光學曝光技術(shù)

1、關(guān)于光學曝光技術(shù)第一張，PPT共五十頁，創(chuàng)作于2022年6月光刻工藝的基本要素光源(light sources)曝光系統(tǒng)(exposure system)光刻膠(photoresist)能量(光源): 引起光刻膠化學反應，改變光刻膠溶解速率；掩膜版(mask): 對光進行掩膜，在光刻膠上制造掩膜版的圖形；對準系統(tǒng)(Aligner): 在硅片上把掩膜版和以前的圖形對準；光刻膠(Resist): 把圖形從掩膜版轉(zhuǎn)移到硅片；襯底(substrate)：具有以前的掩膜版圖形。第二張，PPT共五十頁，創(chuàng)作于2022年6月光刻工藝的基本流程第三張，PPT共五十頁，創(chuàng)作于2022年6月第二章 光學曝光技術(shù)

2、光學曝光的工藝過程 光學曝光的方式和原理 光刻膠的特性 光學掩膜的設計與制造 短波長曝光技術(shù) 大數(shù)值孔徑與浸沒式曝光技術(shù) 光學曝光分辨率增強技術(shù) 光學曝光的計算機模擬技術(shù) 其它光學曝光技術(shù) 厚膠曝光技術(shù) LIGA技術(shù)東南大學 南京 MEMS教育部重點實驗室第四張，PPT共五十頁，創(chuàng)作于2022年6月（1）接觸式光學曝光技術(shù)東南大學 南京 MEMS教育部重點實驗室 優(yōu)點：設備簡單，分辨率高（約1 m ）。 缺點：掩模壽命短（10 20次），硅片上圖形缺陷多，光刻成品率低。第五張，PPT共五十頁，創(chuàng)作于2022年6月（2）接近式光學曝光技術(shù)東南大學 南京 MEMS教育部重點實驗室 優(yōu)點：掩模壽命長

3、（可提高10 倍以上），圖形缺陷少。 缺點：衍射效應使分辨率下降。 第六張，PPT共五十頁，創(chuàng)作于2022年6月（3）投影式光學曝光技術(shù)投影式曝光的優(yōu)點： 掩模壽命長。 可以在不十分平整的大晶片上獲得高分辨率的圖形。 掩模尺寸遠大于芯片尺寸，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。投影式曝光的缺點：設備復雜、昂貴， 曝光效率低。 步進式投影光刻投影式光刻第七張，PPT共五十頁，創(chuàng)作于2022年6月光刻工藝的相關(guān)光學基礎光在空間中以電磁波的形式傳播當物體的尺寸遠大于波長時，把光作為粒子來處理當物體的尺寸和波長可比擬時，要考慮光的波動性衍射光的衍射效應光的衍射影響分辨率，決定分辨率極

4、限：第八張，PPT共五十頁，創(chuàng)作于2022年6月如果想在像平面(如光刻膠）對小孔進行成像，可以用透鏡收集光并聚焦到像平面第九張，PPT共五十頁，創(chuàng)作于2022年6月數(shù)值孔徑(Numerical Aperture NA)光學系統(tǒng)的數(shù)值孔徑描述透鏡收集光的能力 n是透鏡到硅片間介質(zhì)的折射率，對空氣而言為1分辨率第十張，PPT共五十頁，創(chuàng)作于2022年6月分辨率-Resolution K1是一個獨立于光學成像的因子，取決于光刻系統(tǒng)和光刻膠的性質(zhì)等其它因素一般來說，最小線寬K10.60.8第十一張，PPT共五十頁，創(chuàng)作于2022年6月 然而采用高數(shù)值孔徑的光學系統(tǒng)(大透鏡），會使景深變差第十二張，PP

5、T共五十頁，創(chuàng)作于2022年6月 焦深（DoF）焦深就是聚焦深度（Depth of Focus），它是指沿著光通路，圓片可以移動而依然保持圖形聚焦清晰的移動距離。對于投影系統(tǒng)，焦深由下式給出：k2 +-光刻膠膜焦深焦平面透鏡焦點是沿透鏡中心出現(xiàn)最佳圖像的點，焦深是焦點上面和下面的一個范圍。焦點可能不是正好在光刻膠層的中心，但是焦深應該穿越光刻膠層上下表面。第十三張，PPT共五十頁，創(chuàng)作于2022年6月NGL: X射線(5)，電子束(0.62)，離子束(0.12 )光源波長(nm)術(shù)語技術(shù)節(jié)點汞燈436g線0.5mm汞燈365i線0.5/0.35mmKrF(激光)248DUV0.25/0.13m

6、mArF (激光)193193DUV90/6532nmF2 (激光)157VUVCaF2 lenses激光激發(fā)Xe等離子體13.5EUVReflective mirrors光 源第十四張，PPT共五十頁，創(chuàng)作于2022年6月第二章 光學曝光技術(shù) 光學曝光的工藝過程 光學曝光的方式和原理 光刻膠的特性 光學掩膜的設計與制造 短波長曝光技術(shù) 大數(shù)值孔徑與浸沒式曝光技術(shù) 光學曝光分辨率增強技術(shù) 光學曝光的計算機模擬技術(shù) 其它光學曝光技術(shù) 厚膠曝光技術(shù) LIGA技術(shù)東南大學 南京 MEMS教育部重點實驗室第十五張，PPT共五十頁，創(chuàng)作于2022年6月光刻膠基本成分 光學曝光過程中，為了將掩模上的圖形轉(zhuǎn)

7、移到圓片上，輻照必須作用在光敏物質(zhì)上，該光敏物質(zhì)必須通過光照，改變材料性質(zhì)，使在完成光刻工藝后，達到轉(zhuǎn)移圖形的目的。該光敏物質(zhì)稱為光刻膠。東南大學 南京 MEMS教育部重點實驗室光刻膠基本成分組成：（1）樹脂（Resin）（2）感光劑（PAC）（3）溶劑（Solvent）（4）添加劑（Additive）第十六張，PPT共五十頁，創(chuàng)作于2022年6月樹脂（Resin）：光刻膠中的基體材料，是一種對光敏感的高分子化合物，當它受適當波長的光照射后，就能吸收一定波長的光能量，發(fā)生交聯(lián)、聚合或分解等光化學反應，使光刻膠改變性質(zhì)。感光劑（PAC，photoactive compound)：在曝光前作為抑制

8、劑（inhibitor），降低光刻膠在顯影液中的溶解速度，而在暴露于光線時有化學反應發(fā)生，使抑制劑變成了感光劑，增加了膠的溶解性（正膠），或產(chǎn)生交聯(lián)催化劑，使樹脂交聯(lián)，降低膠的溶解性（負膠）。溶劑（solvent）：使光刻膠保持液體狀態(tài)。絕大多數(shù)的溶劑在曝光前揮發(fā)除去，對光刻膠的化學性質(zhì)幾乎沒有什么影響。添加劑（additive）：用來控制和改變光刻膠材料的特定化學性質(zhì)或光刻膠材料的光響應特性，也包括控制光刻膠反射率的染色劑。第十七張，PPT共五十頁，創(chuàng)作于2022年6月 凡是在能量束（光束、電子束、離子束等）的照射下，以交聯(lián)反應為主的光刻膠稱為 負性光刻膠，簡稱 負膠。 凡是在能量束（光束、

9、電子束、離子束等）的照射下，以降解反應為主的光刻膠稱為 正性光刻膠，簡稱 正膠。光刻膠是長鏈聚合物正膠在感光時，曝光對聚合物起斷鏈作用，使長鏈變短，使聚合物更容易在顯影液中溶解。負膠在曝光后，使聚合物發(fā)生交聯(lián)，在顯影液中溶解變慢。光刻膠類型第十八張，PPT共五十頁，創(chuàng)作于2022年6月正膠IC主導負膠第十九張，PPT共五十頁，創(chuàng)作于2022年6月1、靈敏度: 光刻膠通過顯影完全被清除所需要的曝光劑量（正膠）；光刻膠在顯影后有50%以上的膠厚得以保留時所需要的曝光劑量（負膠）。是衡量曝光速度的指標，靈敏度越高，所需曝光劑量越小，曝光時間越短。 靈敏度太低會影響生產(chǎn)效率，所以通常希望光刻膠有較高的

10、靈敏度。但靈敏度太高會影響分辨率。通常負膠的靈敏度高于正膠。 光刻膠的一些特性正膠負膠的靈敏度和對比度定義第二十張，PPT共五十頁，創(chuàng)作于2022年6月二. 對比度（反差比）：指的是光刻膠上從曝光區(qū)到非曝光區(qū)過渡的陡度。對比度代表著只適于在掩膜版透光區(qū)規(guī)定范圍內(nèi)曝光的光刻膠的能力。差的光刻膠對比度斜側(cè)壁膨脹差的反差光刻膠膜好的光刻膠對比度陡直側(cè)壁沒有膨脹好的反差光刻膠膜 靈敏度曲線越陡，光刻膠的對比度就越大，這樣有助于得到清晰的圖形輪廓和高的分辨率。一般光刻膠的對比度在 0.9 2.0 之間。對于亞微米圖形，要求對比度大于 1。 通常正膠的對比度要高于負膠。第二十一張，PPT共五十頁，創(chuàng)作于2

11、022年6月 光進入光刻膠后，其強度按下式衰減 式中，為光刻膠的光吸收系數(shù)。設 TR 為光刻膠的厚度，則可定義光刻膠的 光吸收率 為 可以證明，對比度 與光吸收系數(shù)及光刻膠厚度 TR 之間有如下關(guān)系 減小光吸收系數(shù)與膠膜厚度有利于提高對比度。 第二十二張，PPT共五十頁，創(chuàng)作于2022年6月三、分辨率：指光刻時所能得到的光刻圖形的最小尺寸。通常以每毫米最多可分辨的線條數(shù)來表示。光刻工藝中影響分辨率的因素有：光源、曝光方式 和 光刻膠本身（包括靈敏度、對比度、顆粒的大小、顯影時的溶脹、電子散射等）、硅片表面狀況等。通常正膠的分辨率要高于負膠。分辨率與靈敏度的關(guān)系:當入射電子數(shù)為 N 時，由于隨機

12、漲落，實際入射的電子數(shù)在 范圍內(nèi)。為保證出現(xiàn)最低劑量時不少于規(guī)定劑量的 90%，也即 。由此可得 。因此對于小尺寸曝光區(qū)，必須滿足式中，Wmin 為最小尺寸，即分辨率?？梢?，若靈敏度越高（即 S 越?。?，則 Wmin 就越大，分辨率就越差。第二十三張，PPT共五十頁，創(chuàng)作于2022年6月五. 粘度：是影響涂敷膠膜厚度的重要因素。光刻膠越濃，它的粘度就越大，在相同的涂膠條件下，所得的膠膜就越厚；反之，則粘度小，膠膜薄。四. 感光度：感光度是一個表征光刻膠對光敏感度的性能指標。定義為曝光時使光刻膠發(fā)生光化學反應所需的最小曝光量(E)的倒數(shù)，即 S = h / ES為感光度，h為比例常數(shù)，E為最小曝

13、光量。 光刻膠對于不同波長的光源其敏感程度是不同的，因此它的感光度總是對某一特定波長的光來講的。針孔密度：單位面積的光刻膠膜上的針孔數(shù)目稱為針孔密度。七. 粘附性：指光刻膠薄膜與襯底的粘附能力，主要衡量光刻膠抗?jié)穹ǜg能力。它不僅與光刻膠本身的性質(zhì)有關(guān)，而且與襯底的性質(zhì)和其表面情況等有密切關(guān)系。八. 抗蝕性：光刻膠膠膜必須保持它的粘附性，并在后續(xù)的濕刻和干刻中保護襯底表面。這種性質(zhì)被稱為抗蝕性。第二十四張，PPT共五十頁，創(chuàng)作于2022年6月九. 表面張力：光刻膠具有產(chǎn)生相對大的表面張力的分子間力，所以在不同工藝步驟中光刻膠分子會聚在一起。同時光刻膠的表面張力必須足夠小，從而在應用時能提供良好

14、的流動性和硅的覆蓋。第二十五張，PPT共五十頁，創(chuàng)作于2022年6月第二章 光學曝光技術(shù) 光學曝光的工藝過程 光學曝光的方式和原理 光刻膠的特性 光學掩膜的設計與制造 短波長曝光技術(shù) 大數(shù)值孔徑與浸沒式曝光技術(shù) 光學曝光分辨率增強技術(shù) 光學曝光的計算機模擬技術(shù) 其它光學曝光技術(shù) 厚膠曝光技術(shù) LIGA技術(shù)東南大學 南京 MEMS教育部重點實驗室第二十六張，PPT共五十頁，創(chuàng)作于2022年6月 掩膜版的材料襯底材料：最主要的用于亞微米光刻的投影掩膜版襯底材料是熔融石英（fused silica）。它在深紫外光譜部（248nm和193nm）有著很高的光學透射。熔融石英相對昂貴，但性能優(yōu)越。它具有很

15、低的熱膨脹系數(shù)。圖形材料：用于掩膜版上不透明的圖形材料通常是薄層的鉻（Chrome，Cr）。厚度通常小于1000A，通過濺射淀積。有時候會在鉻上形成一層氧化鉻（200A）的抗反射涂層。掩模版（Photomask）：一種透明的平板，上面有要轉(zhuǎn)印到硅片上光刻膠層的圖形。第二十七張，PPT共五十頁，創(chuàng)作于2022年6月 光學工程師將用戶數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為寫入系統(tǒng)所能接受的格式。包括數(shù)據(jù)分割，尺寸標記，圖形旋轉(zhuǎn)，增加套刻標記，內(nèi)部參照標記，以及一個jobdeck（掩膜上不同圖形的位置的說明）。第二十八張，PPT共五十頁，創(chuàng)作于2022年6月 掩膜版上用于Stepper對準的套刻標記第二十九張，PPT共五十頁，

16、創(chuàng)作于2022年6月掩膜版上的參照標記 第三十張，PPT共五十頁，創(chuàng)作于2022年6月掩膜版的制備通常采用電子束直寫的方式把高分辨率的圖形轉(zhuǎn)印到掩膜版表面。電子源產(chǎn)生的電子被加速并聚焦成形射到投影掩膜版上。電子束可以通過光柵掃描或矢量掃描的方式在掩膜版上形成圖形。掩膜版上的電子束膠在曝光顯影后，通過濕法或干法刻蝕去掉不需要的鉻層。第三十一張，PPT共五十頁，創(chuàng)作于2022年6月CAD設計、模擬、驗證后由圖形發(fā)生器產(chǎn)生數(shù)字圖形數(shù)字圖形4或5投影光刻版（reticle）投影式光刻1掩膜版（mask）制作接觸式、接近式光刻掩膜版制作第三十二張，PPT共五十頁，創(chuàng)作于2022年6月掩模版制作過程：是一

17、個微納加工過程12. Finished第三十三張，PPT共五十頁，創(chuàng)作于2022年6月掩膜版缺陷掩膜版上的缺陷會被復制到光刻膠層中，從而進一步復制到硅片上。制造好的掩膜版要進行大量測試來檢查缺陷和顆粒。掩膜版缺陷的來源可能是掉鉻，表面擦傷，靜電放電或灰塵顆粒。第三十四張，PPT共五十頁，創(chuàng)作于2022年6月第二講 光學曝光技術(shù) 光學曝光的工藝過程 光學曝光的方式和原理 光刻膠的特性 光學掩膜的設計與制造 短波長曝光技術(shù) 大數(shù)值孔徑與浸沒式曝光技術(shù) 光學曝光分辨率增強技術(shù) 光學曝光的計算機模擬技術(shù) 其它光學曝光技術(shù) 厚膠曝光技術(shù) LIGA技術(shù)東南大學 南京 MEMS教育部重點實驗室第三十五張，P

18、PT共五十頁，創(chuàng)作于2022年6月 深紫外曝光技術(shù)一般，436nm為G線，356nm的為I線，。采用準分子激光器的深紫外曝光技術(shù)。 極紫外曝光技術(shù)極紫外是波長為13nm的光輻射。而其本質(zhì)是一種軟X射線。極紫外波長可被幾乎所有材料吸收，故所有的光學系統(tǒng)包括掩模都必須是反射式的。組成：極紫外光源等離子體激發(fā)和同步輻射源；極紫外光學系統(tǒng)利用多層膜反射鏡，可提高反射率；極紫外掩模掩?；搴徒饘賹?；極紫外光刻膠更高靈敏度和分辨率。 X射線曝光技術(shù)X射線是指波長在0.0110nm間的電磁波譜，又可分為軟硬兩種。X射線不能被折射，故只能做成11鄰近式曝光，不可做成縮小式曝光，這樣就加大了掩模的制造難度和成本

19、。第三十六張，PPT共五十頁，創(chuàng)作于2022年6月第二章 光學曝光技術(shù) 光學曝光的工藝過程 光學曝光的方式和原理 光刻膠的特性 光學掩膜的設計與制造 短波長曝光技術(shù) 大數(shù)值孔徑與浸沒式曝光技術(shù) 光學曝光分辨率增強技術(shù) 光學曝光的計算機模擬技術(shù) 其它光學曝光技術(shù) 厚膠曝光技術(shù) LIGA技術(shù)東南大學 南京 MEMS教育部重點實驗室第三十七張，PPT共五十頁，創(chuàng)作于2022年6月 大數(shù)值孔徑是高分辨率成像的必要條件 但增加數(shù)值孔徑會受到焦深的影響和限制，過大的數(shù)值孔徑會使焦深過小。 進一步增加數(shù)值孔徑還受到光極化效應的影響當數(shù)值孔徑達到0.8以上時，光波通過透鏡會被極化成s極和p極分量，在大入射角的

20、情況下，s極分量會被反射，使得入射光的能量損失以及成像對比度下降。k2 投影物鏡的設計和加工難度增大單軸和多軸設計方案第三十八張，PPT共五十頁，創(chuàng)作于2022年6月浸沒式曝光ln=1.0, DNA=0.93, lm60 nm n=1.44, DNA=1.34, lm 42 nm增加數(shù)值孔徑:193 nm浸沒式光刻技術(shù)已在2006年投入使用第三十九張，PPT共五十頁，創(chuàng)作于2022年6月東南大學 南京 MEMS教育部重點實驗室 當今高精度的浸沒式步進掃描投影光刻機對浸沒液體的選擇相當苛刻，高折射率和高透射系數(shù)是最基本的要求。 一般地，使用水作為193nm光刻的浸沒液體。 在曝光過程中，由于水中

21、溶解的物質(zhì)有可能沉積到投影物鏡最后一個透鏡的下表面或者光刻膠上，引起成像缺陷，而水中溶解的氣體也有可能形成氣泡，使光線發(fā)生散射和折射。因此，目前業(yè)界普遍使用價格便宜、簡單易得的去離子和去氣體的純水作為第一代浸沒式光刻機的浸沒液體。 另外，還要考慮水層的厚度對掃描速度的影響。在500mm/s 的掃描速度下，水層的厚度應該控制在12mm。第四十張，PPT共五十頁，創(chuàng)作于2022年6月第二章 光學曝光技術(shù) 光學曝光的工藝過程 光學曝光的方式和原理 光刻膠的特性 光學掩膜的設計與制造 短波長曝光技術(shù) 大數(shù)值孔徑與浸沒式曝光技術(shù) 光學曝光分辨率增強技術(shù) 光學曝光的計算機模擬技術(shù) 其它光學曝光技術(shù) 厚膠曝

22、光技術(shù) LIGA技術(shù)東南大學 南京 MEMS教育部重點實驗室第四十一張，PPT共五十頁，創(chuàng)作于2022年6月除了和NA外，提高分辨率的另一個方法就是改變因子。因子包含了透鏡光學以外的因素，它的理論極限值是0.25。這些技術(shù)統(tǒng)稱為光學曝光分辨率增強技術(shù)。（7種）（1）離軸照明技術(shù)有意將中心軸部分的光遮住，這有利于衍射光波的高次諧波分量通過透鏡成像到硅片表面上。主要有兩種方式：環(huán)形離軸照明和四級離軸照明。該技術(shù)是一種最易實現(xiàn)，成本最低的分辨率增強技術(shù)第四十二張，PPT共五十頁，創(chuàng)作于2022年6月（2）移相掩模技術(shù)(PSM, Phase Shifting Mask)調(diào)制光波的相位來改善成像的對比度

23、和焦深。常見形式有：輔助式，交替式，周邊式，無鉻式，衰減式。各種移相掩模的目的都是通過引進相反的相位光波，在相的邊緣部分產(chǎn)生抵消作用。選擇一種具有一定厚度和折射率的材料，使得相位移動180,形成相消干涉。普通鉻掩模移相掩模第四十三張，PPT共五十頁，創(chuàng)作于2022年6月（3）光學鄰近效應校正技術(shù)有意的改變掩模的設計尺寸和形狀來補償圖形局部曝光過強或過弱。另外一種校正技術(shù)不是修改設計圖形本身，而是在設計圖形附近加一些圖形（亞分辨率輔助圖形）或散射條。這些輔助圖形的尺寸很小，不會在光刻膠上成像，但其會影響光強分布，從而影響設計圖形的成像質(zhì)量。第四十四張，PPT共五十頁，創(chuàng)作于2022年6月第四十五張，PPT共五十頁，創(chuàng)作于2022年6月（4）消除表面反射和駐波效應抗反射層和表面平坦化技術(shù)駐波：由于入射光和反射光間的相長與相消干涉造成。駐波造成光刻膠中的光強隨厚度變化，由于曝光的變化產(chǎn)生光刻膠溶解率的變化，則表現(xiàn)為光刻膠側(cè)壁出現(xiàn)螺旋狀條紋。表面反射：來自曝光區(qū)的光被圓片表面圖形不同的高低形貌反射，然后被不曝光的區(qū)域的光刻膠吸收，導