微细加工9非光学光刻

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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 9 章 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 射线、电子束 和 离子束作为能量束用于曝光。这些技术统称为非光学光刻技术，或 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,电子束,离子束,接近式 X 射线,直写曝光（无掩模）,投影

2、曝光（有掩模）,9.1 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、X 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 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

3、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 掩模版的分辨率，以及 半影畸变 和 几何畸变。,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 散射电子 。,1、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

4、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，可得到近似的分析函数，为 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，,例如，当电子束分布为 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

5、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、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。对于一个其线

6、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(1) 对 L R 的孤立图形，使边缘模糊。(2) 对 L = R 的孤立图形，使边缘曝光不足，图形变小、变圆，甚至曝不出来。(3) 对间距 a = R 的多个图形 ，使间距变小，甚至相连。,减小电子邻近效应的方法,减小入射电子束的能量（因 随 E0 先大后小），或采用低原子序数的衬底与光刻胶。,修正电子邻近效应的方法电子束图形,曝光显影后 有邻近效应,几何修正,剂量修正,离子束与固体之间的相互作用有：散

7、射（碰撞）、辐射损伤（产生位错）、溅射（刻蚀及镀膜）、俘获（离子注入）、激发、电离、电子发射、二次离子发射等。,这些效应的强弱随入射离子的能量不同而不同。用于集成电路制造技术的入射离子能量范围为,三、离子束与固体之间的相互作用,刻蚀、镀膜： 50 k eV,9.2 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

8、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 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,除电子光

9、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1、电子枪,要求：亮度高、均匀性好、束斑小、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

10、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、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。结构种类：采用 2 3 级 静电透镜 或 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 与 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

11、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、光闸机构控制采用 “静电偏转器 +光阑” 的方式对电子束通断进行控制。,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、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、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

12、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。主要缺点是 曝光效率低。,五、电子光学柱的类型,2、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、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

13、了越来越多的使用。,所产生的矩形束斑的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、三种光柱曝光效率的比较,例1、,10d,5d,5d,10d,13d,115d2,例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

14、式1、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 分步重复光栅扫描 和 连续光栅扫描 两种。,2、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，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。,