微细加工-9-非光学光刻

《微细加工-9-非光学光刻》由会员分享，可在线阅读，更多相关《微细加工-9-非光学光刻（76页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、 通过使用大数值孔径的扫描步进光刻机和深紫外光源，再结合相移掩模、光学邻近效应修正和双层胶等技术，光学光刻的分辨率已进入亚波长，获得了 0.1 m 的分辨率。若能开发出适合 157 nm 光源的光学材料，甚至可扩展到 0.07 m。 第第9 9章章 非光学光刻技术非光学光刻技术但是这些技术的成本越来越昂贵，而且光学光刻的分辨率极限迟早会到来 。已开发出许多新的光刻技术，如将 X X射线射线、电子束电子束和 离子束离子束作为能量束用于曝光。这些技术统称为非光学非光学光刻技术光刻技术，或 下一代光刻技术下一代光刻技术。它们的共同特点是使用更短波长的曝光能源。投影式 X 射线（极紫外光）X 射线 电

2、子束 离子束接近式 X 射线 直写曝光（无掩模）投影曝光（有掩模）9.1 9.1 高能束与物体之间的相互作用高能束与物体之间的相互作用本节主要讨论 X 射线、电子束、离子束与固体之间的相互作用。一、一、X X射线与固体之间的相互作用射线与固体之间的相互作用X 射线光刻所用的波长在= 0.2 4 nm 的范围，所对应的 X 射线光子能量为 1 10 k eV。在此能量范围，X 射线的散射可以忽略 。X 射线光子的能量损失机理以光电效应为主，损失掉的能量转化为光电子的能量。能量损失与分辨率的关系能量损失与分辨率的关系分辨率取决于 X 射线的波长与光电子的射程两者中较大的一个 。当 X 射线波长为

3、5 nm 左右时两者相等，这时可获得最佳分辨率 ，其值即约为 5 nm 。但在 X 射线光刻技术中，由于掩模版等方面的原因 ，波长取为 0.2 4 nm ，其相应的光电子射程为 70 20 nm。但是实际上这并不是限制 X 射线光刻分辨率的主要因素。 后面会讲到，限制 X 射线光刻分辨率的主要因素是 掩模版掩模版的分辨率的分辨率，以及 半影畸变半影畸变和 几何畸变几何畸变。二、电子束与固体之间的相互作用二、电子束与固体之间的相互作用电子束与固体之间的相互作用有很多种，例如二次电子、散射电子、吸收电子、电子空穴对、阳极发光、X 射线、俄歇电子等。影响电子束曝光分辨率的主要是影响电子束曝光分辨率的

4、主要是散射电子散射电子。1 1、电子的散射、电子的散射入射电子与固体中另一粒子发生碰撞，发生动量与能量的转移，方向改变，能量减少，波长增大。 电子在光刻胶中的散射次数与光刻胶厚度成正比，与入射电子的初始能量 E0 成反比，典型值为几到几十次。散射角：电子散射后的方向与原入射方向之间的夹角。前散射（小角散射）：散射角 ，所以背散射是影响分辨率的主要因素；b、光刻胶较薄时，能量密度的分布范围较小；c、入射电子初始能量 E0 的影响是：对 ff ，E0 越大，则 越小；对 fb ，当 E0 增大时，先增大，然后减小；d、低原子序数材料中的散射一般要小一些。(3) 对此模拟结果进行 曲线拟合曲线拟合，

5、可得到近似的分析函数，为 双高斯函数双高斯函数 ，即(4) 当入射电子为任意空间分布函数 时，其吸收能量密度 是 与 的 卷积积分卷积积分，例如，当电子束分布为 高斯圆形束高斯圆形束时，式中， 为高斯电子束的标准偏差。(5) 胶层等能量密度剖面轮廓实际的曝光图形，既不是 函数，也不是仅仅一个孤立的 圆形束斑，如果是一条有宽度的线条，其能量吸收密度应当是 各入射电子束的作用的总和，如下图所示。设电子束的束流为 IB ，在每个 点上停留的时间为 t ，则每个束斑 上的入射电子数为 ( IB t / q ) ，每个束斑产生的吸收能量密度为则在离线条距离为 x 的点 P 下面深 度为 z 处的能量吸收

6、密度为用上述模拟方法对硅上的 PMMA 胶进行计算的结果以及实际的胶层剖面轮廓如下图所示，模拟结果实际结果5 5、电子束曝光的邻近效应及其修正方法、电子束曝光的邻近效应及其修正方法已知电子的散射特别是背散射，其影响范围可与电子射程或胶层厚度相当，这称为电子束曝光的 邻近效应邻近效应。对于一个其 线度 L 远大于电子散射范围 R 的图形，虽然其中间部分的曝光是均匀的，但边缘部分的情况就不同了，如下图所示，能量密度内邻近效应互邻 近效 应无散 射时内邻近效应互邻近效应邻近效应的后果邻近效应的后果(1) 对 L R 的孤立图形，使边缘模糊。(2) 对 L 50 k eV9.2 9.2 直写电子束光刻

7、系统直写电子束光刻系统电子束的波长短，因此电子束曝光的分辨率很高，是目前获得深亚微米高分辨率图形的主要手段之一。 质量 m 和加速电压 Va 越大，则波长越小。电子、离子等微观粒子具有波粒二象性，由德布罗意关系又由 代入波长中，得考虑到相对论效应后，应修正为电子束曝光的加速电压范围一般在 Va = 10 30 kV，这时电子波长的范围为 0.012 0.007 nm。 将 h = 6.6210-27 erg/s ，q = 4.810-10 绝对静电单位，电子质量 m = 9.110-27 g 代入，得电子束本身的分辨率极高 ，可以达到 0.01 m 以下，但是在光刻胶上一般只能获得 0.1 m

8、 左右的线宽。限制电子束曝光分辨率的因素有，1、光刻胶本身的分辨率2、电子在光刻胶中的散射引起的邻近效应3、对准问题 电子束曝光方式电子束曝光方式电子束曝光主要采用无掩模的直写方式（扫描方式），此外也有投影方式，但无接触式。直写曝光 （无掩模） 电子束曝光方式光栅扫描矢量扫描投影曝光（ 有掩模）一、直写电子束光刻机工作原理一、直写电子束光刻机工作原理除电子光学柱系统外，还有如真空系统、工件台移动系统等。数据输入计算机电子束控制工件台控制电子枪光闸硅片电子束聚焦系统偏转系统电 子 光 学 柱 系 统二、电子束发射聚焦系统二、电子束发射聚焦系统1 1、电子枪、电子枪要求：亮度高、均匀性好、束斑小、

9、稳定性好、寿命长。(1) 热钨丝电子枪。 束斑直径约为 30 m 。特点是简单可靠，对真空度要求低，但亮度低，寿命短，噪声大。(2) LaB6 电子枪。 是目前流行的电子束光刻机用电子枪 ，其特点是 亮度高，稳定性好，寿命长，但对真空度要求高，使 用条件严格；能散度大，聚焦困难，束斑大。 (3) 场致发射电子枪。 由 Zr/W/O 材料制造的尖端构成，其特点是 亮度更高，能散度低，束斑小，噪声低，寿命长，但 需要的真空度更高，高达 1.3310-6 Pa（110 8 Torr），且稳定性较差。2 2、聚焦系统、聚焦系统 作用：将电子束斑聚焦到 0.1 m 以下。要求：几何像差小、色差小。结构种

10、类：采用 2 3 级 静电透镜静电透镜或 磁透镜磁透镜 聚焦系统。磁透镜：由流过线圈的电流产生的一个对称磁场所形成 ，对电子束有聚焦作用。 三、偏转系统三、偏转系统作用：使电子束发生偏转，在光刻胶上进行扫描与曝光，描画出所需要的图形。要求：偏转像差小，图形清晰，分辨率高，偏转灵敏度高，偏转速度快。结构种类：磁偏转磁偏转 与 静电偏转静电偏转 。磁偏转器的电感较大，扫描频率较低；静电偏转器的电容较小，扫描频率较高 ，两者相差上万倍。此外，静电偏转器的光学性能较好，像差较小。实际使用时，有磁偏转、电偏转、磁-电偏转、磁-磁偏转、电-电偏转等多种组合方式。偏转器与磁透镜之间的位置也有多种组合方式。1

11、 1、光闸机构控制、光闸机构控制采用 “ “静电偏转器静电偏转器 + +光阑光阑” ” 的方式对电子束通断进行控制。四、控制系统四、控制系统对光闸、偏转系统和工件台的移动进行统一协调的控制。静电偏转器光阑当 V = +E 时 V当 V = 0 时2 2、偏转系统扫描控制、偏转系统扫描控制只应用于矢量扫描方式，使电子束根据集成电路图形的要 求做出规定的偏转，完成扫描曝光。 1 1、高斯圆形束光柱、高斯圆形束光柱采用点光源和圆形光阑，上靶束斑的电流密度在横截面上呈二维高斯分布，等流线为圆形。束斑直径为 0.1 1 m ，最小可达到 0.01 m 。其主要优点是 分辨率高，制作图形时精细灵活。主要缺

12、点是 曝光效率低。五、电子光学柱的类型五、电子光学柱的类型 2 2、固定方形束光柱、固定方形束光柱采用面光源和方形光阑。束斑尺寸一般取为图形的最小特征尺寸。主要优点是 曝光效率高，主要缺点是曝光不灵活，某些区域可能被重复曝光而导致曝光过度。成形偏转板光阑 1光阑 2通过光阑1后形成 的固定方形束与光阑 2 的 相互位置偏转后的方形束通过光阑 2 后形成 的可变矩形束3 3、可变矩形束光柱、可变矩形束光柱主要优点是曝光效率更高，更灵活，且无重复曝光区域。 主要缺点是结构复杂，价格昂贵。但由于它是实现复杂精细图 形的直接书写、高生产效率曝光的重要手段，已经得到了越来 越多的使用。所产生的矩形束斑的

13、尺寸可按需要随时变化。由两个方形 光阑和两个 x、y 方向的成形偏转器构成。4 4、三种光柱曝光效率的比较、三种光柱曝光效率的比较例例1 1、10d 5d5d10d13d115d2例例2 2、1M DRAM 的芯片尺寸为 9.69.6 mm2，最小线宽 1 m， 平均曝光面积 44 mm2 ，曝光图形约为 460 万个。每个 4 英寸 硅片上可容纳 52 个芯片。若采用 D = 0.25 m 的高斯圆形束 ， 每点的曝光时间为 1 s ，则单纯用于曝光的时间近 4 个小时 ； 若采用可变矩形束，每点的曝光时间为 1.8 s ，则单纯用于曝 光的时间仅 7 分钟。六、直写电子束光刻机的扫描方式六

14、、直写电子束光刻机的扫描方式1 1、光栅扫描、光栅扫描采用高斯圆形束。电子束在整个扫描场里作连续扫描，通过控制光闸的通断来确定曝光区与非曝光区。光栅扫描的优点是 控制简单，不需对偏转系统进行控制。缺点是 生产效率低。由于扫描场的范围较小，必须配合工件台的移动来完成对整个硅片的曝光。按工件台的移动方式又可分为 分步重复光栅分步重复光栅扫描扫描和和连续光栅扫描连续光栅扫描 两种。2 2、矢量扫描、矢量扫描除高斯圆形束外，也可以采用固定方形束或可变矩形束。矢量扫描的优点是 曝光效率高，因为电子束不需对占总面积约 60% 70% 的无图形区域进行扫描，而且可采用可变矩形束。 缺点是 控制系统要复杂一些

15、，因为矢量扫描必须对偏转系统进行控制，而不象光栅扫描那样采用固定的偏转方式。9.3 9.3 直写电子束光刻概要和展望直写电子束光刻概要和展望直写电子束光刻的主要优点是 分辨率高，作图灵活。主要缺点是 曝光效率低，控制复杂。为了提高效率，已经开发出了高亮度源、矢量扫描系统、与大数值孔径透镜相结合的低感应偏转线圈等。但是直写电子束光刻在最好的情况下也比光学光刻系统慢一个数量级。可能的解决方法是使用一种大量电子束源同时曝光的多电子束曝光系统，直写电子束光刻目前主要用于光刻版的制造。也可用于产量不大，但要求分辨率特别高，图形要经常变化的场合，如高速 GaAs 集成电路等。9.4 X9.4 X射线源射线源为了提高分辨率，可以采用波长= 0.2 4 nm 的 X 射线作为曝光的光源。1 1、电子碰撞、电子碰撞X X射线源射线源用高能电子束轰击金属靶（如 Al、W、Mo），使靶金属的内层束缚电子离开靶材料，当另一个束缚电子去填充这一空位时，即可发射出 X 射线。 这种 X 射线源的主要缺点是效率很低，只有几万分之一。功率消耗达数万瓦，并产生大量的热。除了用水冷却外，还可使阳极高速旋转。2 2、等离子体、等离子体X X射线源射线源用聚焦的高能电子束或激光束轰击金属