Rechner für Lithografie-Auflösung und Fokustiefe

Geben Sie die Belichtungswellenlänge, die numerische Apertur (NA) des Objektivs und den Prozessfaktor k1 ein, um den kleinsten Half-Pitch zu erhalten, den eine einzelne Belichtung abbilden kann, sowie die zugehörige Fokustiefe. Mit einem Ziel-Pitch sehen Sie, ob er in eine Einzelbelichtung passt oder aufgeteilt werden muss.

Eingaben

Ergebnisse

Auflösung (Half-Pitch)
–
Minimaler Pitch pro Belichtung
–
Fokustiefe (DOF)
–
Benötigte Pitch-Aufteilungen
–

1 bedeutet, dass eine einzelne Belichtung den Ziel-Pitch abbilden kann. Ab 2 muss das Muster auf mehrere Belichtungen aufgeteilt werden, etwa per Double Patterning (grobe Abschätzung; reale Abläufe nutzen auch SADP und SAQP).

Lithografie-Generationen im Vergleich (mit Ihren k1 und k2)

LichtquelleλNAHalf-PitchFokustiefe

Die NA-Werte sind typische Spitzenwerte der jeweiligen Generation. Die Fokustiefe bei Immersion wird mit der einfachen Formel ohne den Gewinn durch den Brechungsindex der Flüssigkeit berechnet.

Was die Rayleigh-Gleichung aussagt

Die kleinste Struktur, die eine einzelne Belichtung auflösen kann, ist R = k1 × λ / NA. Dabei ist λ die Wellenlänge, NA die numerische Apertur, die beschreibt, wie weit der vom Objektiv erfasste Lichtkegel ist, und k1 erfasst, wie nah Beleuchtungs-, Masken- und Resisttricks an die physikalische Grenze heranführen. Für gleich breite Linien und Abstände liegt die theoretische Grenze bei k1 = 0,25; in der Fertigung arbeitet man typischerweise bei etwa 0,28 bis 0,4. Die Auflösung verbessert sich nur durch kürzere Wellenlänge, höhere NA oder kleineres k1.

Der Kompromiss mit der Fokustiefe

Der Höhenbereich, in dem das Bild ausreichend scharf bleibt, ist die Fokustiefe (DOF), abgeschätzt als DOF = k2 × λ / NA². Eine höhere NA verbessert die Auflösung proportional zur NA, verringert die Fokustiefe aber mit dem Quadrat der NA. Bei 13,5-nm-EUV verbessert der Schritt von NA 0,33 auf 0,55 die Auflösung um etwa das 1,7-Fache, während die Fokustiefe um etwa das 2,8-Fache sinkt. Deshalb werden Waferebenheit und Resistdicke so streng kontrolliert, und deshalb sind CMP-Planarisierung und dünnere Resists so wichtig.

Wie sich die Generationen entwickelten

Die Lichtquellen gingen von der g-Linie (436 nm) und i-Linie (365 nm) der Quecksilberlampe zu KrF- (248 nm) und ArF-Excimerlasern (193 nm) über. Die ArF-Immersionslithografie füllte den Spalt zwischen Objektiv und Wafer mit Wasser, um die NA über 1 zu heben, bis 1,35, und erreichte so bei k1 = 0,28 einen Half-Pitch von etwa 40 nm. Feinere Muster erfordern Multipatterning oder 13,5-nm-EUV. Bei NA 0,33 erreicht EUV bei k1 = 0,4 einen Half-Pitch von etwa 16 nm, High-NA-EUV mit 0,55 etwa 10 nm.

Techniken zur Senkung von k1

Ein kleineres k1 erlaubt es, mit demselben Scanner feinere Muster abzubilden. Die wichtigsten Techniken sind die optische Proximity-Korrektur (OPC), die Maskenformen vorab verzerrt, um die Beugung auszugleichen, Phasenschiebermasken, die die Phase des Lichts umkehren, um den Kontrast zu erhöhen, schräge Beleuchtung (Off-Axis Illumination) sowie Resists mit hohem Kontrast. Nähert sich k1 jedoch 0,25, nehmen Maßschwankungen und Defekte zu und das Prozessfenster wird enger.

Lithografie-Fragen üben

Welche Maßnahme verbessert nach der Auflösungsformel R = k1 × λ / NA die Auflösung (verkleinert R)?

  1. ADie Belichtungswellenlänge verkürzen und die numerische Apertur (NA) vergrößern
  2. BDie Belichtungswellenlänge verlängern und die NA verkleinern
  3. CDie Belichtungswellenlänge verlängern und die NA vergrößern
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Antwort: A. Die Belichtungswellenlänge verkürzen und die numerische Apertur (NA) vergrößern

Nach der Rayleigh-Formel R = k1·λ/NA wird R kleiner, wenn die Wellenlänge λ verkürzt, die numerische Apertur NA vergrößert und k1 gesenkt wird. Die Lichtquellen wurden zu kürzeren Wellenlängen entwickelt: g-Linie (436 nm), i-Linie (365 nm), KrF (248 nm), ArF (193 nm), EUV (13,5 nm); auch die NA wurde von etwa 0,3 bis auf 1,35 bei Immersion erweitert. Bei ArF-Immersion (NA 1,35, k1 0,27) ergibt sich beispielsweise R ≈ 39 nm, und für feinere Pitches sind Multi-Patterning oder EUV nötig.

Wie ändert sich die Schärfentiefe (DOF) im Allgemeinen, wenn die numerische Apertur (NA) einer Belichtungsanlage vergrößert wird?

  1. ASie wird größer
  2. BSie wird kleiner
  3. CSie ändert sich nicht
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Antwort: B. Sie wird kleiner

Die Schärfentiefe ist DOF = k2·λ/NA² und umgekehrt proportional zum Quadrat der NA; bei größerer NA wird sie daher schnell geringer. Bei fortgeschrittener Belichtung beträgt sie nur etwa 100 nm, sodass strengere Anforderungen an Waferplanarität, Strukturstufen und Streuung der Resistdicke gestellt werden. Dies ist einer der Gründe, warum die Planarisierung durch CMP wichtig ist. Die Belichtungsanlage misst für jeden Shot Höhe und Neigung des Wafers und stellt den Fokus der Linse automatisch nach.

Welche Aussage zum Koeffizienten k1 in der Auflösungsformel R = k1 × λ / NA ist richtig?

  1. AEr ist ein Koeffizient für die Schwierigkeit des Prozesses, und die theoretische Untergrenze bei einer Belichtung beträgt 0,25
  2. BJe größer, desto höher die Auflösung
  3. CEr ist stets größer oder gleich 1
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Antwort: A. Er ist ein Koeffizient für die Schwierigkeit des Prozesses, und die theoretische Untergrenze bei einer Belichtung beträgt 0,25

k1 ist ein Koeffizient, der das Gesamtvermögen aus Resistleistung, Maskenmaßnahmen und Beleuchtungsbedingungen ausdrückt; je kleiner er ist, desto feinere Strukturen lassen sich auflösen, doch das Prozessfenster wird enger und der Prozess schwieriger. Die theoretische Untergrenze zur Auflösung periodischer Strukturen (Linien und Abstände) mit einer Belichtung beträgt 0,25. In den 1990er-Jahren lag er bei etwa 0,6; durch Auflösungssteigerungstechniken wie Off-Axis-Beleuchtung, Phasenschiebermasken und OPC konnte er in der Serienfertigung auf etwa 0,27 bis 0,3 gesenkt werden.

Häufige Fragen

Wo liegt die Auflösungsgrenze der ArF-Immersionslithografie?

Mit NA 1,35 und k1 = 0,28 beträgt der Half-Pitch etwa 40 nm, also ein Pitch von etwa 80 nm. Feinere Muster entstehen durch Multipatterning wie Double Patterning oder mit EUV.

Wie ändert sich die Fokustiefe mit der NA?

Die Fokustiefe sinkt mit dem Quadrat der NA. Steigt die NA bei gleicher Wellenlänge und gleichem k2 von 0,33 auf 0,55, verringert sich die Fokustiefe um etwa das 2,8-Fache.

Was ist das theoretische Minimum von k1?

Für gleich breite Linien und Abstände in einer Einzelbelichtung liegt die theoretische Grenze bei k1 = 0,25. In der Fertigung bleibt man meist bei etwa 0,28 bis 0,4, um genügend Prozessreserve zu behalten.

Verwandte Begriffe

Numerische Apertur (NA) Schärfentiefe (DOF) Immersionslithografie EUV-Lithografie High-NA EUV Multi-Patterning OPC (optische Proximity-Korrektur) Phasenschiebermaske

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