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1、第第 7 章章 光学光刻光学光刻光刻光刻曝光曝光刻蚀刻蚀光源光源曝光方式曝光方式 7.1 光刻概述光刻概述 评价光刻工艺可用三项主要的标准：评价光刻工艺可用三项主要的标准：分辨率、对准精度分辨率、对准精度分辨率、对准精度分辨率、对准精度 和和生产效率生产效率生产效率生产效率。涂光刻胶（正）涂光刻胶（正）选择曝光选择曝光选择曝光选择曝光 光刻工艺流程光刻工艺流程光刻工艺流程光刻工艺流程显影（第显影（第 1 次图形转移）次图形转移）刻蚀（第刻蚀（第 2 次图形转移）次图形转移）光光源源紫外光（紫外光（UV）深紫外光（深紫外光（DUV） g 线：线：436 nm i 线：线：365 nm KrF 准
2、分子激光：准分子激光：248 nm ArF 准分子激光：准分子激光：193 nm极紫外光（极紫外光（EUV），），10 15 nm X 射线，射线， 4 nm 电子束电子束 离子束离子束有掩模方式有掩模方式无掩模方式无掩模方式（聚焦扫描方式）（聚焦扫描方式）接触式接触式非接触式非接触式接近式接近式投影式投影式反射反射折射折射全场投影全场投影步进投影步进投影扫描步进投影扫描步进投影矢量扫描矢量扫描光栅扫描光栅扫描混合扫描混合扫描曝曝光光方方式式 7.2 衍射衍射 当一个光学系统中的所有尺寸，当一个光学系统中的所有尺寸，如光源、反射器、透镜、掩模版上的如光源、反射器、透镜、掩模版上的特征尺寸等，都
3、远大于光源波长时，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可以将光作为在光学元件间直线运动的粒子来处理。的粒子来处理。 但是当掩模版上的特征尺寸接近曝光波长时，就应该把光但是当掩模版上的特征尺寸接近曝光波长时，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。加，从而影响光刻的分辩率。 7.3 调制传输函数和光学曝光调制传输函数和光学曝光无衍射效应无衍射效应有衍射效应有衍
4、射效应光光强强 定义图形的定义图形的 调制传输函数调制传输函数调制传输函数调制传输函数 MTFMTF 为为 无衍射效应时，无衍射效应时，MTF = 1 ；有衍射效应时；有衍射效应时 ，MTF 1 。光栅的周期（或图形的尺寸）越小，则光栅的周期（或图形的尺寸）越小，则 MTF 越小；光的波长越小；光的波长越短，则越短，则 MTF 越大。越大。 7.4 光源系统光源系统 对光源系统的要求对光源系统的要求 1、有适当的波长。波长越短，可曝光的特征尺寸就越小；、有适当的波长。波长越短，可曝光的特征尺寸就越小； 2、有足够的能量。能量越大，曝光时间就越短；、有足够的能量。能量越大，曝光时间就越短； 3、
5、曝光能量必须均匀地分布在曝光区。、曝光能量必须均匀地分布在曝光区。 常用的常用的 紫外光紫外光紫外光紫外光 光源是高压弧光灯（高压汞灯），高压汞灯光源是高压弧光灯（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有许多尖锐的光谱线，经过滤光后使用其中的 g g 线（线（线（线（436436 nmnm）或或 i i 线（线（线（线（365365 nmnm）。120100806040200200300 400 500 600Relative Intensity (%)h-line405 nmg-line436 nmi-line365 nmDUV248 nmEmission spectr
6、um of high-intensity mercury lamp高压汞灯的光谱线高压汞灯的光谱线 由于衍射效应是光学曝光技术中限制分辨率的主要因素，由于衍射效应是光学曝光技术中限制分辨率的主要因素，所以要提高分辨率就应使用波长更短的光源如所以要提高分辨率就应使用波长更短的光源如 深紫外光深紫外光深紫外光深紫外光。实际。实际使用的深紫外光源有使用的深紫外光源有 KrFKrF 准分子激光（准分子激光（准分子激光（准分子激光（248248 nmnm）、）、）、）、ArFArF 准分子准分子准分子准分子激光（激光（激光（激光（193193 nmnm）和和 F2 准分子激光（准分子激光（157 nm）
7、等。）等。 深紫外光的曝光方式与紫外光基本相同，但需注意两点，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、光刻胶 2、掩模与透镜材料、掩模与透镜材料 248 nm 波长的光子能量为波长的光子能量为 eV，193 nm 波长的光子能量为波长的光子能量为 eV ，而纯净石英的禁带宽度约为，而纯净石英的禁带宽度约为 8 eV。波长越短，掩模与透镜。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。热。7.5 接触式与接近式光刻机接触式与接近式光刻机 一、接触式光刻机一、接触式光刻机SiU. V.Ma
8、skP. R.SiO2 优点：优点：优点：优点：设备简单；理论上设备简单；理论上 MTF 可达到可达到 1，因此分辨率比较，因此分辨率比较高，约高，约 m。 缺点：缺点：缺点：缺点：掩模版寿命短（掩模版寿命短（10 20 次），硅片上图形缺陷多，次），硅片上图形缺陷多，光刻成品率低。光刻成品率低。 二、接近式光刻机二、接近式光刻机g = 10 50 m 优点：优点：优点：优点：掩模寿命长（可提高掩模寿命长（可提高 10 倍以上），图形缺陷少。倍以上），图形缺陷少。 缺点：缺点：缺点：缺点：衍射效应严重，使分辨率下降。衍射效应严重，使分辨率下降。 最小可分辨的线宽为最小可分辨的线宽为式中，式中，
9、k 是与光刻胶处理工艺有关的常数，通常接近于是与光刻胶处理工艺有关的常数，通常接近于 1 。7.6 投影式光刻机投影式光刻机式中，式中，k1 是与光刻胶的光强响应特性有关的常数，约为是与光刻胶的光强响应特性有关的常数，约为 。 NA 为镜头的为镜头的 数值孔径数值孔径数值孔径数值孔径， 投影式光刻机的分辨率由投影式光刻机的分辨率由 雷利第一公式雷利第一公式雷利第一公式雷利第一公式 给出，即给出，即一、分辨率与焦深一、分辨率与焦深n 为折射率，为折射率， 为半接收角。为半接收角。NA 的典型值是的典型值是 到到 。 增大增大 NA 可以提高分辨率，但受到可以提高分辨率，但受到 焦深焦深焦深焦深
10、的限制。的限制。 分辨率与焦深对波长和数值孔径有相互矛盾的要求，需要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。增加折中考虑。增加 NA 线性地提高分辨率，平方关系地减小焦深，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所以一般选取较小的 NA。为了提高分辨率，可以缩短波长。为了提高分辨率，可以缩短波长。 焦深焦深焦深焦深 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距离。投影式光刻机的焦深由 雷利第二公式雷利第二公式雷利第二公式雷利第二公式 给出，即给出，即掩掩模模硅硅片片反射凹反射凹镜镜反
11、射凸反射凸镜镜光光源源优点：优点：优点：优点： 1、掩模寿命长，图形缺陷少。、掩模寿命长，图形缺陷少。 2、无色散，可以使用连续波长、无色散，可以使用连续波长光源，无驻波效应。无折射系统光源，无驻波效应。无折射系统中的象差、弥散等的影响。中的象差、弥散等的影响。 3、曝光效率高。、曝光效率高。缺点：缺点：缺点：缺点： 数值孔径数值孔径 NA 太小，是限制太小，是限制分辨率的主要因素。分辨率的主要因素。 二、二、1 : 1 扫描反射投影光刻机扫描反射投影光刻机 三、分步重复缩小投影光刻机三、分步重复缩小投影光刻机 随着线宽的不断减小和晶片直径的增大，随着线宽的不断减小和晶片直径的增大，分辨率与焦
12、深的分辨率与焦深的分辨率与焦深的分辨率与焦深的矛盾矛盾矛盾矛盾、线宽与视场的矛盾线宽与视场的矛盾线宽与视场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（出了分步重复缩小投影曝光机（Direct Step on the Wafer，简，简称称 DSW，Stepper）。早期采用）。早期采用 10 : 1 缩小，现在更常用的是缩小，现在更常用的是 5 : 1 或或 4 : 1。光源光源聚光透镜聚光透镜投影器投影器掩模掩模硅片硅片UV lightReticle field size20 mm 15mm,4 die per fiel
13、d5:1 reduction lensWafer图形曝光在硅片上是投影掩膜版上视场的1/5 4 mm 3 mm,4 die 每次曝光曲折的步进图形 缺点：缺点：缺点：缺点： 1、曝光效率低；、曝光效率低； 2、设备复杂、昂贵。、设备复杂、昂贵。 优点：优点：优点：优点： 1、掩模版寿命长，图形缺陷少；、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、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；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、由于掩模
14、尺寸远大于芯片尺寸，使掩模制造简单，可减少掩模上的缺陷对芯片成品率的影响。减少掩模上的缺陷对芯片成品率的影响。 当芯片的面积继续增大时，例如当芯片的面积继续增大时，例如 4G DRAM 的面积已达到的面积已达到 3232 mm2 ，线宽为，线宽为 m ，已达到视场的极限，已达到视场的极限 。于是又出现了。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。步进扫描投影曝光机，当然设备就更加复杂和昂贵了。 7.7 先进掩模概念先进掩模概念 一、保护薄膜一、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
15、被复制到每一个小视场中。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。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。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，提高掩模版的使用寿命，减少芯片上的缺陷。的使用寿命，减少
16、芯片上的缺陷。二、抗反射膜二、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。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。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一面加上 10% 的抗反射剂。的抗反射剂。 由公式由公式可知，由于可知，由于 NA 对焦深的作用更大，所以通常希望采用较小的对焦深的作用更大，所以通常希望采用较小的NA 值。一般将值。一般将 NA 值取为值取为 到到 。当。当 k1 为
17、为 时，有时，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，例如要进一步减小线宽，只能采用波长更短的光源，例如 X 射线。射线。 三、相移掩模技术三、相移掩模技术 对光刻胶和镜头等的改进只能稍微减小对光刻胶和镜头等的改进只能稍微减小 k1 值。而值。而 相移掩模相移掩模相移掩模相移掩模技术技术技术技术 等等 超分辨率技术超分辨率技术超分辨率技术超分辨率技术 的发明使的发明使 k1 突破性地下降了一半以上突破性地下降了一半以上 ，从而使分辨率极限进入了从而使分辨率极限进入了 亚波长亚波长亚波长亚波
18、长 范围，使范围，使 i 线和深紫外光线和深紫外光 的分的分辨率分别达到了辨率分别达到了 m 和和 m ，同时也使，同时也使 X 射线光刻机的使用比射线光刻机的使用比原来预期的大大推迟。原来预期的大大推迟。 除相移掩模技术外，超分辨率技术还包括除相移掩模技术外，超分辨率技术还包括 光学邻近效应修光学邻近效应修光学邻近效应修光学邻近效应修正技术正技术正技术正技术 和和 双层及多层光刻胶技术双层及多层光刻胶技术双层及多层光刻胶技术双层及多层光刻胶技术 等。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，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
19、的光线具有相反的相位，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。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。选择、制备与加工，制版软件中对相移层图形的设计等。掩掩模版模版掩掩模处的光幅度模处的光幅度衬衬底处的光幅度底处的光幅度衬衬底处的光强度底处的光强度相移掩模相移掩模普通掩模普通掩模 边缘相移掩模技术边缘相移掩模技术 把掩模设想为一个曝光矩阵把掩模设想为一个曝光矩阵 M，由许多，由许多 0 和和
20、1 的像素组成，的像素组成，0 代表透明区，代表透明区，1 代表不透明区。当用这块掩模对硅片曝光后，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。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 。可以建立一个矩阵可以建立一个矩阵 S 来表示从矩阵来表示从矩阵 M 到矩阵到矩阵 W 的变化，即的变化，即 W = SM 矩阵矩阵 S
21、中包含了光学系统的所有信息。理想的中包含了光学系统的所有信息。理想的 S 是一个单是一个单位矩阵，但实际上它包含了反映图形畸变的非对角元素。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四、光学邻近效应修正技术 所谓光学邻近效应修正（所谓光学邻近效应修正（OPC）就是求出矩阵）就是求出矩阵 S 的逆矩阵的逆矩阵 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，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用新掩模对硅片曝光后得到的图形矩阵为 W1 = SM1 = S S- -1M = M
22、 于是在硅片上得到了与原来掩模完全相同的图形。于是在硅片上得到了与原来掩模完全相同的图形。 矩阵矩阵 S-1是很大的，可能包含是很大的，可能包含 1010 个以上的像素，但也是一个以上的像素，但也是一个很稀疏的矩阵。个很稀疏的矩阵。 随着光刻技术的不断发展，光学曝光的分辨率已进入亚波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。现在利用长范围。现在利用 193 nm 光源及光源及 OPC 技术，已获得技术，已获得 m的线宽，的线宽，预期可达到预期可达到 m ，甚至达到，甚至达到 m 。7.8 表面反射和驻波表面反射和驻波 一、表面反射一、表面反射 穿过光刻胶的光会从硅片表面反射出来
23、，从而改变光刻胶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。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。硅片表面倾斜的台阶侧面会将光反射到非曝光区。 解决办法解决办法 1、改变淀积参数以控制薄膜的反射率；、改变淀积参数以控制薄膜的反射率； 2、使表面平坦化；、使表面平坦化； 3、在光刻胶下加一层抗反射膜、在光刻胶下加一层抗反射膜 二、驻波二、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与波腹之间的间隔为/ /
24、4n 。对。对 = 200 400 nm 的紫外光，此的紫外光，此间隔为间隔为 32 64 nm ，小于光刻胶厚度。胶中不同的光强分布，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。将导致不同的显影速率，给线宽的控制带来困难。 7.9 对准对准 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不大于特征尺寸的 1/4 到到 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。比较硅片表
25、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，在步进光刻机上通常有自动对准系统。为了提高对准效率，可以先作一次人工对准。可以先作一次人工对准。 掩模的热膨胀也会产生对准误差。为避免掩模的热膨胀也会产生对准误差。为避免 8 英寸掩模产生英寸掩模产生 m 的膨胀，掩模的温度变化必须控制在的膨胀，掩模的温度变化必须控制在 C 左右。左右。光学曝光的各种曝光方式及其利弊小结光学曝光的各种曝光方式及其利弊小结光学曝光的各种曝光方式及其利弊小结光学曝光的各种曝光方式及其利弊小结接接触触式式非非接接触触式式优点：设备简单，分辨率较高优点：设备简单，分辨率较高缺
26、点：掩模版与晶片易损伤，成品率低缺点：掩模版与晶片易损伤，成品率低接近式接近式优点：掩模版寿命长，成本低优点：掩模版寿命长，成本低缺点：衍射效应严重，影响分辨率缺点：衍射效应严重，影响分辨率投影式投影式全反射全反射折射折射优点：无像差，无驻波效应影响优点：无像差，无驻波效应影响缺点：数值孔径小，分辨率低缺点：数值孔径小，分辨率低优点：数值孔径大，分辨率高，优点：数值孔径大，分辨率高，对硅片平整度要求低，对硅片平整度要求低，掩模制造方便掩模制造方便缺点：曝光效率低，设备昂贵缺点：曝光效率低，设备昂贵 习习 题题 4、8 ( 参考例参考例 7.1 )、 补补充充题题 在投影式曝光技在投影式曝光技术术中，分中，分辩辩率与焦深之率与焦深之间间存在什么矛盾？存在什么矛盾？如何如何协调这协调这个矛盾？分步重复曝光有什么个矛盾？分步重复曝光有什么优优点？点？
