光刻技术（原著第二版）

本书详细介绍了半导体芯片制造中的核心技术——光刻技术。主要内容包括驱动光学光刻的基本方程和参数的相关知识、曝光系统和成像基础理论、光刻系统组件、工艺和优化技术等；深入分析了光刻技术的发展前景，详述了浸没式光刻与极紫外（EUV）光刻。
本书（第二版）特别融合了作者在研究、教学以及世界级大批量制造方面的独特经验，增加了关于接近式曝光方面的全新内容，同时更新并扩展了曝光系统、成像、曝光-离焦（E-D）法、硬件组件、工艺和优化以及EUV光刻和浸没式光刻等方面的资料。
本书可供半导体光刻领域的工程师、管理者以及研究人员阅读，还可作为高校微电子、光学工程、集成电路等相关学科的参考教材。

本书第一版于2010年出版。在光刻领域，11年是很长的一段时间，但书中许多内容仍然经得起时间推移和技术节点进步的考验。下面是我决定更新本书的原因：
1.这些年来，我感到欣慰的是实现了初衷，使本书适合以下读者：（1）对技术职业发展感兴趣的领域新手；（2）追求更深入技术的、经验丰富的专业人士；（3）渴望拓宽视野的经理和主管。这些读者纷纷表示，本书对他们很有帮助，也会向新读者推荐这本书。通过这个新版本，我希望本书更加有帮助。
2.自2015年11月从台积电退休以来的三年多时间里，我一直使用本书中的内容讲授“创新光刻”（Innovative Lithography）课程。我的学生给了我灵感和热情来改进和更新本书。
3.光刻技术的学习、实践和教学都很有趣。我再次感到欣慰的是，我将这些知识保存在一本书中，以便光刻技术的火炬能够传递。
第二版包含以下更新：
第2章，接近式曝光。这是全新的一章。在大学和许多研究实验室，技术人员需要使用更便宜的设备制作掩模图案。因此，尽管关于接近式成像的出版物并不多，接近式曝光仍然非常流行。本书给出了在接触区、近场、中场和远场模拟衍射图像的严格和近似方法，以及这些方法的有效区域。绘制了来自邻近图像的非直观的正胶和负胶图像。还包括了曝光-间距（E-G）图（来自不同作者），用于量化接近式成像。附录提供了我们（我的两个研究生和我）关于确定有效区域的近似方法的扩展性研究。
第3章，曝光系统。为了补充第一版中描述的复制图案的历史和当前曝光系统的覆盖范围，添加了一个细心绘制的分步图解，来说明在步进扫描系统中的掩模和晶圆运动过程，并阐明了投影式曝光系统的成像是镜像，尽管通常印象是只有接近式曝光系统才能产生镜像。
第4章，成像。添加了分辨率比例方程和焦深（DOF）比例方程的推导，以及空间频率、光-光刻胶相互作用和光刻胶图像显影的分析；我几乎完全重写了泽尼克（Zernike）多项式的部分，以便光刻工程师更容易掌握其概念。本章中模拟的部分相干图像亦进行了更新。
第5章，曝光-离焦（E-D）法。这一章是永恒的。我提供了如何构建E-D树的详细说明，并强调了为什么在强度和曝光方面首选对数尺度。引入了“表观曝光——强度的倒数”这一术语，并解释了其在E-D图中的应用。
第6章，硬件组件。关于光刻组件的这一章篇幅很大，我添加了一些具有启发性的光刻胶显影现象的示例，以帮助人们可视化光刻胶显影过程；也扩大了化学放大光刻胶的覆盖范围；还进一步丰富了晶圆、晶圆台和对准系统的内容。
第7章，工艺与优化。这又是很长的一章。我添加了关于离轴照明的、新的、有见地的推导，以及使用冗余数据点提取套刻误差分量的演示，以提高精度。还广泛讨论了多重图案化，并介绍了双重图案化的G规则。
第8章，浸没式光刻。本章延续了第一版对这项技术的全面介绍，并展望其可扩展性及其对半导体技术的影响。给出了分辨率和焦深的最佳比例方程，并阐明了缩小浸没式系统的数值孔径。
第9章，极紫外光刻（EUVL）。我几乎完全重写了这一章，这是可以理解的，因为EUVL在过去十年中发展迅速。鉴于已经有其他关于EUVL的书籍，我确保我的贡献提供了一个有价值的、独特的技术视角。
我省略了关于多电子束（MEB）直写的内容，以便为将来的发展留出了就这一重要主题编写单本书的可能性。最后，在新版中升级了彩色图片。事实上，第二版中的所有图片都更现代化。 
我十分感谢我的妻子修慧对第一版和我整个人生的支持。2018年，在开始本书修订工作之前，我们庆祝了结婚50周年纪念日。在我撰写第二版期间，修慧一直是我不可或缺的伙伴，她在我的职业生涯、家庭生活和精神生活中给予了支持。

林本坚
2021年6月

第1章绪论1
1.1光刻在集成电路制造中的作用2
1.2光刻的目标3
1.3光刻的度量标准4
1.4本书内容介绍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各种衍射近似的有效区域12
2.4邻近图像17
2.5E-G图22
2.6小结26
参考文献26

第3章曝光系统28
3.1投影式曝光及其与接近式曝光的比较28
3.2全晶圆视场31
3.3步进重复系统33
3.4步进扫描系统35
3.5缩小系统和1×系统39
3.6缩小系统制造的1×掩模40
3.7小结41
参考文献41

第4章成像43
4.1空间像43
4.1.1球面波前及其偏差的影响43
4.1.2球面波前44
4.1.3有限数值孔径对球面波前的影响45
4.1.4球面波前的偏差49
4.1.5从掩模图案成像53
4.1.6空间频率58
4.1.7成像结果62
4.2反射和折射图像66
4.2.1掩模反射和折射图像的评估方法66
4.2.2多次反射对焦深的影响67
4.3潜像68
4.4光刻胶图像68
4.4.1A、B、C系数 71
4.4.2集总参数模型73
4.4.3β与η80
4.5从空间像到光刻胶图像81
4.6转移图像82
4.6.1各向同性刻蚀82
4.6.2各向异性刻蚀83
4.6.3剥离83
4.6.4离子注入84
4.6.5电镀85
参考文献85

第5章光刻的度量：曝光-离焦（E-D）工具88
5.1分辨率和焦深比例方程88
5.2基于显微术测定k1和k390
5.3基于光刻确定k1、k2和k391
5.3.1E-D分支、树和区域91
5.3.2E-D窗口、DOF和曝光裕度 92
5.3.3使用E-D窗口确定k1、k2和k393
5.4k1、k2和k3作为归一化的横向和纵向尺寸单位94
5.5E-D工具95
5.5.1构建E-D树95
5.5.2曝光轴使用对数比例的重要性98
5.5.3椭圆E-D窗口98
5.5.4CD居中的E-D窗口与全CD范围的E-D窗口99
5.5.5E-D窗口和CD控制100
5.5.6E-D工具的应用101
参考文献111

第6章光学光刻的硬件组件113
6.1光源113
6.1.1汞弧灯113
6.1.2准分子激光器114
6.2照明器118
6.2.1科勒照明系统118
6.2.2离轴照明119
6.2.3任意照明119
6.3掩模119
6.3.1掩模衬底和吸收体121
6.3.2保护膜121
6.3.3掩模的关键参数122
6.3.4相移掩模124
6.4成像透镜130
6.4.1典型透镜参数130
6.4.2透镜配置131
6.4.3透镜像差133
6.4.4透镜加工134
6.4.5透镜维护134
6.5光刻胶135
6.5.1分类135
6.5.2光与光刻胶的相互作用145
6.5.3显影的光刻胶图像149
6.5.4抗反射涂层152
6.6晶圆158
6.7晶圆台159
6.8对准系统160
6.8.1离轴对准和通过透镜对准161
6.8.2逐场、全局和增强全局对准162
6.8.3明场和暗场对准163
6.9小结163
参考文献163

第7章工艺与优化168
7.1曝光机的优化168
7.1.1NA的优化168
7.1.2照明的优化171
7.1.3曝光和焦点174
7.1.4焦深预算174
7.1.5曝光机的产率管理181
7.2光刻胶工艺186
7.2.1光刻胶涂覆186
7.2.2光刻胶烘焙189
7.2.3光刻胶显影192
7.2.4光刻胶图像的高宽比194
7.2.5环境污染195
7.3k1降低195
7.3.1相移掩模195
7.3.2离轴照明204
7.3.3散射条220
7.3.4光学邻近效应校正225
7.4偏振照明235
7.5多重图案化235
7.5.1多重图案化技术原理235
7.5.2MPT工艺238
7.5.3MPT版图239
7.5.4双重图案化技术的G规则240
7.5.5打包-解包技术241
7.5.6分辨率倍增理论说明242
7.5.7MPT的套刻考虑243
7.5.8克服双重成像的产率损失243
7.6CD均匀性245
7.6.1CD不均匀性分析245
7.6.2CDU的改进250
7.7对准和套刻252
7.7.1对准和套刻标记252
7.7.2使用测量数据进行对准253
7.7.3评估场间和场内套刻误差成分254
参考文献257

第8章浸没式光刻261
8.1引言261
8.2浸没式光刻概述262
8.3分辨率和焦深264
8.3.1波长缩短和空间频率264
8.3.2分辨率比例方程和焦深比例方程265
8.3.3使用浸没式系统改善分辨率和焦深265
8.3.4浸没式系统中的NA266
8.4多层介质的焦深266
8.4.1多层介质中的透射和反射266
8.4.2晶圆离焦运动的影响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耦合介质的首选折射率272
8.4.7分辨率和衍射焦深之间的权衡273
8.5光学成像中的偏振274
8.5.1不同偏振的成像274
8.5.2杂散光281
8.6浸没式系统和组件291
8.6.1浸没式系统的配置291
8.6.2浸没介质293
8.6.3浸没透镜295
8.6.4浸没介质中的气泡295
8.6.5掩模299
8.6.6亚波长3D掩模299
8.6.7光刻胶300
8.7浸没式光刻对工艺的影响301
8.7.1浸没式光刻的模拟301
8.7.2多晶硅层303
8.7.3接触层305
8.7.4金属层307
8.7.5对三个技术节点的建议308
8.8浸没式光刻技术实践309
8.8.1曝光结果309
8.8.2减少缺陷311
8.8.3监测浸没罩和特殊路线312
8.8.4其他缺陷减少方案316
8.8.5结果317
8.9浸没式光刻的延伸319
8.9.1高折射率材料319
8.9.2固体浸没式掩模319
8.9.3偏振照明320
8.9.4多重图案化320
8.10小结320
参考文献321

第9章极紫外（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激光等离子体光源331
9.2.3EUV系统的输入功率要求332
9.3EUV掩模332
9.3.1EUV掩模的配置333
9.3.2斜入射对掩模的影响333
9.3.3EUV掩模的制作 337
9.3.4EUV保护膜338
9.4EUVL分辨率增强技术339
9.4.1EUV柔性照明339
9.4.2EUV邻近效应校正341
9.4.3EUV多重图案化341
9.4.4EUV相移掩模341
9.5EUV投影光学器件345
9.6EUV光刻胶346
9.6.1EUV光刻胶曝光机制347
9.6.2化学放大EUV光刻胶348
9.6.3非化学放大EUV光刻胶349
9.7EUVL的延伸351
9.7.1每个技术节点的光刻胶灵敏度、产率和功率351
9.7.2增加NA353
9.8EUVL小结354
9.9光刻技术展望354
参考文献355

附录360
附录A基于光刻应用的有效区域评估方法360
附录B中英文术语367