摘要：隨著微電子產業(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備-***。曝光波長為193nm的投影式***因其技術成熟、曝光線寬可延伸至32nm節(jié)點的優(yōu)勢已成為目前光刻領域的主流設備。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、控制曝光劑量和實現離軸照明，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)光學設計為研究方向，對照明系統(tǒng)關鍵單元進行了光學設計與仿真研究。

首先，根據所用激光光源和照明區(qū)域特性，對照明系統(tǒng)的擴束單元、光束整形單元、勻光單元以及照明物鏡四個關鍵部分的結構形式進行了分析研究，確定了照明系統(tǒng)總體方案。根據照明系統(tǒng)指標要求，計算了各單元的設計參數。

其次，對深紫外照明系統(tǒng)各單元進行了設計仿真，具體內容如下：

分析了激光光束特性，根據照明系統(tǒng)對光斑形狀的要求，采用多組元平行反射鏡擴束單元結構形式，有效降低了加工和裝調難度。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束單元，這種結構使出射光束的均勻性提高了71.3%。

根據***對照明模式的要求，用幾何光學方法設計了軸錐鏡組，實現了環(huán)形照明和四極照明模式，優(yōu)點是結構簡單，部分相干因子可在要求的變化范圍內任意調節(jié)。此外，從物理光學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計方法，實現了各種離軸照明模式。優(yōu)點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，設計了雙排蠅眼透鏡陣列和像方遠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到1.8%、3.0%和3.5%。

為了實現光瞳匹配和減小照明系統(tǒng)放大倍率誤差以及半影效應，用CODEV設計了兩種雙遠心結構照明物鏡，第一種采用單一熔融石英透射材料，物方、像方遠心度分別達到2.2mrad 和2.6mrad。第二種采用非球面透鏡和氟化鈣材料，化簡了物鏡結構，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、像方遠心度分別達到1.5mrad和1.9mrad。

最后，用LIGHTTOOLS軟件對照明系統(tǒng)進行了貫穿仿真分析，結果表明傳統(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70年代出現的集成電路(Integrated Circuit, IC)在誕生之初主要用作信息處理執(zhí)行器件。自出現至今短短幾十年的時間里，受到社會信息化進程的強烈牽引，集成電路先后經歷了小規(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)模集成電路已經成為高技術領域發(fā)展的基石。從衛(wèi)星、火箭等航空航天領域，到雷達、激光制導導彈等國防領域，以及人們日常生活的各個領域都離不開極大規(guī)模集成電路，它不僅是主要的信息處理器件，同時也發(fā)展成為信息存儲的重要載體之一。體現信息存儲能力的動態(tài)隨機存儲器(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，總是以光刻工藝實現更小的 CD 為主要標志。

表1-1信息存儲容量與CD尺寸的關系

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

***所用的曝光波長與CD尺寸的大小有關，如表1-2所示，隨著CD尺寸減小，要求曝光波長越來越短。根據最新國際半導體技術發(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的浸液單曝光技術已經能夠加工45nm線寬的DRAM或微處理器單元(Micro processing unit, MPU)，采用雙曝光技術實現了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系

***基本工作原理是：預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)生化學反應，經過顯影液的清洗，將發(fā)生反應的光刻膠去除，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 準分子激光光源照明系統(tǒng)示意圖

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第7章 總結與展望

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)光學設計為研究方向，對照明系統(tǒng)關鍵單元進行了光學設計與仿真研究，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***常用的Cymer公司ArF準分子激光器為照明光源，根據對照明系統(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)總體設計方案，計算了各單元的設計參數，并對照明系統(tǒng)的關鍵技術單元進行了設計。

審核編輯：湯梓紅