光學(xué)光刻完整版本

光學(xué)光刻光刻曝光刻蝕光源曝光方式

1光刻概述評(píng)價(jià)光刻工藝可用三項(xiàng)主要的標(biāo)準(zhǔn)：分辨率、對(duì)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）光源紫外光（UV）深紫外光（DUV）g線：436nmi線：365nm

KrF

準(zhǔn)分子激光：248nm

ArF

準(zhǔn)分子激光：193nm極紫外光（EUV），10~15nmX射線，0.2~4nm

電子束離子束有掩模方式無(wú)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(chǎng)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

2衍射當(dāng)一個(gè)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)大于曝光波長(zhǎng)時(shí)，可以將光作為在光學(xué)元件間直線運(yùn)動(dòng)的粒子來(lái)處理。但是當(dāng)掩模版上的特征尺寸接近曝光波長(zhǎng)時(shí)，就應(yīng)該把光的傳輸作為電磁波來(lái)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。

3調(diào)制傳輸函數(shù)和光學(xué)曝光無(wú)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

為當(dāng)無(wú)衍射效應(yīng)時(shí)，MTF=1；當(dāng)有衍射效應(yīng)時(shí)，MTF<1。光柵的周期（或圖形的尺寸）越小，則MTF越?。还獾牟ㄩL(zhǎng)越短，則MTF越大。圖形的分辯率還要受光刻膠對(duì)光強(qiáng)的響應(yīng)特性的影響。對(duì)于理想的光刻膠，當(dāng)光強(qiáng)不到臨界光強(qiáng)Dcr時(shí)完全不發(fā)生反應(yīng)，當(dāng)光強(qiáng)超過(guò)Dcr時(shí)完全反應(yīng)，衍射只造成線寬和間距的少量變化。但在實(shí)際光刻膠中，當(dāng)光強(qiáng)不到D0時(shí)不發(fā)生反應(yīng)，當(dāng)光強(qiáng)介于D0和D100

之間時(shí)發(fā)生部分反應(yīng)，當(dāng)光強(qiáng)超過(guò)

D100時(shí)才完全反應(yīng)，使線條邊緣出現(xiàn)模糊區(qū)。在通常的光刻膠中，當(dāng)MTF<0.5

時(shí)，圖形不再能被復(fù)制。DcrD100D0

4光源系統(tǒng)對(duì)光源系統(tǒng)的要求

1、有適當(dāng)?shù)牟ㄩL(zhǎng)。波長(zhǎng)越短，可曝光的特征尺寸就越小；

2、有足夠的能量。能量越大，曝光時(shí)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(guò)濾光后使用其中的

g

線（436

nm）或i線（365

nm）。對(duì)于波長(zhǎng)更短的深紫外光光源，可以使用準(zhǔn)分子激光。例如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。

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)當(dāng)使用波長(zhǎng)更短的光源如深紫外光。實(shí)際使用的深紫外光有

248

nm

和

193

nm

兩種。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(zhǎng)的光子能量為

4.9

eV，193

nm

波長(zhǎng)的光子能量為

6.3

eV

。波長(zhǎng)越短，掩模與透鏡材料對(duì)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(shí)的最小線寬為1

m

以上。1985

年以后開(kāi)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(kāi)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(kāi)始超過(guò)g線光刻機(jī)。截止到1998年，g線、i線和DVU光刻機(jī)的銷(xiāo)售臺(tái)數(shù)比例約為1：4：2。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(jiǎn)單；理論上MIF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(zhǎng)（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。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，但受到焦深的限制。分辨率與焦深對(duì)波長(zhǎng)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(zhǎng)。

焦深

代表當(dāng)硅片沿光路方向移動(dòng)時(shí)能保持良好聚焦的移動(dòng)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(zhǎng)，圖形缺陷少。

2、無(wú)色散，可以使用連續(xù)波長(zhǎng)光源，無(wú)駐波效應(yīng)。無(wú)折射系統(tǒng)中的象差、彌散等的影響。

3、曝光效率高。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)光源聚光透鏡投影器掩模硅片隨著線寬的減小和晶片直徑的增大，分辨率與焦深的矛盾、線寬與視場(chǎng)的矛盾

越來(lái)越嚴(yán)重。為解決這些問(wèn)題，開(kāi)發(fā)出了分步重復(fù)縮小投影曝光機(jī)（DirectStep

on

the

Wafer，簡(jiǎn)稱(chēng)DSW，Stepper）。早期采用

10：1縮小，現(xiàn)在更常用5：1或4：1。

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(zhǎng)，圖形缺陷少；

2、可以使用高數(shù)值孔徑的透鏡來(lái)提高分辨率，通過(guò)分步聚焦來(lái)解決焦深問(wèn)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(jiǎn)單，可減少掩模上的缺陷對(duì)芯片成品率的影響。當(dāng)芯片的面積繼續(xù)增大時(shí)，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(chǎng)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?yàn)樗梢员粡?fù)制到每一個(gè)小視場(chǎng)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。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(shí)，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(huì)使光能受到損失。有些光線經(jīng)多次反射后會(huì)打到硅片上，使圖形質(zhì)量受到影響。為了減小這個(gè)問(wèn)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(duì)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(shí)，有~上式在一段時(shí)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(zhǎng)更短的光源，例如X射線。三、相移掩模技術(shù)對(duì)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(zhǎng)

范圍，使i線和深紫外光

的分辨率分別達(dá)到了0.35

m

和0.18

m

，并且已分別應(yīng)用于64

MDRAM和256

MDRAM的生產(chǎn)中。同時(shí)也使X射線光刻機(jī)的使用比原來(lái)預(yù)期的大大推遲。

除相移掩模技術(shù)外，超分辨率技術(shù)還包括

光學(xué)鄰近效應(yīng)修正技術(shù)

和

雙層及多層光刻膠技術(shù)

等。

相移掩模技術(shù)的關(guān)鍵是在掩模的透光區(qū)相間地涂上相移層，并使用相干光源。這使透過(guò)相鄰?fù)腹鈪^(qū)的光線具有相反的相位，從而使其衍射部分因干涉作用而相互抵消。

相移掩模技術(shù)對(duì)制版技術(shù)提出了新的要求，如相移材料的選擇、制備與加工，制版軟件中對(duì)相移層圖形的設(shè)計(jì)等。掩模版掩模處的光幅度襯底處的光幅度襯底處的光強(qiáng)度相移掩模普通掩模邊緣相移掩模技術(shù)把掩模設(shè)想為一個(gè)曝光矩陣

M，由許多

0

和

1

的像素組成，0

代表透明區(qū)，1代表不透明區(qū)。當(dāng)用這塊掩模對(duì)硅片曝光后，在硅片表面可以得到一個(gè)包含相同數(shù)目像素的圖形矩陣W。在理想情況下，這兩個(gè)矩陣應(yīng)該相同。但是在實(shí)際情況下，由于曝光工藝會(huì)造成硅片表面圖形的畸變，從而影響圖形矩陣W。可以建立一個(gè)矩陣

S來(lái)表示從矩陣M到矩陣W的變化，即

W=SM

矩陣

S中包含了光學(xué)系統(tǒng)的所有信息。理想的S是一個(gè)單位矩陣，但實(shí)際上它包含了反映圖形畸變的非對(duì)角元素。四、光學(xué)鄰近效應(yīng)修正技術(shù)（OPC）所謂光學(xué)鄰近效應(yīng)修正（OPC）就是求出矩陣

S的逆矩陣

S-1，用來(lái)對(duì)原來(lái)的掩模進(jìn)行修正，得到新掩模的曝光矩陣為

M1=S-1M用新掩模對(duì)硅片曝光后得到的圖形矩陣為

W1=SM1=S

S-1M=M

于是在硅片上得到了與原來(lái)掩模完全相同的圖形。矩陣

S-1是很大的，可能包含

1010個(gè)以上的像素，但也是一個(gè)很稀疏的矩陣。如果結(jié)合應(yīng)用多層部分吸收材料，可以得到更精細(xì)的OPC掩模版，但價(jià)格也十分昂貴。8表面反射和駐波一、表面反射穿過(guò)光刻膠的光會(huì)從硅片表面反射出來(lái)，從而改變光刻膠吸收的光能。硅片表面的金屬層會(huì)反射較多的光。硅片表面傾斜的臺(tái)階側(cè)面會(huì)將光反射到不希望曝光的區(qū)域。解決辦法

1、改變淀積參數(shù)以控制薄膜的反射率；

2、使表面平坦化；

3、在光刻膠下加一層抗反射膜二、駐波駐波是由入射光和反射光之間的干涉造成的。駐波的波節(jié)與波腹之間的間隔為λ/4n

=0.16λ。對(duì)λ=200~

400nm的紫外光，此間隔為

32~

64

nm，小于抗蝕劑厚度。膠中不同的光強(qiáng)分布，將導(dǎo)致不同的顯影速率，給線寬的控制帶來(lái)困難。

9對(duì)準(zhǔn)大規(guī)模集成電路制造對(duì)光刻對(duì)準(zhǔn)的規(guī)定是，對(duì)準(zhǔn)誤差應(yīng)該不大于特征尺寸的1/4到1/3。為了便于對(duì)準(zhǔn)，在掩模上必須設(shè)置專(zhuān)門(mén)的對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記。通過(guò)比較硅片表面的反射光和透過(guò)掩模返回的光來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)準(zhǔn)。在步進(jìn)光刻機(jī)上通常有自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)。為了提高對(duì)準(zhǔn)效率，可以先作一次人工對(duì)準(zhǔn)。掩模的熱膨脹也會(huì)產(chǎn)生對(duì)準(zhǔn)誤差。為避免8

英寸掩模產(chǎn)生0.1

m

的膨脹，掩模的溫度變化必須控制在0.75

C左右。10小結(jié)限制光學(xué)曝光方式的分辨率的主要因素是衍射效應(yīng)。最早使用的接觸