曝光系统将掩模图像复制到空间图像，以曝光晶圆上的光刻胶层。显影后，该光刻胶图像用作蚀刻、注入、电镀或剥离掩模，以将图案转移到晶圆上的薄膜层。有不同的系统可以执行复制功能。当特征尺寸在 2 到 5 微米范围内，并且半导体制造预算较低时，掩模附近 10 到 20 微米的空间图像足以产生可用的光刻胶图像，从而保持特征尺寸和位置控制。低于 2 微米时，空间图像的保真度、缺陷产生和对准观察困难迫使大部分曝光系统采用 1X 全晶圆投影印刷。全晶圆系统的场尺寸随着晶圆直径从 50 毫米增加到 125 毫米而增长。不断增加的晶圆尺寸和不断减小的特征尺寸——以及对特征尺寸控制和叠加精度的相关要求——迫使曝光系统减少分步重复。区域尺寸进一步增大、特征尺寸减小，以及难以将 1X 掩模制作控制在总特征尺寸控制和重叠精度预算之内，使得必须使用缩小步进扫描系统。
接近式光刻
接近式光刻系统是光刻印刷系统中最简单的形式。它由光源、聚光器、掩模、晶圆和晶圆台组成，晶圆台将晶圆与掩模保持固定距离。它还提供了相对于掩模移动晶圆以进行对准的手段；有对准观察装置来引导晶圆上的横向定位。图 2.1 显示了近距离印刷系统的示意图。掩模和晶圆之间的距离小于 20 μm。更大的距离可防止掩模和晶圆受损；然而，随着掩模与晶圆之间的间隙增加，分辨率会迅速降低。此外，对准观察必须适应两个焦点位置；因此，它变得更加复杂。近距离印刷的详细介绍已在其他地方给出。1 这里，只介绍与亚微米光刻相关的基本知识。
最小特征尺寸 W、波长 λ 和掩模与晶圆之间的间隙 G 之间的相互依赖关系由菲涅尔数 ν 估计：
这是使用菲涅尔近似控制近场衍射的参数。2 较大的 ν 表示与掩模的光学接近度很高。当菲涅尔数高于给定阈值时，特征尺寸的平方相对于 λG 足够大，图像足够接近掩模，以至于它与掩模的相似度可以接受，并且系统被认为能够实现由此得出的分辨率。例如，在 ν = 1 时，波长为 250 nm，间隙为 10 μm，系统可以支持打印 1.6 μm 的特征。实际上，确定阈值需要使用类似于第 4 章中讨论的 E-D 方法的曝光间隙 (E-G) 方法。菲涅尔数阈值的行为类似于投影印刷中的分辨率和 DOF 系数 k1 和 k2，它是特征形状、大小、邻近环境、它们的组合、照明相干性和许多其他因素的函数。3,4,5 唯一缺少的参数是与成像镜头相关的参数，例如数值孔径和像差系数。
由于没有成像镜头，因此改变成像系统的波长相对容易。因此，邻近印刷通常是用于筛选潜在光刻胶候选物的波长缩短方案的先驱。6,7,8,9 它还可以在绝对不可能使用透镜材料的光谱区域进行印刷。例如，在 1 nm 波长附近，如果菲涅尔数阈值为 1 就足够了，则可以用 10 μm 的间隙描绘出 0.1 μm 的特征。这是 X 射线近距离打印的基础，据称具有极高的分辨率潜力。10,11
近距离打印在制造过程中产生的最小特征在紫外线 (UV) 和中紫外线中为 2 μm，在深紫外线中为 1.5 μm。它们的光谱带分别为 450–350 nm、350–260 nm 和 260–200 nm。选择紫外线的下限波长 350 nm 是为了包括常用的汞 i 线波长 365 nm。同样，深紫外线的上限波长 260 nm 包括 254 nm 汞线。
近距离打印与 1958 年开始的 IC 技术 12 一样古老。直到 20 世纪 70 年代，UV 近距离打印才被广泛用于生产。商用深紫外线近距离打印机在 20 世纪 70 年代末至 80 年代初上市。如今，商用 X 射线近距离打印机仍在实验室中使用。
投影印刷和近距印刷的比较
近距印刷的两个问题导致使用成像透镜进行光刻图案转移。第一个问题与缺陷有关。由于设计规则减小到 2 μm 及以下，而波长在 UV 区域保持不变，因此最大可印刷掩模到晶圆间隙被压缩到 20 μm 以下，使得晶圆极有可能意外划伤掩模，反之亦然。掩模损坏问题和边缘锐度要求促使铬掩模取代乳剂掩模。晶圆损坏问题迫使制造商在每 100 次曝光后清洁掩模。这些预防措施仍然无法阻止投影印刷的潮流，因为投影印刷可以在更大的工作距离下进行印刷。近距印刷的第二个问题与缺乏缩小能力有关，这仅在特征尺寸降至 1 μm 以下后才变得明显。1X 的掩模制作变得非常困难。由于这些持续存在的问题，光刻必须完全依赖投影，而不管波长如何。即使波长减小到 1 nm，如 x 射线近距离打印的情况，1X 掩模要求也过于严格。有关 1X 和缩小系统的更多讨论，请参见第 2.6 节。
图 2.2 显示了投影打印系统的示意图。除了增加了成像镜头外，它看起来与近距离打印系统非常相似。未显示对准系统，因为有许多不同的方式来查看对准。可以通过成像镜头或在完全独立的系统中查看对准标记。可以一起或单独查看掩模和晶圆标记。在投影系统中，掩模到晶圆的距离通常为 80 厘米或更大。前透镜元件和晶圆表面之间的工作距离以毫米为单位。更宽容的是，掩模和第一个物理元件之间的工作距离以厘米为单位。这有助于掩模和晶圆之间的高速移动，而不会损坏任何一方。投影打印还允许在掩模的两侧放置掩模保护膜。薄膜是一种薄而透明的膜，其光学厚度可忽略不计，拉伸在附在掩模上的框架上。在图 2.2 中，仅显示了掩模吸收器侧的薄膜。如果任何外来颗粒落在薄膜上，它将安全地远离成像平面的焦点。因此，该系统不受掩模上颗粒引起的缺陷或晶圆接触掩模的影响。
近距离印刷和投影印刷之间存在实际差异。近距离图像始终是掩模的镜像，而投影图像可能是也可能不是镜像，这取决于镜子的数量以及投影透镜系统中是否使用镜子。图 2.1 显示了掩模图像和光刻胶图像之间的镜像关系。图 2.2 显示了没有任何镜子的投影系统，因此光刻胶中的图像没有改变。在引入使用镜子的全晶圆 1X 投影印刷期间，引入了一个额外的镜像步骤来创建与近距离印刷中使用的掩模兼容的图像，以便它们可以在两个系统中使用。下文第 2.3 节将讨论此全晶圆 1X 系统。
投影打印系统的分辨率和 DOF 符合以下关系：
其中 W 是最小可打印特征尺寸，λ 是波长，NA 是透镜的数值孔径。等式 (2.2) 和等式 (2.3) 的比例常数分别为 k1 和 k2。它们将在第 4 章中详细讨论。在那里，等式 (2.3) 只对干式和近轴系统成立，这些系统的 NA 相对较小。这里，等式 (2.2) 和 (2.3) 仅用于指出投影打印和近距打印之间的区别。请注意，与近距打印类似，波长减小时分辨率会增加。然而，这种改进的效率要高得多。分辨率的改进与波长呈线性关系，而在近距打印中，改进仅与波长的平方根有关。在投影打印中，波长减小时 DOF 会受到影响，而在近距打印中，较短波长对成像的影响始终为正。在投影打印中，DOF 与工作距离分开。前者通常在几微米的数量级；后者以毫米为单位。在近距离打印中，DOF 和工作距离相同。就 DOF 而言，它通常大于投影打印，但在工作距离方面则不够。
投影打印的一个重要方面是曝光场大小，它决定了可以制造的芯片尺寸以及如何减少缺陷。如果可以在同一区域打印许多相同的芯片，那么其中一个芯片上的缺陷对产量的影响很小，即使同一区域反复覆盖整个晶圆。另一方面，如果区域太小以至于只能容纳单个芯片，则缺陷会在晶圆上的每个芯片上重复出现，产量降至零。多个相同的芯片使得使用芯片到芯片检查成为可能，而不需要诉诸芯片到数据库检查。芯片到芯片检查通常称为芯片到芯片检查。在近距离打印中，区域大小仅受掩模基板和照明系统尺寸的限制。否则没有根本限制。一次性曝光直径100毫米的晶圆并不困难。在投影印刷中，视野大小由成像镜头决定。视野直径只有几十毫米，这引出了下面关于覆盖晶圆的方法的讨论。
全晶圆场
全晶圆场曝光系统在一个曝光步骤中覆盖整个晶圆。掩模覆盖的区域与晶圆一样大。就一次曝光容纳尽可能多的芯片而言，全晶圆场曝光是理想的选择。它还有助于提高产量，因为无需等待晶圆台移动通过所有曝光位置，而不像小区域必须穿过整个晶圆。在早期，全晶圆要求使投影印刷无法进入制造领域，直到一个巧妙的方案使其能够覆盖全晶圆场，因为近距离印刷本身就具有这种能力。这是图 2.3 中所示的流行全反射 1X 投影印刷系统 。
发明者利用两个同心镜的低像差环形场区，扫描环形场的一部分以覆盖整个晶圆。该系统的一个关键部件是三面镜组件。如果没有它，掩模物体环形部分和晶圆图像环形部分是共面的，必须以相反的方向扫描才能覆盖整个掩模，如图 2.4 所示。
显然，由于难度和成本，应避免在掩模和晶圆之间以远小于 1 μm 的精度进行扫描。掩模侧的一个镜子和晶圆侧的另一个镜子会改变光束的方向，这样，现在就可以在单个托架上沿一个方向同时扫描掩模和晶圆。实际上，晶圆侧有两个镜子。插入额外的镜子以在晶圆上产生镜像，以匹配近距离打印机的图像。掩模和晶圆安装在掩模晶圆托架上，以在扫描过程中绕挠性轴承旋转，如图 2.5 所示。
由于反射定律与波长无关，因此这种全反射系统是宽带的，可以像近距离打印系统一样方便地用于新的更短波长。它具有近距离系统的所有优点，而没有其缺点。事实上，该系统本质上复制了掩模的正确图像，而近距离打印系统产生镜像。
从 1974 年开始，14 1X 投影打印机迅速取代了近距离打印，成为该行业的主力。随着晶圆尺寸不断增大，最初的 1X 全反射投影印刷系统于 1984 年得到扩展，包括两组同心镜 15 和一些折射元件，使其成为折反射系统。该系统的示意图如图 2.6 所示。
该系统能够全场覆盖 125 毫米晶圆。由于扫描，视野不受扫描方向上的透镜限制。对于 150 纳米晶圆，使用 125 × 150 平方毫米的视野。暴露晶圆面积的损失会降低利润，因为否则会生产出更多的芯片。因此，晶圆尺寸的进一步增长需要扩大掩模版和透镜视野。两者都不容易。随着特征尺寸接近 1 微米，制造符合规格的 1X 掩模变得困难。此外，同心镜方案可用于约 0.18 NA。超过该值，很难消除像差以实现更高 NA 所期望的分辨率。全晶圆场概念的持续发展已是不可避免的。分步重复系统取代了全晶圆场系统。试制的最小特征是 1 μm，使用深紫外光。全反射系统正在重新流行起来。成像镜头中有四到六个极高精度非球面镜面，已展示出 13.5 nm 光的 NA 在 0.3 范围内的设计。
步进重复
当成像镜头决定的场大小小于晶圆尺寸时，覆盖整个晶圆的唯一方法是通过晶圆进行相同的曝光。尽管原则上可以在曝光之间更换掩模，但由于产量和覆盖考虑，这种情况很少发生。步进重复系统反复移动掩模以覆盖晶圆。图 2.7 描绘了圆形透镜场和曝光场，其中透镜场的未使用部分被机械刀片遮挡。出于缺陷、产量和掩模检查考虑，尽可能多的芯片被装入曝光场。
曝光场反复步进以覆盖整个晶圆，如图 2.8 所示。请注意，超出范围的区域会被曝光。晶圆区域非常宝贵；即使部分或全部超出范围的芯片丢失，完全曝光的芯片仍可用作产品芯片。
图 2.9 示意性地显示了使用折射透镜的典型步进重复投影打印系统。这是生产特征尺寸为 1.5 μm 及以下的集成电路最流行的配置。投影打印不需要步进重复投影打印系统，但这对于提高掩模精度至关重要，大多数步进重复投影打印系统 16、17、18 使用的缩小比率为 5。最初有 10 倍缩小系统。19,20 最近，4 倍系统开始出现。21 缩小比率的权衡将在下面的第 2.6 节中讨论。
分步重复投影打印系统不仅限于折射（折射）减焦系统。图 2.10 描绘了分步重复系统中使用的 1X 折反射透镜 22，该系统已被证明具有成本效益，并且仍然广泛用于较长亚微米技术节点以及较短亚微米技术节点中的非关键水平。短亚微米是 0.3 μm 以下的范围；中微米是 0.3 至 0.7 μm；长微米是 0.7 至 1 μm。短亚微米有时被称为“深亚微米”。
最初，分步重复系统中使用的掩模称为光罩。目前，它们也被称为掩模。术语“掩模”和“光罩”几乎可以互换。
步进扫描
芯片尺寸的增加推动了区域尺寸的增加，没有区域尺寸就无法保持晶圆吞吐量、良率和生产率。另一方面，高封装密度要求更高的分辨率，这通常需要增加镜头 NA。高封装密度还要求更高的叠加精度，这除了掩模制造规格外，还严格控制镜头失真规格。这些相互竞争的要求加剧了成像镜头的复杂性和成本。这三个镜头参数的极限已经很难超越。步进扫描系统就是为满足这些要求而开发的。
步进扫描原理23如图 2.11 所示。在掩模上扫描一个照明槽以曝光晶圆。这要求镜头保持静止，而掩模和晶圆以受控方式移动。使用上面第 2.3 节中描述的 1X 系统，掩模和晶圆以相同的速度和方向移动，使得同步扫描在机械上更简单。但是，1X 系统对掩模的要求在短亚微米应用中是无法达到的；必须使用减速系统，要求掩模以比晶圆高出减速比的速度移动。例如，使用 4X 系统，掩模的移动速度必须比晶圆快四倍。在行程结束时，晶圆被移动到新的位置进行下一次扫描。此过程重复进行，直到整个晶圆曝光。请注意，扫描方向必须从一个步骤反转到另一个步骤，以便扫描槽可以从上一步停止的位置开始。
图 2.12 显示了步进扫描投影系统的示意图。该系统与步进重复系统有许多基本组件相同，但图像限制槽和用于掩模和晶圆的扫描机制除外。槽与成像透镜保持静止，而掩模的扫描速度是晶圆的四倍。大多数步进扫描系统 24、25、26 采用折射（折射）缩小透镜。然而，早期的步进扫描系统使用带有分光镜的反射折射透镜 27、28、29，如图 2.13 所示。这种特殊的成像系统产生镜像，以便掩模和晶圆可以沿同一方向扫描。它还被布置成使掩模和晶圆垂直。其他步进扫描系统需要沿相反方向扫描掩模和晶圆，使其在机械平衡方面略胜一筹，但控制它们的相对运动略显困难。这些系统中的掩模和晶圆是水平放置的。无论哪种情况，都可能出现掩模下垂，但后一种系统中的下垂往往更对称。折射、反射和反射透镜系统将在第 5.5.2 节中讨论。
在 1X 全晶圆场曝光系统中，使用扫描狭缝，如图 2.3 所示。狭缝具有曲率，以遵循成像场的轮廓。在弯曲的窄成像场之外无法保持良好的成像。另一方面，用于限制用于全圆形场的透镜的场的狭缝是直开口。30 由于曲率，狭缝行进的距离比狭缝行进的距离长。因此，狭缝场会浪费更多的扫描时间。极紫外 (EUV) 光刻系统的扫描场使用狭缝场，因为 EUV 光需要全反射系统。
步进扫描的一个主要优点是能够在一个方向上无限扩展视野大小，而不会给成像镜头增加任何负担。图 2.14 显示了一个典型的方形步进器视野大小为 22 × 22 平方毫米，它与 1:2 步进器视野大小为 14 × 28 平方毫米共享同一个圆。当使用相同的镜头进行扫描时，8 × 30 平方毫米的插槽支持 150 毫米标线的 30 × 33 平方毫米视野；当 225 毫米标线可用时，视野可以在扫描方向上扩展到 50 毫米。
扫描仪的另一个优点是扫描方向上的透镜畸变统一。图 2.15(a) 显示了步进透镜槽区域静态畸变模拟的动态畸变图 31。当扫描运动完美时，这就是预期的结果。实际畸变图如图 2.15(b) 所示。它们之间的差异是由扫描缺陷和测量不一致引起的。请注意，(a) 和 (b) 中的误差向量相差 2.5 倍。
扫描仪的其他优点包括扫描过程中的原位聚焦、调平和对准，这提高了光刻性能。槽的宽度没有理由应该是均匀的。槽宽度的扰动可用于补偿照明不均匀性。此外，可以修改扫描速度以产生曝光梯度。
步进扫描系统通过权衡光学复杂性和机械精度和复杂性来获得其优势。为了保持吞吐量，晶圆台必须以 250 毫米/秒或更高的速度移动。现代扫描仪的速度已超过 500 毫米/秒。毋庸置疑，在 4X 系统中，掩模必须分别以 1 米/秒和 2 米/秒的速度移动。以这样的速度将定位精度保持在几纳米是无论如何都不能想当然的。
图 2.16 和 2.17 分别显示了两个实际的步进扫描系统。
缩小和 1X 系统
光刻始于 1X 复制，因为它简单且用途广泛。如上所述，1X 系统很受欢迎，直到 1X 掩模规格无法再维持，因为特征尺寸和随后的叠加精度不断减小。大多数制造商的转换点是 1.5 μm。从此时起，掩模规格在选择复制系统的缩小率时至关重要。
表 2.1 是对早期分析 30 的更新，该分析涉及掩模制造和晶圆加工对 CD 公差的贡献。我们假设晶圆光刻胶特征尺寸控制在临界尺寸的 10%。晶圆蚀刻控制为 6%，热处理引起的 CD 误差为 5%。掩模 CD 的光刻胶和蚀刻控制分别为 8% 和 4.8%，优于晶圆。当将相同的控制应用于 4X 系统时，掩模控制在第一阶上提高了 4 倍，而晶圆公差相同。 1X 系统的 CD 误差的平方和根 (RSS) 为 15.75%，而 4X 系统为 12.9%，相差 22%。为了使 CD 控制性能相同，1X 系统的晶圆光刻胶图像误差必须降低到 4.3%，这几乎是不可能的。将晶圆和掩模光刻胶误差分别改善到 5.8% 和 7%，可使 1X 和 4X 系统的 RSS 相同。无论哪种情况，几乎没有理由不能将改进应用于 4X 系统，这使得 1X 系统迎头赶上是自找的。
通常，任何尺寸变化都会线性转移到晶圆上；即，1X 掩模上的 10 纳米变化会变成晶圆上的 10 纳米变化。同样，4X 掩模上的 40 纳米变化会转化为晶圆上的 10 纳米变化。但是，当晶圆图像被推到远低于 λ/NA 时，掩模误差增强因子 MEEF ≡ ΔCDwafer/ΔCDmask 不再是 1。在极端情况下，它可能超过 4。在 1X 和 4X 情况下，来自掩模的贡献都必须乘以 MEEF。情况如表 2.2 所示。4X 情况下 CD 公差的增加是不可取的，而 1X 情况下的情况则是灾难性的。整个 CD 公差预算很容易被掩模公差占用。使晶圆贡献为零仍然不够。
表 2.3 是早期对叠加预算分析的类似更新。掩模放置公差取自 30 nm 的电子束放置公差。当两个掩模层相互对齐时，叠加公差是
两个放置公差的 RSS 总和；因此，2 × 30 nm。1X 系统的叠加误差可能比类似的 4X 系统高 76%，如第 2 列和第 3 列所示。事实上，即使使用电子束直接写入系统，叠加精度仍然比 4X 缩小系统差 70% 左右。原件比副本差！这显示了缩小系统的优势。
因此，从 CD 和叠加控制的角度来看，高缩小率总是可取的。然而，更大的缩小率需要更大的掩模基板以及更长和更快的扫描来保持晶圆上的相同场大小。这些在商业系统中实施成本高昂。相反，可以使用相同的基板尺寸并减小晶圆场尺寸。正如将在第 3 节中讨论的那样。 6.15，需要更长的步进时间才能支持更小的场尺寸。生产力损失也是令人望而却步的。当掩模贡献不再占主导地位时，进一步增加缩小率的回报就会递减。
使用缩小系统制造的 1X 掩模
为了充分利用缩小的优势，已经考虑使用电子束直写技术光学缩小 4X 掩模以制造 1X 掩模。公差分析必须包括额外的掩模制造步骤。对于 CD 控制，公差组件如表 2.4 所示。4X 掩模上的 CD 公差确实享有 4X 缩小的优势。但是，制造 1X 掩模的 CD 控制与制造晶圆时的 CD 控制类似；尽管如此，由于掩模基板是平面的，因此有机会将 1X 掩模上的抗蚀剂和蚀刻图像控制为 8% 和 4.8%，而不是 10% 和 6%。结果仍然比使用传统掩模制造的 1X 光刻差。
使用缩小制造掩模的叠加预算如表 2.5 所示。缩小掩模制造中的放大误差、镜头失真和激光台误差的贡献被添加到表 2.3 所示的组件中。由于缩小光罩制作时可选用极低失真的镜头，因此镜头失真分量较小，最终得到的 32nm 套准公差远优于传统 1X 光刻，但仍比传统 4X 缩小光刻差 14%。
