光學(xué)曝光技術(shù)課件教材

1、第二章 光學(xué)曝光技術(shù) 光學(xué)曝光的工藝過程 光學(xué)曝光的方式和原理 光刻膠的特性 光學(xué)掩膜的設(shè)計(jì)與制造 短波長曝光技術(shù) 大數(shù)值孔徑與浸沒式曝光技術(shù) 光學(xué)曝光分辨率增強(qiáng)技術(shù) 光學(xué)曝光的計(jì)算機(jī)模擬技術(shù) 其它光學(xué)曝光技術(shù) 厚膠曝光技術(shù) LIGA技術(shù)東南大學(xué) 南京 MEMS教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室光刻工藝的基本要素光源(light sources)曝光系統(tǒng)(exposure system)光刻膠(photoresist)能量(光源): 引起光刻膠化學(xué)反應(yīng)，改變光刻膠溶解速率；掩膜版(mask): 對光進(jìn)行掩膜，在光刻膠上制造掩膜版的圖形；對準(zhǔn)系統(tǒng)(Aligner): 在硅片上把掩膜版和以前的圖形對準(zhǔn)；光刻膠(Re

2、sist): 把圖形從掩膜版轉(zhuǎn)移到硅片；襯底(substrate)：具有以前的掩膜版圖形。光刻工藝的基本流程第二章 光學(xué)曝光技術(shù) 光學(xué)曝光的工藝過程 光學(xué)曝光的方式和原理 光刻膠的特性 光學(xué)掩膜的設(shè)計(jì)與制造 短波長曝光技術(shù) 大數(shù)值孔徑與浸沒式曝光技術(shù) 光學(xué)曝光分辨率增強(qiáng)技術(shù) 光學(xué)曝光的計(jì)算機(jī)模擬技術(shù) 其它光學(xué)曝光技術(shù) 厚膠曝光技術(shù) LIGA技術(shù)東南大學(xué) 南京 MEMS教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（1）接觸式光學(xué)曝光技術(shù)東南大學(xué) 南京 MEMS教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 優(yōu)點(diǎn)：設(shè)備簡單，分辨率高（約1 m ）。 缺點(diǎn)：掩模壽命短（10 20次），硅片上圖形缺陷多，光刻成品率低。（2）接近式光學(xué)曝光技術(shù)東南大學(xué) 南京

3、MEMS教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 優(yōu)點(diǎn)：掩模壽命長（可提高10 倍以上），圖形缺陷少。 缺點(diǎn)：衍射效應(yīng)使分辨率下降。 （3）投影式光學(xué)曝光技術(shù)投影式曝光的優(yōu)點(diǎn)： 掩模壽命長。 可以在不十分平整的大晶片上獲得高分辨率的圖形。 掩模尺寸遠(yuǎn)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。投影式曝光的缺點(diǎn)：設(shè)備復(fù)雜、昂貴， 曝光效率低。 步進(jìn)式投影光刻投影式光刻光刻工藝的相關(guān)光學(xué)基礎(chǔ)光在空間中以電磁波的形式傳播當(dāng)物體的尺寸遠(yuǎn)大于波長時(shí)，把光作為粒子來處理當(dāng)物體的尺寸和波長可比擬時(shí)，要考慮光的波動性衍射光的衍射效應(yīng)光的衍射影響分辨率，決定分辨率極限：如果想在像平面(如光刻膠）對小孔進(jìn)行成像，

4、可以用透鏡收集光并聚焦到像平面數(shù)值孔徑(Numerical Aperture NA)光學(xué)系統(tǒng)的數(shù)值孔徑描述透鏡收集光的能力 n是透鏡到硅片間介質(zhì)的折射率，對空氣而言為1分辨率分辨率-Resolution K1是一個獨(dú)立于光學(xué)成像的因子，取決于光刻系統(tǒng)和光刻膠的性質(zhì)等其它因素一般來說，最小線寬K10.60.8 然而采用高數(shù)值孔徑的光學(xué)系統(tǒng)(大透鏡），會使景深變差 焦深（DoF）焦深就是聚焦深度（Depth of Focus），它是指沿著光通路，圓片可以移動而依然保持圖形聚焦清晰的移動距離。對于投影系統(tǒng)，焦深由下式給出：k2 +-光刻膠膜焦深焦平面透鏡焦點(diǎn)是沿透鏡中心出現(xiàn)最佳圖像的點(diǎn)，焦深是焦點(diǎn)上

5、面和下面的一個范圍。焦點(diǎn)可能不是正好在光刻膠層的中心，但是焦深應(yīng)該穿越光刻膠層上下表面。NGL: X射線(5)，電子束(0.62)，離子束(0.12 )光源波長(nm)術(shù)語技術(shù)節(jié)點(diǎn)汞燈436g線0.5mm汞燈365i線0.5/0.35mmKrF(激光)248DUV0.25/0.13mmArF (激光)193193DUV90/6532nmF2 (激光)157VUVCaF2 lenses激光激發(fā)Xe等離子體13.5EUVReflective mirrors光 源第二章 光學(xué)曝光技術(shù) 光學(xué)曝光的工藝過程 光學(xué)曝光的方式和原理 光刻膠的特性 光學(xué)掩膜的設(shè)計(jì)與制造 短波長曝光技術(shù) 大數(shù)值孔徑與浸沒式曝光

6、技術(shù) 光學(xué)曝光分辨率增強(qiáng)技術(shù) 光學(xué)曝光的計(jì)算機(jī)模擬技術(shù) 其它光學(xué)曝光技術(shù) 厚膠曝光技術(shù) LIGA技術(shù)東南大學(xué) 南京 MEMS教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室光刻膠基本成分 光學(xué)曝光過程中，為了將掩模上的圖形轉(zhuǎn)移到圓片上，輻照必須作用在光敏物質(zhì)上，該光敏物質(zhì)必須通過光照，改變材料性質(zhì)，使在完成光刻工藝后，達(dá)到轉(zhuǎn)移圖形的目的。該光敏物質(zhì)稱為光刻膠。東南大學(xué) 南京 MEMS教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室光刻膠基本成分組成：（1）樹脂（Resin）（2）感光劑（PAC）（3）溶劑（Solvent）（4）添加劑（Additive）樹脂（Resin）：光刻膠中的基體材料，是一種對光敏感的高分子化合物，當(dāng)它受適當(dāng)波長的光照射后，就能吸收

7、一定波長的光能量，發(fā)生交聯(lián)、聚合或分解等光化學(xué)反應(yīng)，使光刻膠改變性質(zhì)。感光劑（PAC，photoactive compound)：在曝光前作為抑制劑（inhibitor），降低光刻膠在顯影液中的溶解速度，而在暴露于光線時(shí)有化學(xué)反應(yīng)發(fā)生，使抑制劑變成了感光劑，增加了膠的溶解性（正膠），或產(chǎn)生交聯(lián)催化劑，使樹脂交聯(lián)，降低膠的溶解性（負(fù)膠）。溶劑（solvent）：使光刻膠保持液體狀態(tài)。絕大多數(shù)的溶劑在曝光前揮發(fā)除去，對光刻膠的化學(xué)性質(zhì)幾乎沒有什么影響。添加劑（additive）：用來控制和改變光刻膠材料的特定化學(xué)性質(zhì)或光刻膠材料的光響應(yīng)特性，也包括控制光刻膠反射率的染色劑。 凡是在能量束（光束、電

8、子束、離子束等）的照射下，以交聯(lián)反應(yīng)為主的光刻膠稱為 負(fù)性光刻膠，簡稱 負(fù)膠。 凡是在能量束（光束、電子束、離子束等）的照射下，以降解反應(yīng)為主的光刻膠稱為 正性光刻膠，簡稱 正膠。光刻膠是長鏈聚合物正膠在感光時(shí)，曝光對聚合物起斷鏈作用，使長鏈變短，使聚合物更容易在顯影液中溶解。負(fù)膠在曝光后，使聚合物發(fā)生交聯(lián)，在顯影液中溶解變慢。光刻膠類型正膠IC主導(dǎo)負(fù)膠1、靈敏度: 光刻膠通過顯影完全被清除所需要的曝光劑量（正膠）；光刻膠在顯影后有50%以上的膠厚得以保留時(shí)所需要的曝光劑量（負(fù)膠）。是衡量曝光速度的指標(biāo)，靈敏度越高，所需曝光劑量越小，曝光時(shí)間越短。 靈敏度太低會影響生產(chǎn)效率，所以通常希望光刻膠

9、有較高的靈敏度。但靈敏度太高會影響分辨率。通常負(fù)膠的靈敏度高于正膠。 光刻膠的一些特性正膠負(fù)膠的靈敏度和對比度定義二. 對比度（反差比）：指的是光刻膠上從曝光區(qū)到非曝光區(qū)過渡的陡度。對比度代表著只適于在掩膜版透光區(qū)規(guī)定范圍內(nèi)曝光的光刻膠的能力。差的光刻膠對比度斜側(cè)壁膨脹差的反差光刻膠膜好的光刻膠對比度陡直側(cè)壁沒有膨脹好的反差光刻膠膜 靈敏度曲線越陡，光刻膠的對比度就越大，這樣有助于得到清晰的圖形輪廓和高的分辨率。一般光刻膠的對比度在 0.9 2.0 之間。對于亞微米圖形，要求對比度大于 1。 通常正膠的對比度要高于負(fù)膠。 光進(jìn)入光刻膠后，其強(qiáng)度按下式衰減 式中，為光刻膠的光吸收系數(shù)。設(shè) TR

10、為光刻膠的厚度，則可定義光刻膠的 光吸收率 為 可以證明，對比度 與光吸收系數(shù)及光刻膠厚度 TR 之間有如下關(guān)系 減小光吸收系數(shù)與膠膜厚度有利于提高對比度。 三、分辨率：指光刻時(shí)所能得到的光刻圖形的最小尺寸。通常以每毫米最多可分辨的線條數(shù)來表示。光刻工藝中影響分辨率的因素有：光源、曝光方式 和 光刻膠本身（包括靈敏度、對比度、顆粒的大小、顯影時(shí)的溶脹、電子散射等）、硅片表面狀況等。通常正膠的分辨率要高于負(fù)膠。分辨率與靈敏度的關(guān)系:當(dāng)入射電子數(shù)為 N 時(shí)，由于隨機(jī)漲落，實(shí)際入射的電子數(shù)在 范圍內(nèi)。為保證出現(xiàn)最低劑量時(shí)不少于規(guī)定劑量的 90%，也即 。由此可得 。因此對于小尺寸曝光區(qū)，必須滿足式中

11、，Wmin 為最小尺寸，即分辨率?？梢?，若靈敏度越高（即 S 越?。?，則 Wmin 就越大，分辨率就越差。五. 粘度：是影響涂敷膠膜厚度的重要因素。光刻膠越濃，它的粘度就越大，在相同的涂膠條件下，所得的膠膜就越厚；反之，則粘度小，膠膜薄。四. 感光度：感光度是一個表征光刻膠對光敏感度的性能指標(biāo)。定義為曝光時(shí)使光刻膠發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)所需的最小曝光量(E)的倒數(shù)，即 S = h / ES為感光度，h為比例常數(shù)，E為最小曝光量。 光刻膠對于不同波長的光源其敏感程度是不同的，因此它的感光度總是對某一特定波長的光來講的。針孔密度：單位面積的光刻膠膜上的針孔數(shù)目稱為針孔密度。七. 粘附性：指光刻膠薄膜與襯底

12、的粘附能力，主要衡量光刻膠抗?jié)穹ǜg能力。它不僅與光刻膠本身的性質(zhì)有關(guān)，而且與襯底的性質(zhì)和其表面情況等有密切關(guān)系。八. 抗蝕性：光刻膠膠膜必須保持它的粘附性，并在后續(xù)的濕刻和干刻中保護(hù)襯底表面。這種性質(zhì)被稱為抗蝕性。九. 表面張力：光刻膠具有產(chǎn)生相對大的表面張力的分子間力，所以在不同工藝步驟中光刻膠分子會聚在一起。同時(shí)光刻膠的表面張力必須足夠小，從而在應(yīng)用時(shí)能提供良好的流動性和硅的覆蓋。第二章 光學(xué)曝光技術(shù) 光學(xué)曝光的工藝過程 光學(xué)曝光的方式和原理 光刻膠的特性 光學(xué)掩膜的設(shè)計(jì)與制造 短波長曝光技術(shù) 大數(shù)值孔徑與浸沒式曝光技術(shù) 光學(xué)曝光分辨率增強(qiáng)技術(shù) 光學(xué)曝光的計(jì)算機(jī)模擬技術(shù) 其它光學(xué)曝光技術(shù)

13、 厚膠曝光技術(shù) LIGA技術(shù)東南大學(xué) 南京 MEMS教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 掩膜版的材料襯底材料：最主要的用于亞微米光刻的投影掩膜版襯底材料是熔融石英（fused silica）。它在深紫外光譜部（248nm和193nm）有著很高的光學(xué)透射。熔融石英相對昂貴，但性能優(yōu)越。它具有很低的熱膨脹系數(shù)。圖形材料：用于掩膜版上不透明的圖形材料通常是薄層的鉻（Chrome，Cr）。厚度通常小于1000A，通過濺射淀積。有時(shí)候會在鉻上形成一層氧化鉻（200A）的抗反射涂層。掩模版（Photomask）：一種透明的平板，上面有要轉(zhuǎn)印到硅片上光刻膠層的圖形。 光學(xué)工程師將用戶數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為寫入系統(tǒng)所能接受的格式。包括數(shù)據(jù)

14、分割，尺寸標(biāo)記，圖形旋轉(zhuǎn)，增加套刻標(biāo)記，內(nèi)部參照標(biāo)記，以及一個jobdeck（掩膜上不同圖形的位置的說明）。 掩膜版上用于Stepper對準(zhǔn)的套刻標(biāo)記掩膜版上的參照標(biāo)記 掩膜版的制備通常采用電子束直寫的方式把高分辨率的圖形轉(zhuǎn)印到掩膜版表面。電子源產(chǎn)生的電子被加速并聚焦成形射到投影掩膜版上。電子束可以通過光柵掃描或矢量掃描的方式在掩膜版上形成圖形。掩膜版上的電子束膠在曝光顯影后，通過濕法或干法刻蝕去掉不需要的鉻層。CAD設(shè)計(jì)、模擬、驗(yàn)證后由圖形發(fā)生器產(chǎn)生數(shù)字圖形數(shù)字圖形4或5投影光刻版（reticle）投影式光刻1掩膜版（mask）制作接觸式、接近式光刻掩膜版制作掩模版制作過程：是一個微納加工過

15、程12. Finished掩膜版缺陷掩膜版上的缺陷會被復(fù)制到光刻膠層中，從而進(jìn)一步復(fù)制到硅片上。制造好的掩膜版要進(jìn)行大量測試來檢查缺陷和顆粒。掩膜版缺陷的來源可能是掉鉻，表面擦傷，靜電放電或灰塵顆粒。第二講 光學(xué)曝光技術(shù) 光學(xué)曝光的工藝過程 光學(xué)曝光的方式和原理 光刻膠的特性 光學(xué)掩膜的設(shè)計(jì)與制造 短波長曝光技術(shù) 大數(shù)值孔徑與浸沒式曝光技術(shù) 光學(xué)曝光分辨率增強(qiáng)技術(shù) 光學(xué)曝光的計(jì)算機(jī)模擬技術(shù) 其它光學(xué)曝光技術(shù) 厚膠曝光技術(shù) LIGA技術(shù)東南大學(xué) 南京 MEMS教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 深紫外曝光技術(shù)一般，436nm為G線，356nm的為I線，。采用準(zhǔn)分子激光器的深紫外曝光技術(shù)。 極紫外曝光技術(shù)極紫外是波

16、長為13nm的光輻射。而其本質(zhì)是一種軟X射線。極紫外波長可被幾乎所有材料吸收，故所有的光學(xué)系統(tǒng)包括掩模都必須是反射式的。組成：極紫外光源等離子體激發(fā)和同步輻射源；極紫外光學(xué)系統(tǒng)利用多層膜反射鏡，可提高反射率；極紫外掩模掩?；搴徒饘賹?；極紫外光刻膠更高靈敏度和分辨率。 X射線曝光技術(shù)X射線是指波長在0.0110nm間的電磁波譜，又可分為軟硬兩種。X射線不能被折射，故只能做成11鄰近式曝光，不可做成縮小式曝光，這樣就加大了掩模的制造難度和成本。第二章 光學(xué)曝光技術(shù) 光學(xué)曝光的工藝過程 光學(xué)曝光的方式和原理 光刻膠的特性 光學(xué)掩膜的設(shè)計(jì)與制造 短波長曝光技術(shù) 大數(shù)值孔徑與浸沒式曝光技術(shù) 光學(xué)曝光分

17、辨率增強(qiáng)技術(shù) 光學(xué)曝光的計(jì)算機(jī)模擬技術(shù) 其它光學(xué)曝光技術(shù) 厚膠曝光技術(shù) LIGA技術(shù)東南大學(xué) 南京 MEMS教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 大數(shù)值孔徑是高分辨率成像的必要條件 但增加數(shù)值孔徑會受到焦深的影響和限制，過大的數(shù)值孔徑會使焦深過小。 進(jìn)一步增加數(shù)值孔徑還受到光極化效應(yīng)的影響當(dāng)數(shù)值孔徑達(dá)到0.8以上時(shí)，光波通過透鏡會被極化成s極和p極分量，在大入射角的情況下，s極分量會被反射，使得入射光的能量損失以及成像對比度下降。k2 投影物鏡的設(shè)計(jì)和加工難度增大單軸和多軸設(shè)計(jì)方案浸沒式曝光ln=1.0, DNA=0.93, lm60 nm n=1.44, DNA=1.34, lm 42 nm增加數(shù)值孔徑:193

18、 nm浸沒式光刻技術(shù)已在2006年投入使用東南大學(xué) 南京 MEMS教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 當(dāng)今高精度的浸沒式步進(jìn)掃描投影光刻機(jī)對浸沒液體的選擇相當(dāng)苛刻，高折射率和高透射系數(shù)是最基本的要求。 一般地，使用水作為193nm光刻的浸沒液體。 在曝光過程中，由于水中溶解的物質(zhì)有可能沉積到投影物鏡最后一個透鏡的下表面或者光刻膠上，引起成像缺陷，而水中溶解的氣體也有可能形成氣泡，使光線發(fā)生散射和折射。因此，目前業(yè)界普遍使用價(jià)格便宜、簡單易得的去離子和去氣體的純水作為第一代浸沒式光刻機(jī)的浸沒液體。 另外，還要考慮水層的厚度對掃描速度的影響。在500mm/s 的掃描速度下，水層的厚度應(yīng)該控制在12mm。第二章 光學(xué)

19、曝光技術(shù) 光學(xué)曝光的工藝過程 光學(xué)曝光的方式和原理 光刻膠的特性 光學(xué)掩膜的設(shè)計(jì)與制造 短波長曝光技術(shù) 大數(shù)值孔徑與浸沒式曝光技術(shù) 光學(xué)曝光分辨率增強(qiáng)技術(shù) 光學(xué)曝光的計(jì)算機(jī)模擬技術(shù) 其它光學(xué)曝光技術(shù) 厚膠曝光技術(shù) LIGA技術(shù)東南大學(xué) 南京 MEMS教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室除了和NA外，提高分辨率的另一個方法就是改變因子。因子包含了透鏡光學(xué)以外的因素，它的理論極限值是0.25。這些技術(shù)統(tǒng)稱為光學(xué)曝光分辨率增強(qiáng)技術(shù)。（7種）（1）離軸照明技術(shù)有意將中心軸部分的光遮住，這有利于衍射光波的高次諧波分量通過透鏡成像到硅片表面上。主要有兩種方式：環(huán)形離軸照明和四級離軸照明。該技術(shù)是一種最易實(shí)現(xiàn)，成本最低的分辨率

20、增強(qiáng)技術(shù)（2）移相掩模技術(shù)(PSM, Phase Shifting Mask)調(diào)制光波的相位來改善成像的對比度和焦深。常見形式有：輔助式，交替式，周邊式，無鉻式，衰減式。各種移相掩模的目的都是通過引進(jìn)相反的相位光波，在相的邊緣部分產(chǎn)生抵消作用。選擇一種具有一定厚度和折射率的材料，使得相位移動180,形成相消干涉。普通鉻掩模移相掩模（3）光學(xué)鄰近效應(yīng)校正技術(shù)有意的改變掩模的設(shè)計(jì)尺寸和形狀來補(bǔ)償圖形局部曝光過強(qiáng)或過弱。另外一種校正技術(shù)不是修改設(shè)計(jì)圖形本身，而是在設(shè)計(jì)圖形附近加一些圖形（亞分辨率輔助圖形）或散射條。這些輔助圖形的尺寸很小，不會在光刻膠上成像，但其會影響光強(qiáng)分布，從而影響設(shè)計(jì)圖形的成像質(zhì)量。（4）消除表面反射和駐波效應(yīng)抗反射層和表面平坦化技術(shù)駐波：由于入射光和反射光間的相長與相消干涉造成。駐波造成光刻膠中的光強(qiáng)隨厚度變化，由于曝光的變化產(chǎn)生光刻膠溶解率的變化，則表現(xiàn)為光刻膠側(cè)壁出現(xiàn)螺旋狀條紋。表面反射：來自曝光區(qū)的光被圓片表面