微电子工程学4

1、1第4章精细图形加工技术微电子工程学2第4章 精细图形加工技术 精细和超精细图形加工技术包括掩模和芯片上电路图形的产生和刻蚀（相应于图形形成技术和图形转换技术）工艺技术。图形形成技术又包括图形发生、掩模制造和抗蚀剂图形形成；而图形转换主要分两种工艺，即湿法和干法工艺。在大规模集成电路兴起前，几乎都是采用接触式光刻（既是将掩模版和硅片紧贴的光刻方式）获得芯片上电路图形或复印掩模版的。随着集成度的提高和图形的不断微细化，非接触式光刻曝光方法逐渐被推广应用。另外，传统应用的紫外光曝光光源已逐渐被远紫外光、电子束和X射线等所取代，等离子体和离子束曝光刻蚀方法也在崛起，出现由湿法工艺向干法工艺的过渡。3

2、第4章 精细图形加工技术4.1 光刻与制版4.2 曝光技术4.2.1 非接触式曝光技术4.2.2 远紫外光曝光技术4.2.3 X射线曝光技术4.2.4 电子束曝光技术4.2.5 离子束曝光技术4.3 光刻机技术发展简介4.3.1 微光刻镜头的发展趋势4.3.2 扫描投影光刻机4.3.3 扫描光刻机遇到的新问题4.3.4 扫描光刻机的生产率4.3.5 在芯片生产线中插入扫描光刻机4第第4 4章章精细图形加工技术精细图形加工技术4.1 光刻与制版 光刻工艺的目的是将掩模版上的电路图形在硅片上精确地再现出来。首先要在基片（硅片）上涂敷抗蚀剂，经曝光、显影制成抗蚀剂膜图形，作为对基片进行进一步加工的掩

3、蔽层。因此高精度和高质量的掩模版是制作超大规模集成电路的重要基础。 掩模版的制作是集成电路生产的第一道工序。对于中、小规模集成电路来说，由于集成度低，版图面积小和线条较宽，精度要求也不是很高，因此可采用人工绘图、手工刻图和照相制版等常规工艺。对于包含几万和几十万元器件的大规模和超大规模集成电路来说，如果仍然用常规的制版工艺，无论从精度、速度和设计版面的幅度要求考虑，已近乎不可能了。特别是对于图形已是十分复杂的超大规模集成电路，人工刻图制版是不可想象的事。即使撇开其它许多困难不谈，单是设计确定电路芯片上几十万或上百万个元器件之间的相互连接布线图形的工作，也许得花上几年的时间，而且差错失误几乎是不

4、可避免的。因此掩模版的设计制作成为大规模和超大规模集成电路的突出矛盾。5第第4 4章章精细图形加工技术精细图形加工技术4.1 光刻与制版 解决这个矛盾的途径是将电子计算机引用到制版工作中。 从60年代初开始，随着电子计算机应用领域的开拓，计算机辅助设计（简称CAD）技术随之兴起。CAD技术是设计人员借助和利用电子计算机的快速计算功能和它所具有的记忆能力，进行各种复杂设计的专门技术。借助CAD，可以快速地求得设计的最佳方案。60年代末大规模集成电路的兴起，为电子计算机的普及应用和CAD技术的推广应用创造了良好条件。同时，CAD技术也很快地被移植到大规模集成电路的设计工作中，从而大大地促进大规模集

5、成电路的发展，并为70年代后半期超大规模集成电路的产生奠定了重要基础。6第第4 4章章精细图形加工技术精细图形加工技术4.1 光刻与制版 1. CAD的主要内容 集成电路的计算机辅助设计，不仅包括电路分析、辅助制版、布线图形设计、元器件特性分析和逻辑设计等主要内容，还包括工艺控制分析和自动测试与检测等偏于生产工艺的内容。 电路分析是计算机辅助设计的最主要内容之一，对于包含许多元器件的大规模集成电路来说，正如上面已指出的，想靠实际电路模拟，或者通过人工近似计算的方法，是不可能精确分析和求得电路的静态和动态各类参数的。即使是进行最简单的静态分析，也是不大可能的，因为进行这类计算实在太繁复了。至于电

6、路在全温度范围内的电特性分析，以及噪声、失真和可靠性分析，那就更难进行了。但是对于电路的设计者来说，在电路正式制版和试投产前，上述有关电路的诸特性往往是必须了解的。7第第4 4章章精细图形加工技术精细图形加工技术4.1 光刻与制版 1. CAD的主要内容 辅助制版是利用或借助电子计算机进行集成电路光刻用掩模版的设计制造。从更广的技术涵义来说，计算机辅助制版不仅仅是指光刻掩模版的设计制造，还包括在所要制作电路的芯片上直接描绘（刻蚀产生）电路的几何图形这一内容。因为随着超大规模集成技术的发展，这种利用掩模版进行光刻的传统方法已显露出很多的缺点，而利用电子计算机控制电子束或光束直接地在电路芯片上描绘

7、出所设计电路图形的方法，已开始在超大规模集成电路的研制和生产中得到应用。 计算机辅助制版除了必须应用计算机外，还必须配备大型高精度绘图仪、数字化仪、图形发生器和光笔显示器等许多相应的计算机外部设备，以及一套完整的软件系统。8第第4 4章章精细图形加工技术精细图形加工技术4.1 光刻与制版 1. CAD的主要内容 逻辑设计分析是通过计算机对电路的逻辑框图进行逻辑动作的分析，以验证其是否能满足所设计电路预定逻辑功能的要求。利用电子计算机可进行逻辑电路的逻辑模拟试验，能对所要求设计的大规模或超大规模数字电路的逻辑功能进行充分的分析研究，从而能很快地确定该电路的最佳结构问健 元器件特性分析是利用计算机

8、对电路中所包含的元器件（主要是晶体管）进行电性能的分析，为此需要先设定元器件的结构和类型，并求出模型参数。 布线图形设计实际上应包含在辅助制版这一项内容之内。考虑到大规模和超大规模集成电路布线图形设计的灵活性，有时也往往将布线图形设计单独算作计算机辅助设计的一项内容。9第第4 4章章精细图形加工技术精细图形加工技术4.1 光刻与制版 1. CAD的主要内容 利用计算机辅助设计布线图形就是根据所设计电路的功能要求，从电路中各元器件的构造和它们在芯片上的实际配置布局出发，在尽量少占用芯片面积和缩短互连线长度的前提下，确定布线配置图，并将布线图形配置数据送到自动绘图机或相应的其它设备。 工艺控制分析

9、是利用电子计算机分析、控制和确定电路的工艺制作过程。如借助计算机来分析和控制拉制单晶过程，以获得符合大规模和超大规模集成电路制作需要的大直径和具有最少晶体缺陷的硅单晶材料；再如利用电子计算机对外延反应管中的气流情况进行数学模拟，从而得到晶格生长完善和厚度及电阻率十分均匀的极薄外延层；还有用电子计算机控制杂质掺杂或扩散过程等等。10第第4 4章章精细图形加工技术精细图形加工技术4.1 光刻与制版 1. CAD的主要内容 利用计算机可很快确定能够检验所制成的集成电路质量性能合格与否的测试波形，并由计算机确定（产生）进行自动测试的检定程序。 系统分划与版图验证程序也是计算机辅助设计的重要内容之一。所

10、谓系统分划，就是应用计算机将一个完整的电子系统（或一个子系统），以最科学、最合理和最经济的方式，划分成一个个适于集成的功能单元。这些单元实现集成化后，就成为具有不同功能的大规模或超大规模集成电路。版图验证程序也是借用计算机对所设计的版图进行检验和验证，以确保版图的正确无误。 因此，从广义来说，集成电路的计算机辅助设计并不完全局限于对电路的分析和辅助设计，还对电路的制版和生产工艺予以控制和自动检测。11第第4 4章章精细图形加工技术精细图形加工技术4.1 光刻与制版 2. 制版工艺 制版工艺源于照相制版技术，二者非常相似。现根据图41所示工序叙述制版工艺。图41 掩模制作工序版图设计刻图图形编译

11、程序初缩图形发生器精缩复制检查人工制图分版图掩模原版主掩模工作掩模12第第4 4章章精细图形加工技术精细图形加工技术4.1 光刻与制版 2. 制版工艺（1）人工绘制原图 在设计的最后用人工方法绘出原图，即绘制版图。（2）分版图和掩模原版 利用人工绘制的版图制出分版图，再进而制出大小为掩模图形10倍的掩模原版，具体制作方法有两种。一是刻图和缩小法：利用精密刻图机在表面贴有红色膜的透明聚酯塑料胶片（俗称红膜）上，刻出图形的轮廓，把不需要的红膜部分揭掉，即成红膜图形。这就是分版图（art work,亦称原图），该图形的大小约为掩模图形的100400倍。将分版图在照相干版上缩小到原来的1/10-1/4

12、0，即成为掩模原版。掩模原版的图形大小一般是掩模的10倍。象大规模集成电路这样的图形是很复杂的，最小线条宽度仅为35微米，器件极其微细，因此制图工时数、制图精度、缩小镜头的像差都是问题。这种方法在大规模集成电路中已不再使用。 另一种方法是图形编译程序和图形发生器法：这种方法是把人工绘制在图纸上的图形分解成图形元素（一般是矩形），读入到电子计算机系统内制出图形，现在称为计算机辅助制版。13第第4 4章章精细图形加工技术精细图形加工技术4.1 光刻与制版 2. 制版工艺（3）精缩照相机 精缩照相机是将掩模原版按照缩小10倍的要求在干版上分步重复曝光，制作出掩模（称为主掩模或原掩模）的装置。用分步重

13、复（即精缩）照相机曝光后的干版，经过显影、定影处理后，即成为正式掩模版。（4）工作掩模的复制 在对大规模集成电路进行工业生产的情况下，掩模版会产生伤痕，使用一定次数后需要更换新掩模版。因此同一掩模版的需要量是很大的。显然，如果生产过程中每次都使用主掩模版，那是很不经济的。一般用主掩模版按照照相复印的方法复制出多个工作掩模版供生产时使用。（5）光刻掩模版的检查 光刻掩模版的检查可分为尺寸测量、套刻精度测量及缺陷检查。尺寸测量是以光电检测方式将掩模版上的图形变换成电信号，以检查图形尺寸是否符合设计要求。由于制作一种器件要使用许多块掩模版，分步重复精度极其重要，因此需要进行套刻精度的测量。在尺寸测量

14、装置上装上激光测长仪，即可测量图形重复精度。14第第4 4章章精细图形加工技术精细图形加工技术4.1 光刻与制版 3.计算机辅助制版 计算机辅助制版（简称CAM）可以看做是计算机辅助分析设计的延续。大规模集成电路出现以后，改革传统的集成电路制版工艺和引入新的制版手段，已显得十分必需了。特别是70年代中期，当以存储器和微处理器为代表的微电子产品进入大规模生产后，计算机辅助制版已成为必须具备的生产手段。 即使对于中、小规模集成电路，制版工作也是煞费时间和消耗工作人员精力的。发展到大规模、特别是超大规模集成阶段后，如果仍沿用过去从刻红膜开始的一套制版方法，那么不仅使制版周期延长到无法想象的程度，而且

15、实际上根本无法保证版子的精度和正确性的要求。比如在保证人工所能处理的刻图有效几何尺寸的前提下，那么一块超大规模集成电路的刻图红膜将比篮球场的面积还要大。在电路中元器件数量呈现千倍、万倍的增长和电路功能日益复杂化时，可想而知，依靠人工刻图制版（包括应用绘图仪刻图），人为的差错和失误，几乎是不可能避免的。15第第4 4章章精细图形加工技术精细图形加工技术4.1 光刻与制版 3.计算机辅助制版利用计算机辅助制版可以大大缩短制版周期，不需要人工刻图，也可以不需要绘制完整的设计制图，甚至根本不需要图纸；制版精度高，改版和修正版图非常方便。实际应用的计算机辅助制版有两种形式-初级形式和高级形式。初级形式的

16、计算机辅助制版仍然需要由人先绘制出设计总版图，还比较多地依靠人对制版的干预。高级的计算机辅助制版只需要设计者向计算机提供逻辑图和其它简单的资料，计算机就能按照设计者的要求，完成制版工作。图42示出计算机辅助制版（初级形式）的原理框图。工作原理是先由设计人员根据电路的设计指标，绘出设计原图。但与通常人工制版要求不同，这里的设计原图可以是草图形式，特别是对于具有大量重复功能单元的电路（如存储器），或者电路内部结构具有规则性或对称性的电路，只需画出其中一部分电路即可。计算机接受命令后，会自动地根据这一部分电路，不厌其烦地代替人绘出电路所包含的其它各部分重复单元。人们只要告诉计算机各部分单元电路在总图

17、中的位置坐标就可以了。16第第4 4章章精细图形加工技术精细图形加工技术4.1 光刻与制版 3.计算机辅助制版图42 计算机辅助制版原理框图人工设计原图电传打字机人工读出坐标数据图形坐标数字化仪用数字化仪读出坐标数据制版程序（软件）电子计算机宽行打印机显示器光笔图形发生器大型绘图仪精缩版17第第4 4章章精细图形加工技术精细图形加工技术4.1 光刻与制版 3.计算机辅助制版将设计原图中几何图形的数据（坐标）输入到计算机中。这可以通过图形坐标数字化仪进行这一部分工作。如果没有这种仪器，那么必须由人工读取图形坐标数据，并通过电传打字机输入到计算机。但应用人工方法读取数据，不仅十分费时，而且容易出错

18、。计算机对输入的图形数据进行加工处理，最后变成大型绘图仪和图形发生器的控制数据。这样计算机就可以控制大型绘图仪绘制（刻制）出详细无遗的各设计分图（即光刻用的一套掩模版中的某一块掩模版），或者套合的总设计图。另外，计算机也可以直接控制图形发生器制出初缩版。宽行打印机是作检查、核对用的，因为它可将计算机的输出结果打印出来，供人们检验。显示器可以显示出经计算机加工后所得到的设计图形。一般为了清晰起见，往往只显示出人们需要观察的单个分图，但也可以将各分图套合成总图显示出来，以使人们清楚地观察到这一套掩模版中各块版之间的相对几何位置和套合精度。18第第4 4章章精细图形加工技术精细图形加工技术4.1 光

19、刻与制版 3.计算机辅助制版光笔是人机对话的工具，是设计者用来对计算机处理加工后的设计图进行修改、核对或校正的工具。这一方面可以使设计人员的丰富经验和计算机的迅速处理信息的能力很好地结合起来；另一方面，可以非常方便地修改已设计好的版图。对于后者来说，由于设计指标的改变，或出于电路使用者的要求，或考虑到工艺因素，修改版图是常有的事。设计人员可以用光笔，根据自己的判断或意愿，根据自己的判断或意愿，随心所欲地在显示屏幕上修改所显示的图形。这时计算机内部原先所存储的图形数据就会随之相应地改变。以上仅是计算机辅助制版的最基本的工作原理。实际工作设备和工作过程要复杂得多。更重要的是，要使计算机完成辅助制版

20、工作，必须要有制版程序-软件系统。另外，图形发生器是计算机辅助制版系统中的中心部件，也是显示或标志计算机辅助制版水平的重要仪器，是国内外关注和各国都投入很大力量予以发展的关键性设备。19第第4 4章章精细图形加工技术精细图形加工技术4.1 光刻与制版 3.计算机辅助制版 图形发生器相当于一架特殊的照相机。与一般照相机不同的是，它并不是由外界物体的光线通过物镜在底片上直接成像的，而是接受来自计算机输入数据成像，从而制得图象版子的。这些由计算机输入到图形发生器的数据，是人们应用一种特定的制版语言，将集成电路的设计草图的图形数据输入到计算机中，之后经过计算机的加工处理，变成图形发生器所能接受的图象信

21、号和数据，控制图形发生器，使其在母版上产生人们所需要的电路设计图形，从而制得掩模版。 现在已发展了三种图形发生器，即光学图形发生器、电子束图形发生器和激光束图形发生器。20第第4 4章章精细图形加工技术精细图形加工技术4.1 光刻与制版 3.计算机辅助制版 以上介绍的计算机辅助制版系统，不论是利用计算机控制大型绘图仪，绘制出电路版面，或者是驱动刻图机制作红膜版图，以及直接控制图形发生器制成光刻用的掩模版，仍然需要先由人设计和绘制出集成电路版图。虽然设计人员并不需要绘制出完整的版图，但人的干预还是比较多，而计算机的作用并没有充分发挥。如为了向计算机输入设计草图中各个图形单元的坐标数据，就是一项十

22、分费时的工作。 计算机辅助制版技术的进一步发展使得设计人员不仅摆脱大量重复和费时的劳动，而且即使对于一些象微处理器那样电路图形没有规则的随机逻辑电路，设计人员只要向计算机提供简单的逻辑框图和电路的功能参数指标，计算机也能设计绘制出合乎要求的完整版图和制成掩模版。这就是计算机辅助制版的高级形式，是现在国内外都在积极开发和广泛采用的制版技术。21第第4 4章章精细图形加工技术精细图形加工技术4.1 光刻与制版 3.计算机辅助制版为此需要建立一个能存储大量信息的数据库。人们预先将集成电路用的各种晶体管、二极管和其它各种元器件的形状、几何尺寸和有关性能数据送到这个数据库中存储起来，而且还可以将用来组成

23、大规模和超大规模集成电路的各种单元电路的线路形式、功能和特性（交流特性、直流特性、瞬态特性等）有关数据送到数据库存储起来。当人们需要计算机辅助制版系统绘制一套完整的集成电路版图时，或者直接要求制成该电路的掩模版时，人们只要告诉计算机有关电路的设计要求，如逻辑功能和电路的主要设计指标，计算机就会自动地从数据库中寻找出合适的单元电路和各种晶体管与元器件的有关特性数据，按照电路设计要求，在尽可能小的面积上拼凑成电路的版图，并将各个分图（一块板子的图形）或总图显示在制版系统的显示器（荧光屏幕）上。设计人员运用自己丰富的设计经验，借助光笔，以人机对话的方式，对计算机设计的图形进行修改。当修改工作完毕后，

24、即可命令计算机进行掩模版的制作。22第第4 4章章精细图形加工技术精细图形加工技术4.1 光刻与制版 3.计算机辅助制版 这样，除了人们向计算机输入所要设计和制版的集成电路的简单信息和进行人机对话修改版图外，电路的大量设计工作从单元电路的选定、电路的线路结构形式的确定、电路中各个单元电路或元、器件在版图上的布局位置和布线图，以及最后制作出供光刻用的电路掩模版，都可由计算机一气呵成了。这不仅节省了设计人员大量而繁重的劳动，而且使电路的设计制版周期大大地缩短了（对于大规模集成电路来说，由于线路中所包含的惊人多的元、器件数量以及电路功能的复杂性，过去依靠人工设计和制作一套电路的板子，一般需要经过多次

25、反复，最后才能成功。设计制版周期往往长达数月之久。发展到超大规模集成电路后，依靠人工设计制版已是完全不可能的了）23第第4 4章章精细图形加工技术精细图形加工技术4.1 光刻与制版 3.计算机辅助制版这里困难的问题是需要建立大容量的数据库（存储数据信息的数据库）。对于一些包含大量重复单元和具有对称结构的集成电路（如大规模和超大规模存储器），单元大电路的结构形状比较单一，因此比较容易建立所要求的数据库，但是象微处理器一类大规模和超大规模集成电路，它们所包含的单一电路形式较多，版图的布线往往是随机的，缺乏象存储器那样显示规则性的简单排列。这就要求计算机有大的内存容量和快速的运算速度，所需的软件系统

26、也是很复杂的。大规模和超大规模集成电路的出现已经全面刷新了计算机的技术指标，而计算机又反过来成为大规模和超大规模集成电路的强有力设计制版工具。大规模和超大规模集成电路与电子计算机之间这种相互促进、彼此支持的关系，现阶段还只能说是一个良好的开头。比如现在急速发展中的超大规模存储器-超大规模集成电路的带头产品，将会更大量地作为计算机的内存系统，因而上面所谈到的集成电路设计制版所需要的具有大容量数据库的计算机，行将普遍应用于集成电路的设计制版系统中。24第第4 4章章精细图形加工技术精细图形加工技术 4.2 曝光技术4.2.1 非接触式曝光技术4.2.2 远紫外光曝光技术4.2.3 X射线曝光技术4

27、.2.4 电子束曝光技术4.2.5 离子束曝光技术25第第4 4章章精细图形加工技术精细图形加工技术 4.2 曝光技术4.2.1 非接触式曝光技术 自从1960前后光刻工艺被应用于半导体工业中，在将近10年左右的时间里，一直是采用接触式曝光方式，那就是将掩模版与制作电路用的晶片直接接触进行曝光（早期通过机械装置将两者贴紧，后来改用真空吸住压紧和喷气压紧方式）。 70年代初，当大规模集成电路推进到工业生产阶段后，虽然接触式曝光法具有分辨率高和设备价廉等优点，但其固有缺点-易损坏掩模版和容易产生间距误差（因此需对掩模版定期清洗和检查），严重地影响大规模集成电路的成品率。为此人们寻找适应大规模集成电

28、路发展需要的非接触式曝光方法。26第第4 4章章精细图形加工技术精细图形加工技术 4.2 曝光技术4.2.1 非接触式曝光技术非接触式曝光法又分为接近式曝光和投影曝光两种方法。接近式曝光法就是在曝光时使掩模版与基片（硅片）不直接接触，两者之间间隔1030微米的间隙。这种方法适宜制作线条宽度为35微米以上的电路图形。接近式曝光（光刻）设备在1972年出现，但真正合乎实际工艺应用要求的接近式曝光（光刻）设备到19741975年才问世。采用接近式曝光方法必须配备性能十分良好的照明系统（光源系统），这样才能在较短时间内在硅片上均匀地刻蚀出高质量的图形。这是因为当掩模版与硅片之间留有间隙时，光的衍射效应

29、更为严重的缘故。当电路图形线条相互靠得很近时，这些线条边缘的衍射条纹就彼此重合起来，使图形变得模糊。掩模版与硅片之间相隔间隙越大，衍射现象越显著。但如所设计的光源大小合适和系统完善的话，则将大大减弱这种衍射现象。因此接近式曝光方法的关键是设计配备一个良好的光源系统。现在可用计算机来确定光源系统的最佳设计值，以得到效率高、均匀性好和成像清晰的光源系统（如先用椭圆凹面反射镜来会聚全部光束，再通过大小合适的蜂窝透镜后，就能得到接近式曝光所需要的高效率和良好均匀性的照明条件）。27第第4 4章章精细图形加工技术精细图形加工技术 4.2 曝光技术4.2.1 非接触式曝光技术 由于光的衍射效应随掩模版与被

30、曝光基片之间的间隙加大而变得显著，因此间隙量愈大，光刻分辨率愈低。当间隙为20微米时，一般在工艺生产上只能达到4微米左右的线条宽度的电路图形；当间隙缩小到10微米时，也只能达到3微米左右的线条宽度的电路图形。考虑到不同电路的制作要求，这种接近式曝光设备的掩模版与基片之间距离间隙量往往是可调的。为了避免掩模版与基片相碰及混入灰尘，往往在基片与掩模版之间喷进氮气。 接近式曝光的最显著优点是延长了掩模版的使用寿命。一般在相同曝光次数的条件下，采用接近法的掩模版寿命比接触法曝光延长了10倍以上，而且间隙越大，掩模版产生的缺陷数也越少。28第第4 4章章精细图形加工技术精细图形加工技术 4.2 曝光技术

31、4.2.1 非接触式曝光技术投影式曝光方法原理很简单，它是通过光学系统，将掩模图形反射或透射到硅片或其它涂敷感光材料的基片上成像。因此掩模版与硅片或基片完全不相接触，所以也根本不存在污染或磨损掩模版的问题。按照投影成像倍数的不同，投影式曝光可分成1：1投影曝光和缩小投影曝光两种方法。1：1投影曝光是不缩小的投影曝光。一种1：1全反射投影曝光的成像系统由具有同心关系的一个凹面镜（主反射镜）和一个凸面镜（副反射镜）组成。由光源发出的光经过聚光镜后，穿过掩模图形，并在凹面镜和凸面镜之间来回反射（被凹面镜反射两次，被凸面镜反射一次）最后投射到片子上成像。需要指出的是，这种1：1全反射投影曝光并不象接触

32、式或接近式那样静止曝光，而是以动态扫描形式进行曝光的，因为在曝光时，掩模版和基片都是快速且均匀地作线性运动（两者的运动保持同步），使得从反射镜出来的掩模图形（光束）以弧形狭缝形在基片上扫描。这样可以消除像差，在片子上可以形成高质量的电路图形像。29第第4 4章章精细图形加工技术精细图形加工技术 4.2 曝光技术4.2.1 非接触式曝光技术这种1：1全反射投影曝光技术是在70年代中期开始发展起来的，并很快被推广应用于大规模和超大规模集成电路实际生产中（由美国珀金埃尔默公司首先创制出这类1：1全反射投影光刻机）。在工艺生产线上，应用这种曝光技术很容易达到23微米的最小线条宽度。如果以远紫外光作为光

33、源，那么有可能达到11.5微米的线条宽度。除了1：1全反射型投影曝光方法外，还有1：1透射型投影曝光方法。这是利用光线透过透镜系统而在片子上成像的（类似于照相机成像原理，不过是不缩小成像的）。缩小投影曝光（光刻）概念在60年代末由美国和日本首先提出，但是直到1977年才出现第一台可供实际使用的缩小投影曝光装置。应用缩小投影曝光方法，在硅片上所形成的投影图形比掩模图形缩小了（有缩小2倍的和缩小4、5、6倍的）。它是利用具有高分辨率的缩小透镜直接在硅片上投影成像。由于掩模的尺寸可以作得较大，即掩模的图形可比最终实际电路图形放大多倍，因此可以获得很好的掩模反差和掩模尺寸精度，简化了掩模的制造工艺。3

34、0第第4 4章章精细图形加工技术精细图形加工技术 4.2 曝光技术4.2.1 非接触式曝光技术现在实际应用的缩小投影曝光装置多是分步重复型缩小投影曝光机，简称为DSW系统（DSWDirect Step on the Wafer）。这种设备是在分步重复照相机和投影光刻系统两者结合的基础上制成的，其设计出发点是将大视场分割为许多较小的面积，以分步重复的方式将电路芯片图形一个个或一组组地投影到硅大圆片上。这样解决了大视场和细线条两者难于兼顾的困难，达到高分辨率和高对准精度的要求。分步重复缩小投影曝光装置是由高能量照明系统、高分辨率缩小透镜和高精度工作台（如采用激光干涉仪来精密控制工作台）三者构成的。

35、现在已发展了多种分步重复缩小投影曝光设备。这种分步重复缩小投影曝光系统的实用性强，价格便宜（比电子束曝光设备的成本降低一个数量级）。它已成为大规模和集成度不是很高的超大规模集成电路（即超大规模集成电路的低档产品）的常用生产设备。表43是国外几家著名公司的分步重复缩小投影系统型号和投影缩小比例一览表。31第第4 4章章精细图形加工技术精细图形加工技术 4.2 曝光技术4.2.1 非接触式曝光技术表43 国外主要公司生产的分步重复缩小投影曝光机型号和缩小比例型号生产公司缩小投影比例特点FPA-121FPA-141Mann-400SireDSW-4800DSW-4800NSR-1505GCSFNSR

36、-1014GNSR-2005GSRA-100日本Canon日本Canon美国GCA荷兰Philip美国GCA美国GCA日本光学法国Thomson日本光学日本光学2：14：110：110：110：15：15：15：110：15：110：1无自动聚焦，分辨率1.5-3.0微米无自动聚焦分辨率1.25微米硅片自动定位套准硅片自动定位套准硅片自动定位套准分辨率1.2微米；硅片自动定位套准硅片自动定位套准分辨率1.0微米；对准精度0.15微米分辨率1.0微米；对准精度0.15微米分辨率1.0微米；对准精度0.2微米32第第4 4章章精细图形加工技术精细图形加工技术 4.2 曝光技术4.2.1 非接触式曝

37、光技术 与反射型投影曝光机相比，分步重复缩小投影曝光设备的不足之处是设备价格比较昂贵（约为反射型设备的23倍），而且处理硅片能力低（曝光光刻图形的速度慢）其处理硅片的效率仅为反射型投影曝光设备的一半左右。这是因为反射型曝光装置是一次成像的，而分步重复型曝光设备则需经过多次重复曝光（分步重复曝光），最后才能获得完整的图象。33第第4 4章章精细图形加工技术精细图形加工技术 4.2 曝光技术4.2.2 远紫外光曝光技术 传统的光刻工艺是采用波长为4,000埃左右的紫外光作为光源，对片子表面的感光膜进行曝光的。到了60年代末，在急速发展的大规模集成技术面前，这种工艺日益显示出其自身固有的局限性。由于

38、光的衍射效应，应用4,000埃的紫外光作为光源，最小线条宽度小于23微米是很困难的。 光学理论指出：光的波长越短，则在障碍物边缘所产生的衍射效应就越不显著。衍射量与光的波长平方根成正比。因此人们理所当然地寻找具有更短波长的光源作为曝光光源。那就是远紫外光和X射线曝光技术兴起的缘由。34第第4 4章章精细图形加工技术精细图形加工技术 4.2 曝光技术4.2.2 远紫外光曝光技术 所谓远紫外光曝光方法，实际上不是一种新的曝光原理，而只是引入了一种新的光源。因此曝光装置机构并没有多大变化。远紫外光是指波长为2,000-3,000埃的紫外线，与以往采用的4,000埃紫外光相比，光的波长缩短1/2-1/

39、3。因此根据光的衍射量与光的波长平方根成正比的理论，采用远紫外光曝光时，其分辨率可提高1.5倍左右。工艺实践业已表明：实际达到的分辨率提高程度远远超出上述理论计算值，图形线条宽度达到1-1.5微米。 美国IBM公司于1975年首先倡导这一曝光技术。随后美国贝尔实验室使用波长为1,849埃的远紫外光，应用接近式曝光装置，制得了2微米线条宽度的电路图形。继之日本大力发展了远紫外光曝光技术和曝光设备，从而使这一曝光技术陆续广泛应用于大规模和超大规模集成电路的制作中。35第第4 4章章精细图形加工技术精细图形加工技术 4.2 曝光技术4.2.2 远紫外光曝光技术 作为远紫外光光源，氘灯的发光光谱虽然在

40、2,000-2,600埃范围内，但发光不够稳定。氙汞灯作为远紫外光源，比氘灯更理想些。另外，远紫外光的光能量大约是普通紫外光的两倍，因此所用抗蚀剂是不同的。光学系统中的透镜和掩模基版材料必须对远紫外光具有良好的透射性（如兰宝石、各种氟化物和高质量的人造石英等）。 远紫外光曝光方法的另一个优点是它可沿用一般的曝光设备，只要对光源、透镜和掩模基版材料作相应的改变就行了。因此，与下面将叙述的X射线和电子束曝光相比，它具有工艺和设备的继承性。36第第4 4章章精细图形加工技术精细图形加工技术 4.2 曝光技术4.2.3 X射线曝光技术 X射线曝光（光刻）技术向超大规模集成电路提供了可靠的工艺手段，使人

41、们有可能通过更为经济的工艺途径，制造出更高集成度的超大规模集成电路。X射线曝光的中心思想是以波长极短（只有几埃）的X射线作为曝光用光源，因此几乎不存在因衍射效应而引起的分辨率降低现象，所以可以达到非常高的图形精度。 X射线曝光方法与通常的紫外光曝光方法相类似，只是以X射线源代替紫外光源（汞灯）。X射线源一般采用电子激励法产生，就是在真空中将由电子枪产生的电子在高压下进行加速后，轰击作为阳极的靶。被轰击的靶就会产生出X射线。应用不同的靶材料，则由靶所发出来的X射线的波长也不相同。发射8.3埃波长的铝钾靶是最常用的典型靶材料。37第第4 4章章精细图形加工技术精细图形加工技术 4.2 曝光技术4.

42、2.3 X射线曝光技术 由靶发射的X射线通过掩模版后，将掩模图形投射到涂敷有感光抗蚀剂的硅片表面，从而复印出电路图形。掩模版与硅片之间一般留有35微米的间隙，这样使掩模版不致遭受磨损。 X射线曝光用的掩模版与紫外光掩模版有很大区别。因为X射线不能穿透通常用作掩模的玻璃基版，所以必须选用对X射线具有高度透射性的材料作为掩模基版，这也是X射线曝光技术的困难之一。 为选用合适的掩模基版材料，进行了较长时期的试验。曾选用掺硼的硅片作掩模基版，但可见光无法穿透硅基片，曝光时不可能应用一般光学方法进行掩模对准。用氮化硅薄膜，但强度不够理想。现在比较成熟的是采用聚酰亚胺作为掩模材料，但必须要有一个支架来支撑

43、聚酰亚胺薄片。38第第4 4章章精细图形加工技术精细图形加工技术 4.2 曝光技术4.2.3 X射线曝光技术 掩模图形必须采用对X射线不透明的材料。由于X射线穿透力强，能穿透一般物质，包括大多数金属，所以需用能吸收X射线的重金属作为形成掩模上的电路图形的材料，其中金是比较理想的材料。所以X射线曝光用的掩模图形多是厚度为0.5微米的金膜图形。 另外，X射线曝光用的抗蚀剂也与常规光刻用的抗蚀剂根本不同。高灵敏度和高分辨率的X射线曝光用的抗蚀剂的研制仍是一个有待解决的中心技术问题。 尽管X射线曝光技术尚有不少技术问题需要继续加以突破，但它作为一种超大规模集成电路有力的潜在生产手段，是毫无疑问的。因为

44、它具有以下明显的优点：39第第4 4章章精细图形加工技术精细图形加工技术 4.2 曝光技术4.2.3 X射线曝光技术具有以下明显的优点： （1）由于X射线波长非常短，基本上可以忽略衍射现象，因而可以获得很高的分辨率和微米量级的图形线条宽度； （2）由于X射线可以穿透尘埃，因此采用这种曝光方法可以消除因尘埃而引起的图形缺陷，对制作环境的净化要求比较低； （3）与电子束曝光装置相比，设备较简单，可以在空气中对硅片曝光； （4）除X射线源以外，基本上可以沿用各种已成熟的掩模对准方法。40第第4 4章章精细图形加工技术精细图形加工技术 4.2 曝光技术4.2.4 电子束曝光技术 电子束曝光技术虽然目前

45、仍在不断地取得进展，但它现在已成为制造大规模和超大规模集成电路的一项实用工艺技术，也是今后超大规模集成电路集成度赖以提高的主要工艺手段。 电子束曝光技术早在50年代末期就已开始发展，并于60年代上半期首先应用于场效应晶体管的制作中，但在大规模集成电路兴起后，这门技术才得到蓬勃的发展和更广泛范围的应用。41第第4 4章章精细图形加工技术精细图形加工技术 4.2 曝光技术4.2.4 电子束曝光技术 应用于大规模和超大规模集成电路制作中的电子束曝光方法有两种类型-电子束扫描式曝光和电子束投影曝光。电子束扫描式曝光就是应用电子计算机控制电子束扫描系统，使电子束在基片上扫描绘出电路图形。当基片为涂有感光

46、胶的掩模版时，扫描后得到掩模版；而当以硅片作为基片时，则经电子束扫描后，就直接获得所要制作的芯片图形。按照扫描方式的不同，扫描式曝光又分为光栅扫描和矢量扫描两种方法。前者于1970年由美国贝尔实验室首创，后者是在1973年由美国得克萨斯公司发明的。42第第4 4章章精细图形加工技术精细图形加工技术 4.2 曝光技术4.2.4 电子束曝光技术 光栅扫描式的扫描方式与电视接受机中显象管扫描方式类同，电子束一行一行地对基片进行全面积扫描，只是在不需要扫描的区域，电子束被切断。这种扫描方式的电子光学系统比较容易设计，成像重复性好，但制版速度比较慢。 矢量扫描式的电子束仅在需要曝光成像的图形区域内扫描。

47、因此这种方式的扫描面积小，制版速度快，但其电子光学系统设计比较困难。 电子束投影曝光可分为原寸（1：1）投影曝光和缩小投影曝光两种方法。43第第4 4章章精细图形加工技术精细图形加工技术 4.2 曝光技术4.2.4 电子束曝光技术 电子束原寸投影曝光(光电子束原寸投影曝光)是图形不缩小曝光。在以石英作为基板的掩模版上蒸发制作一层由铯碘化合物材料构成的光电阴极层，在光电阴极层下方预先制作铬膜金属图形，将需要曝光的硅片与光电阴极掩模版平行地置于真空小室内。曝光时，用紫外光照射掩模版。由于紫外光受到铬膜的图形掩蔽，使得光电阴极层上被紫外光照射到的区域即是电路图形区域。当光电阴极层受到紫外光照射后，就

48、发射出与图形相对应的电子束。这些电子束被电磁场聚焦系统聚焦到硅片上，形成与光电阴极图形一样大小的象。由于这种曝光方法是使整个硅片被同时曝光（一次曝光成像），所以曝光效率较扫描电子束曝光方法要高许多，而且不需要专用电子计算机来控制电子束，设备比较简单便宜。应用此法虽可制作出亚微米的图形，但硅片表面的平整性好坏严重影响图形的质量，而且对准也较困难。44第第4 4章章精细图形加工技术精细图形加工技术 4.2 曝光技术4.2.4 电子束曝光技术电子束缩小投影曝光的理论研究工作早在1964年就已开始，但直到1975年才由美国IBM公司得出实验结果。电子束缩小投影曝光的原理与普通光学缩小投影曝光相似。此法

49、需要一块掩模版放置在电子枪与被曝光硅片之间。由于是缩小投影，因此掩模版上的图形可较电路实际图形放大一定倍数，甚至可以采用普通光学方法来制作掩模版。用此法可获得与扫描电子束相同的分辨率（亚微米级），但因只经过一次曝光成像，所以曝光效率比扫描电子束曝光方法高。电子束缩小投影曝光方法的困难是必须采用一种无基板的厚度仅为10微米左右的金属箔掩模。因为如果采用有基板的掩模，那么电子束通过掩模版时将出现散射现象，影响所形成图形的质量。从这点来说，电子束扫描曝光更有实用价值。45第第4 4章章精细图形加工技术精细图形加工技术 4.2 曝光技术4.2.5 离子束曝光技术 为了适应超大规模集成电路超精细加工的需

50、要，人们努力借用各个学科和各种领域内业已发展的新技术和新工艺，其中离子束技术被移植到微电子工业中是属于最成功的尝试之一。 在核物理的研究和实验中，人们就已系统地观察和研究了被电场加速的离子撞击固体靶时产生的各种行为。但是离子束作为微电子加工技术之一，还是1964年前后才开始的，那就是利用离子注入的方法实现半导体掺杂。经过近20年的发展，除了已广泛应用的离子束注入技术外，还包括离子束曝光、离子束刻蚀、离子束外延和离子束退火等工艺技术。46第第4 4章章精细图形加工技术精细图形加工技术 4.2 曝光技术4.2.5 离子束曝光技术 实际上这是属于两种不同的离子束加工技术。前者-离子束注入，是利用元素

51、离子本身所具有的化学性质-掺杂效应，通过高能杂质离子注入到半导体晶体表面，以改变晶体表面的化学性质和物理性质；后者则是利用离子本身具有的能量来实现各种工艺目的。按照离子能量的不同，工艺目的也不同，如离子能量在10KeV以下时，离子束常被用来作为离子束刻蚀和离子束外延；当能量在几十至70KeV时，则被用作离子束曝光。 同电子束曝光相似，利用原子被离化后形成的离子流（离子束）作为光源，可对抗蚀剂进行曝光，从而获得微细的电路图形。虽然离子束曝光技术还处于发展和探索尝试阶段，但在未来超大规模集成电路制作工艺中，它将占据重要地位。47第第4 4章章精细图形加工技术精细图形加工技术 4.2 曝光技术4.2

52、.5 离子束曝光技术 按照曝光方式的不同，离子束曝光分为聚焦方式和掩模方式两种。 聚焦方式是将由液态金属离子源产生的离子，通过电场加速和静电透镜聚焦，将离子流聚焦成直径为0.1微米左右的离子束。再利用电子计算机控制离子束扫描，在基片上描绘出所需要的电路微细图形，从而实现抗蚀剂曝光。此曝光方式十分类似于应用计算机控制的电子束扫描曝光方法。 掩模方式则是通过掩模版来实现图形的曝光复印，类似于利用掩模版的电子束投影曝光方法。48第第4 4章章精细图形加工技术精细图形加工技术 4.2 曝光技术4.2.5 离子束曝光技术 离子束曝光的突出优点是分辨率和灵敏度都很高。因为与电子束曝光相比，离子的质量比电子

53、大得多，所以离子在固体中的散射作用远较电子弱，易于获得高精度微细图形。同时，由于离子质量大，射入抗蚀剂后所受到的阻挡作用很大，离子在抗蚀剂层内的射程要比电子短得多，离子能量能被抗蚀剂充分吸收。所以应用相同的抗蚀剂时，离子束曝光灵敏度比电子束曝光灵敏度可高出一个数量级以上，曝光时间可缩短许多。利用离子束曝光技术可以实现大于0.5微米线条宽度的电路图形。当然，与业已发展完善的电子束曝光技术相比，离子束曝光是一项正在急速被开发的曝光技术，尚有不少技术难关有待人们突破，如离子源的使用寿命和稳定性的问题；实现微细离子束聚焦问题等。49第第4 4章章精细图形加工技术精细图形加工技术 4.3 光刻机技术发展

54、简介 就光刻技术而言，14Mb DRAM及相应复杂度的微处理器等逻辑型大规模集成电路普遍采用的是汞弧频谱中的g线（436nm）5:1步进机（DSW），16Mb DRAM等则采用有良好分辨率和聚集深度的i线（365nm）步进机。表44给出64Mb以上器件的光刻技术途径。对于64Mb DRAM，普通i线步进机已逼近极限，但它采用移相掩模、改进照明等所谓波前技术时，仍是主要的光刻曝光手段。限定256Mb器件的0.25mm图形需用采用了波前技术的KrF步进机或用深紫外光（248nm）步进扫描机。此代器件还可使用单元投影型电子束直写或X射线光刻技术。1Gb器件有几种选择，从ArF准分子激光步进机到配有缩

55、微系统的X射线光刻技术。50第第4 4章章精细图形加工技术精细图形加工技术 4.3 光刻机技术发展简介表44 光刻技术途径64M256M1Gi线移相掩模改进照明DUV（深紫外光） KrF步进机DUV步进扫描移相掩模改进照明ArF步进机DUV步进扫描表面图形处理电子束直写单元投影系统（cell projection)X射线SR环X射线掩模缩微系统51第第4 4章章精细图形加工技术精细图形加工技术 4.3 光刻机技术发展简介 在70年代后期和80年代初期，投影扫描光刻机是占主导地位的光刻曝光工具。由Offner设计而由Perkin Elmer公司制造和售出的1倍投影扫描光刻机有2500多台，其名称

56、为Micralign。后来，随着硅片直径加大、器件尺寸缩小，制作芯片布满整个硅片的好的1倍掩模变得非常困难，于是光刻工作者转向分步重复光刻机，这种光刻机最早是由GCA公司推向市场并广泛销售的。这种步进光刻机采用含有一个或多个芯片的10倍（后来是5倍）母版在硅片上步进曝光，将芯片布满硅片。如果母版是完美的，也就是说没有可曝光出图形的缺陷，那么将不会有由于掩模缺陷而造成的成品率损失。因此，相对于扫描投影光刻机，其成品率大大提高了。虽然起初它并未被普遍接受，但这种缩小倍数的步进光刻机在IC制造中占主导地位已有10年以上，起初工作在g线（436nm），后来是i线（365nm），现在则是248nm。52

57、第第4 4章章精细图形加工技术精细图形加工技术 4.3 光刻机技术发展简介 随着芯片尺寸的增大和图形尺寸的缩小，步进光刻机镜头急剧加大而且日益复杂。现在这种镜头的价格超过了100万美元。步进光刻机的生产厂家已经开始制造扫描步进光刻机，这是一种混合的工具，它将母版通过一个小的、校正好的象进行缩小扫描，然后再步进到硅片的下一个位置。这种工具可以使用比通常的步进光刻机小得多的像场，使得镜头制造者可以在镜头的光瞳平面达到小得多的波前偏差。由于扫描结构的“扫描均化”作用，某些象差也可以减小。这样，这些步进扫描光刻机就在线宽与套准方面都达到了极好的控制。53第第4 4章章精细图形加工技术精细图形加工技术

58、4.3 光刻机技术发展简介4.3.1 微光刻镜头的发展趋势4.3.2 扫描投影光刻机4.3.3 扫描光刻机遇到的新问题4.3.4 扫描光刻机的生产率4.3.5 在芯片生产线中插入扫描光刻机54第第4 4章章精细图形加工技术精细图形加工技术 4.3 光刻机技术发展简介 4.3.1 微光刻镜头的发展趋势 为了满足芯片尺寸加大，同时最小图形尺寸缩小的要求，镜头设计者们不得不开发更大像场、更大数值孔径、工作波长更短的镜头。像素容量等于像场面积除以镜头可分辨的最小方形像素面积，这里镜头分辨率定为（/NA）。在给定的波长下，像素容量受到像场增大尺寸和满足严格像差要求能达到的最大NA的限制。大的像场和NA要

59、求有大的玻璃元件，其价格随直径急剧增加。像场大到一定程度，例如达到22mm2时，“全场”的步进光刻机镜头就变得太贵了。Markle是首先指出步进扫描光刻机可以克服全场步进光刻机像素容量限制的人之一。 对于特定一代镜头设计的步进光刻机而言，NA与像场直径的乘积近似为常数。若像场直径减小，就可以提高NA，而牺牲NA时，也可以加大像场直径。要使NA和像场尺寸都增加，通常需要新的镜头设计，按照Moore定则所要求的特征尺寸缩减，这种设计变得越来越困难。55第第4 4章章精细图形加工技术精细图形加工技术 4.3 光刻机技术发展简介 4.3.1 微光刻镜头的发展趋势做镜头的必须控制整个像场内的各种像差，如

60、球形像差、像场弯曲、像散、慧形像差和畸变。像差随像场直径增加而增加，当像场直径超过一定值时，对各种像差特性进行平衡成为不可能。目前微处理器芯片的面积在100200mm2的范围，其增大的速度已经减缓。Gordon Moore估计微处理器的制造成本在每英亩硅片面积10亿美元左右，他认为这一成本有效地限制了最大芯片面积。因而，为了增添更多的功能（增加晶体管），芯片制造者除了增加芯片面积之外，更着重于缩减最小图形尺寸并增添更多的连接层。与此同时，DRAM的生产继续推动着步进光刻机技术的发展。尽管微处理器利润很高，世界微处理器营业额仍然小于存储器营业额的20。DRAM的芯片尺寸将继续增大，然而目前的重点