OPC vs. Phasenschiebermaske vs. Schrägbeleuchtung: Auflösung, Schärfentiefe, Kosten
Die kleinste Struktur, die eine Belichtungsanlage abbilden kann, ergibt sich aus der Rayleigh-Gleichung R = k1 × λ / NA. Sind Wellenlänge λ und numerische Apertur NA durch die Anlage festgelegt, muss für feinere Muster der Faktor k1 sinken; die Methoden dafür heißen Techniken zur Auflösungsverbesserung (RET). OPC korrigiert die Formen auf der Maske im Voraus um die durch Beugung verursachte Verzerrung. Eine Phasenschiebermaske verschiebt die Phase des Lichts durch Teile der Maske um 180° und erhöht durch Interferenz den Bildkontrast. Schrägbeleuchtung (Off-Axis Illumination) beleuchtet die Maske unter schrägen Winkeln, sodass mehr des an feinen Mustern gebeugten Lichts ins Objektiv gelangt. Jede verändert etwas anderes; sie sind also keine Alternativen, zwischen denen man wählt, sondern Techniken, die gemeinsam eingesetzt werden.
| Merkmal | OPC | Phasenschiebermaske | Schrägbeleuchtung (OAI) |
|---|---|---|---|
| Was verändert wird | Formen und Größen der Maskenmuster | Die Phase (und Transmission) des Lichts durch die Maske | Die Winkelverteilung des Lichts, das die Maske beleuchtet (die Quellform) |
| Hauptsächlich gelöstes Problem | Verzerrung der abgebildeten Muster, etwa verkürzte Linienenden, abgerundete Ecken und Linienbreitenunterschiede durch die Dichte benachbarter Muster | Kontrastverlust des Bildes, weil sich Licht benachbarter Muster überlagert | Bei feinem Pitch verlässt gebeugtes Licht die Maske unter großen Winkeln und gelangt nicht mehr ins Objektiv |
| Funktionsweise | Die Verzerrung wird per Simulation vorhergesagt, und Musterkanten werden verschoben oder Hilfsformen ergänzt, etwa Hammerheads und Serifen oder dünne Hilfsstrukturen unterhalb der Auflösung (SRAF), die selbst nicht abgebildet werden | Die Phase des Lichts durch benachbarte Öffnungen wird invertiert (Alternating- oder Levenson-Typ), oder lichtundurchlässige Bereiche werden durch eine leicht durchlässige phasenschiebende Schicht ersetzt (abgeschwächter oder Halbton-Typ), sodass sich die Amplituden an den Grenzen aufheben | Ringförmige, Dipol-, Quadrupol- und ähnliche Beleuchtung lässt die nullte und eine erste Beugungsordnung ins Objektiv, und das Bild entsteht aus ihrer Interferenz |
| Wirkung auf die Auflösung (k1) | Ändert die Auflösungsgrenze selbst kaum, lässt aber Muster nahe der Grenze wie entworfen abbilden und senkt so das praktisch nutzbare k1 | Der Alternating-Typ verbessert die Auflösung feiner periodischer Muster stark; der abgeschwächte Typ erhöht den Kontrast und hilft besonders bei Kontaktlöchern und isolierten Mustern | Verbessert die Auflösung feiner Pitches stark und nähert sich bei periodischen Mustern der theoretischen Grenze einer Einzelbelichtung (k1 = 0,25) |
| Wirkung auf die Schärfentiefe (DOF) | Zusätzliche SRAFs können die Schärfentiefe isolierter Muster vergrößern | Höherer Kontrast vergrößert Schärfentiefe und Prozessfenster | Vergrößert die Schärfentiefe bei Pitches, die zur Beleuchtung passen, stark, kann sie bei unpassenden Pitches aber verringern (verbotene Pitches) |
| Einschränkungen für Muster | Wenige Einschränkungen, aber Korrekturrechnung und Maskendatenvolumen wachsen | Beim Alternating-Typ gibt es Layouts, in denen sich Phasen nicht widerspruchsfrei zuordnen lassen (Phasenkonflikte), was das Layout einschränkt; beim abgeschwächten Typ ist auf unerwünschte Nebenbilder (Side Lobes) zu achten | Der Nutzen hängt von Orientierung und Pitch der Muster ab; Dipolbeleuchtung ist stark für Linien in einer Richtung, aber schwach für Linien senkrecht dazu |
| Auswirkungen auf Masken und Scanner | Maskenmuster werden komplex, Maskenschreiben und -inspektion dauern länger | Phasenerzeugende Ätzschritte oder phasenschiebende Schichten sind nötig, was Herstellung und Inspektion der Masken erschwert | Wird über die Beleuchtungseinstellungen des Scanners erreicht, ohne die Maske zu ändern |
| Kosten und Komplexität | Korrekturrechnungen auf großen Rechenclustern und wachsende Maskendaten erhöhen die Kosten | Masken werden teurer; der Alternating-Typ ist besonders komplex und braucht teils Designs, die Phasenkonflikte vermeiden, sowie eine zusätzliche Belichtung | Relativ gering, allerdings erfordert die Optimierung der Quellform für die Muster Rechenaufwand |
| Typische Kombinationen | Auf nahezu jeder Ebene nahe der Auflösungsgrenze im Einsatz, oft zusammen mit Beleuchtungsoptimierung | In der ArF-Lithografie ist der abgeschwächte Typ zusammen mit Schrägbeleuchtung und OPC weit verbreitet | Kombiniert mit OPC und Phasenschiebermasken; heutige Beleuchtungssysteme können die Quellform frei und fein einstellen |
Die Zahlenwerte sind typische Größenordnungen und variieren je nach Prozessgeneration und Produkt.