光刻機光強影響因素分析

孫明睿，李 雪，甄萬財

(中國電子科技集團公司第四十五研究所，北京 100176)

光刻機光強影響因素分析

孫明睿，李 雪，甄萬財

(中國電子科技集團公司第四十五研究所，北京 100176)

曝光系統(tǒng)是接觸接近式光刻機的核心部件，系統(tǒng)的曝光強度對光刻工藝有很大的影響。通過對曝光光路系統(tǒng)進行詳細分析，對影響光強的各種因素進行了論述和計算，為進一步改善曝光系統(tǒng)光強指明了方向。

光刻機；曝光系統(tǒng)；曝光強度

光刻機是通過將掩模版上圖形轉(zhuǎn)移到基片的光刻膠上從而實現(xiàn)半導(dǎo)體圖形轉(zhuǎn)移生成的重要半導(dǎo)體工藝設(shè)備，與涂膠、顯影、烘干、刻蝕等工藝步驟相結(jié)合，通過更換不同的掩模版重復(fù)進行類似的光刻過程，最終可以實現(xiàn)復(fù)雜半導(dǎo)體器件的制作。在光刻設(shè)備的部件中，曝光系統(tǒng)是核心部件，通過紫外光的曝光，實現(xiàn)基片與掩模版對應(yīng)位置處的光刻膠感光。在接觸接近式光刻機的曝光系統(tǒng)中，光強受方方面面的因素制約，更高的光強意味著更高的曝光效率和汞燈能量的利用率，提升光強的利用率是提升曝光系統(tǒng)性能的重要組成部分，本文將對影響曝光系統(tǒng)光強的各種光學(xué)因素進行詳細分析，為改善提升曝光系統(tǒng)光強指明方向。

1 曝光系統(tǒng)的光強影響因素分析

光刻機的曝光系統(tǒng)光學(xué)部件包括橢球反射鏡、準直透鏡、復(fù)眼透鏡、場鏡、聚光鏡及轉(zhuǎn)折光路的反射鏡等組成，每一個光學(xué)部件對系統(tǒng)的光強都會或多或少的產(chǎn)生影響。

1.1 橢球反射鏡

圖1為橢球反射鏡聚光示意圖。橢球反射鏡是曝光系統(tǒng)的重要組成部分，將汞燈的發(fā)光點置于橢球碗的前焦點F1上，發(fā)出的光線經(jīng)橢球反射鏡后會聚向另一個焦點F2位置處。橢球反射鏡前后端開口之間部分以焦點F1為中心，與橢球反射鏡兩開口端的連線夾角為橢球反射鏡的包絡(luò)角θ，包絡(luò)角越大，會聚光能越多，為了盡可能會聚更多的光能，要盡可能加大橢球反射鏡的包絡(luò)角，但是橢球反射角后端需要有一個開口，用于引入汞燈的電極及固定汞燈，圖中的陰影區(qū)即為橢球反射鏡后端開口及汞燈陽極后的反射層遮擋造成的逃逸能量區(qū)，前端開口如果過大，超出橢球的半球尺寸時，難以開模加工，因此一般橢球鏡尺寸不會超過橢球半球，從該出口處會發(fā)散逃逸相當一部分能量。

圖1 橢球反射鏡聚光示意圖

將坐標原點置于如圖1所示二維坐標系的橢球反光鏡的左頂點處，球的主截面橢圓公式為：

橢球兩焦點焦距的1/2設(shè)為f，橢球長軸為a，兩個短軸相等，即半球截面為圓形，短軸長度為b，則有：

根據(jù)以上的基礎(chǔ)公式以及橢球反射鏡前后開口的尺寸值可以計算出圖1所示的橢球鏡孔徑角φ1和孔徑角為φ2的值，根據(jù)立體角ω與孔徑角φ的關(guān)系：

可以得到汞燈光能逃逸的立體角值為：

可計算出收集光能占汞燈輻射光能的比例為：

1.2 復(fù)眼鏡組

1.2.1 復(fù)眼鏡組陣列間隙的光能損耗

復(fù)眼鏡組示例如圖2所示，主要是起到細分光束均勻化曝光的作用，通常是用圓形柱體鏡排布成一個六邊形的鏡組陣列，柱體鏡之間的間隙及邊緣的間隙是該部分光能損耗的主要原因，柱體鏡個數(shù)太少，起不到細分均勻光束的作用，個數(shù)太多則會極大地增加成本，如果制作成其他形狀，也會增加制造難度，增加制造成本，柱體鏡對整體通光面積上所占比例α即為復(fù)眼鏡組的光強影響因子系數(shù)1。

1.2.2 復(fù)眼不同視場高度隨視場角的光能損耗

復(fù)眼的排布有一定的口徑范圍，不同的圓周陣列上的復(fù)眼柱體鏡對應(yīng)著不同的視場高度，而不同視場高度處的孔徑角Um'與軸上點孔徑角U'有略微差異，設(shè)EA'為中心視場的照度值，Em'視場邊緣點的照度，EA'∝sin2U'，Em'∝sin2Um'，這種差異一般很小，可以忽略不計。另外，隨視場角ω的余弦值的四次方因子降低，公式為：

圖2 復(fù)眼鏡組分布

圖3為不同視場與孔徑角對光強的影響。

圖3 不同視場與孔徑角對光強的影響

假設(shè)每個復(fù)眼光點能量相同都為i，以圖2所示的復(fù)眼透鏡陣列為例，則復(fù)眼透鏡陣列近似分布在中心和四個圓周上，對掩模板面的曝光疊加光強利用率近似為：

在視場角小于5°的情況下，cosω＞0.996，視場角的影響相對較小。

1.2.3 數(shù)值孔徑的匹配

復(fù)眼透鏡所能覆蓋的照射面積要與前置大透鏡相匹配，一般在適當?shù)那闆r下要加大復(fù)眼透鏡的數(shù)值孔徑，以保證不同視場高度復(fù)眼透鏡的疊加范圍滿足曝光面積的要求，它對光強最終效果有比較大的影響，但這是在設(shè)計之初就已經(jīng)定好的指標要求，一旦確定，系統(tǒng)的均勻曝光面積A大小就已經(jīng)確定了，在光強計算中通過曝光面積A就已經(jīng)體現(xiàn)出來了，在此不再過多論述。

1.3 光學(xué)玻璃的影響

不同的光學(xué)玻璃對不同的光譜透過率是不同的，在紫外區(qū)域，相當一部分光學(xué)玻璃對近紫外波長的透過率衰減很厲害，幾乎所有的光學(xué)玻璃對300 nm以下的波長都是截止的。在設(shè)計曝光系統(tǒng)時，要根據(jù)光刻工藝要求的紫外波長有針對性的選擇光學(xué)玻璃。通常來說，高純度石英玻璃是比較好的選擇，近紫外石英玻璃在近紫外波段沒有明顯的吸收峰，對近紫外波長的透過率基本都能達到90%以上。K9玻璃在350 nm以上的紫外波長透過率可以達到98%，價格也便宜，在滿足工藝要求的高性價比應(yīng)用系統(tǒng)中是一個好的選擇。光學(xué)手冊中玻璃的透過率通常是根據(jù)10 mm厚度玻璃計算的系數(shù)，設(shè)玻璃的厚度為T mm，透過率系數(shù)為τiλ，根據(jù)系統(tǒng)中相應(yīng)的玻璃材料的厚度值及透過率系數(shù)計算透過率τ為：

透鏡在不同口徑處的玻璃厚度不同，通常以中心處玻璃厚度進行計算。

1.4 鍍膜的影響

光路系統(tǒng)中的透射式光學(xué)元件需要鍍增透膜，通常的光學(xué)玻璃表面如果不鍍膜時，單面的反射率一般能達到4%，也就是說透過率只有96%，如果光學(xué)元件比較多，10個透過面后光強只有τ2=0.9610≈0.66，而鍍增透膜后單面透過率τ'可以超過99%，10個透過面后光強為τ2=0.9910≈0.90，透過率大大提升，不會對系統(tǒng)光強衰減產(chǎn)生很大的影響。

光路系統(tǒng)中的反射鏡需要鍍反射膜以增加紫外波長的反射率r，反射膜根據(jù)材料分為介質(zhì)膜和金屬膜，介質(zhì)膜通過在光學(xué)表面上鍍折射率高于基體材料的薄膜或高低折射率的兩種材料交替蒸鍍等實現(xiàn)多光束干涉消除以某一中心波長擴展的透射光，增加反射光的強度。一般金屬都具有很高的消光系數(shù)，鍍金屬膜則使得光束入射到金屬表面時，進入金屬的光振幅迅速衰減，使透射光能減少，反射光能增加，鋁膜在近紫外波段的反射率基本可以達到80%以上，是常用的選擇，但由于金屬在空氣中易于氧化，通常會在金屬膜前加鍍一層SiO2或MgF2保護膜。

無論是介質(zhì)膜還是金屬膜，對波長和入射角度都是有選擇性的，不同的波長和入射角下反射率有時會有較大的差異，還需要根據(jù)具體情況分析其反射效果。

2 曝光系統(tǒng)的光強計算

圖4為曝光系統(tǒng)光路示意圖。

根據(jù)以上曝光系統(tǒng)光強因素分析，在具體的系統(tǒng)中，可以查出和計算出以下參數(shù)：

橢球鏡收集光能比例：S

復(fù)眼鏡組的透光比：α

復(fù)眼鏡組的疊加光強利用率：e

光學(xué)玻璃的透射率：τ1，τ2，τ3，τ4

光學(xué)件的增透膜透射率：τ'

光學(xué)件的反射率：r1，r2，r3

圖5為高壓汞燈通常的光強及光譜分布圖。

高壓汞燈通常不只一個光譜峰值，生產(chǎn)廠家一般都會給出汞燈在某一波長峰值的輻射強度Ie，其發(fā)出的該波長總的輻射通量為φe=Ie×4π，設(shè)曝光面的曝光面積為A，以圖4所示的曝光系統(tǒng)進行計算，則曝光面能得到的曝光強度E_e可近似估算為：

圖5 高壓汞燈通常的光強及光譜分布圖

汞燈在使用時通常不會滿負荷運轉(zhuǎn)，因為會極大地縮短汞燈壽命，計算光強時要根據(jù)汞燈實際功率使用情況作保守估計。另外，在長時間使用后，因為水銀蒸汽揮發(fā)造成汞燈玻殼內(nèi)發(fā)黑，以及曝光光學(xué)系統(tǒng)的污染和膜層老化等原因，都會造成系統(tǒng)光強持續(xù)衰減，在進行具體系統(tǒng)分析時要予以考慮。

3 結(jié) 論

根據(jù)以上分析，一方面可以通過每一個光學(xué)部件的功能、玻璃材料、鍍膜工藝等方面對曝光系統(tǒng)光強影響因素進行比較全面地分析，另一方面還可以進行反推，根據(jù)各種影響因子的影響程度，從設(shè)計、材料、加工、鍍膜等環(huán)節(jié)及相關(guān)參數(shù)對系統(tǒng)進行優(yōu)化提升，結(jié)合仿真軟件與系統(tǒng)實測結(jié)果進行對照，對不準確的地方進行修正，保證系統(tǒng)的性能水平。

[1] 張以謨.應(yīng)用光學(xué)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2010.

[2] 李士賢，李林.光學(xué)設(shè)計手冊[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，1996.

[3] 梁銓廷.物理光學(xué)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2008.

[4] 安連生.應(yīng)用光學(xué)[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，2000.

The Influence Factors Analysis of Mask Aligner's Exposure Intensity

SUN Mingrui，LI Xue，ZHEN Wancai
(The 45thResearch Institute of CETC，Beijing 100176，China)

The exposure system is the key parts of contact aligner and proximity aligner.Exposure intensity has very important influence on photolithography process.In the article exposure system is analyzed detailedly，various factors influencing exposure intensity are discussed and calculated，and also how to improve the intensity of exposure system are pointed out.

Mask aligner；Exposure system；Exposure intensity

TN305.7

B

1004-4507(2017)05-0018-04

2017-08-02

孫明睿（1977～），男，山東淄博人，畢業(yè)于天津大學(xué)，碩士研究生，現(xiàn)主要從事半導(dǎo)體光刻設(shè)備的研究。