（光学工程专业论文）用于紫外光刻的聚焦光学系统的研究.pdf

重庆大学硕士学位论文中文摘要 摘要 光学光刻技术一直是微加工技术的主流技术之一，是近来世界各国研究的重 点。本论文在级观了光学光刻技术的国内外发展现状的基础上，针对高校、普通 研究所等科研单位的需求，进行了一种成本低、结构简单的用于紫外光刻的聚焦 光学系统的研究，具有十分重要的理论意义和迫切的需求背景。 论文在全面分析了现有几种光刻方式各自特点的基础上，对球面波的传输、 整形特性，以及聚焦时光强极大值点的焦移等问题作了详细的研究，提出了一种 集合了电子束光刻和光学光刻各自优点的扫描式光刻的新思想和新方法。进行了 紫外光刻中聚焦光学系统的结构设计、分析和模拟仿真，确定了系统整体方案： 进行了驱动电路、光学耦合方式、光束聚焦方式等关键技术的探索研究，并搭建 实验平台，进行相关的测试和实验分析。 论文的主要研究工作是： l 。分析微加工技术的国内外发展现状，特别是对光学光刻的发展现状和趋势 进行全面的分析； 2 比较目前常用的几种紫外光源，选择合适的光源，并对其驱动电路进行仿 真设计和实验分析； 3 较深入地比较分析球面波与高斯光束的特点，对光学耦合系统和光束聚焦 系统进行详细的分析和设计； 4 进行相关的光学实验，并对实验结果进行分析和讨论。 关键词：紫外l e d ，光学光刻，镜头，聚焦 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 a b s t ra c t o p t i c a lp h o t o l i t h o g r a p h yi sa l w a y sa m a i n s t r e a mt e c h n o l o g yf o rm i c r o - p r o c e s s i n g t e c h n o l o g y , i t st h ek e yp o i n to fw h i c hm a n yc o u n t r i e sr e s e a r c ho nr e c e n t l y b a s e do n t h ei n v e s t i g a t i o no fw o r l do p t i c a lp h o t o l i t h o g r a p h yt e c h n o l o g yd e v e l o p m e n ta n d p r o g r e s s ，a n dt h et a r g e t t os a r i s f yt h ea p p l i c a t i o nd e m a n d so ft h eh i 【g h s c h o o l s ， u n i v e r s i t i e sa n di n s t i t u t e sa n ds oo n ，t h i sp a p e rs t u d i e so no n ek i n do ff o c u so p t i c a l s y s t e mu s e di nu l t r a v i o l e tp h o t o l i t h o g r a p h yw h i c ht a k e sa d v a n t a g e so fl o wp r i c ea n d s i m p l e s t r u c t u r e t h i sw o r kh a sb o t h t h e o r ys i g n i f i c a n c e a n du r g e n td e m a n d b a c k g r o u n d b a s e do nt h eu n d e r s t a n d i n ga n da n a l y s i so ft y p i c a lp h o t o l i t h o g r a p h ym e t h o d s ，t h e t r a n s m i s s i o na n dr e s h a p i n gc h a r a c t e r i s t i co fs p h e r i c a lw a v e ，a sw e l la st h ef o c a lp o i n t s h i f to f t h eo p t i c a ls y s t e ma n ds oo nw e r ea l ld e s c r i b e di nd e t a i li nt h i sp a p e r , t h e n , t h i s p a p e rp r o p o s e s an o v e ld e s i g no fs c a n n i n gp h o t o l i t h o g r a p h yw h i c hh a sg a t h e r e d r e s p e c t i v em e r i to f t h ee l e c t r o nb e a mp h o t o l i t h o g r a p h ya n dt h eo p t i c a lp h o t o l i t h o g r a p h y t h ed e s i g n ，a n a l y s i sa n ds i m u l a t i o no ft h ef o c u so p t i c a ls y s t e mu s e di nu l t r a v i o l e t p h o t o l i t h o g r a p h ys y s t e ma r ep e r f o r m e dw i m as p e c i a lc o n s i d e r a t i o no no p t i c s ；t h ek e y t e c h n o l o g i e ss u c ha sd r i v ee l e c t r i cc i r c u i t ，o p t i c sc o u p l i n gm a n n e r , l i g h tb e a mf o c u s i n g s y s t e ma r es y s t e m a t i c a l l ye x p l o r e d ，a tl a s tt h et e s t i n gp l a t f o r mi se s t a b l i s h e d ，a n dt h e e x p e r i m e n t a la d j u s t ，t e s t ，a n da n a l y s i sa r ec a r d e do n t h i sp a p e ri sf o c u s e do nt h ef o l l o w i n ga s p e c t s ： 1 b a s e do ns c r u t i n i z i n ga n da n a l y z i n gt h el i t e r a t u r e s ，a n a l y z e st h el a t e s t d e v e l o p m e n ti nt h ea r e ao fm i c r o p r o c e s s i n g ，e s p e c i a l l yt h ed e v e l o p m e n ta n dp r e s e n t s t a t eo f t h ep h o t o l i t h o g r a p h y 2 c o m p a r e sw i t hs e v e r a lk i n do fu l t r a v i o l e tp h o t o s o u r c e s ，c h o o s e st h ea p p r o p r i a t e o n e , a n dc a r r i e so nt h es i m u l a t i o nd e s i g na n dt h ee x p e r i m e n to ni t sd r i v ee l e c t r i cc i r c u i t 3 t h o r o u g h l yc o m p a r ea n da n a l y z et h ec h a r a c t e r i s t i co f t h es p h e r i c a lw a v ea n dt h e g a u s sl i g h tb e a m ，c a r r i e so nt h ed e t a i l e da n a l y s i sa n dd e s i g no no p t i c a l l yc o u p l e d s y s t e ma n dt h e1 i g h tb e a mf o c u s i n gs y s t e m 4 c a r r i e so nt h ec o r r e l a t i o no p t i c a le x p e r i m e n t ，a n a l y z e sa n dd i s c u s s e so nt h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t k e y w o r d s ：u l t r a v i o l e tl e d ，o p t i c a lp h o t o l i t h o g r a p h y , l e n s ，f o c u s 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得重庆太堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本 研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 王穆签字日期：御7 年6 月参日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重鏖太堂有关保留、使用学位论文的 规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许 论文被查阅和借阅。本人授权重废太堂可以将学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存、汇编学位论文。 保密( ) ，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密( ) 。 ( 请只在上述一个括号内打“”) 学位论文作者签名： 王毙 签字日期：x t 7 年f 月年日 导师签名：猡f 毛哆 签字日期：仂刀年易月歹日 ? 重庆大学硕士学位论文1 绪论 1 绪论 1 1 引言 在过去的5 0 年里，世界半导体技术以及由此引发的各种微型化技术已经发展 成为现代高科技产业的主要支柱【1 1 。无论是集成电路技术，还是微系统技术或纳米 技术，其共同的特点都是功能结构的尺寸均达到了微米或纳米范围，功能结构的 微小化带来的不仅仅是能源与原材料的节省，而且导致多功能的高集成和生产成 本的大大降低【2 1 。这一切的发展都无不依赖于微加工技术的不断发展和成熟。 微加工技术简单地可以分为曝光技术与刻蚀技术。曝光技术以光学曝光技术 为代表，将设计的掩膜图形无偏差地转移到基片上，是半导体制造技术中最为复 杂先进的技术之- - 3 1 。近年来，世界各国都在致力于研究微加工技术。本章简要介 绍微加工技术和微加工设备的国内外发展现状，着重介绍了光刻技术的国内外研 究现状。 1 2 微加工的发展现状 光刻技术和相关集成电路工艺和装备的不断进步，使得集成电路制造技术的 极限不断被突破，摩尔定律继续发挥作用，目前正逼近1 0 0 n m 水平，并向1 0 0 r i m 以下继续发展。研究表明，目前占据主流的c m o s 器件至少可以达到3 5 n m 的特 征尺寸，c m o s 工艺有着非常广阔的发展前景。 为协调各大公司和研究机构i c 工艺研究和设备研制的进展，满足i c 工艺技 术水平发展的需要，美国半导体工业协会( s i a ) 从1 9 9 2 年开始研究并发布半导 体技术发展规则( r o a d m a p ) ，揭示出i c 工艺技术水平今后1 5 年按照摩尔定律 的发展趋势和技术路线。由于美国在世界微电子业的领先地位，这一发展路线对 于微电子装备的技术发展趋势具有重要的参考价值。表1 1 列出了2 0 0 1 年国际半 导体协会( i t r s ) 发布最新的世界i c 工艺技术发展蓝图，值得注意的是，每两年 调整的r o a d m a p 反映出集成电路工艺技术的实际发展正在加速。 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 表1 1 t a b l e l 1 s i a 和i t r s 公布的世界i c 工艺技术发展r o a d m a p 3 1 ( 特征尺寸：u m ) s i aa n di t r sa n n o l | n c e dt h a tt h ew o r l d1 1 2p r o c e s s i n gt e c h n o l o g yd e v e l o p m e n t r o a d m a p 嘲( t h ec h a r a c t e r i s t i cs i z e ：u r n ) 年份年 2 0 0 12 0 0 22 0 0 32 0 0 42 0 0 5 2 0 0 6 2 0 0 72 0 0 82 0 0 92 0 1 02 0 1 12 0 1 22 0 1 32 0 1 4 s i a 9 4 版 0 1 80 1 30 10 0 7 s i a 9 7 版 0 1 50 1 30 10 0 70 0 5 s i a 9 9 版0 1 30 10 0 70 0 50 0 3 5 s i a 2 0 0 1 版0 1 30 10 0 7 0 0 5 0 0 3 5 另外，i c 工艺及其装备递进发展、多代共存，一个时期存在丰富的工艺层次。 在大规模生产前3 - 4 年进行试生产，开始投入规模生产的最先进生产线仅占全部i c 生产线的一小部分，大部分生产线的工艺水平则低一至两代，而低工艺水平的工 艺装备会在较长时间内被继续使用。例如2 0 0 1 年日本和美国开始o 1 0 u m 工艺的 试生产，最先进的规模生产线为o 1 3 u r n 和0 1 8 u r nt 艺水平，约占1 0 ，而6 0 以上的生产线为0 2 5 u r n 和0 3 2 u r n ，其余2 0 多为大于0 5 u r n 工艺的生产线。 不仅如此，同一条生产线上也会同时使用不同工艺水平的装备，例如0 1 0 u m 的生产线上几十道光刻工艺使用数十台光刻机，其中包括o 1 0 u m 、o 1 8 u r n 、o 2 5 u r n 等不同分辨率的光刻机，其比例根据生产要求而有所不同，但其中o 1 0 u m 的光刻 机只占一少部分。 由此可以预测工艺水平及设备需求层次随时间变化的大致发展构图，如表1 2 所示。 表1 2 世界集成电路工艺水平及设备需求层次与装备需求发展预测【3 】( 特征尺寸：t m a ) t a b l e l 2t h ew o r l di n t e g r a t e dc i r c u i tt e c h n o l o g i c a ll e v e l 、t h ee q u i p m e n td e m a n dl e v e la n dt h e e q u i p m e n td e m a n dd e v e l o p m e n tf o r e c a s t s 【3 】( c h a r a c t e r i s t i cs i z e ：u m ) 年愉晖2 0 0 42 0 0 72 0 0 82 0 1 02 0 1 1 2 0 1 32 0 1 4 开始试生产 0 0 70 0 50 0 3 50 0 2 5 开始量产 o 1 00 0 7o 0 50 0 3 5 ( 约1 0 ) 主流生产线 o 2 5 - 0 1 80 1 8 - o 1 3o 1 3 - o 1 00 1 0 - 0 0 7 ( 5 0 以上) 残留生产线 0 5 0 以下0 3 5 以下 0 2 5 以下 0 1 8 以下0 1 3 以下 ( 约2 0 ) 2 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 i c 技术的飞速发展需要先期推出符合i c t 艺要求的商业化i c 制造装备，以实 现i c 制造所需的深亚微米高成品率的超精细微加工。由于i c 核心装备的研发难度 极大，目前只有少数西方发达国家能够提供，并形成美国、日本、欧洲三强鼎立 的局面。2 0 0 0 年统计结果显示，世界前1 0 大i c 装备制造厂商中，美国4 家，日本5 家，欧洲一家( a s m l ) 。随着分辨率的可靠性要求越来越高，光刻机制造难度也 越来越大，光刻机制造厂商全世界目前己只剩三家，即日本的n i k o n 、c a n o n 、和 荷兰的a s m l 。 集成电路超精细微加工工艺包括光刻、刻蚀、氧化、扩散、掺杂、溅射、c m p 等工艺，涉及上百道工序，工艺非常复杂，设备要求极高。其中，实现超微图形 成像的光刻技术一直是推动i c 工艺技术水平发展的核心驱动力。而且，一条集成 电路生产线上光刻机约需3 0 台，其投资占生产线总投资的3 0 以上。因此，光刻机 成为集成电路装备中最为重要的关键装备。 1 3 光刻技术的国内外现状 从2 0 世纪6 0 年代初期的2 0 u m 至t 目前的0 2 5 u m 以下的特征尺寸，光学曝光技术 经历了从接触式曝光、接近式曝光、扫描投影式曝光到目前普遍采用的分步重复 投影式曝光技术。光学光刻与电子束光刻和x 射线光刻相比，具有生产率高、易实 现高的对准和套刻精度、掩模制作相对简单、工艺条件容易掌握及良好的继承性 等优点，在微电子工业中一直处于主力地位。 近年来，采用更大的数值孔径的光刻物镜和进一步缩短曝光波长并结合各种 分辨率增强技术，使光学光刻分辨率得到了很大提高。根据瑞利法则，分辨力的 进一步提高，除了不断增大镜头的数值孔径和缩短曝光波长外，工艺系数的不断 提高也是一个十分重要的因素。在过去的2 0 多年中，曝光波长已从g 线( 4 3 6 n m ) 缩d , n i 线( 3 5 6 n m ) ，进而转向远紫外波长的2 4 8 n m k r f 和1 9 3 n m a r f 准分子激光 光源，更短波长的1 5 7 n mf 2 准分子激光扫描s t e p p e r ( 分步投影光刻机) 正在开发中。 由于以上技术已基本接近其物理极限，因此便提出采用离轴照明( o a i ) 、光学邻 近效应校正( o p c ) 和移相掩模( p s m ) 等分辨力提高技术，使k l 因子得到提高。 它对于在光学光刻的基础上实现更高分辨力图形的曝光控制十分关键。 由于s i a 发展规划的修改，现在业界的专家极力主张采用大数值孔径的2 4 8 n m k r fs t e p p e r 宅e 0 1 8 u m 的基础上向0 1 3 u m 延伸，承担0 1 3 u m 器件曝光的主角，从而 为1 9 3 n m a r fs t e p p e r 留出足够的成熟期使之在2 0 0 3 年的0 1 0 u m 器件的批量生产中 成为主流设备【”。 最早开发曝光1 9 3 n m 准分子激光s t e p p e r 的生产厂家是美国s v g l 公司，该公司 于1 9 9 3 年在m i e r a s c a n i i 型步进扫描机的基础上改装了一台a r f 步进扫描光刻机，扫 3 重庆大学硕士学位论文1 绪论 描像场尺寸2 2 m m 3 2 5 m m ，投影光学系统采用n a 为0 5 的4 倍缩小系统，分辨力为 o 1 5 u r n 。经过近1 0 年的努力，现在1 9 3 n ma r f 准分子激光扫描光刻机在光源、镜头 材料、曝光设备和抗蚀剂方面均已成熟，目前处于工艺完善阶段。 至今，a s m l 、c a n o n 、n i k o n ( s v g l 公司于2 0 0 0 年年底被a s m l 公司兼并) 公司均己推出了可商品化供货的a r f 准分子激光步进扫描光刻机，其数值孔径均在 o 6 0 以上，最高己达0 7 8 ，分辨力多为0 1 5 加1 3 u m ，最高已达0 1 0 u m ，特别是a s m l 最新推出的t w i ns c a na t i1 0 0 b 步进扫描光刻机最具典型，它是a s m l 公司 p a s s 5 5 0 0 l1 0 0 的提高型产品，具有双扫描工作台和5 0 0 k g 的0 7 5 n a 的成像镜头， 可成像8 0 0 亿像素。用一个4 k h z 的a r f 激光光源，两个工作台处理片子，可实现 1 0 0 n m 的线间分辨力和1 3 0 n m 的接触孔阵列分辨力，生产效率达每小时1 4 0 枚 3 0 0 r a m 圆片。每个芯片的成本比目前的2 0 0 m m 圆片曝光设备降低了4 3 ，该机在 2 0 0 1 年年底先于日本的竞争对手发货。 按照美国2 0 0 1 年i t r s 半导体发展规划的目标，2 0 0 7 年将进入6 5 线宽器件的批 量生产。由于光学光刻技术的卓越表现，一次又一次地冲破其加工极限，使得i t r s 发展规划不断的修改。在1 9 9 7 年的发展规划中，1 0 0 n m 光刻被列入2 0 0 6 年光学光刻 之后的下一代光刻技术范畴。至1 j 1 9 9 9 年修订的发展规划中便将1 0 0 n m 列入2 0 0 5 年的 光学光刻( 1 9 3 n m 光刻) 的范畴。继而在2 0 0 0 年修订的i t r s 发展规划中，又将1 0 0 n m 光刻提前到2 0 0 0 年，并将光学光刻延伸到2 0 0 7 年的6 5 n m 技术段的主流光刻技术。 从而可以看出，直蛰j 2 0 0 7 年，光刻技术仍将以光学光刻作为主流的大生产技术已 成定论。 现在，国外几家光刻设备公司均在致力于这种1 5 7 n m 波长的大数值孔径 ( o 7 5 , - - 0 8 0 ) 步进扫描光刻设备的开发，s v g l 公司首先于2 0 0 0 年底推出一台 4 m m * 2 2 m m 视场的样机供抗蚀剂和工艺开发使用，并计划于2 0 0 1 年年底推出一台 全视场1 5 7 n m 步进扫描光刻机，于2 0 0 2 年年底推出其生产型1 5 7 n m 步进扫描光刻 机，a s m l 和c a n o n 两家公司也都在计划于2 0 0 3 年年初和年底分别推出1 5 7 n m 生产 机型和样机。与此同时，可供选择为下一代光刻技术还有极紫外光刻( e u v l ) 、 x 射线光刻、电子束投影光刻、离子束投影光刻等，但从目前各种技术的开发进展 情况来看，由于技术的不成熟和工艺的不兼容性以及光刻成本( c o o ) 等诸多因 素的限制，除i ，外，其它技术在今后相当一段时间内( 5 0n m z 后) 均难以进 入i c 大生产环境【5 1 。在今后的7 0 r i m 以及5 0 n m 技术阶段，1 5 7 n m 波长的光学光刻将 作为主流的生产技术向5 0 n m 过渡，1 3 4 n m 波长的e i i 将在7 0 n m 5 0 n m 技术阶段作 为下一代光刻的替代技术引入i c 器件的制造领域，继而成为5 0 , - , 3 0 r i m 器件曝光的主 流技术。图1 1 所示的光刻机为a s m l 公司较为先进的机型，它能够满足4 0 纳米内 存产品和3 2 纳米逻辑产品的需求，设备的t w i n s e m 平台能够同时进行干法测量以及 4 重庆大学硕士学位论文1 绪论 湿法曝光，产能达n 3 l 片d , 时。设备的曝光波长是1 9 3 r i m ，且数值孔径达到1 3 5 。 图1 1a s m l 的t w i i l s c a n x t ：1 9 0 0 i图1 2s b 6 0 1 型双面光刻机 f i 9 1 1t w i a s c a n x t ：1 9 0 0 i o f a s m l f i 9 1 2 t w o s i d e d m a s ka l i g n e r o f s b - 6 0 1 我国微电子专用设备的研制起步并不晚，国家计委和中科院，信息产业部对 微电子专用设备很重视，给了最大限度的支持，但总的说来，由于投入的财力、 人力和物力不足，研究单位自身和其它因素，微电子专用设备科研成果和样机产 业化十分困难。目前此领域落后于发达国家的先进技术3 4 代，国际上0 2 5 u r n 已进 入大生产，0 1 8 u r n 的处理器大量进入市场，深亚微米设备的攻关工作正加紧进行， 我国目前仅为0 8 - 1 u r n 样机水平，实用机水平的差距达1 5 年，科研水平差距达1 0 年。 中国科学院光电所是中国光刻设备的主要研制机构，承担了分步重复光刻机、 同步辐射x 射线光刻机、接触接近式光刻机、掩模缺陷自动检测仪、掩模缺陷激光 修整仪的研制，他们所承担的0 8 u m 分步重复光刻机已在生产线上通过了工艺考 核，成功地套刻出0 5 u r n 的线条，并通过了国家鉴定。该历实力雄厚，在光刻机研 制方面有配套的实验研究手段，拥有我国一流的“微细加工光学技术国家重点实验 室”。近几年来，该所在总体技术和单元技术方面完成了多项国家和科学院重大成 果，获得多项国家、科学院和省部委重大和重要成果奖。在某些应用课题上取得 了突破性的研究成果。 平凉半导体工艺设备研究所( 4 5 所) 所承担的“八五”攻关任务0 8 l u m 水平的 样机己通过鉴定，用户正在使用。该所已累计生产各种光刻机近2 0 0 台，切片机2 0 0 多台，探针中测台1 4 0 多台。 中科院电工所，该所的微细加工实验室专门从事电子束微细加工技术及设备 的研究。所承担的中科院“八五”重大项目0 3 0 4 u m 电子柬曝光实验装置，完成l a b e 阴极实验，寿命已达至u l o o o d , 时，定位精度土0 1 u m ，拼接精度- t - o 1 u m 。“微米级 电子束曝光机实用化”获中科院科技进步二等奖。 国内曾有4 家从事分步投影光刻机的研究工作，现在坚持下来的只有中科院光 5 重庆大学硕士学位论文1 绪论 电所和信息产业部电子4 5 所。从事电子束曝光机研制工作的只有中科院电工所和 信息产业部电子4 8 所。图1 2 是目前国内较先进的一台光刻机，它采用4 0 0 n m 的曝 光波长，曝光分辨率达到2 u m 。 1 4 曝光技术 一直以来，制约半导体制造工业发展的最关键的技术因素就是曝光技术。作 为半导体制造技术的先导，曝光技术往往是半导体制造技术发展的瓶颈，同时曝 光技术的突破也往往带来半导体制造技术的整体性突破。 当前，世界上主流的曝光技术有光学曝光、电子束曝光、x 射线曝光和离子 束曝光等。 1 4 1 光学曝光 光学曝光可基本划分为掩模对准式曝光与投影式曝光。掩模对准式包括接触 式曝光与接近式曝光。投影式包括l ：1 投影和缩小投影( 通常为5 ：l 缩小) 。缩小 投影曝光系统又称为步进投影曝光机( o p t i c a ls t e p p e r ) 。图1 3 是接触式、接近式、 投影式三种曝光方式的示意图。下面分别介绍这3 种曝光方式的特点。 函舀 【| ) 接触武曝兜【b ) 接近式唪光 ( ) 投影式曝光 图1 3 三种基本光学曝光方式 f i 9 1 3t h r e eb a s i cm e t h o d so f o p t i c a le x p o s u r e 利农 掩模对准式曝光 早期的集成电路制造都采用掩模对准式曝光机( m a s k a l i g n e r ) 。这种曝光方法可 以真实地再现掩模图形，但是它要求掩模必须与光到胶表面完全接触。接触式曝 光( c o n t a o tp 血t i n g ) 又可分为硬接触与软接触曝光。所谓硬接触就是掩模版与涂胶 的硅片通过施加压力的方式来实现完全接触。通过调整压力的大小也可以实现软 6 重庆大学硕士学位论文1 绪论 接触。当然也可以使掩模与胶表面保持一定间隙，成为接近式曝光( p r o x i m i t y p r i n t i n g ) 。这一间隙可以控制在几微米到几十微米。但必须注意，该间隙会影响到 光学成像的质量。掩模间隙与曝光图形保真度之间的关系可以由式( 1 1 ) 表示： w ：k 压 式中：w 是模糊区宽度，或者说是胶平面实际成像尺寸与掩模图形设计尺寸 之差；旯是照明光波长；z 是掩模均放平面的间隙；_ j 是一个与工艺条件有关的参 数。由此可见，若要曝光成像与掩模设计图形尽可能一致，只有减小间隙和缩短 照明波长。 舜片一 鬟 程 簧 2 i m g = o 八 g - s m 广 、l 一 从 j - 1 m k 卯 g = i op u r e ，j 。l 横向足寸，i 岫横向尺寸tr i m 图1 4 掩模对准式曝光中掩模与胶表面间隙对胶表面光强分布的影响 ( 计算机模拟结果) f i 9 1 4 t h ei m p a c to f m a s ka n dp l a s t i cs u r f a c eg a pd i s t r i b u t i o nt ot h el i g h ti n t e n s i t yo nt h e m h 诋o f p l a s t i ci ne x p o s u r em a s kt y p e ( c o m p u t e rs i m u l a t i o n ) 掩模对淮式曝光的成像质量可以通过计算机模拟来显示。图1 4 是不同间隙情 况下胶表面的光强分布。可以看出掩模与胶表面的间隙会造成光强分布的失真， 因此理想的接触式曝光应当是硬接触曝光。但硬接触曝光的致命缺点是掩模的损 伤。这种损伤可能是接触摩擦对铬层的破坏，也可能是部分光刻胶由于硬接触而 7 幽必 j m雌他 专最礴术 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 黏附到掩模版上。总之，早期采用接触式曝光时，光学掩模版的使用寿命极低。 如果是光刻胶黏附污染，则可以通过清洗使掩模版再度可用，但这大大降低了生 产率。 硬接触曝光的缺点可以通过接近式曝光得以克服。由于掩模与硅片没有直接 接触，掩模的寿命大大延长。但正如图1 4 的光强分布所示，掩模与胶表面的间隙 使成像分辨率( i m a g i n gr e s o l u t i o n ) 降低。当然可以把这一间隙尽量减小，但这又带 来另一个问题，这就是硅片本身的平整度( f l a t n e s s ) 偏差会使硅片整体曝光均匀性产 生偏差。通常硅片都有几微米到十几微米的不平整度。如果硅片已经经过前面的 多道工序加工，硅片内会积累内应力，这种内应力会加剧硅片的翘曲( b o w i n g ) 。这 就会使硅片各点与掩模的间隙不均匀，因而使照射到胶表面的光强分布不均匀。 硬接触曝光就不存在这个问题，因为硬接触本身能使硅片保持均匀平整。所以接 近式曝光虽然延长了掩模寿命，但影响了曝光的分辨率与均匀性。掩模对准式曝 光虽然有这些缺点，但这一技术到今天仍有广泛的应用，因为在小批量、科研性 质的以及分辨率要求不高的微细加工中，这种曝光方式具有设备便宜、技术简单 等优点。 图1 5 德国s u s s 公司的m a 6 掩模对准式曝光机 f i 9 1 5 m a s ka h g m n e n tt y p ep h o t oe x p o s u r em a c h i n eo f m a 6 p r o d u c e db ys u s sc o r p o r a t i o ni nc 油l n e f l 掩模对准式曝光机的基本组成包括光源( 通常是汞灯) 、掩模架( m a s kh o l d e r ) 和 硅片台( w a f e rs t a g e ) 。其实最简单的曝光装置只要一个汞灯和一个掩模就可以了。 现代的曝光机越来越复杂，技术含量越来越高。图1 5 是德国s u s s 公司的m a 6 曝光机，它包括了先进的光学照明系统，使汞灯光源的照明准直性与均匀性大大 提高，掩模与硅片的间隙可以精确控制。除了软接触、硬接触之外，还包括了真 8 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 空接触，即通过抽真空的方法使掩模与胶表面接触更严密，从而获得更高的分辨 率。例如s u s s 曝光机在真空接触条件下可达到o 5 u m 的图形分辨率，在硬接触条 件下可达到l u m 的分辨率。掩模对准式曝光机都有先进的对准系统( a l i 弘m e n t ) ， 以实现不同加工层之间的精确对准。对准精度一般可以达到l u r e 误差以内。 投影式曝光 大规模集成电路的生产要求的是大批量，这样才能降低成本。掩模对准式曝 光不能适应这一需要，因而很快就被投影式曝光0 r o j e c t i o nl i t h o g r a p h y ) 取代。投影 式曝光分为1 ：1 投影与缩小投影。1 ：1 投影通过光学成像的方法将掩模图形投影到 硅片表面，图像质量完全取决于光学成像系统，与掩模硅片之间的距离无关，这 样就彻底克服了前面提到的接近式曝光中光学成像不一致的缺点，但1 ：1 成像要求 掩模的图形与硅片上做出的图形一样大小。随着集成电路最小图形尺寸的减小， 使1 ：l 投影曝光的掩模版制作越来越困难。而缩小投影曝光( 5 ：1 缩小) 的掩模图形 尺寸可以是硅片上成像图形的5 倍。这样掩模制作就相对容易得多。因此缩小投 影曝光成为2 0 世纪8 0 年代以来集成电路生产的主要曝光手段。由于缩小曝光可 以将图形场缩小5 倍，这就有可能在一个大面积的硅片上重复曝光多个这样的图 形场( s t e pa n dr e p e a t ) ，因而产生了重复步进式投影曝光机( o p t i c a ls t e p p e r ) 。 投影式曝光的光学分辨率( r ) 取决于照明光波长( 旯) 、光学透镜的数值孔径 ( “) 和工艺条件，如式( 1 2 ) 所示： r ：豇二l( 1 2 ) n a 式中：毛是与工艺条件有关的参数。从光学成像的角度分析，提高分辨率可 以通过减小照明光波长和增加透镜数值孔径来实现。2 0 世纪8 0 年代初，汞灯小的 波长为4 3 6 n m 的光源开始被分离出来单独作为曝光光源，这一光波长通称为g 线 ( g l i n e ) 。g 线光学透镜的数值孔径在2 0 世纪8 0 年代初为0 3 ，到8 0 年代末已 达到0 5 4 。这个时期的曝光系统分辨率已能达到o 6 5 u m t 6 1 。 分辨率只是评价曝光质量的一个方面，另一个重要参数是焦深( d c p mo f f o c u s ， d o f ) ，它相当于照相机的景深。焦深也与照明波长和透镜数值孔径有关，如式( 1 3 ) 所示： 。o f = 如斋 s ， 式中：k 是一个与具体的曝光系统及光刻胶工艺特性有关的常数。由式( 1 3 ) 可见，焦深与数值孔径的平方成反比。单纯地追求分辨率会使焦深大大减低。而 在大规模集成电路生产中的光学曝光，焦深甚至比分辨率更为重要。我们知道大 规模集成电路都是6 - 8 i n ，甚至1 2 i n 直径的硅晶圆( s i l i c o n w a f e r ) 上制作的。这么大 9 重庆大学硕士学位论文i 绪论 的晶圆本身就不可能做到绝对的平整，加之每一道曝光工序都是在前面已经加工 过的晶圆上进行，前道工序已在晶圆表面形成了高低起伏的电路结构形貌 ( t o p o g r a p h y ) 。如果曝光系统的焦深很小，则掩模成像只在很小的高度起伏范围内 才能保证聚焦，超出这一范围就散焦了。 每一层掩模设计都有一个最关键的图形尺寸，通常是最小的图形。这一关键 尺寸称为c r i t i c a ld i m e n s i o n 或c d 。这一c d 只有控制在一定范围内才能使制作的 集成电路有效工作。曝光系统的焦深必须能够保证整个晶圆各点处这一c d 的变化 不超过士1 0 。对于从事科研的人员来说，曝光分辨率也许是唯一重要的参数，因 为只要在某一点或一个小范围内获得最小图形就足够了。但对于大生产而言，分 辨率只有在一定焦深范围内才有意义。所以当2 0 世纪9 0 年代初i 线光源( 波长为 3 6 5 n m ) 弓i 入光学曝光时，其主要目的并不是为了进一步提高分辨率，而是为了增 加焦深。如前所述，g 线光源已经能够实现o 6 5 u r n 的分辨率，但要求透镜的数值 孔径为n a = 0 5 4 ，焦深为士o 7 u m 。采用i 线光源后，仍然是用于0 6 5 u m 的曝光工 艺，但数值孔径降低到0 4 5 ，所得焦深为q - 0 9 u m 。为了获得这零点几个微米的焦 深，当时曝光机工业界必须重新设计制造i 线的光学系统，并开发i 线的光刻胶及 其工艺。可见焦深对大规模集成电路光学曝光是多么重要。2 0 世纪9 0 年代初的集 成电路生产要求曝光系统的焦深范围至少要1 5 u m 。随着晶圆生产工艺的进步，晶 圆平整度大大提高，到1 9 9 7 年这一要求减至小于l u m t ”。因此曝光系统每增加 0 1 u m 的焦深都代表着技术上的一个重大进步。 o 6 5 u m 的c d 相当于1 6 兆位的动态存储器( d r a m ) 。微电子的广泛应用特别 是计算机的飞速发展推动大规模集成电路的发展向下一个目标进军，那就是6 4 兆 位d r a m ，这需要0 3 5 u r n 的集成电路工艺。在当时的技术水平，i 线波长已经不 能胜任这一分辨率的要求。但汞灯光源中更短波长的谱线能量极低，不适用于光 学曝光的光源。由此开发出了利用准分予激光器( e x e i m e rl a s e r ) 作为光的深紫外曝 光( d e e pu vl i t h o g r a p h y ) 技术。准分子激光器可以产个两种波长的光源。一种是采 用化氪( k x f ) 气体产生的2 4 8 n m 波长的光源，另一种是采用氟化氩( a r f ) 气体产生的 1 9 3 r t m 的光源。 采用深紫外光源带来了一系列技术方向的挑战。首先，过去用于i 线与g 线 的石英透镜已不再适用，而要采用氟化钙( c a r 2 ) 晶体作为透镜材料。为了实现小于 o 3 5 u m 的分辨率，透镜的各种像差都必须尽量消除，透镜本身的结构也越来越复 杂。整个透镜系统通常有2 0 _ _ 3 0 个透镜元件。深紫外透镜的总重量可达 7 0 0 b ( 1 b = 4 5 3 5 9 2 岛下同) ，是早期g 线光学透镜重量的1 5 倍。到2 0 世纪9 0 年代 后期，深紫外曝光系统的分辨率已达到0 2 5 u m 。这一代的曝光机已由传统的重复 步进式进化到扫描重复步进式。使单一视场由i 线光学系统的2 01 1 1 1 3 1 * 2 01 1 1 1 1 1 增加 1 0 重庆大学硕士学位论文1 绪论 到2 6 m m * 3 3 m m 。这样就有可能制作像奔腾( p e n t i u m i i i ) 或奔腾这样的大尺寸 c p u 芯片。采用激光干涉仪控制的高精度工作台系统及其他先进技术己能够使不 同曝光层之间的重叠精度( o v e r l a y ) d 、于6 0n m 。当然曝光机的造价也由早期的数十 万美元增加到数百万美元。 1 4 2 电子束曝光1 8 】 电子束曝光是利用高能电子束作为曝光光源的新一代曝光技术。电子束光刻 具有极高的分辨率，甚至可以达到原子量级。由电子束曝光制作的最小尺寸可以 达g f j l 0 - 2 0 r i m ，英国剑桥大学微电子中心利用1 0 0 k v 电子束曝光机制作出1 - 2 r i m 的 单电子器件，电子束光刻由于是无掩模直写型的，因此具有一定的灵活性，可直 接制作各种图形。 电子束曝光机主要有三种：高斯电子柬、矩形电子束、变形电子束。由于电 子束是扫描成像型的，因此它的生产率极低，虽然现在己开始采用单元投影、成 形光刻斑和限角散射电子束投影光刻( s c a l p l e ) 等技术来提高生产率，但还远 未达到光学光刻所能达到的4 0 n l o o 片d , 时的生产率。为了弥补电子束光刻的不 足，目前正在研究光学光刻与电子束光刻的混合匹配曝光技术，即电路的大部分 工艺由光学光刻完成，超精细图形由电子束光刻完成，结合两者的优势，弥补不 足，正是由于这些特性，目前电子束光刻一般用于制作高精度掩模。 1 4 3x 射线曝光【9 】【l o 】 x 射线曝光技术是当今世界主流曝光技术之一，由于没有合适的光学透镜材 料，因此，研究中的x 射线光刻机均采用无投影光学系统的接近式曝光方式。 x 射线曝光系统所用的曝光光源有同步辐射源和激光诱导等离子体发光点源 两种形式。x 射线的同步辐射曝光光源技术已经比较成熟，因此在高性能的x 射 线曝光系统均以同步辐射源作为曝光光源，而以激光诱导等离子体发光点源技术 正在发展之中，并已取得了很大的进展，但性能还不能很好满足曝光系统的需要。 掩模版结构由支撑、透光层和吸收层等部分组成。掩模版制备是x 射线曝光系统中 最重要的关键技术问题，由于采用接近式曝光方式，因此，掩模版图形按1 倍放大 比例设计；同时由于吸收层是淀积在很薄的薄膜上的厚重金属膜，掩模版很容易 因重力作用引起的掩模版图形畸变和损坏。因此，x 射线掩模版的制备技术难度大、 成本高，而且由于容易损坏，使用成本也很高。 x 射线曝光技术实际上已经发展得比较成熟，目前影响其在主流产品制造技术 中应用的主要障碍有两