Design, setup and characterisation of an achromatic interferometer for the study of 193nm immersion lithography
Conception, montage et caractérisation d'un interféromètre achromatique pour l'étude de la lithographie à immersion à 193nm
Résumé
Miniaturization has become the key word in microelectronics. Indeed, manufacturers aim at shrinking
device critical dimensions in order to improve their performances and to decrease their costs.
In that respect, lithography plays a predominant role since it is the step that defines the circuit.
The lithography technique used for mass production today and that addressed the 65 nm technology
node is optical lithography at a wavelength of 193 nm. But it is difficult to improve resolution
without greatly increasing complexity, tool price and difficulty in controlling the process. A solution
is immersion lithography which principle is to introduce a fluid of higher refractive index than air
between the last lens element and the wafer : it, firstly, releases the process constraints by a depthof-
focus improvement and, secondly, improves the resolution in keeping 193 nm infrastructures.
The purpose of this PhD is to create and validate a 193 nm immersion interferometric setup to
study, in advance of tool availability, some aspects of this new optical lithography technique. In this
thesis, we describe the design of an achromatic interferometric setup working in immersion at 193
nm. Such a setup has the great advantage of enabling the use of a laboratory excimer laser and
does not suffer from its poor coherence parameters. We focused on the characterization of the optical
setup and have determined parameters for depth-of-focus and transmission. Finally, we studied
imaging at high numerical apertures. We showed the benefit of immersion on resolution and the
correlation between roughness increase and contrast loss due to polarisation.
device critical dimensions in order to improve their performances and to decrease their costs.
In that respect, lithography plays a predominant role since it is the step that defines the circuit.
The lithography technique used for mass production today and that addressed the 65 nm technology
node is optical lithography at a wavelength of 193 nm. But it is difficult to improve resolution
without greatly increasing complexity, tool price and difficulty in controlling the process. A solution
is immersion lithography which principle is to introduce a fluid of higher refractive index than air
between the last lens element and the wafer : it, firstly, releases the process constraints by a depthof-
focus improvement and, secondly, improves the resolution in keeping 193 nm infrastructures.
The purpose of this PhD is to create and validate a 193 nm immersion interferometric setup to
study, in advance of tool availability, some aspects of this new optical lithography technique. In this
thesis, we describe the design of an achromatic interferometric setup working in immersion at 193
nm. Such a setup has the great advantage of enabling the use of a laboratory excimer laser and
does not suffer from its poor coherence parameters. We focused on the characterization of the optical
setup and have determined parameters for depth-of-focus and transmission. Finally, we studied
imaging at high numerical apertures. We showed the benefit of immersion on resolution and the
correlation between roughness increase and contrast loss due to polarisation.
La miniaturisation est aujourd'hui, plus que jamais, devenue le maître mot en microélectronique.
En effet, les industriels poursuivent l'objectif, de plus en plus ambitieux, de diminuer les dimensions
critiques des dispositifs actuels afin d'en améliorer les performances et d'en diminuer le coˆut. Dans
cette perspective, la lithographie joue un rˆole majeur car c'est la première étape qui définit le circuit
intégré. La technique de lithographie utilisée aujourd'hui pour la production de masse et ayant
permis d'atteindre le noeud technologique 65 nm est la lithographie optique à 193 nm. Pour aller en
de¸cà, il nous faut améliorer la résolution des outils de lithographie et cela ne peut se faire sans une
forte augmentation de leur complexité, de leur prix et de la difficulté de contrˆoler les procédés. Une
solution est la technique de lithographie à immersion à 193 nm qui consiste en l'introduction d'un
fluide d'indice supérieur à celui de l'air entre la lentille de projection et la plaquette de silicium :
elle permet, dans un premier temps, de relâcher les contraintes sur les procédés en améliorant la
profondeur de champ et, dans un second temps, d'améliorer la résolution tout en conservant l'infrastructure
du 193 nm.
L'objectif de ce travail de thèse est de monter et valider un interféromètre à immersion à 193 nm
pour étudier, par anticipation, certains aspects de la technique. Dans ce manuscrit, nous décrivons
la conception d'un montage interférométrique en immersion à 193 nm ayant la particularité d'être
achromatique et présentant donc l'avantage de ne pas pâtir de la faible cohérence des sources excim`
eres à 193 nm. Nous nous sommes focalisés sur la caractérisation du montage optique et avons
conclu sur les paramètres de profondeur de champ et de transmission du système. Finalement, nous
nous sommes intéressés à l'étude de l'imagerie à haute ouverture numérique. Nous avons pu montrer
l'amélioration de la résolution en immersion, ainsi que la corrélation entre l'augmentation de la
rugosité et la perte de contraste due à la polarisation.
En effet, les industriels poursuivent l'objectif, de plus en plus ambitieux, de diminuer les dimensions
critiques des dispositifs actuels afin d'en améliorer les performances et d'en diminuer le coˆut. Dans
cette perspective, la lithographie joue un rˆole majeur car c'est la première étape qui définit le circuit
intégré. La technique de lithographie utilisée aujourd'hui pour la production de masse et ayant
permis d'atteindre le noeud technologique 65 nm est la lithographie optique à 193 nm. Pour aller en
de¸cà, il nous faut améliorer la résolution des outils de lithographie et cela ne peut se faire sans une
forte augmentation de leur complexité, de leur prix et de la difficulté de contrˆoler les procédés. Une
solution est la technique de lithographie à immersion à 193 nm qui consiste en l'introduction d'un
fluide d'indice supérieur à celui de l'air entre la lentille de projection et la plaquette de silicium :
elle permet, dans un premier temps, de relâcher les contraintes sur les procédés en améliorant la
profondeur de champ et, dans un second temps, d'améliorer la résolution tout en conservant l'infrastructure
du 193 nm.
L'objectif de ce travail de thèse est de monter et valider un interféromètre à immersion à 193 nm
pour étudier, par anticipation, certains aspects de la technique. Dans ce manuscrit, nous décrivons
la conception d'un montage interférométrique en immersion à 193 nm ayant la particularité d'être
achromatique et présentant donc l'avantage de ne pas pâtir de la faible cohérence des sources excim`
eres à 193 nm. Nous nous sommes focalisés sur la caractérisation du montage optique et avons
conclu sur les paramètres de profondeur de champ et de transmission du système. Finalement, nous
nous sommes intéressés à l'étude de l'imagerie à haute ouverture numérique. Nous avons pu montrer
l'amélioration de la résolution en immersion, ainsi que la corrélation entre l'augmentation de la
rugosité et la perte de contraste due à la polarisation.
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