SOC材料与工艺2(光刻胶非光学光刻刻湿.ppt

前部工序的主要工艺前部工序的主要工艺 3.8 晶圆处理制程（晶圆处理制程（Wafer Fabrication；简称；简称 Wafer Fab）） 1. 图形转换：图形转换：将设计在掩膜版将设计在掩膜版(类似于照相底片类似于照相底片)上的图形转移到半导体单上的图形转移到半导体单 晶片上晶片上 a.光刻（光刻（接触光刻、接近光刻、投影光刻、电子束光刻）接触光刻、接近光刻、投影光刻、电子束光刻） b.刻蚀技术刻蚀技术(湿法刻蚀、干法刻蚀）湿法刻蚀、干法刻蚀） 2. 掺杂：掺杂：根据设计的需要，将各种杂质掺杂在需要的位置上，形成晶体根据设计的需要，将各种杂质掺杂在需要的位置上，形成晶体 管、接触等管、接触等 a. a. 扩散扩散 b. b. 离子注入离子注入 c. c. 退火退火 3. 制膜：制膜：制作各种材料的薄膜制作各种材料的薄膜 a. 氧化：干氧氧化、湿氧氧化等氧化：干氧氧化、湿氧氧化等 b. CVD：：APCVD、、LPCVD、、PECVD c. PVD：蒸发、溅射：蒸发、溅射 三、后部封装三、后部封装 （在另外厂房）（在另外厂房）（（1）背面减薄）背面减薄（（2）划片、掰片）划片、掰片（（3）粘片）粘片（（4）压焊：金丝球焊）压焊：金丝球焊（（5）切筋）切筋（（6）整形）整形（（7）封装）封装（（8）沾锡：保证管脚的电学接触）沾锡：保证管脚的电学接触（（9）老化）老化（（10）成测）成测（（11）打字、包装）打字、包装半导体制造过程半导体制造过程后段后段（（Back End）） ------后工序后工序构装构装（（Packaging）：）：IC构装依使用材料可分为构装依使用材料可分为陶瓷（陶瓷（ceramic））及塑料（及塑料（plastic）两种，）两种，而目前商业应用上则以塑料构裝为主。

以塑料而目前商业应用上则以塑料构裝为主以塑料构装中打线接合为例，其步骤依序为晶片切割构装中打线接合为例，其步骤依序为晶片切割（（die saw）、）、黏晶（黏晶（die mount / die bond）、焊线（）、焊线（wire bond）、）、封膠封膠（（mold）、）、剪切剪切/成形（成形（trim / form）、）、印字（印字（mark）、电镀（）、电镀（plating）及检验）及检验（（inspection））等测试制程测试制程（（Initial Test and Final Test）） 基本的集成电路加工基本的集成电路加工工艺工艺 在计算机及其在计算机及其VLSI设计系统上设计完成的集成电路版设计系统上设计完成的集成电路版图还只是一些图像或和数据，在将设计结果送到工艺线上图还只是一些图像或和数据，在将设计结果送到工艺线上实验时，还必须经过一个重要的中间环节：实验时，还必须经过一个重要的中间环节：制版制版所以，在介绍基本的集成电路加工工艺之前，先简要地介绍集成在介绍基本的集成电路加工工艺之前，先简要地介绍集成电路加工的掩模电路加工的掩模(Masks)及其制造。

及其制造 通常我们看到的器件版图是一组复合图，这个复合图通常我们看到的器件版图是一组复合图，这个复合图实际上是由若干个分层图形叠合而成，这个过程和印刷技实际上是由若干个分层图形叠合而成，这个过程和印刷技术中的套印技术非常相像术中的套印技术非常相像 制版的目的就是产生一套分层的版图掩模，制版的目的就是产生一套分层的版图掩模，为将来进行图形转移，即将设计的版图转移到为将来进行图形转移，即将设计的版图转移到硅片上去做准备硅片上去做准备 制版是通过制版是通过图形发生器图形发生器完成图形的缩小和完成图形的缩小和重复在设计完成集成电路的版图以后，设计重复在设计完成集成电路的版图以后，设计者得到的是一组标准的制版数据，将这组数据者得到的是一组标准的制版数据，将这组数据传送给图形发生器传送给图形发生器(一种制版设备一种制版设备)，图形发生，图形发生器（器（PG-pattern generator）根据数据，将设）根据数据，将设计的版图结果分层的转移到掩模版上计的版图结果分层的转移到掩模版上(掩模版掩模版为涂有感光材料的优质玻璃板为涂有感光材料的优质玻璃板)，这个过程叫，这个过程叫初缩初缩。

人工设计和绘制版图，有利于充分利用芯片面积，人工设计和绘制版图，有利于充分利用芯片面积，并能满足多种电路性能要求但是效率低、周期并能满足多种电路性能要求但是效率低、周期长、容易出错，特别是不能设计规模很大的电路长、容易出错，特别是不能设计规模很大的电路版图因此，该方法多用于随机格式的、产量较版图因此，该方法多用于随机格式的、产量较大的大的MSI和和LSI或单元库的建立或单元库的建立•(DRC-设计规则捡查设计规则捡查) 在获得分层的初缩版后，再通过分步重在获得分层的初缩版后，再通过分步重复技术，在最终的掩模版上产生具有一定行复技术，在最终的掩模版上产生具有一定行数和列数的重复图形阵列，这样，在将来制数和列数的重复图形阵列，这样，在将来制作的每一个硅圆片作的每一个硅圆片(Wafer)上将有若干个集成上将有若干个集成电路芯片通过这样的制版过程，就产生了电路芯片通过这样的制版过程，就产生了若干块的集成电路分层掩模版通常，一套若干块的集成电路分层掩模版通常，一套掩模版有十儿块分层掩模版集成电路的加掩模版有十儿块分层掩模版集成电路的加工过程的复杂程度和制作周期在很大程度上工过程的复杂程度和制作周期在很大程度上与掩模版的多少有关。

与掩模版的多少有关 集成电路的加工工艺过程是由若干单项集成电路的加工工艺过程是由若干单项加工工艺组合而成下面将分别介绍这些单加工工艺组合而成下面将分别介绍这些单项加工工艺项加工工艺1．光刻与刻蚀工艺．光刻与刻蚀工艺 光刻是加工集成电路微图形结构的关键工艺技术，通光刻是加工集成电路微图形结构的关键工艺技术，通常，光刻次数越多，就意味着工艺越复杂另常，光刻次数越多，就意味着工艺越复杂另—方面，光方面，光刻所能加工的线条越细，意味着工艺线水平越高光刻工刻所能加工的线条越细，意味着工艺线水平越高光刻工艺是完成在整个硅片上进行开窗的工作艺是完成在整个硅片上进行开窗的工作 光刻技术类似于照片的印相技术，所不同的是，相纸光刻技术类似于照片的印相技术，所不同的是，相纸上有感光材料，而硅片上的感光材料上有感光材料，而硅片上的感光材料--光刻胶光刻胶是通过旋涂是通过旋涂技术在工艺中后加工的光刻掩模相当于照相底片，一定技术在工艺中后加工的光刻掩模相当于照相底片，一定的波长的光线通过这个的波长的光线通过这个“底片底片”，在光刻胶上形成与，在光刻胶上形成与掩模掩模版版（光罩）图形相反的感光区，然后进行显影、定影、坚（光罩）图形相反的感光区，然后进行显影、定影、坚膜等步骤，在光刻胶膜上有的区域被溶解掉，有的区域保膜等步骤，在光刻胶膜上有的区域被溶解掉，有的区域保留下来，形成了版图图形。

留下来，形成了版图图形光刻光刻 (Photolithography & Etching)(Photolithography & Etching)过程如下：过程如下：1 1．涂光刻胶．涂光刻胶2 2．掩膜对准．掩膜对准3 3．曝光．曝光4 4．显影．显影5 5．刻蚀：采用干法刻蚀（．刻蚀：采用干法刻蚀（Dry EtchingDry Etching））6 6．去胶：化学方法及干法去胶．去胶：化学方法及干法去胶 (1)(1)丙酮中，然后用无水乙醇丙酮中，然后用无水乙醇 (2)(2)发烟硝酸发烟硝酸 (3)(3)等离子体的干法刻蚀技术等离子体的干法刻蚀技术n光刻的八个步骤光刻的八个步骤光刻光刻曝光曝光刻蚀刻蚀光源光源曝光方式曝光方式  光刻概述光刻概述        评价光刻工艺可用三项主要的标准评价光刻工艺可用三项主要的标准：：分辨率、对准精度分辨率、对准精度分辨率、对准精度分辨率、对准精度   和和生产效率生产效率生产效率生产效率涂光刻涂光刻胶（正）胶（正）选择曝光选择曝光选择曝光选择曝光          光刻工艺流程光刻工艺流程显影（第显影（第 1 次图形转移）次图形转移）刻蚀（第刻蚀（第 2 次图形转移）次图形转移）光光源源紫外光（紫外光（UV））深紫外光（深紫外光（DUV））             g 线：线：436 nm i 线：线：365 nm KrF 准分子激光：准分子激光：248 nm ArF 准分子激光：准分子激光：193 nm极紫外光（极紫外光（EUV），），10 ~ 15 nm X 射线，射线，0.2 ~ 4 nm 电子束电子束 离子束离子束几种常见的光刻方法接触式光刻：接触式光刻：分辨率较高，但是容易造成掩膜版和分辨率较高，但是容易造成掩膜版和 光刻胶膜的损伤。

光刻胶膜的损伤接近式曝光：接近式曝光：在硅片和掩膜版之间有一个很小的间在硅片和掩膜版之间有一个很小的间 隙隙(10～～25 m)，，可以大大减小掩膜可以大大减小掩膜 版的损伤，分辨率较低版的损伤，分辨率较低投影式曝光投影式曝光：利用透镜或反射镜将掩膜版上的图形：利用透镜或反射镜将掩膜版上的图形 投影到衬底上的曝光方法，目前用的投影到衬底上的曝光方法，目前用的 最多的曝光方式最多的曝光方式有掩模有掩模方式方式无掩模方式无掩模方式（聚焦扫描方式）（聚焦扫描方式）接触式接触式非接触式非接触式接近式接近式投影式投影式反射反射折射折射全场投影全场投影步进投影步进投影扫描步进投影扫描步进投影矢量扫描矢量扫描光栅扫描光栅扫描混合扫描混合扫描曝曝光光方方式式三种光刻方式三种光刻方式•光刻三要素：光刻三要素：光刻胶、掩膜版和光刻机光刻胶、掩膜版和光刻机–光光刻刻胶胶又又叫叫光光致致抗抗蚀蚀剂剂，，它它是是由由光光敏敏化化合合物物、、基基体体树树脂和有机溶剂等混合而成的胶状液体脂和有机溶剂等混合而成的胶状液体–光光刻刻胶胶受受到到特特定定波波长长光光线线的的作作用用后后，，导导致致其其化化学学结结构构发发生生变变化化，，使使光光刻刻胶胶在在某某种种特特定定溶溶液液中中的的溶溶解解特特性性改改变变•正胶：正胶：分辨率高，在超大规模集成电路工艺中，一般只分辨率高，在超大规模集成电路工艺中，一般只 采用正胶采用正胶•负胶：负胶：分辨率差，适于加工线宽分辨率差，适于加工线宽≥3 m的线条的线条正胶：曝光后可溶正胶：曝光后可溶负胶：曝光后不可溶负胶：曝光后不可溶 曝光后烘焙曝光后烘焙•DUV曝光后烘焙曝光后烘焙–温度均匀性温度均匀性–曝光后烘焙曝光后烘焙 延迟（表层不溶延迟（表层不溶的阻止层）的阻止层）• I-Line曝光后烘焙曝光后烘焙•目的：减少驻波效应目的：减少驻波效应 DUV胶的胶的胺污染引胺污染引起的起的 “T-top”PAGPAGPAGPAGPAGPAGPAGPAGH+H+H+H+H+H+H+H+H+H+}Region of unexposed photoresistNeutralized photoresistAcid-catalyzed reaction of exposed resist (post PEB)DevelopmentResist T-topping曝光后烘焙引起驻波减少曝光后烘焙引起驻波减少(d)  Result of PEBPACPACPACPACPACPACPACPACPACPACPACPACPACPACPACPACPAC(c)  PEB causes PAC diffusion PACPACPACPACPACPACPACPACPACPACPACPACPACPACPACPACPACUnexposed photoresistExposed photoresist(b)  Striations in resistPACPACPACPACPACPACPACPACPACPACPACPACPACPACPACPACPACPACPACPACPACPACPACStanding waves(a)  Exposure to UV light 显影显影•负胶负胶•正胶正胶•显影方法显影方法•胶显影参数胶显影参数 胶显影出现的各种现象XXXÖ ÖUnder developIncomplete developCorrectdevelopSevere overdevelopResistSubstrate负胶交联负胶交联UVCrosslinksUnexposed resistExposed resist显影时光刻胶会膨胀变形显影时光刻胶会膨胀变形正胶显影正胶显影曝光的胶溶解在显影曝光的胶溶解在显影液中液中.Unexposedpositive resistCrosslinked resist显影方法显影方法•连续喷雾显影连续喷雾显影•旋覆浸没显影旋覆浸没显影 连续喷雾光刻胶显影连续喷雾光刻胶显影Vacuum chuckSpindle connected to spin motorTo vacuum pump(a)  硅片轨道系统硅片轨道系统(b)  喷雾式显影喷雾式显影Figure 15.6 Wafer Transfer SystemLoad stationTransfer station气相成底膜涂胶显影和清洗去边软烘冷板冷板坚膜Wafer stepper (Alignment/Exposure system)旋覆浸没光刻胶显影旋覆浸没光刻胶显影(d)  甩干甩干(c)  DI H2O 清洗清洗(b)  甩掉多余的显影液甩掉多余的显影液(a)  旋覆浸没式旋覆浸没式滴显影液滴显影液浸没式浸没式胶显影参数胶显影参数•显影温度显影温度 15~25°C•显影时间显影时间 •显影液用量显影液用量•当量浓度当量浓度•清洗清洗•排风排风•硅片吸盘硅片吸盘 坚膜•坚膜特点坚膜特点:–显影后曝光显影后曝光–蒸发显影液中的溶剂蒸发显影液中的溶剂–使光刻胶变硬使光刻胶变硬–增加光刻胶与硅片的粘附性增加光刻胶与硅片的粘附性–为下一步工艺准备为下一步工艺准备–比软烘的温度高，但不能使光刻胶变形比软烘的温度高，但不能使光刻胶变形•用用 Deep UV坚膜坚膜 高温下变软的光刻胶流动高温下变软的光刻胶流动Photoresist正胶正胶130°，负胶，负胶150°显影后检查显影后检查•查找缺陷查找缺陷•在腐蚀或离子注入前检查在腐蚀或离子注入前检查 Prevents Scrap•检查光刻工艺的好坏检查光刻工艺的好坏•硅片返工硅片返工 自动显影检查设备Photograph courtesy of Advanced Micro Devices, Leica Auto Inspection stationPhoto 15.1 光刻、显影检查及返工流程光刻、显影检查及返工流程1. Vapor primeHMDS2. Spin coatResist3. Soft bake4. Align and exposeUV lightMask5. Post-exposure bake6. Develop7. Hard bake8. Develop inspectO2PlasmaPlasmaStrip and cleanRejected wafersPassed wafersIon implantEtchReworkFigure 15.9 先进的光刻工艺先进的光刻工艺（非光学光刻）（非光学光刻）•下一代光刻下一代光刻–极紫外极紫外 (EUV)–角度限制投影电子束光刻角度限制投影电子束光刻SCALPEL–离子束投影离子束投影Ion Projection Lithography (IPL)–X-Ray•先进的光刻胶工艺先进的光刻胶工艺–发展的方向（正胶、化学放大发展的方向（正胶、化学放大DUV））–DESIRE 扩散增强甲硅烷基光刻胶工艺扩散增强甲硅烷基光刻胶工艺 光刻技术的改进光刻技术的改进极紫外光刻技术示意图极紫外光刻技术示意图Step-and-scan wafer stageStep-and-scan 4× reflection reticleHigh power laserTarget materialEUVPlasmaMultilayer coated mirrors¼ image of reticleVacuum chamberRedrawn from International SEMATECH's Next Generation Lithography Workshop BrochureFigure 15.10 SCALPEL示意图示意图Electron beamStep-and-scan wafer stageElectrostatic lens system(4:1 reduction)Step-and-scan reticle stageVacuum chamberIon beamStep-and-scan wafer stageElectrostatic lens system(4:1 reduction)Vacuum chamberIon sourceMaskReference plate离子束投影Redrawn from International SEMATECH's Next Generation Lithography Workshop BrochureFigure 15.12 X-ray 光谱10 nm0.1 nm1 nm100 nmMUVDUVHglamp同步加速器同步加速器UV SpectrumEUVSoft X-raysHard X-rays准分子激光器准分子激光器Figure 15.13 X-ray 掩膜示意图X-raysSilicon wafer薄膜玻璃架刻到下层薄膜的窗口镀金度铬图形吸收 X-ray扫描 X-rays 通过类似这种光掩膜版被指向生产硅片.Figure 15.14 MOS器件中的辐射损伤器件中的辐射损伤光刻胶及光刻的发展光刻胶及光刻的发展Negative photoresistPositive photoresist (DNQ-酚醛树脂)Chemical amplification先进的光刻胶先进的光刻胶顶层表面成像顶层表面成像接触式曝光机G线分步重复光刻机I线分步重复光刻机扫描式光刻机DUV步进扫描光刻机DUV分步重复光刻机EUV步进扫描光刻机SCALPELIPL, X-rayPSM, OAI1970s 10 mm 1.2 mm 0.35 mm 0.40 mm 0.18 mm 2010 0. 1 mm 2000s 0. 13 mm 1 mm 1980s 1990s Figure 15.15 顶层表面成像顶层表面成像Figure 15.16 Exposed resistUnexposed resistUV(a) Normal exposure process(d) Final developed patternO2 plasma develop(b) Post exposure bakeCrosslinkedExposedSilylated exposed resist(c) 气相甲硅烷基化作用SiSiSiSiHMDS附：掩膜版的构造及质量要求•1.每个微小图形要有高的图像质量每个微小图形要有高的图像质量•2. 图形边缘清晰、锐利、无毛刺图形边缘清晰、锐利、无毛刺•3.整套掩膜版能够很好对准整套掩膜版能够很好对准•4. 图形与衬底要有足够的反差图形与衬底要有足够的反差•5.掩膜尽量无针孔、小岛和划痕掩膜尽量无针孔、小岛和划痕•6. 版面平整、光洁、坚固耐磨版面平整、光洁、坚固耐磨新光刻技术新光刻技术•在在2003版的《国际半导体技术蓝图》中，增加了一个可能版的《国际半导体技术蓝图》中，增加了一个可能解决方案解决方案——浸入式光刻（浸入式光刻（Immersion lithography），），2004年年12月，《国际半导体技术蓝图》编委会发行了月，《国际半导体技术蓝图》编委会发行了《国际半导体技术蓝图》修订版，其中光刻一章在可能解《国际半导体技术蓝图》修订版，其中光刻一章在可能解决方案表中又给出了一些显著的变化，把决方案表中又给出了一些显著的变化，把193纳米光刻纳米光刻（非浸入式）扩展到（非浸入式）扩展到90纳米节点，并且撤消了离子投影光纳米节点，并且撤消了离子投影光刻和近接刻和近接X射线光刻。

而在射线光刻而在2005年的蓝图中，浸入式光刻年的蓝图中，浸入式光刻继续着其既有的发展态势，作为继续着其既有的发展态势，作为2007年达到年达到65nm、、2010年达到年达到45nm、、2013年达到年达到32nm和和2016年达到年达到22nm节节点的关键技术点的关键技术• 浸入式光刻是指在曝光镜头和硅片之间充满水（或液体）浸入式光刻是指在曝光镜头和硅片之间充满水（或液体）而不是空气对于而不是空气对于193纳米光刻来说，水是最佳液体但纳米光刻来说，水是最佳液体但浸入式光刻技术仍有很多不确定性，如对置于水中的硅片浸入式光刻技术仍有很多不确定性，如对置于水中的硅片和光刻性能带来的影响，磨料中水吸附如何进行和光刻性能带来的影响，磨料中水吸附如何进行CD控制、控制、模样外形控制等模样外形控制等光刻工艺的发展光刻工艺的发展7070年代年代的光刻只能加工的光刻只能加工3 3～～5μm5μm线宽，线宽，4 4““～～5 5”” wafer wafer那时的那时的光刻机采用接触式的如光刻机采用接触式的如CanonCanon，，采用紫外线光源，分辨率较低采用紫外线光源，分辨率较低8080年代年代发明了发明了1:11:1投影式光刻机，可加工投影式光刻机，可加工1 1～～2μm2μm线宽，线宽，5 5““～～6 6““waferwafer。

代表产品有美国的代表产品有美国的UltrotecUltrotec 存在问题是：存在问题是：（（1 1））MaskMask难做，要求平坦，不能有缺陷难做，要求平坦，不能有缺陷2 2））WaferWafer与与MaskMask之间有间隙，使一些尘埃颗之间有间隙，使一些尘埃颗 粒加入，造成粒加入，造成影响另外，有光折射产生另外，有光折射产生8080年代后期年代后期出现了出现了Wafer StepperWafer Stepper，，10:110:1或或5:15:1，使芯片加，使芯片加工进入了工进入了0.8μm0.8μm的时代代表产品有：代表产品有：美国的美国的GCAGCA，，日本的日本的CanonCanon，，NikonNikon及荷兰的及荷兰的ASMASM 另外，美国的另外，美国的KLAKLA更加先进，它带有更加先进，它带有MaskMask检查及修正检查及修正系统它将系统它将MaskMask上的图形缩小上的图形缩小5 5倍后投影到硅片上，因倍后投影到硅片上，因此，使缺陷缩小很多它使用的光源仍是紫外线，但是用此，使缺陷缩小很多它使用的光源仍是紫外线，但是用的是的是g-lineg-line，，波长在波长在436nm436nm，可加工：，可加工：0.80.8～～1.0μm1.0μm（（大生产），大生产），0.50.5～～0.8μm0.8μm（（科研）芯片。

科研）芯片•9090年代年代对对StepperStepper的改进大致两个方面的改进大致两个方面一是在光源上：一是在光源上：（（1 1）用）用i-linei-line的紫外线，波长在的紫外线，波长在365nm365nm，，可加工可加工0.50.5～～0.6μm0.6μm 的芯片2 2）若用准分子激光光源）若用准分子激光光源KrFKrF下，波长大约下，波长大约248nm248nm，，可加工：可加工： 0.250.25～～0.5μm0.5μm（大生产（大生产)0.07)0.07～～ 0.1μm0.1μm（（科研）的芯片科研）的芯片3 3）还有用电子束（）还有用电子束（E-BeamE-Beam））光源的，主要用于做光源的，主要用于做MaskMask二是在制作二是在制作MaskMask上下功夫，并带有上下功夫，并带有MaskMask的修正功能，可通过的修正功能，可通过检测检测MaskMask上的缺陷，调整曝光过程上的缺陷，调整曝光过程•如果光刻胶是正性胶如果光刻胶是正性胶(光致分解光致分解)，则光刻胶，则光刻胶膜的图形与掩模版图形属性相同膜的图形与掩模版图形属性相同。

•如果光刻胶是负性胶如果光刻胶是负性胶(光致聚合光致聚合)，则光刻胶，则光刻胶膜的图形与掩模版图形属性相反膜的图形与掩模版图形属性相反  衍射衍射        当一个光学系统中的所有尺寸，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，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可以将光作为在光学元件间直线运动的粒子来处理的粒子来处理        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增加，从而影响光刻的分辩率 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无衍射效应有衍射效应有衍射效应光光强强        定义图形的定义图形的 调制传输函数调制传输函数调制传输函数调制传输函数   MTFMTF 为为        无衍射效应时，无衍射效应时，MTF = 1 ；；有衍射效应时有衍射效应时 ，，MTF < 1 。

光栅的周期（或图形的尺寸）越小，则光栅的周期（或图形的尺寸）越小，则 MTF 越小；光的波长越小；光的波长越短，则越短，则 MTF 越大        图形的分辩率还要受光刻胶对光强的响应特性的影响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：光强不到临界光强 Dcr 时不发生反应，光强时不发生反应，光强超过超过 Dcr 时完全反应，衍射只造成线宽和间距的少量变化时完全反应，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实际光刻胶实际光刻胶：：：：光强不到光强不到 D0 时不发生反应，光强介于时不发生反应，光强介于 D0 和和 D100 之间时发生部分反应，光强超过之间时发生部分反应，光强超过 D100 时完全反应，使线条时完全反应，使线条边缘出现模糊区在通常的光刻胶中，当边缘出现模糊区在通常的光刻胶中，当 MTF < 0.5 时，图形时，图形不再能被复制不再能被复制 光源系统光源系统        对光源系统的要求对光源系统的要求        1、有适当的波长波长越短，可曝光的特征尺寸就越小；、有适当的波长。

波长越短，可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；、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曝光能量必须均匀地分布在曝光区        常用的常用的 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有许多尖锐的光谱线，经过滤光后使用其中的 g 线（线（436 nm））或或  i 线（线（365 nm）　　高压汞灯的光谱线　　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 lamp        由于衍射效应是光学曝光技术中限制分辨率的主要因素，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 深紫外光深紫外光深紫外光深紫外光。

实际实际使用的深紫外光源有使用的深紫外光源有 KrFKrF   准分子激光（准分子激光（准分子激光（准分子激光（248248   nmnm）、）、）、）、ArFArF   准分子准分子准分子准分子激光（激光（激光（激光（193193   nmnm））））和和 F2 准分子激光（准分子激光（157 nm））等等         深紫外光的曝光方式与紫外光基本相同，但需注意两点，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、光刻胶        2、掩模与透镜材料、掩模与透镜材料        248 nm 波长的光子能量为波长的光子能量为 4.9 eV，，193 nm 波长的光子能量波长的光子能量为为 6.3 eV ，而纯净石英的禁带宽度约为，而纯净石英的禁带宽度约为 8 eV波长越短，掩模波长越短，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透镜发热        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年以前，几乎所有光刻机都采用 g 线线 (436 nm) 光源，光源，当时的最小线宽为当时的最小线宽为 1  m 以上以上 。

1985 年以后开始出现少量年以后开始出现少量 i 线线(365 nm) 光刻机，相应的最小线宽为光刻机，相应的最小线宽为 0.5  m 左右从 1990 年开年开始出现始出现 DVU 光刻机，相应的最小线宽为光刻机，相应的最小线宽为 0.25  m 左右从1992年起年起 i 线光刻机的数量开始超过线光刻机的数量开始超过 g 线光刻机线光刻机 截止到 1998 年年 ，，g 线、线、i 线和线和 DVU 光刻机的销售台数比例约为光刻机的销售台数比例约为 1 : 4 : 2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、接触式光刻机一、接触式光刻机一、接触式光刻机SiU. V.MaskP. R.SiO2        优点优点优点优点：：：：设备简单；理论上设备简单；理论上 MTF 可达到可达到 1，因此分辨率比较，因此分辨率比较高，约高，约 0.5  m                 缺点缺点：掩模版寿命短（：掩模版寿命短（10 ~ 20 次），硅片上图形缺陷多，次），硅片上图形缺陷多，光刻成品率低光刻成品率低        二、接近式光刻机二、接近式光刻机二、接近式光刻机二、接近式光刻机g = 10 ~ 50  m         优点优点优点优点：：：：掩模寿命长（可提高掩模寿命长（可提高 10 倍以上），图形缺陷少。

倍以上），图形缺陷少                缺点缺点：衍射效应严重，使分辨率下降衍射效应严重，使分辨率下降         最小可分辨的线宽为最小可分辨的线宽为式中，式中，k 是与光刻胶处理工艺有关的常数，通常接近于是与光刻胶处理工艺有关的常数，通常接近于 1 投影式光刻机投影式光刻机式中，式中，k1 是与光刻胶的光强响应特性有关的常数，约为是与光刻胶的光强响应特性有关的常数，约为 0.75  NA 为镜头的为镜头的 数值孔径数值孔径数值孔径数值孔径，，        投影式光刻机的分辨率由投影式光刻机的分辨率由 雷利第一公式雷利第一公式雷利第一公式雷利第一公式   给出，即给出，即一、分辨率与焦深一、分辨率与焦深n 为折射率，为折射率，    为半接收角为半接收角NA 的典型值是的典型值是 0.16 到到 0.8        增大增大 NA 可以提高分辨率，但却受到可以提高分辨率，但却受到 焦深焦深焦深焦深   的限制        分辨率与焦深对波长和数值孔径有相互矛盾的要求，需要分辨率与焦深对波长和数值孔径有相互矛盾的要求，需要折中考虑增加折中考虑。

增加 NA 线性地提高分辨率，平方关系地减小焦深，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所以一般选取较小的 NA为了提高分辨率，可以缩短波长为了提高分辨率，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，即给出，即        二、二、二、二、1 : 1 1 : 1 扫描反射投影光刻机扫描反射投影光刻机扫描反射投影光刻机扫描反射投影光刻机掩模掩模硅硅片片反射凹镜反射凹镜反射凸镜反射凸镜光源光源优点优点优点优点    1、掩模寿命长，图形缺陷少掩模寿命长，图形缺陷少    2、无色散，可以使用连续波长、无色散，可以使用连续波长光源，无驻波效应无折射系统光源，无驻波效应无折射系统中的象差、弥散等的影响中的象差、弥散等的影响    3、曝光效率较高曝光效率较高缺点缺点        数值孔径数值孔径 NA 太小，是限制太小，是限制分辨率的主要因素分辨率的主要因素        三、分步重复缩小投影光刻机三、分步重复缩小投影光刻机三、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，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分辨率与焦深的分辨率与焦深的矛盾矛盾矛盾矛盾、、线宽与视场的矛盾线宽与视场的矛盾线宽与视场的矛盾线宽与视场的矛盾   越来越严重。

为解决这些问题，开发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（出了分步重复缩小投影曝光机（ Direct  Step   on   the  Wafer ，，简称简称 DSW，，Stepper）早期采用早期采用 10 : 1 缩小，现在更常用的缩小，现在更常用的是是 5 : 1 或或 4 : 1光源光源聚光透镜聚光透镜投影器投影器掩模掩模硅片硅片UV 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        缺点缺点        1、曝光效率低；、曝光效率低；        2、设备复杂、昂贵设备复杂、昂贵                优点优点优点优点        1、掩模版寿命长，图形缺陷少；、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、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；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、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。

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大时，例如当芯片的面积继续增大时，例如 4G DRAM 的面积已达到的面积已达到 32×32 mm2 ，，线宽为线宽为 0.13  m ，，已达到视场的极限已达到视场的极限 于是又出于是又出现了步进扫描投影曝光机，当然设备就更加复杂和昂贵了现了步进扫描投影曝光机，当然设备就更加复杂和昂贵了 先进掩模概念先进掩模概念        一、保护薄膜一、保护薄膜一、保护薄膜一、保护薄膜                分步重复缩小投影虽然可以减少小缺陷的影响，但大缺陷分步重复缩小投影虽然可以减少小缺陷的影响，但大缺陷分步重复缩小投影虽然可以减少小缺陷的影响，但大缺陷分步重复缩小投影虽然可以减少小缺陷的影响，但大缺陷的影响更严重，因为它可以被复制到每一个小视场中的影响更严重，因为它可以被复制到每一个小视场中的影响更严重，因为它可以被复制到每一个小视场中的影响更严重，因为它可以被复制到每一个小视场中                        解决的办法是给步进机的掩模版蒙上一层保护薄膜，并使解决的办法是给步进机的掩模版蒙上一层保护薄膜，并使薄膜离开掩模版表面约薄膜离开掩模版表面约 1 cm。

这样可使任何落在薄膜上的颗粒这样可使任何落在薄膜上的颗粒保持在光学系统的聚焦平面之外保持在光学系统的聚焦平面之外        另一种用于接触式光刻机的保护薄膜直接涂在掩模版上另一种用于接触式光刻机的保护薄膜直接涂在掩模版上 ，，它可以使接触式光刻在保持高分辨率优点的同时，提高掩模版它可以使接触式光刻在保持高分辨率优点的同时，提高掩模版的使用寿命，减少芯片上的缺陷的使用寿命，减少芯片上的缺陷二、抗反射膜二、抗反射膜        光线在掩模版和透镜表面的部分反射会使光能受到损失光线在掩模版和透镜表面的部分反射会使光能受到损失有些光线经多次反射后会打到硅片上，使图形质量受到影响有些光线经多次反射后会打到硅片上，使图形质量受到影响为了减小这个问题，一种新掩模技术采用在掩模版靠近镜头的为了减小这个问题，一种新掩模技术采用在掩模版靠近镜头的一面加上一面加上 10% 的抗反射剂的抗反射剂                由公式由公式可知，由于可知，由于 NA 对对焦深的作用更大，所以通常希望采用较小的焦深的作用更大，所以通常希望采用较小的NA 值一般将值一般将 NA 值取为值取为 0.16 到到 0.6。

当当 k1 为为 0.75 时，有时，有   ~        上上式在式在一段时期内被认为是光学曝光法的分辨率极限若一段时期内被认为是光学曝光法的分辨率极限若要进一步减小线宽，只能采用波长更短的光源，例如要进一步减小线宽，只能采用波长更短的光源，例如 X 射线            三、相移掩模技术三、相移掩模技术         对光刻胶和镜头等的改进只能稍微减小对光刻胶和镜头等的改进只能稍微减小 k1 值而 相移掩模相移掩模技术技术 等等 超分辨率技术超分辨率技术 的发明使的发明使 k1 突破性地下降了一半以上突破性地下降了一半以上 ，，从而使分辨率极限进入了从而使分辨率极限进入了 亚波长亚波长 范围，使范围，使 i 线和深紫外光线和深紫外光 的分的分辨率分别达到了辨率分别达到了 0.25  m 和和 0.10  m，，同时也使同时也使 X 射线光刻机的射线光刻机的使用比原来预期的大大推迟使用比原来预期的大大推迟        除了相移掩模技术外，超分辨率技术还包括除了相移掩模技术外，超分辨率技术还包括 光学邻近效应光学邻近效应修正技术修正技术 和和 双层及多层光刻胶技术双层及多层光刻胶技术 等。

等        相移掩模技术的关键是在掩模的透光区相间地涂上相移层，相移掩模技术的关键是在掩模的透光区相间地涂上相移层，并使用相干光源这使透过相邻透光区的光线具有相反的相位，并使用相干光源这使透过相邻透光区的光线具有相反的相位，从而使其衍射部分因干涉作用而相互抵消从而使其衍射部分因干涉作用而相互抵消        相移掩模技术对制版技术提出了新的要求，如相移材料的相移掩模技术对制版技术提出了新的要求，如相移材料的选择、制备与加工，制版软件中对相移层图形的设计等选择、制备与加工，制版软件中对相移层图形的设计等掩模版掩模版掩模处的光掩模处的光幅度幅度衬底处衬底处的光的光幅度幅度衬底处衬底处的的光强度光强度相移掩模相移掩模普通掩模普通掩模        边缘相移掩模技术边缘相移掩模技术        把掩模设想为一个曝光矩阵把掩模设想为一个曝光矩阵 M，由，由许多许多 0 和和 1 的像素组成，的像素组成，0 代表透明区，代表透明区，1 代表不透明区当用这块掩模对硅片曝光后，代表不透明区当用这块掩模对硅片曝光后，在硅片表面可以得到一个包含相同数目像素的图形矩阵在硅片表面可以得到一个包含相同数目像素的图形矩阵 W。

在在理想情况下，这两个矩阵应该相同但是在实际情况下，由于理想情况下，这两个矩阵应该相同但是在实际情况下，由于曝光工艺会造成硅片表面图形的畸变，从而影响图形矩阵曝光工艺会造成硅片表面图形的畸变，从而影响图形矩阵 W 可以建立一个矩阵可以建立一个矩阵 S 来表示从矩阵来表示从矩阵 M 到矩阵到矩阵 W 的变化，即的变化，即                                              W = SM        矩阵矩阵 S 中包含了光学系统的所有信息理想的中包含了光学系统的所有信息理想的 S 是一个单是一个单位矩阵，但实际上它包含了反映图形畸变的非对角元素位矩阵，但实际上它包含了反映图形畸变的非对角元素        四、光学邻近效应修正技术四、光学邻近效应修正技术         所谓光学邻近效应修正（所谓光学邻近效应修正（OPC））就是求出矩阵就是求出矩阵 S 的逆矩阵的逆矩阵 S- -1，用来对原来的掩模进行修正，得到新掩模的曝光矩阵为，用来对原来的掩模进行修正，得到新掩模的曝光矩阵为                                             M1 = S- -1M         用新掩模对硅片曝光后得到的图形矩阵为用新掩模对硅片曝光后得到的图形矩阵为                                  W1 = SM1 = S S- -1M = M        于是在硅片上得到了与原来掩模完全相同的图形。

于是在硅片上得到了与原来掩模完全相同的图形        矩阵矩阵 S-1是很大的，可能包含是很大的，可能包含 1010 个以上的像素，但也是一个以上的像素，但也是一个很稀疏的矩阵如果结合应用多层部分吸收材料，可以得到个很稀疏的矩阵如果结合应用多层部分吸收材料，可以得到更精细的更精细的 OPC 掩模版，但价格也十分昂贵掩模版，但价格也十分昂贵表面反射和驻波表面反射和驻波        一、表面反射一、表面反射        穿过光刻胶的光会从硅片表面反射出来，从而改变光刻胶穿过光刻胶的光会从硅片表面反射出来，从而改变光刻胶吸收的光能，特别是硅片表面的金属层会反射较多的光吸收的光能，特别是硅片表面的金属层会反射较多的光        硅片表面倾斜的台阶侧面会将光反射到非曝硅片表面倾斜的台阶侧面会将光反射到非曝光区        解决办法解决办法        1、改变淀积参数以控制薄膜的反射率；、改变淀积参数以控制薄膜的反射率；        2、使表面平坦化；、使表面平坦化；        3、在光刻胶下加一层抗反射膜、在光刻胶下加一层抗反射膜        二、驻波二、驻波         驻波是由入射光和反射光之间的干涉造成的。

驻波的波节驻波是由入射光和反射光之间的干涉造成的驻波的波节与波腹之间的间隔为与波腹之间的间隔为λ/ /4n = 0.16λ对对 λ = 200 ~ 400 nm 的紫外的紫外光，此间隔为光，此间隔为 32 ~ 64 nm ，，小于光刻胶厚度胶中不同的光强小于光刻胶厚度胶中不同的光强分布，将导致不同的显影速率，给线宽的控制带来困难分布，将导致不同的显影速率，给线宽的控制带来困难 对准对准        大规模集成电路制造对光刻对准的规定是，对准误差应该大规模集成电路制造对光刻对准的规定是，对准误差应该不大于特征尺寸的不大于特征尺寸的 1/4 到到 1/3         为了便于对准，在掩模上必须设置专门的对准标记通过为了便于对准，在掩模上必须设置专门的对准标记通过比较硅片表面的反射光和透过掩模返回的光来实现对准比较硅片表面的反射光和透过掩模返回的光来实现对准        在步进光刻机上通常有自动对准系统为了提高对准效率，在步进光刻机上通常有自动对准系统为了提高对准效率，可以先作一次人工对准可以先作一次人工对准        掩模的热膨胀也会产生对准误差为避免掩模的热膨胀也会产生对准误差。

为避免 8 英寸掩模产生英寸掩模产生0.1  m 的膨胀，掩模的温度变化必须控制在的膨胀，掩模的温度变化必须控制在 0.75 C 左右小结小结        限制光学曝光方式的分辨率的主要因素是衍射效应最早限制光学曝光方式的分辨率的主要因素是衍射效应最早使用的接触式光刻机，分辨率可到使用的接触式光刻机，分辨率可到 1  m以下，但容易损伤掩模以下，但容易损伤掩模和硅片解决的办法是使用接近式光刻机，但要影响分辨率解决的办法是使用接近式光刻机，但要影响分辨率介绍了具有亚微米分辨率的投影曝光系统为了解决分辨率和介绍了具有亚微米分辨率的投影曝光系统为了解决分辨率和焦深之间的矛盾，可以采用分步重复的方式最后介绍了通过焦深之间的矛盾，可以采用分步重复的方式最后介绍了通过改进掩模制作提高分辨率的方法，即相移掩模技术和光学邻近改进掩模制作提高分辨率的方法，即相移掩模技术和光学邻近效应修正技术效应修正技术        随着光刻技术的不断发展，光学曝光的分辨率已进入亚波随着光刻技术的不断发展，光学曝光的分辨率已进入亚波长范围现在利用长范围现在利用 193 nm 光源及光源及 OPC 技术，已获得技术，已获得 0.13  m的的线宽，预期可达到线宽，预期可达到 0.10  m ，，甚至达到甚至达到 0.07  m 。

光学曝光的各种曝光方式及其利弊小结光学曝光的各种曝光方式及其利弊小结接接触触式式非非接接触触式式优点：设备简单，分辨率较高优点：设备简单，分辨率较高缺点：掩模版与晶片易损伤，成品率低缺点：掩模版与晶片易损伤，成品率低接近式接近式优点：掩模版寿命长，成本低优点：掩模版寿命长，成本低缺点：衍射效应严重，影响分辨率缺点：衍射效应严重，影响分辨率投影式投影式全反射全反射折射折射优点：无像差，无驻波效应影响优点：无像差，无驻波效应影响缺点：数值孔径小，分辨率低缺点：数值孔径小，分辨率低优点：数值孔径大，分辨率高，优点：数值孔径大，分辨率高，对硅片平整度要求低，对硅片平整度要求低，掩模掩模制造方便制造方便缺点：曝光效率低，设备昂贵缺点：曝光效率低，设备昂贵 光刻胶光刻胶        一、光刻胶的类型一、光刻胶的类型        凡是在能量束（光束、电子束、离子束等）的照射下，以凡是在能量束（光束、电子束、离子束等）的照射下，以交联反应为主的光刻胶称为交联反应为主的光刻胶称为 负性光刻胶负性光刻胶负性光刻胶负性光刻胶，简称，简称 负胶负胶负胶负胶        凡是在能量束（光束、电子束、离子束等）的照射下，以凡是在能量束（光束、电子束、离子束等）的照射下，以降解反应为主的光刻胶称为降解反应为主的光刻胶称为 正性光刻胶正性光刻胶正性光刻胶正性光刻胶，简称，简称 正胶正胶正胶正胶。

 光刻胶的类型光刻胶的类型        光刻胶也称为光刻胶也称为 光致抗蚀剂光致抗蚀剂（（Photoresist，，P. R.）        1 1、灵敏度、灵敏度、灵敏度、灵敏度        灵敏度的定义灵敏度的定义        单位面积上入射的使光刻胶全部发生反应的最小光能量或单位面积上入射的使光刻胶全部发生反应的最小光能量或最小电荷量（对电子束胶），称为光刻胶的灵敏度，记为最小电荷量（对电子束胶），称为光刻胶的灵敏度，记为 S ，，也就是前面提到过的也就是前面提到过的 D100 S 越小，则灵敏度越高越小，则灵敏度越高 通常负胶的灵敏度高于正胶通常负胶的灵敏度高于正胶通常负胶的灵敏度高于正胶通常负胶的灵敏度高于正胶        灵敏度太低会影响生产效率，所以通常希望光刻胶有较高灵敏度太低会影响生产效率，所以通常希望光刻胶有较高的灵敏度但灵敏度太高会影响分辨率的灵敏度但灵敏度太高会影响分辨率 光刻胶的特性光刻胶的特性        灵敏度曲线（对比度曲线）灵敏度曲线（对比度曲线）1.00.50D0入射剂量入射剂量（（C/ /cm2））未反应的归一化膜厚未反应的归一化膜厚D100        2 2、分辨率、分辨率、分辨率、分辨率        下面讨论分辨率与灵敏度的关系。

当入射电子数为下面讨论分辨率与灵敏度的关系当入射电子数为 N 时，时，由于随机涨落，实际入射的电子数在由于随机涨落，实际入射的电子数在               范围内为保证范围内为保证出现最低剂量时不少于规定剂量的出现最低剂量时不少于规定剂量的 90%，也即，也即                         由此可得由此可得                    因此对于小尺寸曝光区，必须满足因此对于小尺寸曝光区，必须满足        光刻工艺中影响分辨率的因素有：光刻工艺中影响分辨率的因素有：光源、曝光方式光源、曝光方式光源、曝光方式光源、曝光方式   和和 光刻光刻光刻光刻胶胶胶胶本身本身本身本身（包括灵敏度、对比度、颗粒的大小、显影时的溶胀、（包括灵敏度、对比度、颗粒的大小、显影时的溶胀、电子散射等）电子散射等）通常正胶的分辨率要高于负胶通常正胶的分辨率要高于负胶式中，式中，Wmin 为最小尺寸，即分辨率可见，为最小尺寸，即分辨率可见，若灵敏度越高（即若灵敏度越高（即若灵敏度越高（即若灵敏度越高（即   S S 越小），则越小），则越小），则越小），则   WWminmin   就越就越就越就越大，分辨率就越差。

大，分辨率就越差大，分辨率就越差大，分辨率就越差        例如，负性电子束光刻胶例如，负性电子束光刻胶 COP 的的 S = 0.3××10 -6C/ /cm2，，则其则其 Wmin = 0.073  m 若其灵敏度提高到若其灵敏度提高到 S = 0.03××10 -6C/ /cm2 ，，则则其其 Wmin 将增大到将增大到 0.23  m                 3 3、对比度、对比度、对比度、对比度        对比度是图中对数坐标下对比度曲线的斜率，表示光刻胶对比度是图中对数坐标下对比度曲线的斜率，表示光刻胶区分掩模上亮区和暗区的能力的大小，即对剂量变化的敏感程区分掩模上亮区和暗区的能力的大小，即对剂量变化的敏感程度灵敏度曲线越陡，度灵敏度曲线越陡，D0 与与 D100 的间距就越小，则的间距就越小，则    就越大，就越大，这样有助于得到清晰的图形轮廓和高的分辨率一般光刻胶的这样有助于得到清晰的图形轮廓和高的分辨率一般光刻胶的对比度在对比度在 0.9 ~ 2.0 之间对于亚微米图形，要求对比度大于之间对于亚微米图形，要求对比度大于 1        通常正胶的对比度要高于负胶。

通常正胶的对比度要高于负胶通常正胶的对比度要高于负胶通常正胶的对比度要高于负胶D0D100        对比度的定义为对比度的定义为        光进入光刻胶后，其强度按下式衰减光进入光刻胶后，其强度按下式衰减       式中，式中，α为光刻胶的光吸收系数设为光刻胶的光吸收系数设 TR 为光刻胶的厚度，则可为光刻胶的厚度，则可定义光刻胶的定义光刻胶的 光吸收率光吸收率   为为        可以证明，对比度　与光吸收系数可以证明，对比度　与光吸收系数α及光刻胶厚度及光刻胶厚度 TR 之间之间有如下关系有如下关系     　　　　　　　　减小光吸收系数与胶膜厚度有利于提高对比度减小光吸收系数与胶膜厚度有利于提高对比度               一个与对比度有关的光刻胶性能指标是一个与对比度有关的光刻胶性能指标是 临界调制传输函数临界调制传输函数临界调制传输函数临界调制传输函数   CMTFCMTF ，，它代表在光刻胶上获得能被分辨的图形所必须的最小它代表在光刻胶上获得能被分辨的图形所必须的最小调制传输函数，其定义为调制传输函数，其定义为               利用对比度的公式，可得利用对比度的公式，可得                CMTF 的典型值为的典型值为 0.4。

如果光学系统的如果光学系统的 MTF 小于小于 CMTF，，则其图像就不能被分辨；如果光学系统的则其图像就不能被分辨；如果光学系统的 MTF 大于大于 CMTF，，就就有可能被分辨有可能被分辨  临界调制传输函数临界调制传输函数   光刻胶材料光刻胶材料        1、负性光刻胶、负性光刻胶        主要有聚肉桂酸系（聚酯胶）和环化橡胶系两大类，前者主要有聚肉桂酸系（聚酯胶）和环化橡胶系两大类，前者以柯达公司的以柯达公司的 KPR 为代表，后者以为代表，后者以 OMR 系列为代表系列为代表         2、正性光刻胶、正性光刻胶        主要以重氮醌为感光化合物，以酚醛树脂为基体材料最主要以重氮醌为感光化合物，以酚醛树脂为基体材料最常用的有常用的有 AZ –1350 系列正胶的主要优点是分辨率高，缺点是系列正胶的主要优点是分辨率高，缺点是灵敏度、耐刻蚀性和附着性等较差灵敏度、耐刻蚀性和附着性等较差        光刻胶通常有三种成分：感光化合物、基体材料光刻胶通常有三种成分：感光化合物、基体材料 和和 溶剂在感光化合物中有时还包括增感剂在感光化合物中有时还包括增感剂。

        3、负性电子束光刻胶、负性电子束光刻胶        为含有环氧基、乙烯基或环硫化物的聚合物最常用的是为含有环氧基、乙烯基或环硫化物的聚合物最常用的是COP 胶，典型特性：灵敏度胶，典型特性：灵敏度 0.3 ~ 0.4  C/cm2（（加速电压加速电压 10KV 时）、分辨率时）、分辨率 1.0  m 、、对比度对比度 0.95限制分辨率的主要因素是限制分辨率的主要因素是光刻胶在显影时的溶胀光刻胶在显影时的溶胀                  4、正性电子束光刻胶、正性电子束光刻胶        主要为甲基丙烯甲酯、烯砜和重氮类这三种聚合物最常主要为甲基丙烯甲酯、烯砜和重氮类这三种聚合物最常用的是用的是 PMMA 胶，典型特性：灵敏度胶，典型特性：灵敏度 40 ~ 80  C/cm2（（加速电加速电压压 20 KV 时）、分辨率时）、分辨率 0.1  m 、、对比度对比度 2 ~ 3  PMMA 胶的胶的主要优点是分辨率高主要缺点是灵敏度低，此外在高温下易主要优点是分辨率高主要缺点是灵敏度低，此外在高温下易流动，耐干法刻蚀性差流动，耐干法刻蚀性差  正胶的典型反应正胶的典型反应        一、光化学反应一、光化学反应        化学反应速度化学反应速度 k 可表示为可表示为        感光物质的电子在未曝光时处于基态感光物质的电子在未曝光时处于基态 S0 ，，基态的反应激活基态的反应激活能能 EA 大大 ，因此反应慢。

曝光后，感光物质的电子处于激发态，因此反应慢曝光后，感光物质的电子处于激发态 S1 、、S2 、、S3 等，等， 激发态的激发态的 EA 小，因此反应变快小，因此反应变快式中，式中，A 、、R 为常数，为常数，T 为绝对温度，为绝对温度，EA 为化学反应激活能，为化学反应激活能，随电子状态的不同而不同随电子状态的不同而不同EA 越小，则在同样的温度下反应越小，则在同样的温度下反应速度越快速度越快        二、势能曲线二、势能曲线二、势能曲线二、势能曲线        可以借助于感光物质的势能曲线来讨论光化学反应下图可以借助于感光物质的势能曲线来讨论光化学反应下图是重氮基萘的是重氮基萘的 RN - N2 切断反应的势能曲线切断反应的势能曲线S0S1S2S3T188Kcal72KcalEA(S1) = 16KcalEA(S0) = 38KcalRN 与与 N2 的间距的间距势势能能        感光分子吸收感光分子吸收 λ = 365 nm 的光能（的光能（ 72 Kcal ））后后 ，电子从，电子从基态基态 S0 跃迁到第一激发态跃迁到第一激发态 S1 ，，激活能由激活能由 EA(S0) = 38 Kcal 降为降为 EA(S1) = 16 Kcal ，，反应速度加快。

反应速度加快                感光分子吸收感光分子吸收 λ = 300 nm 的光能（的光能（88 Kcal））后，电子跃迁后，电子跃迁到第二激发态到第二激发态 S2 ，，此态的谷底势能恰好与此态的谷底势能恰好与 S1 态当态当 RN - N2 分解分解时的势能相当，且时的势能相当，且 S2 与与 S1 态的曲线在图左侧有相交之处，因此态的曲线在图左侧有相交之处，因此电子可从电子可从 S2 态跃迁到态跃迁到 S1 态并立即反应所以用态并立即反应所以用 λ = 300 nm 的光的光曝光比用曝光比用 λ = 365 nm 的反应速度快的反应速度快        在重氮基萘中还存在着三重态在重氮基萘中还存在着三重态 T1  由 T1 态的曲线可见态的曲线可见 ，，RN-N2 的的距离越远，分子的势能越低，所以处于距离越远，分子的势能越低，所以处于 T1 态的分子将态的分子将立即发生反应而不需激活能由于立即发生反应而不需激活能由于 T1 态曲线与所有单重激发态态曲线与所有单重激发态的曲线在谷底附近相交，所以进入单重激发态的电子还可以通的曲线在谷底附近相交，所以进入单重激发态的电子还可以通过向过向 T1 态跃迁而使感光物分子立即发生化学反应，从而使反应态跃迁而使感光物分子立即发生化学反应，从而使反应速度大大加快。

这种作用称为速度大大加快这种作用称为 “三重态增感三重态增感” T1        三、增感剂及其作用三、增感剂及其作用三、增感剂及其作用三、增感剂及其作用  光刻胶的涂敷和显影光刻胶的涂敷和显影        本节简要介绍光刻工艺中除曝光与刻蚀以外的工序本节简要介绍光刻工艺中除曝光与刻蚀以外的工序        1、脱水烘烤、脱水烘烤        目的是去除硅片表面吸附的水分也可利用前面的氧化或目的是去除硅片表面吸附的水分也可利用前面的氧化或扩散工艺来实现扩散工艺来实现        2、增粘处理、增粘处理        在烘烤后的硅片表面涂一层在烘烤后的硅片表面涂一层 六甲基二硅亚胺（六甲基二硅亚胺（HMDS），），目的是增加硅片表面与光刻胶的粘附性可采用蒸汽涂布法，目的是增加硅片表面与光刻胶的粘附性可采用蒸汽涂布法，也可采用旋涂法也可采用旋涂法        3、涂胶、涂胶        一般采用旋涂法涂胶的关键是控制胶膜的厚度与膜厚的一般采用旋涂法涂胶的关键是控制胶膜的厚度与膜厚的均匀性胶膜的厚度决定于光刻胶的粘度和旋转速度胶膜的厚度决定于光刻胶的粘度和旋转速度3) 甩掉多余的胶4) 溶剂挥发1) 滴胶2) 加速旋转        4、前烘（软烘）、前烘（软烘）        目的是目的是增强光刻胶与硅片的粘附性，增强光刻胶与硅片的粘附性，去除光刻胶中的大部去除光刻胶中的大部分溶剂，促进光刻胶的均匀性和稳定性。

分溶剂，促进光刻胶的均匀性和稳定性        5、曝光、曝光        6、曝光后的烘焙、曝光后的烘焙        对紫外线曝光可不进行，但对深紫外线曝光则必须进行对紫外线曝光可不进行，但对深紫外线曝光则必须进行　　　　7 、显影、显影        将曝光后的硅片用显影液浸泡或喷雾处理对负胶，显影将曝光后的硅片用显影液浸泡或喷雾处理对负胶，显影液将溶解掉未曝光区的胶膜；对正胶，显影液将溶解曝光区的液将溶解掉未曝光区的胶膜；对正胶，显影液将溶解曝光区的胶膜几乎所有的正胶都使用碱性显影胶膜几乎所有的正胶都使用碱性显影液，如液，如 KOH 水溶液        显影过程中光刻胶膜会发生膨胀正胶的膨胀可以忽略，显影过程中光刻胶膜会发生膨胀正胶的膨胀可以忽略，而负胶的膨胀则可能使图形尺寸发生变化而负胶的膨胀则可能使图形尺寸发生变化        显影过程对温度非常敏感显影过程有可能影响光刻胶的显影过程对温度非常敏感显影过程有可能影响光刻胶的对比度，从而影响光刻胶的剖面形状对比度，从而影响光刻胶的剖面形状　　　显影后必须进行严格的检查，如有缺陷则必须返工　显影后必须进行严格的检查，如有缺陷则必须返工。

　　自动显影检查设备　　自动显影检查设备        10、去胶、去胶        9、刻蚀、刻蚀        8、后烘（硬烘、坚膜）、后烘（硬烘、坚膜）        目的是使胶膜硬化，提高其在后续工序中的耐腐蚀性目的是使胶膜硬化，提高其在后续工序中的耐腐蚀性  二级曝光效应二级曝光效应        在选择光刻胶时，必须考虑它的吸收谱，以及在特定波长在选择光刻胶时，必须考虑它的吸收谱，以及在特定波长下的光学吸收系数下的光学吸收系数α        还要考虑基体材料对光的吸收例如酚醛树脂就对深紫外还要考虑基体材料对光的吸收例如酚醛树脂就对深紫外光有很强的吸收被基体材料吸收的光到达不了感光化合物，光有很强的吸收被基体材料吸收的光到达不了感光化合物，从而影响光刻胶的灵敏度从而影响光刻胶的灵敏度可知，当可知，当α太大时，则只有光刻胶的顶部能被有效曝光；当太大时，则只有光刻胶的顶部能被有效曝光；当α太太小时，则由于吸收太少而需要长时间的曝光小时，则由于吸收太少而需要长时间的曝光由下式由下式        当硅片表面凹凸不平时，遇到的第一个问题是硅片表面倾当硅片表面凹凸不平时，遇到的第一个问题是硅片表面倾斜的台阶侧面会将光反射到不希望曝光的区域。

第二个问题是斜的台阶侧面会将光反射到不希望曝光的区域第二个问题是使胶膜的厚度发生变化：在硅片表面凹下处胶膜较厚，导致曝使胶膜的厚度发生变化：在硅片表面凹下处胶膜较厚，导致曝光不足；在硅片表面凸起处胶膜较薄，导致曝光过度胶膜厚光不足；在硅片表面凸起处胶膜较薄，导致曝光过度胶膜厚度的不同还会影响对比度度的不同还会影响对比度        解决这个问题的办法是表面平坦化解决这个问题的办法是表面平坦化         双层光刻胶技术双层光刻胶技术        随着线条宽度的不断缩小，为了防止胶上图形出现太大的随着线条宽度的不断缩小，为了防止胶上图形出现太大的深宽比，提高对比度，应该采用很薄的光刻胶但薄胶会遇到深宽比，提高对比度，应该采用很薄的光刻胶但薄胶会遇到耐腐蚀性的问题由此开发出了耐腐蚀性的问题由此开发出了 双层光刻胶技术双层光刻胶技术，这也是所谓，这也是所谓 超分辨率技术超分辨率技术超分辨率技术超分辨率技术 的组成部分的组成部分顶层胶：含硅，厚约顶层胶：含硅，厚约 0.25  m 底层胶：也称为干显影胶，厚底层胶：也称为干显影胶，厚约约 0.5  m 对顶层胶曝光显影对顶层胶曝光显影对底层胶作含氧的对底层胶作含氧的 RIE 刻蚀刻蚀        据报导，采用据报导，采用 193 nm 波波长光源，在底层胶上获得了长光源，在底层胶上获得了 0.15  m ~ 0.12  m 宽的线条。

宽的线条用用 CF4  RIE 法刻蚀掉法刻蚀掉 0.23  m 厚的多晶硅后，还有约厚的多晶硅后，还有约 50% 的底层胶保留下来的底层胶保留下来  小结小结        本章首先介绍了光刻胶的类型与特性，重点讨论了光刻胶本章首先介绍了光刻胶的类型与特性，重点讨论了光刻胶的灵敏度、分辨率、对比度及其相互关系通过正胶的典型反的灵敏度、分辨率、对比度及其相互关系通过正胶的典型反应和势能曲线，说明了光刻胶的光化学反应过程和增感作用应和势能曲线，说明了光刻胶的光化学反应过程和增感作用介绍了涉及光刻胶的工艺步骤最后介绍了双层光刻胶技术介绍了涉及光刻胶的工艺步骤最后介绍了双层光刻胶技术      习  题                1 1、某种、某种、某种、某种光刻胶的光刻胶的 D0 = 40mJ/cm2，，D100 = 85mJ/cm2，试计，试计算这算这种种种种光刻胶的对比度与光刻胶的对比度与 CMTF当这种种种种光刻胶的厚度减薄一光刻胶的厚度减薄一半时，其半时，其 D100 减到减到 70mJ/cm2，而，而 D0 则不变，这时其对比度变则不变，这时其对比度变为多少？为多少？                2 2、、、、设某某电子束光刻胶的灵敏度电子束光刻胶的灵敏度 S = 0.3  C/cm2 ，这意味着，这意味着在在( 0.01  m )2 的面积上只需多少个电子照射？在的面积上只需多少个电子照射？在 ( Wmin )2 的面的面积上又需多少个电子照射？这个结果对提高光刻胶的灵敏度和积上又需多少个电子照射？这个结果对提高光刻胶的灵敏度和曝光效率有什么指导意义曝光效率有什么指导意义？？        通过使用大数值孔径的扫描步进光刻机和深紫外光源，再通过使用大数值孔径的扫描步进光刻机和深紫外光源，再结合相移掩模、光学邻近效应修正和双层胶等技术，光学光刻结合相移掩模、光学邻近效应修正和双层胶等技术，光学光刻的分辨率已进入亚波长，获得了的分辨率已进入亚波长，获得了 0.1  m 的分辨率。

若能开发出的分辨率若能开发出适合适合 157 nm 光源的光学材料，甚至可扩展到光源的光学材料，甚至可扩展到 0.07  m          非光学光刻技术非光学光刻技术        但是这些技术的成本越来越昂贵，而且光学光刻的分辨率但是这些技术的成本越来越昂贵，而且光学光刻的分辨率极限迟早会到来极限迟早会到来 已开发出许多新的光刻技术，如将已开发出许多新的光刻技术，如将 X X 射线射线射线射线、、电子束电子束电子束电子束   和和 离子束离子束离子束离子束作为能量束用于曝光这些技术统称为作为能量束用于曝光这些技术统称为非光学非光学非光学非光学光刻技术光刻技术光刻技术光刻技术，或，或 下一代光刻技术下一代光刻技术下一代光刻技术下一代光刻技术   它们的共同特点是使用更短波它们的共同特点是使用更短波长的曝光能源长的曝光能源高能束与物体之间的相互作用高能束与物体之间的相互作用        本节主要讨论本节主要讨论 X 射线、电子束、离子束与固体之间的相互射线、电子束、离子束与固体之间的相互作用        一、一、一、一、X X   射线与固体之间的相互作用射线与固体之间的相互作用射线与固体之间的相互作用射线与固体之间的相互作用        X 射线光刻所用的波长在射线光刻所用的波长在λ= 0.2 ~ 4 nm 的范围，所对应的的范围，所对应的 X 射线光子能量为射线光子能量为 1 ~ 10 k eV。

在此能量范围，在此能量范围，X 射线的散射可以射线的散射可以忽略X 射线光子的能量损失机理以光电效应为主，损失掉的射线光子的能量损失机理以光电效应为主，损失掉的能量转化为光电子的能量能量转化为光电子的能量        能量损失与分辨率的关系能量损失与分辨率的关系        分辨率取决于分辨率取决于 X 射线的波长与光电子的射程两者中较大的射线的波长与光电子的射程两者中较大的一个一个 当 X 射线波长为射线波长为 5 nm 左右时两者相等，这时可获得最左右时两者相等，这时可获得最佳分辨率佳分辨率 ，其值即约为，其值即约为 5 nm 但在 X 射线光刻技术中，由于射线光刻技术中，由于掩模版等方面的原因掩模版等方面的原因 ，波长取为，波长取为 0.2 ~ 4 nm ，其相应的光电子，其相应的光电子射程为射程为 70 ~ 20 nm但是实际上这并不是限制但是实际上这并不是限制 X 射线光刻分辨射线光刻分辨率的主要因素率的主要因素                后面会讲到，限制后面会讲到，限制 X 射线光刻分辨率的主要因素是射线光刻分辨率的主要因素是 掩模版掩模版掩模版掩模版的分辨率的分辨率的分辨率的分辨率，以及，以及 半影畸变半影畸变半影畸变半影畸变   和和 几何畸变几何畸变几何畸变几何畸变。

　　　　二、电子束与固体之间的相互作用二、电子束与固体之间的相互作用二、电子束与固体之间的相互作用二、电子束与固体之间的相互作用        电子束与固体之间的相互作用有很多种，例如二次电子、电子束与固体之间的相互作用有很多种，例如二次电子、散射电子、吸收电子、电子空穴对、阳极发光、散射电子、吸收电子、电子空穴对、阳极发光、X 射线、俄歇射线、俄歇电子等影响电子束曝光分辨率的主要是影响电子束曝光分辨率的主要是影响电子束曝光分辨率的主要是影响电子束曝光分辨率的主要是   散射电子散射电子散射电子散射电子           1 1、电子的散射、电子的散射、电子的散射、电子的散射        入射电子与固体中另一粒子发生碰撞，发生动量与能量的入射电子与固体中另一粒子发生碰撞，发生动量与能量的转移，方向改变，波长不变或增大，能量不变或减少转移，方向改变，波长不变或增大，能量不变或减少                电子在光刻胶中的散射次数与光刻胶厚度成正比，与入射电子在光刻胶中的散射次数与光刻胶厚度成正比，与入射电子的初始能量电子的初始能量 E0 成反比，典型值为几到几十次成反比，典型值为几到几十次。

        散射角：散射角：电子散射后的方向与原入射方向之间的夹角电子散射后的方向与原入射方向之间的夹角        前散射（小角散射）：前散射（小角散射）：散射角散射角 < 90o         背背散射（大角散射）：散射（大角散射）：散射角散射角 = 90o ~ 180o          实验表明，前散射使电子束变宽约实验表明，前散射使电子束变宽约 0.1  m，，而背而背散射电子散射电子的分布区域可达到的分布区域可达到 0.1 ~ 1  m 所以 背散射是影响电子束曝光背散射是影响电子束曝光背散射是影响电子束曝光背散射是影响电子束曝光分辨率的主要因素分辨率的主要因素分辨率的主要因素分辨率的主要因素         2 2、光刻胶的能量吸收密度、光刻胶的能量吸收密度、光刻胶的能量吸收密度、光刻胶的能量吸收密度        电子束曝光的分辨率主要取决于电子散射的作用范围，而电子束曝光的分辨率主要取决于电子散射的作用范围，而此范围可用光刻胶的能量吸收密度分布函数来表示由于能量此范围可用光刻胶的能量吸收密度分布函数来表示由于能量密度函数是轴对称的，与变量密度函数是轴对称的，与变量     无关，故可表为无关，故可表为 E( r, z ) 。

        3 3、光刻胶完成曝光所需的能量密度、光刻胶完成曝光所需的能量密度、光刻胶完成曝光所需的能量密度、光刻胶完成曝光所需的能量密度        设设 g0 为每吸收一个电子伏特的能量所发生的化学反应（交为每吸收一个电子伏特的能量所发生的化学反应（交联或降解）数，即反应产率，则联或降解）数，即反应产率，则 (1/ /g0 ) 表示每发生一个反应所表示每发生一个反应所需的能量单位体积光刻胶中的分子数可表为需的能量单位体积光刻胶中的分子数可表为                    ，其，其中中 NA 为阿伏加德罗常数，为阿伏加德罗常数，M 为平均分子量则要使单位体积的为平均分子量则要使单位体积的光刻胶全部发生反应所需的能量（即能量密度）为光刻胶全部发生反应所需的能量（即能量密度）为        令光刻胶的实际能量吸收密度令光刻胶的实际能量吸收密度 E( r, z ) 与完成曝光所需的与完成曝光所需的能量密度能量密度 E0 相等，即相等，即 E( r, z ) = E0 ，，可以得到一个等能量密度可以得到一个等能量密度曲面显然，在这个曲面之内的光刻胶将全部发生化学反应，曲面。

显然，在这个曲面之内的光刻胶将全部发生化学反应，显影时将全部溶掉（以正性胶为例）所以此曲面也就是显影显影时将全部溶掉（以正性胶为例）所以此曲面也就是显影后的光刻胶剖面轮廓后的光刻胶剖面轮廓电子束电子束显影后显影后        (1) 首先，假设入射电子束的分布是首先，假设入射电子束的分布是     函数，即单位冲击函数，即单位冲击函数，具有如下性质，函数，具有如下性质，        4 4、计算能量吸收密度、计算能量吸收密度、计算能量吸收密度、计算能量吸收密度   E E( (   r r,  , z z )  ) 的方法的方法的方法的方法         (2) 然后，利用然后，利用 Monte - Carlo 法模拟，得到下图的结果法模拟，得到下图的结果        通过模拟计算，发现通过模拟计算，发现                有以下特点，有以下特点，        a、、β>>α ，，所以背散射是影响分辨率的主要因素；所以背散射是影响分辨率的主要因素；        b、、光刻胶较薄时，能量密度的分布范围较小；光刻胶较薄时，能量密度的分布范围较小；        c、、入射电子初始能量入射电子初始能量 E0 的影响是：对的影响是：对 ff  ，，E0 越大，则越大，则α越小；对越小；对 fb ，，当当 E0 增大时，增大时，β先增大，然后减小；先增大，然后减小；        d、、低原子序数材料中的散射低原子序数材料中的散射一般一般要小一些。

要小一些        (3) 对此模拟结果进行对此模拟结果进行 曲线拟合曲线拟合曲线拟合曲线拟合，可得到近似的分析函数，，可得到近似的分析函数，为为 双高斯函数双高斯函数 ，即，即        (4) 当入射电子为任意空间分布函数当入射电子为任意空间分布函数              时，其吸收能时，其吸收能量密度量密度                  是是               与与              的的 卷积积分卷积积分卷积积分卷积积分，，，，        例如，当电子束分布为例如，当电子束分布为 高斯圆形束高斯圆形束高斯圆形束高斯圆形束   时，时，式式中，中，    为高斯电子束的标准偏差为高斯电子束的标准偏差        (5) 胶层等能量密度剖面轮廓胶层等能量密度剖面轮廓        实际的曝光图形，既不是实际的曝光图形，既不是    函数，也不是仅仅一个孤立的函数，也不是仅仅一个孤立的圆形束斑，如果是一条有宽度的线条，其能量吸收密度应当是圆形束斑，如果是一条有宽度的线条，其能量吸收密度应当是各入射电子束的作用的总和，如下图所示各入射电子束的作用的总和，如下图所示。

        设电子束的束流为设电子束的束流为 IB ，，在每个在每个点上停留的时间为点上停留的时间为 t ，，则每个束斑则每个束斑上的入射电子数为上的入射电子数为 ( IB t / q ) ，，每每个束斑产生的吸收能量密度为个束斑产生的吸收能量密度为则在离则在离线条距离为线条距离为 x 的点的点 P 下面深下面深度为度为 z 处的能量吸收密度为处的能量吸收密度为        用上述模拟方法对硅上的用上述模拟方法对硅上的 PMMA 胶进行计算的结果以及胶进行计算的结果以及实际的胶层剖面轮廓如下图所示，实际的胶层剖面轮廓如下图所示，模拟结果模拟结果实际结果实际结果        5 5、电子束曝光的邻近效应及其修正方法、电子束曝光的邻近效应及其修正方法、电子束曝光的邻近效应及其修正方法、电子束曝光的邻近效应及其修正方法        已知电子的散射特别是背散射，其影响范围可与电子射程已知电子的散射特别是背散射，其影响范围可与电子射程或胶层厚度相当，这称为电子束曝光的或胶层厚度相当，这称为电子束曝光的 邻近效应邻近效应邻近效应邻近效应对于一个其对于一个其线度线度 L 远大于电子散射范围远大于电子散射范围 R 的图形，虽然其中间部分的曝光的图形，虽然其中间部分的曝光是均匀的，但边缘部分的情况就不同了，如下图所示，是均匀的，但边缘部分的情况就不同了，如下图所示，能量密度能量密度内内邻近效应邻近效应互邻互邻近效近效应应无无散散射时射时内内邻近效应邻近效应互邻近效应互邻近效应        邻近效应的后果邻近效应的后果邻近效应的后果邻近效应的后果        (1) 对对 L >> R 的孤立图形，使边缘模糊。

的孤立图形，使边缘模糊        (2) 对对 L <= R 的孤立图形，使边缘曝光不足，图形变小、的孤立图形，使边缘曝光不足，图形变小、变圆，甚至曝不出来变圆，甚至曝不出来        (3) 对间距对间距 a <= R 的多个图形的多个图形 ，使间距变小，甚至相连使间距变小，甚至相连                        减小电子邻近效应的方法减小电子邻近效应的方法                        减小入射电子束的能量（因β 随 E0 先大后小），或采用低原子序数的衬底与光刻胶        修正电子邻近效应的方法修正电子邻近效应的方法修正电子邻近效应的方法修正电子邻近效应的方法            电子束图形电子束图形曝光显影后曝光显影后有邻近效应有邻近效应几何修正几何修正剂量修正剂量修正　　　　离子束与固体之间的相互作用有：散射（碰撞）、辐射损离子束与固体之间的相互作用有：散射（碰撞）、辐射损伤（产生位错）、溅射（刻蚀及镀膜）、俘获（离子注入）、伤（产生位错）、溅射（刻蚀及镀膜）、俘获（离子注入）、激发、电离、电子发射、二次离子发射等激发、电离、电子发射、二次离子发射等。

                这些效应的强弱随入射离子的能量不同而不同用于大规这些效应的强弱随入射离子的能量不同而不同用于大规模集成技术的入射离子能量范围为模集成技术的入射离子能量范围为        三三、、离子束与固体之间的相互作用离子束与固体之间的相互作用刻蚀、镀膜：刻蚀、镀膜：< 10 k eV曝光：曝光：            10 keV ~ 50 k eV离子注入：离子注入：    > 50 k eV 直写电子束光刻系统直写电子束光刻系统        电子束曝光方式电子束曝光方式        电子束曝光主要采用无掩模的直写方式（扫描方式），此电子束曝光主要采用无掩模的直写方式（扫描方式），此外也有投影方式，但无接触式外也有投影方式，但无接触式  直写曝光直写曝光（无掩模）（无掩模）电子束曝光方式电子束曝光方式光栅扫描光栅扫描矢量扫描矢量扫描  投影曝光投影曝光（有掩模（有掩模））        电子束的波长短，因此电子束曝光的分辨率很高，是目前电子束的波长短，因此电子束曝光的分辨率很高，是目前获得深亚微米高分辨率图形的主要手段之一获得深亚微米高分辨率图形的主要手段之一。

               电子质量电子质量 m 和加速电压和加速电压 Va 越越大，则电子的波长大，则电子的波长 λ 越小        电子、离子等微观粒子具有波粒二象性，由德布罗意关系电子、离子等微观粒子具有波粒二象性，由德布罗意关系又由又由                                                       代入波长代入波长 λ 中，得中，得        考虑到相对论效应后，考虑到相对论效应后，λ 应修正为应修正为        电子束曝光的加速电压范围一般在电子束曝光的加速电压范围一般在 Va = 10 ~ 30 kV，，这时这时电子波长电子波长 λ 的范围为的范围为 0.012 ~ 0.007 nm                将将 h = 6.62××10-27 erg/ /s ，，q = 4.8××10-10  绝对静电单位，电子绝对静电单位，电子质量质量 m = 9.1××10-27 g 代入，得代入，得        电子束本身的分辨率极高电子束本身的分辨率极高 ，可以达到，可以达到 0.01  m 以下，但是以下，但是在光刻胶上一般只能获得在光刻胶上一般只能获得 0.1  m 左右的线宽。

限制电子束曝光左右的线宽限制电子束曝光分辨率的因素有，分辨率的因素有，        1、光刻胶本身的分辨率、光刻胶本身的分辨率        2、电子在光刻胶中的散射引起的邻近效应、电子在光刻胶中的散射引起的邻近效应        3、对准问题、对准问题                一、直写电子束光刻机工作原理一、直写电子束光刻机工作原理一、直写电子束光刻机工作原理一、直写电子束光刻机工作原理除除电子光学柱系统外，还有如真空系统、工件台移动系统等电子光学柱系统外，还有如真空系统、工件台移动系统等数据输入数据输入计算机计算机电子束控制电子束控制工件台控制工件台控制电子枪电子枪光闸光闸硅片硅片电子束电子束聚焦系统聚焦系统偏转系统偏转系统电电子子光光学学柱柱系系统统        二、电子束发射聚焦系统二、电子束发射聚焦系统二、电子束发射聚焦系统二、电子束发射聚焦系统         1 1、电子枪、电子枪、电子枪、电子枪        要求：亮度高、均匀性好、束斑小、稳定性好、寿命长要求：亮度高、均匀性好、束斑小、稳定性好、寿命长        (1) 热钨丝电子枪热钨丝电子枪   束斑直径约为束斑直径约为 30  m 。

特点是特点是 简单可简单可靠，对真空度要求低，但亮度低，寿命短，噪声大靠，对真空度要求低，但亮度低，寿命短，噪声大 (2) LaB6 电子枪  是目前流行的电子束光刻机用电子枪是目前流行的电子束光刻机用电子枪 ，其特点是，其特点是 亮度高，稳定性好，寿命长，但对真空度要求高，亮度高，稳定性好，寿命长，但对真空度要求高，使用条件严格；能散度大，聚焦困难，束斑大使用条件严格；能散度大，聚焦困难，束斑大                (3) 场致发射电子枪场致发射电子枪   由由 Zr/W/O 材料制造的尖端构成，材料制造的尖端构成，其特点是其特点是 亮度更高，能散度低，束斑小，噪声低，寿命长，但亮度更高，能散度低，束斑小，噪声低，寿命长，但需要的真空度更高，高达需要的真空度更高，高达 1.33××10-6  Pa（（1××10 –8  Torr），），且稳定且稳定性较差        2 2、聚焦系统、聚焦系统、聚焦系统、聚焦系统          作用：将电子束斑聚焦到作用：将电子束斑聚焦到 0.1  m 以下        要求：几何像差小、色差小要求：几何像差小、色差小。

        结构种类：采用结构种类：采用 2 ~ 3 级级 静电透镜静电透镜静电透镜静电透镜   或或 磁透镜磁透镜磁透镜磁透镜 聚焦系统聚焦系统 磁磁透镜：由流过线圈的电流产生的一个对称磁场所形成透镜：由流过线圈的电流产生的一个对称磁场所形成 ，，对电子束有聚焦作用对电子束有聚焦作用               三、偏转系统三、偏转系统三、偏转系统三、偏转系统        作用：使电子束发生偏转作用：使电子束发生偏转 ，在光刻胶上进行扫描与曝光，在光刻胶上进行扫描与曝光 ，，描画出所需要的图形描画出所需要的图形        要求：偏转像差小，图形清晰，分辨率高，偏转灵敏度高，要求：偏转像差小，图形清晰，分辨率高，偏转灵敏度高，偏转速度快偏转速度快        结构种类：结构种类：磁偏转磁偏转磁偏转磁偏转 与与 静电偏转静电偏转静电偏转静电偏转         磁偏转器的电感较大，扫描速度较慢；静电偏转器的电容磁偏转器的电感较大，扫描速度较慢；静电偏转器的电容较小，扫描频率较高较小，扫描频率较高 ，两者相差上万倍此外，静电偏转器的，两者相差上万倍此外，静电偏转器的光学性能较好，像差较小。

实际使用时，有磁偏转、电偏转、光学性能较好，像差较小实际使用时，有磁偏转、电偏转、磁磁-电偏转、磁电偏转、磁-磁偏转、电磁偏转、电-电偏转等多种组合方式偏转器与电偏转等多种组合方式偏转器与磁透镜之间的位置也有多种组合方式磁透镜之间的位置也有多种组合方式        1 1、光闸机构控制、光闸机构控制、光闸机构控制、光闸机构控制        采用采用 “ “静电偏转器静电偏转器静电偏转器静电偏转器   + +光阑光阑光阑光阑” ” 的方式对电子束通断进行控制的方式对电子束通断进行控制        四、控制系统四、控制系统四、控制系统四、控制系统        对光闸、偏转系统和工件台的移动进行统一协调的控制对光闸、偏转系统和工件台的移动进行统一协调的控制静电偏转器静电偏转器光阑光阑当当 V = +E 时时V当当 V = 0 时时        2 2、偏转系统扫描控制、偏转系统扫描控制、偏转系统扫描控制、偏转系统扫描控制        只应用于矢量扫描方式，使电子束根据只应用于矢量扫描方式，使电子束根据 VLSI 图形的要求图形的要求做出规定的偏转，完成扫描曝光做出规定的偏转，完成扫描曝光。

                1 1、高斯圆形束光柱、高斯圆形束光柱、高斯圆形束光柱、高斯圆形束光柱        采用点光源和圆形光阑，上靶束斑的电流密度在横截面上采用点光源和圆形光阑，上靶束斑的电流密度在横截面上呈二维高斯分布，等流线为圆形束斑直径为呈二维高斯分布，等流线为圆形束斑直径为 0.1 ~ 1  m ，最，最小可达到小可达到 0.01  m 其主要优点是其主要优点是 分辨率高，制作图形时精细分辨率高，制作图形时精细灵活主要缺点是灵活主要缺点是 曝光效率低曝光效率低        五、电子光学柱的类型五、电子光学柱的类型五、电子光学柱的类型五、电子光学柱的类型                 2 2、固定方形束光柱、固定方形束光柱、固定方形束光柱、固定方形束光柱        采用面光源和方形光阑束斑尺寸一般取为图形的最小特采用面光源和方形光阑束斑尺寸一般取为图形的最小特征尺寸主要优点是征尺寸主要优点是 曝光效率高，主要缺点是曝光不灵活，某曝光效率高，主要缺点是曝光不灵活，某些区域可能被重复曝光而导致曝光过度些区域可能被重复曝光而导致曝光过度成形成形偏转板偏转板光阑光阑 1光阑光阑 2通过光阑通过光阑1后形成后形成的固定方形束的固定方形束与光阑与光阑 2 的的相互位置相互位置偏转后的方形束偏转后的方形束通过光阑通过光阑 2 后形成后形成的可变矩形束的可变矩形束         3 3、可变矩形束光柱、可变矩形束光柱、可变矩形束光柱、可变矩形束光柱        主要优点是曝光效率更高，更灵活，且无重复曝光区域。

主要优点是曝光效率更高，更灵活，且无重复曝光区域主要缺点是结构复杂，价格昂贵但由于它是实现复杂精细图主要缺点是结构复杂，价格昂贵但由于它是实现复杂精细图形的直接书写、高生产效率曝光的重要手段，已经得到了越来形的直接书写、高生产效率曝光的重要手段，已经得到了越来越多的使用越多的使用        所产生的矩形束斑的尺寸可按需要随时变化由两个方形所产生的矩形束斑的尺寸可按需要随时变化由两个方形光阑和两个光阑和两个 x、、y 方向的成形偏转器构成方向的成形偏转器构成        4 4、三种光柱曝光效率的比较、三种光柱曝光效率的比较、三种光柱曝光效率的比较、三种光柱曝光效率的比较例例例例1 1、、、、10d5d5d10d13d115d2例例例例2 2、、、、1M  DRAM 的芯片尺寸为的芯片尺寸为 9.6××9.6 mm2，最小线宽，最小线宽 1  m，，平均曝光面积平均曝光面积 4××4 mm2 ，，曝光图形约为曝光图形约为 460 万个每个万个每个 4 英寸英寸硅片上可容纳硅片上可容纳 52 个芯片若采用个芯片若采用 D = 0.25  m 的高斯圆形束的高斯圆形束 ，，每点的曝光时间为每点的曝光时间为 1  s ，，则则单纯用于曝光的时间近单纯用于曝光的时间近 4 个小时个小时 ；；若采用可变矩形束，每点的曝光时间为若采用可变矩形束，每点的曝光时间为 1.8  s ，则单纯用于曝，则单纯用于曝光的时间仅光的时间仅 7 分钟。

分钟        六、直写电子束光刻机的扫描方式六、直写电子束光刻机的扫描方式六、直写电子束光刻机的扫描方式六、直写电子束光刻机的扫描方式        1 1、光栅扫描、光栅扫描、光栅扫描、光栅扫描        采用高斯圆形束电子束在整个扫描场里作连续扫描，通采用高斯圆形束电子束在整个扫描场里作连续扫描，通过控制光闸的通断来确定曝光区与非曝光区过控制光闸的通断来确定曝光区与非曝光区        光栅扫描的优点是光栅扫描的优点是 控制简单，不需对偏转系统进行控制控制简单，不需对偏转系统进行控制缺点是缺点是 生产效率低生产效率低        由于扫描场的范围较小，必须配合工件台的移动来完成对由于扫描场的范围较小，必须配合工件台的移动来完成对整个硅片的曝光按工件台的移动方式又可分为整个硅片的曝光按工件台的移动方式又可分为 分步重复光栅分步重复光栅分步重复光栅分步重复光栅扫描扫描扫描扫描   和和和和   连续光栅扫描连续光栅扫描连续光栅扫描连续光栅扫描 两种         2 2、矢量扫描、矢量扫描、矢量扫描、矢量扫描        除高斯圆形束外，也可以采用固定方形束或可变矩形束。

除高斯圆形束外，也可以采用固定方形束或可变矩形束矢量扫描的优点是矢量扫描的优点是 曝光效率高，因为电子束不需对占总面积约曝光效率高，因为电子束不需对占总面积约 60% ~ 70% 的无图形区域进行扫描，而且可采用可变矩形束的无图形区域进行扫描，而且可采用可变矩形束 缺点是缺点是 控制系统要复杂一些，因为矢量扫描必须对偏转系统进控制系统要复杂一些，因为矢量扫描必须对偏转系统进行控制，而不象光栅扫描那样采用固定的偏转方式行控制，而不象光栅扫描那样采用固定的偏转方式直写电子束光刻概要和展望直写电子束光刻概要和展望        直写电子束光刻的主要优点是直写电子束光刻的主要优点是 分辨率高，作图灵活主要分辨率高，作图灵活主要缺点是缺点是 曝光效率低，控制复杂为了提高效率，已经开发出了曝光效率低，控制复杂为了提高效率，已经开发出了高亮度源、矢量扫描系统、与大数值孔径透镜相结合的低感应高亮度源、矢量扫描系统、与大数值孔径透镜相结合的低感应偏转线圈等但是直写电子束光刻在最好的情况下也比光学光偏转线圈等但是直写电子束光刻在最好的情况下也比光学光刻系统慢一个数量级可能的解决方法是使用一种大量电子束刻系统慢一个数量级。

可能的解决方法是使用一种大量电子束源同时曝光的多电子束曝光系统，源同时曝光的多电子束曝光系统，        直写电子束光刻目前主要用于光刻版的制造也可用于产直写电子束光刻目前主要用于光刻版的制造也可用于产量不大，但要求分辨率特别高，图形要经常变化的场合，如高量不大，但要求分辨率特别高，图形要经常变化的场合，如高速速 GaAs 集成电路等集成电路等 X   射线源射线源        为了提高分辨率，可以采用波长为了提高分辨率，可以采用波长 λ = 0.2 ~ 4 nm 的的 X 射线射线作为曝光的光源作为曝光的光源        1 1、电子碰撞、电子碰撞、电子碰撞、电子碰撞   X X   射线源射线源射线源射线源 用用高能电子束轰击金属靶（如高能电子束轰击金属靶（如 Al、、W、、Mo），），使靶金属的使靶金属的内层束缚电子离开靶材料，当另一个束缚电子去填充这一空位内层束缚电子离开靶材料，当另一个束缚电子去填充这一空位时，即可发射出时，即可发射出 X 射线          这种这种 X 射线源的主要缺点是效率很低，只有几万分之一射线源的主要缺点是效率很低，只有几万分之一。

功率消耗达数万瓦，并产生大量的热除了用水冷却外，还可功率消耗达数万瓦，并产生大量的热除了用水冷却外，还可使阳极高速旋转使阳极高速旋转        2 2、等离子体、等离子体、等离子体、等离子体   X X   射线源射线源射线源射线源        用聚焦的高能电子束或用聚焦的高能电子束或激光束轰击金属薄膜，使之蒸发成激光束轰击金属薄膜，使之蒸发成为等离子体超热的金属等离子体蒸汽将发射为等离子体超热的金属等离子体蒸汽将发射 X 射线，波长为射线，波长为 0.8 ~ 10 nm         这种这种 X 射线源从激光到射线源从激光到 X 射线的转换效率约为射线的转换效率约为 10%，光强，光强比较强，并有非常小的直径，比较适合于光刻比较强，并有非常小的直径，比较适合于光刻X 射线射线硅片硅片 电子在同步加速器中作圆周运动，加速方向与其运动切线电子在同步加速器中作圆周运动，加速方向与其运动切线方向相垂直，在沿运动方向的切线上发射出方向相垂直，在沿运动方向的切线上发射出 X 射线，电子在发射线，电子在发射射 X 射线过程中损失的能量在射频腔中得到补充射线过程中损失的能量在射频腔中得到补充 。

        3 3、同步加速器、同步加速器、同步加速器、同步加速器   X X   射线源射线源射线源射线源        这种这种 X 射线源的亮度最强，效率较高，一台射线源的亮度最强，效率较高，一台 X 射线源可以射线源可以支持多达支持多达 16 台曝光设备台曝光设备        但这种但这种 X 射线源极其庞大昂贵，电子同步加速器的直径可射线源极其庞大昂贵，电子同步加速器的直径可达达 5 米以上限制来自磁场方面如果将来能获得高临界温度米以上限制来自磁场方面如果将来能获得高临界温度的超导材料，则利用超导磁场可建立直径约的超导材料，则利用超导磁场可建立直径约 2 米的紧凑型电子米的紧凑型电子同步加速器此外，这种同步加速器此外，这种 X 射线源还存在辐射安全问题射线源还存在辐射安全问题靶靶电子束电子束X 射线射线掩模版掩模版硅片硅片抽抽气气        由于很难找到合适的材由于很难找到合适的材料对料对 X 射线进行反射和折射，射线进行反射和折射， X 射线透镜的制造是极其困难射线透镜的制造是极其困难的，因此只能采用的，因此只能采用 接近式曝接近式曝接近式曝接近式曝光方式光方式光方式光方式。

为使由点光源发射为使由点光源发射的的 X 射线尽量接近平行光，射线尽量接近平行光，应使光源与掩模的距离尽量应使光源与掩模的距离尽量远对于大规模集成电路的远对于大规模集成电路的制造来说，由于受到掩模尺制造来说，由于受到掩模尺寸的限制，只能采用寸的限制，只能采用 步进的步进的步进的步进的   接近方式接近方式 接近式接近式   X   射线系统射线系统        光刻用的光刻用的 X 射线波长约为射线波长约为 1nm，，可以忽略衍射效应影响可以忽略衍射效应影响 X 射线分辨率的主要因素是由于射线分辨率的主要因素是由于 X 射线源不是严格的点光源而射线源不是严格的点光源而引起的引起的 半影畸变半影畸变半影畸变半影畸变，和由于，和由于 X 射线的发散性而引起的射线的发散性而引起的 几何畸变几何畸变几何畸变几何畸变         要使要使δ 和和  max 减小，应增大减小，应增大 D 或减小或减小 S 但太大的但太大的 D 值会值会减小减小 X 射线的强度另外，由于几何畸变的影响要比半影畸变射线的强度另外，由于几何畸变的影响要比半影畸变的大，可以采用步进的方法来减小每步曝光的视场尺寸的大，可以采用步进的方法来减小每步曝光的视场尺寸 W ，，从从而减小几何畸变而减小几何畸变  max ，，或在设计掩模版时进行补偿。

或在设计掩模版时进行补偿        例如，若例如，若 d = 5 mm，，D = 400 mm，，S = 5  m ，则半影畸变，则半影畸变δ = 0.06  m         硅片直径要根据所允许的几何畸变硅片直径要根据所允许的几何畸变  max 来确定如果允许来确定如果允许  max = 0.1  m ，，则则 W 仅为仅为 16 mm 反之，若反之，若 W 为为 100 mm ，，则则  max 会高达会高达 0.6  m                 正在研究中的正在研究中的 X 射线透镜射线透镜        1、掠射角金属反射镜、掠射角金属反射镜        2、、Kumakhov 透镜透镜        3、多层反射镜、多层反射镜         X 射线光刻工艺最困难的地方之一就是掩模版的制造，对射线光刻工艺最困难的地方之一就是掩模版的制造，对掩模版的基本要求是反差要大，但是对于掩模版的基本要求是反差要大，但是对于 X 射线，当波长小于射线，当波长小于 0.2 nm 时，对绝大部分材料都能穿透；当波长大于时，对绝大部分材料都能穿透；当波长大于 4 nm 时，对时，对绝大部分材料都将被吸收。

只有在绝大部分材料都将被吸收只有在 0.2 nm ~ 4 nm 的范围内，可的范围内，可以用低吸收的轻比重材料如以用低吸收的轻比重材料如 Si、、Si3N4 、、SiC、、BN 等制作透光等制作透光部分，厚度约部分，厚度约 2 ~ 10  m ；用；用重金属材料如重金属材料如 Au、、Pt、、W、、Ta 等等制作不透光部分，厚度约制作不透光部分，厚度约 0.2 ~ 0.5  m          薄膜型掩模版薄膜型掩模版表面掺硼表面掺硼背面氧化背面氧化N - Si背面光刻背面光刻正面蒸金正面蒸金光刻金光刻金腐蚀硅腐蚀硅 由于透光与不透光的材料之间存在较大的应力，使掩模版由于透光与不透光的材料之间存在较大的应力，使掩模版的精度受到影响正在开发杨氏模量较大的金刚石作为基片，的精度受到影响正在开发杨氏模量较大的金刚石作为基片，但价格昂贵，加工困难由于不能采用缩小曝光，给制版造成但价格昂贵，加工困难由于不能采用缩小曝光，给制版造成困难此外，掩模版的清洗和维修问题也没有解决因此至今困难此外，掩模版的清洗和维修问题也没有解决因此至今尚无商业化的尚无商业化的 X 射线掩模版的供应。

射线掩模版的供应        原来预计，对于原来预计，对于 0.5  m 以下的细线条，必须使用以下的细线条，必须使用 X 射线曝射线曝光但是随着移相掩模等光学曝光技术的新发展，使光学曝光光但是随着移相掩模等光学曝光技术的新发展，使光学曝光技术的分辨率极限进入亚波长范围，甚至达到技术的分辨率极限进入亚波长范围，甚至达到 0.1  m 以下，从以下，从而使而使 X 射线曝光在大规模集成电路制造中的实际大量应用将继射线曝光在大规模集成电路制造中的实际大量应用将继续推迟        3、可穿透尘埃，对环境的净化程度的要求稍低可穿透尘埃，对环境的净化程度的要求稍低                存在的问题存在的问题存在的问题存在的问题        1、、X 射线源射线源        2、、X 射线难以偏转与聚焦，本身无形成图形的能力，只能射线难以偏转与聚焦，本身无形成图形的能力，只能采用接近式曝光方式，存在半影畸变与几何畸变；采用接近式曝光方式，存在半影畸变与几何畸变；        3、薄膜型掩模版的制造工艺复杂，使用不方便掩模版本、薄膜型掩模版的制造工艺复杂，使用不方便掩模版本身仍需用传统的光学或电子束方法制造；身仍需用传统的光学或电子束方法制造；   　　　　　　　　接近式接近式 X 射线曝光的射线曝光的 优点优点优点优点                1、可忽略衍射效应和驻波效应，分辨率较高；、可忽略衍射效应和驻波效应，分辨率较高；        2、曝光效率高；、曝光效率高；        4、对硅片有损伤。

对硅片有损伤 投影式投影式   X   射线光刻射线光刻        深紫外光（深紫外光（DUV））曝光的波长下限是曝光的波长下限是 170 nm ，，这是因为这是因为当波长小于当波长小于 170 nm 时，在这一范围内唯一可用于掩模版透光部时，在这一范围内唯一可用于掩模版透光部分的玻璃或石英材料会大量吸收光波能因此即使在使用了移分的玻璃或石英材料会大量吸收光波能因此即使在使用了移相掩模等先进技术后，利用相掩模等先进技术后，利用 DUV 折射成像曝光所能获得的最折射成像曝光所能获得的最细线宽只能到细线宽只能到 0.1  m另一方面，另一方面，X 射线由于难以进行折射和射线由于难以进行折射和反射，只能采用反射，只能采用 1:1 接近式曝光，掩模版的制作极为困难，掩接近式曝光，掩模版的制作极为困难，掩模版与晶片之间缝隙的控制也很不容易模版与晶片之间缝隙的控制也很不容易                近年来，在能对波长较长的所谓近年来，在能对波长较长的所谓 “  “ 软软软软   X X   射线射线射线射线 ”  ” 进行反射进行反射的反射镜的研制上取得了重要进展出现一种采用波长为的反射镜的研制上取得了重要进展。

出现一种采用波长为 13 nm 的软的软 X 射线的射线的 4:1 全反射缩小投影曝光技术，获得了全反射缩小投影曝光技术，获得了 0.1  m 线线宽的图形此技术后来被命名为宽的图形此技术后来被命名为 极紫外光光刻极紫外光光刻极紫外光光刻极紫外光光刻（（EUVL） EUVLEUVL   光刻机示意图光刻机示意图光刻机示意图光刻机示意图 要要将将 EUVL 概念转化为概念转化为 0.1  m 设计规则的技术，需要解决设计规则的技术，需要解决以下多项关键技术难题以下多项关键技术难题晶片晶片多涂层多涂层EUV 反射反射成像系统成像系统EUV 光束光束多涂层多涂层EUV 反射反射聚光系统聚光系统高高功率功率激光器激光器激光激光激发激发等离等离子体子体掩模版掩模版        一、一、一、一、EUVEUV   光源光源光源光源        可选择的可选择的 EUV 光源有三种：电子碰撞光源有三种：电子碰撞 X 射线源、激光产生射线源、激光产生的等离子体光源和电子同步加速器辐射源的等离子体光源和电子同步加速器辐射源 从商业角度，目前从商业角度，目前最被看好的是激光产生的等离子体光源最被看好的是激光产生的等离子体光源 ，因为这种光源有丰富，因为这种光源有丰富的软的软 X 射线。

这种光源的开发需解决以下三个问题，射线这种光源的开发需解决以下三个问题，          1、高平均功率激光器的开发；、高平均功率激光器的开发；          2、从激光到、从激光到 EUV 辐射的转换效率；辐射的转换效率；          3、、无残碎片，以防止聚光系统被损伤或被涂复无残碎片，以防止聚光系统被损伤或被涂复        二、二、二、二、EUVEUV   涂层涂层涂层涂层        光学研究表明，采用叠片的方式可以获得共振反射，从而光学研究表明，采用叠片的方式可以获得共振反射，从而得到很高的反射率得到很高的反射率 光波波长光波波长λ与叠片的等效周期与叠片的等效周期 D 以及入射以及入射角角     之间应满足之间应满足 Bragg 方程方程         当波长很短时当波长很短时 ，多层叠片可以用多层涂层来实现，多层叠片可以用多层涂层来实现 EUV 光刻技术最大的单项突破就是开发出了精确的多层涂复技术，光刻技术最大的单项突破就是开发出了精确的多层涂复技术，使对使对 EUV 的反射率超过了的反射率超过了 60%　　　　常用涂层材料有常用涂层材料有 “Mo-Si” 系统与系统与 “Mo-Be” 系统。

已经用系统已经用“ Mo-Si ” 涂层制成直径为涂层制成直径为 4 英寸的反射镜，在波长为英寸的反射镜，在波长为 13.4 nm 时的反射率为时的反射率为 65    0.5 % ，涂层周期为，涂层周期为 6.95     0.03 nm         EUV 涂层的技术必须满足以下要求涂层的技术必须满足以下要求        1、能做出具有高反射率的涂层；、能做出具有高反射率的涂层；        2、能在反射镜表面各处均匀精确地控制多涂层的周期；、能在反射镜表面各处均匀精确地控制多涂层的周期；        3、能精确控制不同反射镜的多涂层周期；、能精确控制不同反射镜的多涂层周期；        4、能在掩模版上淀积无缺陷的多涂层；、能在掩模版上淀积无缺陷的多涂层；        5、涂层必须长期稳定，能经受住长时间、涂层必须长期稳定，能经受住长时间 EUV 辐射的损伤辐射的损伤及热效应的影响及热效应的影响                三、精密光学系统三、精密光学系统三、精密光学系统三、精密光学系统        缩小的光学成像系统的制造与计量是缩小的光学成像系统的制造与计量是 EUV 技术中最困难技术中最困难的光学课题。

光学系统的部件必须满足的光学课题光学系统的部件必须满足        1、采用极低热膨胀系数的材料制成；、采用极低热膨胀系数的材料制成；        2、反射镜的精度与表面光洁度均应达到、反射镜的精度与表面光洁度均应达到 0.1 nm 的水平        反射镜数量的选择：为达到最佳成像质量和最大像场，应反射镜数量的选择：为达到最佳成像质量和最大像场，应采用尽可能多的反射镜，但受到光传输效率的限制，所以必须采用尽可能多的反射镜，但受到光传输效率的限制，所以必须在大象场的成像质量和曝光效率之间作折中考虑在大象场的成像质量和曝光效率之间作折中考虑        已报道了一种已报道了一种 4 镜面的反射缩小系统，镜面的反射缩小系统，NA = 0.08 ，，像场像场缝宽为缝宽为 1 mm，，图形分辨率优于图形分辨率优于 0.1  m         四、掩模版四、掩模版四、掩模版四、掩模版        对全反射系统来说，掩模版的对全反射系统来说，掩模版的 “ 透光透光 ” 部分为有多涂层部分为有多涂层的部分，的部分，“ 不透光不透光 ” 部分则是覆盖在多涂层上的已制成所需部分则是覆盖在多涂层上的已制成所需图形的金属吸收层。

衬底可用硅晶片来制作图形的金属吸收层衬底可用硅晶片来制作EUV掩模版的制掩模版的制作过程，是先在作为衬底的硅晶片上淀积多涂层反射层，接着作过程，是先在作为衬底的硅晶片上淀积多涂层反射层，接着淀积一层保护性过渡薄层及一层金属吸收层然后通过电子束淀积一层保护性过渡薄层及一层金属吸收层然后通过电子束光刻工艺在多涂层的上面刻蚀出所需的金属吸收层图形光刻工艺在多涂层的上面刻蚀出所需的金属吸收层图形        制作无缺陷的掩模版是制作无缺陷的掩模版是 EUVL 技术中最具挑战性的要求技术中最具挑战性的要求对普通掩模版的各种缺陷修复方法都无法用于多涂层掩模版，对普通掩模版的各种缺陷修复方法都无法用于多涂层掩模版，唯一的途径就是在大面积范围内实现无缺陷多涂层淀积为了唯一的途径就是在大面积范围内实现无缺陷多涂层淀积为了制作成品率大于制作成品率大于 90% 的掩模版的掩模版 ，要求多涂层淀积工艺的缺陷，要求多涂层淀积工艺的缺陷密度小于密度小于 10 -3 个个/cm2         五、光刻胶五、光刻胶五、光刻胶五、光刻胶        由于光刻胶对由于光刻胶对 EUV 的吸收深度很浅，只能在光刻胶的表的吸收深度很浅，只能在光刻胶的表面成像，因此必须采用相应的表面成像工艺，例如表面层很薄面成像，因此必须采用相应的表面成像工艺，例如表面层很薄的双层甚至三层光刻胶技术。

的双层甚至三层光刻胶技术        此外，此外，EUV 光刻胶需要很高的灵敏度为达到足够的生产光刻胶需要很高的灵敏度为达到足够的生产效率，效率， EUV 光刻胶的灵敏度应优于光刻胶的灵敏度应优于 5mJ/cm2         投影电子束曝光技术既有电子束曝光分辨率高的优点，又投影电子束曝光技术既有电子束曝光分辨率高的优点，又有投影曝光所固有的生产效率高成本低的优点，因而是目前正有投影曝光所固有的生产效率高成本低的优点，因而是目前正积极研究开发的一种技术积极研究开发的一种技术 投影电子束光刻投影电子束光刻 原理：电子枪发射的电子原理：电子枪发射的电子束经聚焦透镜后形成准直电子束经聚焦透镜后形成准直电子束流，照射到掩模版上，穿过束流，照射到掩模版上，穿过掩模透明部分的电子束再经过掩模透明部分的电子束再经过投影透镜缩小后，在晶片上获投影透镜缩小后，在晶片上获得缩小的掩模转印图形得缩小的掩模转印图形        由于曝光视场不大（一般由于曝光视场不大（一般为为 3×3 mm2  ），所以工件台），所以工件台也需作步进移动也需作步进移动电子枪电子枪光闸光闸聚焦透镜聚焦透镜投影透镜投影透镜掩模版掩模版晶片晶片电子束电子束        投影电子束曝光的投影电子束曝光的 优点优点优点优点        1、波长短，分辨率高，线宽可小于、波长短，分辨率高，线宽可小于 0.1  m ；；        2、、生产效率高；生产效率高；        3、对电子束的控制简单。

对电子束的控制简单                存在的问题存在的问题存在的问题存在的问题        1、掩模版制造困难掩模版制造困难透明透明” 部分最好是空的这是限部分最好是空的这是限制投影电子束曝光的实际应用的主要障碍；制投影电子束曝光的实际应用的主要障碍；        2、对准问题、对准问题                在投影电子束光刻中，最有希望的技术之一被称为角度限在投影电子束光刻中，最有希望的技术之一被称为角度限制散射投影电子束光刻（制散射投影电子束光刻（Scattering  with  Angular  Limitation Projection  Electron-beam  Lithorgraphy,  SCALPELSCALPEL），），它是它是利用散射反差的对比来产生图形掩模版的透明区用低利用散射反差的对比来产生图形掩模版的透明区用低 Z 材料材料制成，不透明区用高制成，不透明区用高 Z 材料制成不透明区不是吸收电子而是材料制成不透明区不是吸收电子而是以足够大的角度散射电子，使之被光阑阻挡这就允许使用极以足够大的角度散射电子，使之被光阑阻挡这就允许使用极高的能量，从而使低高的能量，从而使低 Z 材料区几乎完全透明。

材料区几乎完全透明        掩模版的透明区通常是富硅的氮化硅，厚约掩模版的透明区通常是富硅的氮化硅，厚约 0.1  m 不透不透明区可采用明区可采用 W/ /Cr，，厚约厚约 0.05  m         在图像质量和生产效率之间存在矛盾在图像质量和生产效率之间存在矛盾在图像质量和生产效率之间存在矛盾在图像质量和生产效率之间存在矛盾低电子流密度可获低电子流密度可获得极好的图像质量，而高电子流密度可获得合理的生产效率得极好的图像质量，而高电子流密度可获得合理的生产效率 离子束光刻离子束光刻        当将离子束应用于曝光时，其加工方式有当将离子束应用于曝光时，其加工方式有        1、掩模方式（投影方式）、掩模方式（投影方式）        2、聚焦方式、聚焦方式 FIBFIB（直写方式、扫描方式）（直写方式、扫描方式）        3、接近式、接近式                聚焦离子束光刻机的基本原理与直写电子束光刻机大体相聚焦离子束光刻机的基本原理与直写电子束光刻机大体相同，不同之处有同，不同之处有        1、由、由 LMIS（（单体或共晶合金）代替电子枪；单体或共晶合金）代替电子枪；        2、必须使用质量分析系统；、必须使用质量分析系统；        3、通常采用静电透镜和静电偏转器；、通常采用静电透镜和静电偏转器；        4、主高压的范围较宽，可以适用于曝光、刻蚀、注入等、主高压的范围较宽，可以适用于曝光、刻蚀、注入等各种不同用途。

各种不同用途        离子束曝光技术的优点离子束曝光技术的优点离子束曝光技术的优点离子束曝光技术的优点        1、离子的质量大，因此波长更短，可完全忽略衍射效应；、离子的质量大，因此波长更短，可完全忽略衍射效应；        2、离子的速度慢，穿透深度小，曝光灵敏度高对于各种、离子的速度慢，穿透深度小，曝光灵敏度高对于各种电子束光刻胶，离子束的灵敏度均比电子束高近两个数量级，电子束光刻胶，离子束的灵敏度均比电子束高近两个数量级，因此可缩短曝光时间，提高生产效率；因此可缩短曝光时间，提高生产效率；        3、离子的质量大，因此散射很小，由散射引起的邻近效应、离子的质量大，因此散射很小，由散射引起的邻近效应小，有利于提高分辨率；小，有利于提高分辨率；        4、当采用与、当采用与 X 射线类似的接近式曝光时，无半影畸变与几射线类似的接近式曝光时，无半影畸变与几何畸变；何畸变；　　　　5、可以利用、可以利用 FIB 技术直接在硅片上进行离子束刻蚀或离子技术直接在硅片上进行离子束刻蚀或离子注入，而完全摆脱掩模版与光刻胶；注入，而完全摆脱掩模版与光刻胶；        6、有增强腐蚀作用、有增强腐蚀作用        被被 H+  离子照射过的离子照射过的 SiO2 层，层，其腐蚀速率比未照射区的高其腐蚀速率比未照射区的高约约 5 倍。

这就有可能不用光刻胶，在定域曝光后直接进行定域倍这就有可能不用光刻胶，在定域曝光后直接进行定域腐蚀另一种可能的用途是，利用增强腐蚀作用把很薄的腐蚀另一种可能的用途是，利用增强腐蚀作用把很薄的 SiO2 层作为无机正性光刻胶使用，并将其用作双层胶的顶层胶层作为无机正性光刻胶使用，并将其用作双层胶的顶层胶离子束离子束腐蚀腐蚀 SiO2 ，，相当于顶层相当于顶层胶的显影胶的显影        离子束曝光技术存在的问题离子束曝光技术存在的问题离子束曝光技术存在的问题离子束曝光技术存在的问题        1、对准问题与电子束相比，离子束的穿透力小，不易穿、对准问题与电子束相比，离子束的穿透力小，不易穿过胶层达到晶片上的对准标记另一方面，因离子束的散射也过胶层达到晶片上的对准标记另一方面，因离子束的散射也小，很难获得来自对准标记的信息；小，很难获得来自对准标记的信息；        2、离子的质量大，偏转扫描的速度慢；、离子的质量大，偏转扫描的速度慢；        3、、LMIS 能散度较大，给离子光学系统的设计带来困难；能散度较大，给离子光学系统的设计带来困难；        4、对于投影离子束曝光，掩模版是关键问题。

由于离子的、对于投影离子束曝光，掩模版是关键问题由于离子的散射比电子小，从这个意义上说，离子束掩模版的制造难度比散射比电子小，从这个意义上说，离子束掩模版的制造难度比电子束掩模版的要小一些透光部分可采用电子束掩模版的要小一些透光部分可采用 0.1  m ~ 0.2  m 的的 Al2O3 薄膜，或薄膜，或 1  m 左右的单晶硅沟道掩模左右的单晶硅沟道掩模        各种光源的比较各种光源的比较 光谱光谱 波长波长（（nm)曝光方式曝光方式 光刻光刻胶胶 掩掩模模材料材料 分辨率分辨率 紫外光紫外光 365、、 436各种有掩各种有掩模方式模方式 光致光致 玻璃玻璃/ /Cr 0.5  m 深深紫外光紫外光 193、、 248各种有掩各种有掩模方式模方式电子电子 石英石英/ /Cr、、 石英石英/ /Al 0.2  m 极极紫外光紫外光 10 ~ 15 缩小全缩小全 反射反射电子电子多涂层反射层多涂层反射层/ /金属吸收层金属吸收层 0.1  m X 射线射线 0.2 ~ 4 接近接近电子电子Si、、Si3N4、、Al2O3/ / Au、、Pt、、Os 等等 0.1  m  小结小结用于深紫外光、用于深紫外光、极紫外光、极紫外光、 X 射射线、电子束投影、线、电子束投影、离子束投影等的离子束投影等的曝光，适宜于大曝光，适宜于大批量生产批量生产各种获得光刻胶图形的途径各种获得光刻胶图形的途径电子束图形发生器电子束图形发生器光学图形发生器光学图形发生器电子束曝光系统电子束曝光系统掩模掩模图形的产生图形的产生光学光刻掩模光学光刻掩模高分辨率掩模高分辨率掩模直接描画式曝光直接描画式曝光用于接触式曝光、用于接触式曝光、接近式曝光与投影接近式曝光与投影式曝光，生产周期式曝光，生产周期短，缺陷密度低短，缺陷密度低用于电、离子束用于电、离子束直写曝光，适宜直写曝光，适宜于试验性器件于试验性器件、、要求分辨率特别要求分辨率特别高的器件、少量高的器件、少量生产的器件生产的器件CAD                图形曝光技术展望图形曝光技术展望 若干年前人们认为，由于衍射效应等的限制，光学（紫外若干年前人们认为，由于衍射效应等的限制，光学（紫外与深紫外光）曝光的分辨率极限为与深紫外光）曝光的分辨率极限为 1  m。

随着光刻技术的不断随着光刻技术的不断改进，如相移掩模技术、光学邻近效应修正技术、双层胶技术改进，如相移掩模技术、光学邻近效应修正技术、双层胶技术等的出现，已使光学曝光的分辨率进入亚波长范围现在利用等的出现，已使光学曝光的分辨率进入亚波长范围现在利用 193 nm 的的深紫外光，已可获得深紫外光，已可获得 0.1  m 的线的线宽        然而，光学曝光的成本随分辨率的提高而急剧增加，况且然而，光学曝光的成本随分辨率的提高而急剧增加，况且由于衍射效应而不能指望光学曝光能将最小线宽做到由于衍射效应而不能指望光学曝光能将最小线宽做到 0.05  m 以下为了对付几年以后深亚微米曝光要求的挑战，人们必须以下为了对付几年以后深亚微米曝光要求的挑战，人们必须寻求新的替代技术寻求新的替代技术                作为所谓后光学方式的候选技术有，直写和投影电子束光作为所谓后光学方式的候选技术有，直写和投影电子束光刻（刻（EBL、、SCALPEL）、）、接近式接近式 X 射线光刻（射线光刻（XRL）、）、反射反射投影极紫外光光刻（投影极紫外光光刻（EUVL）、）、直写和投影离子束光刻等。

其直写和投影离子束光刻等其中有些技术具有中有些技术具有 0.01  m 的潜在能力，但每一种候选技术都有的潜在能力，但每一种候选技术都有一些关键的技术难题需要解决有专家呼吁应尽快达成共识，一些关键的技术难题需要解决有专家呼吁应尽快达成共识，选择其中的一种技术加以重点发展但也有人认为会出现几种选择其中的一种技术加以重点发展但也有人认为会出现几种不同技术适应不同需求而共存的局面不同技术适应不同需求而共存的局面      习  题                 1、列出下列光源的波、列出下列光源的波长：：g 线、、i 线、、ArF 激光、激光、1nm X 射射线和和 10keV 的的电子如果都采用接近式曝光，子如果都采用接近式曝光，间隙隙为10  m ，，则每种光源的分辨率是多少？每种光源的分辨率是多少？        2、利用、利用图 9.10，估算下式中的参数　　，估算下式中的参数　　        3、对、对 100×100 mm2 的正方形硅片用圆形电子束或离子束的正方形硅片用圆形电子束或离子束进行逐点扫描曝光设片上的图形面积占片子总面积的进行逐点扫描曝光设片上的图形面积占片子总面积的 50％。

％如果束斑直径为如果束斑直径为 0.3  m ，则共需曝光多少次？如果电子束每点，则共需曝光多少次？如果电子束每点的曝光时间为的曝光时间为 1  s ，离子束为，离子束为 0.01  s ，分别计算电子束和离子，分别计算电子束和离子束完成曝光所需的时间如果扫描场的范围是束完成曝光所需的时间如果扫描场的范围是 5×5 mm2，则工，则工件台需分步重复移动多少次？如果工件台每移动一次需件台需分步重复移动多少次？如果工件台每移动一次需 10 秒钟，秒钟，则曝光时用在工件台移动上的时间是多少？则曝光时用在工件台移动上的时间是多少？刻蚀技术刻蚀技术        刻蚀是将光刻胶膜上的图形再转移到刻蚀是将光刻胶膜上的图形再转移到硅片上的技术刻蚀的任务是将没有被光硅片上的技术刻蚀的任务是将没有被光刻胶膜保护的硅片上层材料刻蚀掉这些刻胶膜保护的硅片上层材料刻蚀掉这些上层材料可能是二氧化硅、氮化硅、多晶上层材料可能是二氧化硅、氮化硅、多晶硅或者是金属层等刻蚀分为干法刻蚀和硅或者是金属层等刻蚀分为干法刻蚀和湿法刻蚀，干法刻蚀是以等离子体进行薄湿法刻蚀，干法刻蚀是以等离子体进行薄膜刻蚀的技术，湿法刻蚀是将被刻蚀材料膜刻蚀的技术，湿法刻蚀是将被刻蚀材料浸泡在腐蚀液内进行腐蚀的技术。

浸泡在腐蚀液内进行腐蚀的技术本章目标本章目标1. 列出并描述９种重要的刻蚀参数列出并描述９种重要的刻蚀参数.2. 解释干法腐蚀，包括优点及论述是如何进行的解释干法腐蚀，包括优点及论述是如何进行的.3. 列出并描述７种干法等离子体刻蚀设备列出并描述７种干法等离子体刻蚀设备.4. 解释高密度等离子体解释高密度等离子体 (HDP) 并论述４种并论述４种 HDP 刻刻蚀机蚀机.5. 举出一个介质、硅、金属干法腐蚀的实际例子举出一个介质、硅、金属干法腐蚀的实际例子.6. 讨论湿法腐蚀及其应用讨论湿法腐蚀及其应用.7. 解释如何去除光刻胶解释如何去除光刻胶8. 论述刻蚀检查及相关质量测量方法论述刻蚀检查及相关质量测量方法. 引引言言•含义：用化学或物理的方法有选择地从硅含义：用化学或物理的方法有选择地从硅片表面去除不需要的材料的过程片表面去除不需要的材料的过程•目标：在涂胶的硅片上正确复制掩膜图形目标：在涂胶的硅片上正确复制掩膜图形•最后实现图形的步骤最后实现图形的步骤刻蚀在刻蚀在CMOS技术中的应用技术中的应用Photoresist maskFilm to be etched(a) Photoresist-patterned substrate(b) Substrate after etchPhotoresist maskProtected film图形的减法和加法图形的减法和加法在晶片厂中的位置在晶片厂中的位置ImplantDiffusionTest/SortEtchPolishPhotoCompleted waferUnpatterned waferWafer startThin FilmsWafer fabrication (front-end) 刻蚀工艺刻蚀工艺刻蚀工艺的种类刻蚀工艺的种类•湿法腐蚀湿法腐蚀•干法腐蚀干法腐蚀•刻蚀的主要材料刻蚀的主要材料–Silicon–Dielectric–Metal•有图刻蚀和无图刻蚀有图刻蚀和无图刻蚀 刻刻蚀参数蚀参数•刻蚀速率刻蚀速率•刻蚀剖面刻蚀剖面•刻蚀偏差刻蚀偏差•选择性选择性•均匀性均匀性•残留物残留物•聚合物聚合物•等离子体诱导损伤等离子体诱导损伤•颗粒沾污和缺陷颗粒沾污和缺陷 刻蚀速率刻蚀速率TStart of etchEnd of etcht = elapsed time during etchT = change in thickness光刻胶对刻蚀剂有高抗蚀性湿法各向同性化学腐蚀湿法各向同性化学腐蚀Isotropic etch - etches in all directions at the same rateSubstrateFilmResist钻蚀VLSI VLSI 对图形转移的要求和刻蚀方法对图形转移的要求和刻蚀方法一、一、VLSI VLSI 对图形转移的要求对图形转移的要求 1)1)、图形转移的保真度要高、图形转移的保真度要高刻蚀转移图形的三种常见情况刻蚀转移图形的三种常见情况  设设纵纵向向刻刻蚀蚀速速率率为为 v vv v ，， 横横向向刻刻蚀蚀速速率率为为 v vl l 。

刻刻蚀蚀的的各各向向异性可用异性可用A A 来表示，即：来表示，即： （（16.116.1）） （（16.216.2）） (1) (1) 如如果果 v vl l = = 0 0 ，，则则 A A = = 0 0 ，，表表示示刻刻蚀蚀仅仅沿沿深深度度方方向向进进行行，，即即完完全全各各向向异异性性，，这这时时图图形形转转移移中中的的失失真真最最小小，，如如图图7.1(a)7.1(a)。

(2) (2) 如如果果 v vl l = = v vv v ，，则则 A A = = 1 1，，表表示示不不同同方方向向的的刻刻蚀蚀特特性性相同，即各向同性，这时图形转移中的失真最大相同，即各向同性，这时图形转移中的失真最大 (3) (3) 通通常常 0 0 < < v vl l < < v vv v ，，则则 0 0 < < A A < < 1 1 ，，即即有有一一定定的的各各向异性，这时图形转移中有一定的失真，如图向异性，这时图形转移中有一定的失真，如图7.1(b) 7.1(b) 、、(c)(c) 因此，各向异性是图形转移中保真程度的反映因此，各向异性是图形转移中保真程度的反映  2)2)、选择比大、选择比大 指指的的是是在在同同一一刻刻蚀蚀条条件件下下一一种种材材料料与与另另一一种种材材料料相相比刻蚀速度快多少比刻蚀速度快多少 被被刻刻蚀蚀材材料料的的刻刻蚀蚀速速率率与与掩掩蔽蔽材材料料及及衬衬底底材材料料的的刻刻蚀蚀速率之比要尽可能大。

速率之比要尽可能大 干干法法刻刻蚀蚀通通常常不不能能提提供供对对下下一一层层材材料料足足够够高高的的刻刻蚀蚀选选择择比比这这种种情情况况下下，，有有一一个个终终点点检检测测系系统统，，使使得得在在造造成成最最小小的的过过刻刻蚀蚀时时停停止止刻刻蚀蚀当当下下一一层层材材料料 正正好好露露出出来来时时，，终终点点检检测器会触发刻蚀机控制器而停止刻蚀测器会触发刻蚀机控制器而停止刻蚀        具有垂直刻蚀剖面的各向异性刻蚀具有垂直刻蚀剖面的各向异性刻蚀Anisotropic etch - etches in only one directionResistSubstrateFilm湿法刻蚀和干法刻蚀的侧壁剖面湿法刻蚀和干法刻蚀的侧壁剖面刻蚀偏差刻蚀偏差(b)BiasSubstrateResistFilm(a)BiasResistFilmFilmSubstrateWbWa刻蚀中的横向钻蚀和倾斜刻蚀中的横向钻蚀和倾斜UndercutSubstrateResistFilmOveretch刻蚀选择比刻蚀选择比S = EfErEfNitrideOxideEr刻蚀均匀性Measure etch rate at 5 to 9 locations on each wafer, then calculate etch uniformity for each wafer and compare wafer-to-wafer.Randomly select 3 to 5 wafers in a lot聚合物侧壁钝化来提高各向异性聚合物侧壁钝化来提高各向异性Plasma ionsResistOxidePolymer formationSilicon刻蚀技术（刻蚀技术（Etching Technology））刻蚀技术（刻蚀技术（Etching Technology））是将材料使用化学反应物理撞击作用而移除的技术。

是将材料使用化学反应物理撞击作用而移除的技术可以分为可以分为:湿法刻蚀（湿法刻蚀（wet etching））:湿法刻蚀所使用的是化学溶液，湿法刻蚀所使用的是化学溶液，在经过化学反应之后达到刻蚀的目的在经过化学反应之后达到刻蚀的目的.干法刻蚀（干法刻蚀（dry etching））:干法刻蚀是利用一种干法刻蚀是利用一种电浆电浆刻蚀（刻蚀（plasma etching）电浆电浆刻蚀中刻蚀的作用，可能是刻蚀中刻蚀的作用，可能是电浆电浆中离子撞击晶片表面所中离子撞击晶片表面所产生的物理作用，或者是产生的物理作用，或者是电浆电浆中活性自由基（中活性自由基（Radical））与晶片表面原子与晶片表面原子间的化学反应，甚至也可能是以上兩者的复合作用间的化学反应，甚至也可能是以上兩者的复合作用现在主要应用技术现在主要应用技术:等离子体刻蚀等离子体刻蚀　　刻蚀刻蚀方法方法反应物反应物种类种类反应反应气体气体刻蚀刻蚀材料材料反应反应机构机构选选 择择性性方方 向向性性装装置置 等离等离子子 体体刻蚀刻蚀自由基自由基O2CF4CF4+O2SiSiO2Si3N4多晶硅多晶硅化化学学反应反应大大各各 向向同性同性圆圆筒筒型型自自 由由 基基 +活活性离子性离子O2CF4CF4+O2SiSiO2Si3N4多晶硅多晶硅物物理理/化化学学反反应应大大各各 向向异性异性平平行行极极板板型型反应反应离子离子刻蚀刻蚀自自 由由 基基 +活活性离子性离子CF4+H2C3F8CCl4BCl3SiO2PSGAlAlSi物物理理/化化学学反反应应中中各各 向向异性异性平平行行极极板板型型离离 子子溅溅 射射刻蚀刻蚀非活性离子非活性离子ArSiO2物物理理反应反应大大各各 向向异性异性离离子子枪枪化学干法等离子体刻蚀和物理干法化学干法等离子体刻蚀和物理干法等离子体刻蚀等离子体刻蚀刻蚀机辉光放电区域原理图和电刻蚀机辉光放电区域原理图和电势分布势分布Plasma (+Vp)Ion sheathRFPowered electrode (Vt)Grounded electrode-V 0 +VVpVt刻蚀参数的影响刻蚀参数的影响等离子体刻蚀的性能等离子体刻蚀的性能等离子体刻蚀的性能等离子体刻蚀的性能 1 1 1 1、影响刻蚀速率的各种因素、影响刻蚀速率的各种因素、影响刻蚀速率的各种因素、影响刻蚀速率的各种因素         (1) (1) (1) (1) 射射射射频频频频功功功功率率率率越越越越高高高高，，，，刻刻刻刻蚀蚀蚀蚀速速速速率率率率越越越越快快快快。

但但但但过过过过高高高高的的的的功功功功率率率率会会会会降低光刻胶的抗蚀性，导致刻蚀的可控性变差降低光刻胶的抗蚀性，导致刻蚀的可控性变差降低光刻胶的抗蚀性，导致刻蚀的可控性变差降低光刻胶的抗蚀性，导致刻蚀的可控性变差         (2) (2) (2) (2) 增增增增加加加加刻刻刻刻蚀蚀蚀蚀气气气气体体体体流流流流量量量量，，，，将将将将增增增增加加加加活活活活性性性性离离离离子子子子浓浓浓浓度度度度，，，，刻刻刻刻蚀蚀蚀蚀速速速速率率率率相相相相应应应应增增增增大大大大但但但但流流流流量量量量过过过过大大大大会会会会导导导导致致致致压压压压力力力力增增增增高高高高，，，，使使使使电电电电子子子子的的的的自自自自由由由由程程程程缩短，气体的离化率变低，刻蚀速率反而会下降缩短，气体的离化率变低，刻蚀速率反而会下降缩短，气体的离化率变低，刻蚀速率反而会下降缩短，气体的离化率变低，刻蚀速率反而会下降 (3) (3) (3) (3) 衬衬衬衬底底底底温温温温度度度度升升升升高高高高，，，，刻刻刻刻蚀蚀蚀蚀速速速速率率率率增增增增大大大大。

为为为为确确确确保保保保刻刻刻刻蚀蚀蚀蚀的的的的重复性，须精确控制反应室与衬底的温度重复性，须精确控制反应室与衬底的温度重复性，须精确控制反应室与衬底的温度重复性，须精确控制反应室与衬底的温度         (4) (4) (4) (4) 刻蚀气体种类和气体成份对刻蚀速率的影响较大刻蚀气体种类和气体成份对刻蚀速率的影响较大刻蚀气体种类和气体成份对刻蚀速率的影响较大刻蚀气体种类和气体成份对刻蚀速率的影响较大 各种含氟气体对各种含氟气体对各种含氟气体对各种含氟气体对 Si Si Si Si（（（（111111111111）面的刻蚀速率的顺序如下：）面的刻蚀速率的顺序如下：）面的刻蚀速率的顺序如下：）面的刻蚀速率的顺序如下： CF CF CF CF4 4 4 4 > CCl> CCl> CCl> CCl3 3 3 3F > CClF > CClF > CClF > CCl2 2 2 2F F F F2 2 2 2 > CHCl> CHCl> CHCl> CHCl2 2 2 2F F F F CF CF CF CF4 4 4 4 + O+ O+ O+ O2 2 2 2 刻蚀气体：刻蚀气体：刻蚀气体：刻蚀气体： Si/SiO Si/SiO Si/SiO Si/SiO2 2 2 2 刻蚀速率比为刻蚀速率比为刻蚀速率比为刻蚀速率比为10 : 1 10 : 1 10 : 1 10 : 1 。

CF CF CF CF4 4 4 4 + H+ H+ H+ H2 2 2 2 刻蚀气体：刻蚀气体：刻蚀气体：刻蚀气体：SiOSiOSiOSiO2 2 2 2/Si /Si /Si /Si 刻蚀速率比刻蚀速率比刻蚀速率比刻蚀速率比 > > > > 10 10 10 10   2 2 2 2、影响刻蚀均匀性的因素、影响刻蚀均匀性的因素、影响刻蚀均匀性的因素、影响刻蚀均匀性的因素 采采采采用用用用平平平平板板板板反反反反应应应应器器器器且且且且反反反反应应应应室室室室采采采采用用用用恒恒恒恒温温温温控控控控制制制制可可可可提提提提高高高高片片片片内内内内、、、、片间及批次间刻蚀均匀性片间及批次间刻蚀均匀性片间及批次间刻蚀均匀性片间及批次间刻蚀均匀性         3 3 3 3、负载效应、负载效应、负载效应、负载效应 在给定气体流量、气压和输入功率的条件下，待刻蚀在给定气体流量、气压和输入功率的条件下，待刻蚀在给定气体流量、气压和输入功率的条件下，待刻蚀在给定气体流量、气压和输入功率的条件下，待刻蚀样品的数量增加，会导致刻蚀速率下降。

样品的数量增加，会导致刻蚀速率下降样品的数量增加，会导致刻蚀速率下降样品的数量增加，会导致刻蚀速率下降等等离子体反应刻蚀器离子体反应刻蚀器•圆桶式等离子体反应器圆桶式等离子体反应器•平板（平面）反应器平板（平面）反应器•顺流刻蚀系统顺流刻蚀系统•三极平面反应器三极平面反应器•离子铣离子铣•反应离子刻蚀反应离子刻蚀 (RIE)•高密度等离子体刻蚀机高密度等离子体刻蚀机 典型的圆桶式等离子刻蚀机典型的圆桶式等离子刻蚀机Vacuum pumpGas inRF electrodeRFgeneratorWafersQuartz boatWafersReaction chamber体蚀体蚀体蚀体蚀装置装置装置装置 平板（平面）平板（平面）等离子刻蚀机等离子刻蚀机Roots pumpProcess gasesExhaustGas- flow controllerPressure controllerGas panelRF generatorMatching networkMicrocontroller Operator InterfaceGas dispersion screenElectrodesEndpoint signalPressure signalRoughingpumpWafer平平板型反应器板型反应器•特点：（特点：（1）上下电极彼此平行，间距）上下电极彼此平行，间距 2~5 cm，电场均匀地分布在平行极板之间。

除，电场均匀地分布在平行极板之间除自由基的化学刻蚀作用外，离子在电场作自由基的化学刻蚀作用外，离子在电场作用下作与硅片表面垂直的定向运动而产生用下作与硅片表面垂直的定向运动而产生微弱的溅射刻蚀作用，使刻蚀具有一定的微弱的溅射刻蚀作用，使刻蚀具有一定的各向异性，使分辨率有所提高各向异性，使分辨率有所提高•（（2）刻蚀速率高，选择性好，设备简单，）刻蚀速率高，选择性好，设备简单，成本低顺流刻蚀系统顺流刻蚀系统Plasma chamberDiffuserWafer chuckHeat lampTo vacuum systemMicrowave energyMicrowave source 2.45 MHz离子损伤小，化学离子损伤小，化学三极平面反应器Inductively-coupledRF generator (3.56 MHz)Capacitively-coupled RF generator (100 kHz)Induction coilCapacitor第三极控制离子数量离子束刻蚀机的原理+++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++_Hot filament emits electronsGas inlet(Argon)To vacuum systemNeutralizing filamentAccelerating gridScreen gridElectromagnet improves ionizationPlasma chamber(+anode repels +ions)Wafer can be tilted to control etch profile强有力的刻蚀，低选择比，低产能强有力的刻蚀，低选择比，低产能. 刻金属，不同的侧壁刻金属，不同的侧壁平行板平行板RIE反应器反应器RF generatorWaferPowered electrode(cathode)Grounded electrode(anode)Ar+(physical etch component)F(chemical etch component)化学反应＋物理轰击化学反应＋物理轰击高密度等离子体刻蚀机高密度等离子体高密度等离子体•0.25um 刻关键尺寸，高深宽比刻关键尺寸，高深宽比–方法降低系统内压力，提高自由程。

问题：降方法降低系统内压力，提高自由程问题：降低刻蚀速率低刻蚀速率•增加活性基：增加活性基： 从从 0.01~0.1％增加到％增加到10％％•产生高方向性的低能等离子，产生高方向性的低能等离子，•得到高深度比各向异性刻蚀得到高深度比各向异性刻蚀引入磁场的好处引入磁场的好处•产生的等离子体进入高深宽比窗口产生的等离子体进入高深宽比窗口•硅片损伤较小硅片损伤较小•有更多反应基和带电离子，刻蚀速率大有更多反应基和带电离子，刻蚀速率大•减少硅片直流偏压，减少轰击损伤减少硅片直流偏压，减少轰击损伤电子回旋加速反应器的原理图电子回旋加速反应器的原理图Microwave source 2.45 MHzWave guideDiffuserQuartz windowElectrostatic chuckCyclotron magnetPlasma chamberWaferAdditional magnet13.56 MHzVacuum system电子回旋频率等于微波频率，增加等离子电子回旋频率等于微波频率，增加等离子   复杂复杂电感耦合等离子刻蚀机电感耦合等离子刻蚀机ElectromagnetDielectric windowInductive coilBiased wafer chuckRF generatorBias RF generatorPlasma Plasma chamberchamber结构简单结构简单       硅片在磁场外硅片在磁场外硅片损伤少，硅片损伤少，双等离子源双等离子源 (DPS)Decoupled plasma Decoupled plasma chamberchamberTurbo pumpLower chamberCathodeWaferCapacitively-coupled RF generator (bias power)Inductively-coupled RF generator (source power)上下两个源上下两个源 ，上面产生等离子体，上面产生等离子体 下面控制方向下面控制方向磁增强反应磁增强反应等离子刻蚀机等离子刻蚀机(MERIE)Electromagnet (1 of 4) 13.56 MHzBiased wafer chuckWaferWafer用磁场限制以产生高密度等离子体用磁场限制以产生高密度等离子体干法刻蚀系统评价干法刻蚀系统评价常见湿法蚀常见湿法蚀 刻刻 技技 术术 腐蚀液腐蚀液被被腐蚀物腐蚀物H3PO4(85%):HNO3(65%):CH3COOH(100%):H2O:NH4F(40%））=76：：3：：15：：5：：0.01AlNH4(40%):HF(40%)=7:1SiO2,PSGH3PO4(85%)Si3N4HF(49%):HNO3(65%):CH3COOH(100%)=2:15:5 SiKOH(3%~50%)各向异向各向异向SiNH4OH:H2O2(30%):H2O=1:1:5HF(49%):H2O=1:100Ti ,CoHF(49%):NH4F(40%)=1:10TiSi2刻刻 蚀蚀去胶去胶显影（第显影（第 1 次图形转移）次图形转移）刻蚀（第刻蚀（第 2 次图形转移次图形转移））））选择曝光选择曝光        对刻对刻蚀蚀的要求的要求        1、适当的刻、适当的刻蚀蚀速率速率        通常要求刻蚀速率为每分钟几十到几百纳米。

通常要求刻蚀速率为每分钟几十到几百纳米        2、刻、刻蚀蚀的均匀性好（片内、片间、批次间）的均匀性好（片内、片间、批次间）        刻蚀均匀性一般为刻蚀均匀性一般为           大量硅片同时刻蚀时，刻蚀速大量硅片同时刻蚀时，刻蚀速率会减小，这称为刻蚀的率会减小，这称为刻蚀的 负载效应负载效应负载效应负载效应        3、选择比大、选择比大        选择比指对不同材料的刻蚀速率的比值选择比指对不同材料的刻蚀速率的比值        4、钻蚀小、钻蚀小                5、对硅片的损伤小、对硅片的损伤小                6、安全环保、安全环保                钻蚀（钻蚀（钻蚀（钻蚀（undercutundercut））））现象现象现象现象        对刻蚀速率的各向异性的定量描述对刻蚀速率的各向异性的定量描述式中，式中，RL 和和 RV 分别代表横向刻蚀速率和纵向刻蚀速率分别代表横向刻蚀速率和纵向刻蚀速率         A = 1 表示理想的各向异性，无钻蚀；表示理想的各向异性，无钻蚀；A = 0 表示各向同性，表示各向同性，有严重的钻蚀。

有严重的钻蚀刻蚀刻蚀技术技术湿湿法法干法干法化学刻蚀化学刻蚀电解刻蚀电解刻蚀离子铣刻蚀（物理作用）离子铣刻蚀（物理作用）等离子体刻蚀（化学作用）等离子体刻蚀（化学作用）反应离子刻蚀（物理化学作用）反应离子刻蚀（物理化学作用）        刻刻蚀蚀技术的种类技术的种类        与湿法化学刻蚀相比，与湿法化学刻蚀相比，干法干法刻蚀对温度不那么敏感，工艺刻蚀对温度不那么敏感，工艺重复性好；有一定的各向异性；等离子体中的颗粒比腐蚀液中重复性好；有一定的各向异性；等离子体中的颗粒比腐蚀液中的少得多；产生的化学废物也少得多的少得多；产生的化学废物也少得多        •湿湿法法刻刻蚀蚀：：利利用用液液态态化化学学试试剂剂或或溶溶液通过化学反应进行刻蚀的方法液通过化学反应进行刻蚀的方法•干干法法刻刻蚀蚀：：主主要要指指利利用用低低压压放放电电产产生生的的等等离离子子体体中中的的离离子子或或游游离离基基( (处处于于激激发发态态的的分分子子、、原原子子及及各各种种原原子子基基团团等等) )与与材材料料发发生生化化学学反反应应或或通通过过轰轰击击等等物理作用而达到刻蚀的目的物理作用而达到刻蚀的目的•湿法腐蚀：湿法腐蚀：–湿法化学刻蚀在半导体工艺中有着广泛湿法化学刻蚀在半导体工艺中有着广泛应用：磨片、抛光、清洗、腐蚀应用：磨片、抛光、清洗、腐蚀–优点是选择性好、重复性好、生产效率优点是选择性好、重复性好、生产效率高、设备简单、成本低高、设备简单、成本低–缺点是钻蚀严重、对图形的控制性较差缺点是钻蚀严重、对图形的控制性较差 湿法刻蚀湿法刻蚀         湿法刻蚀是一种纯粹的化学反应过程。

湿法刻蚀是一种纯粹的化学反应过程         优点优点优点优点        1、应用范围广，适用于几乎所有材料；、应用范围广，适用于几乎所有材料；        2、选择比大，易于光刻胶的掩蔽和刻蚀终点的控制；、选择比大，易于光刻胶的掩蔽和刻蚀终点的控制；        3、操作简单，成本低，适宜于大批量加工操作简单，成本低，适宜于大批量加工                缺点缺点缺点缺点                1 1、为各向同性腐蚀，容易出现钻蚀；、为各向同性腐蚀，容易出现钻蚀；、为各向同性腐蚀，容易出现钻蚀；、为各向同性腐蚀，容易出现钻蚀；                2 2、由于液体存在表面张力，不适宜于腐蚀极细的线条；、由于液体存在表面张力，不适宜于腐蚀极细的线条；、由于液体存在表面张力，不适宜于腐蚀极细的线条；、由于液体存在表面张力，不适宜于腐蚀极细的线条；                3 3、化学反应时往往伴随放热与放气，导致腐蚀不均匀化学反应时往往伴随放热与放气，导致腐蚀不均匀化学反应时往往伴随放热与放气，导致腐蚀不均匀化学反应时往往伴随放热与放气，导致腐蚀不均匀。

        常用腐蚀液举例常用腐蚀液举例        1、、SiO2 腐蚀液腐蚀液        BHF：：28 ml HF + 170 ml H2O + 113 g NH4F        2、、Si 腐蚀液腐蚀液        Dash etch:  1 ml HF + 3 ml HNO3 + 10 ml CH3COOH        Sirtl etch:   1 ml HF + 1 ml CrO3  ( 5 M 水溶液水溶液 )        Silver etch:  2 ml HF + 1 ml HNO3 + 2 ml AgNO3（（0.65 M 水水溶液），（用于检测外延层缺陷）溶液），（用于检测外延层缺陷）        Wright etch:  60 ml HF + 30 ml HNO3 + 60 ml CH3COOH + 60 ml H2O + 30 ml CrO3 ( 1g  in  2 ml H2O ) + 2g (CuNO3)23H2O ，（，（此腐蚀液可长期保存）此腐蚀液可长期保存）                3、、Si3N4 腐蚀液腐蚀液                  HFHF         H         H3 3POPO4 4 ( 140 ( 140o oC ~ 200C ~ 200o oC  )         C  )                 4、、Al 腐蚀液腐蚀液                4 4   ml Hml H3 3POPO4 4 + 1ml HNO + 1ml HNO3 3 + 4 + 4   ml CHml CH3 3COOH + 1ml HCOOH + 1ml H2 2O O ，，，，   （（（（3535   nmnm/ / / /minmin））））                0.1M K0.1M K2 2BrBr4 4OO7 7 + 0.51 + 0.51   M KOH + 0.6M KOH + 0.6   M KM K3 3Fe(CN)Fe(CN)6 6   ，，，，                        （（（（1 1      mm/ / / /min min ，，，，腐蚀时不产生气泡）腐蚀时不产生气泡）腐蚀时不产生气泡）腐蚀时不产生气泡）                5、、Au 腐蚀液腐蚀液              王水：王水：王水：王水：3 3   ml ml HClHCl + 1ml HNO + 1ml HNO3 3   ，（，（，（，（25 25 ~ ~ 50 50      mm/ / / /minmin））））              4g KI +1g I + 404g KI +1g I + 40   ml Hml H2 2OO（（（（0.5 0.5 ~ ~ 1  1      mm/ / / /minmin，不损伤光刻胶），不损伤光刻胶），不损伤光刻胶），不损伤光刻胶）干法刻蚀干法刻蚀•溅射与离子束铣蚀溅射与离子束铣蚀：：通过高能惰性气体离子的物理轰击作通过高能惰性气体离子的物理轰击作用刻蚀，各向异性性好，但选择性较差用刻蚀，各向异性性好，但选择性较差•等离子刻蚀等离子刻蚀(Plasma Etching)：：利用放电产生的游离基利用放电产生的游离基与材料发生化学反应与材料发生化学反应，，形成挥发物，实现刻蚀。

选择性好、形成挥发物，实现刻蚀选择性好、对衬底损伤较小，但各向异性较差对衬底损伤较小，但各向异性较差•反应离子刻蚀反应离子刻蚀(Reactive Ion Etching，，简称为简称为RIE)：：通过活性离子对衬底的物理轰击和化学反应双重通过活性离子对衬底的物理轰击和化学反应双重作用刻蚀具有溅射刻蚀和等离子刻蚀两者的优点，作用刻蚀具有溅射刻蚀和等离子刻蚀两者的优点，同时兼有各向异性和选择性好的优点目前，同时兼有各向异性和选择性好的优点目前，RIE已已成为成为VLSI工艺中应用最广泛的主流刻蚀技术工艺中应用最广泛的主流刻蚀技术•干法刻蚀借助等离子体中，产生的粒子轰击干法刻蚀借助等离子体中，产生的粒子轰击刻蚀区，是各向异性的刻蚀技术，即在被刻刻蚀区，是各向异性的刻蚀技术，即在被刻蚀的区域内，各个方向上的刻蚀速度不相同蚀的区域内，各个方向上的刻蚀速度不相同湿法刻蚀是各向同性的刻蚀方法，利用化学湿法刻蚀是各向同性的刻蚀方法，利用化学反应过程去除待刻蚀区域的薄膜材料通常，反应过程去除待刻蚀区域的薄膜材料通常，氮化硅、多晶硅、金属以及合金材料采用干氮化硅、多晶硅、金属以及合金材料采用干法刻蚀技术，二氧化硅采用湿法刻蚀技术，法刻蚀技术，二氧化硅采用湿法刻蚀技术，有时金属铝也采用湿法刻蚀技术。

通过刻蚀，有时金属铝也采用湿法刻蚀技术通过刻蚀，或者是形成了图形线条，如多晶硅条、铝条或者是形成了图形线条，如多晶硅条、铝条等，或者是裸露了硅本体，为将来的选择掺等，或者是裸露了硅本体，为将来的选择掺杂确定了掺杂的窗口杂确定了掺杂的窗口 干法刻蚀基本分类干法刻蚀基本分类等离子体刻蚀（化学作用）等离子体刻蚀（化学作用）反应离子刻蚀（物理化学作用）反应离子刻蚀（物理化学作用）离子铣刻蚀（物理作用）离子铣刻蚀（物理作用）等离子体刻蚀等离子体刻蚀        一、等离子体刻蚀机理一、等离子体刻蚀机理        在低温等离子体中在低温等离子体中 ，除了含有电子和离子外，还含有大量，除了含有电子和离子外，还含有大量处于处于 激发态的游离基激发态的游离基   和和 化学性质活泼的中性原子团化学性质活泼的中性原子团正是利用正是利用游离基和中性原子团与被刻蚀材料之间的化学反应游离基和中性原子团与被刻蚀材料之间的化学反应 ，来达到刻，来达到刻蚀的目的蚀的目的 对硅基材料的基本刻蚀原理对硅基材料的基本刻蚀原理对硅基材料的基本刻蚀原理对硅基材料的基本刻蚀原理   是用是用是用是用 “  “ 硅硅硅硅-- --卤卤卤卤 ”  ” 键代键代键代键代替替替替 “  “ 硅硅硅硅-- --硅硅硅硅 ”  ” 键键键键   ，从而产生挥发性的硅卤化合物。

从而产生挥发性的硅卤化合物从而产生挥发性的硅卤化合物从而产生挥发性的硅卤化合物        刻蚀硅基材料时的刻蚀气体有刻蚀硅基材料时的刻蚀气体有 CF4、、C2F6 和和 SF6 等其中最常用的是最常用的是 CF4                 CF4 本身并不会直接本身并不会直接刻蚀硅等离子体中的高能电子撞击刻蚀硅等离子体中的高能电子撞击CF4 分子使之裂解成分子使之裂解成 CF3 、、CF2 、、C 和和 F ，，这些都是具有极强这些都是具有极强化学反应性的原子团化学反应性的原子团                CF4 等离子体对等离子体对 Si 和和 SiO2 有很高的刻蚀选择比，室温下可有很高的刻蚀选择比，室温下可高达高达 50，所以很适合刻蚀，所以很适合刻蚀 SiO2 上的上的 Si 或或多晶多晶 Si         在在 CF4 中掺入少量其它气体可改变刻蚀选择比掺入少量中掺入少量其它气体可改变刻蚀选择比掺入少量氧气可提高对氧气可提高对 Si 的刻蚀速率的刻蚀速率 ；掺入少量氢气则可提高对；掺入少量氢气则可提高对 SiO2的刻蚀速率，从而适合刻蚀的刻蚀速率，从而适合刻蚀 Si 上的上的 SiO2 。

        二、等离子体刻蚀反应器二、等离子体刻蚀反应器         1、圆筒式反应器、圆筒式反应器        这种这种反应器最早被用于去胶，采用的刻蚀气体是反应器最早被用于去胶，采用的刻蚀气体是 O2 后来后来又利用又利用 F 基气体来刻蚀硅基材料基气体来刻蚀硅基材料 屏蔽筒的作用是避免屏蔽筒的作用是避免晶片与晶片与等离子体接触而产生损伤，同时可使刻蚀均匀等离子体接触而产生损伤，同时可使刻蚀均匀Vacuum pumpGas inRF electrodeRFgeneratorWafersQuartz boatWafersReaction chamber            典型工艺条件典型工艺条件            射频频率：射频频率：13.56 MHz            射频功率：射频功率：300 ~ 600 W             工作气体：工作气体： O2（（去胶）去胶）                                  F 基（刻蚀基（刻蚀 Si、、Poly-Si、、Si3N4 等）等）                                                   F 基基 + H2（（刻蚀刻蚀 SiO2 等）等）             气压（真空度）：气压（真空度）：0.1 ~ 10 Torr            分辨率：分辨率：2  m         1、、为各向同性腐蚀，存在侧向钻蚀，分辨率不高；为各向同性腐蚀，存在侧向钻蚀，分辨率不高；        3、均匀性差；、均匀性差；        4、不适于刻蚀、不适于刻蚀 SiO2 和和 Al。

        筒式等离子体刻蚀反应器的筒式等离子体刻蚀反应器的 缺点缺点        2、负载效应大，刻蚀速率随刻蚀面积的增大而减小；、负载效应大，刻蚀速率随刻蚀面积的增大而减小；        2、平板式、平板式反应器反应器射频源射频源阴极阴极阳极阳极气体气体        硅片放在阳极上这种刻蚀硅片放在阳极上这种刻蚀以以化学刻蚀为主，也有微弱的化学刻蚀为主，也有微弱的物理物理溅射溅射刻蚀作用离子的能量可以促进原子团与硅片之间的刻蚀作用离子的能量可以促进原子团与硅片之间的化学反应，提高刻蚀化学反应，提高刻蚀速率，同时使速率，同时使刻蚀具有一定的刻蚀具有一定的各向异性，各向异性，使分辨率有所提高使分辨率有所提高        非挥发性的反应产物在侧壁的淀积也可实现一定程度的各非挥发性的反应产物在侧壁的淀积也可实现一定程度的各向异性向异性刻蚀刻蚀        典型工艺条件典型工艺条件典型工艺条件典型工艺条件                射频频率：射频频率：射频频率：射频频率：13.56 MHz13.56 MHz                工作气体：工作气体：工作气体：工作气体：F F   基、基、基、基、ClCl   基（可加少量基（可加少量基（可加少量基（可加少量   HeHe、、、、ArAr、、、、HH2 2、、、、OO2 2 等）等）等）等）                                                                                                                      气压：气压：气压：气压：1010-2  -2  ~ ~ 1 Torr 1 Torr                分辨率：分辨率：分辨率：分辨率：0.5 0.5 ~ ~ 1  1      mm        离子铣刻蚀离子铣刻蚀   又称为又称为 离子束溅射刻蚀离子束溅射刻蚀离子束溅射刻蚀离子束溅射刻蚀。

        离子铣离子铣        一、离子溅射刻蚀机理一、离子溅射刻蚀机理一、离子溅射刻蚀机理一、离子溅射刻蚀机理                一次溅射一次溅射：入射离子直接将晶格位置上的原子碰撞出来入射离子直接将晶格位置上的原子碰撞出来                入射离子以高速撞击固体表面，当传递给固体原子的能量入射离子以高速撞击固体表面，当传递给固体原子的能量超过其结合能（几到几十电子伏特）时，固体原子就会脱离其超过其结合能（几到几十电子伏特）时，固体原子就会脱离其晶格位置而被溅射出来这是一种晶格位置而被溅射出来这是一种 纯粹的物理过程纯粹的物理过程纯粹的物理过程纯粹的物理过程        二次溅射二次溅射：被入射离子碰撞出来的晶格原子，若具有足够：被入射离子碰撞出来的晶格原子，若具有足够的能量时，可将其它晶格原子碰撞出来的能量时，可将其它晶格原子碰撞出来        选择离子的原则选择离子的原则                令令                 ，可得，可得                 ，且，且                   ，这时靶原子，这时靶原子可获得最大能量，即可获得最大能量，即                  。

所以为获得最好的溅射效果，所以为获得最好的溅射效果，应选择入射离子使其质量尽可能接近靶原子应选择入射离子使其质量尽可能接近靶原子        1、质量、质量        质量为质量为 M2 的靶原子从质量为的靶原子从质量为 M1 的入射离子获得的能量为的入射离子获得的能量为         2、要求入射离子对被刻蚀材料的影响尽量小、要求入射离子对被刻蚀材料的影响尽量小                 3、容易获得、容易获得                例如，若要对例如，若要对 SiO2 进行溅射加工，根据要求进行溅射加工，根据要求 2 与要求与要求 3 ，，入射离子应在较为容易获得的惰性气体离子入射离子应在较为容易获得的惰性气体离子 Ar+、、Kr+ 和和 Xe+ 中选择，又因中选择，又因 Si 原子和原子和 O2 分子的原子量分别是分子的原子量分别是 28 和和 32，而，而 Ar+、、Kr+ 和和 Xe+ 的原子量分别是的原子量分别是 40、、84 和和 131，所以采用，所以采用 ArAr+ + 离子的效果是最好的离子的效果是最好的        相对溅射率相对溅射率：在单位离子：在单位离子束电流密度下，单位时间内加束电流密度下，单位时间内加工表面的减薄量，记为工表面的减薄量，记为                溅射率与入射角的关系溅射率与入射角的关系溅射率与入射角的关系溅射率与入射角的关系                入射角入射角入射角入射角：靶平面法线与入射离子束的夹角，记为：靶平面法线与入射离子束的夹角，记为：靶平面法线与入射离子束的夹角，记为：靶平面法线与入射离子束的夹角，记为        。

                溅射率溅射率：由一个入射离子溅射出来的原子或分子的数目，：由一个入射离子溅射出来的原子或分子的数目，：由一个入射离子溅射出来的原子或分子的数目，：由一个入射离子溅射出来的原子或分子的数目，也称为溅射产率，记为也称为溅射产率，记为也称为溅射产率，记为也称为溅射产率，记为   S S 溅射率   S S   是入射角是入射角是入射角是入射角        的函数030o60o90o        式中，式中，n 为被溅射材料的为被溅射材料的原子密度原子密度        溅射率与离子能量的关系溅射率与离子能量的关系式中，式中，V0 为临界电压，对金属靶约为为临界电压，对金属靶约为 25 V                 入射离子能量更高时，离子将进入固体内较深的区域，这入射离子能量更高时，离子将进入固体内较深的区域，这时表面溅射反而减小，成为时表面溅射反而减小，成为 离子注入离子注入  　　　　 几种常用材料的相对溅射率几种常用材料的相对溅射率（条件：（条件：Ar+，，1 kV，，1mA/cm2，，5×10-5 Torr，单位，单位 nm/min））                Si :  36，，           GaAs :  260，，    SiO2 (热氧化热氧化) :  42，，                Al :  44，，          Au :  160，，         Cr :  20，，                KTER :  39，，   AZ1350 :  60，，   PMMA :  84，，        上述数据说明，上述数据说明，离子溅射的选择比很差。

离子溅射的选择比很差离子溅射的选择比很差离子溅射的选择比很差        2 2、掩模方式离子束溅射刻蚀、掩模方式离子束溅射刻蚀、掩模方式离子束溅射刻蚀、掩模方式离子束溅射刻蚀        通常采用光刻胶作掩模有两种类型的刻蚀装置通常采用光刻胶作掩模有两种类型的刻蚀装置        (1) 离子源与加工室分离的，如考夫曼型，离子源气压为离子源与加工室分离的，如考夫曼型，离子源气压为 10-2 ~ 10-4 Torr ，，加工室气压为加工室气压为 10-5 ~ 10-7 Torr        (2) 离子源与加工室一体的，如射频型，气离子源与加工室一体的，如射频型，气压为压为 10-2 Torr        二、离子束溅射刻蚀装置二、离子束溅射刻蚀装置        1、聚焦方式离子束溅射刻蚀、聚焦方式离子束溅射刻蚀        设备的基本原理与聚焦离子束曝光装置相同，离子源通常设备的基本原理与聚焦离子束曝光装置相同，离子源通常采用采用 LMIS也可采用等离子体型，离子通常用也可采用等离子体型，离子通常用 Ar+        优点优点：：：：无需掩模与光刻胶，刻蚀深度范围大。

无需掩模与光刻胶，刻蚀深度范围大        缺点缺点：：：：刻蚀效率低，设备复杂昂贵刻蚀效率低，设备复杂昂贵接地电极（阳极）接地电极（阳极）等离子体区（亮区）等离子体区（亮区）电位降区（暗区）电位降区（暗区）浮空电极（阴极）浮空电极（阴极）射频射频发生器发生器        工作原理（以射频型为例）工作原理（以射频型为例）                典型工艺条件典型工艺条件                射频频率：射频频率：13.56 MHz                直流偏压：直流偏压：50 ~ 3000 V                工作气体（离子）：工作气体（离子）：Ar                气压（真空度）：约气压（真空度）：约 10-2 Torr                分辨率：分辨率：0.1  m        三、离子束溅射刻蚀的特点三、离子束溅射刻蚀的特点        优点优点        1、入射离子有很强的方向性，为各向异性刻蚀，无侧向、入射离子有很强的方向性，为各向异性刻蚀，无侧向钻蚀，刻蚀分辨率高；钻蚀，刻蚀分辨率高；        2、能刻蚀任何材料，一次能刻蚀多层材料；、能刻蚀任何材料，一次能刻蚀多层材料；        3、刻蚀在高真空中进行，刻蚀过程不易受、刻蚀在高真空中进行，刻蚀过程不易受污染。

污染        缺点缺点                1、选择比差、选择比差        　　　　对不同材料的刻蚀速率的差别小于对不同材料的刻蚀速率的差别小于 3 倍，对光刻胶及下层倍，对光刻胶及下层材料的选择比常接近于材料的选择比常接近于 1 : 1，甚至对光刻胶的刻蚀速率更快，甚至对光刻胶的刻蚀速率更快 选择比差的后果是，第一，当采用掩模方式时，刻蚀深度受到选择比差的后果是，第一，当采用掩模方式时，刻蚀深度受到限制；第二，刻蚀终点难以控制，容易损伤下层材料限制；第二，刻蚀终点难以控制，容易损伤下层材料        2、刻蚀速度慢，效率低、刻蚀速度慢，效率低       4、有再淀积效应、有再淀积效应               3、有侧向刻蚀、有侧向刻蚀               5、图形边缘出现沟槽、图形边缘出现沟槽                简称为简称为 RIE，，但是其更恰当的名称应该是离子辅助刻蚀但是其更恰当的名称应该是离子辅助刻蚀        反应离子刻蚀反应离子刻蚀        反应离子刻蚀反应离子刻蚀装置可分为平板式与六角形式与平板式装置可分为平板式与六角形式。

与平板式等等离子体刻蚀相比，离子体刻蚀相比，区别是将硅片放在阴极上，而区别是将硅片放在阴极上，而等离子体刻蚀等离子体刻蚀是将硅片放在阳极上是将硅片放在阳极上与离子铣刻蚀相比，区别是要通入腐蚀与离子铣刻蚀相比，区别是要通入腐蚀性气体如性气体如 Cl 基、基、F 基气体，而离子铣刻蚀用的是惰性气体基气体，而离子铣刻蚀用的是惰性气体阴极阴极多孔阳极多孔阳极射频源射频源气体气体        反应离子刻蚀具有等离子体刻蚀的刻蚀速率快的优点，而反应离子刻蚀具有等离子体刻蚀的刻蚀速率快的优点，而且比等离子体刻蚀还要快，同时又具有离子铣刻蚀的各向异性且比等离子体刻蚀还要快，同时又具有离子铣刻蚀的各向异性因而分辨率高的优点因而分辨率高的优点                离子的轰击起到了多种作用离子轰击提供的能量提高了离子的轰击起到了多种作用离子轰击提供的能量提高了表面层的化学活性；离子轰击可使反应气体更容易穿透表面的表面层的化学活性；离子轰击可使反应气体更容易穿透表面的阻碍物而达到反应层；阻碍物而达到反应层；此外还有轻微的物理此外还有轻微的物理溅射刻蚀溅射刻蚀作用由于于离子轰击的方向性，遭受离子轰击的底面比未遭受离子轰击离子轰击的方向性，遭受离子轰击的底面比未遭受离子轰击的侧面的刻蚀要快得多。

的侧面的刻蚀要快得多        当使用某些混合气体如当使用某些混合气体如 BCl3、、CCl4、、SiCl4 ，，反应过程会反应过程会在侧壁上形成保护性的聚合物薄膜，进一步提高了各向异性在侧壁上形成保护性的聚合物薄膜，进一步提高了各向异性        典型工艺条件典型工艺条件        射频频率：射频频率：13.56 MHz        工作气体：工作气体：Cl 基、基、F 基基        气压：气压：10-1  ~ 10-3 Torr        分辨率：分辨率：0.1 ~ 0.2  m　　刻蚀速率：　　刻蚀速率：100 ~ 200 nm/min高密度等离子体（高密度等离子体（HDP））刻蚀刻蚀        提高提高刻蚀速率的方法之一是提高刻蚀速率的方法之一是提高等离子体的密度若对等离子体的密度若对等等离子体施加额外的电场与磁场，可以急剧增加自由电子的碰离子体施加额外的电场与磁场，可以急剧增加自由电子的碰撞撞几率几率，在相同或者更低的气压与功率下增加离化率，从而提高，在相同或者更低的气压与功率下增加离化率，从而提高等离子体的密度等离子体的密度                最早用于刻蚀的高密度等离子体是最早用于刻蚀的高密度等离子体是电子回旋共振电子回旋共振等离子体等离子体（（ECR），），而现在用得最多而现在用得最多的是电的是电感耦合感耦合等离子体等离子体（（ICP）。

                高密度等离子体能够提供高浓度低能量的离子，因而能在高密度等离子体能够提供高浓度低能量的离子，因而能在提高刻蚀速率的同时，减少刻蚀时的沾污，降低刻蚀损伤提高刻蚀速率的同时，减少刻蚀时的沾污，降低刻蚀损伤剥离技术剥离技术        剥离工艺可用于制造剥离工艺可用于制造 IC 的金属互连线的金属互连线曝光曝光显影显影淀积淀积金属金属去胶去胶 剥离工艺中，当采用正胶时，获得的金属图形与掩模版上剥离工艺中，当采用正胶时，获得的金属图形与掩模版上的图形相反，这与采用负胶及刻蚀工艺所得到的结果的图形相反，这与采用负胶及刻蚀工艺所得到的结果相同        光刻胶的剖面轮廓有光刻胶的剖面轮廓有 顶切式顶切式、、、、底切式底切式   和和 直壁式直壁式   三种        对于剥离工艺，为了使有胶区和无胶区的金属薄膜很好地对于剥离工艺，为了使有胶区和无胶区的金属薄膜很好地分离，希望获得底切式的轮廓分离，希望获得底切式的轮廓 对 PMMA 正性光刻胶在采取正性光刻胶在采取双层胶技术或氯苯浸泡等一些特殊措施后双层胶技术或氯苯浸泡等一些特殊措施后 ，可以形成底切式，可以形成底切式 ，，而且胶膜较厚，所以在剥离工艺中常采用而且胶膜较厚，所以在剥离工艺中常采用 PMMA 胶。

胶顶切式顶切式底切式底切式直壁式直壁式        物理刻蚀为各向异性，无钻蚀，分辨率好；物理刻蚀为各向异性，无钻蚀，分辨率好；        化学刻蚀为各向同性，有钻蚀，分辨率差化学刻蚀为各向同性，有钻蚀，分辨率差        物理刻蚀的选择比小；化学刻蚀的选择比大物理刻蚀的选择比小；化学刻蚀的选择比大        可以通过调节工作气体的种类、气压、电极方式和电压等可以通过调节工作气体的种类、气压、电极方式和电压等来控制刻蚀剖面的形状和选择比来控制刻蚀剖面的形状和选择比        小结小结        1、工作气体、工作气体        若只采用若只采用 Ar 等惰性气体，则发生纯物理的溅射刻蚀；若只等惰性气体，则发生纯物理的溅射刻蚀；若只采用采用 F 基、基、Cl 基等活泼气体基等活泼气体 ，则发生纯化学的等离子体刻蚀，则发生纯化学的等离子体刻蚀 而混合气体的刻蚀速率远大于两类单一气体刻蚀速率之和而混合气体的刻蚀速率远大于两类单一气体刻蚀速率之和        2 2、、、、气压气压        气压越低，物理作用越强；气压越高，化学作用越强气压越低，物理作用越强；气压越高，化学作用越强。

                        3 3、、、、电极电极        若晶片置于阴极，则物理作用较强；若晶片置于阳极，则若晶片置于阴极，则物理作用较强；若晶片置于阳极，则物理作用较弱；在圆物理作用较弱；在圆筒式反应器中，筒式反应器中，晶片不置于电极上，则无晶片不置于电极上，则无物理作用物理作用                4、电压、电压        电压越高，物理作用越强；电压越低，物理作用越弱电压越高，物理作用越强；电压越低，物理作用越弱各种干法刻蚀方法比较各种干法刻蚀方法比较 圆筒式圆筒式 平板式平板式 反应离子反应离子 离子铣离子铣 工作气体工作气体CF4 、、O2 等等CF4、、CCl4、、Ar 等等 同同左左 Ar 气体压力气体压力 (Torr) 10-1 ~ 10 10-2 ~ 1 10-2 ~ 10-1 10-5 ~ 10-4 晶晶片片放置放置 屏蔽筒内屏蔽筒内 阳极阳极 阴极阴极 阴极阴极 刻刻蚀蚀机理机理 化学化学 化学化学 + 少量物理少量物理化学化学 + 物理物理 物理物理分辨率分辨率( m) 2 0.5 0.2 0.1 钻蚀钻蚀 有有 小小 基本无基本无 无无 损伤损伤 无无 小小 中中 大大 选择比选择比 大大 较大较大 中中 小小 刻蚀速率刻蚀速率 中中 快快 很快很快 慢慢•虽然，光刻和刻蚀是两个不同的加工工艺，虽然，光刻和刻蚀是两个不同的加工工艺，但因为这两个工艺只有连续进行，才能完但因为这两个工艺只有连续进行，才能完成真正意义上的图形转移。

在工艺线上，成真正意义上的图形转移在工艺线上，这两个工艺是放在同一工序，因此，有时这两个工艺是放在同一工序，因此，有时也将这两个工艺步骤统称为光刻也将这两个工艺步骤统称为光刻。