1、光刻光刻曝光曝光刻蚀刻蚀光源光源曝光方式曝光方式 评价光刻工艺可用三项主要的标准：分辨率、对准精度和评价光刻工艺可用三项主要的标准：分辨率、对准精度和生产效率。生产效率。定义定义:光刻：是利用类似于洗印照片的原理通过曝光和选择性化学腐蚀等工序将掩膜版上的集成电路图形印制到硅片上的精密表面加工技术。目的：目的：在二氧化硅、氮化硅、多晶硅和金属等薄膜表面的光刻胶上形成与掩膜版完全对应的几何图形。这样光刻胶就可以用作刻蚀下面薄膜时的掩蔽膜或用作离子掺杂注入的掩蔽膜。工序：工序：1.利用旋转涂敷法在硅片表面上涂一层光刻胶;2.利用光通过掩膜版对光刻胶选进行择性曝光;3.通过对光刻胶显影从而将掩膜版上的
2、图形转移到硅片上。三要素：三要素：掩膜版、光刻胶和光刻机。涂光刻胶（正）涂光刻胶（正）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）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
3、法。也可采用旋涂法。3、涂胶、涂胶 一般采用一般采用 旋涂法。涂胶的关键是控制胶膜的厚度与膜厚的旋涂法。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。均匀性。胶膜的厚度决定于光刻胶的粘度和旋转速度。R1T 转速转速 5000 r/min，时间，时间 30 sec，膜厚，膜厚 1.0 m。4、前烘（软烘）、前烘（软烘）目的是去除光刻胶中的大部分溶剂和稳定胶的感光特性。目的是去除光刻胶中的大部分溶剂和稳定胶的感光特性。5、曝光、曝光 6、显影、显影 将曝光后的硅片放到显影液中。对于负胶，显影液将溶解将曝光后的硅片放到显影液中。对于负胶，显影液将溶解掉未曝光区的胶
4、膜；对于正胶，显影液将溶解曝光区的胶膜。掉未曝光区的胶膜；对于正胶，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液，如几乎所有的正胶都使用碱性显影液，如 KOH 水溶液。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。显影过程可影响光刻胶的对比显影过程对温度非常敏感。显影过程可影响光刻胶的对比度，从而影响光刻胶的剖面形状。度，从而影响光刻胶的剖面形状。9、去胶、去胶 8、刻蚀、刻蚀 7、后烘（硬烘、坚膜）、后烘（硬烘、坚膜）目
5、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。Step 1:涂光刻胶(Coat)Step 1A 表面清洗和脱水烘烤 清洁、干燥的硅片表面能与光刻胶保持良好的粘附并有利于获得平坦均匀的光刻胶涂层。清洗方法：刷片/化学清洗 烘烤方法：在150200真空或干燥氮气中。Step 1B 增黏处理 原因：绝大多数光刻胶所含的高分子聚合物是疏水的，而氧化物表面的羟基是亲水的，两者表面粘附性不好。典型的增黏剂：HMDS(六甲基二硅亚胺)亲水的带羟基的硅烷醇 疏水的硅氧烷结构，既易与衬底圆片表面粘合，另一面又易与光刻胶粘合。涂覆方法：蒸气涂布法和旋转涂布法。Ste
6、p 1:涂光刻胶(Coat)Step1C涂胶 胶厚和胶厚的均匀性是光刻工艺中的关键参数。胶越厚，分辨率就越低。胶的厚度与转速的关系 Step 1D.前烘 作用：去除胶中的大部分溶剂，提高胶的粘附性，并使胶的曝光特性稳定。典型的前烘温度是90100，1030min.涂胶设备涂胶设备 静态光刻胶分配（静态光刻胶分配（Static Photoresist Dispense）涂胶设备涂胶设备 动态的固定臂分配（动态的固定臂分配（Dynamic Stationary Arm Dispense）涂胶设备涂胶设备 动态移动臂分配动态移动臂分配（Dynamic Moving Arm Dispense）涂胶设备
7、涂胶设备To HouseVacuumHollow ShaftVacuumChuckResist Dispenser 光刻胶厚度的控制光刻胶厚度的控制:光刻胶黏度 旋涂速度 温度 湿度 废气流涂胶的问题涂胶的问题 卷边去除(Edge Bead Removal，EBR)卷边是指在晶圆外边缘上堆积的光刻胶 卷边可能引起:曝光时聚焦问题 污染,特别是当卷边脱落时.EBR的两种方法:光学 EBR:利用光使边缘的光刻胶曝光，并在显影时去除 化学 EBR:在晶圆的正面或者背面涂溶剂，溶解在边缘上的光刻胶Step 2:对准与曝光 对准是指与前面工艺形成的图形进行套准 曝光的目的是要用尽可能短的时间使光刻胶充分
8、感光，在显影后获得尽可能高的留膜率，近似垂直的光刻胶侧壁和可控的线宽。Unexposed area of photoresistsilicon substrateExposed area of photoresist Step 3:显影(形成临时图案)显影就是用溶剂去除曝光部分（正胶）或未曝光部分（负胶）的光刻胶，在硅片上形成所需的光刻胶图形。正胶：显影液：含水的碱性显影液，如,TMAH(四甲基氢氧化胺水溶液),KOH等。负胶 显影液：二甲苯和抑制显影速率的缓冲剂。影响显影速率的因素：显影液的浓度、温度，光刻胶的前烘条件和曝光量silicon substratephotoresist Step
9、 3:显影(形成临时图案)Step 3A 曝光后烘焙:g line,i line，减小驻波效应。DUV,是光敏产酸物与聚合物链反应完成曝光过程的关键工艺。Step 3B 湿化学显影:溶解曝光区的光刻胶 Step 3C DI 水漂洗:结束显影 Step 3D 显影检查:对准校验和各种缺陷.返工:如果确定有缺陷和其他问题，晶片并不需要废弃，可以去除光刻胶,再重做。这个工艺对晶片几乎没有损害.Step 3E 后烘（坚膜）:目的：去除显影后胶层内残留的溶剂，使胶膜坚固，同时提高粘附力和抗蚀。烘烤条件100140，1030min。Step 4:形成永久图案(Etch or Implant)蚀刻:用湿化学
10、或者等离子来除去底层的没有覆盖光刻胶的薄膜 离子注入(not shown):在没有覆盖光刻胶的区域注入掺杂杂质 silicon substratesilicon substrate Step 5:去除光刻胶:Step 5A:去胶 SiO2、SiN、多晶硅等非金属材料一般采用浓硫酸去胶。由于浓硫酸去胶时碳被还原析出，微小的碳粒会污染衬底表面，因而必须在浓硫酸中加入H2O2等强氧化剂，使碳被氧化为CO2溢出。浓硫酸与H2O2的比值为3:1 酸性腐蚀液对铝、铬等金属具有较强的腐蚀作用，因此金属衬底的去胶需要专门的有机去胶剂。通常这类去胶剂中加入了三氯乙烯作为涨泡剂，因此去胶后要用三氯乙烯和甲醇进行中
11、间清洗，由于去胶液和三氯乙烯都是有毒物质，处理比较困难 目前使用的干法去胶和紫外光分解去胶 干法去胶与湿法去胶相比有以下优点:操作简单安全;过程中引入污染的可能性小;能与干法腐蚀在同一设备中进行;不损伤下层衬底 Step 5B:检查是否对准，是否存在缺陷等。这步不可能再进行返工，如果有缺陷 或者其它问题晶圆只有废弃.silicon substratesilicon substratefield oxide工艺中的问题工艺中的问题 涂胶可能出现的缺陷:缺陷缺陷原因原因针孔针孔污染污染云状膜云状膜超湿度超湿度涂胶不平涂胶不平注口不准注口不准,光刻胶不充分光刻胶不充分太厚太厚/薄薄旋涂速度不合适旋涂
12、速度不合适,光刻胶黏度（老光刻胶黏度（老化），化），湿气改变湿气改变“彗星彗星”滴胶时的带进气泡或者微粒粒子滴胶时的带进气泡或者微粒粒子*位于旋转的晶圆的边缘的粒子的运动速度可达到70mph!套准问题:x-轴未套准 y-轴未套准 Run-out：步进距离太大或太小 旋转：图形在掩模或者reticle上转动了工艺中的问题工艺中的问题 显影缺陷:显影过度:光刻胶太薄或者不均匀，显影时间太长，光刻胶质量太差（老化）显影不足:光刻胶太厚或者不均匀，显影时间太短，显影剂性能太弱（老化）工艺中的问题工艺中的问题 光刻胶粘附力:如果光刻胶与晶圆粘附不够，在蚀刻时可能会出现光刻胶脱落 结果：导致尺寸变大 造成
13、粘附不好的原因：涂光刻胶前晶片没有完全干，涂胶不完全，硬烘焙不充分 印制偏移:印制偏移=(已印制的特征尺寸)-(掩模特征尺寸)原因:曝光不足,过度曝光,显影不足,过渡显影,光刻胶膨胀工艺中的问题工艺中的问题Printed Feature SizePHOTOMASKSILICON SUBSTRATEPHOTORESISTMask Feature Size 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
14、侧面会将光反射到非曝光区。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 *在涂胶前加并烘烤，显影后刻蚀，去胶后，清除在涂胶前加并烘烤，显影后刻蚀，去胶后，清除 *不与光刻胶反应且无污染不与光刻胶反应且无污染 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
15、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。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/4n=0.16。对。对 =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
16、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。驻波效应驻波效应 当用单色光进行曝光时，入射光会在当用单色光进行曝光时，入射光会在光刻胶与衬底的界面上反射。由于入光刻胶与衬底的界面上反射。由于入射光与反射光是相干光，在界面处又射光与反射光是相干光，在界面处又存在存在180度的相移，在光刻胶内相长与度的相移，在光刻胶内相长与相消变形成驻波。相消变形成驻波。波节位置：波节位置：Zmin=N/2n 波腹位置：波腹位置：Zmax=(2N+1)/4n N=0,1,2,光刻胶中光强随厚度发生变化光刻胶中光强随厚度
17、发生变化显影显影液中溶解度变化。液中溶解度变化。解决办法解决办法 1、加抗反射层、加抗反射层;2、在、在g,i line胶中，加吸收染料；胶中，加吸收染料；3、在深紫外、在深紫外(DUV)波段中，曝光后烘烤，光敏产酸物分子波段中，曝光后烘烤，光敏产酸物分子 扩散。扩散。例如例如248nm,193nm,157nm 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
18、光区。常用的常用的 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 或或。曝光设备曝光设备光光源源紫外光（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 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
19、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。实际。实际使用的深紫外光有使用的深紫外光有 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、掩膜与透镜材料、掩膜与透镜材料 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，掩膜。波长越短，掩膜与透镜材料对光能的吸收就严重
20、，造成曝光效率降低和掩膜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膜与透镜发热。透镜发热。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。从左右。从 1990 年开年开始出现始出现 DUV 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
21、 线光刻机。截止到线光刻机。截止到 1998 年年，g 线、线、i 线和线和 DUV 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。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；理论上设备简单；理论上 调制传输函数（调制传输函数（MTF）可达到）可达到 1，因此分辨率比较高，约因此分辨率比较高，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g=10 50 m 优点：优点：掩模寿命长（可提高掩模寿命长（可提
22、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。minWk ggmin0.436m(g),20m2.95mgW例：当线时，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。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 为镜头的数值孔径，为镜头的数值孔径，投影式光刻机的分辨率由投影式光刻机的分辨率由 给出，即给出，即min1WkNA一、分辨率与焦深一、分辨率与焦深n
23、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。sinNAn 增大增大 NA 可以提高分辨率，但受到焦深的限制。可以提高分辨率，但受到焦深的限制。2NA 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。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
24、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 给出，即给出，即minmin0.16,436nmUV,g2.04m,17.03m,193nmDUV0.90m,7.54mNAWW例：设则当（线）时，而当（）时，二、二、1:1 扫描反射投影光刻机扫描反射投影光刻机掩掩模模硅硅片片反射凹反射凹镜镜反射凸反射凸镜镜光光源源优点优点 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、曝光效率高。、曝光效率高。缺点缺点 数值孔
25、径数值孔径 NA 太小是限制分辨太小是限制分辨率的主要因素。率的主要因素。三、分步重复缩小三、分步重复缩小投影光刻机投影光刻机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 随着线宽的减小和晶片直径的随着线宽的减小和晶片直径的增大，增大，、越来越严重。为解决越来越严重。为解决这些问题，开发出了分步重复缩小这些问题，开发出了分步重复缩小投影曝光机（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，现在更常用缩小，现在更常用 5:1 或或 4:1。缺点缺点 1、曝光效率低；、曝光效率低；2、设备复杂、昂贵
26、。、设备复杂、昂贵。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 3232 mm2，线宽为，线宽为 0
27、.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。光刻光刻 曝光设备曝光设备接触式光刻机扫描投影光刻机美国Canon公司分布重复投影光刻机ASML公司248nm KrF有掩模方式有掩模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接接触触式式非非接接触触式式优点：设备简单，分辨率较
28、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，掩模制造方便掩模制造方便缺点：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
29、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，都远大于曝光波长时，特征尺寸等，都远大于曝光波长时，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曝光波长时，就应该把光但是当掩模版上的特征尺寸接近曝光波长时，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。加，从而影响光刻的分辩率。无衍射效应无衍
30、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 为为maxminmaxminMTFIIII 当无衍射效应时，当无衍射效应时，MTF=1；当有衍射效应时，；当有衍射效应时，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。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。对于理想的光刻胶，当光强不到临界光强对于理想的光刻胶，当光强不到临界光强 Dcr 时完全不发时完全不发生反应，当光强超过生反应，当光强超过 Dcr 时完全反应，衍射只造
31、成线宽和间距时完全反应，衍射只造成线宽和间距的少量变化。的少量变化。但在实际光刻胶中，当光强不到但在实际光刻胶中，当光强不到 D0 时不发生反时不发生反应，当光强介于应，当光强介于 D0 和和 D100 之间时发生部分反应，当光强超过之间时发生部分反应，当光强超过 D100 时才完全反应，使线条边缘出现模糊区。在通常的光刻胶时才完全反应，使线条边缘出现模糊区。在通常的光刻胶中，当中，当 MTF 0.5 时，图形不再能被复制。时，图形不再能被复制。DcrD100D0 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，但大缺陷的影
32、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
33、使用寿命，减少芯片上的缺陷。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二、抗反射膜二、抗反射膜 光线在掩模版和透镜表面的部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问题，一种新掩模技术采用在掩模版靠近镜头的一面加上版靠近镜头的一面加上 10%的抗的抗反射剂。反射剂。min4.71.2W 由公式由公式min1WkNA2NA可知，由于可知，由于 NA 对焦深的作用更大，所以通常希望采用较小的对焦深
34、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 上式在一段时期内被认为是光学曝光法的分辨率极限。若上式在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。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。而值。而 等等 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
35、入了 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 0.35 m 和和 0.18 m，并且已分别应用于，并且已分别应用于 64 M DRAM 和和 256 M DRAM 的生产中。同时也使的生产中。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。除相移掩模技术外，超分辨率技术还包括除相移掩模技术外，超分辨率技术还包括 和和 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
36、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。掩掩模版模版掩掩模处的光幅度模处的光幅度衬衬底处的光幅度底处的光幅度衬衬底处的光强度底处的光强度相移掩模相移掩模普通掩模普通掩模 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，由许多，由许多 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
37、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
38、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
39、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。五、五、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，这也是所谓，这也是所谓 的组成部
40、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。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
41、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
42、左右。左右。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。和硅片。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
43、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的线宽，预期可达到的线宽，预期可达到 0.10 m，甚至达到，甚至达到 0.07 m。在投影式曝光技术中，分辩率与焦深之间存在什么矛盾？在投影式曝光技术中，分辩率与焦深之间存在什么矛盾？如何协调这个矛盾？分步重复曝光有什么优点？如何协调这个矛盾？分步重复曝光有什么优点？一、光刻胶的类型一、光刻胶的类型 凡是在能
44、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，简称负胶。，简称负胶。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，简称正胶。，简称正胶。光刻胶也称为光致抗蚀剂（光刻胶也称为光致抗蚀剂（Photoresist，P.R.）。）。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
45、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。系列。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。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/
46、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 1、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
47、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。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。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）
48、归一化膜厚归一化膜厚D100D0：开始进行光化学反应所需的最低曝光剂量。：开始进行光化学反应所需的最低曝光剂量。D100：全部光刻胶被去掉：全部光刻胶被去掉(正胶正胶)或保留或保留(负胶负胶)所需的最低曝光剂量。所需的最低曝光剂量。2、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
49、光区，必须满足NN%10NN100minN2minminminmin()10SWNqqNqWSS 光刻工艺中影响分辨率的因素有：光源、曝光方式和光刻光刻工艺中影响分辨率的因素有：光源、曝光方式和光刻胶本身（包括灵敏度、对比度、颗粒的大小、显影时的溶胀、胶本身（包括灵敏度、对比度、颗粒的大小、显影时的溶胀、电子散射等）。通常正胶的分辨率要高于负胶。电子散射等）。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，若灵敏度越高（即为最小尺寸，即分辨率。可见，若灵敏度越高（即 S 越小），则越小），则 Wmin 就越大，分辨率就越差。就越大，分辨率就越差。例如，负性电子束光
50、刻胶例如，负性电子束光刻胶 COP 的的 S=0.310-6C/cm2，则，则其其 Wmin=0.073 m。若其灵敏度提高到。若其灵敏度提高到 S=0.0310-6C/cm2，则其则其 Wmin 将增大到将增大到 0.23 m。minmin10qNqWSS 3、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，
