[正版图书]半导体先进光刻理论与技术 光刻理论工艺材料设备关键部件分辨率增强建模与仿真典型物理与化学效应 微电子材料工程

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★ 一本书打开芯片制造核心光刻技术的大门

★ 中科院上海光机所光刻领域学者倾力翻译

★ 中科院院士及原著作者专为本书出版作序

本书是半导体先进光刻领域的综合性著作，介绍了当前主流的光学光刻、先进的极紫外光刻以及下一代光刻技术。主要内容涵盖了光刻理论、工艺、材料、设备、关键部件、分辨率增强、建模与仿真、典型物理与化学效应等，包括光刻技术的前沿进展，还总结了极紫外光刻的特点、存在问题与发展方向。书中融入了作者对光刻技术的宝贵理解与认识，是作者多年科研与教学经验的结晶。
本书适合从事光刻技术研究与应用的科研与工程技术人员阅读，可作为高等院校、科研院所相关领域的科研人员、教师、研究生的参考书，也可作为微电子、光学工程、微纳加工、材料工程等专业本科生的参考教材，还可为芯片制造领域的科技工作者与管理人员提供参考。

作者简介：安德里亚斯·爱德曼，国际光学工程学会(SPIE)会士，德国弗劳恩霍夫协会（Fraunhofer）系统集成与元件研究所计算光刻和光学组学术带头人，德国埃尔朗根大学客座教授。拥有25年以上光学光刻与极紫外光刻研发经验。多次担任国际光学工程学会光学光刻与光学设计国际会议主席，是Fraunhofer国际光刻仿真技术研讨会组织者。为Dr.LiTHO等多款先进光刻仿真软件的研发与发展做出了重要贡献。

译者简介：李思坤，中国科学院上海光学精密机械研究所研究员，博士生导师。长期从事半导体光学光刻与极紫外光刻技术研究，主持多项国家科技重大专项、张江实验室、国家自然科学基金、上海市自然科学基金项目/课题，发表SCI/EI检索学术论文110余篇，获授权发明专利40余项，多项专利已转移至国内集成电路制造装备与软件生产企业，合著出版学术专著2部，参与编著我国首部全工具链《EDA技术白皮书》，多次受邀作国内外邀请/特邀学术报告。

第1章 光刻工艺概述 1
1.1 从微电子器件的微型化到纳米技术 1
1.2 发展历程 3
1.3 步进扫描投影光刻机的空间像5
1.4 光刻胶工艺 8
1.5 工艺特性参数 10
1.6 总结.16
参考文献 17

第2章 投影光刻成像理论 19
2.1 投影光刻机 19
2.2 成像理论 20
2.2.1 傅里叶光学描述方法 20
2.2.2 倾斜照明与部分相干成像 24
2.2.3 其他成像仿真方法 28
2.3 阿贝-瑞利准则 28
2.3.1 分辨率极限与焦深 29
2.3.2 结论 33
2.4 总结 36
参考文献 36

第3章 光刻胶 38
3.1 光刻胶概述、常见反应机制与唯象描述 39
3.1.1 光刻胶的分类 39
3.1.2 重氮萘醌类光刻胶 41
3.1.3 最先进的正性化学放大光刻胶 42
3.1.4 唯象模型 44
3.2 光刻工艺与建模方法 45
3.2.1 光刻工艺简介 46
3.2.2 曝光 46
3.2.3 后烘 49
3.2.3.1 重氮萘醌光刻胶 50
3.2.3.2 化学放大光刻胶 50
3.2.4 化学显影 52
3.3 建模方法与紧凑光刻胶模型 56
3.4 负性与正性光刻胶材料与工艺 59
3.5 总结 63
参考文献 64

第4章 光学分辨率增强技术 70
4.1 离轴照明 70
4.1.1 线空图形的最佳离轴照明 72
4.1.2 适用于接触孔阵列的离轴照明 73
4.1.3 由传统和参数化光源形状到自由照明 75
4.2 光学邻近效应修正 76
4.2.1 孤立-密集图形偏差的补偿 76
4.2.2 线端缩短的补偿 79
4.2.3 从基于规则的 OPC到基于模型的OPC，再到反向光刻 79
4.2.4 OPC模型与工艺流程 82
4.3 相移掩模 83
4.3.1 强相移掩模：交替型相移掩模 84
4.3.2 衰减型相移掩模89
4.4 光瞳滤波 92
4.5 光源掩模优化 94
4.6 多重曝光技术 97
4.7 总结 99
参考文献 100

第5章 材料驱动的分辨率增强技术 106
5.1 分辨率极限回顾 106
5.2 非线性双重曝光 109
5.2.1 双光子吸收材料 109
5.2.2 光阈值材料 110
5.2.3 可逆对比度增强材料 110
5.3 双重与多重图形技术 112
5.3.1 光刻-刻蚀-光刻-刻蚀 112
5.3.2 光刻-冻结-光刻-刻蚀 114
5.3.3 自对准双重图形技术 115
5.3.4 双重显影技术 115
5.3.5 双重或多重图形技术的选择 116
5.4 导向自组装 117
5.5 薄膜成像技术 121
5.6 总结 123
参考文献 123

第6章 极紫外光刻 129
6.1 光源 130
6.2 EUV和多层膜薄膜中的光学材料特性 132
6.3 掩模 135
6.4 光刻机与成像 139
6.5 光刻胶 143
6.6 掩模缺陷 144
6.7 EUV光刻的光学分辨率极限 147
6.7.1 6.xnm波长 EUV光刻 (BEUV光刻） 147
6.7.2 高数值孔径光刻 148
6.7.3 减小工艺因子k1：EUV光刻分辨率增强技术 151
6.8 小结 152
参考文献 153

第7章 无需投影成像的光学光刻. 163
7.1 无投影物镜的光学光刻：接触式与接近式光刻技术 163
7.1.1 成像及分辨率极限 164
7.1.2 技术实现 166
7.1.3 先进的掩模对准光刻 169
7.2 无掩模光学光刻 172
7.2.1 干涉光刻 173
7.2.2 激光直写光刻 176
7.3 无衍射极限的光学光刻 180
7.3.1 近场光刻 180
7.3.2 光学非线性光刻 183
7.4 三维光学光刻 187
7.4.1 灰度光刻 187
7.4.2 三维干涉光刻 189
7.4.3 立体光刻与 3D微打印技术 190
7.5 关于无光光刻的几点建议 193
7.6 总结193
参考文献 194

第8章 光刻投影系统：进阶主题 206
8.1 实际投影系统中的波像差 206
8.1.1 泽尼克多项式描述方法 206
8.1.2 波前倾斜 211
8.1.3 离焦像差 212
8.1.4 像散 212
8.1.5 彗差 213
8.1.6 球差 216
8.1.7 三叶像差 217
8.1.8 泽尼克波像差总结 218
8.2 杂散光 219
8.2.1 常数杂散光模型 219
8.2.2 基于功率谱密度的杂散光模型 220
8.3 高 NA投影光刻中的偏振效应 223
8.3.1 掩模偏振效应 224
8.3.2 成像中的偏振效应. 224
8.3.3 光刻胶与硅片膜层材料界面引起的偏振效应 226
8.3.4 投影物镜偏振效应与矢量光刻成像模型.229
8.3.5 偏振照明.230
8.4 步进扫描投影光刻机中的其他成像效应231
8.5 总结 232
参考文献 232

第9章 光刻中的掩模形貌效应与硅片形貌效应 236
9.1 严格电磁场仿真方法 238
9.1.1 时域有限差分法 239
9.1.2 波导法 241
9.2 掩模形貌效应 243
9.2.1 掩模衍射分析 244
9.2.2 斜入射效应 247
9.2.3 掩模引起的成像效应 248
9.2.4 EUV光刻中的掩模形貌效应与缓解策略 252
9.2.5 三维掩模模型 256
9.3 硅片形貌效应 258
9.3.1 底部抗反射涂层的沉积策略 259
9.3.2 多晶硅线附近的光刻胶残留 260
9.3.3 双重图形技术中的线宽变化 261
9.4 总结 262
参考文献 262

第10章 先进光刻中的随机效应 269
10.1 随机变量与过程 269
10.2 现象 272
10.3 建模方法 274
10.4 内在联系与影响 276
10.5 总结 279
参考文献 279

附录 285
附录 1 名词中英文对照 285
附录 2 缩略语中英文对照 301

序言
光是人类认识与改变世界的重要媒介，与信息、健康、先进制造、国家安全都密切相关。光学的发展带来了许多改变人类社会生活的变革性技术。
光刻就是这样一种技术，是光科学在先进制造中应用的典型案例，涉及几何光学、波动光学、信息光学、薄膜光学、量子光学、傅里叶光学、非线性光学等多个光学分支。光刻过程，从光学的视角来看，就是光的产生、传播、调控，以及光与物质相互作用的过程；服从光学理论，受到衍射极限的约束。光刻的发展可看作是不断追求更高分辨率的过程。
为了提高分辨率，需要减小波长。所以我们看到，曝光波长在不断缩短，由可见光波段缩短至紫外波段、深紫外波段，再到极紫外波段。结合分辨率增强技术与负显影工艺，光学光刻已实现 7nm节点芯片的制造。曝光波长为 13.5nm的极紫外光刻在历经二十多年实验室研发与十多年量产研发后进入了量产。波长的缩短伴随着整个生态系统的变化。在设备、材料、工艺，以及许多先进技术的共同作用下，可以刻写的图形更加微细，芯片集成度越来越高。面向未来更小节点，基于不同工作原理的导向自组装、多电子束、纳米压印等高分辨率光刻技术也正在通往量产的研发道路上。
后摩尔时代，芯片的集成度、性能、功耗、成本不再统一地提升或者缩减；由传统等比例微缩的单一发展路径向等效微缩、高性能、低功耗、多功能等多发展路径方向转变；由单一的光刻技术驱动变为多元驱动；多源头创新，跨学科、跨领域协作的特点更加明显。
这本书是关于光刻技术的综合性著作，是 Erdmann教授近三十年科研与教学经验的结晶。将这本书引进来翻译为中文是一件很有意义的事情，特别是在我们比以往更加追求集成电路产业突破的今天，值得花些时间去做。

中国科学院院士
2023年2月3日




中文版作者序
非常高兴看到我的专著 Optical and EUVLithography: AModeling Perspective被翻译为中文。 2010年至 2012年期间，我经常访问中国科学院上海光学精密机械研究所。访问期间开设了与本著作主题相同的光刻技术讲座。 2014年至 2015年，我在北京理工大学访问期间也开设了同样的光刻技术课程。许多研究生和本科生参加了课程。他们教育背景良好、聪明，对科学充满好奇心。我非常喜欢与他们交流讨论。但是在授课过程中也发现一个问题，由于光刻是多学科交叉融合的一门技术，涉及大量的专业名词和专业表达，语言的障碍在一定程度上给学生的学习带来了不便。
非常感谢李思坤研究员将我的专著翻译为中文。此前在访问中科院上海光学精密机械研究所期间，我与李思坤研究员进行了很多有益的交流与讨论。相信在李思坤研究员的努力以及诸多教授、专家和研究生同学们的热情参与下，本书会有很高的翻译质量。该译著可帮助相关领域的学生、科研人员和工程师跨过语言障碍，深入理解书中的技术内容，帮助他们快速提高自身技能，将他们掌握的技术更快速地付诸应用。
本人在埃尔朗根 -纽伦堡大学从事教学工作多年。以教师的视角来看，学习英文是必须的。学习英文有利于快速获取光学光刻与极紫外光刻技术领域的最新进展。将中文版与英文原版对照阅读，对学习光刻领域的专业词汇和表达、训练英文表达技能都有很大帮助，可帮助学生更快速地学习现代半导体光刻技术方面的知识。
我一直觉得教育工作是最令人感到荣耀的工作。相信李思坤研究员的译作将帮助对光刻感兴趣的学生、科研人员与工程师快速开启光学光刻与极紫外光刻学习的道路，帮助他们扩大视野，对中国以及世界科技的创新与繁荣作出应有的贡献。

安德里亚斯·爱德曼
德国，埃尔朗根
2023年 1月 8日




译者序
光刻位于集成电路制造工艺的中心，其主要作用是将承载电路与器件信息的掩模图形高保真地转移到硅片上的光刻胶内。为实现特征尺寸微缩，光刻曝光波长不断减小，先后经历了可见光波段、紫外波段、深紫外波段、极紫外波段，需要解决光源、光刻胶、光衍射、成本等方面的问题。 436nm/365nm波长光刻普遍采用高压汞灯光源与酚醛树脂光刻胶。 248nm波长光刻首次引入 (KrF)准分子激光器与化学放大光刻胶（芳香族化合物）。到 193nm波长光刻，演化为 ArF准分子激光器与丙烯酸酯化学放大光刻胶。由 193nm深紫外波长至 13.5nm极紫外波长是前所未有的进步，带来了全方位的技术革新，首次采用激光等离子体光源、全反射式光学系统与真空工作环境。离轴照明、相移掩模、光学邻近效应修正、光源掩模优化等分辨率增强技术，以及增大物镜数值孔径的方法，都可以归结为优化光衍射的方法。新技术、新工艺的应用，提高了光刻复杂度与成本。在极紫外光刻实现量产的同时，许多研发机构也在尝试研发导向自组装、多电子束，以及纳米压印等成本相对较低的高分辨率光刻技术。光刻技术的进步伴随着整个生态系统的变化。在设备（光刻机、涂胶显影机、量测 /检测设备等）、材料（光学材料、光刻胶材料等）、工艺（旋涂、烘焙、显影等），以及各种先进技术的共同作用下，光刻技术由微米水平发展至纳米水平，芯片集成度越来越高，单个晶体管的造价越来越低。
Erdmann教授的著作是最新出版的光刻技术综合性学术专著。该著作涵盖了当前主流的半导体光学光刻、最先进的极紫外光刻，以及下一代半导体光刻，包括光刻原理、设备、工艺、材料、关键部件、分辨率增强技术等方面的内容。详细地介绍了光刻领域的最新进展，系统地分析了各种技术的优点和不足，重点描述了工程技术背后的物理原理，特别是光刻成像与图形工艺的光学原理、化学原理，以及影响光刻成像质量的各种物理化学效应背后的物理本源。作者借助简单易懂的表达式和仿真实例，从建模角度切入，行文中融入了作者对光刻技术的宝贵理解和认识。全书深入浅出，便于读者理解。通过阅读该专著，可以加深工程师和科研人员对光刻技术的理解，对工程技术实施和新技术研发大有裨益；有助于研究生和本科生掌握光刻技术的物理与化学原理，较全面地了解光刻关键技术与发展现状。书中对各种先进光刻技术的综述、分析与发展方向的讨论，对我国光刻技术领域的发展规划与决策也有一定参考价值。
书中内容涉及光学、化学、材料、数学、等离子体物理、微电子学等多个学科。以光学为例，书中涉及几何光学、波动光学、信息光学、薄膜光学、量子光学、傅里叶光学、非线性光学等多个光学分支，内容覆盖范围广。同一个英语词汇在不同研究领域对应的中文名词会不同，例如“ system”在设备领域常翻译为“系统”，而在光刻胶等材料领域常翻译为“体系”。为了准确翻译并贴近国内研究人员常用的专业术语与表达方式，译者在翻译过程中与国内外光刻设备、材料、工艺、软件、微纳加工、新型芯片 /器件等研究领域的专家进行了大量交流，得到了许多专家、学者的帮助。特别感谢：张江实验室熊诗圣研究员、王成副研究员，复旦大学伍强研究员、李自力青年副研究员，德国西门子公司 (Mentor Graphic)邵峰博士，美国天普大学 Xiao-Hua Hu博士，东方晶源微电子科技（北京）有限公司施伟杰博士、张生睿先生、牛志元博士、丁明博士，长春理工大学林景全教授，上海微电子装备（集团）有限公司段立峰博士，中国科学院微电子所韦亚一研究员、董立松副研究员，中国科学院长春应用化学研究所季生象研究员、刘亚栋副研究员，华中科技大学刘世元教授，广东工业大学沈逸江副教授，北京理工大学马旭教授，全芯智造技术有限公司孟晓东先生、成维博士，上海镭望光学科技有限公司黄惠杰博士、曾爱军研究员，上海集成电路研发中心解小明工程师，中国科学院上海光学精密机械研究所冷雨欣研究员、新刚研究员、林楠研究员、余俊杰副研究员、魏劲松研究员、李笑然研究员、苏榕研究员、赵娇玲副研究员、王俊研究员、王少卿副研究员、赵成强副研究员、田野研究员、吴卫平研究员、唐锋研究员、胡国行副研究员。
该著作的主要内容来源于 Erdmann教授在埃尔朗根 -纽伦堡大学开设多年的光刻课程，内容和章节安排都适合教学使用。为了提高本译著对学生群体的可读性，特邀请多位研究生同学进行了试读，他们从课程学习的角度提出了很多宝贵建议，感谢本课题组研究生张涛、雷威、郑杭、潘东超、江一鹏。感谢刘宇洋、王浩岚同学帮忙编辑了公式。
特别感谢李儒新院士、 Erdmann教授为本书作序。特别感谢浙江大学（中国科学院上海光学精密机械研究所）王向朝教授、张江实验室刘德安研究员对翻译工作的支持。感谢国家二级翻译王丽女士提出的宝贵建议。感谢化学工业出版社提供的专业化支持。在大家的共同努力下，这本译书才得以圆满出版。
感谢张江实验室科技攻关项目、“极大规模集成电路制造装备及成套工艺”国家科技重大专项课题（ 2017ZX101004，2017ZX101004-002）、国家自然科学基金区域创新发展联合基金重点项目 (U22A2070)的支持。
Erdmann教授是中国科学院上海光学精密机械研究所的特聘研究员。译者与他在同一领域工作多年，进行了密切的合作研究。非常荣幸能够翻译 Erdmann教授的著作。鉴于译者水平有限，疏漏之处在所难免，恳请各位读者朋友批评指正。

李思坤
中国科学院上海光学精密机械研究所
2022年12月28日