OPC versus fasenverschuivingsmasker versus off-axis-belichting: wat elk verandert, effect op resolutie en DOF, en kosten

Het kleinste detail dat een lithografiesysteem kan afbeelden, volgt uit de vergelijking van Rayleigh R = k1 × λ / NA. Omdat de golflengte λ en de numerieke apertuur NA door het systeem vastliggen, betekent fijnere patronen afbeelden dat de factor k1 omlaag moet, en de methoden daarvoor heten resolutieverbeterende technieken (RET). OPC corrigeert de vormen op het masker, vooruitlopend op de vervorming door diffractie. Een fasenverschuivingsmasker verschuift de fase van het licht door delen van het masker met 180° en gebruikt interferentie om het beeldcontrast te verhogen. Off-axis-belichting belicht het masker onder schuine hoeken, zodat meer van het door fijne patronen afgebogen licht de lens in gaat. Elk verandert iets anders, dus het zijn geen alternatieven om uit te kiezen, maar technieken die samen worden gebruikt.

KenmerkOPCFasenverschuivingsmaskerOff-axis-belichting (OAI)
Wat het verandertDe vormen en afmetingen van de maskerpatronenDe fase (en transmissie) van het licht dat door het masker gaatDe hoekverdeling van het licht dat het masker belicht (de bronvorm)
Belangrijkste probleem dat het oplostVervorming van afgebeelde patronen, zoals verkorte lijneinden, afgeronde hoeken en verschillen in lijnbreedte door de dichtheid van naburige patronenVerlies van beeldcontrast doordat licht van naburige patronen overlaptBij een fijne pitch verlaat het afgebogen licht het masker onder grote hoeken en komt het de lens niet meer in
Hoe het werktVervorming wordt met simulatie voorspeld, en patroonranden worden verschoven of er worden hulpvormen toegevoegd, zoals hammerheads en serifs, of dunne sub-resolution assist features (SRAF) die zelf niet worden afgebeeldDe fase van het licht door naburige openingen wordt omgekeerd (alternerend type of Levenson-type), of ondoorzichtige gebieden worden vervangen door een licht doorlatende faseverschuivende laag (verzwakt type of halftoontype), zodat amplitudes elkaar aan de grenzen opheffenRingvormige, dipool-, quadrupool- en vergelijkbare belichting laat de nulde orde en één eerste diffractieorde de lens in, en het beeld ontstaat uit hun interferentie
Effect op de resolutie (k1)Verandert de resolutiegrens zelf nauwelijks, maar laat patronen dicht bij de grens volgens ontwerp afbeelden en verlaagt zo de k1 die in de praktijk bruikbaar isHet alternerende type verbetert de resolutie van fijne periodieke patronen sterk; het verzwakte type verhoogt het contrast en helpt vooral bij contactgaten en geïsoleerde patronenVerbetert de resolutie van fijne pitches sterk en benadert voor periodieke patronen de theoretische grens bij enkelvoudige belichting (k1 = 0,25)
Effect op de scherptediepte (DOF)Het toevoegen van SRAF's kan de scherptediepte van geïsoleerde patronen vergrotenHoger contrast vergroot de scherptediepte en het procesvensterVergroot de scherptediepte sterk bij pitches die bij de belichting passen, maar kan haar verkleinen bij pitches die er niet bij passen (verboden pitches)
Beperkingen voor patronenWeinig beperkingen, maar de correctieberekening en de hoeveelheid maskerdata groeienBij het alternerende type zijn er lay-outs waarin fasen niet consistent kunnen worden toegewezen (faseconflicten), wat de lay-out beperkt; bij het verzwakte type is aandacht nodig voor ongewenste beelden (zijlobben)Het voordeel hangt af van de oriëntatie en de pitch van de patronen; dipoolbelichting werkt sterk voor lijnen in één richting, maar zwak voor lijnen loodrecht daarop
Gevolgen voor maskers en scannersMaskerpatronen worden complex, en het schrijven en inspecteren van maskers duurt langerEtsstappen voor de fase of faseverschuivende lagen zijn nodig, waardoor maskers moeilijker te maken en te inspecteren zijnGerealiseerd via de belichtingsinstellingen van de scanner, zonder het masker te veranderen
Kosten en complexiteitCorrectieberekeningen op grote computerclusters en groeiende maskerdata verhogen de kostenMaskers zijn duurder; het alternerende type is bijzonder complex en vraagt soms ontwerpen die faseconflicten vermijden en een extra belichtingRelatief klein, al vraagt het optimaliseren van de bronvorm voor de patronen rekenwerk
Typische combinatiesGebruikt op vrijwel elke laag dicht bij de resolutiegrens, vaak samen met optimalisatie van de belichtingIn ArF-lithografie wordt het verzwakte type veel gebruikt, samen met off-axis-belichting en OPCGecombineerd met OPC en fasenverschuivingsmaskers; de huidige belichtingssystemen kunnen de bronvorm vrij en tot in fijn detail instellen

De getalswaarden zijn typische ordegroottes en variëren per procesgeneratie en product.

Wanneer welke variant?

OPC
Gebruikt op bijna elke laag met patronen dicht bij de resolutiegrens. De correctieberekening is ook in EUV-lithografie onmisbaar.
Fasenverschuivingsmasker
Gebruikt wanneer het beeldcontrast onvoldoende is. In ArF-lithografie is het verzwakte type standaard geweest. Het alternerende type is zeer effectief, maar de beperkingen voor ontwerp en masker zijn groot, dus het wordt alleen in beperkte gevallen gebruikt.
Off-axis-belichting (OAI)
Gebruikt om periodieke patronen met een fijne pitch op te lossen. Het werkt zonder het masker te veranderen, maar de belichtingsvorm moet worden gekozen passend bij de oriëntatie en de pitch van de patronen.

Veelgestelde vragen

Welke van de drie verbetert de resolutie het meest?

Ze spelen verschillende rollen, dus ze zijn niet eenvoudig te vergelijken. Off-axis-belichting en alternerende fasenverschuivingsmaskers zijn wat fijne pitches vooral oplosbaar maakt, terwijl OPC ervoor zorgt dat opgeloste patronen de ontworpen vorm krijgen. In volumeproductie heeft de combinatie van alle drie k1 tot ongeveer 0,3 omlaag gebracht.

Wat is de ondergrens van k1?

De theoretische ondergrens voor het afbeelden van een periodiek lijn-en-ruimtepatroon met één belichting is 0,25, uitgedrukt in de halve pitch. Fijnere patronen vragen multipatterning of EUV-lithografie met haar kortere golflengte.

Wat zijn SMO en ILT?

SMO (source-mask optimization) berekent en optimaliseert de belichtingsvorm en de maskerpatronen samen en behandelt off-axis-belichting en OPC als één probleem. ILT (inverse lithography technology) rekent terug vanuit het gewenste beeld op de wafer om het maskerpatroon te vinden, wat complexe vormen met krommen kan opleveren. Beide vragen veel rekenwerk en zijn eerst ingevoerd op de moeilijkste lagen.

Wat is het verschil tussen regelgebaseerde en modelgebaseerde OPC?

Regelgebaseerde OPC verbreedt patronen of voegt hulpvormen toe volgens tabellen op basis van lijnbreedte en afstand. Modelgebaseerde OPC simuleert de belichting en de reactie van de resist en verschuift patroonranden herhaaldelijk tot de vorm op de wafer het ontwerp benadert. Bij fijnere generaties is modelgebaseerde OPC de standaard.

Test uw begrip

Welke omschrijving van OPC (optical proximity correction) is juist?

  1. AResist dik aanbrengen om de resolutie te verhogen
  2. BHet masker reinigen om vreemde deeltjes te verwijderen
  3. CHet maskerpatroon vooraf corrigeren zodat de afwijking in de vorm na de overdracht klein wordt
Antwoord en toelichting tonen

Antwoord: C. Het maskerpatroon vooraf corrigeren zodat de afwijking in de vorm na de overdracht klein wordt

Bij patronen dicht bij de resolutiegrens krimpen lijnuiteinden door diffractie en interferentie van licht (line-end pullback), worden hoeken afgerond en verandert de lijnbreedte met de dichtheid van omliggende patronen. Bij OPC wordt deze vervorming met simulatie voorzien en worden aan de randen van het maskerpatroon hulpfiguren zoals hammerheads en serifs toegevoegd of afmetingen fijn bijgesteld. Voor geavanceerde maskers worden voor de OPC-berekening grootschalige computers gebruikt.

Wat is het juiste doel van een phase-shift mask?

  1. ADe fase van licht dat door naburige openingen gaat veranderen en interferentie gebruiken om resolutie en contrast te verhogen
  2. BHet masker lichter maken
  3. CDe belichtingslichthoeveelheid verdubbelen
Antwoord en toelichting tonen

Antwoord: A. De fase van licht dat door naburige openingen gaat veranderen en interferentie gebruiken om resolutie en contrast te verhogen

Een phase-shift mask verschuift de fase van licht dat door een deel van het masker gaat 180°, zodat de amplitude op de grens van licht van naburige patronen wordt opgeheven, donkere delen donkerder worden en het contrast aan de patroongrenzen toeneemt. Er zijn het Levenson-type, waarbij de fase van naburige patronen afwisselend wordt omgekeerd, en het halftone-type, waarbij het lichtblokkerende deel een fase-omkerende film (zoals MoSi) is die een beetje licht doorlaat; het halftone-type wordt veel gebruikt bij ArF-belichting.

Welke techniek verhoogt de resolutie van fijne patronen door het masker vanuit een schuine richting te belichten?

  1. AOPC (optical proximity correction)
  2. BAangepaste belichting (off-axis illumination)
  3. CPhase-shift mask
Antwoord en toelichting tonen

Antwoord: B. Aangepaste belichting (off-axis illumination)

Bij fijne periodieke patronen waaieren diffractiestralen onder grote hoeken uit en komen niet in de lens, zodat met alleen nulde-ordelicht geen beeld ontstaat. Als het licht schuin wordt ingestraald, kunnen zowel het nulde-ordelicht als de eerste-orde-diffractie aan één kant in de lens worden opgenomen, zodat in theorie een tot ongeveer de helft fijnere pitch kan worden opgelost en ook de scherptediepte groter wordt. Er zijn onder meer annulaire belichting en dipool- en quadrupoolbelichting, en nu worden belichtingssystemen gebruikt waarin de vorm van de lichtbron per pixel vrij kan worden ingesteld.

  1. Welke uitspraak over de coëfficiënt k1 in de resolutieformule R = k1 × λ / NA is juist?
  2. Welke methode verbetert, uitgaande van de resolutieformule R = k1 × λ / NA, de resolutie (maakt R kleiner)?
  3. Wat gebeurt er in het algemeen met de scherptediepte (DOF) als de numerieke apertuur (NA) van het belichtingsapparaat wordt vergroot?

Oefenvragen over Lithografie

Belangrijke termen uitgelegd

OPC (optical proximity correction)
Techniek waarbij het maskerpatroon vooraf wordt gecorrigeerd om vervorming van het patroon door onder meer lichtdiffractie te compenseren.
Fasenverschuivingsmasker (phase-shift mask)
Fotomasker dat de fase van licht door naburige openingen verschuift en lichtinterferentie benut om het contrast en de resolutie van het beeld te verhogen.
Scherptediepte (DOF)
Bereik van de focus waarbinnen een patroon met aanvaardbare kwaliteit kan worden overgedragen. Een grotere numerieke apertuur verhoogt het oplossend vermogen maar verkleint de scherptediepte, dus het vlak maken van de wafer wordt belangrijk.
Numerieke apertuur (NA)
Waarde die de hoek aangeeft waarover een lens licht kan verzamelen. Hoe groter, hoe hoger het oplossend vermogen.
Fotomasker (reticle)
Origineel voor belichting waarop het circuitpatroon is aangebracht. Het patroon van de lichtafschermende laag wordt gevormd op een kwartsglazen substraat (bij EUV reflecterend). Bij verkleinende projectiebelichting wordt het 4 keer zo groot gemaakt als op de wafer.
Procesvenster
Bereik van omstandigheden waarin de patroonafmetingen binnen de toegestane marge blijven als belichtingsdosis en focus worden gevarieerd. Hoe breder, hoe robuuster tegen productievariaties.
Multi-patterning
Techniek waarbij patronen met een te fijne pitch voor één belichting over meerdere belichtingen en bewerkingen worden verdeeld. De variant met twee stappen heet double patterning.

Verwante vergelijkingen