第7章 光學(xué)光刻

第7章光學(xué)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(biāo)準(zhǔn)：分辨率、對準(zhǔn)精度

和生產(chǎn)效率。涂光刻膠（正）選擇曝光

光刻工藝流程顯影（第1次圖形轉(zhuǎn)移）刻蝕（第2次圖形轉(zhuǎn)移）38)顯影后檢查5)曝光后烘焙6)顯影7)堅膜UVLightMask

4)對準(zhǔn)和曝光Resist2)涂膠3)前烘1)氣相成底膜HMDS光刻工藝的８個步驟光源紫外光（UV）深紫外光（DUV）g線：436

nmi線：365

nm

KrF

準(zhǔn)分子激光：248

nmArF

準(zhǔn)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5VisibleRadiowavesMicro-wavesInfraredGammaraysUVX-raysf(Hz)1010101010101010101046810121416221820

(m)420-2-4-6-8-14-10-1210101010101010101010365436405248193157ghiDUVDUVVUVl(nm)CommonUVwavelengthsusedinopticallithography.電磁光譜6l(nm)700455060065050045040035030025020015010050紫外光譜可見光汞燈準(zhǔn)分子激光Photolithographylightsourcesghi36540524819313436157126VioletRedBlueGreenYellowOrangeMid-UVEUVDUVVUV紫外光譜可見光譜：波長在390nm到780nm之間；紫外光譜：波長在4nm到450nm之間。有掩模方式無掩模方式（聚焦掃描方式）接觸式非接觸式接近式投影式反射折射全場投影步進(jìn)投影掃描步進(jìn)投影矢量掃描光柵掃描混合掃描曝光方式

7.2衍射當(dāng)一個光學(xué)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(yuǎn)大于光源波長時，可以將光作為在光學(xué)元件間直線運(yùn)動的粒子來處理。但是當(dāng)掩模版上的特征尺寸接近光源的波長時，就應(yīng)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(qiáng)減弱，非透光區(qū)下方的光強(qiáng)增加，從而影響光刻的分辯率。

7.3調(diào)制傳輸函數(shù)和光學(xué)曝光無衍射效應(yīng)有衍射效應(yīng)光強(qiáng)定義圖形的

調(diào)制傳輸函數(shù)

MTF

為無衍射效應(yīng)時，MTF=1；有衍射效應(yīng)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。圖形的分辯率還要受光刻膠對光強(qiáng)的響應(yīng)特性的影響。

理想光刻膠：光強(qiáng)不到臨界光強(qiáng)

Dcr時不發(fā)生反應(yīng)，光強(qiáng)超過

Dcr時完全反應(yīng)，衍射只造成線寬和間距的少量變化。DcrD100D0

實際光刻膠：光強(qiáng)不到

D0

時不發(fā)生反應(yīng)，光強(qiáng)介于

D0

和D100

之間時發(fā)生部分反應(yīng)，光強(qiáng)超過

D100

時完全反應(yīng)，使線條邊緣出現(xiàn)模糊區(qū)。在一般的光刻膠中，當(dāng)

MTF

<

0.4

時，圖形不再能被復(fù)制。

7.4光源系統(tǒng)對光源系統(tǒng)的要求

1、有適當(dāng)?shù)牟ㄩL。波長越短，曝光的特征尺寸就越??；

2、有足夠的能量。能量越大，曝光時間就越短；

3、曝光能量必須均勻地分布在曝光區(qū)。常用的

紫外光

光源是高壓弧光燈（高壓汞燈）。高壓汞燈有許多尖銳的光譜線，經(jīng)過濾光后使用其中的g線（436

nm）或

i線（365

nm）。高壓汞燈的光譜線120100806040200200 300 400 500 600RelativeIntensity(%)h-line405nmg-line436nmi-line365nmDUV248nmEmissionspectrumofhigh-intensitymercurylamp由于衍射效應(yīng)是光學(xué)曝光技術(shù)中限制分辨率的主要因素，所以要提高分辨率就應(yīng)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(zhǔn)分子激光（248

nm）、ArF

準(zhǔn)分子激光（193

nm）和

F2

準(zhǔn)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(diǎn)，

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(yán)重，造成曝光效率降低和掩模與透鏡發(fā)熱。

各種光學(xué)曝光光源的使用情況

1985

年以前，幾乎所有光刻機(jī)都采用g線(436

nm)光源，當(dāng)時的最小線寬為1

m以上。1985

年以后開始出現(xiàn)少量i線(365

nm)光刻機(jī)，相應(yīng)的最小線寬為

0.5

m

左右。從

1990

年開始出現(xiàn)

DVU

光刻機(jī)，相應(yīng)的最小線寬為

0.25

m

左右。從1992年起i線光刻機(jī)的數(shù)量開始超過g線光刻機(jī)。截止到1998年

，g線、i線和

DVU

光刻機(jī)的銷售臺數(shù)比例約為1:4:2。而目前DVU

光刻機(jī)的銷售臺數(shù)已經(jīng)超過i線光刻機(jī)。7.5接觸式與接近式光刻機(jī)

一、接觸式光刻機(jī)SiU.V.MaskP.R.SiO2

優(yōu)點(diǎn)：設(shè)備簡單；理論上

MTF

可達(dá)到

1，因此分辨率比較高，約

0.5

m。

缺點(diǎn)：掩模版壽命短（10~20

次），硅片上圖形缺陷多，光刻成品率低。

二、接近式光刻機(jī)g=

10

~

50

m

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)嚴(yán)重，使分辨率下降。最小可分辨的線寬為式中，k

是與光刻膠處理工藝有關(guān)的常數(shù)，通常接近于1

。7.6投影式光刻機(jī)式中，k1是與光刻膠的光強(qiáng)響應(yīng)特性有關(guān)的常數(shù)，約為

0.75。NA

為鏡頭的

數(shù)值孔徑，投影式光刻機(jī)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，但卻受到

焦深

的限制。22透鏡俘獲衍射光NAUV012341234透鏡石英鉻衍射圖形掩膜版數(shù)值孔徑(NA)：透鏡收集衍射光的能力。分辨率與焦深對波長和數(shù)值孔徑有相互矛盾的要求，需要折中考慮。增加

NA

線性地提高分辨率，平方關(guān)系地減小焦深，所以一般選取較小的

NA。為了提高分辨率，可以縮短波長。

焦深

代表當(dāng)硅片沿光路方向移動時能保持良好聚焦的移動距離。投影式光刻機(jī)的焦深由

雷利第二公式

給出，即二、1:1掃描反射投影光刻機(jī)掩模硅片反射凹鏡反射凸鏡光源優(yōu)點(diǎn)

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(yīng)。無折射系統(tǒng)中的象差、彌散等的影響。

3、曝光效率較高。缺點(diǎn)數(shù)值孔徑

NA

太小，是限制分辨率的主要因素。

三、分步重復(fù)縮小投影光刻機(jī)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(yán)重。為解決這些問題，開發(fā)出了分步重復(fù)縮小投影曝光機(jī)（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UVlightReticlefieldsize20mm×15mm,4dieperfield5:1reductionlensWafer圖形曝光在硅片上是投影掩膜版上視場的1/54mm×3mm,4die每次曝光曲折的步進(jìn)圖形缺點(diǎn)

1、曝光效率低；

2、設(shè)備復(fù)雜、昂貴。

優(yōu)點(diǎn)

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(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。當(dāng)芯片的面積繼續(xù)增大時，例如

4GDRAM

的面積已達(dá)到32×32

mm2，線寬為

0.13

m

，已達(dá)到視場的極限。于是又出現(xiàn)了步進(jìn)掃描投影曝光機(jī)，當(dāng)然設(shè)備就更加復(fù)雜和昂貴了。

7.7先進(jìn)掩模概念

一、保護(hù)薄膜分步重復(fù)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(yán)重，因為它可以被復(fù)制到每一個小視場中。解決的辦法是給步進(jìn)機(jī)的掩模版蒙上一層保護(hù)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(xué)系統(tǒng)的聚焦平面之外。另一種用于接觸式光刻機(jī)的保護(hù)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(diǎn)的同時，提高掩模版的使用壽命，減少芯片上的缺陷。二、抗反射膜光線在掩模版和透鏡表面的部分反射會使光能受到損失。有些光線經(jīng)多次反射后會打到硅片上，使圖形質(zhì)量受到影響。為了減小這個問題，一種新掩模技術(shù)采用在掩模版靠近鏡頭的一面加上10%

的抗反射劑。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(dāng)k1為

0.75

時，有~上式在一段時期內(nèi)被認(rèn)為是光學(xué)曝光法的分辨率極限。若要進(jìn)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(shù)

對光刻膠和鏡頭等的改進(jìn)只能稍微減小

k1

值。而

相移掩模技術(shù)

等

超分辨率技術(shù)

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(jìn)入了

亞波長

范圍，使i線和深紫外光

的分辨率分別達(dá)到了

0.25

m

和

0.10

m以下，同