OPC vs masque à décalage de phase vs éclairage hors axe : effet sur la résolution et la DOF, coût

Le plus petit motif qu’un outil de lithographie peut imprimer est donné par l’équation de Rayleigh R = k1 × λ / NA. La longueur d’onde λ et l’ouverture numérique NA étant fixées par l’outil, imprimer des motifs plus fins revient à abaisser le facteur k1 ; les méthodes qui y parviennent sont appelées techniques d’amélioration de la résolution (RET). L’OPC corrige les formes du masque en anticipant la déformation due à la diffraction. Un masque à décalage de phase décale de 180° la phase de la lumière traversant certaines parties du masque et utilise les interférences pour accroître le contraste de l’image. L’éclairage hors axe éclaire le masque sous des angles obliques pour qu’une plus grande part de la lumière diffractée par les motifs fins entre dans l’objectif. Chacune modifie quelque chose de différent : ce ne sont pas des alternatives entre lesquelles choisir, mais des techniques utilisées ensemble.

CritèreOPCMasque à décalage de phaseÉclairage hors axe (OAI)
Ce qu’il modifieLes formes et dimensions des motifs du masqueLa phase (et la transmission) de la lumière qui traverse le masqueLa répartition angulaire de la lumière qui éclaire le masque (la forme de la source)
Principal problème résoluLa déformation des motifs imprimés, comme le raccourcissement des extrémités de lignes, l’arrondi des coins et les écarts de largeur de ligne dus à la densité des motifs voisinsLa perte de contraste de l’image lorsque la lumière des motifs voisins se superposeÀ pas fin, la lumière diffractée part sous de grands angles et n’entre plus dans l’objectif
PrincipeLa déformation est prédite par simulation, et les bords des motifs sont déplacés ou des formes d’appoint sont ajoutées, comme des têtes de marteau et des serifs, ou de fins motifs d’assistance sous la résolution (SRAF) qui ne s’impriment pas eux-mêmesLa phase de la lumière traversant des ouvertures voisines est inversée (type alterné, ou Levenson), ou les zones opaques sont remplacées par une couche déphasante légèrement transmissive (type atténué, ou demi-ton), de sorte que les amplitudes s’annulent aux frontièresUn éclairage annulaire, dipolaire, quadripolaire ou similaire fait entrer dans l’objectif l’ordre zéro et un seul ordre de diffraction un, et l’image se forme par leur interférence
Effet sur la résolution (k1)Modifie à peine la limite de résolution elle-même, mais permet d’imprimer comme prévu les motifs proches de la limite, ce qui abaisse le k1 utilisable en pratiqueLe type alterné améliore fortement la résolution des motifs périodiques fins ; le type atténué accroît le contraste et aide surtout pour les trous de contact et les motifs isolésAméliore fortement la résolution des pas fins et approche, pour les motifs périodiques, la limite théorique en exposition unique (k1 = 0,25)
Effet sur la profondeur de champ (DOF)L’ajout de SRAF peut élargir la profondeur de champ des motifs isolésUn contraste plus élevé élargit la profondeur de champ et la fenêtre de procédéÉlargit fortement la profondeur de champ aux pas adaptés à l’éclairage, mais peut la réduire aux pas inadaptés (pas interdits)
Contraintes sur les motifsPeu de contraintes, mais les calculs de correction et le volume de données du masque augmententLe type alterné présente des configurations où les phases ne peuvent pas être attribuées de façon cohérente (conflits de phase), ce qui contraint le dessin ; le type atténué demande de surveiller les images parasites (lobes secondaires)Le bénéfice dépend de l’orientation et du pas des motifs ; l’éclairage dipolaire est efficace pour les lignes dans une direction, mais faible pour les lignes perpendiculaires
Impact sur les masques et les scannersLes motifs du masque se complexifient, et l’écriture et l’inspection des masques prennent plus de tempsIl faut des gravures créant la phase ou des couches déphasantes, ce qui rend les masques plus difficiles à fabriquer et à inspecterObtenu par les réglages d’éclairage du scanner, sans modifier le masque
Coût et complexitéLes calculs de correction sur de grandes grappes de calcul et l’augmentation des données du masque ajoutent du coûtLes masques sont plus chers ; le type alterné est particulièrement complexe et exige parfois des dessins évitant les conflits de phase ainsi qu’une exposition supplémentaireRelativement faibles, même si l’optimisation de la forme de la source pour les motifs demande des calculs
Combinaisons typiquesUtilisé sur presque toutes les couches proches de la limite de résolution, souvent avec l’optimisation de l’éclairageEn lithographie ArF, le type atténué est largement utilisé avec l’éclairage hors axe et l’OPCCombiné à l’OPC et aux masques à décalage de phase ; les illuminateurs actuels peuvent régler librement et finement la forme de la source

Les valeurs indiquées sont des ordres de grandeur typiques et varient selon la génération de procédé et le produit.

Quand choisir l'un ou l'autre ?

OPC
Utilisé sur presque toutes les couches comportant des motifs proches de la limite de résolution. Le calcul de correction est aussi indispensable en lithographie EUV.
Masque à décalage de phase
Utilisé lorsque le contraste de l’image est insuffisant. En lithographie ArF, le type atténué a été la norme. Le type alterné est très efficace, mais ses contraintes de conception et de masque sont fortes : il n’est donc utilisé que dans des cas limités.
Éclairage hors axe (OAI)
Utilisé pour résoudre des motifs périodiques à pas fin. Il fonctionne sans modifier le masque, mais la forme de l’éclairage doit être choisie selon l’orientation et le pas des motifs.

Questions fréquentes

Laquelle des trois améliore le plus la résolution ?

Elles jouent des rôles différents et ne se comparent donc pas simplement. Ce sont surtout l’éclairage hors axe et les masques à décalage de phase alternés qui rendent les pas fins résolubles, tandis que l’OPC donne aux motifs résolus la forme prévue. En production de masse, la combinaison des trois a permis de descendre k1 jusqu’à environ 0,3.

Quelle est la limite inférieure de k1 ?

La limite inférieure théorique pour imprimer un motif périodique de lignes et d’espaces en une seule exposition est de 0,25, exprimée en demi-pas. Les motifs plus fins nécessitent le multipatterning ou la lithographie EUV, de longueur d’onde plus courte.

Que sont la SMO et l’ILT ?

La SMO (source-mask optimization) calcule et optimise ensemble la forme de l’éclairage et les motifs du masque, en traitant l’éclairage hors axe et l’OPC comme un seul problème. L’ILT (inverse lithography technology) remonte de l’image souhaitée sur la plaquette jusqu’au motif du masque, ce qui peut produire des formes complexes comportant des courbes. Toutes deux demandent beaucoup de calcul et ont d’abord été adoptées sur les couches les plus difficiles.

Quelle est la différence entre OPC à base de règles et OPC à base de modèles ?

L’OPC à base de règles élargit les motifs ou ajoute des formes d’appoint selon des tables établies en fonction de la largeur de ligne et de l’espacement. L’OPC à base de modèles simule l’exposition et la réponse de la résine et déplace les bords des motifs de manière itérative jusqu’à ce que la forme sur la plaquette se rapproche du dessin. L’OPC à base de modèles est la norme aux générations les plus fines.

Vérifier vos connaissances

Quelle description de l'OPC (correction des effets de proximité optique) est correcte ?

  1. AEnduire une résine épaisse pour améliorer la résolution
  2. BNettoyer le masque pour éliminer les particules
  3. CCorriger au préalable les motifs du masque afin de réduire les écarts de forme après transfert
Afficher la réponse et l'explication

Réponse : C. Corriger au préalable les motifs du masque afin de réduire les écarts de forme après transfert

Pour des motifs proches de la limite de résolution, la diffraction et les interférences de la lumière raccourcissent les extrémités de lignes (recul de fin de ligne), arrondissent les coins ou font varier la largeur des lignes selon la densité des motifs environnants. L'OPC anticipe ces déformations par simulation et ajoute aux extrémités des motifs du masque des formes auxiliaires comme des têtes de marteau ou des sérifs, ou ajuste finement les dimensions. Pour les masques avancés, les calculs d'OPC mobilisent des calculateurs de grande capacité.

Quel est l'objectif d'un masque à décalage de phase ?

  1. AModifier la phase de la lumière traversant des ouvertures voisines et exploiter les interférences pour améliorer la résolution et le contraste
  2. BAlléger le masque
  3. CDoubler la quantité de lumière d'exposition
Afficher la réponse et l'explication

Réponse : A. Modifier la phase de la lumière traversant des ouvertures voisines et exploiter les interférences pour améliorer la résolution et le contraste

Un masque à décalage de phase décale de 180° la phase de la lumière traversant une partie du masque, de sorte qu'aux frontières entre les lumières issues de motifs voisins, les amplitudes s'annulent ; les zones sombres sont plus sombres et le contraste aux bords des motifs augmente. Il en existe deux types : le type Levenson, qui inverse alternativement la phase des motifs voisins, et le type atténué (halftone), dont la partie opaque est un film déphaseur laissant passer un peu de lumière (MoSi, etc.) ; ce dernier est largement utilisé en lithographie ArF.

Quelle technique améliore la résolution des motifs fins en éclairant le masque sous une incidence oblique ?

  1. AOPC (correction des effets de proximité optique)
  2. BIllumination modifiée (illumination hors axe)
  3. CMasque à décalage de phase
Afficher la réponse et l'explication

Réponse : B. Illumination modifiée (illumination hors axe)

Pour des motifs périodiques fins, la lumière diffractée s'étale sous de grands angles et n'entre plus dans la lentille ; l'ordre 0 seul ne forme pas d'image. En éclairant obliquement, on fait entrer dans la lentille à la fois l'ordre 0 et l'un des ordres 1 diffractés, ce qui permet en théorie de résoudre un pas environ deux fois plus fin, tout en augmentant la profondeur de champ. Il existe l'illumination annulaire, dipolaire, quadripolaire, etc. ; on utilise aujourd'hui des systèmes d'illumination permettant de définir librement la forme de la source pixel par pixel.

  1. Quelle description du coefficient k1 de la formule de résolution R = k1 × λ / NA est correcte ?
  2. D'après la formule de résolution R = k1 × λ / NA, quelle méthode permet d'améliorer la résolution (réduire R) ?
  3. Lorsqu'on augmente l'ouverture numérique (NA) d'un équipement de lithographie, que devient généralement la profondeur de champ (DOF) ?

Questions d'entraînement sur Lithographie

Termes clés expliqués

OPC (correction optique de proximité)
Technique qui corrige à l'avance les motifs du masque pour compenser les déformations dues notamment à la diffraction de la lumière.
Masque à décalage de phase
Photomasque qui décale la phase de la lumière traversant des ouvertures voisines et exploite les interférences pour améliorer le contraste et la résolution de l'image.
Profondeur de champ (DOF)
Plage de mise au point dans laquelle le motif peut être transféré avec une qualité acceptable. Augmenter l'ouverture numérique améliore la résolution mais réduit la profondeur de champ, d'où l'importance de la planarisation des plaquettes.
Ouverture numérique (NA)
Valeur qui exprime l'étendue angulaire de la lumière qu'une lentille peut collecter. Plus elle est grande, plus la résolution est élevée.
Photomasque (réticule)
Original d'exposition portant le motif du circuit. Le motif est formé dans un film opaque sur un substrat en verre de quartz (réfléchissant pour l'EUV). Pour les scanners à réduction, il est 4 fois plus grand que sur la plaquette.
Fenêtre de procédé
Plage de conditions de dose d'exposition et de focus dans laquelle les dimensions du motif restent dans les tolérances. Plus elle est large, plus le procédé est robuste aux variations de fabrication.
Multi-patterning
Technique qui forme des motifs à pas trop fin pour une seule exposition en répartissant le travail sur plusieurs expositions ou étapes de gravure. En deux fois, on parle de double patterning.

Comparatifs associés