为什么DOF对于芯片制造如此重要？

在光刻（lithography）中，DOF（Depth of Focus，焦深或焦平差）是描述光学系统在纵向（垂直于硅片平面方向）可保持成像清晰的容限范围的关键参数。它与光刻分辨率、工艺窗口、良率紧密相关。

1. DOF 的定义与物理意义

• 焦深（DOF）：在光学成像中，指感光胶（photoresist）平面相对投影系统焦平面可有的最大偏离量范围。只有当硅片表面起伏（topography variation）小于 DOF，曝光图形才能保持清晰、尺寸准确。
  
  

• 物理意义：光刻过程中，硅片上的图形由投影透镜聚焦后成像到光阻上。若硅片任一点高出或低于焦平面超过 DOF，就会出现失焦（out‑of‑focus），导致图形模糊、线宽（CD）偏差增大，进而影响良率。
  
  

2. DOF 的理论公式

根据经典光学理论（Rayleigh 准则），对于近场投影光刻系统，DOF 与曝光波长 λ、光学系统数值孔径 NA 和经验常数 k₂（与工艺、光阻特性、后曝光处理相关）呈反比

• λ（曝光波长）：常见如 i‑line（365 nm）、ArF（193 nm）、EUV（13.5 nm）。
• NA（数值孔径）：NA 越大，分辨率越高，但 DOF ∝ 1/NA²，会急剧下降。
• k₂（经验因子）：典型取值约 0.5～0.8，取决于胶层厚度、显影工艺、后曝光烘烤（PEB）等。
  
  

3. DOF 对工艺窗口与良率的影响

• 工艺窗口（Process Window）
  
  
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    工艺窗口通常以曝光剂量（Dose）与对焦偏差（Focus）两个轴上的可接受范围来衡量。DOF 越大，Focus 容限越宽，工艺更稳定、良率更高。
    
    
  
  
• 表面粗糙度与起伏
  
  
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    硅片在前序工艺（如蚀刻、沉积）后常带有数十至数百纳米的高低起伏。若起伏 > DOF，就会出现局部失焦，导致线宽变化、断线或过度曝光。
    
    
  
  
• 多层对准（Overlay）
  
  
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    多层互连中，需要多次光刻叠加。若下层不平整，焦平面偏移，会使对准标记模糊或偏移，增加 overlay 误差，影响晶体管、电阻、电容等器件性能一致性
    
    
  
  

4. 提升 DOF 的主要方法

• 浸没式光刻（Immersion Lithography）
  
  
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    在硅片与投影透镜之间注入高折射率液体（如水，n ≈ 1.44），可在不增大 NA 的前提下，通过 λ_eff = λ/n 缩短有效波长，从而在同样 NA 下提高 DOF。
    
    
  
  
• 相移掩膜（Phase‑Shift Mask, PSM）
  
  
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    通过改变掩膜上不同区域光波相位，使成像对比度提高，可在保证分辨率的同时稍微改善 DOF。
    
    
  
  
• 多重图形化（Multiple Patterning）
  
  
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    如双重曝光（Double Patterning）、四重图形化（Quadruple Patterning）等，通过分解图形来放宽分辨率与 DOF 的直接竞争关系。
    
    
  
  
• 后曝光烘烤与胶层工艺优化
  
  
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    调整 PEB 温度／时间、光阻化学配方、显影工艺等，可改变 k₂ 值，适度提升 DOF 容限。
    
    
  
  

5. 新一代工艺节点下的 DOF 挑战

• EUV 高 NA 演进：目前主流 EUV 系统 NA ≈ 0.33，对应 DOF ≈ 70 nm；未来高 NA EUV（NA ≈ 0.55）将分辨率更优，但 DOF 或降至 ∼30 nm 以下，对晶圆平整度及焦平面控制提出更高要求。
• 晶圆平整化（CMP）与测量反馈：为了在 DOF 严格限制下保证良率，CMP 平坦化技术和在线测量（如光学轮廓/扫描白光干涉）必须做到更高精度（TTV < 20 nm，LSF < 5 nm）。
• 极限工艺窗口控制：未来工艺窗口可能仅剩几十纳米的 DOF 容差，曝光设备需实时自动对焦（AF）和非接触测厚（NIL），并结合机器学习算法预测和补偿失焦。
  
  

小结

• DOF 是光刻工艺窗口的“生命线”：它决定了硅片表面起伏可接受范围，直接关联图形分辨率、良率和多层对准精度。
• 分辨率与 DOF 的矛盾：λ ↓、NA ↑ 是提升分辨率的必由之路，却使 DOF ↓↓，必须通过浸没式、相移掩膜、多重图形化、胶层工艺等技术来平衡。
• 面向未来：随着高 NA EUV 及更先进节点到来，DOF 容差将进一步收紧，对晶圆平整化及对焦控制提出更严苛的挑战，也将驱动光刻设备与工艺技术持续创新。