第7章-光学光刻要点.ppt

Microelectronic Fabrication & MEMS Technology1第 7 章 光学光刻光刻曝光刻蚀光源曝光方式 7.1 7.1 光刻概述光刻概述 评价光刻工艺可用三项主要的标准：分辨率分辨率、对准精度对准精度 和生产效率生产效率Microelectronic Fabrication & MEMS Technology2涂光刻胶（正）选择曝光 光刻工艺流程光刻工艺流程显影（第 1 次图形转移）刻蚀（第 2 次图形转移）Microelectronic Fabrication & MEMS Technology338)显影后检查5) 曝光后烘焙6)显影7)坚膜UV LightMask4) 对准和曝光Resist2) 涂胶3)前烘1) 气相成底膜HMDS光刻工艺的个步骤Microelectronic Fabrication & MEMS Technology4光源紫外光（UV）深紫外光（DUV） g 线：436 nm i 线：365 nm KrF 准分子激光：248 nm ArF 准分子激光：193 nm极紫外光（EUV），10 15 nm X 射线，0.2 4 nm 电子束 离子束Microelectronic Fabrication & MEMS Technology55VisibleRadio wavesMicro-wavesInfraredGamma raysUVX-raysf (Hz)1010101010101010101046810121416221820(m)420-2-4-6-8-14-10-1210101010101010101010365436405248193157ghiDUVDUVVUVl (nm)Common UV wavelengths used in optical lithography.电磁光谱Microelectronic Fabrication & MEMS Technology66l (nm)700455060065050045040035030025020015010050紫外光谱可见光汞灯准分子激光Photolithography light sourcesghi36540524819313436157126VioletRedBlueGreen Yellow OrangeMid-UVEUVDUVVUV紫外光谱 可见光谱：波长在390nm到780nm之间； 紫外光谱：波长在4nm到450nm之间。

Microelectronic Fabrication & MEMS Technology7有掩模方式无掩模方式（聚焦扫描方式）接触式非接触式接近式投影式反射折射全场投影步进投影扫描步进投影矢量扫描光栅扫描混合扫描曝光方式Microelectronic Fabrication & MEMS Technology8 7.2 7.2 衍射衍射 当一个光学系统中的所有尺寸，如光源、反射器、透镜、掩模版上的特征尺寸等，都远大于光源波长时，可以将光作为在光学元件间直线运动的粒子来处理 但是当掩模版上的特征尺寸接近光源的波长时，就应该把光的传输作为电磁波来处理，必须考虑衍射和干涉由于衍射的作用，掩模版透光区下方的光强减弱，非透光区下方的光强增加，从而影响光刻的分辩率Microelectronic Fabrication & MEMS Technology9 7.3 7.3 调制传输函数和光学曝光调制传输函数和光学曝光无衍射效应有衍射效应光强Microelectronic Fabrication & MEMS Technology10 定义图形的 调制传输函数调制传输函数 MTFMTF 为 无衍射效应时，MTF = 1 ；有衍射效应时 ，MTF 1 。

光栅的周期（或图形的尺寸）越小，则 MTF 越小；光的波长越短，则 MTF 越大Microelectronic Fabrication & MEMS Technology11 图形的分辩率还要受光刻胶对光强的响应特性的影响 理想光刻胶：理想光刻胶：光强不到临界光强 Dcr 时不发生反应，光强超过 Dcr 时完全反应，衍射只造成线宽和间距的少量变化 DcrD100D0 实际光刻胶：实际光刻胶：光强不到 D0 时不发生反应，光强介于 D0 和 D100 之间时发生部分反应，光强超过 D100 时完全反应，使线条边缘出现模糊区在一般的光刻胶中，当 MTF 0.4 时，图形不再能被复制Microelectronic Fabrication & MEMS Technology12 7.4 7.4 光源系统光源系统 对光源系统的要求 1、有适当的波长波长越短，曝光的特征尺寸就越小； 2、有足够的能量能量越大，曝光时间就越短； 3、曝光能量必须均匀地分布在曝光区 常用的 紫外光紫外光 光源是高压弧光灯（高压汞灯）高压汞灯有许多尖锐的光谱线，经过滤光后使用其中的 g g 线（线（436436 nmnm）或 i i 线（线（365365 nmnm）。

Microelectronic Fabrication & MEMS Technology13高压汞灯的光谱线120100806040200200300 400 500 600Relative Intensity (%)h-line405 nmg-line436 nmi-line365 nmDUV248 nmEmission spectrum of high-intensity mercury lampMicroelectronic Fabrication & MEMS Technology14 由于衍射效应是光学曝光技术中限制分辨率的主要因素，所以要提高分辨率就应使用波长更短的光源如 深紫外光深紫外光实际使用的深紫外光源有 KrFKrF 准分子激光（准分子激光（248248 nmnm）、ArFArF 准分子准分子激光（激光（193193 nmnm）和 F2 准分子激光（157 nm）等 深紫外光的曝光方式与紫外光基本相同，但需注意两点， 1、光刻胶 2、掩模与透镜材料 248 nm 波长的光子能量为 4.9 eV，193 nm 波长的光子能量为 6.3 eV ，而纯净石英的禁带宽度约为 8 eV。

波长越短，掩模与透镜材料对光能的吸收就严重，造成曝光效率降低和掩模与透镜发热Microelectronic Fabrication & MEMS Technology15 各种光学曝光光源的使用情况各种光学曝光光源的使用情况 1985 年以前，几乎所有光刻机都采用 g 线 (436 nm) 光源，当时的最小线宽为 1 m 以上 1985 年以后开始出现少量 i 线(365 nm) 光刻机，相应的最小线宽为 0.5 m 左右从 1990 年开始出现 DVU 光刻机，相应的最小线宽为 0.25 m 左右从1992年起 i 线光刻机的数量开始超过 g 线光刻机 截止到 1998 年 ，g 线、i 线和 DVU 光刻机的销售台数比例约为 1 : 4 : 2而目前DVU 光刻机的销售台数已经超过 i 线光刻机Microelectronic Fabrication & MEMS Technology167.5 7.5 接触式与接近式光刻机接触式与接近式光刻机 一、接触式光刻机一、接触式光刻机SiU. V.MaskP. R.SiO2 优点：优点：设备简单；理论上 MTF 可达到 1，因此分辨率比较高，约 0.5 m。

缺点：缺点：掩模版寿命短（10 20 次），硅片上图形缺陷多，光刻成品率低Microelectronic Fabrication & MEMS Technology17 二、接近式光刻机二、接近式光刻机g = 10 50 m 优点：优点：掩模寿命长（可提高 10 倍以上），图形缺陷少 缺点：衍射效应严重，使分辨率下降 Microelectronic Fabrication & MEMS Technology18 最小可分辨的线宽为式中，k 是与光刻胶处理工艺有关的常数，通常接近于 1 Microelectronic Fabrication & MEMS Technology19Microelectronic Fabrication & MEMS Technology20Microelectronic Fabrication & MEMS Technology217.6 7.6 投影式光刻机投影式光刻机式中，k1 是与光刻胶的光强响应特性有关的常数，约为 0.75 NA 为镜头的 数值孔径数值孔径， 投影式光刻机的分辨率由 雷利第一公式雷利第一公式 给出，即一、分辨率与焦深一、分辨率与焦深n 为折射率， 为半接收角。

NA 的典型值是 0.16 到 0.8 增大 NA 可以提高分辨率，但却受到 焦深焦深 的限制Microelectronic Fabrication & MEMS Technology2222透镜俘获衍射光NAUV012341234透镜石英铬衍射图形掩膜版p 数值孔径(NA)：透镜收集衍射光的能力Microelectronic Fabrication & MEMS Technology23 分辨率与焦深对波长和数值孔径有相互矛盾的要求，需要折中考虑增加 NA 线性地提高分辨率，平方关系地减小焦深，所以一般选取较小的 NA为了提高分辨率，可以缩短波长 焦深焦深 代表当硅片沿光路方向移动时能保持良好聚焦的移动距离投影式光刻机的焦深由 雷利第二公式雷利第二公式 给出，即Microelectronic Fabrication & MEMS Technology24二、二、1 : 1 1 : 1 扫描反射投影光刻机扫描反射投影光刻机Microelectronic Fabrication & MEMS Technology25掩模硅片反射凹镜反射凸镜光源优点优点 1、掩模寿命长，图形缺陷少 2、无色散，可以使用连续波长光源，无驻波效应。

无折射系统中的象差、弥散等的影响 3、曝光效率较高缺点 数值孔径 NA 太小，是限制分辨率的主要因素Microelectronic Fabrication & MEMS Technology26 三、分步重复缩小投影光刻机三、分步重复缩小投影光刻机 随着线宽的不断减小和晶片直径的增大，分辨率与焦深的分辨率与焦深的矛盾矛盾、线宽与视场线宽与视场的矛盾的矛盾 越来越严重为解决这些问题，开发出了分步重复缩小投影曝光机（ Direct Step on the Wafer ，简称 DSW，Stepper）早期采用 10 : 1 缩小，现在更常用的是 5 : 1 或 4 : 1Microelectronic Fabrication & MEMS Technology27光源聚光透镜投影器掩模硅片Microelectronic Fabrication & MEMS Technology28UV lightReticle field size20 mm 15mm,4 die per field5:1 reduction lensWafer图形曝光在硅片上是投影掩膜版上视场的1/5 4 mm 3 mm,4 die 每次曝光曲折的步进图形Microelectronic Fabrication & MEMS Technology29Microelectronic Fabrication & MEMS Technology30Microelectronic Fabrication & MEMS Technology31 缺点 1、曝光效率低； 2、设备复杂、昂贵。

优点优点 1、掩模版寿命长，图形缺陷少； 2、可以使用高数值孔径的透镜来提高分辨率，通过分步聚焦来解决焦深问题，可以在大晶片上获得高分辨率的图形； 3、由于掩模尺寸远大于芯片尺寸，使掩模制造简单，可减少掩模上的缺陷对芯片成品率的影响 当芯片的面积继续增。