光刻工藝概述3課件

1、 *1第8章 光刻工藝概述8.3 光刻技術(shù) *28.3 光刻技術(shù)8.3.6 對(duì)準(zhǔn)和曝光 對(duì)準(zhǔn) 是把所需圖形在晶圓表面上定位或?qū)?zhǔn)。 曝光 是通過(guò)曝光燈或其他輻射源將圖形轉(zhuǎn)移到光刻膠涂層上。 如果說(shuō)光刻膠是光刻工藝的“材料”核心，那么對(duì)準(zhǔn)和曝光則是該工藝的“設(shè)備”核心。 圖形的準(zhǔn)確對(duì)準(zhǔn)是保證器件和電路正常工作的決定性因素之一。 *38.3 光刻技術(shù)光刻機(jī)的性能表現(xiàn) 對(duì)準(zhǔn)和曝光包括兩個(gè)系統(tǒng)： 一個(gè)是要把圖形在晶圓表面上準(zhǔn)確定位（不同的對(duì)準(zhǔn)機(jī)類(lèi)型的對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)各不相同）； 另一個(gè)是曝光系統(tǒng)（包括一個(gè)曝光光源和一個(gè)將輻射光線導(dǎo)向到晶圓表面上的機(jī)械裝置）。 *58.3 光刻技術(shù) *68.3 光刻技術(shù)DRAM

2、對(duì)投影光刻技術(shù)要求（教材2 P153 表7.1） *7-X+X+Y-YDX-DYShift in registration-X+X+Y-YWafer patternReticle patternPerfect overlay accuracy *88.3 光刻技術(shù)對(duì)準(zhǔn)法則 第一次光刻只是把掩膜版上的Y軸與晶圓上的平邊成90，如圖所示。 接下來(lái)的掩膜版都用對(duì)準(zhǔn) 標(biāo)記與上一層帶有圖形的 掩膜對(duì)準(zhǔn)。對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記是一 個(gè)特殊的圖形（見(jiàn)圖）， 分布在每個(gè)芯片圖形的邊 緣。經(jīng)過(guò)光刻工藝對(duì)準(zhǔn)標(biāo) 記就永遠(yuǎn)留在芯片表面，同時(shí)作為下一次對(duì)準(zhǔn)使用。 *108.3 光刻技術(shù)未對(duì)準(zhǔn)種類(lèi)：(a) X方向 (b) 轉(zhuǎn)動(dòng) (c)

3、 伸出 *1212 3 4111213141516109876523242526272822212019181732313029StartStop *148.3 光刻技術(shù)光刻機(jī)的分類(lèi) 最初曝光設(shè)備是接觸式光刻機(jī)和接近式光刻機(jī)，而今，光刻機(jī)已發(fā)展成兩大類(lèi)型，即光學(xué)光刻機(jī)和非光學(xué)光刻機(jī)， 如圖所示。光學(xué) 光刻機(jī)采用紫外 線作為光源，而 非光學(xué)光刻機(jī)的 光源則來(lái)自電磁 光譜的其他成分。 *158.3 光刻技術(shù)光刻機(jī)的分類(lèi) 接觸式 接近式 掃描投影 步進(jìn)式 分步掃描 X射線 電子束 混合和匹配 *168.3 光刻技術(shù)對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)比較 *178.3 光刻技術(shù)曝光光源 普通光源光的波長(zhǎng)范圍大，圖形邊緣衍射現(xiàn)象

4、嚴(yán)重，滿足不了特征尺寸的要求。所以作為晶圓生產(chǎn)用的曝光光源必須是某一單一波長(zhǎng)的光源；另外光源還必須通過(guò)反射鏡和透鏡，使光源發(fā)出的光轉(zhuǎn)化成一束平行光，這樣才能保證特征尺寸的要求。 最廣泛使用的曝光光源是高壓汞燈，它所產(chǎn)生的光為紫外光（UV），為獲得更高的清晰度，光刻膠被設(shè)計(jì)成只與汞燈光譜中很窄一段波長(zhǎng)的光（稱為深紫外區(qū)或DUV）反應(yīng)。 除自之外，現(xiàn)今用的光源還有：準(zhǔn)分子激光器、X射線和電子束。 *188.3 光刻技術(shù)紫外光為光源的曝光方式: 接觸式曝光、接近式曝光、投影式曝光三種 *20光的特性l =vfLaserv = 光速, 3x108 m/secf = 頻率，Hertz (cycles p

5、er second) = 波長(zhǎng), the physical length of one cycle of a frequency, expressed in meters *21ABA+BWaves in phaseWaves out of phaseConstructive（相長(zhǎng)）Destructive（相消） *23反射造成的影響PolysiliconSubstrateSTISTIUV exposure lightMaskExposed photoresistUnexposed photoresistNotched photoresistEdge diffractionSurface re

6、flection *24 Standing waves cause nonuniform exposure along the thickness of the photoresist film.Incident waveReflected wavePhotoresistFilmSubstrate駐波：頻率和振幅均相同、振動(dòng)方向一致、傳播方向相反的兩列波疊加后形成的波。 *26解決方法涂抗反射層(ARC)用來(lái)減少來(lái)自光刻膠下面反射層的光反射底部抗反射層BARC頂部抗反射層Incident waveAntireflective coatingPhotoresistFilmSubstrate *2

7、7BARCPolysiliconSubstrateSTISTIUV exposure lightMaskExposed photoresistUnexposed photoresist *28(A) Incident lightPhotoresistBARC (TiN)AluminumC and D cancel due to phase difference(B) Top surface reflection(C)(D)有機(jī)抗反射涂層：通過(guò)吸收光來(lái)減少反射，與光刻膠一樣被涂在晶圓表層無(wú)機(jī)抗反射涂層：不吸收光，通過(guò)特定的波長(zhǎng)相移相消起作用，受折射率、膜層厚度和其他參數(shù)影響 *30Snells

8、Law: sin i = n sin r Index of refraction, n = sin i / sin r air (n 1.0)glass (n 1.5)fast mediumslow mediumair (n 1.0)glass (n 1.5)fast mediumslow medium光的折射 *318.3 光刻技術(shù)光的衍射孔徑越小，屏幕上的像就越大 *32光沿直線傳播.當(dāng)光遇到物體邊緣會(huì)發(fā)生衍射.當(dāng)光波穿過(guò)狹縫時(shí)會(huì)產(chǎn)生衍射或干涉圖樣. Diffraction bands *338.3 光刻技術(shù)避免光的衍射的方法：接觸式曝光 在該種情況下衍射效應(yīng)最小。設(shè)備造價(jià)低，而且容易獲得

9、小的特征尺寸。 由于掩膜版與硅片相接觸磨損，使掩膜版的壽命降低。 不適用于復(fù)雜芯片的大批量生產(chǎn)。 *348.3 光刻技術(shù)接觸式光刻機(jī) 優(yōu)點(diǎn)：曝光時(shí)掩模版壓在涂了光刻膠的圓片上，從而可以獲得小的特征尺寸。該設(shè)備造價(jià)低。 *358.3 光刻技術(shù)接近式曝光 是以犧牲分辨率來(lái)延長(zhǎng)了掩膜版的壽命，對(duì)大尺寸和小尺寸器件上同時(shí)保持線寬容限還有困難。 一般來(lái)說(shuō)，版和晶圓的距離大致為5-25微米。 掩模浮在晶圓表面，一般在一層氮?dú)鈿鈮|上。 *368.3 光刻技術(shù)接觸/近式曝光系統(tǒng) *37IlluminatorAlignment scope (split vision)MaskWaferVacuum chuckM

10、ask stage (X, Y , Z , q) Wafer stage (X, Y, Z, q) Mercury arc lampUsed with permission from Canon USA, *388.3 光刻技術(shù)惠更斯-菲涅爾原理 波前上任一點(diǎn)都可看作發(fā)射子波的波源,發(fā)出球面子波,在以后任意時(shí)刻各子波的包跡形成下一時(shí)刻新的波前 *398.3 光刻技術(shù)(a)圖中在自由空間內(nèi)，多個(gè)疊加(b)圖中只有孔徑的源點(diǎn)起到后面波的疊加作用 *408.3 光刻技術(shù) 假定掩模版和硅片分開(kāi)一個(gè)小的間隙g，假設(shè)一束平面波入射到某一孔徑上，在光刻膠上形成的光強(qiáng)分布如圖所示，隨著g的增大，衍射作用會(huì)越來(lái)

11、越大 *418.3 光刻技術(shù) 基本上光刻膠表面的光強(qiáng)和g的關(guān)系如圖所示 *428.3 光刻技術(shù) 假設(shè)一塊暗場(chǎng)掩模板上有一個(gè)寬度為W的單孔，假設(shè)以單色非發(fā)散光源曝光，間隙g在菲涅爾衍射理論的范圍： 上式取右端，此時(shí)最小的可分辨的特征量（影響特征尺寸）為： *438.3 光刻技術(shù)投影式曝光 避免了掩膜版與硅片表面的摩擦，延長(zhǎng)了掩膜版的壽命。 掩膜版的尺寸可以比實(shí)際尺寸大得多，克服了小圖形制版的困難。 消除了由于掩膜版圖形線寬過(guò)小而產(chǎn)生的光衍射效應(yīng)，以及掩膜版與硅片表面接觸不平整而產(chǎn)生的光散射現(xiàn)象。 *448.3 光刻技術(shù)投影式曝光雖有很多優(yōu)點(diǎn)，但由于光刻設(shè)備中許多鏡頭需要特制，設(shè)備復(fù)雜 *458.

12、3 光刻技術(shù) 假定要成像的是兩個(gè)點(diǎn)光源，想把掩模版上的圖像印制到光刻膠上。鏡頭的分辨率R計(jì)算（A和B的距離）： f：透鏡到硅片的距離：能夠進(jìn)入鏡頭的衍射光的最大半角：波長(zhǎng)n ：物體和鏡頭之間的折射率 *468.3 光刻技術(shù) 實(shí)際上是鏡頭收集衍射光的能力的一種量度，Ernst Abbe利用了數(shù)值孔徑NA描述該特性： sin 大致可以用透鏡的半徑和透鏡的焦長(zhǎng)之比決定。 *47透鏡收集衍射光UV012341234LensQuartzChromeDiffraction patternsMask *48分辨率The dimensions of linewidths and spaces must be

13、equal. As feature sizes decrease, it is more difficult to separate features from each other. *49 k1是一個(gè)常數(shù)(一般最小為0.6)，決定于光刻膠區(qū)分光強(qiáng)變化能力 該式說(shuō)明，取得好的圖像分辨率的方法在于：短的曝光波長(zhǎng)高數(shù)值孔徑的透鏡例題 *50 如果給定波長(zhǎng)、數(shù)值孔徑和工藝因子，就可以計(jì)算出一個(gè)光刻機(jī)的預(yù)期分辨率，比如 *51Lens, NAWaferMaskIlluminator, Rk = 0.6R365 nm 0.45 486 nm365 nm 0.60365 nm193 nm 0.45257

14、 nm193 nm 0.60193 nmi-lineDUV k NAR = *52增加數(shù)值孔徑,也就是增加透鏡的半徑,會(huì)使成本昂貴。焦深DOF的概念：焦點(diǎn)周?chē)囊粋€(gè)范圍，在這個(gè)范圍內(nèi)圖像連續(xù)的保持清晰。+-PhotoresistFilmDepth of focusCenter of focusLens *53Exposure lightLens NAPinhole masksImage resultsDiffracted lightGoodBadPoor在光刻時(shí)，焦深應(yīng)該可以穿越光刻膠層的上下表面。焦深計(jì)算公式： *54結(jié)果：數(shù)值孔徑增加，分辨率提高，但是焦深會(huì)減少。 一般光刻機(jī)的焦深在1m

15、*55 2(NA)2DOF = PhotoresistFilmDepth of focusCenter of focus+-Lens, NAWaferMaskIlluminator, DOFR DOF365 nm 0.45 486 nm901 nm365 nm 0.60365 nm507 nm193 nm 0.45257 nm476 nm193 nm 0.60193 nm268 nmi-lineDUV *568.3 光刻技術(shù)三種形式光強(qiáng)比較 *57其他形式的光刻機(jī)直接分步重復(fù)曝光 分步重復(fù)曝光光學(xué)原理圖： 只投影一個(gè)曝光場(chǎng)，可能是晶圓上一個(gè)或多個(gè)芯片 *58分步重復(fù)曝光機(jī) *598.3 光刻技

16、術(shù)三個(gè)獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：（1）它是通過(guò)縮小投影系統(tǒng)成像的，因而可以提高分辨率。用這種方法曝光，分辨率可達(dá)到11.5微米；（2）不要1:1精縮掩膜，因而掩膜尺寸大，制作方便。由于使用了縮小透鏡，原版上的塵埃、缺陷也相應(yīng)的縮小，因而減小了原版缺陷的影響；（3）由于采用了逐步對(duì)準(zhǔn)技術(shù)可補(bǔ)償硅片尺寸的變化，提高了對(duì)準(zhǔn)精度。逐步對(duì)準(zhǔn)的方法 也可以降低對(duì)硅片表面平整度的要求。步進(jìn)掃描光刻機(jī) *605:1 lensUVUVStep and ScanImage FieldScanStepperImage Field(single exposure)4:1 lensReticleReticleScanScanWafe

17、rWaferStepping directionRedrawn and used with permission from ASM Lithography步進(jìn)掃描光刻機(jī)融合了掃描投影光刻機(jī)和分步重復(fù)光刻機(jī)優(yōu)點(diǎn)：增大了曝光場(chǎng)，加工大尺寸晶圓可以調(diào)節(jié)聚焦能力，彌補(bǔ)透鏡缺陷和硅片平整度不足 *6162Illuminator opticsBeam lineExcimer laser (193 nm ArF )Operator console4:1 Reduction lens NA = 0.45 to 0.6Wafer transport systemReticle stageAuto-alignme

18、nt systemWafer stageReticle library (SMIF pod interface) *638.3 光刻技術(shù)X射線曝光（420埃）基本要求： 一、材料的形變小，這樣制成的圖形尺寸及其相對(duì)位置的變化可以忽略。 二、要求掩膜襯底材料透X光能力強(qiáng)，而在它上面制作微細(xì)圖形的材料透X光能力差，這樣在光刻膠上可獲得分辨率高的光刻圖形。 *648.3 光刻技術(shù)X射線示意圖P217 *658.3 光刻技術(shù)電子束曝光電子束曝光的特點(diǎn)：電子束曝光的精度較高。電子束的斑點(diǎn)可以聚焦的很小，而且聚焦的景深很深，可用計(jì)算機(jī)控制，精度遠(yuǎn)比肉眼觀察要高。電子束曝光改變光刻圖形十分簡(jiǎn)便。電子束曝光機(jī)是把各次曝光圖形用計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)圖形就只要重新編程。電子束曝光設(shè)備復(fù)雜，成本較高 *668.3 光刻技術(shù)電子束曝光 *678.3 光刻技術(shù)深紫外線曝光 “深紫外光”大致定義為180nm到330nm間的光譜能量。它進(jìn)一步分