光學曝光技術課件2

1、第二章第二章 光學曝光技術光學曝光技術u 光學曝光的工藝過程光學曝光的工藝過程u 光學曝光的方式和原理光學曝光的方式和原理u 光刻膠的特性光刻膠的特性u 光學掩膜的設計與制造光學掩膜的設計與制造u 短波長曝光技術短波長曝光技術u 大數值孔徑與浸沒式曝光技術大數值孔徑與浸沒式曝光技術u 光學曝光分辨率增強技術光學曝光分辨率增強技術u 光學曝光的計算機模擬技術光學曝光的計算機模擬技術u 其它光學曝光技術其它光學曝光技術u 厚膠曝光技術厚膠曝光技術u liga liga技術技術 mems教育部重點實驗室教育部重點實驗室最大限度提高半導體制造商最大限度提高半導體制造商對現有曝光機的利用率，實對現有曝光

2、機的利用率，實現對光刻工藝戰(zhàn)略的快速定現對光刻工藝戰(zhàn)略的快速定義并認證，從而縮短進入市義并認證，從而縮短進入市場的時間；場的時間；縮短量產化進程縮短量產化進程 ，對光刻結，對光刻結果提供可靠的預測能夠對光果提供可靠的預測能夠對光刻過程，結構設計及掩模進刻過程，結構設計及掩模進行校正；行校正；提高生產率和增加收益提高生產率和增加收益 ，減，減少暇疵提高，縮小少暇疵提高，縮小ic設計與設計與成品之間的差距。成品之間的差距。部分相干光成像理論部分相干光成像理論對于大數值孔徑的光學曝光系統，需考對于大數值孔徑的光學曝光系統，需考 慮光波的矢量慮光波的矢量效應，通過求解三維完全電磁方程的方法來計算曝。效

3、應，通過求解三維完全電磁方程的方法來計算曝。有些軟件以標量衍射理論有些軟件以標量衍射理論計算投影式曝光的光強分布。計算投影式曝光的光強分布。以以dill方程計算光刻膠的曝光過程，以方程計算光刻膠的曝光過程，以dill模型或模型或mack模型來計算光刻膠的顯影模型來計算光刻膠的顯影過程。過程。sigma-c（solid-c）prolith（ kla-tencor）sample（berkeley）光光刻刻過過程程及及其其模模擬擬模模型型 模擬的目的是找出最佳的工藝條件和曝光條件，找出最佳的掩模設計方案。模擬的目的是找出最佳的工藝條件和曝光條件，找出最佳的掩模設計方案。光學曝光質量的光學曝光質量的比

4、較的標準比較的標準：比較光學像：比較光學像;:比較顯影后的光刻膠圖形。比較顯影后的光刻膠圖形。：比較光學像：比較光學像光學像的比較主要是比較像分布的對比度和焦深。比較光學像可光學像的比較主要是比較像分布的對比度和焦深。比較光學像可排除光刻膠及具體工藝條件的影響，直接對光學系統和掩模系統進行評價。是一種排除光刻膠及具體工藝條件的影響，直接對光學系統和掩模系統進行評價。是一種定性的評價。定性的評價。:比較顯影后的光刻膠圖形比較顯影后的光刻膠圖形對某一種光刻膠比較曝光劑量和散焦對圖形關鍵尺寸對某一種光刻膠比較曝光劑量和散焦對圖形關鍵尺寸cd的影響。的影響。 （1） 駐波效應；駐波效應； （2） cd

5、隨散焦量和曝光劑量的變化。隨散焦量和曝光劑量的變化。第二章第二章 光學曝光技術光學曝光技術u 光學曝光的工藝過程光學曝光的工藝過程u 光學曝光的方式和原理光學曝光的方式和原理u 光刻膠的特性光刻膠的特性u 光學掩膜的設計與制造光學掩膜的設計與制造u 短波長曝光技術短波長曝光技術u 大數值孔徑與浸沒式曝光技術大數值孔徑與浸沒式曝光技術u 光學曝光分辨率增強技術光學曝光分辨率增強技術u 光學曝光的計算機模擬技術光學曝光的計算機模擬技術u 其它光學曝光技術其它光學曝光技術u 厚膠曝光技術厚膠曝光技術u liga liga技術技術東南大學東南大學 南京南京 mems教育部重點實驗室教育部重點實驗室無掩

6、膜光刻技術的兩大研究方向為光學無掩模光刻（optical maskless lithography）和帶電粒子無掩膜光刻（charged particle maskless lithography）。光學無掩膜技術是從傳統的光學光刻機構造發(fā)展而來的，最大的不同是掩膜版被一排光調制器（dmd，digital micro- mirror device，數字微鏡陣列）取代，通過實時控制制作出需要的圖形。最大的優(yōu)點就是降低了掩模的成本。由于采用了無掩模光刻工具，可以根據所需制造芯片結構的變化而做出相應的改變，不需針對每一種芯片專門制造一套掩模?？傮w生產率仍較低，光束校正確認、套準誤差控制、光束的選擇、

7、分辨力的延展性以及光束調節(jié)器等投影式曝光適用于大規(guī)模生產，但由于其設備過于昂貴，并不投影式曝光適用于大規(guī)模生產，但由于其設備過于昂貴，并不適用于科學研究，故開發(fā)了一系列的低成本曝光技術，同樣可適用于科學研究，故開發(fā)了一系列的低成本曝光技術，同樣可以獲得以獲得100nm以下的曝光能力。以下的曝光能力。干涉光學曝光技術又叫作“全息曝光”。實現干涉光學曝光技術的關鍵是要獲得具有較好的空間和時間相干性的相干光，為了實現這一目的，通常需要特制的相位光柵調制來獲得干涉光分布。干涉光學曝光技術的優(yōu)點：設備簡單；不需要光學掩模不需要光學掩模。缺點：只能形成二維平面周期分布的線條圖形。提高曝光分辨率的方法：調整

8、曝光光刻膠的曝光閾值；采用浸沒式曝光。干涉光學曝光技術原理示意圖灰度曝光技術制造準三維浮雕結構的光學曝光技術，可以產生曲面的光刻膠剖面。傳統掩膜板只有透光區(qū)和不透光區(qū)，而灰度掩膜板的透光率則是以灰度等級來表示的。一般實現灰度掩膜板有下列幾種方法：改變透光點的大??；改變透光點的數目；將灰度區(qū)劃分為許多單元。注意：注意：（1）單純按剖面高度分布函數來確定灰度掩模并不能得到預想的光刻膠剖面，還必須考慮各種成像的非線性因素，對掩模的灰度加以校正。（2）并非所有的光刻膠都可以用于灰度曝光。光刻膠要具有較大的黏度；光刻膠要具有比較低的對比度；光刻膠的抗蝕比盡量與襯底材料接近。euveuv是目前距實用話最近

9、的一種深亞微米的光刻技術。是目前距實用話最近的一種深亞微米的光刻技術。他仍然采用前面提到的他仍然采用前面提到的分步投影光刻系統分步投影光刻系統，只是改變，只是改變光源的光源的波長波長，即采用波長更短的，即采用波長更短的遠紫外線遠紫外線。采用的。采用的euveuv進行光刻的進行光刻的主要難點是主要難點是很難找到合適的制作掩膜版的材料和光學系統很難找到合適的制作掩膜版的材料和光學系統。euv光刻技術光刻技術euv極端遠紫外光所處的位置極端遠紫外光所處的位置上圖中，我們可以明確看到上圖中，我們可以明確看到euv極端遠紫外光在光譜中的位置，極端遠紫外光在光譜中的位置，這是一種波長極短的光刻技術，其曝光

10、波長大約為這是一種波長極短的光刻技術，其曝光波長大約為13.5nm。按。按照目前理論上認為的波長與蝕刻精度關系，照目前理論上認為的波長與蝕刻精度關系，euv技術能夠技術能夠蝕刻蝕刻出出5nm以下工藝以下工藝的晶體管的晶體管。 雖然業(yè)界一再強調雖然業(yè)界一再強調euv的技術的技術,我們有理由相信，我們有理由相信，euv（極端遠紫外光刻極端遠紫外光刻）將是未來納米級光刻技術的主流工藝，）將是未來納米級光刻技術的主流工藝，而一直沉默不語的而一直沉默不語的intel是否已經使用了這種技術呢？是否已經使用了這種技術呢？intel巨資開發(fā)的巨資開發(fā)的intels micro exposure tool（me

11、t）imec開發(fā)的開發(fā)的euv alpha demonstration tool臺積電公司訂購臺積電公司訂購asml公司極紫外光公司極紫外光刻系統刻系統twinscan nxe3100intelintel應用應用euveuv技術技術獲得的一些實驗結獲得的一些實驗結果果第二章第二章 光學曝光技術光學曝光技術u 光學曝光的工藝過程光學曝光的工藝過程u 光學曝光的方式和原理光學曝光的方式和原理u 光刻膠的特性光刻膠的特性u 光學掩膜的設計與制造光學掩膜的設計與制造u 短波長曝光技術短波長曝光技術u 大數值孔徑與浸沒式曝光技術大數值孔徑與浸沒式曝光技術u 光學曝光分辨率增強技術光學曝光分辨率增強技術u

12、 光學曝光的計算機模擬技術光學曝光的計算機模擬技術u 其它光學曝光技術其它光學曝光技術u 厚膠曝光技術厚膠曝光技術u liga liga技術技術東南大學東南大學 南京南京 mems教育部重點實驗室教育部重點實驗室超大規(guī)模集成電路加工追求的是光學曝光的極限分辨率，而微超大規(guī)模集成電路加工追求的是光學曝光的極限分辨率，而微系統或微機電系統追求的是光學曝光的另一個極端系統或微機電系統追求的是光學曝光的另一個極端超厚膠超厚膠曝光。曝光。 正膠，如正膠，如az4000，az9000等傳統光刻膠（酚醛清漆）；等傳統光刻膠（酚醛清漆）； 負膠，如負膠，如su-8膠（環(huán)氧樹脂）等。膠（環(huán)氧樹脂）等。su-8膠

13、對近紫外波段（350400nm）光吸收度低，因而容易得到具有垂直側壁和高深寬比的圖形。通過高粘度膠和低轉速甩膠相配合可以獲得厚膠層，但其厚度一般只有500m，為了獲得500m1mm的厚度，只能采用灘涂方法。對于1mm以上的超厚膠層，可以采用多次灘涂法或刮涂法。su-8膠的缺點是去膠困難膠的缺點是去膠困難。第二章第二章 光學曝光技術光學曝光技術u 光學曝光的工藝過程光學曝光的工藝過程u 光學曝光的方式和原理光學曝光的方式和原理u 光刻膠的特性光刻膠的特性u 光學掩膜的設計與制造光學掩膜的設計與制造u 短波長曝光技術短波長曝光技術u 大數值孔徑與浸沒式曝光技術大數值孔徑與浸沒式曝光技術u 光學曝光

14、分辨率增強技術光學曝光分辨率增強技術u 光學曝光的計算機模擬技術光學曝光的計算機模擬技術u 其它光學曝光技術其它光學曝光技術u 厚膠曝光技術厚膠曝光技術u liga liga技術技術東南大學東南大學 南京南京 mems教育部重點實驗室教育部重點實驗室liga一詞來源于德語lithographie, galvanoformung和abformung 三個詞語的縮寫, 表示深層光刻、電鑄、注塑三種技術的有機結合。20世紀60年代初, 德國的karlsruhe原子能研究中心致力于開發(fā)一項技術, 即用氣體彎曲噴射的離心力方法處理六氟化鈾和輕的輔助氣體, 從而分離出鈾同位素。為了提高這個方法的效率, 需

15、要將分離噴嘴的相關結構尺寸縮小到幾個微米的尺度, 這促使了liga技術的開發(fā)研究。研究背景：liga技術技術liga技術的典型工藝流程圖：liga 技術標準工藝liga技術的四大工藝組成：liga掩模板制造工藝x光深層光刻工藝微電鑄工藝微復制工藝liga掩模板制造工藝 liga 技術的第一步是制造liga專用的x光掩模板，liga掩模板必須有選擇地透過和阻擋x光。一般的紫外光掩模板不適合做liga掩模板。 由于liga掩模板要求阻擋層的側壁垂直，用普通的微加工工藝無法達到，所以liga 掩模板需要用liga技術來完成。liag掩模版的x光透光薄膜材料的性能及其優(yōu)缺點材料becsitix光透光性

16、+-可見光透光性_+0_表面質量+-+化學穩(wěn)定性0+0無毒性_+liag掩模版的x光阻擋層材料的性能及其優(yōu)缺點材料auwtaptx光吸收性+電敏性+_-反應離子刻蝕-+_熱膨脹系數匹配be+-+c_+-ti+_+x光深層光刻工藝 liga技術的第二步是x光深層光刻工藝，該工藝需平行的x光光源，由于需要曝光的光刻膠的厚度要達到幾百微米，用一般的x光光源需要很長的的曝光時間，而同步輻射x光光源不僅能提供平行的x光，而且強度是普通x光的幾十萬倍，這樣就可以大大縮短曝光時間。 最佳波長0.2nm0.8nm顯影和電鍍微電鑄工藝 微電鑄的原理是在電壓的作用下，陽極的金屬失去電子，變成金屬離子進入電鑄液，金

17、屬離子在陰極獲得電子，沉積在陰極上。 當陰極的金屬表面有一層光刻膠圖形時，金屬只能沉積到光刻膠的空隙中，形成與光刻膠相對應的金屬微結構。微復制工藝 由于同步輻射x光深層光刻代價較高，無法進行大批量生產，所以liga技術的產業(yè)化只有通過微復制技術來實現。 方式：注塑成型和模壓成型 注塑成型適用于塑料產品的批量生產 模壓成型適用于金屬產品的批量生產微復制深x-射線光刻的光刻膠性質性質pmmapompaspmiplg敏感性差好非常好一般一般分辨率很好一般很差好很好側壁光滑性很好很差很差好很好耐強腐蝕差很好好很差很好在基底地粘附性能好好好差好微齒輪（sandia國家實驗室）liga技術應用liga技術

18、的優(yōu)點:( 1) 深寬比大, 準確度高。所加工的圖形準確度小于0. 5微米, 表面粗糙度僅10nm, 側壁垂直度89. 9, 縱向高度可500微米以上;( 2) 用材廣泛。從塑料( pmma、聚甲醛、聚酰胺、聚碳酸酯等) 到金屬( au, ag, ni, cu) 到陶瓷( zno2) 等, 都可以用liga技術實現三維微結構;( 3) 由于采用微復制技術, 可降低成本, 進行批量生產。liga的缺點：（1）成本昂貴（x光源需要昂貴的加速器）（2）用于x光光刻的掩膜板本身就是3d微結構，復雜，周期長u x射線衍射與光電子散射效應；u 同步輻射光源（硬x射線）的發(fā)散效應;u 吸收層圖形的非陡直邊壁

19、效應;u 掩?；冃?u 襯底材料的二次電子效應。影響影響x射線射線liga圖形精度的因素圖形精度的因素 準準liga技術技術1.uv-liga紫外光源對光刻膠曝光, 光源來自于汞燈, 所用的掩膜板是簡單的鉻掩膜板。其原理步驟如圖所示。對于uv-liga適用光刻膠較多的是su-8膠。掩模板掩模板su-8膠膠基底基底su-8膠膠紫外光紫外光ibm公司研發(fā)的su-8膠是一種負性膠, 即曝光時, 膠中含有的少量光催化劑( pag) 發(fā)生化學反應, 產生一種強酸, 能使su-8膠發(fā)生熱交聯。su-8膠具有高的熱穩(wěn)定性、化學穩(wěn)定性和良好的力學性能, 在近紫外光范圍內光吸收度低, 整個光刻膠層可獲得均勻

20、一致的曝光量。su-8膠優(yōu)點：形成圖形結構復雜、深寬比大、側壁陡峭的微結構。su-8膠在x光輻照下無膨脹、龜裂等現象，對x光的靈敏度比pmma高幾百倍。缺點：是存在張應力,以及烘烤量大時在工藝的后段難以除去。烘烤溫度和時間取決于光刻膠的厚度。但是為了獲得無龜裂的光刻膠,其溫度一般不能超過120紫外光曝光su-8膠得到的光刻膠圖形照片2. m2liga技術為了控制微結構的側壁傾斜度，便于形成具有不同傾斜度的斜面、鋸齒、圓錐或圓臺等微結構,日本科研人員在 1999年提了m2liga技術。該技術用移動掩模x光深度光刻代替了常規(guī)的靜止掩模x光深度光刻。 在光刻時x光掩模不是固定不動,而是沿著與光刻膠基片平行的方向移動或轉動。改變掩模圖形、掩模運動軌跡和速度，就可以形成各種不同的微結構。m2liga技術實驗結果圖3. 3. 多次曝光技術多次曝光技術可以產生復雜的可以產生復雜的3-d3-d結構結構 ( (采用采用 +/- +/- 膠膠) )厚膠厚膠uv光刻工藝（光刻工藝（uv-liga）模擬技術）模擬技術ini