第7章 光學光刻

第7章光學光刻光刻曝光刻蝕光源曝光方式

7.1光刻概述評價光刻工藝可用三項主要的標準：分辨率、對準精度

和生產效率。涂光刻膠（正）選擇曝光

光刻工藝流程顯影（第1次圖形轉移）刻蝕（第2次圖形轉移）38)顯影后檢查5)曝光后烘焙6)顯影7)堅膜UVLightMask

4)對準和曝光Resist2)涂膠3)前烘1)氣相成底膜HMDS光刻工藝的８個步驟光源紫外光（UV）深紫外光（DUV）g線：436

nmi線：365

nm

KrF

準分子激光：248

nmArF

準分子激光：193

nm極紫外光（EUV），10~15

nmX

射線，0.2~4

nm電子束離子束5VisibleRadiowavesMicro-wavesInfraredGammaraysUVX-raysf(Hz)1010101010101010101046810121416221820

(m)420-2-4-6-8-14-10-1210101010101010101010365436405248193157ghiDUVDUVVUVl(nm)CommonUVwavelengthsusedinopticallithography.電磁光譜6l(nm)700455060065050045040035030025020015010050紫外光譜可見光汞燈準分子激光Photolithographylightsourcesghi36540524819313436157126VioletRedBlueGreenYellowOrangeMid-UVEUVDUVVUV紫外光譜可見光譜：波長在390nm到780nm之間；紫外光譜：波長在4nm到450nm之間。有掩模方式無掩模方式（聚焦掃描方式）接觸式非接觸式接近式投影式反射折射全場投影步進投影掃描步進投影矢量掃描光柵掃描混合掃描曝光方式

7.2衍射當一個光學系統(tǒng)中的所有尺寸，如光源、反射器、透鏡、掩模版上的特征尺寸等，都遠大于光源波長時，可以將光作為在光學元件間直線運動的粒子來處理。但是當掩模版上的特征尺寸接近光源的波長時，就應該把光的傳輸作為電磁波來處理，必須考慮衍射和干涉。由于衍射的作用，掩模版透光區(qū)下方的光強減弱，非透光區(qū)下方的光強增加，從而影響光刻的分辯率。

7.3調制傳輸函數(shù)和光學曝光無衍射效應有衍射效應光強定義圖形的

調制傳輸函數(shù)

MTF

為無衍射效應時，MTF=1；有衍射效應時，MTF<1。光柵的周期（或圖形的尺寸）越小，則

MTF

越?。还獾牟ㄩL越短，則

MTF

越大。圖形的分辯率還要受光刻膠對光強的響應特性的影響。

理想光刻膠：光強不到臨界光強

Dcr時不發(fā)生反應，光強超過

Dcr時完全反應，衍射只造成線寬和間距的少量變化。DcrD100D0

實際光刻膠：光強不到

D0

時不發(fā)生反應，光強介于

D0

和D100

之間時發(fā)生部分反應，光強超過

D100

時完全反應，使線條邊緣出現(xiàn)模糊區(qū)。在一般的光刻膠中，當

MTF

<

0.4

時，圖形不再能被復制。

7.4光源系統(tǒng)對光源系統(tǒng)的要求

1、有適當?shù)牟ㄩL。波長越短，曝光的特征尺寸就越小；

2、有足夠的能量。能量越大，曝光時間就越短；

3、曝光能量必須均勻地分布在曝光區(qū)。常用的

紫外光

光源是高壓弧光燈（高壓汞燈）。高壓汞燈有許多尖銳的光譜線，經過濾光后使用其中的g線（436

nm）或

i線（365

nm）。高壓汞燈的光譜線120100806040200200 300 400 500 600RelativeIntensity(%)h-line405nmg-line436nmi-line365nmDUV248nmEmissionspectrumofhigh-intensitymercurylamp由于衍射效應是光學曝光技術中限制分辨率的主要因素，所以要提高分辨率就應使用波長更短的光源如

深紫外光。實際使用的深紫外光源有

KrF

準分子激光（248

nm）、ArF

準分子激光（193

nm）和

F2

準分子激光（157

nm）等。深紫外光的曝光方式與紫外光基本相同，但需注意兩點，

1、光刻膠

2、掩模與透鏡材料

248

nm

波長的光子能量為

4.9

eV，193

nm

波長的光子能量為

6.3

eV，而純凈石英的禁帶寬度約為

8

eV。波長越短，掩模與透鏡材料對光能的吸收就嚴重，造成曝光效率降低和掩模與透鏡發(fā)熱。

各種光學曝光光源的使用情況

1985

年以前，幾乎所有光刻機都采用g線(436

nm)光源，當時的最小線寬為1

m以上。1985

年以后開始出現(xiàn)少量i線(365

nm)光刻機，相應的最小線寬為

0.5

m

左右。從

1990

年開始出現(xiàn)

DVU

光刻機，相應的最小線寬為

0.25

m

左右。從1992年起i線光刻機的數(shù)量開始超過g線光刻機。截止到1998年

，g線、i線和

DVU

光刻機的銷售臺數(shù)比例約為1:4:2。而目前DVU

光刻機的銷售臺數(shù)已經超過i線光刻機。7.5接觸式與接近式光刻機

一、接觸式光刻機SiU.V.MaskP.R.SiO2

優(yōu)點：設備簡單；理論上

MTF

可達到

1，因此分辨率比較高，約

0.5

m。

缺點：掩模版壽命短（10~20

次），硅片上圖形缺陷多，光刻成品率低。

二、接近式光刻機g=

10

~

50

m

優(yōu)點：掩模壽命長（可提高

10

倍以上），圖形缺陷少。缺點：衍射效應嚴重，使分辨率下降。最小可分辨的線寬為式中，k

是與光刻膠處理工藝有關的常數(shù)，通常接近于1

。7.6投影式光刻機式中，k1是與光刻膠的光強響應特性有關的常數(shù)，約為

0.75。NA

為鏡頭的

數(shù)值孔徑，投影式光刻機的分辨率由

雷利第一公式

給出，即一、分辨率與焦深n為折射率，為半接收角。NA

的典型值是

0.16

到

0.8。增大

NA

可以提高分辨率，但卻受到

焦深

的限制。22透鏡俘獲衍射光NAUV012341234透鏡石英鉻衍射圖形掩膜版數(shù)值孔徑(NA)：透鏡收集衍射光的能力。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

NA

線性地提高分辨率，平方關系地減小焦深，所以一般選取較小的

NA。為了提高分辨率，可以縮短波長。

焦深

代表當硅片沿光路方向移動時能保持良好聚焦的移動距離。投影式光刻機的焦深由

雷利第二公式

給出，即二、1:1掃描反射投影光刻機掩模硅片反射凹鏡反射凸鏡光源優(yōu)點

1、掩模壽命長，圖形缺陷少。

2、無色散，可以使用連續(xù)波長光源，無駐波效應。無折射系統(tǒng)中的象差、彌散等的影響。

3、曝光效率較高。缺點數(shù)值孔徑

NA

太小，是限制分辨率的主要因素。

三、分步重復縮小投影光刻機隨著線寬的不斷減小和晶片直徑的增大，分辨率與焦深的矛盾、線寬與視場的矛盾

越來越嚴重。為解決這些問題，開發(fā)出了分步重復縮小投影曝光機（DirectStep

on

the

Wafer，簡稱DSW，Stepper）。早期采用10:1縮小，現(xiàn)在更常用的是5:1

或4:1。光源聚光透鏡投影器掩模硅片UVlightReticlefieldsize20mm×15mm,4dieperfield5:1reductionlensWafer圖形曝光在硅片上是投影掩膜版上視場的1/54mm×3mm,4die每次曝光曲折的步進圖形缺點

1、曝光效率低；

2、設備復雜、昂貴。

優(yōu)點

1、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。當芯片的面積繼續(xù)增大時，例如

4GDRAM

的面積已達到32×32

mm2，線寬為

0.13

m

，已達到視場的極限。于是又出現(xiàn)了步進掃描投影曝光機，當然設備就更加復雜和昂貴了。

7.7先進掩模概念

一、保護薄膜分步重復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重，因為它可以被復制到每一個小視場中。解決的辦法是給步進機的掩模版蒙上一層保護薄膜，并使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保持在光學系統(tǒng)的聚焦平面之外。另一種用于接觸式光刻機的保護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)點的同時，提高掩模版的使用壽命，減少芯片上的缺陷。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。有些光線經多次反射后會打到硅片上，使圖形質量受到影響。為了減小這個問題，一種新掩模技術采用在掩模版靠近鏡頭的一面加上10%

的抗反射劑。由公式可知，由于

NA

對焦深的作用更大，所以通常希望采用較小的NA

值。一般將

NA

值取為

0.16

到

0.6。當k1為

0.75

時，有~上式在一段時期內被認為是光學曝光法的分辨率極限。若要進一步減小線寬，只能采用波長更短的光源，例如

X

射線。

三、相移掩模技術

對光刻膠和鏡頭等的改進只能稍微減小

k1

值。而

相移掩模技術

等

超分辨率技術

的發(fā)明使k1

突破性地下降了一半以上，從而使分辨率極限進入了

亞波長

范圍，使i線和深紫外光

的分辨率分別達到了

0.25

m

和

0.10

m以下，同