光刻技術(shù)（原著第二版）

本書詳細(xì)介紹了半導(dǎo)體芯片制造中的核心技術(shù)——光刻技術(shù)。主要內(nèi)容包括驅(qū)動(dòng)光學(xué)光刻的基本方程和參數(shù)的相關(guān)知識(shí)、曝光系統(tǒng)和成像基礎(chǔ)理論、光刻系統(tǒng)組件、工藝和優(yōu)化技術(shù)等；深入分析了光刻技術(shù)的發(fā)展前景，詳述了浸沒式光刻與極紫外（EUV）光刻。
本書（第二版）特別融合了作者在研究、教學(xué)以及世界級(jí)大批量制造方面的獨(dú)特經(jīng)驗(yàn)，增加了關(guān)于接近式曝光方面的全新內(nèi)容，同時(shí)更新并擴(kuò)展了曝光系統(tǒng)、成像、曝光-離焦（E-D）法、硬件組件、工藝和優(yōu)化以及EUV光刻和浸沒式光刻等方面的資料。
本書可供半導(dǎo)體光刻領(lǐng)域的工程師、管理者以及研究人員閱讀，還可作為高校微電子、光學(xué)工程、集成電路等相關(guān)學(xué)科的參考教材。

★★★★★ 原著作者林本堅(jiān)博士：浸沒式光刻之父、未來(lái)科學(xué)大獎(jiǎng)得主、臺(tái)積電前副總經(jīng)理 ★★★★★ 凝聚林本堅(jiān)博士在半導(dǎo)體芯片制造領(lǐng)域的數(shù)十年大規(guī)模制造的經(jīng)驗(yàn)以及教學(xué)心得 ★★★★★ 一本書完全詳解集成電路光刻技術(shù)，涵蓋接近式、投影式、浸沒式、極紫外光刻

本書第一版于2010年出版。在光刻領(lǐng)域，11年是很長(zhǎng)的一段時(shí)間，但書中許多內(nèi)容仍然經(jīng)得起時(shí)間推移和技術(shù)節(jié)點(diǎn)進(jìn)步的考驗(yàn)。下面是我決定更新本書的原因：
1.這些年來(lái)，我感到欣慰的是實(shí)現(xiàn)了初衷，使本書適合以下讀者：（1）對(duì)技術(shù)職業(yè)發(fā)展感興趣的領(lǐng)域新手；（2）追求更深入技術(shù)的、經(jīng)驗(yàn)豐富的專業(yè)人士；（3）渴望拓寬視野的經(jīng)理和主管。這些讀者紛紛表示，本書對(duì)他們很有幫助，也會(huì)向新讀者推薦這本書。通過(guò)這個(gè)新版本，我希望本書更加有幫助。
2.自2015年11月從臺(tái)積電退休以來(lái)的三年多時(shí)間里，我一直使用本書中的內(nèi)容講授“創(chuàng)新光刻”（Innovative Lithography）課程。我的學(xué)生給了我靈感和熱情來(lái)改進(jìn)和更新本書。
3.光刻技術(shù)的學(xué)習(xí)、實(shí)踐和教學(xué)都很有趣。我再次感到欣慰的是，我將這些知識(shí)保存在一本書中，以便光刻技術(shù)的火炬能夠傳遞。
第二版包含以下更新：
第2章，接近式曝光。這是全新的一章。在大學(xué)和許多研究實(shí)驗(yàn)室，技術(shù)人員需要使用更便宜的設(shè)備制作掩模圖案。因此，盡管關(guān)于接近式成像的出版物并不多，接近式曝光仍然非常流行。本書給出了在接觸區(qū)、近場(chǎng)、中場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)模擬衍射圖像的嚴(yán)格和近似方法，以及這些方法的有效區(qū)域。繪制了來(lái)自鄰近圖像的非直觀的正膠和負(fù)膠圖像。還包括了曝光-間距（E-G）圖（來(lái)自不同作者），用于量化接近式成像。附錄提供了我們（我的兩個(gè)研究生和我）關(guān)于確定有效區(qū)域的近似方法的擴(kuò)展性研究。
第3章，曝光系統(tǒng)。為了補(bǔ)充第一版中描述的復(fù)制圖案的歷史和當(dāng)前曝光系統(tǒng)的覆蓋范圍，添加了一個(gè)細(xì)心繪制的分步圖解，來(lái)說(shuō)明在步進(jìn)掃描系統(tǒng)中的掩模和晶圓運(yùn)動(dòng)過(guò)程，并闡明了投影式曝光系統(tǒng)的成像是鏡像，盡管通常印象是只有接近式曝光系統(tǒng)才能產(chǎn)生鏡像。
第4章，成像。添加了分辨率比例方程和焦深（DOF）比例方程的推導(dǎo)，以及空間頻率、光-光刻膠相互作用和光刻膠圖像顯影的分析；我?guī)缀跬耆貙懥藵赡峥耍╖ernike）多項(xiàng)式的部分，以便光刻工程師更容易掌握其概念。本章中模擬的部分相干圖像亦進(jìn)行了更新。
第5章，曝光-離焦（E-D）法。這一章是永恒的。我提供了如何構(gòu)建E-D樹的詳細(xì)說(shuō)明，并強(qiáng)調(diào)了為什么在強(qiáng)度和曝光方面首選對(duì)數(shù)尺度。引入了“表觀曝光——強(qiáng)度的倒數(shù)”這一術(shù)語(yǔ)，并解釋了其在E-D圖中的應(yīng)用。
第6章，硬件組件。關(guān)于光刻組件的這一章篇幅很大，我添加了一些具有啟發(fā)性的光刻膠顯影現(xiàn)象的示例，以幫助人們可視化光刻膠顯影過(guò)程；也擴(kuò)大了化學(xué)放大光刻膠的覆蓋范圍；還進(jìn)一步豐富了晶圓、晶圓臺(tái)和對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)的內(nèi)容。
第7章，工藝與優(yōu)化。這又是很長(zhǎng)的一章。我添加了關(guān)于離軸照明的、新的、有見地的推導(dǎo)，以及使用冗余數(shù)據(jù)點(diǎn)提取套刻誤差分量的演示，以提高精度。還廣泛討論了多重圖案化，并介紹了雙重圖案化的G規(guī)則。
第8章，浸沒式光刻。本章延續(xù)了第一版對(duì)這項(xiàng)技術(shù)的全面介紹，并展望其可擴(kuò)展性及其對(duì)半導(dǎo)體技術(shù)的影響。給出了分辨率和焦深的最佳比例方程，并闡明了縮小浸沒式系統(tǒng)的數(shù)值孔徑。
第9章，極紫外光刻（EUVL）。我?guī)缀跬耆貙懥诉@一章，這是可以理解的，因?yàn)镋UVL在過(guò)去十年中發(fā)展迅速。鑒于已經(jīng)有其他關(guān)于EUVL的書籍，我確保我的貢獻(xiàn)提供了一個(gè)有價(jià)值的、獨(dú)特的技術(shù)視角。
我省略了關(guān)于多電子束（MEB）直寫的內(nèi)容，以便為將來(lái)的發(fā)展留出了就這一重要主題編寫單本書的可能性。最后，在新版中升級(jí)了彩色圖片。事實(shí)上，第二版中的所有圖片都更現(xiàn)代化。 
我十分感謝我的妻子修慧對(duì)第一版和我整個(gè)人生的支持。2018年，在開始本書修訂工作之前，我們慶祝了結(jié)婚50周年紀(jì)念日。在我撰寫第二版期間，修慧一直是我不可或缺的伙伴，她在我的職業(yè)生涯、家庭生活和精神生活中給予了支持。

林本堅(jiān)
2021年6月

第1章緒論1
1.1光刻在集成電路制造中的作用2
1.2光刻的目標(biāo)3
1.3光刻的度量標(biāo)準(zhǔn)4
1.4本書內(nèi)容介紹4

第2章接近式曝光6
2.1引言6
2.2接近式成像8
2.3各種衍射近似的有效區(qū)域12
2.4鄰近圖像17
2.5E-G圖22
2.6小結(jié)26
參考文獻(xiàn)26

第3章曝光系統(tǒng)28
3.1投影式曝光及其與接近式曝光的比較28
3.2全晶圓視場(chǎng)31
3.3步進(jìn)重復(fù)系統(tǒng)33
3.4步進(jìn)掃描系統(tǒng)35
3.5縮小系統(tǒng)和1×系統(tǒng)39
3.6縮小系統(tǒng)制造的1×掩模40
3.7小結(jié)41
參考文獻(xiàn)41

第4章成像43
4.1空間像43
4.1.1球面波前及其偏差的影響43
4.1.2球面波前44
4.1.3有限數(shù)值孔徑對(duì)球面波前的影響45
4.1.4球面波前的偏差49
4.1.5從掩模圖案成像53
4.1.6空間頻率58
4.1.7成像結(jié)果62
4.2反射和折射圖像66
4.2.1掩模反射和折射圖像的評(píng)估方法66
4.2.2多次反射對(duì)焦深的影響67
4.3潛像68
4.4光刻膠圖像68
4.4.1A、B、C系數(shù) 71
4.4.2集總參數(shù)模型73
4.4.3β與η80
4.5從空間像到光刻膠圖像81
4.6轉(zhuǎn)移圖像82
4.6.1各向同性刻蝕82
4.6.2各向異性刻蝕83
4.6.3剝離83
4.6.4離子注入84
4.6.5電鍍85
參考文獻(xiàn)85

第5章光刻的度量：曝光-離焦（E-D）工具88
5.1分辨率和焦深比例方程88
5.2基于顯微術(shù)測(cè)定k1和k390
5.3基于光刻確定k1、k2和k391
5.3.1E-D分支、樹和區(qū)域91
5.3.2E-D窗口、DOF和曝光裕度 92
5.3.3使用E-D窗口確定k1、k2和k393
5.4k1、k2和k3作為歸一化的橫向和縱向尺寸單位94
5.5E-D工具95
5.5.1構(gòu)建E-D樹95
5.5.2曝光軸使用對(duì)數(shù)比例的重要性98
5.5.3橢圓E-D窗口98
5.5.4CD居中的E-D窗口與全CD范圍的E-D窗口99
5.5.5E-D窗口和CD控制100
5.5.6E-D工具的應(yīng)用101
參考文獻(xiàn)111

第6章光學(xué)光刻的硬件組件113
6.1光源113
6.1.1汞弧燈113
6.1.2準(zhǔn)分子激光器114
6.2照明器118
6.2.1科勒照明系統(tǒng)118
6.2.2離軸照明119
6.2.3任意照明119
6.3掩模119
6.3.1掩模襯底和吸收體121
6.3.2保護(hù)膜121
6.3.3掩模的關(guān)鍵參數(shù)122
6.3.4相移掩模124
6.4成像透鏡130
6.4.1典型透鏡參數(shù)130
6.4.2透鏡配置131
6.4.3透鏡像差133
6.4.4透鏡加工134
6.4.5透鏡維護(hù)134
6.5光刻膠135
6.5.1分類135
6.5.2光與光刻膠的相互作用145
6.5.3顯影的光刻膠圖像149
6.5.4抗反射涂層152
6.6晶圓158
6.7晶圓臺(tái)159
6.8對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)160
6.8.1離軸對(duì)準(zhǔn)和通過(guò)透鏡對(duì)準(zhǔn)161
6.8.2逐場(chǎng)、全局和增強(qiáng)全局對(duì)準(zhǔn)162
6.8.3明場(chǎng)和暗場(chǎng)對(duì)準(zhǔn)163
6.9小結(jié)163
參考文獻(xiàn)163

第7章工藝與優(yōu)化168
7.1曝光機(jī)的優(yōu)化168
7.1.1NA的優(yōu)化168
7.1.2照明的優(yōu)化171
7.1.3曝光和焦點(diǎn)174
7.1.4焦深預(yù)算174
7.1.5曝光機(jī)的產(chǎn)率管理181
7.2光刻膠工藝186
7.2.1光刻膠涂覆186
7.2.2光刻膠烘焙189
7.2.3光刻膠顯影192
7.2.4光刻膠圖像的高寬比194
7.2.5環(huán)境污染195
7.3k1降低195
7.3.1相移掩模195
7.3.2離軸照明204
7.3.3散射條220
7.3.4光學(xué)鄰近效應(yīng)校正225
7.4偏振照明235
7.5多重圖案化235
7.5.1多重圖案化技術(shù)原理235
7.5.2MPT工藝238
7.5.3MPT版圖239
7.5.4雙重圖案化技術(shù)的G規(guī)則240
7.5.5打包-解包技術(shù)241
7.5.6分辨率倍增理論說(shuō)明242
7.5.7MPT的套刻考慮243
7.5.8克服雙重成像的產(chǎn)率損失243
7.6CD均勻性245
7.6.1CD不均勻性分析245
7.6.2CDU的改進(jìn)250
7.7對(duì)準(zhǔn)和套刻252
7.7.1對(duì)準(zhǔn)和套刻標(biāo)記252
7.7.2使用測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)準(zhǔn)253
7.7.3評(píng)估場(chǎng)間和場(chǎng)內(nèi)套刻誤差成分254
參考文獻(xiàn)257

第8章浸沒式光刻261
8.1引言261
8.2浸沒式光刻概述262
8.3分辨率和焦深264
8.3.1波長(zhǎng)縮短和空間頻率264
8.3.2分辨率比例方程和焦深比例方程265
8.3.3使用浸沒式系統(tǒng)改善分辨率和焦深265
8.3.4浸沒式系統(tǒng)中的NA266
8.4多層介質(zhì)的焦深266
8.4.1多層介質(zhì)中的透射和反射266
8.4.2晶圓離焦運(yùn)動(dòng)的影響268
8.4.3衍射焦深270
8.4.4所需焦深271
8.4.5可用焦深271
8.4.6耦合介質(zhì)的首選折射率272
8.4.7分辨率和衍射焦深之間的權(quán)衡273
8.5光學(xué)成像中的偏振274
8.5.1不同偏振的成像274
8.5.2雜散光281
8.6浸沒式系統(tǒng)和組件291
8.6.1浸沒式系統(tǒng)的配置291
8.6.2浸沒介質(zhì)293
8.6.3浸沒透鏡295
8.6.4浸沒介質(zhì)中的氣泡295
8.6.5掩模299
8.6.6亞波長(zhǎng)3D掩模299
8.6.7光刻膠300
8.7浸沒式光刻對(duì)工藝的影響301
8.7.1浸沒式光刻的模擬301
8.7.2多晶硅層303
8.7.3接觸層305
8.7.4金屬層307
8.7.5對(duì)三個(gè)技術(shù)節(jié)點(diǎn)的建議308
8.8浸沒式光刻技術(shù)實(shí)踐309
8.8.1曝光結(jié)果309
8.8.2減少缺陷311
8.8.3監(jiān)測(cè)浸沒罩和特殊路線312
8.8.4其他缺陷減少方案316
8.8.5結(jié)果317
8.9浸沒式光刻的延伸319
8.9.1高折射率材料319
8.9.2固體浸沒式掩模319
8.9.3偏振照明320
8.9.4多重圖案化320
8.10小結(jié)320
參考文獻(xiàn)321

第9章極紫外（EUV）光刻325
9.1引言325
9.2EUV光源328
9.2.1光源功率要求328
9.2.2激光等離子體光源331
9.2.3EUV系統(tǒng)的輸入功率要求332
9.3EUV掩模332
9.3.1EUV掩模的配置333
9.3.2斜入射對(duì)掩模的影響333
9.3.3EUV掩模的制作 337
9.3.4EUV保護(hù)膜338
9.4EUVL分辨率增強(qiáng)技術(shù)339
9.4.1EUV柔性照明339
9.4.2EUV鄰近效應(yīng)校正341
9.4.3EUV多重圖案化341
9.4.4EUV相移掩模341
9.5EUV投影光學(xué)器件345
9.6EUV光刻膠346
9.6.1EUV光刻膠曝光機(jī)制347
9.6.2化學(xué)放大EUV光刻膠348
9.6.3非化學(xué)放大EUV光刻膠349
9.7EUVL的延伸351
9.7.1每個(gè)技術(shù)節(jié)點(diǎn)的光刻膠靈敏度、產(chǎn)率和功率351
9.7.2增加NA353
9.8EUVL小結(jié)354
9.9光刻技術(shù)展望354
參考文獻(xiàn)355

附錄360
附錄A基于光刻應(yīng)用的有效區(qū)域評(píng)估方法360
附錄B中英文術(shù)語(yǔ)367