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1、第 7 章 光学光刻,光刻,曝光刻蚀,光源曝光方式,7.1 光刻概述,评价光刻工艺可用三项主要的标准：分辨率、对准精度 和生产效率。,涂光刻胶（正）,选择曝光,光刻工艺流程,显影（第 1 次图形转移）,刻蚀（第 2 次图形转移）,3,光刻工艺的个步骤,光源,紫外光（UV）,深紫外光（DUV）,g 线：436 nm i 线：365 nm,KrF 准分子激光：248 nm ArF 准分子激光：193 nm,极紫外光（EUV），10 15 nm,X 射线，0.2 4 nm,电子束,离子束,5,电磁光谱,6,紫外光谱,可见光谱：波长在390nm到780nm之间；紫外光谱：波长在4nm到450nm之间。
2、,有掩模方式无掩模方式（聚焦扫描方式）,接触式非接触式,接近式投影式,反射折射,全场投影步进投影扫描步进投影,矢量扫描光栅扫描混合扫描,曝光方式,7.2 衍射,当一个光学系统中的所有尺寸，如光源、反射器、透镜、掩模版上的特征尺寸等，都远大于光源波长时，可以将光作为在光学元件间直线运动的粒子来处理。,但是当掩模版上的特征尺寸接近光源的波长时，就应该把光的传输作为电磁波来处理，必须考虑衍射和干涉。由于衍射的作用，掩模版透光区下方的光强减弱，非透光区下方的光强增加，从而影响光刻的分辩率。,7.3 调制传输函数和光学曝光,无衍射效应,有衍射效应,光强,定义图形的 调制传输函数 MTF 为,无衍射效应时
3、，MTF = 1 ；有衍射效应时 ，MTF 1 。光栅的周期（或图形的尺寸）越小，则 MTF 越小；光的波长越短，则 MTF 越大。,图形的分辩率还要受光刻胶对光强的响应特性的影响。,理想光刻胶：光强不到临界光强 Dcr 时不发生反应，光强超过 Dcr 时完全反应，衍射只造成线宽和间距的少量变化。,Dcr,D100,D0,实际光刻胶：光强不到 D0 时不发生反应，光强介于 D0 和 D100 之间时发生部分反应，光强超过 D100 时完全反应，使线条边缘出现模糊区。在一般的光刻胶中，当 MTF 0.4 时，图形不再能被复制。,7.4 光源系统,对光源系统的要求 1、有适当的波长。波长越短，曝光
4、的特征尺寸就越小； 2、有足够的能量。能量越大，曝光时间就越短； 3、曝光能量必须均匀地分布在曝光区。,常用的 紫外光 光源是高压弧光灯（高压汞灯）。高压汞灯有许多尖锐的光谱线，经过滤光后使用其中的 g 线（436 nm）或 i 线（365 nm）。,高压汞灯的光谱线,120100806040200,200300 400 500 600,Relative Intensity (%),h-line405 nm,g-line436 nm,i-line365 nm,Emission spectrum of high-intensity mercury lamp,由于衍射效应是光学曝光技术中限制分辨率
5、的主要因素，所以要提高分辨率就应使用波长更短的光源如 深紫外光。实际使用的深紫外光源有 KrF 准分子激光（248 nm）、ArF 准分子激光（193 nm）和 F2 准分子激光（157 nm）等。,深紫外光的曝光方式与紫外光基本相同，但需注意两点， 1、光刻胶 2、掩模与透镜材料,248 nm 波长的光子能量为 4.9 eV，193 nm 波长的光子能量为 6.3 eV ，而纯净石英的禁带宽度约为 8 eV。波长越短，掩模与透镜材料对光能的吸收就严重，造成曝光效率降低和掩模与透镜发热。,各种光学曝光光源的使用情况 1985 年以前，几乎所有光刻机都采用 g 线 (436 nm) 光源，当时的
6、最小线宽为 1 m 以上 。1985 年以后开始出现少量 i 线(365 nm) 光刻机，相应的最小线宽为 0.5 m 左右。从 1990 年开始出现 DVU 光刻机，相应的最小线宽为 0.25 m 左右。从1992年起 i 线光刻机的数量开始超过 g 线光刻机 。截止到 1998 年 ，g 线、i 线和 DVU 光刻机的销售台数比例约为 1 : 4 : 2。而目前DVU 光刻机的销售台数已经超过 i 线光刻机。,7.5 接触式与接近式光刻机,一、接触式光刻机,Si,U. V.MaskP. R.SiO2,优点：设备简单；理论上 MTF 可达到 1，因此分辨率比较高，约 0.5 m。,缺点：掩模
7、版寿命短（10 20 次），硅片上图形缺陷多，光刻成品率低。,二、接近式光刻机,g = 10 50 m,优点：掩模寿命长（可提高 10 倍以上），图形缺陷少。,缺点：衍射效应严重，使分辨率下降。,最小可分辨的线宽为,式中，k 是与光刻胶处理工艺有关的常数，通常接近于 1 。,7.6 投影式光刻机,式中，k1 是与光刻胶的光强响应特性有关的常数，约为 0.75 。 NA 为镜头的 数值孔径，,投影式光刻机的分辨率由 雷利第一公式 给出，即,一、分辨率与焦深,n 为折射率， 为半接收角。NA 的典型值是 0.16 到 0.8。,增大 NA 可以提高分辨率，但却受到 焦深 的限制。,22,透镜俘获衍
8、射光NA,数值孔径(NA)：透镜收集衍射光的能力。,分辨率与焦深对波长和数值孔径有相互矛盾的要求，需要折中考虑。增加 NA 线性地提高分辨率，平方关系地减小焦深，所以一般选取较小的 NA。为了提高分辨率，可以缩短波长。,焦深 代表当硅片沿光路方向移动时能保持良好聚焦的移动距离。投影式光刻机的焦深由 雷利第二公式 给出，即,二、1 : 1 扫描反射投影光刻机,掩模,硅片,反射凹镜,反射凸镜,光源,优点 1、掩模寿命长，图形缺陷少。 2、无色散，可以使用连续波长光源，无驻波效应。无折射系统中的象差、弥散等的影响。 3、曝光效率较高。,缺点 数值孔径 NA 太小，是限制分辨率的主要因素。,三、分步重
9、复缩小投影光刻机,随着线宽的不断减小和晶片直径的增大，分辨率与焦深的矛盾、线宽与视场的矛盾 越来越严重。为解决这些问题，开发出了分步重复缩小投影曝光机（ Direct Step on the Wafer ，简称 DSW，Stepper）。早期采用 10 : 1 缩小，现在更常用的是 5 : 1 或 4 : 1。,光源,聚光透镜,投影器,掩模,硅片,缺点 1、曝光效率低； 2、设备复杂、昂贵。,优点 1、掩模版寿命长，图形缺陷少； 2、可以使用高数值孔径的透镜来提高分辨率，通过分步聚焦来解决焦深问题，可以在大晶片上获得高分辨率的图形； 3、由于掩模尺寸远大于芯片尺寸，使掩模制造简单，可减少掩模上
10、的缺陷对芯片成品率的影响。,当芯片的面积继续增大时，例如 4G DRAM 的面积已达到 3232 mm2 ，线宽为 0.13 m ，已达到视场的极限 。于是又出现了步进扫描投影曝光机，当然设备就更加复杂和昂贵了。,7.7 先进掩模概念,一、保护薄膜 分步重复缩小投影虽然可以减少小缺陷的影响，但大缺陷的影响更严重，因为它可以被复制到每一个小视场中。,解决的办法是给步进机的掩模版蒙上一层保护薄膜，并使薄膜离开掩模版表面约 1 cm。这样可使任何落在薄膜上的颗粒保持在光学系统的聚焦平面之外。,另一种用于接触式光刻机的保护薄膜直接涂在掩模版上 ，它可以使接触式光刻在保持高分辨率优点的同时，提高掩模版的
11、使用寿命，减少芯片上的缺陷。,二、抗反射膜 光线在掩模版和透镜表面的部分反射会使光能受到损失。有些光线经多次反射后会打到硅片上，使图形质量受到影响。为了减小这个问题，一种新掩模技术采用在掩模版靠近镜头的一面加上 10% 的抗反射剂。,由公式,可知，由于 NA 对焦深的作用更大，所以通常希望采用较小的NA 值。一般将 NA 值取为 0.16 到 0.6。当 k1 为 0.75 时，有,上式在一段时期内被认为是光学曝光法的分辨率极限。若要进一步减小线宽，只能采用波长更短的光源，例如 X 射线。,三、相移掩模技术,对光刻胶和镜头等的改进只能稍微减小 k1 值。而 相移掩模技术 等 超分辨率技术 的发
12、明使 k1 突破性地下降了一半以上 ，从而使分辨率极限进入了 亚波长 范围，使 i 线和深紫外光 的分辨率分别达到了 0.25 m 和 0.10 m以下，同时也使 X 射线光刻机的使用比原来预期的大大推迟。,除了相移掩模技术外，超分辨率技术还包括 光学邻近效应修正技术、双层及多层光刻胶技术 和 浸没式镜头 等。,相移掩模技术的关键是在掩模的透光区相间地涂上相移层，并使用相干光源。这使透过相邻透光区的光线具有相反的相位，从而使其衍射部分因干涉作用而相互抵消。,相移掩模技术对制版技术提出了新的要求，如相移材料的选择、制备与加工，制版软件中对相移层图形的设计等。,掩模版,掩模处的光幅度,衬底处的光幅
13、度,衬底处的光强度,相移掩模,普通掩模,边缘相移掩模技术,把掩模设想为一个曝光矩阵 M，由许多 0 和 1 的像素组成，0 代表透明区，1 代表不透明区。当用这块掩模对硅片曝光后，在硅片表面可以得到一个包含相同数目像素的图形矩阵 W。在理想情况下，这两个矩阵应该相同。但是在实际情况下，由于曝光工艺会造成硅片表面图形的畸变，从而影响图形矩阵 W 。可以建立一个矩阵 S 来表示从矩阵 M 到矩阵 W 的变化，即 W = SM 矩阵 S 中包含了光学系统的所有信息。理想的 S 是一个单位矩阵，但实际上它包含了反映图形畸变的非对角元素。,四、光学邻近效应修正技术,所谓光学邻近效应修正（OPC）就是求出
14、矩阵 S 的逆矩阵 S-1，用来对原来的掩模进行修正，得到新掩模的曝光矩阵为 M1 = S-1M,用新掩模对硅片曝光后得到的图形矩阵为 W1 = SM1 = S S-1M = M 于是在硅片上得到了与原来掩模完全相同的图形。,矩阵 S-1是很大的，可能包含 1010 个以上的像素，但也是一个很稀疏的矩阵。如果结合应用多层部分吸收材料，可以得到更精细的 OPC 掩模版，但价格也十分昂贵。,7.8 表面反射和驻波,一、表面反射 穿过光刻胶的光会从硅片表面反射出来，从而改变光刻胶吸收的光能，特别是硅片表面的金属层会反射较多的光。 硅片表面倾斜的台阶侧面会将光反射到非曝光区。,解决办法 1、改变淀积参
15、数以控制薄膜的反射率； 2、使表面平坦化； 3、在光刻胶下加一层抗反射膜,二、驻波,驻波是由入射光和反射光之间的干涉造成的。驻波的波节与波腹之间的间隔为/4n = 0.16。对于= 200 400 nm 的紫外光，此间隔为 32 64 nm ，小于光刻胶厚度。胶中不同的光强分布，将导致不同的显影速率，给线宽的控制带来困难。,7.9 对准,大规模集成电路制造对光刻对准的规定是，对准误差应该不大于特征尺寸的 1/4 到 1/3 。,为了便于对准，在掩模上必须设置专门的对准标记。通过比较硅片表面的反射光和透过掩模返回的光来实现对准。,在步进光刻机上通常有自动对准系统。为了提高对准效率，可以先作一次人
16、工对准。,掩模的热膨胀也会产生对准误差。为避免 8 英寸掩模产生0.1 m 的膨胀，掩模的温度变化必须控制在 0.75C 左右。,7.10 小结,限制光学曝光方式的分辨率的主要因素是衍射效应。最早使用的接触式光刻机，分辨率可到 1 m以下，但容易损伤掩模和硅片。解决的办法是使用接近式光刻机，但要影响分辨率。介绍了具有亚微米分辨率的投影曝光系统。为了解决分辨率和焦深之间的矛盾，可以采用分步重复的方式。最后介绍了通过改进掩模制作提高分辨率的方法，即相移掩模技术和光学邻近效应修正技术。,随着光刻技术的不断发展，光学曝光的分辨率已进入亚波长范围。现在利用 193 nm 光源及 OPC 技术，已获得 0
17、.13 m的线宽，预期可达到 0.10 m ，甚至达到 0.07 m 。,光学曝光的各种曝光方式及其利弊小结,接触式,非接触式,优点：设备简单，分辨率较高,缺点：掩模版与晶片易损伤，成品率低,接近式,优点：掩模版寿命长，成本低,缺点：衍射效应严重，影响分辨率,投影式,全反射,折射,优点：无像差，无驻波效应影响,缺点：数值孔径小，分辨率低,优点：数值孔径大，分辨率高，,对硅片平整度要求低，,掩模制造方便,缺点：曝光效率低，设备昂贵,习 题 1、一位工程师用一个 ArF 激光代替一个简单接触式光刻机的光源，来得到一台便宜的能曝光细线条的光刻机。 （a）这位工程师可能会遇到的两个什么问题？ （b）如果光刻胶的厚度为1.0 m （这相当于接近式曝光的缝隙），可达到的最小特征尺寸是多少？ （c）如果要得到 0.1 m的分辨率，光刻胶的厚度必须多薄？这会带来什么问题？ 2、在投影式曝光技术中，分辩率与焦深之间存在着什么矛盾？如何协调这个矛盾？分步重复曝光有什么优点？,
