微细加工9非光学光刻ppt课件

1、 经过运用大数值孔径的扫描步进光刻机和深紫外光源，再经过运用大数值孔径的扫描步进光刻机和深紫外光源，再结合相移掩模、光学临近效应修正和双层胶等技术，光学光刻结合相移掩模、光学临近效应修正和双层胶等技术，光学光刻的分辨率已进入亚波长，获得了的分辨率已进入亚波长，获得了 0.1 m 的分辨率。假设能开的分辨率。假设能开发出适宜发出适宜 157 nm 光源的光学资料，甚至可扩展到光源的光学资料，甚至可扩展到 0.07 m。 但是这些技术的本钱越来越昂贵，而且光学光刻的分辨率但是这些技术的本钱越来越昂贵，而且光学光刻的分辨率极限迟早会到来极限迟早会到来 。已开发出许多新的光刻技术，如将。已开发出许多新

2、的光刻技术，如将 X 射线、射线、电子束电子束 和和 离子束作为能量束用于曝光。这些技术统称为非光离子束作为能量束用于曝光。这些技术统称为非光学光刻技术，或学光刻技术，或 下一代光刻技术下一代光刻技术 。它们的共同特点是运用更。它们的共同特点是运用更短波长的曝光能源。短波长的曝光能源。投影式投影式 X 射线极紫外光射线极紫外光X 射线射线 电子束电子束 离子束离子束接近式接近式 X 射线射线 直写曝光无掩模直写曝光无掩模 投影曝光有掩模投影曝光有掩模 本节主要讨论本节主要讨论 X 射线、电子束、离子束与固体之间的相互射线、电子束、离子束与固体之间的相互作用。作用。 一、一、X 射线与固体之间的

3、相互作用射线与固体之间的相互作用 X 射线光刻所用的波长在射线光刻所用的波长在= 0.2 4 nm 的范围，所对应的的范围，所对应的 X 射线光子能量为射线光子能量为 1 10 k eV。在此能量范围，。在此能量范围，X 射线的散射射线的散射可以忽略可以忽略 。X 射线光子的能量损失机理以光电效应为主，损失射线光子的能量损失机理以光电效应为主，损失掉的能量转化为光电子的能量。掉的能量转化为光电子的能量。 能量损失与分辨率的关系能量损失与分辨率的关系 分辨率取决于分辨率取决于 X 射线的波长与光电子的射程两者中较大的射线的波长与光电子的射程两者中较大的一个一个 。当。当 X 射线波长为射线波长为

4、 5 nm 左右时两者相等，这时可获得最左右时两者相等，这时可获得最正确分辨率正确分辨率 ，其值即约为，其值即约为 5 nm 。但在。但在 X 射线光刻技术中，由射线光刻技术中，由于掩模版等方面的缘由于掩模版等方面的缘由 ，波长取为，波长取为 0.2 4 nm ，其相应的光电，其相应的光电子射程为子射程为 70 20 nm。但是实践上这并不是限制。但是实践上这并不是限制 X 射线光刻分射线光刻分辨率的主要要素。辨率的主要要素。 后面会讲到，限制后面会讲到，限制 X 射线光刻分辨率的主要要素是射线光刻分辨率的主要要素是 掩模掩模版的分辨率，以及版的分辨率，以及 半影畸变半影畸变 和和 几何畸变。

5、几何畸变。二、电子束与固体之间的相互作用二、电子束与固体之间的相互作用 电子束与固体之间的相互作用有很多种，例如二次电子、电子束与固体之间的相互作用有很多种，例如二次电子、散射电子、吸收电子、电子空穴对、阳极发光、散射电子、吸收电子、电子空穴对、阳极发光、X 射线、俄歇射线、俄歇电子等。影响电子束曝光分辨率的主要是电子等。影响电子束曝光分辨率的主要是 散射电子散射电子 。 1、电子的散射、电子的散射 入射电子与固体中另一粒子发生碰撞，发生动量与能量的入射电子与固体中另一粒子发生碰撞，发生动量与能量的转移，方向改动，能量减少，波长增大。转移，方向改动，能量减少，波长增大。 电子在光刻胶中的散射次

6、数与光刻胶厚度成正比，与入射电子在光刻胶中的散射次数与光刻胶厚度成正比，与入射电子的初始能量电子的初始能量 E0 成反比，典型值为几到几十次。成反比，典型值为几到几十次。 散射角：电子散射后的方向与原入射方向之间的夹角。散射角：电子散射后的方向与原入射方向之间的夹角。 前散射小角散射：散射角前散射小角散射：散射角 ，所以背散射是影响分辨率的主要要素；，所以背散射是影响分辨率的主要要素； b、光刻胶较薄时，能量密度的分布范围较小；、光刻胶较薄时，能量密度的分布范围较小； c、入射电子初始能量、入射电子初始能量 E0 的影响是：对的影响是：对 ff ，E0 越大，那越大，那么么越小；对越小；对 f

7、b ，当，当 E0 增大时，增大时，先增大，然后减小；先增大，然后减小； d、低原子序数资料中的散射普通要小一些。、低原子序数资料中的散射普通要小一些。( , )Er z (3) 对此模拟结果进展对此模拟结果进展 曲线拟合，可得到近似的分析函数，曲线拟合，可得到近似的分析函数，为为 双高斯函数双高斯函数 ，即，即fb22E22( , )( , )( , )( ) expexp22Er zfr zfr zrrk z (4) 当入射电子为恣意空间分布函数当入射电子为恣意空间分布函数 时，其吸收能时，其吸收能量密度量密度 是是 与与 的的 卷积积分，卷积积分，),(ru),(ru( , , )E r

8、z( , )Er z200( , )( , )*( ,)(, ),d dE rzEr zu rrz urrrr 例如，当电子束分布为例如，当电子束分布为 高斯圆形束高斯圆形束 时，时，22g( , )( )exp2ru ru r2g20g( , )2( , )expd2rrEr zE r zr r式中，式中， 为高斯电子束的规范偏向。为高斯电子束的规范偏向。g (5) 胶层等能量密度剖面轮廓胶层等能量密度剖面轮廓 实践的曝光图形，既不是实践的曝光图形，既不是 函数，也不是仅仅一个孤立的函数，也不是仅仅一个孤立的圆形束斑，假设是一条有宽度的线条，其能量吸收密度该当是圆形束斑，假设是一条有宽度的线

9、条，其能量吸收密度该当是各入射电子束的作用的总和，如以下图所示。各入射电子束的作用的总和，如以下图所示。 设电子束的束流为设电子束的束流为 IB ，在每，在每个点上停留的时间为个点上停留的时间为 t ，那么每个，那么每个束斑上的入射电子数为束斑上的入射电子数为 ( IB t / q ) ，每个束斑产生的吸收能量密度为每个束斑产生的吸收能量密度为Bg(/ )( , )I t q Er z那么在离线条间隔为那么在离线条间隔为 x 的点的点 P 下面下面深度为深度为 z 处的能量吸收密度为处的能量吸收密度为Blggn1( , )( , )2(, )nI tE x zEx zERzqyxndd22xn

10、dRnP 用上述模拟方法对硅上的用上述模拟方法对硅上的 PMMA 胶进展计算的结果以及胶进展计算的结果以及实践的胶层剖面轮廓如以下图所示，实践的胶层剖面轮廓如以下图所示，模拟结果模拟结果实践结果实践结果 5、电子束曝光的临近效应及其修正方法、电子束曝光的临近效应及其修正方法 知电子的散射特别是背散射，其影响范围可与电子射程或知电子的散射特别是背散射，其影响范围可与电子射程或胶层厚度相当，这称为电子束曝光的胶层厚度相当，这称为电子束曝光的 临近效应。对于一个其线临近效应。对于一个其线度度 L 远大于电子散射范围远大于电子散射范围 R 的图形，虽然其中间部分的曝光是的图形，虽然其中间部分的曝光是均

11、匀的，但边缘部分的情况就不同了，如以下图所示，均匀的，但边缘部分的情况就不同了，如以下图所示，能量密度能量密度内临近效应内临近效应互临互临近效近效应应无散无散射时射时内临近效应内临近效应互临近效应互临近效应LLxR 临近效应的后果临近效应的后果 (1) 对对 L R 的孤立图形，使边缘模糊。的孤立图形，使边缘模糊。 (2) 对对 L = R 的孤立图形，使边缘曝光缺乏，图形变小、的孤立图形，使边缘曝光缺乏，图形变小、变圆，甚至曝不出来。变圆，甚至曝不出来。 (3) 对间距对间距 a = R 的多个图形的多个图形 ，使间距变小，甚至相连。，使间距变小，甚至相连。 减小入射电子束的能量因减小入射电

12、子束的能量因 随随 E0 先大后小，或采用先大后小，或采用低原子序数的衬底与光刻胶。低原子序数的衬底与光刻胶。 修正电子临近效应的方法修正电子临近效应的方法 电子束图形电子束图形曝光显影后曝光显影后有临近效应有临近效应几何修正几何修正剂量修正剂量修正离子束与固体之间的相互作用有：散射碰撞、辐射损离子束与固体之间的相互作用有：散射碰撞、辐射损伤产生位错、溅射刻蚀及镀膜、俘获离子注入、伤产生位错、溅射刻蚀及镀膜、俘获离子注入、激发、电离、电子发射、二次离子发射等。激发、电离、电子发射、二次离子发射等。 这些效应的强弱随入射离子的能量不同而不同。用于集成这些效应的强弱随入射离子的能量不同而不同。用于

13、集成电路制造技术的入射离子能量范围为电路制造技术的入射离子能量范围为 三、离子束与固体之间的相互作用三、离子束与固体之间的相互作用刻蚀、镀膜：刻蚀、镀膜： 50 k eV 电子束的波长短，因此电子束曝光的分辨率很高，是目前电子束的波长短，因此电子束曝光的分辨率很高，是目前获得深亚微米高分辨率图形的主要手段之一。获得深亚微米高分辨率图形的主要手段之一。 ,hhhpmvpmv122aa21,2qVmvqVvm1 2a(2)hmqV 质量质量 m 和加速电压和加速电压 Va 越大，那么波长越大，那么波长越小。越小。 电子、离子等微观粒子具有波粒二象性，由德布罗意关系电子、离子等微观粒子具有波粒二象性

14、，由德布罗意关系又由又由 代入波长代入波长中，得中，得 思索到相对论效应后，思索到相对论效应后，应修正为应修正为6aa1.225(nm)10.978 10VV 电子束曝光的加速电压范围普通在电子束曝光的加速电压范围普通在 Va = 10 30 kV，这时，这时电子波长电子波长的范围为的范围为 0.012 0.007 nm。 将将 h = 6.6210-27 erg/s ，q = 4.810-10 绝对静电单位，绝对静电单位，电子质量电子质量 m = 9.110-27 g 代入，得代入，得a1.225(nm)V 电子束本身的分辨率极高电子束本身的分辨率极高 ，可以到达，可以到达 0.01 m 以

15、下，但以下，但是在光刻胶上普通只能获得是在光刻胶上普通只能获得 0.1 m 左右的线宽。限制电子束左右的线宽。限制电子束曝光分辨率的要素有，曝光分辨率的要素有， 1、光刻胶本身的分辨率、光刻胶本身的分辨率 2、电子在光刻胶中的散射引起的临近效应、电子在光刻胶中的散射引起的临近效应 3、对准问题、对准问题 电子束曝光方式电子束曝光方式 电子束曝光主要采用无掩模的直写方式扫描方式，此电子束曝光主要采用无掩模的直写方式扫描方式，此外也有投影方式，但无接触式。外也有投影方式，但无接触式。 直写曝光直写曝光无掩模无掩模电子束曝光方式电子束曝光方式光栅扫描光栅扫描矢量扫描矢量扫描 投影曝光投影曝光有掩模有

16、掩模 一、直写电子束光刻机任务原理一、直写电子束光刻机任务原理除电子光学柱系统外，还有如真空系统、工件台挪动系统等。除电子光学柱系统外，还有如真空系统、工件台挪动系统等。数据输入数据输入计算机计算机电子束控制电子束控制工件台控制工件台控制电子枪电子枪光闸光闸硅片硅片电子束电子束聚焦系统聚焦系统偏转系统偏转系统电电子子光光学学柱柱系系统统 二、电子束发射聚焦系统二、电子束发射聚焦系统 1、电子枪、电子枪 要求：亮度高、均匀性好、束斑小、稳定性好、寿命长。要求：亮度高、均匀性好、束斑小、稳定性好、寿命长。 (1) 热钨丝电子枪。热钨丝电子枪。 束斑直径约为束斑直径约为 30 m 。特点是简单。特点

17、是简单可靠，对真空度要求低，但亮度低，寿命短，噪声大。可靠，对真空度要求低，但亮度低，寿命短，噪声大。 (2) LaB6 电子枪。 是目前流行的电子束光刻机用电子枪 ，其特点是 亮度高，稳定性好，寿命长，但对真空度要求高，运用条件严厉；能散度大，聚焦困难，束斑大。 (3) 场致发射电子枪。场致发射电子枪。 由由 Zr/W/O 资料制造的尖端构成，资料制造的尖端构成，其特点是其特点是 亮度更高，能散度低，束斑小，噪声低，寿命长，但亮度更高，能散度低，束斑小，噪声低，寿命长，但需求的真空度更高，高达需求的真空度更高，高达 1.3310-6 Pa110 8 Torr，且，且稳定性较差。稳定性较差。

18、2、聚焦系统、聚焦系统 作用：将电子束斑聚焦到作用：将电子束斑聚焦到 0.1 m 以下。以下。 要求：几何像差小、色差小。要求：几何像差小、色差小。 构造种类：采用构造种类：采用 2 3 级级 静电透镜静电透镜 或或 磁透镜磁透镜 聚焦系统。聚焦系统。 磁透镜：由流过线圈的电流产生的一个对称磁场所构成 ，对电子束有聚焦作用。 111PQf 三、偏转系统三、偏转系统 作用：使电子束发生偏转，在光刻胶上进展扫描与曝光，作用：使电子束发生偏转，在光刻胶上进展扫描与曝光，描画出所需求的图形。描画出所需求的图形。 要求：偏转像差小，图形明晰，分辨率高，偏转灵敏度高，要求：偏转像差小，图形明晰，分辨率高，

19、偏转灵敏度高，偏转速度快。偏转速度快。 构造种类：磁偏转构造种类：磁偏转 与与 静电偏转静电偏转 。 磁偏转器的电感较大，扫描频率较低；静电偏转器的电容磁偏转器的电感较大，扫描频率较低；静电偏转器的电容较小，扫描频率较高较小，扫描频率较高 ，两者相差上万倍。此外，静电偏转器的，两者相差上万倍。此外，静电偏转器的光学性能较好，像差较小。实践运用时，有磁偏转、电偏转、光学性能较好，像差较小。实践运用时，有磁偏转、电偏转、磁磁-电偏转、磁电偏转、磁-磁偏转、电磁偏转、电-电偏转等多种组合方式。偏转器与电偏转等多种组合方式。偏转器与磁透镜之间的位置也有多种组合方式。磁透镜之间的位置也有多种组合方式。

20、1、光闸机构控制、光闸机构控制 采用采用 “静电偏转器静电偏转器 +光阑光阑 的方式对电子束通断进展控制。的方式对电子束通断进展控制。 四、控制系统四、控制系统 对光闸、偏转系统和工件台的挪动进展一致协调的控制。对光闸、偏转系统和工件台的挪动进展一致协调的控制。静电偏转器静电偏转器光阑光阑当当 V = +E 时时V当当 V = 0 时时 2、偏转系统扫描控制、偏转系统扫描控制 只运用于矢量扫描方式，使电子束根据集成电路图形的要只运用于矢量扫描方式，使电子束根据集成电路图形的要求做出规定的偏转，完成扫描曝光。求做出规定的偏转，完成扫描曝光。 1、高斯圆形束光柱、高斯圆形束光柱 采用点光源和圆形光

21、阑，上靶束斑的电流密度在横截面上采用点光源和圆形光阑，上靶束斑的电流密度在横截面上呈二维高斯分布，等流线为圆形。束斑直径为呈二维高斯分布，等流线为圆形。束斑直径为 0.1 1 m ，最，最小可到达小可到达 0.01 m 。其主要优点是。其主要优点是 分辨率高，制造图形时精细分辨率高，制造图形时精细灵敏。主要缺陷是灵敏。主要缺陷是 曝光效率低。曝光效率低。 五、电子光学柱的类型五、电子光学柱的类型 2、固定方形束光柱、固定方形束光柱 采用面光源和方形光阑。束斑尺寸普通取为图形的最小特采用面光源和方形光阑。束斑尺寸普通取为图形的最小特征尺寸。主要优点是征尺寸。主要优点是 曝光效率高，主要缺陷是曝光

22、不灵敏，某曝光效率高，主要缺陷是曝光不灵敏，某些区域能够被反复曝光而导致曝光过度。些区域能够被反复曝光而导致曝光过度。成形偏转板成形偏转板光阑光阑 1光阑光阑 2经过光阑经过光阑1后构成后构成的固定方形束的固定方形束与光阑与光阑 2 的的相互位置相互位置偏转后的方形束偏转后的方形束经过光阑经过光阑 2 后构成后构成的可变矩形束的可变矩形束 3、可变矩形束光柱、可变矩形束光柱 主要优点是曝光效率更高，更灵敏，且无反复曝光区域。主要优点是曝光效率更高，更灵敏，且无反复曝光区域。主要缺陷是构造复杂，价钱昂贵。但由于它是实现复杂精细图主要缺陷是构造复杂，价钱昂贵。但由于它是实现复杂精细图形的直接书写、

23、高消费效率曝光的重要手段，曾经得到了越来形的直接书写、高消费效率曝光的重要手段，曾经得到了越来越多的运用。越多的运用。 所产生的矩形束斑的尺寸可按需求随时变化。由两个方形所产生的矩形束斑的尺寸可按需求随时变化。由两个方形光阑和两个光阑和两个 x、y 方向的成形偏转器构成。方向的成形偏转器构成。 4、三种光柱曝光效率的比较、三种光柱曝光效率的比较10d5d5d10d13d115d2 六、直写电子束光刻机的扫描方式六、直写电子束光刻机的扫描方式 1、光栅扫描、光栅扫描 采用高斯圆形束。电子束在整个扫描场里作延续扫描，经采用高斯圆形束。电子束在整个扫描场里作延续扫描，经过控制光闸的通断来确定曝光区与

24、非曝光区。过控制光闸的通断来确定曝光区与非曝光区。 光栅扫描的优点是光栅扫描的优点是 控制简单，不需对偏转系统进展控制。控制简单，不需对偏转系统进展控制。缺陷是缺陷是 消费效率低。消费效率低。 由于扫描场的范围较小，必需配合工件台的挪动来完成对由于扫描场的范围较小，必需配合工件台的挪动来完成对整个硅片的曝光。按工件台的挪动方式又可分为整个硅片的曝光。按工件台的挪动方式又可分为 分步反复光栅分步反复光栅扫描扫描 和和 延续光栅扫描延续光栅扫描 两种。两种。 2、矢量扫描、矢量扫描 除高斯圆形束外，也可以采用固定方形束或可变矩形束。除高斯圆形束外，也可以采用固定方形束或可变矩形束。矢量扫描的优点是

25、矢量扫描的优点是 曝光效率高，由于电子束不需对占总面积约曝光效率高，由于电子束不需对占总面积约 60% 70% 的无图形区域进展扫描，而且可采用可变矩形束。的无图形区域进展扫描，而且可采用可变矩形束。 缺陷是缺陷是 控制系统要复杂一些，由于矢量扫描必需对偏转系统进控制系统要复杂一些，由于矢量扫描必需对偏转系统进展控制，而不象光栅扫描那样采用固定的偏转方式。展控制，而不象光栅扫描那样采用固定的偏转方式。 直写电子束光刻的主要优点是直写电子束光刻的主要优点是 分辨率高，作图灵敏。主要分辨率高，作图灵敏。主要缺陷是缺陷是 曝光效率低，控制复杂。为了提高效率，曾经开发出了曝光效率低，控制复杂。为了提高

26、效率，曾经开发出了高亮度源、矢量扫描系统、与大数值孔径透镜相结合的低感应高亮度源、矢量扫描系统、与大数值孔径透镜相结合的低感应偏转线圈等。但是直写电子束光刻在最好的情况下也比光学光偏转线圈等。但是直写电子束光刻在最好的情况下也比光学光刻系统慢一个数量级。能够的处理方法是运用一种大量电子束刻系统慢一个数量级。能够的处理方法是运用一种大量电子束源同时曝光的多电子束曝光系统，源同时曝光的多电子束曝光系统， 直写电子束光刻目前主要用于光刻版的制造。也可用于产直写电子束光刻目前主要用于光刻版的制造。也可用于产量不大，但要求分辨率特别高，图形要经常变化的场所，如高量不大，但要求分辨率特别高，图形要经常变化

27、的场所，如高速速 GaAs 集成电路等。集成电路等。 为了提高分辨率，可以采用波长为了提高分辨率，可以采用波长= 0.2 4 nm 的的 X 射线作射线作为曝光的光源。为曝光的光源。 1、电子碰撞、电子碰撞 X 射线源射线源 用高能电子束轰击金属靶如 Al、W、Mo，使靶金属的内层束缚电子分开靶资料，当另一个束缚电子去填充这一空位时，即可发射出 X 射线。 这种 X 射线源的主要缺陷是效率很低，只需几万分之一。功率耗费达数万瓦，并产生大量的热。除了用水冷却外，还可使阳极高速旋转。 2、等离子体、等离子体 X 射线源射线源 用聚焦的高能电子束或激光束轰击金属薄膜，使之蒸发成用聚焦的高能电子束或激

28、光束轰击金属薄膜，使之蒸发成为等离子体。超热的金属等离子体蒸汽将发射为等离子体。超热的金属等离子体蒸汽将发射 X 射线，波长为射线，波长为 0.8 10 nm 。 这种这种 X 射线源从激光到射线源从激光到 X 射线的转换效率约为射线的转换效率约为 10%，光，光强比较强，并有非常小的直径，比较适宜于光刻。强比较强，并有非常小的直径，比较适宜于光刻。X 射线射线硅片硅片 电子在同步加速器中作圆周运动，加速方向与其运动切线方向相垂直，在沿运动方向的切线上发射出 X 射线，电子在发射 X 射线过程中损失的能量在射频腔中得到补充 。 3、同步加速器、同步加速器 X 射线源射线源 这种这种 X 射线源

29、的亮度最强，效率较高，一台射线源的亮度最强，效率较高，一台 X 射线源可以射线源可以支持多达支持多达 16 台曝光设备。台曝光设备。 但这种但这种 X 射线源极其庞大昂贵，电子同步加速器的直径可射线源极其庞大昂贵，电子同步加速器的直径可达达 5 米以上。限制来自磁场方面。假设未来能获得高临界温度米以上。限制来自磁场方面。假设未来能获得高临界温度的超导资料，那么利用超导磁场可建立直径约的超导资料，那么利用超导磁场可建立直径约 2 米的紧凑型电米的紧凑型电子同步加速器。此外，这种子同步加速器。此外，这种 X 射线源还存在辐射平安问题。射线源还存在辐射平安问题。靶靶激光激光X 射线射线掩模版掩模版硅

30、片硅片抽抽气气 由于很难找到适宜资料由于很难找到适宜资料对对 X 射线进展反射和折射，射线进展反射和折射， X 射线透镜的制造是极其困射线透镜的制造是极其困难的，因此只能采用难的，因此只能采用 接近式接近式曝光方式。为了使由点光源曝光方式。为了使由点光源发射的发射的 X 射线尽量接近平行射线尽量接近平行光，应该使光源与掩模的间光，应该使光源与掩模的间隔尽量远。对于大规模集成隔尽量远。对于大规模集成电路的制造来说，由于遭到电路的制造来说，由于遭到掩模尺寸的限制，只能采用掩模尺寸的限制，只能采用 步进的步进的 接近方式。接近方式。 光刻用的光刻用的 X 射线波长约为射线波长约为 1nm，可以忽略衍

31、射效应。影响，可以忽略衍射效应。影响 X 射线分辨率的主要要素是由于射线分辨率的主要要素是由于 X 射线源不是严厉的点光源而射线源不是严厉的点光源而引起的引起的 半影畸变，和由于半影畸变，和由于 X 射线的发散性而引起的射线的发散性而引起的 几何畸变。几何畸变。 ,ddSSDDmaxmax2,2WWSSDD 要使要使 和和 max 减小，应增大减小，应增大 D 或减小或减小 S 。但太大的。但太大的 D 值值会减小会减小 X 射线的强度。另外，由于几何畸变的影响要比半影畸射线的强度。另外，由于几何畸变的影响要比半影畸变的大，可以采用步进的方法来减小每步曝光的视场尺寸变的大，可以采用步进的方法来

32、减小每步曝光的视场尺寸 W ，从而减小几何畸变从而减小几何畸变 max ，或在设计掩模版时进展补偿。，或在设计掩模版时进展补偿。 例如，假设例如，假设 d = 5 mm，D = 400 mm，S = 5 m ，那么半，那么半影畸变影畸变 = 0.06 m 。 视场直径视场直径 W 要根据所允许的几何畸变要根据所允许的几何畸变 max 来确定。假设来确定。假设允许允许 max = 0.1 m，那么，那么 W 仅为仅为 16 mm。反之，假设。反之，假设 W 为为 100 mm ，那么，那么 max 会高达会高达 0.6 m。 正在研讨中的正在研讨中的 X 射线反射镜与透镜射线反射镜与透镜 1、掠

33、射角金属反射镜、掠射角金属反射镜 2、Kumakhov 透镜透镜 3、多层反射镜、多层反射镜 X 射线光刻工艺最困难的地方之一就是掩模版的制造，对射线光刻工艺最困难的地方之一就是掩模版的制造，对掩模版的根本要求是反差要大，但是对于掩模版的根本要求是反差要大，但是对于 X 射线，当波长小于射线，当波长小于 0.2 nm 时，对绝大部分资料都能穿透；当波长大于时，对绝大部分资料都能穿透；当波长大于 4 nm 时，时，对绝大部分资料都将被吸收。只需在对绝大部分资料都将被吸收。只需在 0.2 nm 4 nm 的范围内，的范围内，可以用低吸收的轻比重资料如可以用低吸收的轻比重资料如 Si、Si3N4 、

34、SiC、BN 等制造透等制造透光部分，厚度约光部分，厚度约 2 10 m ；用重金属资料如；用重金属资料如 Au、Pt、W、Ta 等制造不透光部分，厚度约等制造不透光部分，厚度约 0.2 0.5 m 。 外表掺硼外表掺硼反面氧化反面氧化N - Si反面光刻反面光刻正面蒸金正面蒸金光刻金光刻金腐蚀硅腐蚀硅 由于透光与不透光的资料之间存在较大的应力，使掩模版的精度遭到影响。正在开发杨氏模量较大的金刚石作为基片，但价钱昂贵，加工困难。由于不能采用减少曝光，给制版呵斥困难。此外，掩模版的清洗和维修问题也没有处理。因此至今尚无商业化的 X 射线掩模版的供应。 原来估计，对于原来估计，对于 0.5 m 以

35、下的细线条，必需运用以下的细线条，必需运用 X 射线射线曝光。但是随着移相掩模等光学曝光技术的新开展，使光学曝曝光。但是随着移相掩模等光学曝光技术的新开展，使光学曝光技术的分辨率极限进入亚波长范围，甚至到达光技术的分辨率极限进入亚波长范围，甚至到达 0.1 m 以下，以下，从而使从而使 X 射线曝光在大规模集成电路制造中的实践大量运用将射线曝光在大规模集成电路制造中的实践大量运用将继续推迟。继续推迟。 3、可穿透尘埃，对环境的净化程度的要求稍低。、可穿透尘埃，对环境的净化程度的要求稍低。 1、X 射线源射线源 2、X 射线难以偏转与聚焦，本身无构成图形的才干，只能射线难以偏转与聚焦，本身无构成

36、图形的才干，只能采用接近式曝光方式，存在半影畸变与几何畸变；采用接近式曝光方式，存在半影畸变与几何畸变； 3、薄膜型掩模版的制造工艺复杂，运用不方便。掩模版本、薄膜型掩模版的制造工艺复杂，运用不方便。掩模版本身仍需用传统的光学或电子束方法制造；身仍需用传统的光学或电子束方法制造； 2、曝光效率比较高；、曝光效率比较高； 4、对硅片有损伤。、对硅片有损伤。 深紫外光深紫外光DUV曝光的波长下限是曝光的波长下限是 170 nm ，这是由于，这是由于当波长小于当波长小于 170 nm 时，在这一范围内独一可用于掩模版透光时，在这一范围内独一可用于掩模版透光部分的玻璃或石英资料会大量吸收光波能。因此即

37、使在运用了部分的玻璃或石英资料会大量吸收光波能。因此即使在运用了移相掩模等先进技术后，利用移相掩模等先进技术后，利用 DUV 折射投影曝光所能获得的折射投影曝光所能获得的最细线宽只能到最细线宽只能到 0.1 m。另一方面，。另一方面，X 射线由于难以进展折射线由于难以进展折射和反射，只能采用射和反射，只能采用 1:1 接近式曝光，掩模版的制造极为困难，接近式曝光，掩模版的制造极为困难，掩模版与晶片之间缝隙的控制也很不容易。掩模版与晶片之间缝隙的控制也很不容易。 近年来，在能对波长较长的所谓近年来，在能对波长较长的所谓 “ 软软 X 射线射线 进展反射进展反射的反射镜的研制上获得了重要进展。出现

38、一种采用波长为的反射镜的研制上获得了重要进展。出现一种采用波长为 13 nm 的软的软 X 射线的射线的 4:1 全反射减少投影曝光技术，获得了全反射减少投影曝光技术，获得了 0.1 m 线宽的图形。此技术后来被命名为线宽的图形。此技术后来被命名为 极紫外光光刻极紫外光光刻EUVL。 EUVL 光刻机表示图 要将 EUVL 概念转化为 0.1 m 以下的技术，需求处理多项关键技术难题。晶片晶片多涂层多涂层EUV 反射反射成像系统成像系统EUV 光束光束多涂层多涂层EUV 反射反射聚光系统聚光系统高功率高功率激光器激光器激光激光激发激发等离等离子体子体掩模版掩模版 一、一、EUV 光源光源 可选

39、择的可选择的 EUV 光源有三种：电子碰撞光源有三种：电子碰撞 X 射线源、激光产射线源、激光产生的等离子体光源和电子同步加速器辐射源生的等离子体光源和电子同步加速器辐射源 。从商业角度，目。从商业角度，目前最被看好的是激光产生的等离子体光源前最被看好的是激光产生的等离子体光源 ，由于这种光源有丰，由于这种光源有丰富的软富的软 X 射线。这种光源的开发需处理以下三个问题，射线。这种光源的开发需处理以下三个问题， 1、高平均功率激光器的开发；、高平均功率激光器的开发； 2、从激光到、从激光到 EUV 辐射的转换效率；辐射的转换效率； 3、无残碎片，以防止聚光系统被损伤或被涂复、无残碎片，以防止聚

40、光系统被损伤或被涂复 二、二、EUV 反射镜反射镜 光学研讨阐明，采用叠片的方式可以获得共振反射，从而光学研讨阐明，采用叠片的方式可以获得共振反射，从而得到很高的反射率。光波波长得到很高的反射率。光波波长与叠片的等效周期与叠片的等效周期 D 以及入射以及入射角角 之间应满足之间应满足 Bragg 方程方程 sin2D 当波长很短时当波长很短时 ，多层叠片可以用多层涂层来实现，多层叠片可以用多层涂层来实现 。EUV 光刻技术最大的单项突破就是开发出了准确的多层涂复技术，光刻技术最大的单项突破就是开发出了准确的多层涂复技术，使对使对 EUV 的反射率超越了的反射率超越了 60%。常用涂层资料有常用

41、涂层资料有 “Mo-Si 系统与系统与 “Mo-Be 系统。曾经系统。曾经用用“ Mo-Si 涂层制成直径为涂层制成直径为 4 英寸的反射镜，在波长为英寸的反射镜，在波长为 13.4 nm 时的反射率为时的反射率为 65 0.5 % ，涂层周期为，涂层周期为 6.95 0.03 nm 。 EUV 涂层的技术必需满足以下要求涂层的技术必需满足以下要求 1、能做出具有高反射率的涂层；、能做出具有高反射率的涂层； 2、能在反射镜外表各处均匀准确地控制多涂层的周期；、能在反射镜外表各处均匀准确地控制多涂层的周期； 3、能准确控制不同反射镜的多涂层周期；、能准确控制不同反射镜的多涂层周期； 4、能在掩模

42、版上淀积无缺陷的多涂层；、能在掩模版上淀积无缺陷的多涂层； 5、涂层必需长期稳定，能经受住长时间、涂层必需长期稳定，能经受住长时间 EUV 辐射的损伤辐射的损伤及热效应的影响。及热效应的影响。 三、精细光学系统三、精细光学系统 减少的光学成像系统的制造与计量是减少的光学成像系统的制造与计量是 EUV 技术中最困难技术中最困难的光学课题。光学系统的部件必需满足的光学课题。光学系统的部件必需满足 1、采用极低热膨胀系数的资料制成；、采用极低热膨胀系数的资料制成； 2、反射镜的精度与外表光洁度均应到达、反射镜的精度与外表光洁度均应到达 0.1 nm 的程度。的程度。 反射镜数量的选择：为到达最正确成

43、像质量和最大像场，反射镜数量的选择：为到达最正确成像质量和最大像场，应采用尽能够多的反射镜，但遭到光传输效率的限制，所以必应采用尽能够多的反射镜，但遭到光传输效率的限制，所以必需在大象场的成像质量和曝光效率之间作折中思索。需在大象场的成像质量和曝光效率之间作折中思索。 已报道了一种已报道了一种 4 镜面的反射减少系统，镜面的反射减少系统，NA = 0.08 ，像场，像场缝宽为缝宽为 1 mm，图形分辨率优于，图形分辨率优于 0.1 m。 四、掩模版四、掩模版 对全反射系统来说，掩模版的对全反射系统来说，掩模版的 “ 透光透光 部分为有多涂层的部分为有多涂层的部分，部分，“ 不透光不透光 部分那

44、么是覆盖在多涂层上的已制成所需图部分那么是覆盖在多涂层上的已制成所需图形的金属吸收层。衬底可用硅晶片来制造。形的金属吸收层。衬底可用硅晶片来制造。EUV掩模版的制造掩模版的制造过程，是先在作为衬底的硅晶片上淀积多涂层反射层，接着淀过程，是先在作为衬底的硅晶片上淀积多涂层反射层，接着淀积一层维护性过渡薄层及一层金属吸收层。然后经过电子束光积一层维护性过渡薄层及一层金属吸收层。然后经过电子束光刻工艺在多涂层的上面刻蚀出所需的金属吸收层图形。刻工艺在多涂层的上面刻蚀出所需的金属吸收层图形。 制造无缺陷的掩模版是制造无缺陷的掩模版是 EUVL 技术中最具挑战性的要求。技术中最具挑战性的要求。对普通掩模

45、版的各种缺陷修复方法都无法用于多涂层掩模版，对普通掩模版的各种缺陷修复方法都无法用于多涂层掩模版，独一的途径就是在大面积范围内实现无缺陷多涂层淀积。为了独一的途径就是在大面积范围内实现无缺陷多涂层淀积。为了制造废品率大于制造废品率大于 90% 的掩模版的掩模版 ，要求多涂层淀积工艺的缺陷，要求多涂层淀积工艺的缺陷密度小于密度小于 10 -3 个个/cm2 。 五、光刻胶五、光刻胶 由于光刻胶对由于光刻胶对 EUV 的吸收深度很浅，只能在光刻胶的外的吸收深度很浅，只能在光刻胶的外表成像，因此必需采用相应的外表成像工艺，例如外表层很薄表成像，因此必需采用相应的外表成像工艺，例如外表层很薄的双层甚至

46、三层光刻胶技术。的双层甚至三层光刻胶技术。 此外，此外，EUV 光刻胶需求很高的灵敏度。为到达足够的消费光刻胶需求很高的灵敏度。为到达足够的消费效率，效率， EUV 光刻胶的灵敏度应优于光刻胶的灵敏度应优于 5mJ/cm2 。 投影电子束曝光技术既有电子束曝光分辨率高的优点，又投影电子束曝光技术既有电子束曝光分辨率高的优点，又有投影曝光所固有的消费效率高本钱低的优点，因此是目前正有投影曝光所固有的消费效率高本钱低的优点，因此是目前正积极研讨开发的一种技术。积极研讨开发的一种技术。 原理：电子枪发射的电子束经聚焦透镜后构成准直电子束流，照射到掩模版上，穿过掩模透明部分的电子束再经过投影透镜减少后

47、，在晶片上获得减少的掩模转印图形。 由于曝光视场不大普通为 33 mm2 ，所以工件台也需作步进挪动。电子枪电子枪光闸光闸聚焦透镜聚焦透镜投影透镜投影透镜掩模版掩模版晶片晶片电子束电子束 投影电子束曝光的投影电子束曝光的 优点优点 1、波长短，分辨率高，线宽可小于、波长短，分辨率高，线宽可小于 0.1 m； 2、消费效率高；、消费效率高； 3、对电子束的控制简单。、对电子束的控制简单。 存在的问题存在的问题 1、掩模版制造困难。、掩模版制造困难。“透明透明 部分最好是空的。这是限制部分最好是空的。这是限制投影电子束曝光的实践运用的主要妨碍；投影电子束曝光的实践运用的主要妨碍； 2、对准问题、对

48、准问题 在投影电子束光刻中，最有希望的技术之一被称为角度限在投影电子束光刻中，最有希望的技术之一被称为角度限制散射投影电子束光刻制散射投影电子束光刻Scattering with Angular Limitation Projection Electron-beam Lithorgraphy, SCALPEL，它是，它是利用散射反差的对比来产生图形。掩模版的透明区用低利用散射反差的对比来产生图形。掩模版的透明区用低 Z 资料资料制成，不透明区用高制成，不透明区用高 Z 资料制成。不透明区不是吸收电子而是资料制成。不透明区不是吸收电子而是以足够大的角度散射电子，使之被光阑阻挠。这就允许运用极以足

49、够大的角度散射电子，使之被光阑阻挠。这就允许运用极高的能量，从而使低高的能量，从而使低 Z 资料区几乎完全透明。资料区几乎完全透明。 掩模版的透明区通常是富硅的氮化硅，厚约掩模版的透明区通常是富硅的氮化硅，厚约 0.1 m 。不。不透明区可采用透明区可采用 W/Cr，厚约，厚约 0.05 m 。 在图像质量和消费效率之间存在矛盾。低电子流密度可获在图像质量和消费效率之间存在矛盾。低电子流密度可获得好的图像质量，而高电子流密度可获得合理的消费效率。得好的图像质量，而高电子流密度可获得合理的消费效率。 当将离子束运用于曝光时，其加工方式有当将离子束运用于曝光时，其加工方式有 1、掩模方式投影方式、

50、掩模方式投影方式 2、聚焦方式直写方式、扫描方式、聚焦方式直写方式、扫描方式、FIB 3、接近式、接近式 聚焦离子束光刻机的根本原理与直写电子束光刻机大体一聚焦离子束光刻机的根本原理与直写电子束光刻机大体一样，不同之处有样，不同之处有 1、由、由 LMIS单体或共晶合金替代电子枪；单体或共晶合金替代电子枪； 2、必需运用质量分析系统；、必需运用质量分析系统； 3、通常采用静电透镜和静电偏转器；、通常采用静电透镜和静电偏转器； 4、主高压的范围较宽，可以适用于曝光、刻蚀、注入等、主高压的范围较宽，可以适用于曝光、刻蚀、注入等各种不同用途。各种不同用途。 离子束曝光技术的优点离子束曝光技术的优点

51、1、离子的质量大，因此波长更短，可完全忽略衍射效应；、离子的质量大，因此波长更短，可完全忽略衍射效应； 2、离子的速度慢，穿透深度小，曝光灵敏度高。对于各种、离子的速度慢，穿透深度小，曝光灵敏度高。对于各种电子束光刻胶，离子束的灵敏度均比电子束高近两个数量级，电子束光刻胶，离子束的灵敏度均比电子束高近两个数量级，因此可缩短曝光时间，提高消费效率；因此可缩短曝光时间，提高消费效率； 3、离子的质量大，因此散射很小，由散射引起的临近效应、离子的质量大，因此散射很小，由散射引起的临近效应小，有利于提高分辨率；小，有利于提高分辨率； 4、当采用与、当采用与 X 射线类似的接近式曝光时，无半影畸变与射线

52、类似的接近式曝光时，无半影畸变与几何畸变；几何畸变；5、可以利用、可以利用 FIB 技术直接在硅片上进展离子束刻蚀或离子技术直接在硅片上进展离子束刻蚀或离子注入，而完全摆脱掩模版与光刻胶；注入，而完全摆脱掩模版与光刻胶； 6、有加强腐蚀作用、有加强腐蚀作用 被被 H+ 离子照射过的离子照射过的 SiO2 层，其腐蚀速率比未照射区的层，其腐蚀速率比未照射区的高约高约 5 倍。这就有能够不用光刻胶，在定域曝光后直接进展定倍。这就有能够不用光刻胶，在定域曝光后直接进展定域腐蚀。另一种能够的用途是，利用加强腐蚀作用把很薄的域腐蚀。另一种能够的用途是，利用加强腐蚀作用把很薄的 SiO2 层作为无机正性光

53、刻胶运用，并将其用作双层胶的顶层胶。层作为无机正性光刻胶运用，并将其用作双层胶的顶层胶。离子束离子束腐蚀腐蚀 SiO2 ，相当于顶层相当于顶层胶的显影胶的显影 离子束曝光技术存在的问题离子束曝光技术存在的问题 1、对准问题。与电子束相比，离子束的穿透力小，不易穿、对准问题。与电子束相比，离子束的穿透力小，不易穿过胶层到达晶片上的对准标志。另一方面，因离子束的散射也过胶层到达晶片上的对准标志。另一方面，因离子束的散射也小，很难获得来自对准标志的信息；小，很难获得来自对准标志的信息； 2、离子的质量大，偏转扫描的速度慢；、离子的质量大，偏转扫描的速度慢； 3、LMIS 能散度较大，给离子光学系统的设计带来困难；能散度较大，给离子光学系统的设计带来困难； 4、对于投影离子束曝光，掩模版是关