材料与工艺光刻胶非光学光刻刻湿

1、会计学1材料与工艺光刻胶非光学光刻刻湿材料与工艺光刻胶非光学光刻刻湿 划片划片 金 丝劈加 热 压 焊涤沦膜上画图数字化仪输入CRT显示绘图仪画图DRC改错PG图形发生器初 缩 版精 缩 版人工设计和绘制版图，有利于充分利用芯片面积人工设计和绘制版图，有利于充分利用芯片面积，并能满足多种电路性能要求。但是效率低、周，并能满足多种电路性能要求。但是效率低、周期长、容易出错，特别是不能设计规模很大的电期长、容易出错，特别是不能设计规模很大的电路版图。因此，该方法多用于随机格式的、产量路版图。因此，该方法多用于随机格式的、产量较大的较大的MSI和和LSI或单元库的建立。或单元库的建立。(DRC-设计

2、规则捡查设计规则捡查)n光刻的八个步骤光刻的八个步骤 wafer mask 光源光源 光源光源 5Mask Lens Chuck Table Wafer 光刻光刻曝光曝光刻蚀刻蚀光源光源曝光方式曝光方式 光刻概述光刻概述 评价光刻工艺可用三项主要的标准评价光刻工艺可用三项主要的标准：和和。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）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

3、 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三种光刻方式三种光刻方式正胶：曝光后可溶正胶：曝光后可溶负胶：曝光后不可溶负胶：曝光后不可溶 PAGPAGPAGPAGPAGPAGPAGPAGH+H+H+H+H+H+H+H+H+H+Regi

4、on of unexposed photoresistNeutralized photoresistAcid-catalyzed reaction of exposed resist (post PEB)DevelopmentResist T-topping(d) Result of PEBPACPACPACPACPACPACPACPACPACPACPACPACPACPACPACPACPAC(c) PEB causes PAC diffusion PACPACPACPACPACPACPACPACPACPACPACPACPACPACPACPACPACUnexposed photoresistEx

5、posed photoresist(b) Striations in resistPACPACPACPACPACPACPACPACPACPACPACPACPACPACPACPACPACPACPACPACPACPACPACStanding waves(a) Exposure to UV light XXX Under developIncomplete developCorrectdevelopSevere overdevelopResistSubstrateUVCrosslinksUnexposed resistExposed resist显影时光刻胶会膨胀变形显影时光刻胶会膨胀变形曝光的胶溶

6、解在显影曝光的胶溶解在显影液中液中.Unexposedpositive resistCrosslinked resist Vacuum chuckSpindle connected to spin motorTo vacuum pump(a) 硅片轨道系统硅片轨道系统(b) 喷雾式显影喷雾式显影Figure 15.6 Wafer Transfer SystemLoad stationTransfer station气相成底膜涂胶显影和清洗去边软烘冷板冷板坚膜Wafer stepper (Alignment/Exposure system)(d) 甩干甩干(c) DI H2O 清洗清洗(b) 甩

7、掉多余的显影液甩掉多余的显影液(a) 旋覆浸没式旋覆浸没式滴显影液滴显影液浸没式浸没式 Photoresist正胶正胶130，负胶，负胶150 Photograph courtesy of Advanced Micro Devices, Leica Auto Inspection stationPhoto 15.1 1. Vapor primeHMDS2. Spin coatResist3. Soft bake4. Align and exposeUV lightMask5. Post-exposure bake6. Develop7. Hard bake8. Develop inspectO

8、2PlasmaStrip and cleanRejected wafersPassed wafersIon implantEtchReworkFigure 15.9 Step-and-scan wafer stageStep-and-scan 4 reflection reticleHigh power laserTarget materialEUVPlasmaMultilayer coated mirrors image of reticleVacuum chamberRedrawn from International SEMATECHs Next Generation Lithograp

9、hy Workshop BrochureFigure 15.10 Electron beamStep-and-scan wafer stageElectrostatic lens system(4:1 reduction)Step-and-scan reticle stageVacuum chamberIon beamStep-and-scan wafer stageElectrostatic lens system(4:1 reduction)Vacuum chamberIon sourceMaskReference plateRedrawn from International SEMAT

10、ECHs Next Generation Lithography Workshop BrochureFigure 15.12 10 nm0.1 nm1 nm100 nmMUVDUVHglamp同步加速器同步加速器UV SpectrumEUVSoft X-raysHard X-rays准分子激光器准分子激光器Figure 15.13 X-raysSilicon wafer薄膜玻璃架刻到下层薄膜的窗口镀金度铬图形吸收 X-ray扫描 X-rays 通过类似这种光掩膜版被指向生产硅片.Figure 15.14 Negative photoresistPositive photoresist (DNQ

11、-酚醛树脂)Chemical amplification先进的光刻胶先进的光刻胶顶层表面成像顶层表面成像接触式曝光机G线分步重复光刻机I线分步重复光刻机扫描式光刻机DUV步进扫描光刻机DUV分步重复光刻机EUV步进扫描光刻机SCALPELIPL, X-rayPSM, OAI1970s 10 mm 1.2 mm 0.35 mm 0.40 mm 0.18 mm 2010 0. 1 mm 2000s 0. 13 mm 1 mm 1980s 1990s Figure 15.15 Figure 15.16 Exposed resistUnexposed resistUV(a) Normal exposu

12、re process(d) Final developed patternO2 plasma develop(b) Post exposure bakeCrosslinkedExposedSilylated exposed resist(c) 气相甲硅烷基化作用SiSiHMDS 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，都远大于光源波长时，特征尺寸等，都远大于光源波长时，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光源

13、的波长时，就应该把但是当掩模版上的特征尺寸接近光源的波长时，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。由于衍射的作用，掩模版透光区下方的光强减弱，非透光区下方的光强的作用，掩模版透光区下方的光强减弱，非透光区下方的光强增加，从而影响光刻的分辩率。增加，从而影响光刻的分辩率。 调制传输函数和光学曝光调制传输函数和光学曝光无衍射效应无衍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 无衍射效应时，无衍射效应时，MTF = 1 ；有衍射效应时；有衍射效应时 ，MTF 1 。光栅的周

14、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。 理想光刻胶理想光刻胶：光强不到临界光强：光强不到临界光强 Dcr 时不发生反应，光强时不发生反应，光强超过超过 Dcr 时完全反应，衍射只造成线宽和间距的少量变化。时完全反应，衍射只造成线宽和间距的少量变化。 DcrD100D0 光强不到光强不到 D0 时不发生反应，光强介于时不发生反应，光强介于 D0 和和 D100 之间时发生部分反应，光强超过之间时发生部分

15、反应，光强超过 D100 时完全反应，使线条时完全反应，使线条边缘出现模糊区。在通常的光刻胶中，当边缘出现模糊区。在通常的光刻胶中，当 MTF 0.5 时，图形时，图形不再能被复制。不再能被复制。 光源系统光源系统 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光区。 常用的常用的 紫外光紫外光 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

16、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 g 线（线（436 nm）或或 i 线（线（365 nm）。）。高压汞灯的光谱线高压汞灯的光谱线120100806040200200300 400 500 600Relative Intensity (%)h-line405 nmg-line436 nmi-line365 nmDUV248 nmEmission spectrum of high-intensity mercury lamp 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率的主要因素，所以要

17、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源有使用的深紫外光源有 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、掩模与透镜材料、掩模与透镜材料 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，掩模。波长越短，掩模与透镜材料对光能的吸收就严重，造成曝光效

18、率降低和掩模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模与透镜发热。透镜发热。 各种光学曝光光源的使用情况各种光学曝光光源的使用情况 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 mm 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 mm 左右。从左右。从 1990 年开年开始出现始出现 DVU 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 mm 左右。从左右。从1

19、992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 线光刻机线光刻机 。截止到。截止到 1998 年年 ，g 线、线、i 线和线和 DVU 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。7.5 接触式与接近式光刻机接触式与接近式光刻机 SiU. V.MaskP. R.SiO2 设备简单；理论上设备简单；理论上 MTF 可达到可达到 1，因此分辨率比较，因此分辨率比较高，约高，约 0.5 m mm。 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。 g = 10 50 m m

20、m 掩模寿命长（可提高掩模寿命长（可提高 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 。投影式光刻机投影式光刻机式中，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 为镜头的为镜头的 ， 投影式光刻机的分辨率由投影式光刻机的分辨率由 给出，

21、即给出，即min1WkNA一、分辨率与焦深一、分辨率与焦深n 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，但却受到可以提高分辨率，但却受到 的限制。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。 焦深焦深 代表当硅

22、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 雷利第二公式雷利第二公式 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， 掩模掩模硅硅片片反射凹镜反射凹镜反射凸镜反射凸镜光源光源 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。

23、 3、曝光效率较高。、曝光效率较高。缺点缺点 数值孔径数值孔径 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。 随着线宽的不断减小和晶片直径的增大，随着线宽的不断减小和晶片直径的增大，、越来越严重。为解决这些问题，开发越来越严重。为解决这些问题，开发出了分步重复缩小投影曝光机（出了分步重复缩小投影曝光机（ Direct Step on the Wafer ，简称简称 DSW，Stepper）。早期采用）。早期采用 10 : 1 缩小，现在更常用的缩小，现在更常用的是是 5 : 1 或或 4 : 1。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UV lightReti

24、cle field size20 mm 15mm,4 die per field5:1 reduction lensWafer图形曝光在硅片上是投影掩膜版上视场的1/5 4 mm 3 mm,4 die 每次曝光曲折的步进图形 缺点缺点 1、曝光效率低；、曝光效率低； 2、设备复杂、昂贵。、设备复杂、昂贵。 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

25、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 0.13 m mm ，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。 先进掩模概念先进掩模概念 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

26、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。的使用寿命，减少芯片上的缺陷。二、抗反射膜二、抗反射膜 光线在掩模版和透镜表面的部分反射会使光能受到损失。光线在掩模版和透镜表面的部分反射会使光能受到损失。有些光线经多次反射后会打到硅片上，使图形

27、质量受到影响。有些光线经多次反射后会打到硅片上，使图形质量受到影响。为了减小这个问题，一种新掩模技术采用在掩模版靠近镜头的为了减小这个问题，一种新掩模技术采用在掩模版靠近镜头的一面加上一面加上 10% 的抗反射剂。的抗反射剂。 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

28、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 相移掩模相移掩模技术技术 等等 超分辨率技术超分辨率技术 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入了 亚波长亚波长 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 0.25 m mm 和和 0.10 m mm，同时也使，同时也使 X 射线光刻机

29、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。 除了相移掩模技术外，超分辨率技术还包括除了相移掩模技术外，超分辨率技术还包括 光学邻近效应光学邻近效应修正技术修正技术 和和 双层及多层光刻胶技术双层及多层光刻胶技术 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

30、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。掩模版掩模版掩模处的光幅度掩模处的光幅度衬底处的光幅度衬底处的光幅度衬底处的光强度衬底处的光强度相移掩模相移掩模普通掩模普通掩模 边缘相移掩模技术边缘相移掩模技术 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

31、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

32、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。

33、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。表面反射和驻波表面反射和驻波 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侧面会将光反射到非曝硅片表面倾斜的台阶侧面会将光反射到非曝光区。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

34、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 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。 对准对准 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

35、模集成电路制造对光刻对准的规定是，对准误差应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 mm 的膨胀，掩模的温度变化

36、必须控制在的膨胀，掩模的温度变化必须控制在 0.75 C 左右。左右。小结小结 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 mm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

37、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 mm的的线宽，预期可达到线宽，预期可达到 0.10 m mm ，甚至达到，甚至达到 0.07 m mm 。光学曝光的各种曝光方式及其利弊小结光学曝光的各种曝光方式及其利弊小结接接触触式式非非接接触触式式优点：设备简单，分辨率较高优点：

38、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 光刻胶光刻胶 一、光刻胶的类型一、光刻胶的类型 凡是在能量束（光束、电子束

39、、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，简称 。 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，简称 。光刻胶的类型光刻胶的类型 光刻胶也称为光刻胶也称为 光致抗蚀剂光致抗蚀剂（Photoresist，P. R.）。）。 灵敏度的定义灵敏度的定义 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

40、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。 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。光刻胶的特性光刻胶的特性 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）未反应的归一化膜厚未反应的归一化膜厚D100 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，

41、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。因此对于小尺寸曝光区，必须满足NN %10NN100minN2minminminmin()10SWNqqNqWSS 光刻工艺中影响分辨率的因素有：光刻工艺中影响分辨率的因素有：和和 （包括灵敏度、对比度、颗粒的大小、显影时的溶胀、（包括灵敏度、对比度、颗粒的大小、显影时的溶胀、电子散射等）。电子散射等）。通常正胶的分辨率要高于负胶。通常正胶的分辨率要高于负胶。式中

42、，式中，Wmin 为最小尺寸，即分辨率。可见，为最小尺寸，即分辨率。可见， 例如，负性电子束光刻胶例如，负性电子束光刻胶 COP 的的 S = 0.310 -6C/ /cm2，则，则其其 Wmin = 0.073 m mm 。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 mm 。 minmin10qNqWSS 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

43、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，这样有助于得到清晰的图形轮廓和高的分辨率。一般光刻胶的这样有助于得到清晰的图形轮廓和高的分辨率。一般光刻胶的对比度在对比度在 0.9 2.0 之间。对于亚微米图形，要求对比度大于之间。对于亚微米图形，要求对比度大于 1。 11000lgDDD0D100 对比度的定义为对比度的定义为 光进入光刻胶后，其强度按下式衰减光进入光刻胶后，其强度按下式衰减 0( )ezI zI式中，式中，为光刻胶的光吸收系数。设为光刻胶的光吸收系数。设 TR 为光刻胶的厚度，则可为光刻胶的厚度，则可定义

44、光刻胶的定义光刻胶的 光吸收率光吸收率为为RR000RR( ) d1 e1TTII zzAI TT 可以证明，对比度与光吸收系数可以证明，对比度与光吸收系数及光刻胶厚度及光刻胶厚度 TR 之间之间有如下关系有如下关系 R1T减小光吸收系数与胶膜厚度有利于提高对比度。减小光吸收系数与胶膜厚度有利于提高对比度。 一个与对比度有关的光刻胶性能指标是一个与对比度有关的光刻胶性能指标是 ，它代表在光刻胶上获得能被分辨的图形所必须的最小，它代表在光刻胶上获得能被分辨的图形所必须的最小调制传输函数，其定义为调制传输函数，其定义为 10001000CMTFDDDD11101CMTF101 利用对比度的公式，可

45、得利用对比度的公式，可得 CMTF 的典型值为的典型值为 0.4。如果光学系统的。如果光学系统的 MTF 小于小于 CMTF，则其图像就不能被分辨；如果光学系统的则其图像就不能被分辨；如果光学系统的 MTF 大于大于 CMTF，就，就有可能被分辨。有可能被分辨。临界调制传输函数临界调制传输函数 光刻胶材料光刻胶材料 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

46、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。正胶的主要优点是分辨率高，缺点是系列。正胶的主要优点是分辨率高，缺点是灵敏度、耐刻蚀性和附着性等较差。灵敏度、耐刻蚀性和附着性等较差。 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：

47、灵敏度 0.3 0.4 m mC/cm2（加速电压（加速电压 10KV 时）、分辨率时）、分辨率 1.0 m mm 、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 m mC/cm2（加速电（加速电压压 20 KV 时）、分辨率时）、分辨率 0.1 m mm 、对比度、对比度 2 3 。 PMMA 胶的胶的主要

48、优点是分辨率高。主要缺点是灵敏度低，此外在高温下易主要优点是分辨率高。主要缺点是灵敏度低，此外在高温下易流动，耐干法刻蚀性差。流动，耐干法刻蚀性差。 正胶的典型反应正胶的典型反应 一、光化学反应一、光化学反应 化学反应速度化学反应速度 k 可表示为可表示为AexpEkART 感光物质的电子在未曝光时处于基态感光物质的电子在未曝光时处于基态 S0 ，基态的反应激，基态的反应激活能活能 EA 大大 ，因此反应慢。曝光后，感光物质的电子处于激发，因此反应慢。曝光后，感光物质的电子处于激发态态 S1 、S2 、S3 等，等， 激发态的激发态的 EA 小，因此反应变快。小，因此反应变快。式中，式中，A

49、、R 为常数，为常数，T 为绝对温度，为绝对温度，EA 为化学反应激活能，为化学反应激活能，随电子状态的不同而不同。随电子状态的不同而不同。EA 越小，则在同样的温度下反应越小，则在同样的温度下反应速度越快。速度越快。 可以借助于感光物质的势能曲线来讨论光化学反应。下图可以借助于感光物质的势能曲线来讨论光化学反应。下图是重氮基萘的是重氮基萘的 RN - N2 切断反应的势能曲线。切断反应的势能曲线。S0S1S2S3T188Kcal72KcalEA(S1) = 16KcalEA(S0) = 38KcalRN 与与 N2 的间距的间距势势能能 感光分子吸收感光分子吸收 = 365 nm 的光能（的

50、光能（ 72 Kcal ）后）后 ，电子从，电子从基态基态 S0 跃迁到第一激发态跃迁到第一激发态 S1 ，激活能由，激活能由 EA(S0) = 38 Kcal 降为降为 EA(S1) = 16 Kcal ，反应速度加快。，反应速度加快。 感光分子吸收感光分子吸收 = 300 nm 的光能（的光能（88 Kcal）后，电子跃迁）后，电子跃迁到第二激发态到第二激发态 S2 ，此态的谷底势能恰好与，此态的谷底势能恰好与 S1 态当态当 RN - N2 分解分解时的势能相当，且时的势能相当，且 S2 与与 S1 态的曲线在图左侧有相交之处，因此态的曲线在图左侧有相交之处，因此电子可从电子可从 S2

51、态跃迁到态跃迁到 S1 态并立即反应。所以用态并立即反应。所以用 = 300 nm 的光的光曝光比用曝光比用 = 365 nm 的反应速度快。的反应速度快。 在重氮基萘中还存在着三重态在重氮基萘中还存在着三重态 T1 。由。由 T1 态的曲线可见态的曲线可见 ，RN-N2 的距离越远，分子的势能越低，所以处于的距离越远，分子的势能越低，所以处于 T1 态的分子将态的分子将立即发生反应而不需激活能。由于立即发生反应而不需激活能。由于 T1 态曲线与所有单重激发态态曲线与所有单重激发态的曲线在谷底附近相交，所以进入单重激发态的电子还可以通的曲线在谷底附近相交，所以进入单重激发态的电子还可以通过向过

52、向 T1 态跃迁而使感光物分子立即发生化学反应，从而使反应态跃迁而使感光物分子立即发生化学反应，从而使反应速度大大加快。这种作用称为速度大大加快。这种作用称为 “三重态增感三重态增感” 。T1 光刻胶的涂敷和显影光刻胶的涂敷和显影 本节简要介绍光刻工艺中除曝光与刻蚀以外的工序。本节简要介绍光刻工艺中除曝光与刻蚀以外的工序。 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）

53、，），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，也可采用旋涂法。也可采用旋涂法。 3、涂胶、涂胶 一般采用旋涂法。涂胶的关键是控制胶膜的厚度与膜厚的一般采用旋涂法。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。3) 甩掉多余的胶4) 溶剂挥发1) 滴胶2) 加速旋转 4、前烘（软烘）、前烘（软烘） 目的是目的是增强光刻胶与硅片的粘附性，增强光刻胶与硅片的粘附性，去除光刻胶中的大部去除光刻胶中的大部分溶剂，促进光刻胶的均匀性和稳定性。分溶剂，促进光

54、刻胶的均匀性和稳定性。 5、曝光、曝光 6、曝光后的烘焙、曝光后的烘焙 对紫外线曝光可不进行，但对深紫外线曝光则必须进行。对紫外线曝光可不进行，但对深紫外线曝光则必须进行。7 、显影、显影 将曝光后的硅片用显影液浸泡或喷雾处理。对负胶，显影将曝光后的硅片用显影液浸泡或喷雾处理。对负胶，显影液将溶解掉未曝光区的胶膜；对正胶，显影液将溶解曝光区的液将溶解掉未曝光区的胶膜；对正胶，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胶膜。几乎所有的正胶都使用碱性显影液，如液，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

55、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。显影过程有可能影响光刻胶的显影过程对温度非常敏感。显影过程有可能影响光刻胶的对比度，从而影响光刻胶的剖面形状。对比度，从而影响光刻胶的剖面形状。显影后必须进行严格的检查，如有缺陷则必须返工。显影后必须进行严格的检查，如有缺陷则必须返工。自动显影检查设备自动显影检查设备 10、去胶、去胶 9、刻蚀、刻蚀 8、后烘（硬烘、坚膜）、后烘（硬烘、坚膜） 目的是使胶膜硬化，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。 在选择光刻胶时，必须考虑它的吸收谱，以及在特定

56、波长在选择光刻胶时，必须考虑它的吸收谱，以及在特定波长下的光学吸收系数下的光学吸收系数。 还要考虑基体材料对光的吸收。例如酚醛树脂就对深紫外还要考虑基体材料对光的吸收。例如酚醛树脂就对深紫外光有很强的吸收。被基体材料吸收的光到达不了感光化合物，光有很强的吸收。被基体材料吸收的光到达不了感光化合物，从而影响光刻胶的灵敏度。从而影响光刻胶的灵敏度。0( )ezI zI可知，当可知，当太大时，则只有光刻胶的顶部能被有效曝光；当太大时，则只有光刻胶的顶部能被有效曝光；当太太小时，则由于吸收太少而需要长时间的曝光。小时，则由于吸收太少而需要长时间的曝光。由下式由下式 当硅片表面凹凸不平时，遇到的第一个问

57、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。 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

58、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 双层光刻胶技术双层光刻胶技术，这也是所谓，这也是所谓 的组成部分。的组成部分。顶层胶：含硅，厚约顶层胶：含硅，厚约 0.25 m mm 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 mm 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 mm 0.12 m mm

59、宽的线条。宽的线条。用用 CF4 RIE 法刻蚀掉法刻蚀掉 0.23 m mm 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。小结小结 本章首先介绍了光刻胶的类型与特性，重点讨论了光刻胶本章首先介绍了光刻胶的类型与特性，重点讨论了光刻胶的灵敏度、分辨率、对比度及其相互关系。通过正胶的典型反的灵敏度、分辨率、对比度及其相互关系。通过正胶的典型反应和势能曲线，说明了光刻胶的光化学反应过程和增感作用。应和势能曲线，说明了光刻胶的光化学反应过程和增感作用。介绍了涉及光刻胶的工艺步骤。最后介绍了双层光刻胶技术。介绍了涉及光刻胶的工艺步骤。最后介绍了双层光刻胶技术。

60、光刻胶的光刻胶的 D0 = 40mJ/cm2，D100 = 85mJ/cm2，试计，试计算这算这光刻胶的对比度与光刻胶的对比度与 CMTF。当这。当这光刻胶的厚度减薄一光刻胶的厚度减薄一半时，其半时，其 D100 减到减到 70mJ/cm2，而，而 D0 则不变，这时其对比度变则不变，这时其对比度变为多少？为多少？设某设某电子束光刻胶的灵敏度电子束光刻胶的灵敏度 S = 0.3 m mC/cm2 ，这意味着，这意味着在在( 0.01 m mm )2 的面积上只需多少个电子照射？在的面积上只需多少个电子照射？在 ( Wmin )2 的面的面积上又需多少个电子照射？这个结果对提高光刻胶的灵敏度和积