第八章 光刻工藝

第5章本章主要內容光刻光刻工藝的過程簡介光刻工藝的特點光刻要素光刻技術光刻方法光刻工藝過程實際生產過程中的光刻工藝當前光刻工藝的二個研究領域光刻工藝中的刻蝕光刻工藝簡介和特點光刻工藝過程：利計算機輔助發(fā)生圖形-用照相、復印和腐蝕的方法在掩模和半導體晶片上形成圖形-實現(xiàn)選擇擴散或離子注入、金屬膜布線或表面鈍化光刻工藝的特點現(xiàn)代IC制造業(yè)的基石決定最終芯片成品率的重要因素之一占到硅片制造成本的1/3占用40到50%芯片制造時間決定著芯片的最小特征尺寸光刻要素光刻三要素光刻膠掩膜版光刻機光刻膠定義：由光敏化合物、基體樹脂和有機溶劑組成的膠狀液體；受特定波長光線作用，導致化學結構變化，使其的溶解特性改變分類：正膠：曝光后可溶，顯影時，曝光處溶解正影，光刻膠圖形與掩膜圖形相同

分辨率高，在超大規(guī)模集成電路工藝中，一般只采用正膠負膠：曝光后不可溶，顯影時，未曝光處溶解

聚合物吸收顯影液中的溶劑，其主溶劑會引起環(huán)境和安全問題

分辨率差，適于加工線寬≥3

m的線條光刻膠的組成1，感光劑,也是碳氫化合物2，不起反應的樹脂，某種碳氫化合物，構成材料的基礎3，溶劑,調節(jié)光刻膠粘度，是決定膜厚的因素，用烘烤的方法去除g線和i線正型光刻膠(二氮萘醌或DNQ材料)感光化合物：二氮醌(diazoquinone,DQ)，曝光前不溶于顯影液基底：酚醛樹脂，易溶于顯影液曝光前，溶解速度約1-2nms-1曝光后，溶解速度約100~200nms-1DNQ分子式1，2，5-diazonapthoquinoneg線和i線的光刻膠的問題g線和i線光刻膠，隨著膠的曝光，材料逐漸轉化，變得越來越透明，傳遞更多光至深層，使曝光均勻膠的厚度可能不均勻，厚的地方－曝光不足；薄的地方－過曝光；引起線寬變化標準的DNQ膠的量子率為0.3，最多可能提高大約3倍（

光化學反應中光量子的利用率，定義為進行光化學反應的光子與吸收總光子數(shù)之比）遠紫外光(DUV)刻膠的機理和特點機理：用感光酸生成劑代替感光化合物,起化學增強或催化劑的作用；為了使光刻膠穩(wěn)定,也會添加其他成分不同的曝光過程，入射光子與感光酸生成劑分子反應，產生酸分子，酸分子在后續(xù)的光刻膠烘烤過程中起到催化作用，使得曝光區(qū)域光刻膠的特性改變特點：基于全新的化學原理，用到了化學增強DUV波段輸出的光強比i線要低許多，要提高光刻膠的靈敏度，以維持制造產率膠是全透明的，在曝光時，光會從膠的下表面反射；使用防反射涂層以及膠層添加染料解決遠紫外光刻膠(多羥基苯乙烯)關鍵的一點——得到催化:

酸分子在每步化學反應后重新產生，從而可參與成百上千次的反應；化學增強膠的總量子效率，是起始的光反應效率乘以后續(xù)催化反應的次數(shù)，乘積遠大于1酸分子對空氣中很小濃度的污染物敏感，需添加額外成分和保護性的表面層對烘烤的溫度敏感：控制在幾分之一的量級4-羥基苯乙烯電子束抗蝕劑名稱聚甲基丙烯酸甲酯PMMACOPPBSCMSOEBR100OEBR1000OEBR1030極型+-+--++靈敏度/μC·cm-1(電子能量20kV)40~800.2~0.40.8~1.60.3~0.60.8~1503對比度2~30.9~1.21.3~21.41.61.60.4分辨率/μm0.110.50.50.50.30.3通常的厚度/μm10.30.40.50.30.3衡量光刻膠好壞的標準分辨率：光刻膠圖形的質量受限于曝光系統(tǒng)，不是光刻膠抗蝕性：光刻膠需經歷刻蝕和離子注入，即應當具有合理的牢固度，能分辯細小的特征黏附能力穩(wěn)定性感光度粘度及固態(tài)含有率針孔密度對比度臨界調制傳遞函數(shù)靈敏度

衡量的是需要多少光才能曝光膠，靈敏度高可以提高生產率；過高的靈敏度使材料不穩(wěn)定，對溫度敏感；低靈敏度可以得到更高的對比度和更大的工藝容差對比度

區(qū)分亮區(qū)和暗區(qū)的能力，對特征邊緣的灰區(qū),光刻膠會怎樣的響應；對比度并不是一個常數(shù)，依賴于工藝參數(shù)典型的g線和i線，對比度可達2~3DUV膠，典型值可達5~10臨界調制傳遞函數(shù)是某光強，亮和暗的一種對比性亮度g線和i線光刻膠，典型值為0.4左右DUV膠，典型值為0.1~0.2掩模是光刻工藝加工的基準，質量的好壞直接影響光刻質量，從而影響集成電路的性能和成品率在硅平面器件生產中，掩模制造是關鍵性工藝之一掩模版包含著預制造的集成電路特定層的圖形信息，決定了組成集成電路芯片每一層圖形的橫向結構與尺寸掩膜版是光刻工藝復制圖形的模板掩膜版是IC設計與IC制造之間的接口與橋梁所用掩膜版的數(shù)量決定了制造工藝流程中所需的最少光刻次數(shù)一個典型的CMOS工藝所需的掩膜版層數(shù)大約在15-20塊，而某些BiCMOS工藝的掩膜版層數(shù)則可增加到28塊掩膜版的重要性制版程序：繪制版圖→數(shù)據(jù)轉換成圖形發(fā)生器的專用文件（CIF文件，PG文件等）→驅動和控制圖形發(fā)生器，以一定的間距和布局，將掩膜圖形印制于掩膜材料上，進而制備出批量生產用的掩膜版掩膜版發(fā)展歷程和分類制版技術的發(fā)展歷程：人工繪圖和刻圖計算機控制大型刻圖機刻圖光學圖形發(fā)生器制造初縮版（中間掩模版）；電子束圖形發(fā)生器（掃描電子束曝光）直接制作精縮版掩膜版分類：在玻璃基板表面涂布鹵化銀乳劑的高分辨率干板在玻璃上附著金屬或金屬氧化物膜的硬面板石英襯底玻璃襯底要求：平面度好，機械強度高，在白熾燈下觀察，無肉眼看得見的氣泡、雜質、霉點和劃痕，熱膨脹系數(shù)小，透射率高，化學穩(wěn)定性好熔融的石英襯底優(yōu)點：很好的拋光表面，不會產生光散射，熱膨脹小，溫度變化較小時，圖形尺寸是穩(wěn)定的缺點：當曝光波長更短，玻璃中的痕量雜質會吸收短波長光，造成光學透明度下降（氧化硅的帶隙是9ev）超高分辨率干版定義：在玻璃基片表面上涂布一層含顆粒極細的鹵化銀乳膠，然后經過光刻，得到掩模版乳膠的成分：乳化劑：硝酸銀和鹵化物（KBr，KI，NaCl等）分散介質：明膠，易溶于熱水，冷凝后成固體狀態(tài)，其分子鏈的連接通過鏈上某些氨基中的氫和相鄰分子中羰基（=C=O）中的氧形成的氫鍵輔助劑：增感劑、防灰霧劑、穩(wěn)定劑以及堅膜劑輔助劑：增感劑、防灰霧劑、穩(wěn)定劑以及堅膜劑等增感劑的作用是使鹵化銀的感光范圍展寬防灰霧劑的作用是抑制乳膠中灰霧中心的形成，常用的防灰霧劑有苯酚三氮唑、溴化鉀等分散介質：在乳膠中起分散介質和支撐體的作用。定義：在玻璃基板上蒸發(fā)或濺射一層幾十到幾百nm厚的金屬或金屬氧化物在其上用光刻膠作為感光層在玻璃板上真空蒸鉻，獲得鉻膜，進行光刻，得到版圖；其過程和光刻硅片上的氧化層相同，只是腐蝕對象不是二氧化硅，而是金屬鉻。※使用鉻、氧化亞銅版，硅版，氧化鉻和氧化鐵（氧化鐵解決了乳膠板的不耐用問題，又解決了鉻板的不透明和針孔多的問題，而且在光學特牲、致密度等多方面都優(yōu)于鉻板）彩色版：后四種的另一稱謂硬面板制鉻版過程：光刻版是一塊熔融石英板，上面覆蓋一層（～80nm）鉻和一層光刻膠鉻和光刻膠層間還使用一層薄的（10～15nm）防反射涂層，阻止鉻層的光線反射每塊版的圖形由電子束或激光束逐個寫到空白光刻版上現(xiàn)在圖形刻蝕常用濕法；隨尺寸的減小，多用干法對掩膜版的質量要求：圖形尺寸準確，符合設計要求整套掩膜版中的各塊版應能依次套準，套準誤差盡可能小圖形黑白區(qū)域之間的反差要高圖形邊緣要光滑陡直，過渡區(qū)小圖形及整個版面上無針孔，小島，劃痕等缺陷堅固耐用，不易變形掩模版的質量檢測：掩模版外觀及版面圖形一般質量檢查小尺寸檢查間距測定套準精度測定缺陷檢查掩膜版的質量要求和檢測掩模缺陷的種類掩模缺陷大致可分為以下兩類：一類是多余的部分，如小島、凸出和連條等另一類是缺少的部分，如針孔、凹口，斷條等光刻版缺陷的危害和處理造成成品率下降缺陷是可以修補的，可用激光束或粒子束除去不想要的有鉻區(qū)域，也可以淀積額外的鉻膜，填補針孔為了防止灰塵顆粒的沾污，使用透明膜保護，將蒙膜（由硝化纖維制作，只有幾微米厚）拉平并覆蓋在鉻層那一面的金屬框上幾種掩膜版的特性比較特征類型組成材料膜厚表面反射率表面強度分辨率μm抗化學性耐磨性透明性光密度成像銳度光刻對準乳膠干版AgBr4~6μm低弱2～3弱差不透明1.5～3有散亂邊紋困難鉻版Cr80~200nm50～60％強1～2耐強酸較好不透明2～3銳困難氧化鐵版Fe2O3150~250nm15～20％強1耐強酸，不耐堿好選擇透明2銳容易光刻機-曝光光源及要求曝光光源：汞燈產生的紫外光波段多波長光源，436nm(g線)和90年代中期，365nm（i線），分辨率在0.35um以上準分子激光產生的248nm(KrF)和193nm(ArF)甚遠紫外線(EUV)（用分子激光，DUX光刻膠）電子束；離子束；X射線要求：曝光光源的波長是光刻工藝的關鍵參數(shù)，其他條件相同時，波長越短，可曝光的特征尺寸越小曝光要求有一定的能量，且必須均勻的加在硅片上為了保持合適的曝光時間，光源必須有足夠的亮度光刻機-曝光光源弧光燈作為主要光源；一個密封玻璃管；汞蒸汽大約一個大氣壓；施加幾千伏電壓，氣體放電；燈內的壓強達到20-40個大氣壓；功耗大約1千瓦汞氣電離后的二種光源電子具有40000K的等效溫度，輻射波長處在很深的紫外波段，超過了熔融石英的帶隙，大部分被燈殼吸收汞原子自身，氣體自由電子和汞原子間的碰撞，使汞原子的某些電子獲得能量，處于較高的能級；這些電子躍遷到低能級態(tài)時，輻射出特定能量的光子光刻常用的光波長20世紀90年代初，多使用g線；隨線寬減小，i線的使用成為主流；0.35μm技術主宰是i線步進光刻機0.35μm以后的光源是準分子激光典型的DUV準分子激光波長：157nm、193nm、248nm、308nm、351-353nm半導體工藝中，常用的準分子激光二種源：氟化氪KrF(248nm)和氟化氬ArF(193nm)準分子激光中有二種物質（一種惰性氣體和一種含鹵化合物），如Kr和NF3，受激后會發(fā)生反應形成KrF混合氣體分子，向基態(tài)躍遷時發(fā)出的激光248nm用于0.25μm和0.18μm工藝，193nm用于0.13μm，0.1um和0.09μm工藝準分子激光DUV準分子激光的主要優(yōu)點：輸出的光波波長短，強度高，數(shù)個脈沖就可以完成圖形的曝光要求在視場范圍，光束截面上的光強分布非常好譜線寬度窄，色差小輸出模式眾多，光路設計上可以省去濾波部分光源存在的問題：激光的可靠性，壽命，鏡頭系統(tǒng)中光學元件對于曝光波長的透明度，須尋找合適的光刻膠等光刻機-投影系統(tǒng)投影光刻機的性能決定于：分辨率，焦深，視場，調制傳遞函數(shù)，套刻精度，產率前四項與光學系統(tǒng)的基本特性直接相關后二項與系統(tǒng)的機械設計有關分辨率R：每個象點的中心極大位于其相鄰點象的第一極小處，R=0.61λ/nsinαn是物和鏡頭之間的材料的折射率α是能夠進入鏡頭的衍射光的最大半角，可能受限于鏡頭本身的物理尺寸，也可能受限于鏡頭前的孔徑短的曝光波長好的圖像分辨率，高數(shù)值孔徑（nsinα）得到更強的分辨率分辨率使用高數(shù)值孔徑（nsinα）的透鏡，制造大透鏡很困難，鏡頭的焦深也太小調制傳遞系數(shù)MTF＝(IMAX-IMIN)/(IMAX+IMIN)MTF是曝光系統(tǒng)產生地空間圖像的對比度度量，一般要達到0.5或更高，深紫外光膠可以工作于更小的MTF值MTF依賴于成像特征尺寸，對于大的特征尺寸，曝光系統(tǒng)生成的空間圖像，具有極佳的對比度；隨特征尺寸縮小，衍射效應導致MTF下降，最終成為零，特征相距很近，空間圖像已沒有什么對比度i線光刻機汞燈壓縮空氣做動力自動接近式曝光手動取片，裝片光刻機-掃描光刻機美國珀金埃爾默(Perkin-Elmer)公司率先研制了最早的系統(tǒng)，其名稱是Microlign，是掃描投影對準機，采用1:1，對光刻版和硅片同時掃描隨尺寸縮小，光刻版線寬控制困難，芯片復雜且硅片開始變大，要生產完美的全硅片光刻版以及要制造按所需分辨率掃描整個硅片的光學系統(tǒng)較困難采用步進機代替掃描系統(tǒng)，只曝光硅片上一個有限的區(qū)域就解決了硅片尺寸這一問題，靠步進機將圖像縮4X或5X倍，也解決了光刻版反方向的問題一種既使用步進又使用掃描的系統(tǒng)得到應用光刻機-步進重復光刻機高亮度的光源，準直并通過光刻版光刻版上的每個透明區(qū)域允許光線透過，透過的光線隨即被第二個鏡頭系統(tǒng)收集并聚焦第二個透鏡系統(tǒng)同時也將圖像縮小至4X~5X倍系統(tǒng)的視場，邊長只有幾厘米，每次曝光少量幾個芯片，硅片移動到下一個曝光場，然后曝光和步進的過程重復有些系統(tǒng)由光源系統(tǒng)產生透光狹縫，版和硅片同時進行機械掃描，從而使得光刻板的象在硅片上掃描通過，版的掃描比硅片快，是其4X或5X倍，與光學系統(tǒng)的縮小倍率相適應數(shù)字微鏡DMD空間光調制器DMD是一個陣列，由m×n個可偏轉微平面鏡組成各微鏡是否偏轉受圖形發(fā)生器傳過來的信號控制不偏轉的微鏡組合實現(xiàn)所需的掩模圖形步進掃描光刻機中國科學院光電技術研究所與南昌航空大學研制提高掃描光刻機曝光性能的方法－柯勒照明和偏軸照明柯勒照明源：通過光刻版的光，聚焦于投影透鏡的入瞳，對于光刻版上各處特征所發(fā)出的衍射光，投影透鏡都會等同地收集偏軸照明：相干光源的光線以一定地角度入射光刻版，改變了光通過版的角度，也改變了衍射光的角度，分辨率有所提高提高掃描光刻機曝光性能的方法－掩膜版工程：近鄰效應糾正和相移掩膜近鄰效應糾正投影系統(tǒng)的有限孔徑，造成一部分衍射光損失投影系統(tǒng)中的孔徑和鏡頭還是圓形的，而不是方形的或長方形的，衍射圖案中的高頻就損失掉了，使產生的空間圖像，具有圓的而不是方形的角，其孤立和成組的線寬不相等，以及窄線條特征終端被縮短通過調整光刻版上特征的尺寸和形狀可以補償相移掩膜對光刻版上的選定區(qū)域，改變其透光特性1982年，利文生(Levenson)等使用相移技術，提高空間圖像的分辨率。在光刻版上使用一材料，選擇其厚度和折射率，使得光線精確的相移180度這種相移技術既可以用于提高空間圖像的質量，也可以改善曝光系統(tǒng)的焦深圖形轉換-曝光技術接觸式曝光：光的衍射效應較小，因而分辨率高，易損壞掩模圖形，由于塵埃和基片表面不平等，存在曝光縫隙而影響成品率。小批量和小的芯片尺寸，使這類系統(tǒng)的經濟性更具吸引力接近式曝光：

硅片和版的間距有5～25μm，延長了掩模版的使用壽命，但光的衍射效應嚴重，分辨率為2～4μm左右。接近和接觸系統(tǒng)都需要1X版，制板困難投影式曝光：掩模不受損傷，提高了對準精度，減弱了灰塵微粒的影響，已成為主要方法。缺點是投影系統(tǒng)光路復雜，對物鏡成像能力要求高，主要受限于衍射效應，其價格在幾百萬美元衍射效應及其影響高分辨率光刻需要短波長光子當系統(tǒng)中所有的尺度與光波長相比大許多，光線就可以當作直線行進的粒子在投影光刻系統(tǒng)中，版上特征圖形的尺度與光波長可比擬，就必須考慮光的波動性，衍射是必須考慮的一個效應衍射效應：產生的實際圖形，是愛里斑，由英國天文學家喬治·彼戴爾·愛里爵士（GeorgeBiddellAiry）首先導出的，圖像是由一個明亮的中心圓盤，周圍環(huán)繞一系列的暈圈組成光經過掩膜版的小孔，攜帶了孔徑的大小和形狀的信息，光應當將這些信息傳遞給硅片上的光刻膠聚焦鏡頭大小有限，只收集到與通過孔徑的光有關的全部衍射圖案的一部分，衍射到更寬角度的光所攜帶的信息是關于孔徑精細結構的，這些細節(jié)最先損失掉圖形轉換－光刻技術最新的光刻技術：深紫外線光刻：浸沒式光刻甚遠紫外線(EUV)（用分子激光，

DUX光刻膠）無掩模光刻技術電子束光刻離子束光刻X射線光刻深紫外線光刻：浸沒式光刻技術目前主流技術，準分子激光F2（193nm）原理：在物鏡的最后一個透鏡與抗蝕劑和硅片之間充滿高折射率液體，使數(shù)值孔徑能夠大于1，從而實現(xiàn)了提高分辨率、增大焦深的目的可實現(xiàn)65nm，45nm節(jié)點浸沒式光刻技術：材料的要求一、浸沒液體：第一代——水（易溶出添加劑，易污染腐蝕鏡頭）；第二代——低分子量的雙環(huán)烷烴（透明性，折射率高）；第三代——多環(huán)飽和烷烴（折射率更高，但黏度大）二、頂部涂料：涂布在光刻膠膜表面的一層材料,避免光刻膠與浸沒液體直接接觸,是解決光刻膠中的成分的浸出及污染等問題的手段,也是調整光刻膠與浸沒液體接觸角的手段。其要求在于疏水性及堿溶性三、光刻膠：主要由成膜樹脂、光致產酸劑、微量添加劑及溶劑配制而成極紫外光刻技術極紫外光刻原理實驗：在80年代提出并驗證，EUVL利用波長13.5nm或11.2nm光源、非球面反射物鏡實現(xiàn)縮小投影曝光，作為實現(xiàn)32～22nm分辨率的優(yōu)選光刻技術之一得到了重視，近5年取得了較大的進展近20年，業(yè)界一直認為EUV光刻是最有希望的下一代微芯片生產工藝。在1997年，Intel、AMD、摩托羅拉就聯(lián)合成立了一家名為“EUVLimitedLiabilityCorporation”的公司，想在100nm取代深紫外線(DUV)，但后者已在45nm上量產，并認為能延續(xù)到22nm相對浸沒式的優(yōu)越性：著名的光刻設備開發(fā)商ASML表示，浸沒式顯影已經遇到技術瓶頸，EUV則是最具潛力的接棒者。浸沒式顯影進一步技術突破，必須尋找其它的液體取代純水，而聚焦鏡頭材料也要重新研發(fā)，這2種途徑都已經出現(xiàn)瓶頸極紫外光刻技術EUV技術的主要挑戰(zhàn)：開發(fā)功率足夠高的光源并使系統(tǒng)具有足夠的透射率掩模技術的成熟，包括以足夠的平面度和良率制造反射掩模襯底，反射掩模的光化學檢測,以及因缺少掩模表面的保護膜而難以滿足無缺陷操作要求開發(fā)高靈敏度且具有低線邊緣粗糙度的光刻膠193nm技術會走到盡頭，向EUV的轉換可能出現(xiàn)在16nm上EUV光刻要投入實際生產，必須擴展到整個微處理器的所有關鍵層上。

超微半導體（AdvancedMicroDevices，AMD）認為，EUV光刻在2016年之前獲得投產認證，屆時將到達22nm工藝極限分類:帶電粒子無掩模光刻光學無掩模光刻，如空間光調制器（SLM）無掩模光刻技術、干涉光刻技術（interferencelithography，IL）、衍射光學元件光刻技術等干涉光刻技術原理：光刻圖形利用激光束的干涉來生成，經過雙光束、多光束一次曝光或雙光束、多光束多次曝光產生周期圖形。利用的是傅立葉頻譜綜合法優(yōu)點：

能綜合出大面積、高空頻的微細結構缺點：相對光強和相對位相難以控制，綜合的形狀只是近似的，制作任意面型的微細結構相當困難無掩模光刻技術空間光調制器（SLM）無掩模光刻技術特點：曝光成像的基本原理與傳統(tǒng)投影光刻相類似，數(shù)字化，可以實現(xiàn)編程控制，理論上可通過分析光學檢測系統(tǒng)反饋回來基片的光場分布的數(shù)字信息，實時優(yōu)化調控下一時刻數(shù)字圖形的結構，以獲得最佳的光刻圖形質量應用范圍：SLM作為無掩模光學光刻系統(tǒng)的圖形發(fā)生器，可便捷、靈活、并行、低成本和高速地產生曝光圖形，在小批量高精度掩模制作和微光學器件生產中發(fā)揮了重要作用，在高分辨集成電路制作上也表現(xiàn)出極其誘人的應用前景

前景：發(fā)展SLM光刻技術己成為國際光刻系統(tǒng)制造領域的一個重要研究內容，基于SLM的無掩模光刻系統(tǒng)有望成為下一代微納加工的一個重要工具，深入系統(tǒng)的研究十分重要電子束光刻λ=幾十-10nm；可獲得最小尺寸-14nm，可以直寫，不需要掩膜，效率很低局限性：電子束制作少量的實驗器件和電路,及小批量的特殊用途芯片，用于制造掩膜和刻線電子源只能提供有限的電流密度束流強度很高，束中帶電電子間的庫侖排斥會引起失焦，降低分辨率近鄰效應，因為電子易被散射，行進的距離很長，會發(fā)生對不想要曝光區(qū)域的曝光克服的辦法使用多電子源實現(xiàn)并列刻寫將束成形為足夠大的矩形每次曝光硅片上的整個特征提高電子束光刻膠的靈敏度用電子束投影光刻將含復雜圖形的鏤空光刻版聚焦到硅片提高電子束直寫產率的方法——SCALPEL(scatteringwithangularlimitationprojectionelectron-beamlithography)1989年,貝爾實驗室發(fā)明它的發(fā)明源于二個問題：已有的鏤空版系統(tǒng)，會吸收電子束，造成加熱升溫問題，限制了使用的最高加速電壓隨芯片尺寸增加和特征尺寸下降，要求有很小的數(shù)值孔徑，要用到較大的束流密度，以致空間電荷效應顯著，降低了系統(tǒng)的分辨率電子束直寫－SCALPEL的過程光刻版由低原子序數(shù)元素的隔膜(氮化硅)和高原子序數(shù)元素的薄層圖案(幾十納米的鉻或鎢)構成在100Kev準直，不相干的電子束都透明的在鉻或鎢區(qū)域中，散射到大角度范圍；在隔膜區(qū)，微弱的小角度散射用電子透鏡系統(tǒng)將散射電子聚焦到硅片上散射較強的電子將擋掉，就生成了高對比度，高分率的像縮減倍率為4:1，使用步進和掃描機構使用的光刻膠與248nm光刻中采用的化學增強DUV相同離子束投影光刻技術和電子束一樣，帶電粒子經過電磁場聚焦形成細束。主要區(qū)別在于兩者的質量不同，離子的質量要遠大于電子克服電子束散射問題沒有鄰近效應能獲得更高的分辨率，其最小的分辨率能達到5nm靈敏度太高，產生較大的統(tǒng)計噪聲，曝光圖形邊緣的粗糙度增加離子穿透深度太小離子束曝光系統(tǒng)與曝光工藝非常復雜成本高昂特點

缺陷X射線曝光方法使用1-10Kev能力的X射線，相對應的波長在0.2-4nm量級；很難找到純的X射線X射線聚焦困難，采用接近式曝光系統(tǒng)，在真空環(huán)境下，X射線透過一個Be窗出射得到小于0.1μm的特征；建成步進重復式的X射線源的幾種形式：用高能電子轟擊金屬靶，所發(fā)射的x射線光子波是靶材料的特征波長使用激光加熱的等離子體源同步輻射器存儲環(huán)X射線曝光的掩模板光刻版的亮區(qū)是1nm的x射線透明的，暗區(qū)必須擋住射線沒有材料是x射線易透過的，只能用很薄的低質量材料層來制作亮區(qū)幾nm厚的硅，氮化硅，碳化硅和氮化硼是常見亮區(qū)材料；暗區(qū)用金或鎢材料制作，金對制造設備的沾污，鎢可能成為將來的主要選擇X射線光刻版上圖形的刻寫，是用X射線直寫光刻實現(xiàn)的掩膜制造存在挑戰(zhàn)；不大可能在生產中使用X射線曝光的改進－反射和聚焦x射線的透鏡和鏡面實現(xiàn)x射線反射鏡的最有潛力的辦法是采用多層組成各層交替使用二種材料且二種材料的電子濃度相差很遠；高質量數(shù)的層作為散射體，低質量數(shù)的層用作間隔選擇層的厚度，使得各層的部分反射波出現(xiàn)干涉近年來x射線的反射率已達60%各光刻技術的主要特點及挑戰(zhàn)浸沒式：適合大規(guī)模生產，應用較廣泛/對材料要求高，無法更精細化極紫外：實現(xiàn)32～22nm分辨率的優(yōu)選光刻技術/提高系統(tǒng)透射率、掩膜技術、開發(fā)高靈敏度光刻膠無掩模：干涉光刻-能綜合出大面積、高空頻的微細結構/干涉條紋的相對光強和相對位相難以控制，且難以制作任意面的微細結構；SLM-靈活、低成本、高分辨/有待深入研究電子束投影：極高分辨率，10nm精細結構/曝光效率遠低于光學曝光，改進后成本較高離子束投影：最小的分辨率能達到5nm/靈敏度太高、離子穿透深度太小、工藝復雜、成本高昂光刻工藝過程光刻過程涂膠，前烘，曝光，顯影，堅膜，腐蝕和去膠等七個步驟光刻工藝過程示意圖表面清洗或脫水烘干(涂膠作準備)HMDS處理(增粘劑，旋涂到硅片或以蒸汽形式熏烘)涂膠(膠涂到硅片，3000~6000轉，形成膜厚約1μm的膠層)前烘(10~30min，90~100℃)硅片對準，曝光(在每個曝光位置對準，曝光量150mJcm-2)曝光后烘(降低膠中駐波效應，10min，100℃)（準分子激光專用）顯影(室溫下30~60s，噴灑或平攤顯影液)后烘(10~30min，100~140℃)光刻工藝中各步的作用清洗硅片：目的：去除污染物，顆粒，減少針孔和其他缺陷；提高光刻膠粘附性基本步驟：化學清洗，漂洗，烘干脫水烘干脫水烘培，去除圓片表面的潮氣增強光刻膠與表面的粘附性；大約100℃增粘劑:六甲基乙硅皖，一端與氧化硅成鍵，另一端與光刻膠成鍵,去除氧化硅表面的-OH基涂膠：硅圓片放置在真空卡盤上；滴膠在靜止或低速旋轉時進行，滴在圓片中心高速旋轉，光刻膠以離心力向外擴展；均勻涂覆在圓片表面粘度和轉速是膠最終厚度的主要因素產生邊緣膠滴，即邊緣處有很厚的膠存在前烘:熱板或紅外和微波加熱，達到幾個目的殘留的溶劑大部分揮發(fā)，光刻膠成分的減少量為2~5%膜與氧化硅（鋁膜）的黏附性及耐磨性提高應力通過熱處理得到釋放前烘時化學成分變化，曝光時間隨烘烤溫度的增加而增加曝光特點：IC制造中最關鍵的步驟在IC工廠中，最貴的設備最具挑戰(zhàn)性的工藝決定了最小特征尺寸當前是0.13um，并向0.09或0.065um推進對準和曝光的設備：接觸式，接近式，投影式和步進式曝光機曝光光源：短波長；高亮度（高光強）；穩(wěn)定。高壓汞燈；受激準分子激光器曝光曝光時，影響分辨率的因素：掩模版與光刻膠膜的接觸情況曝光光線的平行度光的衍射和反射光刻膠膜的質量和厚度曝光時間掩模版的分辨率和質量曝光后烘烤產生潛影，可顯影或進行曝光后烘烤光刻膠分子發(fā)生熱運動，過曝光和欠曝光的光刻膠分子發(fā)生重分布g線和i線膠，可采用烘烤，減少膠的駐波效應；如膠下有防反射涂層，則烘烤是不必要的DUV膠，曝光后烘烤是必要的和關鍵性的步驟，在此過程中完全曝光，必須嚴格控制烘烤時間和溫度顯影顯影液溶劑溶解掉光刻膠中軟化部分從掩膜版轉移圖形到光刻膠上三個基本步驟：顯影；漂洗；干燥可投到顯影液或顯影液噴灑或顯影液平攤顯影液：用水稀釋的四甲基氫氧化銨(TMAH)或氫氧化鈉或氫氧化鉀后烘堅膜作用：蒸發(fā)PR中所有有機溶劑；提高刻蝕和注入的抵抗力；提高光刻膠和表面的粘附性；聚合和使得PR更加穩(wěn)定；PR流動填充針孔，調整膠邊緣的形狀方法：熱板最為常用；檢測后可在烘箱中堅膜工藝：堅膜溫度100-130℃；堅膜時間1-2min；堅膜溫度常高于前烘溫度堅膜不足：光刻膠不能充分聚合；造成較高的光刻膠刻蝕速率；粘附性變差過堅膜：光刻膠流動造成分辨率變差圖形檢測檢查發(fā)現(xiàn)問題，撥去光刻膠，重新開始；光刻膠圖形是暫時的，可返工；刻蝕和離子注入是永久的，不可返工檢測手段：SME，光學顯微鏡圖形檢測的內容：未對準問題：重疊和錯位，伸出，縮進，掩膜旋轉，晶圓旋轉，X方向錯位，Y方向錯位臨界尺寸表面不規(guī)則：劃痕，針孔，瑕疵，污染物刻蝕刻蝕的特性刻蝕工藝分類選擇性刻蝕對光刻過程的重要性刻蝕的問題濕法腐蝕干法刻蝕特點干法刻蝕產生的現(xiàn)實原因－刻蝕氮化硅干法刻蝕－刻蝕氣體干法刻蝕機理干法刻蝕刻蝕類型－化學刻蝕，物理刻蝕，等離子體刻蝕干法等離子體刻蝕系統(tǒng)的類型未來趨勢刻蝕特性——選擇性和方向性選擇性：刻蝕時不同材料的刻蝕速率比。合理范圍是25-50。化學反應取決于材料的性質，不同材料可完全不同；大多數(shù)材料的物理反應的結果相似方向性：不同方向下刻蝕速率的相對量度。各向同性刻蝕是指所有方向的刻蝕速率都相同物理性愈大，方向性就愈明顯，選擇性就愈小化學性愈大，選擇性就愈高，方向性就愈不明顯刻蝕——選擇性的重要性待刻材料對掩膜的選擇性決定了掩膜材料要多厚才使它在刻蝕過程中不會被完全刻蝕掉刻蝕過程應有一定程度的過刻，保證所有刻蝕過程已經完成薄膜的厚度不均勻，取10%~20%的過刻量可保證刻蝕完全；當各向異性刻蝕時，過刻對去除臺階中的殘留薄膜也是有必要的刻蝕——方向性的問題理想的刻蝕是掩膜邊緣的下方完全垂直的側壁結構，實際過程中同時獲得良好的方向性和選擇性是非常困難的光刻蝕剖面不完全為方形，而是頂部呈圓角，側壁呈斜坡光刻膠的刻蝕速率不為零，因此掩膜本身也有一定程度上的刻蝕，刻蝕發(fā)生在頂部和側壁上，刻蝕進行時光刻膠越來越薄，薄膜的側壁刻蝕也就越來越嚴重，形成了傾斜的側壁剖面特征尺寸縮小，采用方向刻蝕和鉆蝕量很小的垂直臺階結構，通過改進淀積工藝來獲得良好的填充和臺階覆蓋刻蝕——工藝分類濕法刻蝕：用液體腐蝕劑，化學反應將材料腐蝕早期采用濕法刻蝕，工藝簡單，設備易于建立，成本低，選擇性很好生成可溶于水的副產物或揮發(fā)性氣體干法刻蝕：用等離子體中的氣態(tài)刻蝕劑，兼有化學反應和物理反應在等離子體中會產生極具活性的化學物質，更有效的參與刻蝕等離子體刻蝕能夠提供良好的各向異性刻蝕干法刻蝕用得較多刻蝕——濕式刻蝕實例SiO2

的腐蝕氟化銨是緩沖劑,維持腐蝕劑過度使用后地刻蝕能力。這種加有氟化銨的氫氟酸溶液,習慣上稱為HF緩沖液常用的配方為：HF:NH4F:H2O=3ml:6g:10ml二氧化硅的腐蝕速率與溫度的關系摻磷的氧化硅的腐蝕速率比摻硼的大氮化硅腐蝕厚度為10-2μm的較薄氮化硅膜，用HF緩沖液進行腐蝕厚度較厚的氮化硅膜，放入180℃的熱磷酸中繼續(xù)刻蝕圖形窗口內的Si3N4膜參與反應的物質是水，而磷酸作為一種催化劑控制刻蝕速率的關鍵因素是：水含量（磷酸體積百分數(shù)），反應溫度和晶圓表面磷酸置換的速率采用155-165℃的溫度，85-88%體積分數(shù)的磷酸溫度升高，選擇比降低，刻蝕速率上升；存在選擇性與生產率的矛盾鋁的腐蝕目前常用的腐蝕液有磷酸及高錳酸鉀腐蝕液磷酸與鋁的反應式高錳酸鉀腐蝕液的配方為：高錳酸鉀與鋁的反應式濕法腐蝕——腐蝕速率的影響因素腐蝕液的配方溫度薄膜的組分和密度晶向，(111)面腐蝕速率較低，面密度大濕法腐蝕--化學刻蝕的問題化學腐蝕是各向同性，掩膜邊緣的下方形成鉆蝕，鉆蝕量稱為腐蝕偏差光刻膠作掩膜，有一定的刻蝕速度，當存在掩膜刻蝕時，側向刻蝕的程度會超過沒有掩膜腐蝕的情況化學腐蝕無法得到垂直地刻蝕結構，傾向于各向同性，現(xiàn)代制造業(yè)中不常采用濕法腐蝕IC工藝中常用材料的化學腐蝕劑材料腐蝕劑注釋SiO2HF(水中含49％)，純HF對硅有選擇性，對硅腐蝕速率很慢，腐蝕速率依賴于膜的密度，摻雜等因素NHF4:HF(6:1),緩沖HF或BOE是純HF腐蝕速率的1/20，腐蝕速率依賴于膜的密度，摻雜等因素，不像純HF那樣使膠剝離Si3N4HF(49%)腐蝕速率主要依賴于薄膜密度，膜中O,H的含量HPO:HO(沸點：130-150℃)對二氧化硅有選擇性，需要氧化物掩膜。AlH3PO4:H2O:HNO3:CH3COOH(16:2:1:1)對硅，氧化硅和光刻膠有選擇性多晶硅HNO3:H2O:HF(CH3COOH)(50:20:1)腐蝕速率依賴于腐蝕劑的組成單晶硅HNO3:H2O:HF(CH3COOH)(50:20:1)腐蝕速率依賴于腐蝕劑的組成KOH:HO:IPA(23wt%KOH,13wt%IPA)對于晶向有選擇性，相應腐蝕速率（100）：（111）＝100：1TiNH4OH:H2O2:H2O(1:1:5)TiNNH4OH:H2O2:H2O(1:1:5)對TiSi2有選擇性TiSi2NH4F：HF(6:1)對TiSi2有選擇性光刻膠H2SO4:H2O2(125℃)適用于不含金屬的硅片有機剝離液適用于含金屬的硅片干法刻蝕產生的現(xiàn)實原因－刻蝕氮化硅20世紀70年代早期,刻蝕PECVD氮化硅采用濕法化學刻蝕很難腐蝕氮化硅薄膜HF酸腐蝕速率很慢，對下層材料的氧化硅沒有選擇性煮磷酸是一種有效的辦法，但會剝離光刻膠用氧化硅作掩膜，但增加氧化硅自身的光刻和刻蝕工藝采用等離子刻蝕好CF4/O2混合氣體產生氟原子，這些氟原子刻蝕氮化硅薄膜，不會剝離光刻膠設計活性化學元素物質或離子，那一種物質占主導地位，一般離子和活化物質共同存在，協(xié)同作用干法刻蝕與濕法腐蝕相比的優(yōu)點◆刻蝕剖面是各向異性,具有非常好的側壁剖面控制◆好的CD控制◆最小的光刻膠脫落或黏附問題◆好的片內,片間,批次間的刻蝕均勻性◆較低的化學制品使用和處理費用早期濕法腐蝕得到廣泛應用，現(xiàn)已被等離子體刻蝕取代干法刻蝕－刻蝕氣體光刻膠，它的刻蝕采用氧氣鋁是活潑金屬，和氯很容易起化學反應，可用氯等離子體腐蝕在等離子狀態(tài)下含有鹵化物，如CF4，Cl2，HBr，有時加入少量其他氣體，如氫氣，氧氣和氬氣等。常用是四氟化碳；F*與硅、SiO2或Si3N4

作用時，則反應生成可揮發(fā)的SiF4

等氣體；CF4——→CF3*+CF2*+CF*+F*干法刻蝕過程利用氣體分子在強電場作用下，產生輝光放電，氣體分子被激勵產生活性基，這些活性基可與被腐蝕物質反應，生成揮發(fā)性氣體而被帶走參與等離子體刻蝕的二種主要物質是離子（物理刻蝕）和中性活性化學物質－自由基（化學刻蝕）離子和活性中性物質可以單獨作用也可以協(xié)同作用（離子增強刻蝕）干法刻蝕-刻蝕類型化學刻蝕物理刻蝕離子增強刻蝕干法刻蝕——化學刻蝕