光學(xué)光刻課件

1、光學(xué)光刻課件 光刻光刻 曝光曝光 刻蝕刻蝕 光源光源 曝光方式曝光方式 評價(jià)光刻工藝可用三項(xiàng)主要的標(biāo)準(zhǔn)：評價(jià)光刻工藝可用三項(xiàng)主要的標(biāo)準(zhǔn)：和。和。 光學(xué)光刻課件 涂光刻膠（正）涂光刻膠（正） 顯影（第顯影（第 1 次圖形轉(zhuǎn)移）次圖形轉(zhuǎn)移）刻蝕（第刻蝕（第 2 次圖形轉(zhuǎn)移）次圖形轉(zhuǎn)移） 光學(xué)光刻課件 光光 源源 紫外光（紫外光（UV） 深紫外光（深紫外光（DUV） g 線：線：436 nm i 線：線：365 nm KrF 準(zhǔn)分子激光：準(zhǔn)分子激光：248 nm ArF 準(zhǔn)分子激光：準(zhǔn)分子激光：193 nm 極紫外光（極紫外光（EUV），），10 15 nm X 射線，射線，0.2 4 nm 電子束

2、電子束 離子束離子束 光學(xué)光刻課件 有掩模方式有掩模方式 無掩模方式無掩模方式 （聚焦掃描方式）（聚焦掃描方式） 接觸式接觸式 非接觸式非接觸式 接近式接近式 投影式投影式 反射反射 折射折射 全場投影全場投影 步進(jìn)投影步進(jìn)投影 掃描步進(jìn)投影掃描步進(jìn)投影 矢量掃描矢量掃描 光柵掃描光柵掃描 混合掃描混合掃描 曝曝 光光 方方 式式 光學(xué)光刻課件 當(dāng)一個(gè)光學(xué)系統(tǒng)中的所有尺寸，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、掩模版上的如光源、反射器、透鏡、掩模版上的 特征尺寸等，都遠(yuǎn)大于光源波長時(shí)，特征尺寸等，都遠(yuǎn)大于光源波長時(shí)， 可以將光作為在光學(xué)元件間直線運(yùn)動可以將光作為在光學(xué)元件間直線運(yùn)

3、動 的粒子來處理。的粒子來處理。 但是當(dāng)掩模版上的特征尺寸接近曝光波長時(shí)，就應(yīng)該把光但是當(dāng)掩模版上的特征尺寸接近曝光波長時(shí)，就應(yīng)該把光 的傳輸作為電磁波來處理，必須考慮衍射和干涉。由于衍射的的傳輸作為電磁波來處理，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。加，從而影響光刻的分辯率。 光學(xué)光刻課件 無衍射效應(yīng)無衍射效應(yīng)有衍射效應(yīng)有衍射效應(yīng) 光光 強(qiáng)強(qiáng) 光學(xué)光刻課件 定義圖形的定義圖形的 為為 maxmin maxmin MTF II II 無衍射效應(yīng)時(shí)，無衍射效應(yīng)時(shí)，MT

4、F = 1 ；有衍射效應(yīng)時(shí)；有衍射效應(yīng)時(shí) ，MTF 1 。 光柵的周期（或圖形的尺寸）越小，則光柵的周期（或圖形的尺寸）越小，則 MTF 越?。还獾牟ㄩL越??；光的波長 越短，則越短，則 MTF 越大。越大。 光學(xué)光刻課件 對光源系統(tǒng)的要求對光源系統(tǒng)的要求 1、有適當(dāng)?shù)牟ㄩL。波長越短，可曝光的特征尺寸就越?。?、有適當(dāng)?shù)牟ㄩL。波長越短，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；、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)。、曝光能量必須均勻地分布在曝光區(qū)。 常用的常用的 光源是高壓弧光燈（高壓汞燈），高壓汞燈光源是高壓弧光燈（高壓汞燈）

5、，高壓汞燈 有許多尖銳的光譜線，經(jīng)過濾光后使用其中的有許多尖銳的光譜線，經(jīng)過濾光后使用其中的 或或 。 光學(xué)光刻課件 120 100 80 60 40 20 0 200300 400 500 600 Relative Intensity (%) h-line 405 nm g-line 436 nm i-line 365 nm DUV 248 nm Emission spectrum of high-intensity mercury lamp 高壓汞燈的光譜線高壓汞燈的光譜線 光學(xué)光刻課件 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，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，

6、所以要提高分辨率就應(yīng)使用波長更短的光源如所以要提高分辨率就應(yīng)使用波長更短的光源如 。實(shí)際。實(shí)際 使用的深紫外光源有使用的深紫外光源有 和和 F2 準(zhǔn)分子激光（準(zhǔn)分子激光（157 nm）等。）等。 深紫外光的曝光方式與紫外光基本相同，但需注意兩點(diǎn)，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、光刻膠 2、掩模與透鏡材料、掩模與透鏡材料 248 nm 波長的光子能量為波長的光子能量為 4.9 eV，193 nm 波長的光子能量波長的光子能量 為為 6.3 eV ，而純凈石英的禁帶寬度約為，而純凈石英的禁帶寬度約為 8 eV。波長越短，掩模。波長越短，掩模 與透鏡材料對光能的吸收就

7、嚴(yán)重，造成曝光效率降低和掩模與與透鏡材料對光能的吸收就嚴(yán)重，造成曝光效率降低和掩模與 透鏡發(fā)熱。透鏡發(fā)熱。 光學(xué)光刻課件 一、接觸式光刻機(jī)一、接觸式光刻機(jī) Si U. V. Mask P. R. SiO2 設(shè)備簡單；理論上設(shè)備簡單；理論上 MTF 可達(dá)到可達(dá)到 1，因此分辨率比較，因此分辨率比較 高，約高，約 0.5 m。 掩模版壽命短（掩模版壽命短（10 20 次），硅片上圖形缺陷多，次），硅片上圖形缺陷多， 光刻成品率低。光刻成品率低。 光學(xué)光刻課件 二、接近式光刻機(jī)二、接近式光刻機(jī) g = 10 50 m 掩模壽命長（可提高掩模壽命長（可提高 10 倍以上），圖形缺陷少。倍以上），圖形缺

8、陷少。 衍射效應(yīng)嚴(yán)重，使分辨率下降。衍射效應(yīng)嚴(yán)重，使分辨率下降。 光學(xué)光刻課件 min Wk gg min 0.436m (g),20m2.95mgW例：當(dāng)線時(shí)， 最小可分辨的線寬為最小可分辨的線寬為 式中，式中，k 是與光刻膠處理工藝有關(guān)的常數(shù)，通常接近于是與光刻膠處理工藝有關(guān)的常數(shù)，通常接近于 1 。 光學(xué)光刻課件 光學(xué)光刻課件 式中，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 為鏡頭的為鏡頭的 ， 投影式光刻機(jī)的分辨率由投影式光刻機(jī)的分辨率由 給出，即給出，即 min1 Wk NA 一、分辨率與焦深一、分辨率與焦深 n

9、為折射率，為折射率， 為半接收角。為半接收角。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，但受到可以提高分辨率，但受到 的限制。的限制。 光學(xué)光刻課件 2 NA 分辨率與焦深對波長和數(shù)值孔徑有相互矛盾的要求，需要分辨率與焦深對波長和數(shù)值孔徑有相互矛盾的要求，需要 折中考慮。增加折中考慮。增加 NA 線性地提高分辨率，平方關(guān)系地減小焦深，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所以一般選取較小的 NA。為了提高分辨率，可以縮短波長。為了提高分辨率，可以縮短波長。 代表當(dāng)硅片沿光路方向移動時(shí)能保持良好聚焦的移動代表當(dāng)硅片沿光

10、路方向移動時(shí)能保持良好聚焦的移動 距離。投影式光刻機(jī)的焦深由距離。投影式光刻機(jī)的焦深由 給出，即給出，即 min min 0.16, 436nmUV, g 2.04m,17.03m, 193nmDUV 0.90m,7.54m NA W W 例：設(shè) 則當(dāng)（線）時(shí)， 而當(dāng)（）時(shí)， 光學(xué)光刻課件 掩掩模模硅硅片片 反射凹反射凹鏡鏡 反射凸反射凸鏡鏡 光光源源 1、掩模壽命長，圖形缺陷少。、掩模壽命長，圖形缺陷少。 2、無色散，可以使用連續(xù)波長、無色散，可以使用連續(xù)波長 光源，無駐波效應(yīng)。無折射系統(tǒng)光源，無駐波效應(yīng)。無折射系統(tǒng) 中的象差、彌散等的影響。中的象差、彌散等的影響。 3、曝光效率高。、曝光效

11、率高。 數(shù)值孔徑數(shù)值孔徑 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。 二、二、1 : 1 掃描反射投影光刻機(jī)掃描反射投影光刻機(jī) 光學(xué)光刻課件 三、分步重復(fù)縮小投影光刻機(jī)三、分步重復(fù)縮小投影光刻機(jī) 隨著線寬的不斷減小和晶片直徑的增大，隨著線寬的不斷減小和晶片直徑的增大， 、越來越嚴(yán)重。為解決這些問題，開發(fā)越來越嚴(yán)重。為解決這些問題，開發(fā) 出了分步重復(fù)縮小投影曝光機(jī)（出了分步重復(fù)縮小投影曝光機(jī)（Direct Step on the Wafer，簡，簡 稱稱 DSW，Stepper）。早期采用）。早期采用 10 : 1 縮小，現(xiàn)在更常用的是縮小，現(xiàn)在更常用的是 5 : 1

12、或或 4 : 1。 光學(xué)光刻課件 光源光源 聚光透鏡聚光透鏡 投影器投影器 掩模掩模 硅片硅片 光學(xué)光刻課件 UV light Reticle field size 20 mm 15mm, 4 die per field 5:1 reduction lens Wafer 圖形曝光在硅片上是投影 掩膜版上視場的1/5 4 mm 3 mm, 4 die 每次曝光 曲折的步進(jìn)圖形 光學(xué)光刻課件 光學(xué)光刻課件 1、曝光效率低；、曝光效率低； 2、設(shè)備復(fù)雜、昂貴。、設(shè)備復(fù)雜、昂貴。 1、掩模版壽命長，圖形缺陷少；、掩模版壽命長，圖形缺陷少； 2、可以使用高數(shù)值孔徑的透鏡來提高分辨率，通過分步、可以使用高

13、數(shù)值孔徑的透鏡來提高分辨率，通過分步 聚焦來解決焦深問題，可以在大晶片上獲得高分辨率的圖形；聚焦來解決焦深問題，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，使掩模制造簡單，可、由于掩模尺寸遠(yuǎn)大于芯片尺寸，使掩模制造簡單，可 減少掩模上的缺陷對芯片成品率的影響。減少掩模上的缺陷對芯片成品率的影響。 當(dāng)芯片的面積繼續(xù)增大時(shí)，例如當(dāng)芯片的面積繼續(xù)增大時(shí)，例如 4G DRAM 的面積已達(dá)到的面積已達(dá)到 3232 mm2 ，線寬為，線寬為 0.13 m ，已達(dá)到視場的極限，已達(dá)到視場的極限 。于是又出。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?，F(xiàn)了步進(jìn)掃描投影

14、曝光機(jī)，當(dāng)然設(shè)備就更加復(fù)雜和昂貴了。 光學(xué)光刻課件 一、保護(hù)薄膜一、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)小視場中。的影響更嚴(yán)重，因?yàn)樗梢员粡?fù)制到每一個(gè)小視場中。 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，并使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，并使 薄膜離開掩模版表面約薄膜離開掩模版表面約 1 cm。這樣可使任何落在薄膜上的顆粒。這樣可使任何落在薄膜上的顆粒 保持在光學(xué)系統(tǒng)的聚焦平面之外。保持在光學(xué)系統(tǒng)的聚焦平面之外。 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

15、上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。的使用壽命，減少芯片上的缺陷。 光學(xué)光刻課件 二、抗反射膜二、抗反射膜 光線在掩模版和透鏡表面的部分反射會使光能受到損失。光線在掩模版和透鏡表面的部分反射會使光能受到損失。 有些光線經(jīng)多次反射后會打到硅片上，使圖形質(zhì)量受到影響。有些光線經(jīng)多次反射后會打到硅片上，使圖形質(zhì)量受到影響。 為了減小這個(gè)問題，一種新掩模技術(shù)采用在掩模版靠近鏡頭的為了減小這個(gè)問題，一種新掩模技術(shù)采用在掩模版靠近鏡頭的 一面加上一

16、面加上 10% 的抗反射劑。的抗反射劑。 光學(xué)光刻課件 min 4.71.2W 由公式由公式 min1 Wk NA 2 NA 可知，由于可知，由于 NA 對焦深的作用更大，所以通常希望采用較小的對焦深的作用更大，所以通常希望采用較小的 NA 值。一般將值。一般將 NA 值取為值取為 0.16 到到 0.6。當(dāng)。當(dāng) k1 為為 0.75 時(shí)，有時(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，只能采用波長更短的光源，例如要進(jìn)一步減小線寬，只能采用波長更短的光源，例如 X 射線。射線。 三、相移掩模技術(shù)三、相移掩模技術(shù)

17、光學(xué)光刻課件 對光刻膠和鏡頭等的改進(jìn)只能稍微減小對光刻膠和鏡頭等的改進(jìn)只能稍微減小 k1 值。而值。而 等等 的發(fā)明使的發(fā)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 ， 從而使分辨率極限進(jìn)入了從而使分辨率極限進(jìn)入了 范圍，使范圍，使 i 線和深紫外光線和深紫外光 的分的分 辨率分別達(dá)到了辨率分別達(dá)到了 0.25 m 和和 0.10 m ，同時(shí)也使，同時(shí)也使 X 射線光刻機(jī)的射線光刻機(jī)的 使用比原來預(yù)期的大大推遲。使用比原來預(yù)期的大大推遲。 除相移掩模技術(shù)外，超分辨率技術(shù)還包括除相移掩模技術(shù)外，超分辨率技術(shù)還包括 和和 等。等。 光學(xué)光刻課件 相移掩模技術(shù)的關(guān)鍵是在掩模的透光區(qū)相間

18、地涂上相移層，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。這使透過相鄰?fù)腹鈪^(qū)的光線具有相反的相位，并使用相干光源。這使透過相鄰?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。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)對制版技術(shù)提出了新的要求，如相移材料的相移掩模技術(shù)對制版技術(shù)提出了新的要求，如相移材料的 選擇、制備與加工，制版軟件中對相移層圖形的設(shè)計(jì)等。選擇、制備與加工，制版軟件中對相移層圖形的設(shè)計(jì)等。 掩掩模版模版 掩掩模處的光幅度模處的光幅度 襯襯底處的光幅度底處的光幅度 襯襯底處的光強(qiáng)度底處的光強(qiáng)度 相移掩模相移掩模普通掩模普通掩模

19、 光學(xué)光刻課件 邊緣相移掩模技術(shù)邊緣相移掩模技術(shù) 光學(xué)光刻課件 把掩模設(shè)想為一個(gè)曝光矩陣把掩模設(shè)想為一個(gè)曝光矩陣 M，由許多，由許多 0 和和 1 的像素組成，的像素組成， 0 代表透明區(qū)，代表透明區(qū)，1 代表不透明區(qū)。當(dāng)用這塊掩模對硅片曝光后，代表不透明區(qū)。當(dāng)用這塊掩模對硅片曝光后， 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。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 曝光工藝會造成硅片表面圖形的畸變，從而影響圖形矩陣曝光工藝會造成硅片表面圖形的畸變，從而影響

20、圖形矩陣 W 。 可以建立一個(gè)矩陣可以建立一個(gè)矩陣 S 來表示從矩陣來表示從矩陣 M 到矩陣到矩陣 W 的變化，即的變化，即 W = SM 矩陣矩陣 S 中包含了光學(xué)系統(tǒng)的所有信息。理想的中包含了光學(xué)系統(tǒng)的所有信息。理想的 S 是一個(gè)單是一個(gè)單 位矩陣，但實(shí)際上它包含了反映圖形畸變的非對角元素。位矩陣，但實(shí)際上它包含了反映圖形畸變的非對角元素。 四、光學(xué)鄰近效應(yīng)修正技術(shù)四、光學(xué)鄰近效應(yīng)修正技術(shù) 光學(xué)光刻課件 所謂光學(xué)鄰近效應(yīng)修正（所謂光學(xué)鄰近效應(yīng)修正（OPC）就是求出矩陣）就是求出矩陣 S 的逆矩陣的逆矩陣 S- -1，用來對原來的掩模進(jìn)行修正，得到新掩模的曝光矩陣為，用來對原來的掩模進(jìn)行修正

21、，得到新掩模的曝光矩陣為 M1 = S- -1M 用新掩模對硅片曝光后得到的圖形矩陣為用新掩模對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掩模完全相同的圖形。于是在硅片上得到了與原來掩模完全相同的圖形。 矩陣矩陣 S-1是很大的，可能包含是很大的，可能包含 1010 個(gè)以上的像素，但也是一個(gè)以上的像素，但也是一 個(gè)很稀疏的矩陣。個(gè)很稀疏的矩陣。 隨著光刻技術(shù)的不斷發(fā)展，光學(xué)曝光的分辨率已進(jìn)入亞波隨著光刻技術(shù)的不斷發(fā)展，光學(xué)曝光的分辨率已進(jìn)入亞波 長范圍?，F(xiàn)在利用長范圍。現(xiàn)在利用 193 nm 光源及光源及 OPC 技術(shù)，已獲得技術(shù)，已獲

22、得 0.13 m的的 線寬，預(yù)期可達(dá)到線寬，預(yù)期可達(dá)到 0.10 m ，甚至達(dá)到，甚至達(dá)到 0.07 m 。 光學(xué)光刻課件 一、表面反射一、表面反射 穿過光刻膠的光會從硅片表面反射出來，從而改變光刻膠穿過光刻膠的光會從硅片表面反射出來，從而改變光刻膠 吸收的光能，特別是硅片表面的金屬層會反射較多的光。吸收的光能，特別是硅片表面的金屬層會反射較多的光。 硅片表面傾斜的臺階側(cè)面會將光反射到非曝光區(qū)。硅片表面傾斜的臺階側(cè)面會將光反射到非曝光區(qū)。 光學(xué)光刻課件 解決辦法解決辦法 1、改變淀積參數(shù)以控制薄膜的反射率；、改變淀積參數(shù)以控制薄膜的反射率； 2、使表面平坦化；、使表面平坦化； 3、在光刻膠下加

23、一層抗反射膜、在光刻膠下加一層抗反射膜 光學(xué)光刻課件 二、駐波二、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)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與波腹之間的間隔為/ /4n = 0.16。對。對 = 200 400 nm 的紫外的紫外 光，此間隔為光，此間隔為 32 64 nm ，小于光刻膠厚度。膠中不同的光強(qiáng)，小于光刻膠厚度。膠中不同的光強(qiáng) 分布，將導(dǎo)致不同的顯影速率，給線寬的控制帶來困難。分布，將導(dǎo)致不同的顯影速率，給線寬的控制帶來困難。 光學(xué)光刻課件 大規(guī)模集成電路制造對光刻對準(zhǔn)的規(guī)定是，對準(zhǔn)誤差應(yīng)該大規(guī)模集成電路制造對光刻對準(zhǔn)的規(guī)定是，對準(zhǔn)