光刻工艺概述3课件

1、 *1第8章 光刻工艺概述8.3 光刻技术 *28.3 光刻技术8.3.6 对准和曝光 对准 是把所需图形在晶圆表面上定位或对准。 曝光 是通过曝光灯或其他辐射源将图形转移到光刻胶涂层上。 如果说光刻胶是光刻工艺的“材料”核心，那么对准和曝光则是该工艺的“设备”核心。 图形的准确对准是保证器件和电路正常工作的决定性因素之一。 *38.3 光刻技术光刻机的性能表现 对准和曝光包括两个系统： 一个是要把图形在晶圆表面上准确定位（不同的对准机类型的对准系统各不相同）； 另一个是曝光系统（包括一个曝光光源和一个将辐射光线导向到晶圆表面上的机械装置）。 *58.3 光刻技术 *68.3 光刻技术DRAM

2、对投影光刻技术要求（教材2 P153 表7.1） *7-X+X+Y-YDX-DYShift in registration-X+X+Y-YWafer patternReticle patternPerfect overlay accuracy *88.3 光刻技术对准法则 第一次光刻只是把掩膜版上的Y轴与晶圆上的平边成90，如图所示。 接下来的掩膜版都用对准 标记与上一层带有图形的 掩膜对准。对准标记是一 个特殊的图形（见图）， 分布在每个芯片图形的边 缘。经过光刻工艺对准标 记就永远留在芯片表面，同时作为下一次对准使用。 *108.3 光刻技术未对准种类：(a) X方向 (b) 转动 (c)

3、 伸出 *1212 3 4111213141516109876523242526272822212019181732313029StartStop *148.3 光刻技术光刻机的分类 最初曝光设备是接触式光刻机和接近式光刻机，而今，光刻机已发展成两大类型，即光学光刻机和非光学光刻机， 如图所示。光学 光刻机采用紫外 线作为光源，而 非光学光刻机的 光源则来自电磁 光谱的其他成分。 *158.3 光刻技术光刻机的分类 接触式 接近式 扫描投影 步进式 分步扫描 X射线 电子束 混合和匹配 *168.3 光刻技术对准系统比较 *178.3 光刻技术曝光光源 普通光源光的波长范围大，图形边缘衍射现象

4、严重，满足不了特征尺寸的要求。所以作为晶圆生产用的曝光光源必须是某一单一波长的光源；另外光源还必须通过反射镜和透镜，使光源发出的光转化成一束平行光，这样才能保证特征尺寸的要求。 最广泛使用的曝光光源是高压汞灯，它所产生的光为紫外光（UV），为获得更高的清晰度，光刻胶被设计成只与汞灯光谱中很窄一段波长的光（称为深紫外区或DUV）反应。 除自之外，现今用的光源还有：准分子激光器、X射线和电子束。 *188.3 光刻技术紫外光为光源的曝光方式: 接触式曝光、接近式曝光、投影式曝光三种 *20光的特性l =vfLaserv = 光速, 3x108 m/secf = 频率，Hertz (cycles p

5、er second) = 波长, the physical length of one cycle of a frequency, expressed in meters *21ABA+BWaves in phaseWaves out of phaseConstructive（相长）Destructive（相消） *23反射造成的影响PolysiliconSubstrateSTISTIUV exposure lightMaskExposed photoresistUnexposed photoresistNotched photoresistEdge diffractionSurface re

6、flection *24 Standing waves cause nonuniform exposure along the thickness of the photoresist film.Incident waveReflected wavePhotoresistFilmSubstrate驻波：频率和振幅均相同、振动方向一致、传播方向相反的两列波叠加后形成的波。 *26解决方法涂抗反射层(ARC)用来减少来自光刻胶下面反射层的光反射底部抗反射层BARC顶部抗反射层Incident waveAntireflective coatingPhotoresistFilmSubstrate *2

7、7BARCPolysiliconSubstrateSTISTIUV exposure lightMaskExposed photoresistUnexposed photoresist *28(A) Incident lightPhotoresistBARC (TiN)AluminumC and D cancel due to phase difference(B) Top surface reflection(C)(D)有机抗反射涂层：通过吸收光来减少反射，与光刻胶一样被涂在晶圆表层无机抗反射涂层：不吸收光，通过特定的波长相移相消起作用，受折射率、膜层厚度和其他参数影响 *30Snells

8、Law: sin i = n sin r Index of refraction, n = sin i / sin r air (n 1.0)glass (n 1.5)fast mediumslow mediumair (n 1.0)glass (n 1.5)fast mediumslow medium光的折射 *318.3 光刻技术光的衍射孔径越小，屏幕上的像就越大 *32光沿直线传播.当光遇到物体边缘会发生衍射.当光波穿过狭缝时会产生衍射或干涉图样. Diffraction bands *338.3 光刻技术避免光的衍射的方法：接触式曝光 在该种情况下衍射效应最小。设备造价低，而且容易获得

9、小的特征尺寸。 由于掩膜版与硅片相接触磨损，使掩膜版的寿命降低。 不适用于复杂芯片的大批量生产。 *348.3 光刻技术接触式光刻机 优点：曝光时掩模版压在涂了光刻胶的圆片上，从而可以获得小的特征尺寸。该设备造价低。 *358.3 光刻技术接近式曝光 是以牺牲分辨率来延长了掩膜版的寿命，对大尺寸和小尺寸器件上同时保持线宽容限还有困难。 一般来说，版和晶圆的距离大致为5-25微米。 掩模浮在晶圆表面，一般在一层氮气气垫上。 *368.3 光刻技术接触/近式曝光系统 *37IlluminatorAlignment scope (split vision)MaskWaferVacuum chuckM

10、ask stage (X, Y , Z , q) Wafer stage (X, Y, Z, q) Mercury arc lampUsed with permission from Canon USA, *388.3 光刻技术惠更斯-菲涅尔原理 波前上任一点都可看作发射子波的波源,发出球面子波,在以后任意时刻各子波的包迹形成下一时刻新的波前 *398.3 光刻技术(a)图中在自由空间内，多个叠加(b)图中只有孔径的源点起到后面波的叠加作用 *408.3 光刻技术 假定掩模版和硅片分开一个小的间隙g，假设一束平面波入射到某一孔径上，在光刻胶上形成的光强分布如图所示，随着g的增大，衍射作用会越来

11、越大 *418.3 光刻技术 基本上光刻胶表面的光强和g的关系如图所示 *428.3 光刻技术 假设一块暗场掩模板上有一个宽度为W的单孔，假设以单色非发散光源曝光，间隙g在菲涅尔衍射理论的范围： 上式取右端，此时最小的可分辨的特征量（影响特征尺寸）为： *438.3 光刻技术投影式曝光 避免了掩膜版与硅片表面的摩擦，延长了掩膜版的寿命。 掩膜版的尺寸可以比实际尺寸大得多，克服了小图形制版的困难。 消除了由于掩膜版图形线宽过小而产生的光衍射效应，以及掩膜版与硅片表面接触不平整而产生的光散射现象。 *448.3 光刻技术投影式曝光虽有很多优点，但由于光刻设备中许多镜头需要特制，设备复杂 *458.

12、3 光刻技术 假定要成像的是两个点光源，想把掩模版上的图像印制到光刻胶上。镜头的分辨率R计算（A和B的距离）： f：透镜到硅片的距离：能够进入镜头的衍射光的最大半角：波长n ：物体和镜头之间的折射率 *468.3 光刻技术 实际上是镜头收集衍射光的能力的一种量度，Ernst Abbe利用了数值孔径NA描述该特性： sin 大致可以用透镜的半径和透镜的焦长之比决定。 *47透镜收集衍射光UV012341234LensQuartzChromeDiffraction patternsMask *48分辨率The dimensions of linewidths and spaces must be

13、equal. As feature sizes decrease, it is more difficult to separate features from each other. *49 k1是一个常数(一般最小为0.6)，决定于光刻胶区分光强变化能力 该式说明，取得好的图像分辨率的方法在于：短的曝光波长高数值孔径的透镜例题 *50 如果给定波长、数值孔径和工艺因子，就可以计算出一个光刻机的预期分辨率，比如 *51Lens, NAWaferMaskIlluminator, Rk = 0.6R365 nm 0.45 486 nm365 nm 0.60365 nm193 nm 0.45257

14、 nm193 nm 0.60193 nmi-lineDUV k NAR = *52增加数值孔径,也就是增加透镜的半径,会使成本昂贵。焦深DOF的概念：焦点周围的一个范围，在这个范围内图像连续的保持清晰。+-PhotoresistFilmDepth of focusCenter of focusLens *53Exposure lightLens NAPinhole masksImage resultsDiffracted lightGoodBadPoor在光刻时，焦深应该可以穿越光刻胶层的上下表面。焦深计算公式： *54结果：数值孔径增加，分辨率提高，但是焦深会减少。 一般光刻机的焦深在1m

15、*55 2(NA)2DOF = PhotoresistFilmDepth of focusCenter of focus+-Lens, NAWaferMaskIlluminator, DOFR DOF365 nm 0.45 486 nm901 nm365 nm 0.60365 nm507 nm193 nm 0.45257 nm476 nm193 nm 0.60193 nm268 nmi-lineDUV *568.3 光刻技术三种形式光强比较 *57其他形式的光刻机直接分步重复曝光 分步重复曝光光学原理图： 只投影一个曝光场，可能是晶圆上一个或多个芯片 *58分步重复曝光机 *598.3 光刻技

16、术三个独特的优点：（1）它是通过缩小投影系统成像的，因而可以提高分辨率。用这种方法曝光，分辨率可达到11.5微米；（2）不要1:1精缩掩膜，因而掩膜尺寸大，制作方便。由于使用了缩小透镜，原版上的尘埃、缺陷也相应的缩小，因而减小了原版缺陷的影响；（3）由于采用了逐步对准技术可补偿硅片尺寸的变化，提高了对准精度。逐步对准的方法 也可以降低对硅片表面平整度的要求。步进扫描光刻机 *605:1 lensUVUVStep and ScanImage FieldScanStepperImage Field(single exposure)4:1 lensReticleReticleScanScanWafe

17、rWaferStepping directionRedrawn and used with permission from ASM Lithography步进扫描光刻机融合了扫描投影光刻机和分步重复光刻机优点：增大了曝光场，加工大尺寸晶圆可以调节聚焦能力，弥补透镜缺陷和硅片平整度不足 *6162Illuminator opticsBeam lineExcimer laser (193 nm ArF )Operator console4:1 Reduction lens NA = 0.45 to 0.6Wafer transport systemReticle stageAuto-alignme

18、nt systemWafer stageReticle library (SMIF pod interface) *638.3 光刻技术X射线曝光（420埃）基本要求： 一、材料的形变小，这样制成的图形尺寸及其相对位置的变化可以忽略。 二、要求掩膜衬底材料透X光能力强，而在它上面制作微细图形的材料透X光能力差，这样在光刻胶上可获得分辨率高的光刻图形。 *648.3 光刻技术X射线示意图P217 *658.3 光刻技术电子束曝光电子束曝光的特点：电子束曝光的精度较高。电子束的斑点可以聚焦的很小，而且聚焦的景深很深，可用计算机控制，精度远比肉眼观察要高。电子束曝光改变光刻图形十分简便。电子束曝光机是把各次曝光图形用计算机设计图形就只要重新编程。电子束曝光设备复杂，成本较高 *668.3 光刻技术电子束曝光 *678.3 光刻技术深紫外线曝光 “深紫外光”大致定义为180nm到330nm间的光谱能量。它进一步分