第8章 光刻工艺概述3

*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）。

*48.3光刻技术光刻机的性能指标：

分辨率：机器产生特定尺寸的能力，分辨率越高越好，机器的性能越好。

套准能力：图形准确定位的能力

产量

*58.3光刻技术

*68.3光刻技术DRAM对投影光刻技术要求（教材2P153表7.1）

*7-X+X+Y-YDX-DYShiftinregistration-X+X+Y-YWaferpatternReticlepatternPerfectoverlayaccuracy

*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90º，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。

*98.3光刻技术对准标记

*108.3光刻技术未对准种类：(a)X方向(b)转动(c)伸出

*112ndMask1stMask2ndmasklayer1stmasklayerRA,投影掩模版对准标记,L/RGA,晶圆整体对准标记,L/RFA,晶圆精对准标记,L/R++++RALRAR+GA+FAL+FAR+GAR+

GALNotch,coarsealignmentFALFARFAL/R++FAL/R+For2ndmask+From1stmask{

*121 2 3 411 12 13 14 15 1610 9 8 7 6 523 24 25 26 27 2822 21 20 19 18 1732 31 30 29StartStop

*13UsedwithpermissionfromCanonUSA,FPA-2000i1

*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

*198.3光刻技术其他曝光方式:X射线曝光、电子束曝光、直接分步重复曝光、深紫外线曝光。

*20光的特性

l=vfLaserv=光速,3x108m/secf=频率，Hertz(cyclespersecond)

=波长,thephysicallengthofonecycleofafrequency,expressedinmeters

*21ABA+BWavesinphaseWavesoutofphaseConstructive（相长）Destructive（相消）

*22光的特性—反射

i

rIncidentlightReflectedlightLawofReflection:

i

rTheangleofincidenceofalightwavefrontwithaplanemirrorisequaltotheangleofreflection.

*23反射造成的影响PolysiliconSubstrateSTISTIUVexposurelightMaskExposedphotoresistUnexposedphotoresistNotchedphotoresistEdgediffractionSurfacereflection

*24Standingwavescausenonuniformexposurealongthethicknessofthephotoresistfilm.IncidentwaveReflectedwavePhotoresistFilmSubstrate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。

*25驻波效应:造成不同厚度光刻胶曝光的不均匀

*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IncidentwaveAntireflectivecoatingPhotoresistFilmSubstrate

*27BARCPolysiliconSubstrateSTISTIUVexposurelightMaskExposedphotoresistUnexposedphotoresist

*28(A)IncidentlightPhotoresistBARC(TiN)AluminumCandDcancelduetophasedifference(B)Topsurfacereflection(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

*29IncidentlightPhotoresistResist-substratereflectionsSubstrateIncidentlightPhotoresistSubstratereflectionSubstrateTopantireflectivecoatingabsorbssubstratereflections.顶部抗反射涂层（TARC）：在光刻胶和空气的交界面上减少反射

*30Snell’sLaw:sin

i=nsin

rIndexofrefraction,n=sin

i/sin

r

air(n

1.0)glass(n

1.5)fastmediumslowmedium

air(n

1.0)glass(n

1.5)fastmediumslowmedium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.Diffractionbands

*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

*37IlluminatorAlignmentscope(splitvision)MaskWaferVacuumchuckMaskstage(X,Y,Z,q)

Waferstage(X,Y,Z,q)

MercuryarclampUsedwithpermissionfromCanonUSA,

*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

*458.3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α：能够进入镜头的衍射光的最大半角λ：波长n

：物体和镜头之间的折射率

*468.3光刻技术

α实际上是镜头收集衍射光的能力的一种量度，ErnstAbbe利用了数值孔径NA描述该特性：

sinα

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

UV012341234LensQuartzChromeDiffractionpatternsMask

*48分辨率Thedimensionsoflinewidthsandspacesmustbeequal.Asfeaturesizesdecrease,itismo