第7章 微細加工與MEMS技術(shù)光學光刻

1、Microelectronic Fabrication & MEMS Technology1第第 7 7 章章 光學光刻光學光刻光刻光刻曝光曝光刻蝕刻蝕光源光源曝光方式曝光方式 評價光刻工藝可用三項主要的標準：評價光刻工藝可用三項主要的標準：和和。Microelectronic Fabrication & MEMS Technology2涂光刻涂光刻膠（正）膠（正）選擇曝光選擇曝光 顯影（第顯影（第 1 次圖形轉(zhuǎn)移）次圖形轉(zhuǎn)移）刻蝕（第刻蝕（第 2 次圖形轉(zhuǎn)移）次圖形轉(zhuǎn)移）Microelectronic Fabrication & MEMS Technology338)顯影后檢查顯影后檢查5)

2、 曝光后烘焙曝光后烘焙6)顯影顯影7)堅膜堅膜UV LightMask 4) 對準和曝光對準和曝光Resist2) 涂膠涂膠3)前烘前烘1) 氣相成底膜氣相成底膜HMDS光刻工藝的個步驟光刻工藝的個步驟Microelectronic Fabrication & MEMS Technology4光光源源紫外光（紫外光（UV）深紫外光（深紫外光（DUV） g 線：線：436 nm i 線：線：365 nm KrF 準分子激光：準分子激光：248 nm ArF 準分子激光：準分子激光：193 nm極紫外光（極紫外光（EUV），），10 15 nm X 射線，射線，0.2 4 nm 電子束電子束 離子

3、束離子束Microelectronic Fabrication & MEMS Technology55VisibleRadio wavesMicro-wavesInfraredGamma raysUVX-raysf (Hz)1010101010101010101046810121416221820 (m)420-2-4-6-8-14-10-1210101010101010101010365436405248193157ghiDUVDUVVUV (nm)Common UV wavelengths used in optical lithography.電磁光譜電磁光譜Microelectroni

4、c Fabrication & MEMS Technology66 (nm)700455060065050045040035030025020015010050紫外光譜紫外光譜可見光可見光汞燈汞燈準分子激光準分子激光Photolithography light sourcesghi36540524819313436157126VioletRedBlueGreenYellow OrangeMid-UVEUVDUVVUV紫外光譜紫外光譜可見光譜：可見光譜：波長在波長在390nm到到780nm之間；之間；紫外光譜：紫外光譜：波長在波長在4nm到到450nm之間。之間。Microelectronic

5、Fabrication & MEMS Technology7有掩模有掩模方式方式無掩模方式無掩模方式（聚焦掃描方式）（聚焦掃描方式）接觸式接觸式非接觸式非接觸式接近式接近式投影式投影式反射反射折射折射全場投影全場投影步進投影步進投影掃描步進投影掃描步進投影矢量掃描矢量掃描光柵掃描光柵掃描混合掃描混合掃描曝曝光光方方式式Microelectronic Fabrication & MEMS Technology8 當一個光學系統(tǒng)中的所有尺寸，當一個光學系統(tǒng)中的所有尺寸，如光源、反射器、透鏡、掩模版上的如光源、反射器、透鏡、掩模版上的特征尺寸等，都遠大于光源波長時，特征尺寸等，都遠大于光源波長時，可

6、以將光作為在光學元件間直線運動可以將光作為在光學元件間直線運動的粒子來處理。的粒子來處理。 但是當掩模版上的特征尺寸接近光源的波長時，就應該把但是當掩模版上的特征尺寸接近光源的波長時，就應該把光的傳輸作為電磁波來處理，必須考慮光的傳輸作為電磁波來處理，必須考慮衍射和干涉衍射和干涉。由于衍射。由于衍射的作用，掩模版透光區(qū)下方的光強減弱，非透光區(qū)下方的光強的作用，掩模版透光區(qū)下方的光強減弱，非透光區(qū)下方的光強增加，從而影響光刻的分辯率。增加，從而影響光刻的分辯率。Microelectronic Fabrication & MEMS Technology9無衍射效應無衍射效應有衍射效應有衍射效應光光

7、強強Microelectronic Fabrication & MEMS Technology10 定義圖形的定義圖形的 為為maxminmaxminMTFIIII 無衍射效應時，無衍射效應時，MTF = 1 ；有衍射效應時有衍射效應時 ，MTF 1 。光柵的周期（或圖形的尺寸）越小，則光柵的周期（或圖形的尺寸）越小，則 MTF 越??；光的波長越??；光的波長越短，則越短，則 MTF 越大。越大。Microelectronic Fabrication & MEMS Technology11 圖形的分辯率還要受圖形的分辯率還要受光刻膠對光強的響應特性光刻膠對光強的響應特性的影響。的影響。 光強不到

8、臨界光強光強不到臨界光強 Dcr 時不發(fā)生反應，光強時不發(fā)生反應，光強超過超過 Dcr 時完全反應，衍射只造成線寬和間距的少量變化。時完全反應，衍射只造成線寬和間距的少量變化。 DcrD100D0 光強不到光強不到 D0 時不發(fā)生反應，光強介于時不發(fā)生反應，光強介于 D0 和和 D100 之間時發(fā)生部分反應，光強超過之間時發(fā)生部分反應，光強超過 D100 時完全反應，使線條時完全反應，使線條邊緣出現(xiàn)模糊區(qū)。在一般的光刻膠中，當邊緣出現(xiàn)模糊區(qū)。在一般的光刻膠中，當 MTF 0.4 時，圖形時，圖形不再能被復制。不再能被復制。Microelectronic Fabrication & MEMS T

9、echnology12 對光源系統(tǒng)的要求對光源系統(tǒng)的要求 1、有適當?shù)牟ㄩL。波長越短，曝光的特征尺寸就越??；、有適當?shù)牟ㄩL。波長越短，曝光的特征尺寸就越??； 2、有足夠的能量。能量越大，曝光時間就越短；、有足夠的能量。能量越大，曝光時間就越短； 3、曝光能量必須均勻地分布在曝光區(qū)。、曝光能量必須均勻地分布在曝光區(qū)。 常用的常用的 光源是高壓弧光燈（高壓汞燈）。高壓汞燈光源是高壓弧光燈（高壓汞燈）。高壓汞燈有許多尖銳的光譜線，經(jīng)過濾光后使用其中的有許多尖銳的光譜線，經(jīng)過濾光后使用其中的 或或 。Microelectronic Fabrication & MEMS Technology13高壓汞燈

10、的光譜線高壓汞燈的光譜線120100806040200200300 400 500 600Relative Intensity (%)h-line405 nmg-line436 nmi-line365 nmDUV248 nmEmission spectrum of high-intensity mercury lampMicroelectronic Fabrication & MEMS Technology14 由于衍射效應是光學曝光技術(shù)中限制分辨率的主要因素，由于衍射效應是光學曝光技術(shù)中限制分辨率的主要因素，所以要提高分辨率就應使用波長更短的光源如所以要提高分辨率就應使用波長更短的光源如 。

11、實際。實際使用的深紫外光源有使用的深紫外光源有 和和 F2 準分子激光（準分子激光（157 nm）等。等。 深紫外光的曝光方式與紫外光基本相同，但需注意兩點，深紫外光的曝光方式與紫外光基本相同，但需注意兩點， 1、光刻膠、光刻膠 2、掩模與透鏡材料、掩模與透鏡材料 248 nm 波長的光子能量為波長的光子能量為 4.9 eV，193 nm 波長的光子能量波長的光子能量為為 6.3 eV ，而純凈石英的禁帶寬度約為，而純凈石英的禁帶寬度約為 8 eV。波長越短，掩模波長越短，掩模與透鏡材料對光能的吸收就嚴重，造成曝光效率降低和掩模與與透鏡材料對光能的吸收就嚴重，造成曝光效率降低和掩模與透鏡發(fā)熱。

12、透鏡發(fā)熱。Microelectronic Fabrication & MEMS Technology15 1985 年以前，幾乎所有光刻機都采用年以前，幾乎所有光刻機都采用 g 線線 (436 nm) 光源，光源，當時的最小線寬為當時的最小線寬為 1 m 以上以上 。1985 年以后開始出現(xiàn)少量年以后開始出現(xiàn)少量 i 線線(365 nm) 光刻機，相應的最小線寬為光刻機，相應的最小線寬為 0.5 m 左右。從左右。從 1990 年開年開始出現(xiàn)始出現(xiàn) DVU 光刻機，相應的最小線寬為光刻機，相應的最小線寬為 0.25 m 左右。從左右。從1992年起年起 i 線光刻機的數(shù)量開始超過線光刻機的數(shù)量

13、開始超過 g 線光刻機線光刻機 。截止到。截止到 1998 年年 ，g 線、線、i 線和線和 DVU 光刻機的銷售臺數(shù)比例約為光刻機的銷售臺數(shù)比例約為 1 : 4 : 2。而目前。而目前DVU 光刻機的銷售臺數(shù)已經(jīng)超過光刻機的銷售臺數(shù)已經(jīng)超過 i 線光刻機。線光刻機。Microelectronic Fabrication & MEMS Technology16 SiU. V.MaskP. R.SiO2 設備簡單；理論上設備簡單；理論上 MTF 可達到可達到 1，因此分辨率比較，因此分辨率比較高，約高，約 0.5 m。 掩模版壽命短（掩模版壽命短（10 20 次），硅片上圖形缺陷多，次），硅片上

14、圖形缺陷多，光刻成品率低。光刻成品率低。Microelectronic Fabrication & MEMS Technology17 g = 10 50 m 掩模壽命長（可提高掩模壽命長（可提高 10 倍以上），圖形缺陷少。倍以上），圖形缺陷少。 缺點：衍射效應嚴重，使分辨率下降。缺點：衍射效應嚴重，使分辨率下降。 Microelectronic Fabrication & MEMS Technology18minWk ggmin0.436m(g),20m2.95mgW例：當線時， 最小可分辨的線寬為最小可分辨的線寬為式中，式中，k 是與光刻膠處理工藝有關的常數(shù)，通常接近于是與光刻膠處理工藝

15、有關的常數(shù)，通常接近于 1 。Microelectronic Fabrication & MEMS Technology19Microelectronic Fabrication & MEMS Technology20Microelectronic Fabrication & MEMS Technology21式中，式中，k1 是與光刻膠的光強響應特性有關的常數(shù)，約為是與光刻膠的光強響應特性有關的常數(shù)，約為 0.75 。 NA 為鏡頭的為鏡頭的 ， 投影式光刻機的分辨率由投影式光刻機的分辨率由 給出，即給出，即min1WkNAn 為折射率，為折射率， 為半接收角。為半接收角。NA 的典型值是的

16、典型值是 0.16 到到 0.8。sinNAn 增大增大 NA 可以提高分辨率，但卻受到可以提高分辨率，但卻受到 的限制。的限制。Microelectronic Fabrication & MEMS Technology2222透鏡俘獲衍射光NAUV012341234透鏡透鏡石英石英鉻鉻衍射圖形衍射圖形掩膜版掩膜版p 數(shù)值孔徑數(shù)值孔徑(NA)：透鏡收集衍射光的能力。：透鏡收集衍射光的能力。 mNAn Sinn透鏡的半徑透鏡的焦長Microelectronic Fabrication & MEMS Technology232NA 分辨率與焦深對波長和數(shù)值孔徑有相互矛盾的要求，需要分辨率與焦深對波

17、長和數(shù)值孔徑有相互矛盾的要求，需要折中考慮。增加折中考慮。增加 NA 線性地提高分辨率，平方關系地減小焦深，線性地提高分辨率，平方關系地減小焦深，所以一般選取較小的所以一般選取較小的 NA。為了提高分辨率，可以縮短波長。為了提高分辨率，可以縮短波長。 代表當硅片沿光路方向移動時能保持良好聚焦的移動代表當硅片沿光路方向移動時能保持良好聚焦的移動距離。投影式光刻機的焦深由距離。投影式光刻機的焦深由 給出，即給出，即minmin0.16,436nmUV, g2.04m,17.03m,193nmDUV0.90m,7.54mNAWW例：設則當（線）時，而當（）時，Microelectronic Fabr

18、ication & MEMS Technology24Microelectronic Fabrication & MEMS Technology25掩模掩模硅片硅片反射凹鏡反射凹鏡反射凸鏡反射凸鏡光源光源 1、掩模壽命長，圖形缺陷少。、掩模壽命長，圖形缺陷少。 2、無色散，可以使用連續(xù)波長、無色散，可以使用連續(xù)波長光源，無駐波效應。無折射系統(tǒng)光源，無駐波效應。無折射系統(tǒng)中的象差、彌散等的影響。中的象差、彌散等的影響。 3、曝光效率較高。、曝光效率較高。缺點缺點 數(shù)值孔徑數(shù)值孔徑 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。Microelectronic Fabricati

19、on & MEMS Technology26 隨著線寬的不斷減小和晶片直徑的增大，隨著線寬的不斷減小和晶片直徑的增大，、越來越嚴重。為解決這些問題，開發(fā)越來越嚴重。為解決這些問題，開發(fā)出了分步重復縮小投影曝光機（出了分步重復縮小投影曝光機（ Direct Step on the Wafer ，簡稱簡稱 DSW，Stepper）。）。早期采用早期采用 10 : 1 縮小，現(xiàn)在更常用的縮小，現(xiàn)在更常用的是是 5 : 1 或或 4 : 1。Microelectronic Fabrication & MEMS Technology27光源光源聚光透鏡聚光透鏡投影器投影器掩模掩模硅片硅片Microele

20、ctronic Fabrication & MEMS Technology28UV lightReticle field size20 mm 15mm,4 die per field5:1 reduction lensWafer圖形曝光在硅片上是投影掩膜版上視場的1/5 4 mm 3 mm,4 die 每次曝光曲折的步進圖形Microelectronic Fabrication & MEMS Technology29Microelectronic Fabrication & MEMS Technology30Microelectronic Fabrication & MEMS Technolo

21、gy31 缺點缺點 1、曝光效率低；、曝光效率低； 2、設備復雜、昂貴。、設備復雜、昂貴。 1、掩模版壽命長，圖形缺陷少；、掩模版壽命長，圖形缺陷少； 2、可以使用高數(shù)值孔徑的透鏡來提高分辨率，通過分步、可以使用高數(shù)值孔徑的透鏡來提高分辨率，通過分步聚焦來解決焦深問題，可以在大晶片上獲得高分辨率的圖形；聚焦來解決焦深問題，可以在大晶片上獲得高分辨率的圖形； 3、由于掩模尺寸遠大于芯片尺寸，使掩模制造簡單，可、由于掩模尺寸遠大于芯片尺寸，使掩模制造簡單，可減少掩模上的缺陷對芯片成品率的影響。減少掩模上的缺陷對芯片成品率的影響。 當芯片的面積繼續(xù)增大時，例如當芯片的面積繼續(xù)增大時，例如 4G DR

22、AM 的面積已達到的面積已達到 3232 mm2 ，線寬為線寬為 0.13 m ，已達到視場的極限已達到視場的極限 。于是又出。于是又出現(xiàn)了步進掃描投影曝光機，當然設備就更加復雜和昂貴了?，F(xiàn)了步進掃描投影曝光機，當然設備就更加復雜和昂貴了。Microelectronic Fabrication & MEMS Technology32 分步重復縮小投影雖然可以減少小缺陷的影響，但大缺陷分步重復縮小投影雖然可以減少小缺陷的影響，但大缺陷的影響更嚴重，因為它可以被復制到每一個小視場中。的影響更嚴重，因為它可以被復制到每一個小視場中。 解決的辦法是給步進機的掩模版蒙上一層保護薄膜，并使解決的辦法是給步

23、進機的掩模版蒙上一層保護薄膜，并使薄膜離開掩模版表面約薄膜離開掩模版表面約 1 cm。這樣可使任何落在薄膜上的顆粒這樣可使任何落在薄膜上的顆粒保持在光學系統(tǒng)的聚焦平面之外。保持在光學系統(tǒng)的聚焦平面之外。 另一種用于接觸式光刻機的保護薄膜直接涂在掩模版上另一種用于接觸式光刻機的保護薄膜直接涂在掩模版上 ，它可以使接觸式光刻在保持高分辨率優(yōu)點的同時，提高掩模版它可以使接觸式光刻在保持高分辨率優(yōu)點的同時，提高掩模版的使用壽命，減少芯片上的缺陷。的使用壽命，減少芯片上的缺陷。Microelectronic Fabrication & MEMS Technology33 光線在掩模版和透鏡表面的部分反射

24、會使光能受到損失。光線在掩模版和透鏡表面的部分反射會使光能受到損失。有些光線經(jīng)多次反射后會打到硅片上，使圖形質(zhì)量受到影響。有些光線經(jīng)多次反射后會打到硅片上，使圖形質(zhì)量受到影響。為了減小這個問題，一種新掩模技術(shù)采用在掩模版靠近鏡頭的為了減小這個問題，一種新掩模技術(shù)采用在掩模版靠近鏡頭的一面加上一面加上 10% 的抗反射劑。的抗反射劑。 Microelectronic Fabrication & MEMS Technology34min4.71.2W 由公式由公式min1WkNA2NA可知，由于可知，由于 NA 對對焦深的作用更大，所以通常希望采用較小的焦深的作用更大，所以通常希望采用較小的NA

25、值。一般將值。一般將 NA 值取為值取為 0.16 到到 0.6。當。當 k1 為為 0.75 時，有時，有 上上式在式在一段時期內(nèi)被認為是光學曝光法的分辨率極限。若一段時期內(nèi)被認為是光學曝光法的分辨率極限。若要進一步減小線寬，只能采用波長更短的光源，例如要進一步減小線寬，只能采用波長更短的光源，例如 X 射線。射線。 Microelectronic Fabrication & MEMS Technology35 對光刻膠和鏡頭等的改進只能稍微減小對光刻膠和鏡頭等的改進只能稍微減小 k1 值。而值。而 等等 的發(fā)明使的發(fā)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 ，從而使分辨率極

26、限進入了從而使分辨率極限進入了 范圍，使范圍，使 i 線和深紫外光線和深紫外光 的分的分辨率分別達到了辨率分別達到了 0.25 m 和和 0.10 m以下，同時也使以下，同時也使 X 射線光刻射線光刻機的使用比原來預期的大大推遲。機的使用比原來預期的大大推遲。 除了相移掩模技術(shù)外，超分辨率技術(shù)還包括除了相移掩模技術(shù)外，超分辨率技術(shù)還包括 、 和和 等。等。Microelectronic Fabrication & MEMS Technology36 相移掩模技術(shù)的關鍵是在掩模的透光區(qū)相間地涂上相移層，相移掩模技術(shù)的關鍵是在掩模的透光區(qū)相間地涂上相移層，并使用相干光源。這使透過相鄰透光區(qū)的光線具

27、有相反的相位，并使用相干光源。這使透過相鄰透光區(qū)的光線具有相反的相位，從而使其衍射部分因干涉作用而相互抵消。從而使其衍射部分因干涉作用而相互抵消。相移掩模技術(shù)對制版技術(shù)提出了新的要求，如相移材料的選擇、相移掩模技術(shù)對制版技術(shù)提出了新的要求，如相移材料的選擇、制備與加工，制版軟件中對相移層圖形的設計等。制備與加工，制版軟件中對相移層圖形的設計等。掩模版掩模版掩模處的光掩模處的光幅度幅度襯底處襯底處的光的光幅度幅度襯底處襯底處的的光強度光強度相移掩模相移掩模普通掩模普通掩模Microelectronic Fabrication & MEMS Technology37 邊緣相移掩模技術(shù)邊緣相移掩模技

28、術(shù)Microelectronic Fabrication & MEMS Technology38 把掩模設想為一個曝光矩陣把掩模設想為一個曝光矩陣 M，由，由許多許多 0 和和 1 的像素組成，的像素組成，0 代表透明區(qū)，代表透明區(qū)，1 代表不透明區(qū)。當用這塊掩模對硅片曝光后，代表不透明區(qū)。當用這塊掩模對硅片曝光后，在硅片表面可以得到一個包含相同數(shù)目像素的圖形矩陣在硅片表面可以得到一個包含相同數(shù)目像素的圖形矩陣 W。在在理想情況下，這兩個矩陣應該相同。但是在實際情況下，由于理想情況下，這兩個矩陣應該相同。但是在實際情況下，由于曝光工藝會造成硅片表面圖形的畸變，從而影響圖形矩陣曝光工藝會造成硅片

29、表面圖形的畸變，從而影響圖形矩陣 W ?？梢越⒁粋€矩陣可以建立一個矩陣 S 來表示從矩陣來表示從矩陣 M 到矩陣到矩陣 W 的變化，即的變化，即 W = SM 矩陣矩陣 S 中包含了光學系統(tǒng)的所有信息。理想的中包含了光學系統(tǒng)的所有信息。理想的 S 是一個單位是一個單位矩陣，但實際上它包含了反映圖形畸變的非對角元素。矩陣，但實際上它包含了反映圖形畸變的非對角元素。 Microelectronic Fabrication & MEMS Technology39 所謂光學鄰近效應修正（所謂光學鄰近效應修正（OPC）就是求出矩陣就是求出矩陣 S 的逆矩陣的逆矩陣 S- -1，用來對原來的掩模進行修正

30、，得到新掩模的曝光矩陣為，用來對原來的掩模進行修正，得到新掩模的曝光矩陣為 M1 = S- -1M 用新掩模對硅片曝光后得到的圖形矩陣為用新掩模對硅片曝光后得到的圖形矩陣為 W1 = SM1 = S S- -1M = M 于是在硅片上得到了與原來掩模完全相同的圖形。于是在硅片上得到了與原來掩模完全相同的圖形。 矩陣矩陣 S-1是很大的，可能包含是很大的，可能包含 1010 個以上的像素，但也是一個以上的像素，但也是一個很稀疏的矩陣。如果結(jié)合應用多層部分吸收材料，可以得到個很稀疏的矩陣。如果結(jié)合應用多層部分吸收材料，可以得到更精細的更精細的 OPC 掩模版，但價格也十分昂貴。掩模版，但價格也十分

31、昂貴。Microelectronic Fabrication & MEMS Technology40 穿過光刻膠的光會從硅片表面反射出來，從而改變光刻膠穿過光刻膠的光會從硅片表面反射出來，從而改變光刻膠吸收的光能，特別是硅片表面的金屬層會反射較多的光。吸收的光能，特別是硅片表面的金屬層會反射較多的光。 硅片表面傾斜的臺階側(cè)面會將光反射到非曝光區(qū)。硅片表面傾斜的臺階側(cè)面會將光反射到非曝光區(qū)。Microelectronic Fabrication & MEMS Technology41 解決辦法解決辦法 1、改變淀積參數(shù)以控制薄膜的反射率；、改變淀積參數(shù)以控制薄膜的反射率； 2、使表面平坦化；、使

32、表面平坦化； 3、在光刻膠下加一層抗反射膜、在光刻膠下加一層抗反射膜Microelectronic Fabrication & MEMS Technology42 駐波是由入射光和反射光之間的干涉造成的。駐波的波節(jié)駐波是由入射光和反射光之間的干涉造成的。駐波的波節(jié)與波腹之間的間隔為與波腹之間的間隔為/ /4n = 0.16。對于對于= 200 400 nm 的紫外的紫外光，此間隔為光，此間隔為 32 64 nm ，小于光刻膠厚度。膠中不同的光強小于光刻膠厚度。膠中不同的光強分布，將導致不同的顯影速率，給線寬的控制帶來困難。分布，將導致不同的顯影速率，給線寬的控制帶來困難。 Microelect

33、ronic Fabrication & MEMS Technology43 大規(guī)模集成電路制造對光刻對準的規(guī)定是，對準誤差應該大規(guī)模集成電路制造對光刻對準的規(guī)定是，對準誤差應該不大于特征尺寸的不大于特征尺寸的 1/4 到到 1/3 。 為了便于對準，在掩模上必須設置專門的對準標記。通過為了便于對準，在掩模上必須設置專門的對準標記。通過比較硅片表面的反射光和透過掩模返回的光來實現(xiàn)對準。比較硅片表面的反射光和透過掩模返回的光來實現(xiàn)對準。 在步進光刻機上通常有自動對準系統(tǒng)。為了提高對準效率，在步進光刻機上通常有自動對準系統(tǒng)。為了提高對準效率，可以先作一次人工對準?？梢韵茸饕淮稳斯?。 掩模的熱膨脹也會產(chǎn)生對準誤差。為避免掩模的熱膨脹也會產(chǎn)生對準