的結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行了分析研究，確定了照明系統(tǒng)總體方案。根據(jù)照明系統(tǒng)指標(biāo)要求，計(jì)算了各單元的設(shè)計(jì)參數(shù)。

其次，對深紫外照明系統(tǒng)各單元進(jìn)行了設(shè)計(jì)仿真，具體內(nèi)容如下：

分析了激光光束特性，根據(jù)照明系統(tǒng)對光斑形狀的要求，采用多組元平行反射鏡擴(kuò)束單元結(jié)構(gòu)形式，有效降低了加工和裝調(diào)難度。此外，為了提高照明均勻性，采用子光束疊加的方法，提出了非平行雙反射鏡擴(kuò)束單元，這種結(jié)構(gòu)使出射光束的均勻性提高了71.3%。

根據(jù)***對照明模式的要求，用幾何光學(xué)方法設(shè)計(jì)了軸錐鏡組，實(shí)現(xiàn)了環(huán)形照明和四極照明模式，優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，部分相干因子可在要求的變化范圍內(nèi)任意調(diào)節(jié)。此外，從物理光學(xué)角度提出了基于平面波角譜理論的光束整形衍射元件的設(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)了各種離軸照明模式。優(yōu)點(diǎn)是有效降低了近場衍射的仿真誤差。最后將衍射元件與軸錐鏡組合構(gòu)成了照明系統(tǒng)光束整形單元。

為了滿足照明系統(tǒng)的高均勻性要求，設(shè)計(jì)了雙排蠅眼透鏡陣列和像方遠(yuǎn)心聚光鏡組合的勻光單元，建模分析了各種照明模式的勻光效果，傳統(tǒng)照明、環(huán)形照明和四極照明均勻性分別達(dá)到1.8%、3.0%和3.5%。

為了實(shí)現(xiàn)光瞳匹配和減小照明系統(tǒng)放大倍率誤差以及半影效應(yīng)，用CODEV設(shè)計(jì)了兩種雙遠(yuǎn)心結(jié)構(gòu)照明物鏡，第一種采用單一熔融石英透射材料，物方、像方遠(yuǎn)心度分別達(dá)到2.2mrad 和2.6mrad。第二種采用非球面透鏡和氟化鈣材料，化簡了物鏡結(jié)構(gòu)，并采用了優(yōu)化入射角度的方法降低了非球面照明物鏡公差靈敏度。物方、像方遠(yuǎn)心度分別達(dá)到1.5mrad和1.9mrad。

最后，用LIGHTTOOLS軟件對照明系統(tǒng)進(jìn)行了貫穿仿真分析，結(jié)果表明傳統(tǒng)照明、環(huán)形照明和四極照明模式下掩模面均勻性分別為2.2%、3.4%和 4%，掩模面上傳統(tǒng)照明和離軸照明的遠(yuǎn)心度分別為2.6mrad和2.8mrad。

第1章 緒論

1.1 研究背景及意義

上世紀(jì)70年代出現(xiàn)的集成電路(Integrated Circuit, IC)在誕生之初主要用作信息處理執(zhí)行器件。自出現(xiàn)至今短短幾十年的時(shí)間里，受到社會信息化進(jìn)程的強(qiáng)烈牽引，集成電路先后經(jīng)歷了小規(guī)模、超大規(guī)模直至極大規(guī)模等幾個發(fā)展階段，極大規(guī)模集成電路已經(jīng)成為高技術(shù)領(lǐng)域發(fā)展的基石。從衛(wèi)星、火箭等航空航天領(lǐng)域，到雷達(dá)、激光制導(dǎo)導(dǎo)彈等國防領(lǐng)域，以及人們?nèi)粘Ｉ畹母鱾€領(lǐng)域都離不開極大規(guī)模集成電路，它不僅是主要的信息處理器件，同時(shí)也發(fā)展成為信息存儲的重要載體之一。體現(xiàn)信息存儲能力的動態(tài)隨機(jī)存儲器(Dynamic Random Access Memory, DRAM)的存儲容量與集成電路芯片最小特征線寬(Critical Dimension,CD)之間的關(guān)系如表 1-1 所示。由表可見，減小 CD 尺寸是提高存儲能力的主要手段。新一代集成電路的出現(xiàn)，總是以光刻工藝實(shí)現(xiàn)更小的 CD 為主要標(biāo)志。

表1-1信息存儲容量與CD尺寸的關(guān)系

加工制造集成電路的設(shè)備很多，***是目前技術(shù)最成熟的設(shè)備。除了***，還有DNA技術(shù)將碳納米管、硅納米線等微小零部件集成到芯片上以實(shí)現(xiàn)比光刻設(shè)備加工的CD尺寸更小的集成電路的制備，該設(shè)備到2010年將能加工22nm以下節(jié)點(diǎn)的集成電路芯片，不過這種方法仍有許多技術(shù)瓶頸有待突破。

***所用的曝光波長與CD尺寸的大小有關(guān)，如表1-2所示，隨著CD尺寸減小，要求曝光波長越來越短。根據(jù)最新國際半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展路線圖(International Technology Roadmap for Semiconductors,ITRS)2009，光刻系統(tǒng)采用曝光波長為193nm的浸液單曝光技術(shù)已經(jīng)能夠加工45nm線寬的DRAM或微處理器單元(Micro processing unit, MPU)，采用雙曝光技術(shù)實(shí)現(xiàn)了32nm線寬集成電路芯片的制備。

表1-2 CD尺寸與曝光波長的關(guān)系

***基本工作原理是：預(yù)先制備出集成電路芯片的母板-掩模板(mask)。在掩模板表面均勻鍍一層金屬鉻，經(jīng)過曝光、刻蝕和去除等工藝使掩模板上密布著集成電路線條圖案。在待加工的硅片上均勻涂一層光刻膠。光源經(jīng)由光刻照明系統(tǒng)均勻照射到掩模上，投影物鏡將掩模板上的線條圖案成像在硅片上。硅片上的入射光束與光刻膠發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，經(jīng)過顯影液的清洗，將發(fā)生反應(yīng)的光刻膠去除，即可在硅片上得到掩模板集成電路線條圖案，完成投影曝光。

圖1-10 準(zhǔn)分子激光光源照明系統(tǒng)示意圖

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第7章 總結(jié)與展望

論文在深入論證和分析了深紫外光刻照明系統(tǒng)的功能、基本組成和發(fā)展趨勢之后，以深紫外光刻照明系統(tǒng)光學(xué)設(shè)計(jì)為研究方向，對照明系統(tǒng)關(guān)鍵單元進(jìn)行了光學(xué)設(shè)計(jì)與仿真研究，這對我國開展 193nm 投影式***的研制具有重要意義。

本文以國際上90nm節(jié)點(diǎn)***常用的Cymer公司ArF準(zhǔn)分子激光器為照明光源，根據(jù)對照明系統(tǒng)掩模面尺寸、照明均勻性以及各種離軸照明模式的要求，確定了照明系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案，計(jì)算了各單元的設(shè)計(jì)參數(shù)，并對照明系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)單元進(jìn)行了設(shè)計(jì)。

審核編輯：湯梓紅