集成電路制造工藝之光刻與刻蝕工藝

第八章光刻與刻蝕工藝

光刻是集成電路工藝中的關(guān)鍵性技術(shù)。在硅片表面涂上光刻膠薄層，經(jīng)過光照、顯影，在光刻膠上留下掩模版的圖形。在集成電路制造中，利用光刻膠圖形作為保護膜，對選定區(qū)域進行刻蝕，或進行離子注入，形成器件和電路結(jié)構(gòu)。隨著集成電路的集成度不斷提高，器件的特征尺寸不斷減小，期望進一步縮小光刻圖形的尺寸。目前已經(jīng)開始采用線寬為0.2-0.1μm的加工技術(shù)。①高分辨率。通常把線寬作為光刻水平的標(biāo)志，線寬越來越細，要求光刻具有高分辨率。②高靈敏度的光刻膠。光刻膠的靈敏度通常是指光刻膠的感光速度。光刻膠靈敏度提高，曝光時間短，但往往使光刻膠的其他屬性變差。③低缺陷。在集成電路芯片的加工進程中，如果在器件上產(chǎn)生一個缺陷，即使缺陷的尺寸小于圖形的線寬，也可能會使整個芯片失效。④精密的套刻對準。集成電路芯片的制造需要經(jīng)過多次光刻，在各次曝光圖形之間要相互套準。通常要采用自動套刻對準技術(shù)。⑤對大尺寸硅片的加工。為了提高經(jīng)濟效益和硅片利用率，一般在一個大尺寸硅片上同時制作很多個完全相同的芯片。對于光刻而言，在大尺寸硅片上滿足前述的要求難度更大。ULSI中對光刻的基本要求8.1、光刻工藝流程曝光、顯影、刻蝕(或淀積)是光刻過程中的三個主要步驟。8.1.1、涂膠在集成電路工藝中，光刻膠層的作用是在刻蝕或離子注入過程中，保護被光刻膠覆蓋的材料。因此，光刻膠層與硅片表面之間需要牢固地黏附。涂膠的目的是在硅片表面形成厚度均勻、附著性強、并且沒有缺陷的光刻膠薄膜。在涂膠之前，硅片一般需要經(jīng)過脫水烘焙并且涂上用來增加光刻膠與硅片表面附著能力的化合物。以光刻膠在SiO2表面的附著情況為例，由于SiO2的表面是親水性的，而光刻膠是疏水性的，SiO2表面可以從空氣中吸附水分子，含水的SiO2會使光刻膠的附著能力降低。因此在涂膠之前需要預(yù)先對硅片進行脫水處理，稱為脫水烘焙。①在150-200℃釋放硅片表面吸附的水分子；②在400℃左右使硅片上含水化合物脫水；③進行750℃以上的脫水。脫水烘焙在涂膠之前，還應(yīng)在Si片表面上涂上一層化合物，其目的也是為了增強光刻膠與硅片之間的附著力。目前應(yīng)用比較多的是六甲基乙硅氮烷(簡稱HMDS)。在實際應(yīng)用中，HMDS的涂布都是以氣相的方式進行的，HMDS以氣態(tài)的形式輸入到放有硅片的容器中，然后在硅片的表面完成涂布。還可以將脫水烘焙與HMDS的氣相涂布結(jié)合起來進行。硅片首先在容器里經(jīng)過100-200℃的脫水烘焙，然后直接進行氣相涂布。由于避免了與大氣的接觸，硅片吸附水分子的機會將會降低，涂布HMDS的效果將會更加理想。涂布HMDS涂膠工藝步驟：①將光刻膠溶液噴灑到硅片表面上；②加速旋轉(zhuǎn)托盤(硅片)，直至達到需要的旋轉(zhuǎn)速度；③達到所需的旋轉(zhuǎn)速度后，保持一定時間的旋轉(zhuǎn)。涂膠

把硅片放在一個平整的金屬托盤上，有小孔與真空管相連，硅片就被吸在托盤上，硅片與托盤一起旋轉(zhuǎn)。

光刻膠的膜厚與光刻膠本身的黏性有關(guān)

對于同樣的光刻膠，光刻膠的膜厚由旋轉(zhuǎn)速度決定，轉(zhuǎn)動速度越快，光刻膠層的厚度越薄，光刻膠的均勻性也越好。

涂膠的過程應(yīng)始終在超凈環(huán)境中進行。同時噴灑的光刻膠溶液中不能含有空氣，因為氣泡的作用與微粒相似，都會在光刻工藝中引起缺陷。光刻膠的膜厚8.1.2、前烘在液態(tài)的光刻膠中，溶劑的成份占65％-85％，經(jīng)過甩膠之后，雖然液態(tài)的光刻膠已經(jīng)成為固態(tài)的薄膜，但仍含有10％-30％的溶劑，涂膠以后的硅片，需要在一定的溫度下進行烘烤，使溶劑從光刻膠內(nèi)揮發(fā)出來，這一步驟稱為前烘。(前烘后光刻膠中溶劑含量降至到5％左右)

在前烘過程中，由于溶劑的揮發(fā)，光刻膠的厚度也會減薄，一般減小的幅度為10％-20％左右。降低灰塵的玷污；減輕因高速旋轉(zhuǎn)形成的薄膜應(yīng)力，從而提高光刻膠的附著性。如果光刻膠沒有經(jīng)過前烘處理，對于正膠來說，非曝光區(qū)的光刻膠由于溶劑的含量比較高，在顯影液中也會溶解變簿，從而使光刻膠的保護能力下降。前烘的作用前烘的的溫度度和時時間需需要嚴嚴格地地控制制。前烘的的溫度度太低低或時時間太太短光刻膠膠層與與硅片片表面面的黏附性性差；由于光光刻膠膠中溶溶劑的的含量量過高高，曝曝光的的精確度度也會變變差；；太高的的溶劑劑濃度度使顯顯影液液對曝曝光區(qū)區(qū)和非非曝光光區(qū)光光刻膠膠的選擇性性下降降，導(dǎo)致致圖形形轉(zhuǎn)移移效果果不好好。前烘溫溫度太太高光刻膠膠層的的黏附附性也也會因因為光刻膠膠變脆脆而降低低；過高的的烘焙焙溫度度會使使光刻刻膠中中的感光劑劑發(fā)生生反應(yīng)應(yīng)，使光光刻膠膠在曝曝光時時的敏感度度變差差。前烘的的溫度度和時時間前烘通通常采采用干干燥循循環(huán)熱熱風(fēng)、、紅外外線輻輻射以以及熱熱平板板傳導(dǎo)導(dǎo)等熱熱處理理方式式。在ULSI工藝中中，常常用的的前烘烘方法法是真空熱熱平板板烘烤烤。真空空熱平平板烘烘烤可可以方方便地地控制制溫度度，同同時還還可以以保證證均勻勻加熱熱。前烘的的加熱熱方式式8.1.4、顯影影顯影后后所留留下的的光刻刻膠圖圖形將將在后后續(xù)的的刻蝕蝕和離離子注注入工工藝中中做為為掩膜膜，因因此顯顯影也也是一一步重重要工工藝。。嚴格格地說說，在在顯影影時曝曝光區(qū)區(qū)與非非曝光光區(qū)的的光刻刻膠都都有不不同程程度的的溶解解。曝光區(qū)區(qū)與非非曝光光區(qū)的的光刻刻膠的的溶解解速度度反差差越大大，顯顯影后后得到到的圖圖形對對比度度越高高。影響顯影影效果的的主要因因素包括括：①光刻膠膠的膜厚厚；②前前烘的溫溫度和時時間；③③曝光時時間；④④顯影液液的濃度度；⑤顯影液液的溫度度；⑥顯顯影液的的攪動情情況等。。以正膠為為例，在顯影過過程中，曝光區(qū)的的光刻膠膠在顯影影液中溶解，非曝光區(qū)區(qū)的光刻膠則不會會溶解。。曝光后后在光刻刻膠層中中形成的的潛在圖圖形，顯顯影后便便顯現(xiàn)出出來。目前廣泛泛使用的的顯影的的方式是是噴灑方法?？煞譃槿齻€階段段：①硅片被被置于旋旋轉(zhuǎn)臺上上，并且且在硅片片表面上上噴灑顯顯影液；；②然后硅硅片將在在靜止的的狀態(tài)下下進行顯顯影；③顯影完完成之后后，需要要經(jīng)過漂漂洗，之之后再旋旋干。噴灑方法法的優(yōu)點點在于它它可以滿滿足工藝藝流水線線的要求求。顯影之后后，一般般要通過過光學(xué)顯顯微鏡、、掃描電電鏡(SEM)或者激光光系統(tǒng)來來檢查圖圖形的尺尺寸是否否滿足要要求。如果不能能滿足要要求，可可以返工工。因為為經(jīng)過顯顯影之后后只是在在光刻膠膠上形成成了圖形形，只需需去掉光光刻膠就就可以重重新進行行上述各各步工藝藝。顯影方式式與檢測測8.1.5、堅膜硅片在經(jīng)經(jīng)過顯影影之后，，需要經(jīng)經(jīng)歷一個個高溫處處理過程程，簡稱稱堅膜。。堅膜的主主要作用用是除去光刻刻膠中剩剩余的溶溶劑，增強光光刻膠對對硅片表表面的附附著力，，同時提提高光刻刻膠在刻刻蝕和離離子注入入過程中中的抗蝕蝕性和保保護能力力。通常堅膜膜的溫度度要高于于前烘溫溫度。光刻膠的的光學(xué)穩(wěn)穩(wěn)定是通通過紫外光輻輻照和加加熱來完成的的。經(jīng)過過UV輻照和適適度的熱熱處理(110℃)之后，在在光刻膠膠的表面面圖形上上可以形形成交叉叉鏈接的的硬殼，，可以使使光刻膠膠圖形在在高溫過過程中不不會變形形。光學(xué)穩(wěn)定定可以使使光刻膠膠產(chǎn)生均均勻的交交叉鏈接接，提高光刻刻膠的抗抗刻蝕能能力，進而提提高刻蝕蝕工藝的的選擇性性。經(jīng)過UV處理的光光刻膠，，要先經(jīng)經(jīng)過氧等等離子的的活化，，然后通通過濕法法除去。。光學(xué)穩(wěn)定定8.1.6刻蝕8.1.7去膠在集成電電路工藝藝中，去去膠的方方法包括括濕法去去膠和干干法去膠膠，在濕濕法去膠膠中又分分為有機機溶液去去膠和無無機溶液液去膠。。有機溶液液去膠主主要是使使光刻膠溶溶于有機機溶液中中（丙酮和和芳香族族的有機機溶劑）），從而而達到去去膠的目目的。無機溶液液去膠的原理是是使用一一些無機機溶液(如H2SO4和H2O2等)，將光刻膠膠中的碳碳元素氧氧化成為為二氧化化碳，把光刻膠膠從硅片片的表面面上除去去。由于于無機溶溶液會腐腐蝕A1，因此去去除A1上的光刻刻膠必須須使用有有機溶液液。干法去膠膠則是用用等離子子體將光光刻膠剝剝除。光刻膠通通過在氧氧等離子子體中發(fā)發(fā)生化學(xué)學(xué)反應(yīng)，，生成氣氣態(tài)的CO，CO2和H2O由真空系系統(tǒng)抽走走。相對對于濕法法去膠，，干法去去膠的效效果更好好，但是是干法去去膠存在在反應(yīng)殘殘留物的的玷污問問題，因因此干法法去膠與與濕法去去膠經(jīng)常常搭配進進行。8.2、分辨率率分辨率R描述了光光刻工藝藝中可能能達到的的最小光光刻圖形形尺寸，，表示每每mm內(nèi)最多能能刻蝕出出多少可可分辨的的線條數(shù)數(shù)。線寬與線線條間距距相等的的情況下下，R定義為線條越細細，分辨辨率越高高。光刻的分分辨率受受到光刻刻系統(tǒng)、、光刻膠膠和工藝藝等各方方面的限限制。這這里我們們只從物物理角度度對分辨辨率進行行探討。。光刻中所所用的曝曝光光源源是光、電子子、離子子和X射線等各種粒粒子束。。從量子子物理的的角度看看，限制分辨辨率的因因素是衍衍射。設(shè)有一物物理線度度L，為了測測量和定定義它，，必不可可少的誤誤差為ΔL，根據(jù)量子理論論的不確確定性關(guān)關(guān)系，則有其中h是普朗克克常數(shù)，，Δp是粒子動動量的不不確定值值。對于于曝光所所用的粒粒子束，，若其動動量的最最大變化化是從-p到+p，即Δp=2p，代入上上式，則則有ΔL在這里表表示分清清線寬L必然存在在的誤差差。若ΔL就是線寬寬，那么么它就是是物理上上可以得得到的最最細線寬寬，因而而最高的分分辨率最高的分分辨率不同的粒粒子束，，因其能能量、動動量不同同，則ΔL亦不同。。對于光光子通常把上上式看作作是光學(xué)學(xué)光刻方方法中可可得到的的最細線線條，即即不可能能得到一一個比λ/2還要細的的線條。。其物理圖圖像是，，光的波動動性所顯顯現(xiàn)的衍衍射效應(yīng)應(yīng)限制了了線寬≥≥λ/2。因此最最高分辨辨率為：：這是僅考考慮光的的衍射效效應(yīng)而得得到的結(jié)結(jié)果，沒沒有涉及及光學(xué)系系統(tǒng)的誤誤差以及及光刻膠膠和工藝藝的誤差差等，因因此這是是純理論的的分辨率率。光子曝光光的最高高的分辨辨率關(guān)于光束束的線寬寬限制，，對其他他的粒子子束同樣樣適用。。任何粒粒子束都都具有波波動性，，即德布布羅意物物質(zhì)波，，其波長長λ與質(zhì)量m、動能E的關(guān)系描描述如下下。粒子子束的動動能E為其動量p粒子束的的波長由此，用用粒子束束可得到到的最細細線條為為任意粒子子曝光的的最高的的分辨率率結(jié)論：若粒子束束的能量量E給定后，，則粒子的質(zhì)質(zhì)量m愈大，ΔL愈小，因而分分辨率愈愈高。以以電子和和離子作作比較，，離子的的質(zhì)量大大于電子子，所以以它的ΔL小，即分分辨率高高。但這這個說法法有一定定的限制制，因為為離子本本身的線線度一般般大于1?，所以用用它加工工的尺寸寸不可能能做到小小于它本本身的線線度。對于m一定，即即給定一一種粒子子，例加加電子，，則其動能愈高高，ΔL愈小，分分辨率愈愈高。光學(xué)光刻刻膠通常常包含有有三種成成份：①聚合物材材料(樹脂)：附著性性和抗腐腐蝕性②感光材料料：感光劑③溶劑：使光刻膠膠保持為為液態(tài)8.3、光刻膠膠的基本本屬性正膠的感感光區(qū)在在顯影時時溶掉，，沒有感感光的區(qū)區(qū)域在顯顯影時不不溶解，，因此形形成的光刻膠圖圖形是掩掩模版圖圖形的正正影像。負膠的情情況與正正膠相反反，經(jīng)過過顯影后后光刻膠層層上形成成的是掩掩模版的的負性圖圖形。正膠的分分辨率比比負膠高高。光刻膠通通?？煞址譃檎z膠和負膠膠，經(jīng)過過曝光和和顯影之之后所得得到的圖圖形是完完全相反反的。光刻膠的的對比度度會直接接影響到到曝光后后光刻膠膠膜的傾角和線線寬。8.3.1、對比度度為了測量量光刻膠膠的對比比度，將將一定厚厚度的光光刻膠膜膜在不同同的輻照照劑量下下曝光，，然后測測量顯影影之后剩剩余光刻刻膠的膜膜厚，利利用得到到的光刻刻膠膜厚厚-曝光劑量量響應(yīng)曲曲線進行行計算就就可以得得到對比比度。光刻膠的的對比度度：不同同的光刻膠膜膜厚-曝光劑量量響應(yīng)曲曲線的外推斜斜率。根據(jù)對比比度定義義，Y2＝1.0，Y1=0，X2＝log10Dog，X1＝log10Dig。負膠的對對比度負膠的對對比度對于負膠膠，只有有達到臨臨界曝光光劑量后后，才形形成膠體體的交叉叉鏈接，，臨界曝曝光劑量量以下的的負膠中中不會形形成圖形形，如圖圖所示。。達到臨界界曝光劑劑量后，，隨曝光光劑量的的增加，，負膠膜膜上形成成的膠化化圖像厚厚度逐漸漸加大，，最終使使膠化圖圖像的薄薄膜厚度度等于初初始時負負膠的膜膜厚。其中，Dig為負膠的的臨界曝曝光劑量量，Dog為負膠的的膠化薄薄膜厚度度與曝光光開始時時負膠膜膜厚度相相等時的的曝光劑劑量。測量正膠膠對比度度的方法法與負膠膠相同，，正膠的的膜厚隨隨著曝光光劑量的的增加而而減小，，直到在在顯影的的過程中中被完全全除去，，曝光區(qū)區(qū)域剩余余的正膠膠膜厚與與曝光劑劑量的關(guān)關(guān)系如圖圖所示。。正膠的對對比度根據(jù)對比比度定義義，Y2＝0，Y1=1.0，X2＝log10Dc，X1＝log10Do。正膠的對對比度Dc為完全除除去正膠膠膜所需需要的最最小曝光光劑量，，Do為對正膠膠不產(chǎn)生生曝光效效果所允允許的最最大曝光光劑量。。在理想的的曝光過過程中，，投到光光刻膠上上的輻照照區(qū)域應(yīng)應(yīng)該等于于掩模版版上的透透光區(qū)域域，在其其他區(qū)域域應(yīng)該沒沒有輻照照能量。。在實際的的曝光過過程中，，由于衍衍射和散散射的影影響，光光刻膠所所接受的的輻照具具有一定定的分布布。以正膠為為例，部部分區(qū)域域的光刻刻膠受到到的曝光光劑量小小于Dc而大于Do，在顯影影過程中中只有部部分溶解解。因此此經(jīng)過顯顯影之后后留下的的光刻膠膠的側(cè)面面都會有有一定的的斜坡。。光刻膠的的對比度度越高，，光刻膠膠層的側(cè)側(cè)面越陡陡。光刻膠的的側(cè)墻傾傾斜由于線寬寬是通過過測量光光刻膠/襯底之上上特定高高度的線線條間距距得到的的，光刻刻膠側(cè)面面的陡度度越好，，線寬描描述掩模模尺寸的的準確度度就越高高。最終的圖圖形轉(zhuǎn)移移是經(jīng)過過刻蝕完完成的，，而干法法刻蝕在在一定程程度上對對光刻膠膠也有侵侵蝕作用用，所以以陡峭的的光刻膠膠可以減減小刻蝕蝕過程中中的鉆蝕蝕效應(yīng)，，從而提提高分辨辨率。側(cè)墻傾斜斜對分辨辨率的影影響采用調(diào)制制轉(zhuǎn)移函函數(shù)(MTF)來描述曝曝光圖形形的質(zhì)量量，MTF的定義表表達式為為：Imax為曝光圖圖形上的的最大輻輻照強度度，Imin為最小輻輻照強度度。定義光刻刻膠的臨臨界調(diào)制制轉(zhuǎn)移函函數(shù)為：：為了使曝曝光系統(tǒng)統(tǒng)能夠得得到要求求的線條條，對應(yīng)應(yīng)這些線線條尺寸寸的調(diào)制制轉(zhuǎn)移函函數(shù)MTF就需要大大于或等等于所用用的光刻刻膠的CMTF。對比度與與CMTF之間的關(guān)關(guān)系為如果已知知曝光系系統(tǒng)對各各種線條條的MTF，根據(jù)光光刻膠對對比度，，可以計計算這一一系統(tǒng)可可以形成成的最小小圖形尺尺寸。調(diào)制轉(zhuǎn)移移函數(shù)和和臨界調(diào)調(diào)制轉(zhuǎn)移移函數(shù)在顯影過過程中，，如果顯顯影液滲滲透到光光刻膠中中，光刻刻膠的體體積就會會膨脹，，這將導(dǎo)導(dǎo)致圖形形尺寸發(fā)發(fā)生變化化，這種種膨脹現(xiàn)現(xiàn)象主要要發(fā)生在在負膠中中。由于負膠膠存在膨膨脹現(xiàn)象象，對于于光刻小小于3μm圖形的情情況，基基本使用用正膠來來代替負負膠。正膠在顯顯影液中中的溶解解機制與與負膠不不同，不不會發(fā)生生膨脹，，所以正正膠的分分辨率比比負膠高高。8.3.2、光刻膠膠的膨脹脹光刻膠的的光敏度是是指完成成所需圖圖形曝光光的最小小曝光劑劑量。對于光化化學(xué)反應(yīng)應(yīng)，光敏敏度是由由曝光效效率（參參與光刻刻膠曝光光的光子子能量與與進入光光刻膠中中的光子子能量的的比值））決定的的。通常常正膠比比負膠有有更高的的曝光效效率，因因此正膠的光光敏度也也就比較較大。提高光光敏度可可以減小小曝光時時間。實際工藝藝中對光刻膠光光敏度是是有限制制的。如果光光刻膠的的光敏度度過高，，室溫下下就可能能發(fā)生熱熱反應(yīng)，，這將使使光刻膠膠的存儲儲時間減減少。此此外，對對光敏度度高的正正膠曝光光時，每每個像素素點只需需要得到到少量的的光子就就可以完完成曝光光。而每每個像素素點上接接收到的的光子數(shù)數(shù)受統(tǒng)計計漲落影影響，這這就將對對均勻曝曝光產(chǎn)生生影響。。8.3.3、光敏度度光刻膠的的抗刻蝕蝕能力是是指在圖圖形轉(zhuǎn)移移的過程程中，光光刻膠抵抵抗刻蝕蝕的能力力。通常光刻膠對對濕法刻刻蝕有比比較好的的抗刻蝕蝕能力。對于大部部分的干法刻蝕蝕，光刻刻膠的抗抗刻蝕能能力比較較差。DQN正膠對干干法刻蝕蝕有比較較好的抗抗刻蝕能能力，但但光敏度度會降低低。可以針對對刻蝕中中使用的的刻蝕劑劑來改進進光刻膠膠的抗刻刻蝕能力力，對于于氯化物物的刻蝕蝕劑可以以在光刻刻膠中添添加氟化化物來加加強抗蝕蝕能力。。大部分X射線和電電子束光光刻膠抗抗干法刻刻蝕的能能力比光光學(xué)光刻刻膠還差差。通常干法法刻蝕的的工作溫溫度比濕濕法腐蝕蝕要高，，這就要要求光刻膠能能夠保證證在工作作溫度下下的熱穩(wěn)穩(wěn)定。一般光光刻膠需需要能夠夠經(jīng)受200℃℃以上的工工作溫度度。8.3.4、抗刻蝕蝕能力和和熱穩(wěn)定定性在刻蝕的的過程中中，如果果光刻膠膠黏附不不牢就會會發(fā)生鉆蝕和浮浮膠，直接影影響光刻刻的質(zhì)量量，甚至至使整個個圖形丟丟失。光刻膠附附著問題題在多晶晶硅、金金屬層和和高摻雜雜的SiO2層上最為為明顯。。影響光刻刻膠黏附附性的因因素有很很多，襯襯底材料料的性質(zhì)質(zhì)和表面面圖形的的情況以以及工藝藝條件都都會對光光刻膠黏黏附性造造成影響響。增強光刻刻膠與襯襯底表面面之間的的黏附方方法有：：①在涂膠膠之前對對硅片進進行脫水水處理；；②使用HMDS或TMSDEA增黏劑；；③提高堅堅膜的循循環(huán)溫度度。另外，使使用干法法刻蝕可可以降低低對光刻刻膠黏著著力的要要求。8.3.5、黏著力力光刻膠是是由溶劑劑溶解了了固態(tài)物物質(zhì)(如樹脂)所形成的的液體，，其中溶溶解的固固態(tài)物質(zhì)質(zhì)所占的的比重稱稱為溶解解度。光刻膠的的溶解度度將決定定甩膠后后所形成成的光刻刻膠膜的的厚度以以及光刻刻膠的流流動性。。光刻膠的的黏滯度度與溶解解度和環(huán)環(huán)境溫度度都有關(guān)關(guān)系，并并且黏滯滯度是影影響甩膠膠后光刻刻膠膜厚厚的兩個個因素之之一(另一個為為甩膠速速度)。只有嚴格格控制涂涂膠和甩甩膠時的的溶解度度以及工工作溫度度，才能能得到可可重復(fù)的的膠膜厚厚度。8.3.6、溶解度度和黏滯滯力光刻膠的的純凈度度與光刻刻膠中的的微粒數(shù)數(shù)量和金金屬含量量有關(guān)。。通過嚴嚴格的過過濾和超超凈包裝裝，可以以得到高高純度的的光刻膠膠。即使是高高純度的的光刻膠膠，使用用前仍需需要進行行過濾。。因為隨著著存儲時時間的增增加，光光刻膠中中的微粒粒數(shù)量還還會繼續(xù)續(xù)增加。。光刻膠的的過濾通通常是在在干燥的的惰性氣氣體(如氮氣)中進行的，，根據(jù)需要要選擇過濾濾的級別，，一般直徑徑在0.1μm以上的微粒粒都需要除除去。光刻膠的金金屬含量主主要是指鈉鈉和鉀在光光刻膠中的的含量。因因為光刻膠膠中的鈉和和鉀會帶來來污染，降降低器件的的性能。通通常要求光光刻膠的金金屬含量越越低越好，，特別是鈉鈉需要達到到50萬原子分之之一。這種種低濃度的的鈉和鉀可可以通過原原子吸收光光譜分光光光度計來測測量。8.3.7、微粒數(shù)量量和金屬含含量光刻膠中的的成份會隨隨時間和溫溫度而發(fā)生生變化。如果保存在在高溫的條條件下，光光刻膠會發(fā)發(fā)生交叉鏈鏈接。由于于交叉鏈接接的作用，，DQN正膠中的高高分子成份份會增加，，這時DQN感光劑不再再可溶，而而是結(jié)晶成成沉淀物。。通常負膠的的儲存壽命命比正膠短短(負膠易于自自動聚合成成膠化團)。從熱敏性和和老化情況況來看，DQN正膠在封閉閉條件下儲儲存是比較較穩(wěn)定的。。如果儲存存得當(dāng)，DQN正膠可以保保存六個月月至一年。。采用適當(dāng)?shù)牡倪\輸和存存儲手段，，在特定的的條件下保保存以及使使用前對光光刻膠進行行過濾，這這都有利于于解決光刻刻膠的老化化問題。8.3.8、存儲壽命命8.4、多層光刻刻膠工藝為了得到既既薄（可以以提高分辨辨率）而又又致密（保保護下面的的圖形）的的光刻膠層層，采用多多層光刻膠膠(MLR)技術(shù)。多層光刻膠膠(MLR)技術(shù)：采用用性質(zhì)不同同的多層光光刻膠，分分別利用其其抗蝕性、、平面平坦坦化等不同同特性完成成圖形的轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)移。在雙層光刻刻膠工藝中中，頂層光刻膠膠經(jīng)過曝光光和顯影后后形成曝光光圖形，在在后續(xù)的刻刻蝕工藝中中作為刻蝕蝕掩蔽層；；底層光刻刻膠用來在在襯底上形形成平坦化化的平面，，需要通過過干法刻蝕蝕(氧等離子刻刻蝕)去掉。MLR工藝雖然有有很多優(yōu)點點，但是增增加了工藝藝的復(fù)雜性性，不但降降低了產(chǎn)量量，而且可可能增加缺缺陷和成本本。如右圖所示示，首先在在硅片上甩甩上底層膠，保護襯底底上的圖形形，在起伏伏的襯底上形成成平坦化的的光刻膠平平面。經(jīng)過前烘之之后，在底底層膠上面面再甩一層層很薄的正正膠，用來來作為成像層。經(jīng)過曝光光和顯影之之后，在頂層膠中中形成所需需要的圖形形。頂層膠中含含有酐，經(jīng)經(jīng)過曝光后后轉(zhuǎn)化為羧羧酸，而非非曝光區(qū)中中的酐被保保留下來。。然后將硅片片浸入到帶帶有氨基的的硅氧烷溶溶液中，硅氧烷溶液液中的氨基基與未曝光光的頂層膠膠中的酐反反應(yīng)，使硅硅氧烷中的的硅原子保保留在頂層層膠中，頂頂層膠中約約含有20％-30％的硅。8.4.1、光刻膠圖圖形的硅化化學(xué)增強(Si-CARL)工藝然后在氧氣氛中進進行干法刻刻蝕，頂層膠中的的硅與氧反反應(yīng)，從面面在頂層膠膠表面形成成SiO2薄層。因此在刻蝕蝕過程中，，氧等離子子只刻蝕沒沒有被頂層層保護的底底層光刻膠膠。經(jīng)過刻蝕之之后，由頂頂層光刻膠膠保護的圖圖形被保留留下來，轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)移到底層層光刻膠上上去。利用Si化學(xué)增強方方法可以形形成高寬比比很大的圖圖形，還可可以形成分分辨率小于于0.25μμm的圖形。經(jīng)過甩膠和和前烘之后后，在光刻刻膠上甩上上一層CEL薄膜，CEL薄膜通常是是不透明的的，在投影影曝光系統(tǒng)統(tǒng)中，通過過掩膜板，，透光區(qū)的CEL在強光作用用下變?yōu)橥竿该?，光線線通過透明明區(qū)的CEL并對下面的的光刻膠曝光。在對光刻刻膠曝光的的過程中，，不透光的CEL可以吸收衍衍射的光線線。由于CEL是直直接與光刻刻膠接觸的的，它的作作用類似接接觸式曝光光中的掩模版。因因此，使用用CEL就可以充分分發(fā)揮投影曝曝光的優(yōu)點點，同時又達到接觸觸式曝光的的效果。曝光之后，先通過濕法法顯影除去去CEL，再對光刻膠膠進行顯影影。8.4.2、對比增強強層CEL采用對比增增強層可以以增加分辨率為了減少MLR所增加的工藝藝復(fù)雜性，，選擇性地將將硅擴散到到成像層中中，稱為擴散增強硅硅烷基化光光刻膠工藝藝(DESIRE)。8.4.3、硅烷基化化光刻膠表表面成像工工藝1、擴散增強強硅烷基化化光刻膠工工藝①光刻膠DNQ曝光，DNQ分解，形成成隱性圖形形。②前烘，未曝光的的DNQ形成交叉鏈鏈接，不容容易吸收硅硅。③硅烷基化，高溫下將基基片放在含含硅的HMDS或TMDS中烘烤，硅硅擴散進入入到曝光區(qū)區(qū)的光刻膠膠中。④O2等離子體刻刻蝕，曝光區(qū)中的的硅氧化形形成抗刻蝕蝕的二氧化化硅，而未未曝光的光光刻膠被刻刻蝕。由于是各向向異性的刻刻蝕，光刻膠圖形形的垂直效效果很好。通過DESIRE工藝形成的的是負性的圖形形（曝光區(qū)區(qū)留下）。2、干法刻蝕蝕正膠成像像(PRIME)工藝PRIME工藝能夠選選擇性地形形成正性的的圖形。在曝光的過過程中，曝光區(qū)的感感光劑發(fā)生生分解的同時形成交叉鏈鏈接，交叉鏈接的深度可以達達到30nm。然后由UV輻照代替前前烘。UV輻照可以使未曝光區(qū)的感光劑劑分解，從而可使使硅擴散到到這些未曝光的區(qū)域域中，因此硅烷基化是是在未曝光區(qū)進行行的。經(jīng)過干法刻蝕光刻膠之之后，就在在光刻膠上上形成了正正性的掩膜圖形。8.5、抗反射涂涂層工藝曝光光波進入到光刻膠層層之后，如如果沒有被被完全吸收收，就會有有一部分光光穿過光刻膠膜達達到襯底表表面，被襯襯底表面反射，又回到光光刻膠中。。反射光與光光刻膠中的的入射光發(fā)發(fā)生干涉，，形成駐波波，駐波效效應(yīng)在光刻刻膠中形成成以λ/2n為間隔、強強弱相間的的曝光區(qū)域域，如圖所示。。λ為曝光波長長，n為光刻膠的的折射率。。8.5.1、駐波效應(yīng)應(yīng)由于駐波的的影響，光刻膠中光光強的周期期性變化，，引起光刻刻膠中光吸吸收的不均均勻，導(dǎo)致致線寬發(fā)生生變化，最最終降低分分辨率。襯底的強反反射也會加加重駐波效效應(yīng)的影響響。為了改善駐駐波效應(yīng)，，在光刻膠膠層表面或或底部使用用抗反射涂層層(ARC)，同時在曝光后進行行烘焙(PEB)。曝光后烘焙焙：是在顯影之之前進行的的，經(jīng)過曝曝光和曝光光后烘焙，，非曝光區(qū)區(qū)的感光劑劑會向曝光光區(qū)擴散，，從而在曝曝光區(qū)與非非曝光區(qū)的的邊界形成成了平均的的曝光效果果。對于曝光0.5μm以下的線條條都需要使使用上述技技術(shù)，否則0.4μm以下的i線曝光是不不可能實現(xiàn)現(xiàn)的。駐波效應(yīng)使使分辨率降降低8.5.2、底層抗反反射涂層(BARC)BARC位于襯底和和光刻膠之之間，由高消光率率的材料組組成，可以以吸收穿過過光刻膠層層的光線。。光線入射射到BARC與光刻膠的的界面時，少部分被被反射回光光刻膠中，大部分進入到到BARC里。通過調(diào)調(diào)整BARC的厚度，使透射光穿過BARC的過程中，，形成/4的光程。。進入到BARC中的光，經(jīng)襯底表面反反射后兩次次通過BARC層，產(chǎn)生/2的光程，即產(chǎn)生180°的相移。相相移波與在BARC/光刻膠界面反射的光波波發(fā)生干涉涉，使強度減弱弱甚至抵消消。如果BARC與入射光匹匹配良好，，只有少量量的光可以以由光刻膠膠/BARC界面反射回回光刻膠。。同時，反反射光的振振幅減小，也會降低駐波波效應(yīng)的影響響。使用BARC的代價是增加了工藝復(fù)復(fù)雜性，且需要獨立立的工序去除除BARC。8.6、紫外光曝光光紫外(UV)光源和深紫紫外(DUV)光源是目前前工業(yè)上普遍遍應(yīng)用的曝光光源。8.6.1、水銀弧光燈燈光源在248nm的KrF準分子激光光器被應(yīng)用到到DUV光刻之前，光刻系統(tǒng)是使使用高壓水銀銀燈作為光源源。汞燈內(nèi)部充有有水銀氣體，在兩個電極之之間施加高壓脈沖沖，脈沖將會使使電極間的氣氣體電離，形形成高壓水銀氣的弧光發(fā)射，發(fā)射一個特征光譜。如果在汞燈內(nèi)內(nèi)加入一定的的氙氣，可以提高波波長為200～300nm范圍的輸出能能量。右圖顯示了汞氣氣的發(fā)射光譜譜。在350～450nm的UV光譜范圍內(nèi)，，有三條強而而銳利的發(fā)射射線：i線(365nm)、h線(405nm)和g線(436nm)。通過折射透鏡鏡進行分離，就可以得到到單一波長的的光線。8.6.2、投影式照明明系統(tǒng)投影式照明系系統(tǒng)的作用是是收集從弧光燈燈中射出的光光，并使收集的的光通過掩模版投投射到透鏡組組的入射光孔孔中。光學(xué)收集系統(tǒng)統(tǒng)：通常為拋物面或橢圓圓面的鏡子，盡可能多地地將發(fā)射的光光波引到需要要曝光的硅片片表面。過濾器：將其他波長光光過濾，通過過投影透鏡的的就是曝光波波長的光線。。光線空間均勻勻：弧形燈發(fā)射光光線的空間一一致性不夠好好，照明掩膜膜要求光強波波動小于1％。使用蜂窩狀透鏡，產(chǎn)生小弧形形燈的多重圖像，從多重圖像像射出的光集集合在一起，，產(chǎn)生一個平均強度，這個平均強強度要均勻很很多。8.6.3、準分子激光光DUV光源DUV光刻系統(tǒng)中的的光源是準分分子激光器：：KrF準分子激光器器：可以產(chǎn)生波長長為248nm的DUV光線，目前已已經(jīng)成為光刻刻工藝中的主主要光源，應(yīng)應(yīng)用于0.35μm、0.25μm和0.18μmCMOS技術(shù)。ArF準分子激光器器：可以產(chǎn)生波長長為193nm的DUV光線，應(yīng)用于于0.2μm以下的CMOS工藝。準分子：是由一個惰性性氣體原子和和一個鹵素原原子組成的特特殊分子，這這種分子只是是在激發(fā)狀態(tài)態(tài)下被約束在在一起。如果果其中一個或或兩個原子處處在激發(fā)態(tài)，，就可以發(fā)生生化學(xué)反應(yīng)形形成二聚物。。準分子發(fā)射DUV光：當(dāng)準分子中的的原子的狀態(tài)態(tài)由激發(fā)態(tài)衰衰變到基態(tài)時時，二聚物就就分離成兩個個原子，在衰衰變的過程中中，有DUV能量放射。準分子激光原原理KrF準分子激光器器：首先是等離子子體中產(chǎn)生Kr+和F-離子，然后對對Kr+和F-離子氣體施加加高電壓的脈脈沖，使這些些離子結(jié)合在在一起形成KrF準分子。在一些準分子子開始自發(fā)衰衰變之后，它它們發(fā)射的光光穿過含有準準分子的氣體體時，就會激激勵這些準分分子發(fā)生衰變變。因此，準準分子激光以以短脈沖形式發(fā)射，而而不是連續(xù)地地發(fā)射激光。。只要充以足夠夠高的電壓，，那么激發(fā)、、脈沖和激光光發(fā)射就會重重復(fù)產(chǎn)生。8.6.4、接近式曝光光接近式曝光裝裝置主要由四四部分組成：：光源和透鏡系系統(tǒng)掩模版硅片(樣品)對準臺汞燈發(fā)射的紫紫外光由透鏡鏡變成平行光光，平行光通通過掩模版后后在光刻膠膜膜上形成圖形形的像。掩模版與硅片片之間有一小小的間隙s，一般為5μm，故稱為接近近式曝光。在8.2節(jié)中我們知道道，光學(xué)曝光光的最高分辨辨率為1/λ。但在接近式式曝光系統(tǒng)中中，由于掩模模版和硅片間間有一小間隙s，必須考慮這這種情況下衍射對分辨率率的限制。經(jīng)過分析，如如果像與掩膜膜版尺寸相同同，沒有畸變變，則接近式式曝光系統(tǒng)的的最小線寬為因此分辨率為若s=5μm，λ=400nm，則a=2μm，R=250線對。實際s>5μm，因此接近式曝光只能用于3μm以上的工藝。接近式曝光的的分辨率8.6.5、接觸式曝光光接觸式曝光系系統(tǒng)與接近式式相同，唯一一的區(qū)別是掩掩模版與硅片片是緊密接觸，因此接觸式式曝光的分辨率優(yōu)于接接近式曝光。接觸式是集成成電路研究與與生產(chǎn)中最早早采用的曝光光方法，但目目前已處于被被淘汰的地位，主要要原因是掩模模版和硅片緊緊密接觸容易易引入大量的的工藝缺陷，，成品率太低低。8.6.6、投影光刻投影光刻系統(tǒng)統(tǒng)如圖所示：：光源光線經(jīng)透透鏡后變成平平行光通過掩模版由第二個透鏡鏡系統(tǒng)聚焦投投影并在硅片片上成像硅片支架和掩掩模版間有一一對準系統(tǒng)投影曝光系統(tǒng)統(tǒng)的分辨率：主要是受衍射限制。透鏡系統(tǒng)能夠分辨的最最小間隔y為：NA為透鏡系統(tǒng)的的數(shù)值孔徑，，一般為0.2-0.45。若NA=0.4，=400nm，則y=0.61μm。投影光刻可以達到亞微微米水平。投影光刻已成為3μm以下的主要光光刻方法。投影曝光系統(tǒng)統(tǒng)的分辨率及及優(yōu)點8.6.7、離軸照明離軸照明技術(shù)術(shù)在不改變工工作波長、投投影物鏡的數(shù)數(shù)值孔徑與光光刻膠工藝的的條件下，就就能提高光刻刻分辨率，優(yōu)優(yōu)化焦深，因因而得到了廣廣泛應(yīng)用。對于數(shù)值孔徑一定定的投影物鏡，，當(dāng)光柵周期太太小時，在同軸照明情況下，±1級及更高階衍衍射光都被物物鏡的光闌遮遮擋，只有0級衍射光進入入物鏡，0級衍射光不包包含任何空間間信息，硅片片上不能形成掩模模的圖像。如果采用離軸照明的光線，如圖圖(b)所示，0級和-1級衍射光都可可能進入成像像系統(tǒng)的光瞳瞳，-1級衍射光包含含了掩模圖形形的空間信息息，能在硅片片上得到掩模圖像像。因此離軸照照明分辨率更更高。離軸照明提高高光刻分辨率率焦深：焦點深度，當(dāng)當(dāng)焦點對準某某一物體時，，不僅位于該該點平面上的的各點都可以以看清楚，而而且在此平面面的上下一定定厚度內(nèi)，也也能看得清楚楚，這個清楚楚部分的厚度度就是焦深。。焦深大,可以看到物體體的全層，焦焦深小，則只只能看到物體體的一薄層，，焦深與其它它技術(shù)參數(shù)有有以下關(guān)系：：1．焦深與物鏡鏡的數(shù)值孔鏡鏡成反比，2．焦深大，分分辨率降低。。離軸照明條件件下，參與成成像的0級與-1級衍射光的夾夾角小于傳統(tǒng)統(tǒng)照明條件下下成像的±1級衍射光之間間的夾角。因因此．要實現(xiàn)相同的的光刻分辨率率，離軸照明明需要較小的的NA。由上式可知知，與傳統(tǒng)照照明相比，離離軸照明提高高了焦深。離軸照明增大大焦深8.6.8、擴大調(diào)焦范范圍曝光擴大調(diào)焦范圍圍曝光(FLEX,FocusLatitudeEnhancementExposure)，主要適用于曝曝光接觸孔或或通孔時擴展展焦深，同時也可以用用于曝光硅片片表面不平坦坦引起表面隨隨機變化的區(qū)區(qū)域。FLEX也稱為焦點鉆鉆孔技術(shù)。曝光視場中存存在兩個焦點點，一個位于于光刻膠膜中中點，一個接接近光刻膠膜膜的頂部表面面，每個接觸觸孔形成兩個個重置的像，，一個在焦點點上，一個在在焦點外，焦焦點外的像可可以在一個寬寬敞的區(qū)域上上伸展，其只只對焦點上的的像產(chǎn)生模糊糊的背景效果果。通過選擇擇曝光焦點可可以提高接觸觸孔的聚集深深度3至4倍。8.6.9、化學(xué)增強的的深紫外光刻刻膠對于0.35μm以下的工藝，，需要采用深深紫外光源，，由于樹脂和和DQN對紫外光的250nm波長都存在強強吸收，在DUV區(qū)不能很好地地使用，這就就需要使用化化學(xué)增強(CA)的光刻膠材料料。CA光刻膠的優(yōu)點點：相對較高的光光敏度；相比于DQN/樹脂光刻膠，，CA膠的對比度也也較高。對于0.35μm的工藝，通常常會使用混合合的光學(xué)曝光光技術(shù)，包括括使用i線和248nm的DUV曝光(使用單層的CA光刻膠)。當(dāng)器件尺寸達達到0.25μm時，就需要完完成由i線到248nm深紫外光源的過渡。通過過采用相轉(zhuǎn)移移技術(shù)和多層層光刻膠技術(shù)術(shù)，248nm的光刻將會廣廣泛應(yīng)用到小小尺寸器件的的制備中去。。下一代193nm的光刻所需要要的光刻膠，，依然依賴于于CA膠。制作一個完整整的ULSI芯片需要20-25塊不同圖形的的掩膜版。傳統(tǒng)光刻掩膜膜版是在石英英板上淀積一一層鉻，用電電子束或激光光束將圖形直直接刻在鉻層層上，形成1X或4X、5X的掩膜版。8.7、掩模板的制制造石英玻璃的熱熱擴散系數(shù)小小，使石英玻玻璃板在掩模模版刻寫過程程中受溫度變變化的影響較較小。石英玻璃對248nm和193nm波長的通透效效果是最好的的。8.7.1、石英玻璃板板8.7.2、鉻層在石英玻璃片片上淀積一層層鉻(Cr)，掩膜圖形最最終就是在鉻鉻膜上形成的的。選擇鉻膜膜是因為鉻膜膜的淀積和刻刻蝕都比較容容易，而且對對光線完全不不透明。在鉻膜的下方方還要有一層層由鉻的氮化化物或氧化物物形成的薄膜膜，增加鉻膜膜與石英玻璃璃之間黏附力。在鉻膜的上方方需要有一層層的20nm厚的Cr2O3抗反射層。這些薄膜都是是通過濺射法法制備的。8.7.3、掩模板的保保護層為了防止在掩掩模版上形成成缺陷，需要要用保護膜將將掩模版的表表面密封起來來，這樣就可可以避免掩模模版遭到空氣氣中微粒以及及其他形式的的污染。保護膜膜的厚度需需要足足夠薄薄，以保保證透透光性性，同同時又又要耐清洗洗，還要要求保保護膜膜長時間間暴露露在UV射線的的輻照照下，，仍然然能保保持它它的形形狀。目前所所使用用的材材料包包括硝化纖纖維素素醋酸酸鹽和和碳氟氟化合合物．形成成的保保護薄薄膜厚厚度為為l～2μm。有保護護膜的的掩模模版可可以用用去離離子水水清洗洗，這這樣可可以去去掉保保護膜膜上大大多數(shù)數(shù)的微微粒，，然后后再通通過弱弱表面面活性性劑和和手工工擦洗洗，就就可以以完成成對掩掩模版版的清清潔。。8.7.4、移移相相掩掩模模（（PSM）當(dāng)圖圖形形尺尺寸寸縮縮小小到到深深亞亞微微米米，，通通常常需需要要使使用用移移相相掩掩膜膜(Phase-ShiftMask)技術(shù)術(shù)。。移移相相掩掩膜膜與與準準分分子子激激光光源源相相結(jié)結(jié)合合，，可可以以使使光光學(xué)學(xué)曝曝光光技技術(shù)術(shù)的的分分辨辨能能力力大大為為提提高高。。移相相掩掩膜膜的的基基本本原原理理是是在光光掩掩模模版版的的某某些些圖圖形形上上增增加加或或減減少少一一個個透透明明的的介介質(zhì)質(zhì)層層，，稱稱移移相相器器，使使光光波波通通過過這這個個介介質(zhì)質(zhì)層層后后產(chǎn)生生180°的相相位位差差，，與與鄰鄰近近透透明明區(qū)區(qū)域域透透過過的的光光波波產(chǎn)產(chǎn)生生干干涉涉，，從從而而抵抵消消圖圖形形邊邊緣緣的的光光衍衍射射效效應(yīng)應(yīng)，，提提高高曝曝光光的的分分辨辨率率。。（圖圖8.18，p.239）移相相層層材材料料有有兩兩類類：：①有有機機膜膜，，以以光光刻刻膠膠為為主主，，如如聚聚甲甲基基丙丙烯烯酸酸甲甲脂脂(PMMA膠)；②無無機機膜膜，，如如二二氧氧化化硅硅。。8.8、X射線線曝曝光光X射線線源源：：用高高能能電電子子束束轟轟擊擊金金屬屬靶靶，，當(dāng)當(dāng)高高能能電電子子撞撞擊擊靶靶時時將將損損失失能能量量，，激發(fā)發(fā)原原子子核核內(nèi)內(nèi)層層電電子子的的躍躍遷遷，，當(dāng)當(dāng)這這些些激激發(fā)發(fā)電電子子落落回回到到基基態(tài)態(tài)時時，，將將發(fā)發(fā)射射X射線線。。這些些X射線線形形成成分分立立的的線線譜譜，，其其能能量量取取決決于于靶靶材材料料。。X射線線源源必必須須在在真真空空下下工工作作，，因因此此X射線線必必須須透透過過窗窗口口進進入入到到常常壓壓氣氣氛氛中中進進行行曝曝光光。。窗窗口口材材料料對對X射線線吸吸收收要要盡盡量量少少，，鈹是常常用用的的窗窗口口材材料料。。X射線線的的波波長長一一般般選選在在2-40??，即即軟軟X射線線區(qū)區(qū)。8.8.1、X射線線曝曝光光系系統(tǒng)統(tǒng)目前前集集成成電電路路中中的的光光刻刻技技術(shù)術(shù)已已經(jīng)經(jīng)達達到到0.13μm，已已接接近近光光學(xué)學(xué)光光刻刻的的極極限限。。替替代代光光學(xué)學(xué)光光刻刻的的主主要要有有X射線線光光刻刻和和電電子子束束光光刻刻。8.8.2、圖圖形形的的畸畸變變在X射射線線曝曝光光系系統(tǒng)統(tǒng)中中，，X射射線線的的波波長長小于于40??，故故衍衍射射對對分分辨辨率率的的影影響響只只有有當(dāng)當(dāng)線線寬寬小小于于20??時時才才明明顯顯。。因因此此當(dāng)當(dāng)圖圖形形尺尺寸寸大于20??，而而小于于1μμm時時，引起圖形形畸變和和影響分分辨率的的主要原原因不是是衍射，而是半半陰影和和幾何畸畸變。圖形畸變變的原因因：電子束轟轟擊金屬屬靶所產(chǎn)產(chǎn)生的X射線，沒沒有簡單單的反射射鏡和透透射鏡能能夠使它它變成平平行光，，實際是是發(fā)散型的的點光源源。從圖中可可以看出出半陰影影Δ為其中S是掩模版版與樣品品的距離離，d是靶斑尺尺寸，D是光源到到掩模版版的距離離。D大則單位位面積上上接收到到的X射線劑量量變小，，曝光時時間加長長；d小對Δ有利，但但靶斑尺尺寸減小小是非常常困難的的。在實際應(yīng)應(yīng)用中通通常是采采用折衷衷的方法法，以得得到最佳佳的Δ。半陰影①當(dāng)樣品上曝曝光位置置偏離X射線束的的軸心時時，入射X射線與硅硅片表面面法線有有一傾角角，不同同位置傾傾角不同同，因此此產(chǎn)生了了幾何偏差差x：其中W是硅片曝曝光位置置偏離X射線束軸軸心的距距離，若若在硅片的邊邊上，即即W等于硅片片的半徑徑Wr，相應(yīng)的的偏差是是最大幾何何偏差xm：②樣品與掩掩模版的的間隙S也會引入入幾何偏偏差，樣品表表面不是是絕對平平面，存存在加工工偏差引引起的隨隨機起伏伏和多次次光刻引引起的有有規(guī)則的的圖形起起伏，這這些因素素引起的的幾何偏偏差dx為其中dS為硅片起起伏不平平引起的的S的變化量量。如果要求求dx最大變化化量dxm≤0.1μm，則可以以允許的的dS的相應(yīng)變變化dSm≤1.05μm。在4英寸的硅硅片平面面上起伏伏變化量量≤1μm是非常高高的技術(shù)術(shù)要求。。幾何畸變變8.8.3、X射線光源源在X射線曝光光中，對對X射線源的的要求主要有：：①輻射功率率高，使X射線曝曝光時間間小于60秒；；②X射線線源的尺尺寸d直直接影響響半陰影影和幾何何畸變，，為了滿滿足高分分辨率的需要要，要求求X射線源的的尺寸小小于1mm：：③X射線的能能量要求求在1-10keV，使X射線對對掩模版版中的透透光區(qū)有有較好的的透過率率，從而滿滿足掩模模反差大大的要求求；④使用平平行光源源，X射射線難以以聚集，，光源發(fā)發(fā)射X射射線的形式?jīng)Q定定了X射線到到達硅片片的形式式。X射線光光源：電子轟擊擊固體靶靶形成的的X射線光光源和等等離子體體源，基基本是點點光源。。同步輻射射X射線線光源近近乎平行行發(fā)射，，因此目目前被廣廣泛關(guān)注注。8.8.4、X射線曝光光的掩模模版波長在2-40?之間時，，低原子序序數(shù)的輕輕元素材材料(如氮化硅硅、氮化化硼、鈹鈹?shù)?對X射線吸收收較弱，而高原子序序數(shù)的重重元素材材料(如金)對X射線的吸吸收很強強，所以可可通過適適當(dāng)?shù)倪x選擇制成成掩模版版。這是是X射線曝光光時，波波段選擇擇在2-40?的一個重重要原因因。X射線光刻刻要在掩掩模版上上形成可可透X射線區(qū)和和不透X射線區(qū)，，從而形形成曝光光圖形。。通常采用LPCVD方法沉積積低原子序序數(shù)的輕輕元素材材料膜(如氮化硅)來來形成透光的薄膜襯底。吸收體層層則采用常常規(guī)的蒸發(fā)、射射頻濺射射或電鍍鍍等方法形形成。X射線吸收收體圖形形的加工工，一般般由電子束掃掃描光刻刻和干法刻蝕蝕、精細細電鍍等圖形轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)移技術(shù)術(shù)來實現(xiàn)現(xiàn)。在X射線線掩模版的基基本結(jié)構(gòu)構(gòu)中，用于薄膜襯底的的材料主主要有硅、氮化化硅、碳化硅硅、金剛剛石等，而吸吸收體材材料除廣廣泛使用用的金之外，還還有鎢、鉭、鎢-鈦等。8.8.5、X射線光刻刻膠由于X射線具有有很強的的穿透能能力，深深紫外曝曝光用的的光刻膠膠對X射線光子子的吸收收率很低低，只有有少數(shù)入入射的X射線能對對光化學(xué)學(xué)反應(yīng)做做貢獻，，因此深紫外光光刻膠在X射線線波段的靈敏度非非常低。提高X射線光刻刻膠靈敏敏度的主主要方法法是，在光刻膠膠合成時時添加在在特定波波長范圍圍內(nèi)具有有高吸收收峰的元元素，從從而增強強光化學(xué)學(xué)反應(yīng)，，提高光光刻膠的的靈敏度度。8.9、電子束直寫寫式曝光電子束直寫式曝光技術(shù)術(shù)可以完成0.1～0.25μm的超微細加工工，甚至可以實實現(xiàn)數(shù)十納米線條條的曝光。目前，電子束曝光技技術(shù)已廣泛地地應(yīng)用于制造造高精度掩模模版、移相掩掩膜和X射線掩模版的的過程中。電子束曝光的的原理是利用具有一定能量量的電子與光光刻膠的碰撞作用，發(fā)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)應(yīng)完成曝光。具有一定能量量的電子束進進入光刻膠，，與光刻膠發(fā)發(fā)生碰撞時，，主要有三種種情況：①電電子束穿過光光刻膠層，既既不發(fā)生方向向的變化也沒沒有能量的損損失；②電子束與光光刻膠分子發(fā)發(fā)生彈性散射射，方向發(fā)生生改變，但不不損失能量；；③電子束與光光刻膠分子發(fā)發(fā)生非彈性散散射，方向改改變，且有能能量損失。電子進入光刻刻膠之后發(fā)生生的彈性散射射，是由于電電子受到核屏屏蔽電場作用用而引起的方方向偏轉(zhuǎn)，絕絕大多數(shù)情況況下偏轉(zhuǎn)角小小于90。在非彈性散散射的情況下下，散射角θ與入射電子的的能量損失有有關(guān)。一般來說經(jīng)過散射之后后，電子束散散開的距離約約為入射深度度的一半。8.9.1、鄰近效應(yīng)電子在光刻膠膠中發(fā)生散射射，可以將散散射分為前向散射和背散射射，前向散射的的散射方向與與電子束入射射方向的夾角角θ很小，只導(dǎo)致曝光圖圖形的輕微展寬。背散射將使大面面積的光刻膠膠層發(fā)生程度度不同的曝光，最最終使大面積積的圖形模糊糊，因此造成成電子束曝光光所形成的圖形出現(xiàn)畸變，這種效應(yīng)稱為為鄰近效應(yīng)。鄰近效應(yīng)可分分為兩種情況況：①因增強曝光光引起圖形的的凸起；②因減弱曝光引起起圖形的缺損損。從圖中的A點入射射的電子不僅對A點本身起曝曝光作用，而而且散射電子還會對A點周圍區(qū)域的曝光也也做出貢獻。。同樣，入射到A點點周圍區(qū)域的電子，，因散射也會會提供能量給A點，促進進A點的曝光。如果各點以同同樣電子束照照射，A點剛好達到閾值能量完成化化學(xué)反應(yīng)，對于處在邊緣緣的B點來說說，散射電子對B點所貢獻獻的能量相當(dāng)當(dāng)于A點的1/2，B點就會顯得得曝光不充分分，從而出現(xiàn)邊界內(nèi)移。對于C點，它只接受受相當(dāng)于A點1/4的散射電子子，因而曝光的情情況比B點還還差。由于電子散射的的影響，造成成圖形畸變，，兩個相鄰圖形形之間會凸出出。為了克服電子散射射引起的圖形畸變，在電子束曝光光中，通過選選擇電子束的能量、、光刻膠的膜厚和曝光光劑量，可以在一定定程度上克服服電子散射引引起的圖形畸畸變問題。8.9.2、電子束曝光光系統(tǒng)目前電子束曝曝光系統(tǒng)主要要有以下幾類類：1.改進的掃描電電鏡(SEM)：是從電子顯微微鏡演變過來來的，通過對電子束進行行聚焦，從而而在光刻膠上形成圖形形。其分辨率取決決于所選用的SEM，由于其其工作臺的移移動較小，一一般只適用于于研究工作。。2.高斯掃描系統(tǒng)統(tǒng)：通常有兩種掃掃描方式：①光柵掃描系系統(tǒng)，采用高速掃描描方式對整個個圖形場進行行掃描，利用快速束閘，實現(xiàn)選擇性性曝光；②矢量掃描方方式，只對需曝光的的圖形進行掃掃描，沒有圖形部分分快速移動。分辨率可以達達到幾納米。3.成型束系統(tǒng)：在成型束系統(tǒng)統(tǒng)中，需要在在曝光前將圖圖形分割成矩矩形和三角形形，通過上下兩直直角光闌的約約束形成矩形形束。成型束的最小小分辨率一般般大于100nm，但曝光光效率高。8.9.4、有限散射角角投影式電子子束曝光(SCALPEL)有限散射角投投影式電子束曝光技術(shù)采采用散射式掩掩膜技術(shù)。掩模版由原子序序數(shù)低的SiNx薄膜和原子序序數(shù)高的Cr/W組成，電子在SiNx薄膜發(fā)生小角角度散射，而而在Cr/W中電子會大角角度散射。處于投影系統(tǒng)統(tǒng)的背焦平面面上的光闌可以將大大角度散射的的電子過濾掉掉，從而在光光刻膠上形成成高對比度的的圖形。8.10、ULSI對圖形轉(zhuǎn)移的的要求在光刻工藝中，經(jīng)過曝光和顯顯影之后，在光刻膠層中形成圖形形結(jié)構(gòu)，通過過刻蝕可以在在光刻膠下方方的材料上重重現(xiàn)出與光刻刻膠上相同的圖形形，實現(xiàn)圖形形的轉(zhuǎn)移。隨著超大規(guī)模模集成技術(shù)的的發(fā)展，圖形形加工的線條條寬度越來越越細，對轉(zhuǎn)移圖形的的重現(xiàn)精度和和尺寸的要求求也越來越高高。目前在集成電電路工藝中應(yīng)用的刻蝕技技術(shù)主要包括括：液態(tài)的濕法腐腐蝕和氣態(tài)的的干法刻蝕。8.10.1、圖形的保真真度經(jīng)過腐蝕之后后圖形，通常呈現(xiàn)為三三種情況，設(shè)縱向腐蝕速速率為Vv、側(cè)向腐蝕速速率為Vl。圖(a)，Vl=0，腐蝕只沿縱縱向進行，為各向異性腐腐蝕。圖(b)和(c)，在縱向腐蝕的同時，側(cè)向也進行行了腐蝕。若Vv=Vl，為各向同性性腐蝕。在一般的腐蝕蝕過程中，Vv＞Vl＞0，實際腐蝕是是不同程度的的各向異性，，用A表示腐蝕蝕的各向異性性的程度：如果用被腐蝕層的厚厚度h和圖形側(cè)向展展寬量df-dm來代替縱向和和橫向的腐蝕蝕速率，則上式可改寫為若df-dm=0時，A＝1，表示示圖形轉(zhuǎn)移過過程產(chǎn)沒有失失真；若df-dm＝2h，A＝0，表示圖形失失真情況嚴重重，即各向同同性腐蝕；通常0<A<1。8.10.2、選擇比在實際的腐蝕蝕過程中，掩掩模和襯底也也會被腐蝕，，為了嚴格控控制每一層