光學光刻課件

第

7

章光學光刻光刻曝光刻蝕光源曝光方式

7.1光刻概述評價光刻工藝可用三項主要的標準：分辨率、對準精度

和。涂光刻膠（正）選擇曝光

光刻工藝流程顯影（第1次圖形轉移）刻蝕（第2次圖形轉移）光源紫外光（UV）深紫外光（DUV）g線：436

nmi線：365

nmKrF

準分子激光：248

nmArF

準分子激光：193

nm極紫外光（EUV），10

~

15

nmX

射線，0.2

~

4

nm

電子束離子束

7.2衍射當一個光學系統(tǒng)中的所有尺寸，如光源、反射器、透鏡、掩模版上的特征尺寸等，都遠大于光源波長時，可以將光作為在光學元件間直線運動的粒子來處理。但是當掩模版上的特征尺寸接近曝光波長時，就應該把光的傳輸作為電磁波來處理，必須考慮衍射和干涉。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)下方的光強增加，從而影響光刻的分辯率。

7.3調制傳輸函數(shù)和光學曝光無衍射效應有衍射效應光強定義圖形的

調制傳輸函數(shù)

MTF

為無衍射效應時，MTF=1；有衍射效應時，MTF<1。光柵的周期（或圖形的尺寸）越小，則

MTF

越小；光的波長越短，則

MTF

越大。120100806040200200 300 400 500 600RelativeIntensity(%)h-line405nmg-line436nmi-line365nmDUV248nmEmissionspectrumofhigh-intensitymercurylamp高壓汞燈的光譜線

由于衍射效應是光學曝光技術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

深紫外光。實際使用的深紫外光源有

KrF

準分子激光（248

nm）、ArF

準分子激光（193

nm）和

F2

準分子激光（157

nm）等。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2、掩模與透鏡材料248

nm

波長的光子能量為

4.9

eV，193

nm

波長的光子能量為

6.3

eV，而純凈石英的禁帶寬度約為

8

eV。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透鏡發(fā)熱。7.5接觸式與接近式光刻機一、接觸式光刻機SiU.V.MaskP.R.SiO2

優(yōu)點：設備簡單；理論上

MTF

可達到

1，因此分辨率比較高，約

0.5

m。

缺點：掩模版壽命短（10~20

次），硅片上圖形缺陷多，光刻成品率低。最小可分辨的線寬為式中，k是與光刻膠處理工藝有關的常數(shù)，通常接近于

1。7.6投影式光刻機式中，k1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

數(shù)值孔徑，投影式光刻機的分辨率由

雷利第一公式

給出，即一、分辨率與焦深n為折射率，為半接收角。NA

的典型值是

0.16

到

0.8。增大

NA

可以提高分辨率，但受到

焦深

的限制。掩模硅片反射凹鏡反射凸鏡光源優(yōu)點：1、掩模壽命長，圖形缺陷少。2、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)中的象差、彌散等的影響。3、曝光效率高。缺點：數(shù)值孔徑

NA

太小，是限制分辨率的主要因素。二、1:1掃描反射投影光刻機三、分步重復縮小投影光刻機隨著線寬的不斷減小和晶片直徑的增大，分辨率與焦深的矛盾、線寬與視場的矛盾

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（DirectStep

on

the

Wafer，簡稱DSW，Stepper）。早期采用10:1縮小，現(xiàn)在更常用的是5:1

或4:1。光源聚光透鏡投影器掩模硅片

缺點：1、曝光效率低；2、設備復雜、昂貴。

優(yōu)點：1、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

4GDRAM

的面積已達到32×32

mm2，線寬為

0.13

m

，已達到視場的極限。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。7.7先進掩模概念一、保護薄膜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。解決的辦法是給步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

1

cm。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。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，提高掩模版的使用壽命，減少芯片上的缺陷。由公式可知，由于

NA

對焦深的作用更大，所以通常希望采用較小的NA

值。一般將

NA

值取為

0.16

到

0.6。當k1

為

0.75

時，有~上式在一段時期內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

X

射線。三、相移掩模技術對光刻膠和鏡頭等的改進只能稍微減小

k1

值。而

相移掩模技術

等

超分辨率技術

的發(fā)明使k1突破性地下降了一半以上，從而使分辨率極限進入了

亞波長

范圍，使i線和深紫外光

的分辨率分別達到了

0.25

m

和

0.10

m，同時也使

X

射線光刻機的使用比原來預期的大大推遲。

除相移掩模技術外，超分辨率技術還包括

光學鄰近效應修正技術

和

雙層及多層光刻膠技術

等。把掩模設想為一個曝光矩陣

M，由許多

0

和

1

的像素組成，0

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，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W?？梢越⒁粋€矩陣S來表示從矩陣M到矩陣W的變化，即

W=SM矩陣

S中包含了光學系統(tǒng)的所有信息。理想的S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。四、光學鄰近效應修正技術所謂光學鄰近效應修正（OPC）就是求出矩陣S的逆矩陣S-1，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

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。矩陣

S-1是很大的，可能包含

1010

個以上的像素，但也是一個很稀疏的矩陣。隨著光刻技術的不斷發(fā)展，光學曝光的分辨率已進入亞波長范圍?，F(xiàn)在利用

193

nm

光源及

OPC

技術，已獲得

0.13

m的線寬，預期可達到

0.10

m

，甚至達到

0.07

m

。7.8表面反射和駐波一、表面反射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。硅片表面傾斜的臺階側面會將光反射到非曝光區(qū)。解決辦法1、改變淀積參數(shù)以控制薄膜的反射率；2、使表面平坦化；3、在光刻膠下加一層抗反射膜二、駐波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λ/4n

=0.16λ。對λ=200~

400

nm的紫外光，此間隔為

32~

64

nm，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。

7.9對準大規(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1/4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，可以先作一次人工對準。掩模的熱膨脹也會產生對準誤差。為避免8

英寸掩模產生0.1

m

的膨脹，掩模的溫度變化必須控制在

0.75C

左右。光學曝光的各種曝光方式及其利弊小結接觸式非接觸式優(yōu)點：設備簡單，分辨率較高缺點：掩