Der Lithographieprozeß ist von entscheidender Bedeutung für den weiteren Fortschritt in der Halbleitertechnologie, da sowohl die Geschwindigkeit als auch die Integrationsdichte der Bauelemente durch die kleinste lithographisch übertragbare Struktur bestimmt wird. Zusätzlich beeinflußt der Lithographieprozeß auch die Prozeßausbeute und den Scheibendurchsatz. Somit hängt neben der Leistung der Bauelemente auch die Wirtschaftlichkeit ihrer Fertigung wesentlich vom Lithographieprozeß ab.
Von allen zur Verfügung stehenden Technologien wurde und wird
ausschließlich die Photolithographie in der industriellen
Massenfertigung eingesetzt. Auch in der nahen Zukunft ist ihre
Ablöse nicht zu erwarten, denn optische Projektionssysteme haben
den entscheidenden Vorteil einer hoher Auflösung mit gleichzeitig
großem Scheibendurchsatz. Es können Strukturen mit
geometrischen Abmessungen kleiner als die verwendete Lichtwellenlänge
erzeugt werden. Allerdings machen die Kosten moderner
optischer Lithographiesysteme bereits
35% der gesamten Entwicklungskosten
aus, und sie sind weiter im Steigen begriffen.
Die Weiterentwicklung der Photolithographie ist
somit der vermutlich entscheidende Faktor für ein anhaltendes Wachstum
der gesamten Halbleiterindustrie. Technology Computer-Aided Design
wird in zunehmendem Ausmaß angewandt, um das Ansteigen der
Entwicklungskosten in vertretbaren Grenzen zu halten.
Geschwindigkeit und Flexibilität sind neben dem Faktor der Kostenreduktion
weitere Kriterien, welche die computerunterstützte
Simulation im Vergleich zu einem ausschließlich experimentellen Ansatz
äußerst attraktiv erscheinen lassen.
Diese Dissertation stellt Simulationstechniken für die drei wichtigsten Teilprozesse der Photolithographie vor: die Maskenbelichtung, die Lackbelichtung und die Lackentwicklung. Einer überblicksmäßigen Darstellung moderner Lithographietechnologien sowie einer Einführung in das Gebiet der Lithographiesimulation folgt eine detaillierte Beschreibung jeder Simulationsphase. Dabei werden ausgehend von den physikalischen Grundlagen alle wesentlichen Merkmale der konkreten Implementierung besprochen.
Das Maskenbelichtungsmodul beinhaltet zwei Simulationsarten, die klassische skalare Theorie der Fourieroptik und ihre vektorwertige Erweiterung. Binäre sowie phasenschiebende Masken, Linsenfehler beliebiger Ordnung und Linsenfilter können simuliert werden. Schräge Belichtung mit allgemeinen Blenden wird mit der Methode von Abbe für partiell kohärentes Licht erfaßt.
Das Lackbelichtungsmodul berücksichtigt das Bleichen des Lacks, unebene Substratoberflächen und inhomogene Lackmaterialen. Für die rigorose, vektorwertige elektromagnetische Feldberechnung wird eine Simulationsmethode für dreidimensionale Anwendungen erweitert. Diese Methode arbeitet im Frequenzbereich und wird üblicherweise als Differential Method bezeichnet. Die Erweiterung in die dritte Dimension wird zum ersten Mal eingeführt und stellt somit den wesentlichen Beitrag der vorliegenden Arbeit dar. Das numerische Verhalten wird detailliert analysiert, wobei das Hauptaugenmerk auf mögliche Stabilitätsprobleme gelegt ist. Ein Vergleich mit der Waveguide Method, einer anderen oft verwendeten Simulationsmethode, soll die Überlegenheit der Differential Method aufzeigen. Eine besonders hervorzuhebende Eigenschaft der vorgestellten Implementierung besteht in der einzigartigen Möglichkeit, den Lackbelichtungsprozeß auch für partiell kohärentes Licht rigoros zu simulieren, ohne deshalb die Rechenzeit zu erhöhen.
Für das Lackentwicklungsmodul wird ein bereits vorhandenes dreidimensionales Verfahren zur Oberflächenbewegung auf die speziellen Anforderungen der Lithographiesimulation angepaßt, um den räumlich stark variierenden, inhomogenen Entwicklungsraten Rechnung zu tragen. Anhand von zwei Beispielen wird abschließend die Leistungsfähigkeit des gesamten Simulators demonstriert: Es wird zunächst die Belichtungsintensität für ein vollständiges Layout berechnet und im Anschluß daran die Strukturerzeugung über planarem Substrat mit nichtplanarem dielektrischen sowie reflektierenden Substrat verglichen.