SOC材料工艺2(光刻胶非光学光刻刻湿

1、前部工序的主要工艺前部工序的主要工艺 3.8 晶圆处理制程（晶圆处理制程（wafer fabrication；简称；简称 wafer fab） 1. 图形转换：图形转换：将设计在掩膜版将设计在掩膜版(类似于照相底片类似于照相底片)上的图形转移到半导体单上的图形转移到半导体单 晶片上晶片上 a.光刻（光刻（接触光刻、接近光刻、投影光刻、电子束光刻）接触光刻、接近光刻、投影光刻、电子束光刻） b.刻蚀技术刻蚀技术(湿法刻蚀、干法刻蚀）湿法刻蚀、干法刻蚀） 2. 掺杂：掺杂：根据设计的需要，将各种杂质掺杂在需要的位置上，形成晶体根据设计的需要，将各种杂质掺杂在需要的位置上，形成晶体 管、接触等管、接

2、触等 a. a. 扩散扩散 b. b. 离子注入离子注入 c. c. 退火退火 3. 制膜：制膜：制作各种材料的薄膜制作各种材料的薄膜 a. 氧化：干氧氧化、湿氧氧化等氧化：干氧氧化、湿氧氧化等 b. cvd：apcvd、lpcvd、pecvd c. pvd：蒸发、溅射：蒸发、溅射 三、后部封装三、后部封装 （在另外厂房）（在另外厂房）（1）背面减薄）背面减薄（2）划片、掰片）划片、掰片（3）粘片）粘片（4）压焊：金丝球焊）压焊：金丝球焊（5）切筋）切筋（6）整形）整形（7）封装）封装（8）沾锡：保证管脚的电学接触）沾锡：保证管脚的电学接触（9）老化）老化（10）成测）成测（11）打字、包装）

3、打字、包装 划片划片 金 丝劈加 热 压 焊半导体制造过程半导体制造过程后段后段（back end） -后工序后工序构装构装（packaging）：）：ic构装依使用材料可分为构装依使用材料可分为陶瓷（陶瓷（ceramic）及塑料（）及塑料（plastic）两种，）两种，而目前商业应用上则以塑料构裝为主。以塑料而目前商业应用上则以塑料构裝为主。以塑料构装中打线接合为例，其步骤依序为晶片切割构装中打线接合为例，其步骤依序为晶片切割（die saw）、黏晶（）、黏晶（die mount / die bond）、焊线（）、焊线（wire bond）、封膠）、封膠（mold）、剪切）、剪切/成形（成形

4、（trim / form）、）、印字（印字（mark）、电镀（）、电镀（plating）及检验）及检验（inspection）等。）等。测试制程测试制程（initial test and final test） 基本的集成电路加工基本的集成电路加工工艺工艺 在计算机及其在计算机及其vlsi设计系统上设计完成的集成电路版设计系统上设计完成的集成电路版图还只是一些图像或和数据，在将设计结果送到工艺线上图还只是一些图像或和数据，在将设计结果送到工艺线上实验时，还必须经过一个重要的中间环节：实验时，还必须经过一个重要的中间环节：制版制版。所以，。所以，在介绍基本的集成电路加工工艺之前，先简要地介绍集成

5、在介绍基本的集成电路加工工艺之前，先简要地介绍集成电路加工的掩模电路加工的掩模(masks)及其制造。及其制造。 通常我们看到的器件版图是一组复合图，这个复合图通常我们看到的器件版图是一组复合图，这个复合图实际上是由若干个分层图形叠合而成，这个过程和印刷技实际上是由若干个分层图形叠合而成，这个过程和印刷技术中的套印技术非常相像。术中的套印技术非常相像。 制版的目的就是产生一套分层的版图掩模，制版的目的就是产生一套分层的版图掩模，为将来进行图形转移，即将设计的版图转移到为将来进行图形转移，即将设计的版图转移到硅片上去做准备。硅片上去做准备。 制版是通过制版是通过图形发生器图形发生器完成图形的缩小

6、和完成图形的缩小和重复。在设计完成集成电路的版图以后，设计重复。在设计完成集成电路的版图以后，设计者得到的是一组标准的制版数据，将这组数据者得到的是一组标准的制版数据，将这组数据传送给图形发生器传送给图形发生器(一种制版设备一种制版设备)，图形发生，图形发生器（器（pg-pattern generator）根据数据，将设）根据数据，将设计的版图结果分层的转移到掩模版上计的版图结果分层的转移到掩模版上(掩模版掩模版为涂有感光材料的优质玻璃板为涂有感光材料的优质玻璃板)，这个过程叫，这个过程叫初缩初缩。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

7、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、周期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路长、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、产量较版图。因此，该方法多用于随机格式的、产量较大的大的msi和和lsi或单元库的建立。或单元库的建立。(drc-设计规则捡查设计规则捡查) 在获得分层的初缩版后，再通过分步重在获得分层的初缩版后，再通过分步重复技术，在最终的掩模版上产生具有一定行复技术，在最终的掩模版上产生具有一定行数和列数的重复图形阵列，这样，

8、在将来制数和列数的重复图形阵列，这样，在将来制作的每一个硅圆片作的每一个硅圆片(wafer)上将有若干个集成上将有若干个集成电路芯片。通过这样的制版过程，就产生了电路芯片。通过这样的制版过程，就产生了若干块的集成电路分层掩模版。通常，一套若干块的集成电路分层掩模版。通常，一套掩模版有十儿块分层掩模版。集成电路的加掩模版有十儿块分层掩模版。集成电路的加工过程的复杂程度和制作周期在很大程度上工过程的复杂程度和制作周期在很大程度上与掩模版的多少有关。与掩模版的多少有关。 集成电路的加工工艺过程是由若干单项集成电路的加工工艺过程是由若干单项加工工艺组合而成。下面将分别介绍这些单加工工艺组合而成。下面将

9、分别介绍这些单项加工工艺。项加工工艺。1光刻与刻蚀工艺光刻与刻蚀工艺 光刻是加工集成电路微图形结构的关键工艺技术，通光刻是加工集成电路微图形结构的关键工艺技术，通常，光刻次数越多，就意味着工艺越复杂。另常，光刻次数越多，就意味着工艺越复杂。另方面，光方面，光刻所能加工的线条越细，意味着工艺线水平越高。光刻工刻所能加工的线条越细，意味着工艺线水平越高。光刻工艺是完成在整个硅片上进行开窗的工作。艺是完成在整个硅片上进行开窗的工作。 光刻技术类似于照片的印相技术，所不同的是，相纸光刻技术类似于照片的印相技术，所不同的是，相纸上有感光材料，而硅片上的感光材料上有感光材料，而硅片上的感光材料-光刻胶光刻

10、胶是通过旋涂是通过旋涂技术在工艺中后加工的。光刻掩模相当于照相底片，一定技术在工艺中后加工的。光刻掩模相当于照相底片，一定的波长的光线通过这个的波长的光线通过这个“底片底片”，在光刻胶上形成与，在光刻胶上形成与掩模掩模版版（光罩）图形相反的感光区，然后进行显影、定影、坚（光罩）图形相反的感光区，然后进行显影、定影、坚膜等步骤，在光刻胶膜上有的区域被溶解掉，有的区域保膜等步骤，在光刻胶膜上有的区域被溶解掉，有的区域保留下来，形成了版图图形。留下来，形成了版图图形。光刻光刻 (photolithography & etching)(photolithography & etchin

11、g)过程如下：过程如下：1 1涂光刻胶涂光刻胶2 2掩膜对准掩膜对准3 3曝光曝光4 4显影显影5 5刻蚀：采用干法刻蚀（刻蚀：采用干法刻蚀（dry etchingdry etching）6 6去胶：化学方法及干法去胶去胶：化学方法及干法去胶 (1)(1)丙酮中，然后用无水乙醇丙酮中，然后用无水乙醇 (2)(2)发烟硝酸发烟硝酸 (3)(3)等离子体的干法刻蚀技术等离子体的干法刻蚀技术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

12、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 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 离子束离子束几种常见的光刻方法接触式光刻：接触式光刻：分辨率较高，但是容易造成掩膜版和分辨率较高

13、，但是容易造成掩膜版和 光刻胶膜的损伤。光刻胶膜的损伤。接近式曝光：接近式曝光：在硅片和掩膜版之间有一个很小的间在硅片和掩膜版之间有一个很小的间 隙隙(1025 m)，可以大大减小掩膜，可以大大减小掩膜 版的损伤，分辨率较低版的损伤，分辨率较低投影式曝光投影式曝光：利用透镜或反射镜将掩膜版上的图形：利用透镜或反射镜将掩膜版上的图形 投影到衬底上的曝光方法，目前用的投影到衬底上的曝光方法，目前用的 最多的曝光方式最多的曝光方式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

14、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 光刻三要素：光刻三要素：光刻胶、掩膜版和光刻机光刻胶、掩膜版和光刻机 光刻胶又叫光刻胶又叫光致抗蚀剂光致抗蚀剂，它是由光敏化合物、基体树，它是由光敏化合物、基体树脂和有机溶剂等混合而成的胶状液体脂和有机溶剂等混合而成的胶状液体 光刻胶受到特定波长光线的作用后，导致其化学结构光刻胶受到特定波长光线的作用后，导致其化学结构发生变化，使光刻胶在某种特定溶液中的溶解特性改发生变化，使光刻胶在某种特定溶液中的溶解特性改变变 正胶：正胶：分辨率高，在超大规模集成电路工艺中，一般只分辨率高，在超

15、大规模集成电路工艺中，一般只 采用正胶采用正胶 负胶：负胶：分辨率差，适于加工线宽分辨率差，适于加工线宽3 m的线条的线条正胶：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 曝光后烘焙曝光后烘焙 duv曝光后烘焙曝光后烘焙 温度均匀性温度均匀性 曝光后烘焙曝光后烘焙 延迟（表层不溶延迟（表层不溶的阻止层）的阻止层） i-line曝光后烘焙曝光后烘焙 目的：减少驻波效应目的：减少驻波效应 duv胶的胺污染引胶的胺污染引起的起的 “t-top”pagpagpagpagpagpagpagpagh+h+h+h+h+h+h+h+h+h+region of unexposed photo

16、resistneutralized photoresistacid-catalyzed reaction of exposed resist (post peb)developmentresist t-topping曝光后烘焙引起驻波减少曝光后烘焙引起驻波减少(d) result of pebpacpacpacpacpacpacpacpacpacpacpacpacpacpacpacpacpac(c) peb causes pac diffusion pacpacpacpacpacpacpacpacpacpacpacpacpacpacpacpacpacunexposed photoresiste

17、xposed photoresist(b) striations in resistpacpacpacpacpacpacpacpacpacpacpacpacpacpacpacpacpacpacpacpacpacpacpacstanding waves(a) exposure to uv light 显影显影 负胶负胶 正胶正胶 显影方法显影方法 胶显影参数胶显影参数 胶显影出现的各种现象xxx under developincomplete developcorrectdevelopsevere overdevelopresistsubstrate负胶交联负胶交联uvcrosslinksune

18、xposed resistexposed resist显影时光刻胶会膨胀变形显影时光刻胶会膨胀变形正胶显影正胶显影曝光的胶溶解在显影曝光的胶溶解在显影液中液中.unexposedpositive resistcrosslinked resist显影方法显影方法 连续喷雾显影连续喷雾显影 旋覆浸没显影旋覆浸没显影 连续喷雾光刻胶显影连续喷雾光刻胶显影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

19、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)旋覆浸没光刻胶显影旋覆浸没光刻胶显影(d) 甩干甩干(c) di h2o 清洗清洗(b) 甩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胶显影参数胶显影参数 显影温度显影温度 1525c 显影时间显影时间 显影液用量显影液用量 当量浓度当量浓度 清洗清洗 排风排风 硅片吸盘硅片吸盘 坚膜 坚膜特点坚膜特点: 显影后曝光显影后曝光 蒸发显影液中的溶剂蒸发显影液中的溶剂 使光刻胶变硬使光

20、刻胶变硬 增加光刻胶与硅片的粘附性增加光刻胶与硅片的粘附性 为下一步工艺准备为下一步工艺准备 比软烘的温度高，但不能使光刻胶变形比软烘的温度高，但不能使光刻胶变形 用用 deep uv坚膜坚膜 高温下变软的光刻胶流动高温下变软的光刻胶流动photoresist正胶正胶130，负胶，负胶150显影后检查显影后检查 查找缺陷查找缺陷 在腐蚀或离子注入前检查在腐蚀或离子注入前检查 prevents scrap 检查光刻工艺的好坏检查光刻工艺的好坏 硅片返工硅片返工 自动显影检查设备photograph courtesy of advanced micro devices, leica auto in

21、spection stationphoto 15.1 光刻、显影检查及返工流程光刻、显影检查及返工流程1. vapor primehmds2. spin coatresist3. soft bake4. align and exposeuv lightmask5. post-exposure bake6. develop7. hard bake8. develop inspecto2plasmastrip and cleanrejected waferspassed wafersion implantetchreworkfigure 15.9 先进的光刻工艺先进的光刻工艺（非光学光刻）（非光学

22、光刻） 下一代光刻下一代光刻 极紫外极紫外 (euv) 角度限制投影电子束光刻角度限制投影电子束光刻scalpel 离子束投影离子束投影ion projection lithography (ipl) x-ray 先进的光刻胶工艺先进的光刻胶工艺 发展的方向（正胶、化学放大发展的方向（正胶、化学放大duv） desire 扩散增强甲硅烷基光刻胶工艺扩散增强甲硅烷基光刻胶工艺 光刻技术的改进光刻技术的改进极紫外光刻技术示意图极紫外光刻技术示意图step-and-scan wafer stagestep-and-scan 4 reflection reticlehigh power laserta

23、rget materialeuvplasmamultilayer coated mirrors image of reticlevacuum chamberredrawn from international sematechs next generation lithography workshop brochurefigure 15.10 scalpel示意图示意图electron beamstep-and-scan wafer stageelectrostatic lens system(4:1 reduction)step-and-scan reticle stagevacuum ch

24、amberion beamstep-and-scan wafer stageelectrostatic lens system(4:1 reduction)vacuum chamberion sourcemaskreference plate离子束投影redrawn from international sematechs next generation lithography workshop brochurefigure 15.12 x-ray 光谱10 nm0.1 nm1 nm100 nmmuvduvhglamp同步加速器同步加速器uv spectrumeuvsoft x-rayshar

25、d x-rays准分子激光器准分子激光器figure 15.13 x-ray 掩膜示意图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 mos器件中的辐射损伤器件中的辐射损伤光刻胶及光刻的发展光刻胶及光刻的发展negative photoresistpositive photoresist (dnq-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

26、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 m 1.2 m 0.35 m 0.40 m 0.18 m 2010 0. 1 m 2000s 0. 13 m 1 m 1980s 1990s figure 15.15 顶层表面成像顶层表面成像figure 15.16 exposed resistunexposed resistuv(a) normal exposure process(d) final developed patterno2 plasma develop(b) post exposure bakecrossl

27、inkedexposedsilylated exposed resist(c) 气相甲硅烷基化作用sisihmds附：掩膜版的构造及质量要求 1.每个微小图形要有高的图像质量每个微小图形要有高的图像质量 2. 图形边缘清晰、锐利、无毛刺图形边缘清晰、锐利、无毛刺 3.整套掩膜版能够很好对准整套掩膜版能够很好对准 4. 图形与衬底要有足够的反差图形与衬底要有足够的反差 5.掩膜尽量无针孔、小岛和划痕掩膜尽量无针孔、小岛和划痕 6. 版面平整、光洁、坚固耐磨版面平整、光洁、坚固耐磨新光刻技术新光刻技术 在在2003版的版的国际半导体技术蓝图国际半导体技术蓝图中，增加了一个可中，增加了一个可能解决方

28、案能解决方案浸入式光刻（浸入式光刻（immersion lithography），），2004年年12月，月，国际半导体技术蓝图国际半导体技术蓝图编委会发行了编委会发行了国际半导体技术蓝图国际半导体技术蓝图修订版，其中光刻一章在可能解修订版，其中光刻一章在可能解决方案表中又给出了一些显著的变化，把决方案表中又给出了一些显著的变化，把193纳米光刻纳米光刻（非浸入式）扩展到（非浸入式）扩展到90纳米节点，并且撤消了离子投影光纳米节点，并且撤消了离子投影光刻和近接刻和近接x射线光刻。而在射线光刻。而在2005年的蓝图中，浸入式光刻年的蓝图中，浸入式光刻继续着其既有的发展态势，作为继续着其既有的发展

29、态势，作为2007年达到年达到65nm、2010年达到年达到45nm、2013年达到年达到32nm和和2016年达到年达到22nm节节点的关键技术。点的关键技术。 浸入式光刻是指在曝光镜头和硅片之间充满水（或液体）浸入式光刻是指在曝光镜头和硅片之间充满水（或液体）而不是空气。对于而不是空气。对于193纳米光刻来说，水是最佳液体。但纳米光刻来说，水是最佳液体。但浸入式光刻技术仍有很多不确定性，如对置于水中的硅片浸入式光刻技术仍有很多不确定性，如对置于水中的硅片和光刻性能带来的影响，磨料中水吸附如何进行和光刻性能带来的影响，磨料中水吸附如何进行cd控制、控制、模样外形控制等。模样外形控制等。光刻工

30、艺的发展光刻工艺的发展7070年代年代的光刻只能加工的光刻只能加工3 35m5m线宽，线宽，4“4“5” wafer5” wafer。那时的。那时的光刻机采用接触式的。如光刻机采用接触式的。如canoncanon，采用紫外线光源，分辨率较低。，采用紫外线光源，分辨率较低。8080年代年代发明了发明了1:11:1投影式光刻机，可加工投影式光刻机，可加工1 12m2m线宽，线宽，5“5“6“wafer6“wafer。代表产品有美国的。代表产品有美国的ultrotecultrotec。 存在问题是：存在问题是：（1 1）maskmask难做，要求平坦，不能有缺陷。难做，要求平坦，不能有缺陷。（2 2

31、）waferwafer与与maskmask之间有间隙，使一些尘埃颗之间有间隙，使一些尘埃颗 粒加入，造成粒加入，造成影响。另外，有光折射产生。影响。另外，有光折射产生。8080年代后期年代后期出现了出现了wafer stepperwafer stepper，10:110:1或或5:15:1，使芯片加，使芯片加工进入了工进入了0.8m0.8m的时代。的时代。代表产品有：代表产品有：美国的美国的gcagca，日本的日本的canoncanon，nikonnikon及荷兰的及荷兰的asmasm。 另外，美国的另外，美国的klakla更加先进，它带有更加先进，它带有maskmask检查及修正检查及修正系

32、统。它将系统。它将maskmask上的图形缩小上的图形缩小5 5倍后投影到硅片上，因倍后投影到硅片上，因此，使缺陷缩小很多。它使用的光源仍是紫外线，但是用此，使缺陷缩小很多。它使用的光源仍是紫外线，但是用的是的是g-lineg-line，波长在，波长在436nm436nm，可加工：，可加工：0.80.81.0m1.0m（大生产），（大生产），0.50.50.8m0.8m（科研）芯片。（科研）芯片。 9090年代年代对对stepperstepper的改进大致两个方面的改进大致两个方面一是在光源上：一是在光源上：（1 1）用）用i-linei-line的紫外线，波长在的紫外线，波长在365nm36

33、5nm，可加工，可加工0.50.50.6m0.6m 的芯片。的芯片。（2 2）若用准分子激光光源）若用准分子激光光源krfkrf下，波长大约下，波长大约248nm248nm，可加工：，可加工： 0.250.250.5m0.5m（大生产（大生产)0.07)0.07 0.1m0.1m（科研）的芯片。（科研）的芯片。（3 3）还有用电子束（）还有用电子束（e-beame-beam）光源的，主要用于做）光源的，主要用于做maskmask。二是在制作二是在制作maskmask上下功夫，并带有上下功夫，并带有maskmask的修正功能，可通过的修正功能，可通过检测检测maskmask上的缺陷，调整曝光过程

34、。上的缺陷，调整曝光过程。 如果光刻胶是正性胶如果光刻胶是正性胶(光致分解光致分解)，则光刻胶膜，则光刻胶膜的图形与掩模版图形属性相同。的图形与掩模版图形属性相同。 如果光刻胶是负性胶如果光刻胶是负性胶(光致聚合光致聚合)，则光刻胶膜，则光刻胶膜的图形与掩模版图形属性相反。的图形与掩模版图形属性相反。 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

35、模版上的特征尺寸接近光源的波长时，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

36、，mtf 1 。光栅的周期（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

37、，光强超过之间时发生部分反应，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

38、汞灯光源是高压弧光灯（高压汞灯），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

39、分辨率的主要因素，所以要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

40、的吸收就严重，造成曝光效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 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 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 左右。从左右

41、。从1992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。 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 掩

42、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，即给出，

43、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 代表当硅片沿光路

44、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。 3、曝

45、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 lightreticle

46、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片尺寸，

47、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 ，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，并使薄膜离开掩模版表面约

48、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，使图形质量受到影响。

49、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极限。若要进一

50、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 和和 0.10 m，同时也使，同时也使 x 射线光刻机的射线光刻机的使用比原来预

51、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术对制版技术提出了新的要求

52、，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同数目像素的图形矩阵 w。

53、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四、光学邻近效应修正技术

54、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。如果结合应用多层部分吸收材

55、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射率； 2、使表面平坦化；

56、、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，对准误差应该大规模集成电路制造对光刻对准的

57、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 的膨胀，掩模的温度变化必须控制在的膨胀，掩模的温度变化

58、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式。最后介绍了通过改进掩模制作提高分辨

59、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的的线宽，预期可达到线宽，预期可达到 0.10 m ，甚至达到，甚至达到 0.07 m 。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：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

60、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、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，