光刻机光强影响因素分析

孙明睿，李 雪，甄万财

(中国电子科技集团公司第四十五研究所，北京 100176)

光刻机光强影响因素分析

孙明睿，李 雪，甄万财

(中国电子科技集团公司第四十五研究所，北京 100176)

曝光系统是接触接近式光刻机的核心部件，系统的曝光强度对光刻工艺有很大的影响。通过对曝光光路系统进行详细分析，对影响光强的各种因素进行了论述和计算，为进一步改善曝光系统光强指明了方向。

光刻机；曝光系统；曝光强度

光刻机是通过将掩模版上图形转移到基片的光刻胶上从而实现半导体图形转移生成的重要半导体工艺设备，与涂胶、显影、烘干、刻蚀等工艺步骤相结合，通过更换不同的掩模版重复进行类似的光刻过程，最终可以实现复杂半导体器件的制作。在光刻设备的部件中，曝光系统是核心部件，通过紫外光的曝光，实现基片与掩模版对应位置处的光刻胶感光。在接触接近式光刻机的曝光系统中，光强受方方面面的因素制约，更高的光强意味着更高的曝光效率和汞灯能量的利用率，提升光强的利用率是提升曝光系统性能的重要组成部分，本文将对影响曝光系统光强的各种光学因素进行详细分析，为改善提升曝光系统光强指明方向。

1 曝光系统的光强影响因素分析

光刻机的曝光系统光学部件包括椭球反射镜、准直透镜、复眼透镜、场镜、聚光镜及转折光路的反射镜等组成，每一个光学部件对系统的光强都会或多或少的产生影响。

1.1 椭球反射镜

图1为椭球反射镜聚光示意图。椭球反射镜是曝光系统的重要组成部分，将汞灯的发光点置于椭球碗的前焦点F1上，发出的光线经椭球反射镜后会聚向另一个焦点F2位置处。椭球反射镜前后端开口之间部分以焦点F1为中心，与椭球反射镜两开口端的连线夹角为椭球反射镜的包络角θ，包络角越大，会聚光能越多，为了尽可能会聚更多的光能，要尽可能加大椭球反射镜的包络角，但是椭球反射角后端需要有一个开口，用于引入汞灯的电极及固定汞灯，图中的阴影区即为椭球反射镜后端开口及汞灯阳极后的反射层遮挡造成的逃逸能量区，前端开口如果过大，超出椭球的半球尺寸时，难以开模加工，因此一般椭球镜尺寸不会超过椭球半球，从该出口处会发散逃逸相当一部分能量。

图1 椭球反射镜聚光示意图

将坐标原点置于如图1所示二维坐标系的椭球反光镜的左顶点处，球的主截面椭圆公式为：

椭球两焦点焦距的1/2设为f，椭球长轴为a，两个短轴相等，即半球截面为圆形，短轴长度为b，则有：

根据以上的基础公式以及椭球反射镜前后开口的尺寸值可以计算出图1所示的椭球镜孔径角φ1和孔径角为φ2的值，根据立体角ω与孔径角φ的关系：

可以得到汞灯光能逃逸的立体角值为：

可计算出收集光能占汞灯辐射光能的比例为：

1.2 复眼镜组

1.2.1 复眼镜组阵列间隙的光能损耗

复眼镜组示例如图2所示，主要是起到细分光束均匀化曝光的作用，通常是用圆形柱体镜排布成一个六边形的镜组阵列，柱体镜之间的间隙及边缘的间隙是该部分光能损耗的主要原因，柱体镜个数太少，起不到细分均匀光束的作用，个数太多则会极大地增加成本，如果制作成其他形状，也会增加制造难度，增加制造成本，柱体镜对整体通光面积上所占比例α即为复眼镜组的光强影响因子系数1。

1.2.2 复眼不同视场高度随视场角的光能损耗

复眼的排布有一定的口径范围，不同的圆周阵列上的复眼柱体镜对应着不同的视场高度，而不同视场高度处的孔径角Um'与轴上点孔径角U'有略微差异，设EA'为中心视场的照度值，Em'视场边缘点的照度，EA'∝sin2U'，Em'∝sin2Um'，这种差异一般很小，可以忽略不计。另外，随视场角ω的余弦值的四次方因子降低，公式为：

图2 复眼镜组分布

图3为不同视场与孔径角对光强的影响。

图3 不同视场与孔径角对光强的影响

假设每个复眼光点能量相同都为i，以图2所示的复眼透镜阵列为例，则复眼透镜阵列近似分布在中心和四个圆周上，对掩模板面的曝光叠加光强利用率近似为：

在视场角小于5°的情况下，cosω＞0.996，视场角的影响相对较小。

1.2.3 数值孔径的匹配

复眼透镜所能覆盖的照射面积要与前置大透镜相匹配，一般在适当的情况下要加大复眼透镜的数值孔径，以保证不同视场高度复眼透镜的叠加范围满足曝光面积的要求，它对光强最终效果有比较大的影响，但这是在设计之初就已经定好的指标要求，一旦确定，系统的均匀曝光面积A大小就已经确定了，在光强计算中通过曝光面积A就已经体现出来了，在此不再过多论述。

1.3 光学玻璃的影响

不同的光学玻璃对不同的光谱透过率是不同的，在紫外区域，相当一部分光学玻璃对近紫外波长的透过率衰减很厉害，几乎所有的光学玻璃对300 nm以下的波长都是截止的。在设计曝光系统时，要根据光刻工艺要求的紫外波长有针对性的选择光学玻璃。通常来说，高纯度石英玻璃是比较好的选择，近紫外石英玻璃在近紫外波段没有明显的吸收峰，对近紫外波长的透过率基本都能达到90%以上。K9玻璃在350 nm以上的紫外波长透过率可以达到98%，价格也便宜，在满足工艺要求的高性价比应用系统中是一个好的选择。光学手册中玻璃的透过率通常是根据10 mm厚度玻璃计算的系数，设玻璃的厚度为T mm，透过率系数为τiλ，根据系统中相应的玻璃材料的厚度值及透过率系数计算透过率τ为：

透镜在不同口径处的玻璃厚度不同，通常以中心处玻璃厚度进行计算。

1.4 镀膜的影响

光路系统中的透射式光学元件需要镀增透膜，通常的光学玻璃表面如果不镀膜时，单面的反射率一般能达到4%，也就是说透过率只有96%，如果光学元件比较多，10个透过面后光强只有τ2=0.9610≈0.66，而镀增透膜后单面透过率τ'可以超过99%，10个透过面后光强为τ2=0.9910≈0.90，透过率大大提升，不会对系统光强衰减产生很大的影响。

光路系统中的反射镜需要镀反射膜以增加紫外波长的反射率r，反射膜根据材料分为介质膜和金属膜，介质膜通过在光学表面上镀折射率高于基体材料的薄膜或高低折射率的两种材料交替蒸镀等实现多光束干涉消除以某一中心波长扩展的透射光，增加反射光的强度。一般金属都具有很高的消光系数，镀金属膜则使得光束入射到金属表面时，进入金属的光振幅迅速衰减，使透射光能减少，反射光能增加，铝膜在近紫外波段的反射率基本可以达到80%以上，是常用的选择，但由于金属在空气中易于氧化，通常会在金属膜前加镀一层SiO2或MgF2保护膜。

无论是介质膜还是金属膜，对波长和入射角度都是有选择性的，不同的波长和入射角下反射率有时会有较大的差异，还需要根据具体情况分析其反射效果。

2 曝光系统的光强计算

图4为曝光系统光路示意图。

根据以上曝光系统光强因素分析，在具体的系统中，可以查出和计算出以下参数：

椭球镜收集光能比例：S

复眼镜组的透光比：α

复眼镜组的叠加光强利用率：e

光学玻璃的透射率：τ1，τ2，τ3，τ4

光学件的增透膜透射率：τ'

光学件的反射率：r1，r2，r3

图5为高压汞灯通常的光强及光谱分布图。

高压汞灯通常不只一个光谱峰值，生产厂家一般都会给出汞灯在某一波长峰值的辐射强度Ie，其发出的该波长总的辐射通量为φe=Ie×4π，设曝光面的曝光面积为A，以图4所示的曝光系统进行计算，则曝光面能得到的曝光强度E_e可近似估算为：

图5 高压汞灯通常的光强及光谱分布图

汞灯在使用时通常不会满负荷运转，因为会极大地缩短汞灯寿命，计算光强时要根据汞灯实际功率使用情况作保守估计。另外，在长时间使用后，因为水银蒸汽挥发造成汞灯玻壳内发黑，以及曝光光学系统的污染和膜层老化等原因，都会造成系统光强持续衰减，在进行具体系统分析时要予以考虑。

3 结 论

根据以上分析，一方面可以通过每一个光学部件的功能、玻璃材料、镀膜工艺等方面对曝光系统光强影响因素进行比较全面地分析，另一方面还可以进行反推，根据各种影响因子的影响程度，从设计、材料、加工、镀膜等环节及相关参数对系统进行优化提升，结合仿真软件与系统实测结果进行对照，对不准确的地方进行修正，保证系统的性能水平。

[1] 张以谟.应用光学[M].北京：电子工业出版社，2010.

[2] 李士贤，李林.光学设计手册[M].北京：北京理工大学出版社，1996.

[3] 梁铨廷.物理光学[M].北京：电子工业出版社，2008.

[4] 安连生.应用光学[M].北京：北京理工大学出版社，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

孙明睿（1977～），男，山东淄博人，毕业于天津大学，硕士研究生，现主要从事半导体光刻设备的研究。