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1、微电子工艺原理与技术 ( 09研究生）,第七章 光学光刻,第三篇 单项工艺2,主要内容,概述； 2. 衍射； 3. 调制传输函数和光学曝光；接触式/接近式光刻机； 投影光刻机 6. 表面反射和驻波； 7. 对准。,1. 概述,光刻是在光的作用下，利用光刻胶过渡，将图象从母版向另一种介质转移的过程。母版即为光刻版，一种由透光区和不透光区组成的玻璃版。光线通常用近紫外（波长约436nm）、远紫外（波长约365nm, 290nm）、X-射线（波长约0.5-5nm）和电子束（束点小于100nm）。 光刻三要素：光刻胶、掩膜版和光刻机利用紫外光曝光的光刻技术为光学光刻，利用电子束、离子束等曝光的光刻技术
2、称为非光学光刻。,光刻版根据器件功能的要求，按不同制造工艺的版图设计规则设计制造。对每一层版图，版图设计将决定其允许的最小特征尺寸、允许的最小间隔、该层图形与其它层图形的最小覆盖、与它下层图形的最小间隔等要求。为完成器件工艺流片，铝栅CMOS器件需要8块光刻版，硅栅CMOS 10块光刻版。对有特殊功能的器件，其光刻次数可达15次以上。BiCMOS工艺可以多到28块光刻版。光刻的工艺成本在整套IC工艺中占1/3 以上。,集成电路的设计过程：设计创意 + 仿真验证,IC设计流程,芯片制造过程,集成电路的内部单元(俯视图),光刻版版图示意,对光刻版的质量要求,光刻版制作在不同类型石英玻璃上，用铬膜作
3、不透光区。对制作光刻版的石英玻璃，要求有良好的光学性能：曝光波长下的高透光度；小的热膨胀系数；整个表面具有很好的平整性，以降低光的散射。对制版过程中图形的正确性应该用与数据库的比对来确认，铬膜的缺陷需要精心修正，残留疵点可用激光烧除，针孔用额外沉积补救。这是十分重要的、保证成品率的关键工作。在流片前，工艺人员应当认真检查，比对、确认，只有正确无误时才开始流片。,光刻工艺,一次光刻包含在圆片上的涂胶、光刻版图形与圆片上前次图形的对准、紫外光对光刻胶曝光在圆片表面产生掩模图形、光刻胶对紫外光的吸收和反应、显影、坚膜、介质刻蚀。,光刻机的性能度量标准,1. 分辨率 即可以曝光出来的最小特征尺寸。对确
4、定的光刻机（对准机），分辨率不是一个固定数，取决于光刻胶依据实像重建图形的能力。正胶可以得到较好的分辨率，减薄光刻胶的厚度也可提高分辨率。为了实用，分辨率通常表达为可分辨的、且能保持一定尺寸容差的最小特征尺寸。典型值是取线宽分布三倍标准偏差不超过线宽的10%。,2. 对准 光刻机的对准是指层间套刻的对准精度。它取决于多种因素，例如对准记号的设计、圆片表面介质薄膜的性质、机器对对准记号的精确定位能力等。IC生产线上往往采用自动对准系统，而手动对准系统还主要取决于操作人员的能力。 3. 产量 为了提高效率，光刻机的流片能力是重要的性能指标。对常规的IC生产，必须全面地度量上述性能，兼顾各项指标。例
5、如，对电子束系统，它有很高的分辨率，但产量很低，如每小时一片，除非特殊需要，就不可能成为常规光刻机。对VLSI技术，分辨率和对准精度取最小特征尺寸的1/3，产量和工艺均匀性和重复性也是重要的。对GaAs工艺，对准比较宽松，但需要很好的分辨率。对同种产品的不同次光刻也有不同的光刻要求，可以采用不同的光刻机。,光刻机的性能度量标准,2. 衍 射,当光在光刻机光路中传播时，由于各种光学元件尺寸比曝光光波的波长大很多，可以把光当作简单的直线运动。用光线轨迹来描述。当光通过光刻版的掩膜时，由于特征尺寸与曝光波长可以比拟，需要把光当作电磁波来处理，即必须考虑光传播过程中的衍射和干涉。,用惠更斯-非涅耳原理
6、的子波叠加来考虑曝光时通过掩模缝的近场衍射。这时，缝宽度W，掩模-圆片距离g和衍射图形中心与观察点的距离r间满足：典型的近场衍射图形如右图,衍 射,远场衍射,当 时，称为远场衍射或夫朗和费衍射。远场衍射的光强可以用菲涅耳积分计算，得到如图所示的衍射图形。 在X=0处有尖锐 的主极大。在 X= / 2w 的整数 倍处过零。,3. 调制传输函数和光学曝光,实际系统比单点的衍射复杂得多，光源不是点而是有限发光体；波长也非单一波长；光是通过透镜/反射镜组合被收集；每个光学元件会有缺陷；掩模本身对入射光也会反射、吸收和移相。因此，对曝光时通过掩模到达光刻胶的光强不能得到精确的计算值，只能是数值近似。可以
7、利用一些简单的近似来确定分辨率。,实际的掩模版往往不是单缝，而是多缝，更类似于光栅。右图是衍射光栅的远场图形。图形的调制函数定义为：,MIF是实象上光学反差的量度，MIF越高反差越好。,光刻胶对曝光量的响应,光强与光矢量的电场强度分量的平方成正比，光强与曝光时间的乘积为曝光能量或曝光剂量，简称曝光量。单位：J/cm2， mJ/cm2 。光刻工艺中有两种简化的光刻胶响应指示： 1. 在曝光量D达到Dcr 的区域，光刻胶有理想的响应，如感光正胶可以在显影时全部溶解，低于Dcr 的区域，胶不会被侵蚀，如图A。 2. 用两个曝光能量密度D0 和D100表示。当DD100，光刻胶显影时完全溶解，当D D
8、0 时光刻胶完全不溶解。当D0 DD100 时，图形将部分显影。随宽度W下降，MIF下降，图象很快进入不能不完全复制区。通常，D0 和D100 的大小取决于图形特征尺寸和光刻胶的性能。当MIF0.5 时图形不能被复制。,两种响应指示,4. 光源系统和空间相干,光刻机的光源系统包括光源本身和用于收集、准直、滤波和聚焦的反射/折射元件。光源的波长是曝光需要的关键尺寸。波长越短，可曝光的特征尺寸越小。此外，光源还需要一定的能量，而且，光源必须是非相干光源，光强必须均匀地分布在整个圆片上。,高压电弧汞灯,常用的光刻机 光源为高压弧光汞灯。它有两个电极，密封在充有汞蒸汽的石英管中。启动时，电极间加上几千
9、伏的脉冲高压，高速电子轰击汞蒸汽，在管内形成压强高达40个大气压的等离子体，发出500-1000W的强弧光。弧光呈线状光谱，通常利用其436nm的g线或365nm的i线。若需要更短的波长，可用充氙弧光灯的290nm谱线，或用准分子激光光源。高压弧光汞灯不能频繁开关，否则会大大降低寿命。,高压电弧汞灯和氙灯的线光谱,接触/接近式 光刻机光线 的反射、 收集、过滤、 折射系统,准分子激光和空间相干,曝光光源必须是非相干光源，否则，就会在曝光区产生相干叠加，造成光强的非均匀分布。准分子激光常应用于分步重复光刻机中。准分子激光实际为激发的二聚物（有两个同样元素的分子，如F2）发光，近年的准分子激光已包
10、含两种或更多元素的混合物发光，称为激发态聚集发光。准分子激光的优点是： 可以获得波长很短的深紫外光，如：F2-157nm，ArF- 193nm； 它的多模式发光，使它有很弱的空间相干，可以满足光刻需要。 缺点是价格高、功率小，只适用与面积较小的分步重复光刻机。,准分子激光光源分步重复光刻机的光路示意,5. 接触式和接近式光刻机,接触式光刻机是最简单的光刻机，它的主要优点是价格低，不会产生衍射，光辐照的转移调制函数 MIF 可接近1，可复制出与掩模板相同精度的特征尺寸图形。它的缺点是，由于光刻版与圆片的胶面紧密接触，容易损坏光刻版和图形。对中小规模IC、不追求高成品率、只有小批量生产要求或试验性
11、场合使用时，接触式光刻是很好的选择。,典型的接触式光刻机,我们的3英寸光刻机,接近式光刻机,为了避免接触式光刻对掩模和圆片上图形的损伤，可以采用接近式光刻机。由于其曝光时光刻版与圆片间有距离，衍射会在透光区边缘产生虚影，使分辨率降低。当距离很大时，图形将严重退化。,最小接近距离,式中，k是取决于光刻胶处理工艺的常数，典型值接近1。可以计算，对20微米的间隙，曝光波长为436nm时，用接近式光刻可以实现的最小特征尺寸是3.0微米。,投影光刻机的最小接近距离还与光刻胶的处理工艺有关。通常，当特征尺寸为Wmin时，对波长为的光，最小接近距离g满足：,6. 投影光刻机,投影光刻机可以得到接触式光刻机的
12、高分辨率，又不会损坏版子和图形。投影机的常用类型有：扫描机、分步重复机和扫描分步重复机。,从图可见，在光刻版和圆片间增加了投影器（物镜），其作用是把透过光刻版后的衍射光重新聚焦到圆片上，消除因衍射引起的图形失真。投影机的重要性能指标用参数数值孔径表示，对接收半角为 的物镜（n为空气折射率），定义为：,对用于IC生产的投影机，接近理想的光学系统，没有色差、畸变，这时，其分辨率可用瑞利判据确定：,可见，系统的数值孔径越大，其分辨率越高，波长越短，分辨率越高。k是由光刻胶性能决定的常数，其值约0.75。对NA为0.6的系统和365nm的光，投影机最小可分辨0.46微米的图形。为了获得高的分辨率，必须
13、提高系统的数值孔径。,投影机的分辨率,投影机的聚焦深度,投影机的另一重要性能指标是聚焦深度，即沿着光通路，能保持聚焦条件下圆片可以移动的最大距离。,可见，增大数值孔径可以线性地增大分辨率，但却平方地降低了聚焦深度。因此，对一个实用投影系统，必须折中地考虑两者关系。减小波长的困难主要在于光学系统必须应对更高的光子能量对透镜的损伤。,空间相干系数 图形分辨率也是光源空间相干的函数。当光源经过光阑，并由聚光透镜把光束平行准直，其空间相干系数S近似为：,对掩模上线条和间隔相同的光栅，若线宽为W，该光栅的空间频率表示为：,空间频率与调制传输函数的关系见图。当已知调制函数值MIF 和曝光波长及空间相干系数
14、，可从图上查得归一化空间频率，即可知道由于光源的空间相干对投影光刻分辨率产生的限制。,空间频率对瑞利准则的归一化可表示为：,光源空间相干对分辨率的限制,归一化空间频率/v0,截止频率,三种光刻方式,例 题,扫描反射投影光刻机原理,特点： 曝光光学系统可为全反射，不需要石英透镜； NA小，0.16 3.产量大； 4.用于2.0微米尺寸工艺,扫描反射投影光刻机,248 nm分步重复光刻机,分步重复投影光刻机的特点,具有折射式光路系统，光场（曝光区）缩小（0.5-3cm2），通常为5：1，或4：1，即一次只曝光圆片的一部分，对整个圆片曝光必需分步完成； 可以有很高的NA，因而有很高的分辨率，如：特征
15、尺寸到 0.1 微米； 产量低，需要分步曝光、稳定、移动对准、聚焦、装卸片时间； 价格昂贵。 5. 提高数值孔径、利用准分子激光、增大曝光场尺寸、采用扫描方式等是分步重复光刻机的发展方向。,2002年以前的投影光刻机参数,7. 对准,对准是光刻技术的关键，它直接影响着器件性能和成品率。ULSI光刻的合理规定是：对准误差应该小于分辨率的1/41/3。分步重复光刻机通常利用自动对准系统，利用圆片表面的反射光和通过掩模的返回的光重合对准。多数分步机的圆片与掩模是经过各自的光路对准于曝光系统的光学链上，要周期性地校正来避免系统误差。,接触式和接近式光刻机的掩模版上在画版图时一定留下对位标记。操作者可以
16、通过圆片与掩模版间的相对平移和0-3的旋转来对准。不同的光刻机有不同的系统误差，不同层次的光刻只能在同一台光刻机上完成。特别是在接触式光刻机上完成的前道光刻片，不能到接近式光刻机上进行后道光刻操作。反之亦然。,展望,接触式光刻可以实现1微米以下的图形，接近式光刻以降低分辨率为代价，换取了无损伤效果。但分步重复光刻将是ULSI的主流机种。光学光刻在0.07-0.1微米范围内仍然会起关键作用。应用移相掩模和光学领近效应修正，可有效提高分辨率。虽然汞弧灯的436nm 和365nm光，在目前仍然有广泛应用，但随着IC特征尺寸的降低，准分子激光将成为主流，193nm波长的F2准分子激光将可使特征尺寸降到0.07微米，甚至更小。,作业： P178 4（b）、（C），5,
