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.

MerkmalOPCPhasenschiebermaskeSchrägbeleuchtung (OAI)
Was verändert wirdFormen und Größen der MaskenmusterDie Phase (und Transmission) des Lichts durch die MaskeDie Winkelverteilung des Lichts, das die Maske beleuchtet (die Quellform)
Hauptsächlich gelöstes ProblemVerzerrung der abgebildeten Muster, etwa verkürzte Linienenden, abgerundete Ecken und Linienbreitenunterschiede durch die Dichte benachbarter MusterKontrastverlust des Bildes, weil sich Licht benachbarter Muster überlagertBei feinem Pitch verlässt gebeugtes Licht die Maske unter großen Winkeln und gelangt nicht mehr ins Objektiv
FunktionsweiseDie 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 werdenDie 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 aufhebenRingförmige, 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 k1Der Alternating-Typ verbessert die Auflösung feiner periodischer Muster stark; der abgeschwächte Typ erhöht den Kontrast und hilft besonders bei Kontaktlöchern und isolierten MusternVerbessert 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 vergrößernHöherer Kontrast vergrößert Schärfentiefe und ProzessfensterVergrößert die Schärfentiefe bei Pitches, die zur Beleuchtung passen, stark, kann sie bei unpassenden Pitches aber verringern (verbotene Pitches)
Einschränkungen für MusterWenige Einschränkungen, aber Korrekturrechnung und Maskendatenvolumen wachsenBeim 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 achtenDer 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 ScannerMaskenmuster werden komplex, Maskenschreiben und -inspektion dauern längerPhasenerzeugende Ätzschritte oder phasenschiebende Schichten sind nötig, was Herstellung und Inspektion der Masken erschwertWird über die Beleuchtungseinstellungen des Scanners erreicht, ohne die Maske zu ändern
Kosten und KomplexitätKorrekturrechnungen auf großen Rechenclustern und wachsende Maskendaten erhöhen die KostenMasken werden teurer; der Alternating-Typ ist besonders komplex und braucht teils Designs, die Phasenkonflikte vermeiden, sowie eine zusätzliche BelichtungRelativ gering, allerdings erfordert die Optimierung der Quellform für die Muster Rechenaufwand
Typische KombinationenAuf nahezu jeder Ebene nahe der Auflösungsgrenze im Einsatz, oft zusammen mit BeleuchtungsoptimierungIn der ArF-Lithografie ist der abgeschwächte Typ zusammen mit Schrägbeleuchtung und OPC weit verbreitetKombiniert 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.

Wann welche Variante?

OPC
Auf fast jeder Ebene mit Mustern nahe der Auflösungsgrenze im Einsatz. Die Korrekturrechnung ist auch in der EUV-Lithografie unverzichtbar.
Phasenschiebermaske
Wenn der Bildkontrast nicht ausreicht. In der ArF-Lithografie war der abgeschwächte Typ Standard. Der Alternating-Typ ist sehr wirksam, hat aber große Einschränkungen bei Design und Maske und wird daher nur in begrenzten Fällen eingesetzt.
Schrägbeleuchtung
Um periodische Muster mit feinem Pitch aufzulösen. Funktioniert ohne Änderung der Maske, die Beleuchtungsform muss aber passend zu Orientierung und Pitch der Muster gewählt werden.

Häufige Fragen

Welche der drei verbessert die Auflösung am stärksten?

Sie spielen unterschiedliche Rollen und lassen sich nicht einfach vergleichen. Schrägbeleuchtung und Alternating-Phasenschiebermasken machen feine Pitches überhaupt erst auflösbar, während OPC dafür sorgt, dass aufgelöste Muster die entworfene Form annehmen. In der Serienfertigung hat die Kombination aller drei k1 auf etwa 0,3 gesenkt.

Wo liegt die Untergrenze von k1?

Die theoretische Untergrenze für die Abbildung eines periodischen Linien-Abstands-Musters in einer Einzelbelichtung ist 0,25, bezogen auf den Halbpitch. Feinere Muster brauchen Multi-Patterning oder EUV-Lithografie mit ihrer kürzeren Wellenlänge.

Was sind SMO und ILT?

SMO (Source-Mask Optimization) berechnet und optimiert Beleuchtungsform und Maskenmuster gemeinsam und behandelt Schrägbeleuchtung und OPC als ein Problem. ILT (Inverse Lithography Technology) rechnet vom gewünschten Bild auf dem Wafer rückwärts auf das Maskenmuster und kann komplexe Formen einschließlich Kurven ergeben. Beide erfordern hohen Rechenaufwand und wurden zuerst auf den schwierigsten Ebenen eingeführt.

Was ist der Unterschied zwischen regelbasierter und modellbasierter OPC?

Regelbasierte OPC verbreitert Muster oder ergänzt Hilfsformen nach Tabellen, die nach Linienbreite und Abstand festgelegt sind. Modellbasierte OPC simuliert Belichtung und Lackreaktion und verschiebt Musterkanten wiederholt, bis sich die Form auf dem Wafer dem Entwurf nähert. In feineren Generationen ist modellbasierte OPC der Standard.

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Welche Aussage zu OPC (optische Proximity-Korrektur) ist richtig?

  1. ADer Resist wird dick aufgetragen, um die Auflösung zu erhöhen
  2. BDie Maske wird gereinigt, um Fremdkörper zu entfernen
  3. CDas Maskenmuster wird vorab korrigiert, um die Formabweichung nach der Übertragung zu verringern
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Antwort: C. Das Maskenmuster wird vorab korrigiert, um die Formabweichung nach der Übertragung zu verringern

Bei Strukturen nahe der Auflösungsgrenze verkürzen sich Linienenden (Line-End Pull-back), Ecken werden rund und die Linienbreite hängt von der Dichte der umgebenden Strukturen ab, bedingt durch Beugung und Interferenz des Lichts. Bei OPC wird diese Verformung per Simulation vorweggenommen, und am Rand der Maskenstrukturen werden Hilfsstrukturen wie Hammerheads und Serifen hinzugefügt oder Abmessungen fein angepasst. Bei fortgeschrittenen Masken werden für die OPC-Berechnung große Rechner eingesetzt.

Welchen Zweck hat eine Phasenschiebermaske?

  1. ADie Phase des durch benachbarte Öffnungen tretenden Lichts zu ändern und durch Interferenz Auflösung und Kontrast zu erhöhen
  2. BDie Maske leichter zu machen
  3. CDie Lichtmenge der Belichtung zu verdoppeln
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Antwort: A. Die Phase des durch benachbarte Öffnungen tretenden Lichts zu ändern und durch Interferenz Auflösung und Kontrast zu erhöhen

Eine Phasenschiebermaske verschiebt die Phase des durch einen Teil der Maske tretenden Lichts um 180°, sodass sich die Amplituden an der Grenze des Lichts benachbarter Strukturen auslöschen, dunkle Bereiche dunkler werden und der Kontrast an den Strukturgrenzen steigt. Es gibt den Alternating-Typ (Levenson), bei dem die Phase benachbarter Strukturen abwechselnd invertiert wird, und den Halbton-Typ, bei dem der lichtabschirmende Bereich als phasenumkehrender Film (MoSi usw.) ausgeführt ist, der etwas Licht durchlässt; der Halbton-Typ wird bei der ArF-Belichtung breit eingesetzt.

Welche Technik erhöht die Auflösung feiner Strukturen, indem die Maske aus schräger Richtung beleuchtet wird?

  1. AOPC (optische Proximity-Korrektur)
  2. BOff-Axis-Beleuchtung (schräge Beleuchtung)
  3. CPhasenschiebermaske
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Antwort: B. Off-Axis-Beleuchtung (schräge Beleuchtung)

Bei feinen periodischen Strukturen breiten sich die Beugungsordnungen unter großen Winkeln aus und gelangen nicht mehr in die Linse, sodass das 0. Beugungsmaximum allein kein Bild ergibt. Bei schrägem Lichteinfall können sowohl das 0. als auch die 1. Beugungsordnung einer Seite von der Linse erfasst werden; theoretisch lässt sich dadurch der auflösbare Pitch auf etwa die Hälfte verringern, und die Schärfentiefe wird größer. Es gibt Ringbeleuchtung sowie Dipol- und Quadrupolbeleuchtung; heute werden Beleuchtungssysteme verwendet, die die Form der Lichtquelle pixelweise frei einstellen können.

  1. Welche Aussage zum Koeffizienten k1 in der Auflösungsformel R = k1 × λ / NA ist richtig?
  2. Welche Maßnahme verbessert nach der Auflösungsformel R = k1 × λ / NA die Auflösung (verkleinert R)?
  3. Wie ändert sich die Schärfentiefe (DOF) im Allgemeinen, wenn die numerische Apertur (NA) einer Belichtungsanlage vergrößert wird?

Übungsfragen zu Lithografie

Wichtige Begriffe erklärt

OPC (optische Proximity-Korrektur)
Technik, bei der das Maskenmuster vorab so korrigiert wird, dass Verzerrungen des Musters durch Lichtbeugung u. Ä. ausgeglichen werden.
Phasenschiebermaske
Fotomaske, die die Phase des Lichts durch benachbarte Öffnungen verschiebt und über Interferenz Kontrast und Auflösung des Bildes erhöht.
Schärfentiefe (DOF)
Fokusbereich, in dem sich das Muster mit akzeptabler Qualität übertragen lässt. Eine größere numerische Apertur erhöht die Auflösung, verringert aber die Schärfentiefe, weshalb die Planarität des Wafers wichtig wird.
Numerische Apertur (NA)
Maß für den Winkelbereich des Lichts, das eine Linse erfassen kann. Je größer sie ist, desto höher ist die Auflösung.
Fotomaske (Retikel)
Belichtungsvorlage mit dem Schaltungsmuster. Das Lichtschutzfilm-Muster wird auf einem Quarzglassubstrat gebildet (bei EUV reflektierend). Bei Verkleinerungsprojektion wird sie 4-mal so groß wie auf dem Wafer gefertigt.
Prozessfenster
Bereich von Bedingungen, in dem die Strukturmaße trotz Variation von Belichtungsdosis und Fokus im zulässigen Bereich bleiben. Je größer, desto robuster gegenüber Fertigungsschwankungen.
Multi-Patterning
Technik, bei der Strukturen mit feinem Pitch, die in einer einzigen Belichtung nicht auflösbar sind, auf mehrere Belichtungen und Bearbeitungsschritte aufgeteilt werden. Bei zwei Schritten spricht man von Double Patterning.

Verwandte Vergleiche