曝光
Exposure也称 光刻曝光
让掩模产生的衍射级次经过有限数值孔径的投影系统，在晶圆光刻胶中形成可被材料阈值读取的空间光强分布。
速览
约 1 分钟曝光不是几何阴影复制。掩模先把入射光变成不同衍射级次，投影物镜只收集其中一部分并使其干涉成像；波长、NA、照明形状、焦点、剂量、掩模和光刻胶共同定义工艺窗口。
系统理解
约 2 分钟掩模图形包含不同空间频率，照明后产生零级和正负高阶衍射光。投影物镜的数值孔径决定哪些级次能够进入光瞳；被收集的光在晶圆面叠加为空间像，光刻胶再按其吸收、阈值和扩散特性把连续光强转成材料图形。
瑞利形式把最小可分辨尺寸写成波长与数值孔径的比值，并把照明、掩模、光刻胶和工艺共同压缩进k₁。提高NA或缩短波长有利于分辨率，却通常收窄聚焦深度；晶圆表面高度、膜厚和焦点误差因此必须进入同一个剂量—焦点窗口。
量产曝光还包括粗对准、精细对准、表面调平、逐场扫描、剂量控制和漂移补偿。离轴/像素化照明、相移掩模、SRAF与OPC可以重新分配衍射能量、改善特定图形的像对比度，但没有一种设置能同时对所有周期和二维图形最优。
位于前烘之后、曝光后烘焙之前，把掩模与光学条件转化为光刻胶潜像。
公式提示
关键参数
| 参数 | 单位 | 含义 |
|---|---|---|
| λ | nm | 曝光光源中心波长 |
| NA | — | 投影物镜数值孔径 n·sinθ |
| k₁ / k₂ | — | 由照明、掩模、光刻胶和判据决定的工艺因子 |
| Dose / Focus | mJ/cm² / nm | 曝光剂量与晶圆相对最佳焦面的偏移 |
| Overlay | nm | 本层图形相对前层图形的位置误差 |
常见误区
- 把投影曝光理解成掩模图形的几何缩小复印，忽略衍射和有限光瞳
- 认为提高数值孔径只有分辨率收益，忽略聚焦深度和像差敏感性
- 把瑞利公式中的k₁当作固定材料常数，忽略照明、掩模、光刻胶和OPC
- 只校准曝光剂量而不检查焦点、表面高度、光源频宽与场间均匀性
- 认为离轴照明或OPC能对所有图形同时最优，忽略空间周期与方向依赖
工程深入
12 条结论 · 2 道例题从掩模衍射到空间像
分辨率与数值孔径
瑞利形式用波长、NA和k₁表达可印尺寸尺度
投影光刻的特征分辨尺寸与曝光波长成正比、与数值孔径成反比；k₁把照明、掩模增强、材料和判定标准对可印性的影响汇总为工艺因子。12
R = k₁·λ / NA
- R
- 特征可分辨尺寸，单位 nm
- λ
- 曝光波长，单位 nm
- NA
- 投影物镜数值孔径
- k₁
- 完整成像与材料工艺因子
成立条件 公式是尺度关系而非保证某个图形必然量产；k₁不能脱离图形类型、工艺窗口和缺陷要求比较
例题：动手算一次教学假设，可复算
193 nm浸没式曝光在NA=1.35、教学工艺因子k₁=0.30时，瑞利形式给出的特征尺寸尺度约为多少？
已知
- λ=193 nm
- NA=1.35
- k₁=0.30
- 只计算瑞利尺度，不判断某一二维图形是否量产可印
步骤
- R=(0.30×193 nm)/1.35，波长与尺寸同单位，NA和k₁为无量纲
- R=42.9 nm，得到该假设组合下的特征分辨尺度
降低k₁或提高NA可减小形式上的尺寸尺度，但同时会压缩工艺窗口并提高掩模、材料和校正难度。
不能外推到 该数值不是保证可制造的线宽；线/孔、密集/孤立图形、照明、偏振、像差、光刻胶、OPC和缺陷标准都会改变实际结果。
焦深随波长增加并近似按NA平方收窄
离开最佳焦面后，不同衍射级次积累额外相位差，空间像对比度下降；瑞利型焦深关系显示，提高NA获取分辨率时，晶圆高度和焦点误差的允许范围会更快缩小。12
DOF ≈ k₂·λ / NA²
- DOF
- 允许聚焦深度，单位 nm
- k₂
- 由工艺判据决定的焦深因子
成立条件 k₂随图形、照明和允许CD误差改变；实际焦点预算还包含晶圆形貌、胶厚、调平误差和像差
例题：动手算一次教学假设，可复算
同一193 nm、NA=1.35系统若教学焦深因子k₂=0.50，瑞利型焦深尺度约为多少？
已知
- λ=193 nm
- NA=1.35
- k₂=0.50
- k₂已包含本例采用的CD与成像判据
步骤
- NA²=1.35²=1.8225，焦深对NA呈平方反比
- DOF=(0.50×193)/1.8225=53.0 nm，得到该判据下的允许聚焦尺度
分辨率因高NA改善时，焦点、晶圆形貌和胶厚控制通常需要更严格。
不能外推到 不同教材和工艺可能把DOF定义为总范围或单边范围；该值不能直接替代焦距—曝光矩阵得到的真实工艺窗口。
聚焦深度与工艺窗口
照明、对准与量产边界
出处
2 本教材 · 2 处引用- 1
- 2
超大规模集成电路先进光刻理论与应用
- 第 1 章 1.3–1.6，第 4–14、78–135 页 支持：曝光把掩模信息变成光刻胶中的空间剂量分布；掩模边缘把入射光分配到多个衍射级次；有限数值孔径决定哪些衍射级次进入物镜；晶圆图形来自衍射光干涉而非几何阴影；瑞利形式用波长、NA和k₁表达可印尺寸尺度；焦深随波长增加并近似按NA平方收窄；提高NA会同时提高分辨率与系统敏感性；剂量与焦点必须在同一个共同窗口内评价；照明形状通过移动衍射谱改善特定图形；OPC、辅助图形和相移掩模重新分配衍射信息；扫描曝光前先完成对准、调平和焦点建立；量产成像还受套刻、热漂移与计量闭环约束