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编者寄语： 掩模光学光刻就是将掩模上的几何图形转移到涂在半导体晶圆表面的光敏薄层材料-光刻胶上的工艺过程。为了产生电路图形，还需要再一次把光刻胶上的图形转移到光刻胶下面的组成集成电路器件的各层上去，就是刻蚀。相移掩模、光学邻近效应校正、离轴照明等方法能弥补光学曝光的不足，其他无掩模式光刻方法也用来完成纳米级的集成电路制造；如电子束曝光、X射线曝光、离子束曝光。 正文： 1.光学光刻-掩模和光刻胶 1.1 洁净室 由于空气中的尘埃粒子会落到半导体晶圆和光刻掩模上，致使器件中产生缺陷，导致集成电路失效，因此洁净室是必需的。 制造集成电路的大多数工艺区域要求100级（空气中每立方米内直径大于等于0.5μm的尘埃粒子总数不超过约3500）洁净室，在光刻区域，洁净室要求10级或更高。
进入洁净室前需要清除身上细小灰尘 图源：Sanken Electric1.2 光刻胶 光刻这个步骤中，首先是涂光刻胶：
涂光刻胶的过程：
将光刻胶涂在晶圆上，并让晶圆高速旋转，使光刻胶均匀分布 图源：Sanken Electric
光刻胶是一种对辐射敏感的化合物，分为正胶和负胶。正胶的曝光部分在显影时更易溶于溶剂而被去掉，所得的图图像与掩模上的相同。负胶的曝光部分在显影时更不易被溶解，因此所得图形与掩模上的相反。
图(a)给出了典型的曝光反应曲线与正胶图像的截面图。光刻胶即使没有曝光，在显影液中也有一定的可溶性。随着曝光能量的增加，可溶性逐渐增加，达到阈值能量Er后，光刻胶完全可溶。图(b)负胶同理。 由于存在衍射，光刻胶图像边缘一般不在掩模图像边缘的垂直投影位置上，而是在吸收的光能总量等于阈值能量Er的位置上。 1.3 掩模 集成电路制造所用的掩模通常是缩小倍数的掩模。制作掩模是用电子束曝光系统将图形直接转移到对电子束敏感的掩模上。 掩模由镀铬玻璃板组成。电路图形首先被转移到对电子敏感的掩模上，再被转移到下面的镀铬层上，最终得到需要的掩模。 一块掩模上的图形代表了集成电路设计中的一层。综合的布局布线图按照集成电路制造对应的工序分成若干块掩模层，例如隔离区是一层，栅极区是另一层等。一般一个完整的集成电路工艺流程需要15~20层不同的掩模。
图源：维基百科
2.光学光刻-曝光 2.1 遮蔽式曝光（接触式曝光、接近式曝光）：
有两种基本的光学曝光方法：遮蔽式(shadow)曝光与投影式(projection)曝光。遮蔽式曝光可分为两种：掩模和晶圆直接接触，称为接触式曝光；掩模和晶圆非常靠近但不接触，称为接近式曝光。
图(a)为接触式曝光。涂了光刻胶的晶圆与掩模直接接触，分辨率可达1μm。但是，当掩模与晶圆接触时，晶圆上的尘埃粒子或硅渣会嵌入掩模，对掩模造成永久性损伤，使随后使用它曝光的每个晶圆上都留下缺陷。 要把掩模的受损程度减至最小，可采用接近式曝光，如图(b)所示：曝光时在掩模与晶圆之间有一个小的间隙(10~50μm)。这个小间隙使掩模图形边缘处形成光学衍射，即在光通过不透明掩模图形边缘时，形成一些干涉条纹，有一些光进入阴影区，使分辨率降到2~5μm范围。 在遮蔽式曝光中，可以达到的最小线宽CD(critical dimension，也称临界尺寸）约为
因此，减小λ(曝光所用的光波波长)与g(掩模与晶圆之间的距离，包括光刻胶的厚度)都是有利的。 当λ＝0.4 μm,g=50 μm时，临界尺寸CD为4.5 um。若λ降到0.25μm（波长为0.2~0.3μm的光属于紫外光谱区）,g减小到15μm，则CD降为2μm。然而，在距离g给定后，直径大于g的尘埃粒子仍能造成掩模的损伤。 2.2 投影式曝光
为了克服遮蔽式曝光的掩模损伤问题，出现了投影式曝光设备：
此类设备可将掩模上的图形投影到距离掩模几厘米远的涂有光刻胶的晶圆上。每次只曝光掩模的一小部分，然后移至下一个芯片位置曝光，用扫描或分步重复的方法使小面积图形布满整个晶圆。
图源：Sanken Electric 重点：分辨率的影响因素有哪些： 投影时，当掩模上的尺寸比光的粒子性质大，效果就很好。但在较小的尺寸下，即掩模上的尺寸与光的波长相当，衍射效应占主导地位，即光的波动性。
艾里斑(Airy disk)是点光源通过衍射受限成像时，由于衍射而在焦点处形成的光斑。
艾里斑(Airy disk) 最中心的圆的直径为1.22λf/d。那么掩模上2个很紧邻的特征会发生什么？
成像面上的A'和B'是否可分辨呢？这就引出了瑞利判据： 考虑衍射情况下的艾里斑，当2个物点过于靠近，则不可分辨；当一个物点正处在另一个物点的艾里斑的第一个暗环位置时，称为刚刚好可分辨的状态：
依据瑞利判据，有了投影系统分辨率(线宽)的公式： lm=k1 · λ / NA λ为曝光波长。
k1为工艺参数，包含光学邻近效应、光刻胶的化学成分、光刻系统的温度等多个参数。 NA为数值孔径，由下式给出： NA=nsinθ
其中，n为成像介质的折射率，θ为光线在晶圆处汇聚成点像时的锥体顶角的一半
从分辨率公式 lm=k1 · λ / NA 可知，要提高分辨率，可以减小λ 、减小k1或增大NA。从上图也可以看到，θ的增大虽然会增大NA，但是也会让焦深DOF减小。 瑞利判据还有第二个限制条件是针对焦深DOF(δ)做出的，即：
3.光学光刻-提高分辨率 3.1 减小λ：从436nm到13.5nm
图源：整理自《半导体制造工艺基础》、《极紫外光刻》
3.2 增大NA 根据公式 NA=nsinθ 可知，NA由透镜的接收角和透镜周围介质的折射率决定。所以，有两个方向可以增大NA： (1)优化镜片(改变sinθ) 在曝光波长缩短的同时，镜头设计的改进也导致曝光系统镜头的数值孔径(NA)得到改善，见图 。在八十年代中期，NA 值约为 0.4 ，后来248nm 曝光系统的 NA 大于 0.8。使用空气作为透镜和晶圆之间介质的曝光系统的 NA 物理极限为 1，实际极限约为 0.9. (2)改变介质(折射率)--浸没式光刻 NA 由透镜的接收角和透镜周围介质的折射率决定。基于空气的系统的物理限制是明确的，但如果用具有更高折射率的介质代替空气呢？多年来，显微镜一直在镜头和所观察的样品之间使用油来提高分辨率，令人惊讶的是，半导体行业花了很长时间才考虑用替代品替代空气。
3.3 减小K1：相移掩模、光学邻近效应矫正、离轴照明、双重曝光
(1)相移掩膜 PSM 相移掩模(phase-shifting mask)原理如图:
传统的掩模，每个缝隙处电场的相位都相同，如图(a）所示。光学系统的衍射与分辨率的限制使得晶圆上的电场分布散开，如图中虚线所示。 相邻缝隙处的衍射波相互干涉，增强了两者之间的电场。由于光强度I与电场的平方成正比，因此，若两个图形靠得很近，经过投影后就很难分辨了。将相移层覆盖在相邻缝隙处，则可以使其电场方向相反，如图（b）所示。 因为掩模上的光强度未改变，晶圆上图形的电场可被抵消，所以两个靠得很近的图形也可以清晰地分辨。180°的相位变化可以通过在缝隙处添加一个厚度为d＝λ／2(n-1)的透明层得到，其中n是折射系数，λ是波长。 (2)光学邻近效应矫正 OPC 光学邻近效应校正(optical proximity correction)是通过采用对邻近区域修正过的图形来提高图像的质量，可用于在一定程度上补偿衍射效应。 例如，若接近分辨率极限的方形接触孔刻出来像一个圆孔，则可在掩模方形接触孔的拐角处对图形进行修正，使它刻出来成为一个准确的方孔。
OPC还分为基于规则和基于模型两种：
(3)离轴照明 离轴照明即光源不在轴上：
“离轴照明”允许捕获一些高阶衍射光，从信息光学的观点看，掩模图形经投影物镜成像时，由于投影物镜的数值孔径有限，高频部分不能进入光瞳对成像无贡献，使硅片面上的掩模像的对比度降低，影响成像质量。 由于0级衍射光不包含掩模图形的任何空间调制信息，所以要对掩模图形成像至少要包含1级衍射光。在投影曝光系统中掩模图形的空间像的对比度依赖于投影物镜中参与成像的1级衍射光的比例。 离轴照明技术通过降低成像光束中的低频成分来提高高频成分在总光强中的比例从而提高了空间像的对比度，同时还可以提高焦深。
在IC工业中，仅收集m=0和+1（或-1）级衍射光。无需二阶。上图左边仅仅收集到了0阶衍射光，右边有了离轴照明后，可以收集到0阶和1阶衍射光。 离轴照明的形式有多种，比如下图中的环形照明和四极照明：
四极照明：对于线/空间图案最有效（取决于线方向，最适合垂直或水平线/空间图案），对于孤立特征效果较差。 环形照明：分辨率增强较少，但与方向无关。 (4)双重曝光
双重曝光是将掩模上的图案分成两个掩模，从而使特征之间有更大的分离。使用两个掩模将光刻胶曝光两次。
双重曝光的另一个优势是：同一布局中的不同特征（如不同颜色所示）可能需要不同的照明，因此需要不同的曝光。
图源：维基百科
虽然水平线和垂直线可以使用普通的四极照明（蓝色）来解决，但 45 度方向会受到影响，因为它们需要完全不同的四极照明（红色）。因此，要包括所有这些情况，需要单独曝光。
从光学光刻的原理可知，减小光源波长可以提高分辨率。所以光学光刻经历了从436nm到365nm、248nm，再到193nm的过程，那么极紫外光刻系统为什么会选择13.5nm？极紫外光刻EUV系统为什么会选用全反射式的，而不是之前几代的折射透镜方式？ 1. EUV光刻的选择--简述 EUV光刻为什么是全反射式的？ 所有材料对波长小于40nm的光吸收都很强。对于折射透镜中透镜元件的典型厚度的固体，EUV光的透射率实际上为0。这就排除了EUV光刻曝光系统采用折射式或折反式光学设计的可能性。 EUV光源为什么是13.5nm？ EUV的反射镜依赖的是多层膜技术，多层膜考虑了多种因素最终选择了Mo/Si多层膜，选定了多层膜后，光源需要针对根据多层膜的反射特性优选出的波长进行设计。
2. EUV光源
自然界中，日冕会产生EUV。人工EUV可由等离子源和同步辐射源得到。EUV是最易被空气吸收的谱段，因此其传输环境需高度真空。 13.5nm的极紫外光相当于大约92eV的光子，超越了所有固态物质价电子的电离能。产生EUV，需要物质被激发到等离子态，只有被带多个正电荷的离子束缚的电子才能够发射EUV(由较为深层的电子退激辐射形成)。例如，把+3碳离子继续剥除一个电子的过程需要65eV，其中的电子比普通价电子更受束缚。而带多电荷的正离子存在于热等离子体。 目前用于芯片制造的极紫外光源为：激光等离子体光源(laser-produced plasma，LPP)，在LPP中，离子由高强度相干激光脉冲的强电场产生：快速振荡的电场导致电子和离子反复碰撞，产生高价正离子，电子与这些高价离子结合时便会产生高能量的光子。
激光轰击锡滴产生EUV的过程 素材源自：ASML官网 ASML的极紫外光刻机的光源中，极紫外光是由液态锡滴产生的等离子体放射产生的(在 ASML 开发的等离子体源中，每秒有 50000 个锡滴被喷射到真空室中)，激光器为高功率CO2激光，波长为10.6μm。
素材源自：ASML官网 如上图所示，激光采用了主振荡器加功率放大器的架构。锡滴的喷射间隔为10~20μs。锡材料的好处是它在13.5nm波段附近有相对较强的EUV辐射谱线，并且锡的熔点很低，只有232℃。
LPP整体 素材源自: ASML官网 LPP光源最重要的特性之一是红外光和EUV之间的转换效率。提高效率的一项重要创新是引入了预脉冲：锡滴液首先被一个红外光预脉冲击中，预脉冲的能量比产生等离子体发射出极紫外光的主脉冲能量低很多，但该能量足以将锡液滴变成碟状或部分电离的雾状。当这个碟状靶被随后的主脉冲击中时，能实现接近6%的转换效率。这样的设计，为光源性能带来了很大的提升。
3.曝光系统 3.1 真空带来的限制 由于EUV光会被空气强烈吸收，因此曝光过程中晶圆、透镜、掩模都必须处于真空中。真空带来了一些限制： (1) 物镜、晶圆、掩模的热效应：物镜加热会导致像差，尤其是会导致离焦和套刻误差，晶圆和掩模的加热也会影响套刻精度。在光学光刻曝光系统中，气流是一种控制物镜和晶圆热效应的有效方法。 但EUV的真空要求限制了这种方法：在EUV光刻系统中，气流的压力必须远小于大气压力。低压下的热传输功效十分有限，除非通过使用差分泵实现高气压的空间和EUV光路的分离。 (2) 长期以来，高纯气体被用来清扫光学光刻机物镜系统，使镜片免受污染。干式曝光中，气流用来防止底部透镜被光刻胶的释气污染。在EUV中，通常使用低分压氢气。 (3) 在光学光刻中，晶圆和掩模是通过真空方法被夹在各自的卡盘上，卡盘上的吸力来自气压。在EUV光刻系统中，使用的是静电吸盘。 3.2 多层膜 所有材料对波长小于40nm的光吸收都很强。阻碍实现波长短于193nm光学光刻的问题，主要是缺乏合适的投射或反射光学材料用于镜片、掩模及其保护膜的制备以满足微缩投影光刻的要求。 在20世纪80年代，多层膜技术得到了开发，可以提供波长在4~25nm波段实用的反射率。正是这一进步，全反射式光学系统的构想得以在光刻技术中实现。 多层膜反射镜通过交替沉积高原子序数和低原子序数材料制备，这种方式将在每一界面提供一个较小的但是有效的折射率差异。通过相长干涉，各个层反射精确叠加时，光会被放大。过程如下：
素材源自：ASML官网 ASML将极薄的硅层和钼层气相沉积到玻璃表面上，层厚度只有几纳米，最多有 100 层。最终实现了反射率高达近 70% 。 3.3 照明 与光学光刻机一样，EUV的照明系统具有双重作用：
(1)让光能够均匀地照射在照明狭缝上。 (2)为实现增强分辨率和为光源掩膜优化提供所需调整照明形态的能力。 从中间焦点出来的点光源经过两组可转动反射镜阵列，变成相当均匀的光。可用于照明编程的微镜数量可达数千个，所以照明形态可以实现非常精细的微调：
图源：EUV Lithography Industrialization and future outlook .Miyazaki
0.33NA EUV光刻机的照明和投影光学系统结构如下图。 照明系统的光束照射反射式掩膜，从掩膜所得到的的光学图案再被若干反射镜组成的物镜投影成像，最后聚焦到晶圆上。
由于EUV系统是反射式的，所以入射到掩膜上的光只能是非法线入射。反射镜表面的反射率与入射角相关，比如：
计算的Mo/Si多层膜反射率
对于0.33NA系统，掩膜的平均入射角为6°，缩小倍率为1 : 4。 3.4 投影 掩膜到晶圆之间为投影部分。目前ASML的EUV投影部分采用了6组物镜，如下图：
物镜的形貌误差导致了像差；中频粗糙度产生散射，并降低了成像质量；高频粗糙度造成了光强度的损失。解决方法有：避免出现和抛光工具尺寸统一尺度的镜面粗糙度、改善底层基板粗糙度、通过光学邻近进行修正等。
素材源自：P. Kurs. The EUV alpha demo tool program at ASML. 2004
3.5 更高NA(数值孔径)--下一代EUV 根据瑞利判据公式可知，想要提升分辨率，可以通过增大数值孔径NA来实现。在现有的光学系统中，增加NA的问题：增加NA相当于加宽了掩模反射的光束的角度和投射到晶圆上的光束的角度。 投影光学系统由六个反射镜组成。它们通常通过从最靠近掩模的一侧开始的 1 (M1) 到 6 (M6) 之间的数字来区分，物镜为M6。 将NA从0.25提高到0.33时没有问题，但将NA从0.33提高到0.55时，物镜(M6)前面的反射镜(M5)出现问题：M5镜片要让光线以更高的角度进入M6镜片，还必须以更宽的发散角将光线引导到M6镜片。标准 EUV 涂层无法实现反射M5上的大角度和发散角。 因此， ASML设计了一种光学系统：通过在M5和M6镜片的中心打孔来让EUV光通过。
素材源自：High NA EUV optics - preparing lithography for the next big step。Paul Gräupner，Peter Kürz，Judon Stoeldraijer ，Jan van Schoot 。 M4镜头反射的光线穿过M6镜头中心的孔，到达M5镜头。M5透镜反射的光束被M6透镜（物镜）反射。反射光穿过M5透镜中心的孔到达晶圆。这样就减小了 M5 镜头处的光束角度，从而实现了对比度和分辨率。 另外，通过将光学系统的反射透镜的数量从传统的六个增加到八个，则无需在反射透镜上钻孔即可实现0.55的NA。然而，添加两个反射透镜，EUV光的能量减少了一半以上。因此，为了保持吞吐量，光源输出必须加倍。因此，ASML的NA为0.55的光刻系统并没有采用八透镜光学系统。 当 NA 想达到更高的 0.7 时，实现的方法就变得有限：添加两个反射透镜，并且同时在一些反射透镜上钻孔。 3.6 工作台 光学光刻中，晶圆和掩模平台采用的是空气轴承。在EUV中，采用的是磁轴承。
EUV的工作台 素材源自：ASML官网 在工作台的底部有一个磁体阵列。工作台运动是通过在台下方的定子绕组的驱动电流来实现的。示意图如下：
磁体阵列通常采用Halbach结构，在阵列的一侧产生强磁场，另一侧产生非常弱的磁场。 尽管上述的相移掩模、光学邻近效应校正、离轴照明等方法能弥补掩模式光学曝光的不足，但人们也在使用其他的无掩模式的曝光方法来完成纳米级的集成电路制造，比如电子束曝光、X射线曝光、离子束曝光、极紫外曝光等。此部分内容在下篇中介绍。
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