三、后部封裝（在另外廠房）（1）背面減?。?）劃片、掰片（3）粘片（4）壓焊：金絲球焊（5）切筋（6）整形（7）封裝（8）沾錫：保證管腳的電學(xué)接觸（9）老化（10）成測（11）打字、包裝半導(dǎo)體制造過程后段（BackEnd）

---后工序構(gòu)裝（Packaging）：IC構(gòu)裝依使用材料可分為陶瓷（ceramic）及塑料（plastic）兩種，而目前商業(yè)應(yīng)用上則以塑料構(gòu)裝為主。以塑料構(gòu)裝中打線接合為例，其步驟依序為晶片切割（diesaw）、黏晶（diemount/diebond）、焊線（wirebond）、封膠（mold）、剪切/成形（trim/form）、印字（mark）、電鍍（plating）及檢驗（inspection）等。測試制程（InitialTestandFinalTest）

基本的集成電路加工工藝

在計算機及其VLSI設(shè)計系統(tǒng)上設(shè)計完成的集成電路版圖還只是一些圖像或和數(shù)據(jù)，在將設(shè)計結(jié)果送到工藝線上實驗時，還必須經(jīng)過一個重要的中間環(huán)節(jié)：制版。所以，在介紹基本的集成電路加工工藝之前，先簡要地介紹集成電路加工的掩模(Masks)及其制造。通常我們看到的器件版圖是一組復(fù)合圖，這個復(fù)合圖實際上是由若干個分層圖形疊合而成，這個過程和印刷技術(shù)中的套印技術(shù)非常相像。

制版的目的就是產(chǎn)生一套分層的版圖掩模，為將來進行圖形轉(zhuǎn)移，即將設(shè)計的版圖轉(zhuǎn)移到硅片上去做準備。制版是通過圖形發(fā)生器完成圖形的縮小和重復(fù)。在設(shè)計完成集成電路的版圖以后，設(shè)計者得到的是一組標準的制版數(shù)據(jù)，將這組數(shù)據(jù)傳送給圖形發(fā)生器(一種制版設(shè)備)，圖形發(fā)生器（PG-patterngenerator）根據(jù)數(shù)據(jù)，將設(shè)計的版圖結(jié)果分層的轉(zhuǎn)移到掩模版上(掩模版為涂有感光材料的優(yōu)質(zhì)玻璃板)，這個過程叫初縮。人工設(shè)計和繪制版圖，有利于充分利用芯片面積，并能滿足多種電路性能要求。但是效率低、周期長、容易出錯，特別是不能設(shè)計規(guī)模很大的電路版圖。因此，該方法多用于隨機格式的、產(chǎn)量較大的MSI和LSI或單元庫的建立。(DRC-設(shè)計規(guī)則撿查)

在獲得分層的初縮版后，再通過分步重復(fù)技術(shù)，在最終的掩模版上產(chǎn)生具有一定行數(shù)和列數(shù)的重復(fù)圖形陣列，這樣，在將來制作的每一個硅圓片(Wafer)上將有若干個集成電路芯片。通過這樣的制版過程，就產(chǎn)生了若干塊的集成電路分層掩模版。通常，一套掩模版有十兒塊分層掩模版。集成電路的加工過程的復(fù)雜程度和制作周期在很大程度上與掩模版的多少有關(guān)。集成電路的加工工藝過程是由若干單項加工工藝組合而成。下面將分別介紹這些單項加工工藝。1．光刻與刻蝕工藝

光刻是加工集成電路微圖形結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵工藝技術(shù)，通常，光刻次數(shù)越多，就意味著工藝越復(fù)雜。另—方面，光刻所能加工的線條越細，意味著工藝線水平越高。光刻工藝是完成在整個硅片上進行開窗的工作。光刻技術(shù)類似于照片的印相技術(shù)，所不同的是，相紙上有感光材料，而硅片上的感光材料--光刻膠是通過旋涂技術(shù)在工藝中后加工的。光刻掩模相當于照相底片，一定的波長的光線通過這個“底片”，在光刻膠上形成與掩模版（光罩）圖形相反的感光區(qū)，然后進行顯影、定影、堅膜等步驟，在光刻膠膜上有的區(qū)域被溶解掉，有的區(qū)域保留下來，形成了版圖圖形。光刻(Photolithography&Etching)過程如下：1．涂光刻膠2．掩膜對準3．曝光4．顯影5．刻蝕：采用干法刻蝕（DryEtching）6．去膠：化學(xué)方法及干法去膠

(1)丙酮中，然后用無水乙醇

(2)發(fā)煙硝酸

(3)等離子體的干法刻蝕技術(shù)光刻的八個步驟光刻曝光刻蝕光源曝光方式

光刻概述

評價光刻工藝可用三項主要的標準：分辨率、對準精度

和生產(chǎn)效率。涂光刻膠（正）選擇曝光

光刻工藝流程顯影（第1次圖形轉(zhuǎn)移）刻蝕（第2次圖形轉(zhuǎn)移）光源紫外光（UV）深紫外光（DUV）g線：436

nmi線：365

nm

KrF

準分子激光：248

nmArF

準分子激光：193

nm極紫外光（EUV），10~15

nmX

射線，0.2~4

nm

電子束離子束幾種常見的光刻方法接觸式光刻：分辨率較高，但是容易造成掩膜版和光刻膠膜的損傷。接近式曝光：在硅片和掩膜版之間有一個很小的間隙(10～25

m)，可以大大減小掩膜版的損傷，分辨率較低投影式曝光：利用透鏡或反射鏡將掩膜版上的圖形投影到襯底上的曝光方法，目前用的最多的曝光方式有掩模方式無掩模方式（聚焦掃描方式）接觸式非接觸式接近式投影式反射折射全場投影步進投影掃描步進投影矢量掃描光柵掃描混合掃描曝光方式三種光刻方式光刻三要素：光刻膠、掩膜版和光刻機光刻膠又叫光致抗蝕劑，它是由光敏化合物、基體樹脂和有機溶劑等混合而成的膠狀液體光刻膠受到特定波長光線的作用后，導(dǎo)致其化學(xué)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，使光刻膠在某種特定溶液中的溶解特性改變正膠：分辨率高，在超大規(guī)模集成電路工藝中，一般只采用正膠負膠：分辨率差，適于加工線寬≥3

m的線條正膠：曝光后可溶負膠：曝光后不可溶

曝光后烘焙DUV曝光后烘焙溫度均勻性曝光后烘焙延遲（表層不溶的阻止層）

I-Line曝光后烘焙目的：減少駐波效應(yīng)

DUV膠的胺污染引起的“T-top”PAGPAGPAGPAGPAGPAGPAGPAGH+H+H+H+H+H+H+H+H+H+}RegionofunexposedphotoresistNeutralizedphotoresistAcid-catalyzedreactionofexposedresist(postPEB)DevelopmentResistT-topping曝光后烘焙引起駐波減少(d)ResultofPEBPACPACPACPACPACPACPACPACPACPACPACPACPACPACPACPACPAC(c)PEBcausesPACdiffusionPACPACPACPACPACPACPACPACPACPACPACPACPACPACPACPACPACUnexposedphotoresistExposedphotoresist(b)StriationsinresistPACPACPACPACPACPACPACPACPACPACPACPACPACPACPACPACPACPACPACPACPACPACPACStandingwaves(a)ExposuretoUVlight

顯影負膠正膠顯影方法膠顯影參數(shù)

膠顯影出現(xiàn)的各種現(xiàn)象XXX?UnderdevelopIncompletedevelopCorrectdevelopSevereoverdevelopResistSubstrate負膠交聯(lián)UVCrosslinksUnexposedresistExposedresist顯影時光刻膠會膨脹變形正膠顯影曝光的膠溶解在顯影液中.UnexposedpositiveresistCrosslinkedresist顯影方法連續(xù)噴霧顯影旋覆浸沒顯影

連續(xù)噴霧光刻膠顯影VacuumchuckSpindleconnectedtospinmotorTovacuumpump(a)硅片軌道系統(tǒng)(b)噴霧式顯影Figure15.6

WaferTransferSystemLoadstationTransferstation氣相成底膜涂膠顯影和清洗去邊軟烘冷板冷板堅膜Waferstepper(Alignment/Exposuresystem)旋覆浸沒光刻膠顯影(d)甩干(c)DIH2O清洗(b)甩掉多余的顯影液(a)旋覆浸沒式滴顯影液浸沒式膠顯影參數(shù)顯影溫度15~25°C顯影時間顯影液用量當量濃度清洗排風硅片吸盤

堅膜堅膜特點:顯影后曝光蒸發(fā)顯影液中的溶劑使光刻膠變硬增加光刻膠與硅片的粘附性為下一步工藝準備比軟烘的溫度高，但不能使光刻膠變形用DeepUV堅膜

高溫下變軟的光刻膠流動Photoresist正膠130°，負膠150°顯影后檢查查找缺陷在腐蝕或離子注入前檢查PreventsScrap檢查光刻工藝的好壞硅片返工

自動顯影檢查設(shè)備PhotographcourtesyofAdvancedMicroDevices,LeicaAutoInspectionstationPhoto15.1

光刻、顯影檢查及返工流程1.VaporprimeHMDS2.SpincoatResist3.Softbake4.AlignandexposeUVlightMask5.Post-exposurebake6.Develop7.Hardbake8.DevelopinspectO2PlasmaStripandcleanRejectedwafersPassedwafersIonimplantEtchReworkFigure15.9

先進的光刻工藝

（非光學(xué)光刻）下一代光刻極紫外(EUV)角度限制投影電子束光刻SCALPEL離子束投影IonProjectionLithography(IPL)X-Ray先進的光刻膠工藝發(fā)展的方向（正膠、化學(xué)放大DUV）DESIRE擴散增強甲硅烷基光刻膠工藝

光刻技術(shù)的改進極紫外光刻技術(shù)示意圖Step-and-scanwaferstageStep-and-scan4×reflectionreticleHighpowerlaserTargetmaterialEUVPlasmaMultilayercoatedmirrors?

imageofreticleVacuumchamberRedrawnfromInternationalSEMATECH'sNextGenerationLithographyWorkshopBrochureFigure15.10

SCALPEL示意圖ElectronbeamStep-and-scanwaferstageElectrostaticlenssystem(4:1reduction)Step-and-scanreticlestageVacuumchamberIonbeamStep-and-scanwaferstageElectrostaticlenssystem(4:1reduction)VacuumchamberIonsourceMaskReferenceplate離子束投影RedrawnfromInternationalSEMATECH'sNextGenerationLithographyWorkshopBrochureFigure15.12

X-ray光譜10nm0.1nm1nm100nmMUVDUVHglamp同步加速器UVSpectrumEUVSoftX-raysHardX-rays準分子激光器Figure15.13

X-ray掩膜示意圖X-raysSiliconwafer薄膜玻璃架刻到下層薄膜的窗口鍍金度鉻圖形吸收X-ray掃描X-rays通過類似這種光掩膜版被指向生產(chǎn)硅片.Figure15.14

MOS器件中的輻射損傷光刻膠及光刻的發(fā)展NegativephotoresistPositivephotoresist(DNQ-酚醛樹脂)Chemicalamplification先進的光刻膠頂層表面成像接觸式曝光機G線分步重復(fù)光刻機I線分步重復(fù)光刻機掃描式光刻機DUV步進掃描光刻機DUV分步重復(fù)光刻機EUV步進掃描光刻機SCALPELIPL,X-rayPSM,OAI1970s10mm1.2mm0.35mm0.40mm0.18mm20100.1mm2000s0.13mm1mm1980s1990sFigure15.15

頂層表面成像Figure15.16

ExposedresistUnexposedresistUV(a)Normalexposureprocess(d)FinaldevelopedpatternO2plasmadevelop(b)PostexposurebakeCrosslinkedExposedSilylatedexposedresist(c)氣相甲硅烷基化作用SiSiHMDS附：掩膜版的構(gòu)造及質(zhì)量要求1.每個微小圖形要有高的圖像質(zhì)量2.圖形邊緣清晰、銳利、無毛刺3.整套掩膜版能夠很好對準4.圖形與襯底要有足夠的反差5.掩膜盡量無針孔、小島和劃痕6.版面平整、光潔、堅固耐磨新光刻技術(shù)在2003版的《國際半導(dǎo)體技術(shù)藍圖》中，增加了一個可能解決方案——浸入式光刻（Immersionlithography），2004年12月，《國際半導(dǎo)體技術(shù)藍圖》編委會發(fā)行了《國際半導(dǎo)體技術(shù)藍圖》修訂版，其中光刻一章在可能解決方案表中又給出了一些顯著的變化，把193納米光刻（非浸入式）擴展到90納米節(jié)點，并且撤消了離子投影光刻和近接X射線光刻。而在2005年的藍圖中，浸入式光刻繼續(xù)著其既有的發(fā)展態(tài)勢，作為2007年達到65nm、2010年達到45nm、2013年達到32nm和2016年達到22nm節(jié)點的關(guān)鍵技術(shù)。浸入式光刻是指在曝光鏡頭和硅片之間充滿水（或液體）而不是空氣。對于193納米光刻來說，水是最佳液體。但浸入式光刻技術(shù)仍有很多不確定性，如對置于水中的硅片和光刻性能帶來的影響，磨料中水吸附如何進行CD控制、模樣外形控制等。光刻工藝的發(fā)展70年代的光刻只能加工3～5μm線寬，4“～5”wafer。那時的光刻機采用接觸式的。如Canon，采用紫外線光源，分辨率較低。80年代發(fā)明了1:1投影式光刻機，可加工1～2μm線寬，5“～6“wafer。代表產(chǎn)品有美國的Ultrotec。

存在問題是：（1）Mask難做，要求平坦，不能有缺陷。（2）Wafer與Mask之間有間隙，使一些塵埃顆粒加入，造成影響。另外，有光折射產(chǎn)生。80年代后期出現(xiàn)了WaferStepper，10:1或5:1，使芯片加工進入了0.8μm的時代。代表產(chǎn)品有：美國的GCA，日本的Canon，Nikon及荷蘭的ASM。另外，美國的KLA更加先進，它帶有Mask檢查及修正系統(tǒng)。它將Mask上的圖形縮小5倍后投影到硅片上，因此，使缺陷縮小很多。它使用的光源仍是紫外線，但是用的是g-line，波長在436nm，可加工：0.8～1.0μm（大生產(chǎn)），0.5～0.8μm（科研）芯片。90年代對Stepper的改進大致兩個方面一是在光源上：（1）用i-line的紫外線，波長在365nm，可加工0.5～0.6μm

的芯片。（2）若用準分子激光光源KrF下，波長大約248nm，可加工：

0.25～0.5μm（大生產(chǎn))0.07～0.1μm（科研）的芯片。（3）還有用電子束（E-Beam）光源的，主要用于做Mask。二是在制作Mask上下功夫，并帶有Mask的修正功能，可通過檢測Mask上的缺陷，調(diào)整曝光過程。如果光刻膠是正性膠(光致分解)，則光刻膠膜的圖形與掩模版圖形屬性相同。如果光刻膠是負性膠(光致聚合)，則光刻膠膜的圖形與掩模版圖形屬性相反。

衍射

當一個光學(xué)系統(tǒng)中的所有尺寸，如光源、反射器、透鏡、掩模版上的特征尺寸等，都遠大于光源波長時，可以將光作為在光學(xué)元件間直線運動的粒子來處理。

但是當掩模版上的特征尺寸接近光源的波長時，就應(yīng)該把光的傳輸作為電磁波來處理，必須考慮衍射和干涉。由于衍射的作用，掩模版透光區(qū)下方的光強減弱，非透光區(qū)下方的光強增加，從而影響光刻的分辯率。

調(diào)制傳輸函數(shù)和光學(xué)曝光無衍射效應(yīng)有衍射效應(yīng)光強

定義圖形的

調(diào)制傳輸函數(shù)

MTF

為

無衍射效應(yīng)時，MTF=1；有衍射效應(yīng)時，MTF<1。光柵的周期（或圖形的尺寸）越小，則

MTF

越??；光的波長越短，則

MTF

越大。

圖形的分辯率還要受光刻膠對光強的響應(yīng)特性的影響。

理想光刻膠：光強不到臨界光強

Dcr時不發(fā)生反應(yīng)，光強超過

Dcr時完全反應(yīng)，衍射只造成線寬和間距的少量變化。

DcrD100D0

實際光刻膠：光強不到

D0

時不發(fā)生反應(yīng)，光強介于

D0

和D100

之間時發(fā)生部分反應(yīng)，光強超過

D100

時完全反應(yīng)，使線條邊緣出現(xiàn)模糊區(qū)。在通常的光刻膠中，當

MTF

<

0.5

時，圖形不再能被復(fù)制。

光源系統(tǒng)

對光源系統(tǒng)的要求

1、有適當?shù)牟ㄩL。波長越短，可曝光的特征尺寸就越??；

2、有足夠的能量。能量越大，曝光時間就越短；

3、曝光能量必須均勻地分布在曝光區(qū)。

常用的

紫外光

光源是高壓弧光燈（高壓汞燈），高壓汞燈有許多尖銳的光譜線，經(jīng)過濾光后使用其中的

g線（436

nm）或

i線（365

nm）。高壓汞燈的光譜線120100806040200200 300 400 500 600RelativeIntensity(%)h-line405nmg-line436nmi-line365nmDUV248nmEmissionspectrumofhigh-intensitymercurylamp

由于衍射效應(yīng)是光學(xué)曝光技術(shù)中限制分辨率的主要因素，所以要提高分辨率就應(yīng)使用波長更短的光源如

深紫外光。實際使用的深紫外光源有

KrF

準分子激光（248

nm）、ArF

準分子激光（193

nm）和

F2

準分子激光（157

nm）等。

深紫外光的曝光方式與紫外光基本相同，但需注意兩點，

1、光刻膠

2、掩模與透鏡材料

248

nm

波長的光子能量為

4.9

eV，193

nm

波長的光子能量為

6.3

eV

，而純凈石英的禁帶寬度約為

8

eV。波長越短，掩模與透鏡材料對光能的吸收就嚴重，造成曝光效率降低和掩模與透鏡發(fā)熱。

各種光學(xué)曝光光源的使用情況

1985

年以前，幾乎所有光刻機都采用g線(436

nm)光源，當時的最小線寬為1

m以上。1985

年以后開始出現(xiàn)少量i線(365

nm)光刻機，相應(yīng)的最小線寬為

0.5

m

左右。從

1990

年開始出現(xiàn)

DVU

光刻機，相應(yīng)的最小線寬為

0.25

m

左右。從1992年起i線光刻機的數(shù)量開始超過g線光刻機。截止到1998年

，g線、i線和

DVU

光刻機的銷售臺數(shù)比例約為1:4:2。7.5接觸式與接近式光刻機

一、接觸式光刻機SiU.V.MaskP.R.SiO2

優(yōu)點：設(shè)備簡單；理論上

MTF

可達到

1，因此分辨率比較高，約

0.5

m。

缺點：掩模版壽命短（10~20

次），硅片上圖形缺陷多，光刻成品率低。

二、接近式光刻機g=

10

~

50

m

優(yōu)點：掩模壽命長（可提高

10

倍以上），圖形缺陷少。

缺點：衍射效應(yīng)嚴重，使分辨率下降。

最小可分辨的線寬為式中，k

是與光刻膠處理工藝有關(guān)的常數(shù)，通常接近于1

。投影式光刻機式中，k1是與光刻膠的光強響應(yīng)特性有關(guān)的常數(shù)，約為

0.75。NA

為鏡頭的

數(shù)值孔徑，

投影式光刻機的分辨率由

雷利第一公式

給出，即一、分辨率與焦深n為折射率，為半接收角。NA

的典型值是

0.16

到

0.8。

增大

NA

可以提高分辨率，但卻受到

焦深

的限制。

分辨率與焦深對波長和數(shù)值孔徑有相互矛盾的要求，需要折中考慮。增加

NA

線性地提高分辨率，平方關(guān)系地減小焦深，所以一般選取較小的

NA。為了提高分辨率，可以縮短波長。

焦深

代表當硅片沿光路方向移動時能保持良好聚焦的移動距離。投影式光刻機的焦深由

雷利第二公式

給出，即

二、1:1掃描反射投影光刻機掩模硅片反射凹鏡反射凸鏡光源優(yōu)點

1、掩模壽命長，圖形缺陷少。

2、無色散，可以使用連續(xù)波長光源，無駐波效應(yīng)。無折射系統(tǒng)中的象差、彌散等的影響。

3、曝光效率較高。缺點數(shù)值孔徑

NA

太小，是限制分辨率的主要因素。

三、分步重復(fù)縮小投影光刻機

隨著線寬的不斷減小和晶片直徑的增大，分辨率與焦深的矛盾、線寬與視場的矛盾

越來越嚴重。為解決這些問題，開發(fā)出了分步重復(fù)縮小投影曝光機（DirectStep

on

the

Wafer，簡稱DSW，Stepper）。早期采用10:1縮小，現(xiàn)在更常用的是5:1

或4:1。光源聚光透鏡投影器掩模硅片UVlightReticlefieldsize20mm×15mm,4dieperfield5:1reductionlensWafer圖形曝光在硅片上是投影掩膜版上視場的1/54mm×3mm,4die每次曝光曲折的步進圖形

缺點

1、曝光效率低；

2、設(shè)備復(fù)雜、昂貴。

優(yōu)點

1、掩模版壽命長，圖形缺陷少；

2、可以使用高數(shù)值孔徑的透鏡來提高分辨率，通過分步聚焦來解決焦深問題，可以在大晶片上獲得高分辨率的圖形；

3、由于掩模尺寸遠大于芯片尺寸，使掩模制造簡單，可減少掩模上的缺陷對芯片成品率的影響。

當芯片的面積繼續(xù)增大時，例如

4GDRAM

的面積已達到32×32

mm2，線寬為

0.13

m，已達到視場的極限。于是又出現(xiàn)了步進掃描投影曝光機，當然設(shè)備就更加復(fù)雜和昂貴了。

先進掩模概念

一、保護薄膜分步重復(fù)縮小投影雖然可以減少小缺陷的影響，但大缺陷的影響更嚴重，因為它可以被復(fù)制到每一個小視場中。

解決的辦法是給步進機的掩模版蒙上一層保護薄膜，并使薄膜離開掩模版表面約

1

cm。這樣可使任何落在薄膜上的顆粒保持在光學(xué)系統(tǒng)的聚焦平面之外。

另一種用于接觸式光刻機的保護薄膜直接涂在掩模版上，它可以使接觸式光刻在保持高分辨率優(yōu)點的同時，提高掩模版的使用壽命，減少芯片上的缺陷。二、抗反射膜

光線在掩模版和透鏡表面的部分反射會使光能受到損失。有些光線經(jīng)多次反射后會打到硅片上，使圖形質(zhì)量受到影響。為了減小這個問題，一種新掩模技術(shù)采用在掩模版靠近鏡頭的一面加上10%

的抗反射劑。

由公式可知，由于

NA

對焦深的作用更大，所以通常希望采用較小的NA

值。一般將

NA

值取為

0.16

到

0.6。當k1為

0.75

時，有~

上式在一段時期內(nèi)被認為是光學(xué)曝光法的分辨率極限。若要進一步減小線寬，只能采用波長更短的光源，例如

X

射線。

三、相移掩模技術(shù)

對光刻膠和鏡頭等的改進只能稍微減小

k1

值。而

相移掩模技術(shù)

等

超分辨率技術(shù)

的發(fā)明使k1

突破性地下降了一半以上，從而使分辨率極限進入了

亞波長

范圍，使i線和深紫外光

的分辨率分別達到了

0.25

m

和

0.10

m，同時也使

X

射線光刻機的使用比原來預(yù)期的大大推遲。除了相移掩模技術(shù)外，超分辨率技術(shù)還包括

光學(xué)鄰近效應(yīng)修正技術(shù)

和

雙層及多層光刻膠技術(shù)

等。

相移掩模技術(shù)的關(guān)鍵是在掩模的透光區(qū)相間地涂上相移層，并使用相干光源。這使透過相鄰?fù)腹鈪^(qū)的光線具有相反的相位，從而使其衍射部分因干涉作用而相互抵消。

相移掩模技術(shù)對制版技術(shù)提出了新的要求，如相移材料的選擇、制備與加工，制版軟件中對相移層圖形的設(shè)計等。掩模版掩模處的光幅度襯底處的光幅度襯底處的光強度相移掩模普通掩模

邊緣相移掩模技術(shù)

把掩模設(shè)想為一個曝光矩陣

M，由許多

0

和

1

的像素組成，0

代表透明區(qū)，1代表不透明區(qū)。當用這塊掩模對硅片曝光后，在硅片表面可以得到一個包含相同數(shù)目像素的圖形矩陣

W。在理想情況下，這兩個矩陣應(yīng)該相同。但是在實際情況下，由于曝光工藝會造成硅片表面圖形的畸變，從而影響圖形矩陣W?？梢越⒁粋€矩陣

S來表示從矩陣M到矩陣W的變化，即

W=SM

矩陣S中包含了光學(xué)系統(tǒng)的所有信息。理想的S是一個單位矩陣，但實際上它包含了反映圖形畸變的非對角元素。

四、光學(xué)鄰近效應(yīng)修正技術(shù)

所謂光學(xué)鄰近效應(yīng)修正（OPC）就是求出矩陣

S的逆矩陣

S-1，用來對原來的掩模進行修正，得到新掩模的曝光矩陣為

M1=S-1M

用新掩模對硅片曝光后得到的圖形矩陣為

W1=SM1=S

S-1M=M

于是在硅片上得到了與原來掩模完全相同的圖形。

矩陣

S-1是很大的，可能包含

1010

個以上的像素，但也是一個很稀疏的矩陣。如果結(jié)合應(yīng)用多層部分吸收材料，可以得到更精細的

OPC

掩模版，但價格也十分昂貴。表面反射和駐波

一、表面反射

穿過光刻膠的光會從硅片表面反射出來，從而改變光刻膠吸收的光能，特別是硅片表面的金屬層會反射較多的光。硅片表面傾斜的臺階側(cè)面會將光反射到非曝光區(qū)。

解決辦法

1、改變淀積參數(shù)以控制薄膜的反射率；

2、使表面平坦化；

3、在光刻膠下加一層抗反射膜

二、駐波

駐波是由入射光和反射光之間的干涉造成的。駐波的波節(jié)與波腹之間的間隔為λ/4n

=0.16λ。對λ=200~

400

nm的紫外光，此間隔為

32~

64

nm，小于光刻膠厚度。膠中不同的光強分布，將導(dǎo)致不同的顯影速率，給線寬的控制帶來困難。

對準

大規(guī)模集成電路制造對光刻對準的規(guī)定是，對準誤差應(yīng)該不大于特征尺寸的1/4到1/3。

為了便于對準，在掩模上必須設(shè)置專門的對準標記。通過比較硅片表面的反射光和透過掩模返回的光來實現(xiàn)對準。

在步進光刻機上通常有自動對準系統(tǒng)。為了提高對準效率，可以先作一次人工對準。

掩模的熱膨脹也會產(chǎn)生對準誤差。為避免8

英寸掩模產(chǎn)生0.1

m

的膨脹，掩模的溫度變化必須控制在

0.75

C

左右。小結(jié)

限制光學(xué)曝光方式的分辨率的主要因素是衍射效應(yīng)。最早使用的接觸式光刻機，分辨率可到

1

m以下，但容易損傷掩模和硅片。解決的辦法是使用接近式光刻機，但要影響分辨率。介紹了具有亞微米分辨率的投影曝光系統(tǒng)。為了解決分辨率和焦深之間的矛盾，可以采用分步重復(fù)的方式。最后介紹了通過改進掩模制作提高分辨率的方法，即相移掩模技術(shù)和光學(xué)鄰近效應(yīng)修正技術(shù)。

隨著光刻技術(shù)的不斷發(fā)展，光學(xué)曝光的分辨率已進入亞波長范圍?，F(xiàn)在利用

193

nm

光源及

OPC

技術(shù)，已獲得

0.13

m的線寬，預(yù)期可達到

0.10

m

，甚至達到

0.07

m

。光學(xué)曝光的各種曝光方式及其利弊小結(jié)接觸式非接觸式優(yōu)點：設(shè)備簡單，分辨率較高缺點：掩模版與晶片易損傷，成品率低接近式優(yōu)點：掩模版壽命長，成本低缺點：衍射效應(yīng)嚴重，影響分辨率投影式全反射折射優(yōu)點：無像差，無駐波效應(yīng)影響缺點：數(shù)值孔徑小，分辨率低優(yōu)點：數(shù)值孔徑大，分辨率高，對硅片平整度要求低，掩模制造方便缺點：曝光效率低，設(shè)備昂貴

光刻膠

一、光刻膠的類型凡是在能量束（光束、電子束、離子束等）的照射下，以交聯(lián)反應(yīng)為主的光刻膠稱為

負性光刻膠，簡稱

負膠。凡是在能量束（光束、電子束、離子束等）的照射下，以降解反應(yīng)為主的光刻膠稱為

正性光刻膠，簡稱

正膠。

光刻膠的類型

光刻膠也稱為

光致抗蝕劑（Photoresist，P.R.）。

1、靈敏度

靈敏度的定義單位面積上入射的使光刻膠全部發(fā)生反應(yīng)的最小光能量或最小電荷量（對電子束膠），稱為光刻膠的靈敏度，記為S

，也就是前面提到過的

D100。S

越小，則靈敏度越高。

通常負膠的靈敏度高于正膠。

靈敏度太低會影響生產(chǎn)效率，所以通常希望光刻膠有較高的靈敏度。但靈敏度太高會影響分辨率。

光刻膠的特性

靈敏度曲線（對比度曲線）1.00.50D0入射劑量（C/cm2）未反應(yīng)的歸一化膜厚D100

2、分辨率

下面討論分辨率與靈敏度的關(guān)系。當入射電子數(shù)為

N

時，由于隨機漲落，實際入射的電子數(shù)在

范圍內(nèi)。為保證出現(xiàn)最低劑量時不少于規(guī)定劑量的90%，也即。由此可得。因此對于小尺寸曝光區(qū)，必須滿足

光刻工藝中影響分辨率的因素有：光源、曝光方式

和

光刻膠本身（包括靈敏度、對比度、顆粒的大小、顯影時的溶脹、電子散射等）。通常正膠的分辨率要高于負膠。式中，Wmin

為最小尺寸，即分辨率?？梢姡綮`敏度越高（即

S

越小），則

Wmin

就越大，分辨率就越差。

例如，負性電子束光刻膠

COP

的

S=0.3×10-6C/cm2，則其

Wmin=0.073

m。若其靈敏度提高到

S=0.03×10-6C/cm2，則其

Wmin

將增大到

0.23

m。

3、對比度

對比度是圖中對數(shù)坐標下對比度曲線的斜率，表示光刻膠區(qū)分掩模上亮區(qū)和暗區(qū)的能力的大小，即對劑量變化的敏感程度。靈敏度曲線越陡，D0與D100的間距就越小，則就越大，這樣有助于得到清晰的圖形輪廓和高的分辨率。一般光刻膠的對比度在

0.9

~

2.0

之間。對于亞微米圖形，要求對比度大于1。

通常正膠的對比度要高于負膠。D0D100

對比度的定義為

光進入光刻膠后，其強度按下式衰減式中，α為光刻膠的光吸收系數(shù)。設(shè)

TR

為光刻膠的厚度，則可定義光刻膠的

光吸收率

為

可以證明，對比度與光吸收系數(shù)α及光刻膠厚度

TR之間有如下關(guān)系

減小光吸收系數(shù)與膠膜厚度有利于提高對比度。

一個與對比度有關(guān)的光刻膠性能指標是

臨界調(diào)制傳輸函數(shù)

CMTF

，它代表在光刻膠上獲得能被分辨的圖形所必須的最小調(diào)制傳輸函數(shù)，其定義為

利用對比度的公式，可得

CMTF

的典型值為

0.4。如果光學(xué)系統(tǒng)的

MTF

小于

CMTF，則其圖像就不能被分辨；如果光學(xué)系統(tǒng)的

MTF

大于

CMTF，就有可能被分辨。

臨界調(diào)制傳輸函數(shù)

光刻膠材料1、負性光刻膠主要有聚肉桂酸系（聚酯膠）和環(huán)化橡膠系兩大類，前者以柯達公司的

KPR

為代表，后者以

OMR

系列為代表。

2、正性光刻膠主要以重氮醌為感光化合物，以酚醛樹脂為基體材料。最常用的有

AZ–1350

系列。正膠的主要優(yōu)點是分辨率高，缺點是靈敏度、耐刻蝕性和附著性等較差。

光刻膠通常有三種成分：感光化合物、基體材料

和

溶劑。在感光化合物中有時還包括增感劑。3、負性電子束光刻膠為含有環(huán)氧基、乙烯基或環(huán)硫化物的聚合物。最常用的是COP

膠，典型特性：靈敏度0.3~0.4

C/cm2（加速電壓

10KV時）、分辨率

1.0

m、對比度0.95。限制分辨率的主要因素是光刻膠在顯影時的溶脹。

4、正性電子束光刻膠主要為甲基丙烯甲酯、烯砜和重氮類這三種聚合物。最常用的是

PMMA

膠，典型特性：靈敏度

40~80

C/cm2（加速電壓20

KV時）、分辨率0.1

m、對比度2~3。PMMA膠的主要優(yōu)點是分辨率高。主要缺點是靈敏度低，此外在高溫下易流動，耐干法刻蝕性差。

正膠的典型反應(yīng)

一、光化學(xué)反應(yīng)化學(xué)反應(yīng)速度k可表示為

感光物質(zhì)的電子在未曝光時處于基態(tài)S0

，基態(tài)的反應(yīng)激活能

EA

大，因此反應(yīng)慢。曝光后，感光物質(zhì)的電子處于激發(fā)態(tài)S1、S2、S3等，

激發(fā)態(tài)的

EA

小，因此反應(yīng)變快。式中，A

、R

為常數(shù)，T為絕對溫度，EA

為化學(xué)反應(yīng)激活能，隨電子狀態(tài)的不同而不同。EA

越小，則在同樣的溫度下反應(yīng)速度越快。

二、勢能曲線可以借助于感光物質(zhì)的勢能曲線來討論光化學(xué)反應(yīng)。下圖是重氮基萘的

RN-N2

切斷反應(yīng)的勢能曲線。S0S1S2S3T188Kcal72KcalEA(S1)

=16KcalEA(S0)

=38KcalRN

與

N2的間距勢能

感光分子吸收λ=365

nm的光能（

72

Kcal

）后

，電子從基態(tài)

S0躍遷到第一激發(fā)態(tài)

S1

，激活能由

EA(S0)

=

38

Kcal降為EA(S1)

=

16

Kcal，反應(yīng)速度加快。

感光分子吸收λ=300

nm

的光能（88Kcal）后，電子躍遷到第二激發(fā)態(tài)S2

，此態(tài)的谷底勢能恰好與S1

態(tài)當RN

-

N2

分解時的勢能相當，且

S2

與

S1

態(tài)的曲線在圖左側(cè)有相交之處，因此電子可從

S2

態(tài)躍遷到

S1

態(tài)并立即反應(yīng)。所以用λ=300

nm

的光曝光比用λ=365

nm的反應(yīng)速度快。

在重氮基萘中還存在著三重態(tài)T1。由T1態(tài)的曲線可見，RN-N2

的距離越遠，分子的勢能越低，所以處于

T1

態(tài)的分子將立即發(fā)生反應(yīng)而不需激活能。由于

T1

態(tài)曲線與所有單重激發(fā)態(tài)的曲線在谷底附近相交，所以進入單重激發(fā)態(tài)的電子還可以通過向

T1

態(tài)躍遷而使感光物分子立即發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而使反應(yīng)速度大大加快。這種作用稱為“三重態(tài)增感”。T1

三、增感劑及其作用

光刻膠的涂敷和顯影

本節(jié)簡要介紹光刻工藝中除曝光與刻蝕以外的工序。

1、脫水烘烤目的是去除硅片表面吸附的水分。也可利用前面的氧化或擴散工藝來實現(xiàn)。

2、增粘處理在烘烤后的硅片表面涂一層六甲基二硅亞胺（HMDS），目的是增加硅片表面與光刻膠的粘附性?？刹捎谜羝坎挤?，也可采用旋涂法。

3、涂膠一般采用旋涂法。涂膠的關(guān)鍵是控制膠膜的厚度與膜厚的均勻性。膠膜的厚度決定于光刻膠的粘度和旋轉(zhuǎn)速度。3)甩掉多余的膠4)溶劑揮發(fā)1)滴膠2)加速旋轉(zhuǎn)

4、前烘（軟烘）目的是增強光刻膠與硅片的粘附性，去除光刻膠中的大部分溶劑，促進光刻膠的均勻性和穩(wěn)定性。

5、曝光

6、曝光后的烘焙對紫外線曝光可不進行，但對深紫外線曝光則必須進行。

7

、顯影將曝光后的硅片用顯影液浸泡或噴霧處理。對負膠，顯影液將溶解掉未曝光區(qū)的膠膜；對正膠，顯影液將溶解曝光區(qū)的膠膜。幾乎所有的正膠都使用堿性顯影液，如

KOH

水溶液。

顯影過程中光刻膠膜會發(fā)生膨脹。正膠的膨脹可以忽略，而負膠的膨脹則可能使圖形尺寸發(fā)生變化。

顯影過程對溫度非常敏感。顯影過程有可能影響光刻膠的對比度，從而影響光刻膠的剖面形狀。

顯影后必須進行嚴格的檢查，如有缺陷則必須返工。自動顯影檢查設(shè)備

10、去膠

9、刻蝕

8、后烘（硬烘、堅膜）目的是使膠膜硬化，提高其在后續(xù)工序中的耐腐蝕性。

二級曝光效應(yīng)

在選擇光刻膠時，必須考慮它的吸收譜，以及在特定波長下的光學(xué)吸收系數(shù)α。

還要考慮基體材料對光的吸收。例如酚醛樹脂就對深紫外光有很強的吸收。被基體材料吸收的光到達不了感光化合物，從而影響光刻膠的靈敏度?？芍?，當α太大時，則只有光刻膠的頂部能被有效曝光；當α太小時，則由于吸收太少而需要長時間的曝光。由下式

當硅片表面凹凸不平時，遇到的第一個問題是硅片表面傾斜的臺階側(cè)面會將光反射到不希望曝光的區(qū)域。第二個問題是使膠膜的厚度發(fā)生變化：在硅片表面凹下處膠膜較厚，導(dǎo)致曝光不足；在硅片表面凸起處膠膜較薄，導(dǎo)致曝光過度。膠膜厚度的不同還會影響對比度。

解決這個問題的辦法是表面平坦化。

雙層光刻膠技術(shù)

隨著線條寬度的不斷縮小，為了防止膠上圖形出現(xiàn)太大的深寬比，提高對比度，應(yīng)該采用很薄的光刻膠。但薄膠會遇到耐腐蝕性的問題。由此開發(fā)出了

雙層光刻膠技術(shù)，這也是所謂

超分辨率技術(shù)

的組成部分。頂層膠：含硅，厚約

0.25

m

底層膠：也稱為干顯影膠，厚約

0.5

m對頂層膠曝光顯影對底層膠作含氧的

RIE

刻蝕

據(jù)報導(dǎo)，采用

193

nm

波長光源，在底層膠上獲得了0.15

m~0.12

m寬的線條。用

CF4

RIE

法刻蝕掉

0.23

m厚的多晶硅后，還有約50%

的底層膠保留下來。

小結(jié)

本章首先介紹了光刻膠的類型與特性，重點討論了光刻膠的靈敏度、分辨率、對比度及其相互關(guān)系。通過正膠的典型反應(yīng)和勢能曲線，說明了光刻膠的光化學(xué)反應(yīng)過程和增感作用。介紹了涉及光刻膠的工藝步驟。最后介紹了雙層光刻膠技術(shù)。

習題

1、某種光刻膠的

D0=40mJ/cm2，D100=85mJ/cm2，試計算這種光刻膠的對比度與

CMTF。當這種光刻膠的厚度減薄一半時，其

D100減到

70mJ/cm2，而

D0則不變，這時其對比度變?yōu)槎嗌伲?/p>

2、設(shè)某電子束光刻膠的靈敏度S=0.3

C/cm2，這意味著在(0.01

m)2的面積上只需多少個電子照射？在(Wmin)2的面積上又需多少個電子照射？這個結(jié)果對提高光刻膠的靈敏度和曝光效率有什么指導(dǎo)意義？

通過使用大數(shù)值孔徑的掃描步進光刻機和深紫外光源，再結(jié)合相移掩模、光學(xué)鄰近效應(yīng)修正和雙層膠等技術(shù)，光學(xué)光刻的分辨率已進入亞波長，獲得了

0.1

m

的分辨率。若能開發(fā)出適合

157

nm

光源的光學(xué)材料，甚至可擴展到

0.07

m。

非光學(xué)光刻技術(shù)

但是這些技術(shù)的成本越來越昂貴，而且光學(xué)光刻的分辨率極限遲早會到來。已開發(fā)出許多新的光刻技術(shù)，如將X射線、電子束

和

離子束作為能量束用于曝光。這些技術(shù)統(tǒng)稱為非光學(xué)光刻技術(shù)，或

下一代光刻技術(shù)

。它們的共同特點是使用更短波長的曝光能源。高能束與物體之間的相互作用

本節(jié)主要討論

X

射線、電子束、離子束與固體之間的相互作用。

一、X

射線與固體之間的相互作用

X

射線光刻所用的波長在λ=0.2~4

nm

的范圍，所對應(yīng)的

X

射線光子能量為

1~10

k

eV。在此能量范圍，X

射線的散射可以忽略。X射線光子的能量損失機理以光電效應(yīng)為主，損失掉的能量轉(zhuǎn)化為光電子的能量。

能量損失與分辨率的關(guān)系分辨率取決于

X

射線的波長與光電子的射程兩者中較大的一個。當

X

射線波長為

5

nm左右時兩者相等，這時可獲得最佳分辨率，其值即約為

5

nm。但在

X

射線光刻技術(shù)中，由于掩模版等方面的原因，波長取為0.2~4

nm，其相應(yīng)的光電子射程為

70~20

nm。但是實際上這并不是限制

X

射線光刻分辨率的主要因素。

后面會講到，限制

X

射線光刻分辨率的主要因素是

掩模版的分辨率，以及

半影畸變

和

幾何畸變。

二、電子束與固體之間的相互作用

電子束與固體之間的相互作用有很多種，例如二次電子、散射電子、吸收電子、電子空穴對、陽極發(fā)光、X

射線、俄歇電子等。影響電子束曝光分辨率的主要是

散射電子

。

1、電子的散射入射電子與固體中另一粒子發(fā)生碰撞，發(fā)生動量與能量的轉(zhuǎn)移，方向改變，波長不變或增大，能量不變或減少。

電子在光刻膠中的散射次數(shù)與光刻膠厚度成正比，與入射電子的初始能量

E0

成反比，典型值為幾到幾十次。

散射角：電子散射后的方向與原入射方向之間的夾角。

前散射（小角散射）：散射角<90o

背散射（大角散射）：散射角=90o~180o

實驗表明，前散射使電子束變寬約

0.1

m，而背散射電子的分布區(qū)域可達到

0.1~1

m

。所以

背散射是影響電子束曝光分辨率的主要因素。

2、光刻膠的能量吸收密度電子束曝光的分辨率主要取決于電子散射的作用范圍，而此范圍可用光刻膠的能量吸收密度分布函數(shù)來表示。由于能量密度函數(shù)是軸對稱的，與變量無關(guān)，故可表為

E(

r,z

)。

3、光刻膠完成曝光所需的能量密度設(shè)g0為每吸收一個電子伏特的能量所發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)（交聯(lián)或降解）數(shù)，即反應(yīng)產(chǎn)率，則(1/g0)表示每發(fā)生一個反應(yīng)所需的能量。單位體積光刻膠中的分子數(shù)可表為，其中

NA

為阿伏加德羅常數(shù)，M

為平均分子量。則要使單位體積的光刻膠全部發(fā)生反應(yīng)所需的能量（即能量密度）為

令光刻膠的實際能量吸收密度E(

r,z

)

與完成曝光所需的能量密度

E0

相等，即

E(

r,z

)

=E0，可以得到一個等能量密度曲面。顯然，在這個曲面之內(nèi)的光刻膠將全部發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，顯影時將全部溶掉（以正性膠為例）。所以此曲面也就是顯影后的光刻膠剖面輪廓。電子束顯影后

(1)首先，假設(shè)入射電子束的分布是函數(shù)，即單位沖擊函數(shù)，具有如下性質(zhì)，

4、計算能量吸收密度

E(

r,z

)的方法

(2)然后，利用

Monte-Carlo

法模擬，得到下圖的結(jié)果。

通過模擬計算，發(fā)現(xiàn)有以下特點，

a、β>>α

，所以背散射是影響分辨率的主要因素；

b、光刻膠較薄時，能量密度的分布范圍較??；

c、入射電子初始能量E0的影響是：對ff

，E0越大，則α越??；對fb

，當

E0

增大時，β先增大，然后減??；

d、低原子序數(shù)材料中的散射一般要小一些。

(3)對此模擬結(jié)果進行

曲線擬合，可得到近似的分析函數(shù)，為

雙高斯函數(shù)

，即(4)當入射電子為任意空間分布函數(shù)時，其吸收能量密度是與的

卷積積分，

例如，當電子束分布為

高斯圓形束

時，式中，為高斯電子束的標準偏差。

(5)膠層等能量密度剖面輪廓實際的曝光圖形，既不是函數(shù)，也不是僅僅一個孤立的圓形束斑，如果是一條有寬度的線條，其能量吸收密度應(yīng)當是各入射電子束的作用的總和，如下圖所示。

設(shè)電子束的束流為

IB，在每個點上停留的時間為t，則每個束斑上的入射電子數(shù)為(IBt

/

q)，每個束斑產(chǎn)生的吸收能量密度為則在離線條距離為x

的點

P

下面深度為z

處的能量吸收密度為

用上述模擬方法對硅上的

PMMA

膠進行計算的結(jié)果以及實際的膠層剖面輪廓如下圖所示，模擬結(jié)果實際結(jié)果

5、電子束曝光的鄰近效應(yīng)及其修正方法已知電子的散射特別是背散射，其影響范圍可與電子射程或膠層厚度相當，這稱為電子束曝光的

鄰近效應(yīng)。對于一個其線度

L

遠大于電子散射范圍

R

的圖形，雖然其中間部分的曝光是均勻的，但邊緣部分的情況就不同了，如下圖所示，能量密度內(nèi)鄰近效應(yīng)互鄰近效應(yīng)無散射時內(nèi)鄰近效應(yīng)互鄰近效應(yīng)

鄰近效應(yīng)的后果

(1)對L>>R的孤立圖形，使邊緣模糊。

(2)對L<=R的孤立圖形，使邊緣曝光不足，圖形變小、變圓，甚至曝不出來。

(3)對間距a<=R的多個圖形，使間距變小，甚至相連。

減小電子鄰近效應(yīng)的方法

減小入射電子束的能量（因β隨E0

先大后小），或采用低原子序數(shù)的襯底與光刻膠。

修正電子鄰近效應(yīng)的方法電子束圖形曝光顯影后有鄰近效應(yīng)幾何修正劑量修正

離子束與固體之間的相互作用有：散射（碰撞）、輻射損傷（產(chǎn)生位錯）、濺射（刻蝕及鍍膜）、俘獲（離子注入）、激發(fā)、電離、電子發(fā)射、二次離子發(fā)射等。

這些效應(yīng)的強弱隨入射離子的能量不同而不同。用于大規(guī)模集成技術(shù)的入射離子能量范圍為

三、離子束與固體之間的相互作用刻蝕、鍍膜：<10

k

eV曝光：10

keV~50

k

eV離子注入：>50

k

eV

直寫電子束光刻系統(tǒng)

電子束曝光方式電子束曝光主要采用無掩模的直寫方式（掃描方式），此外也有投影方式，但無接觸式。

直寫曝光（無掩模）電子束曝光方式光柵掃描矢量掃描

投影曝光（有掩模）

電子束的波長短，因此電子束曝光的分辨率很高，是目前獲得深亞微米高分辨率圖形的主要手段之一。

電子質(zhì)量m

和加速電壓

Va

越大，則電子的波長λ越小。

電子、離子等微觀粒子具有波粒二象性，由德布羅意關(guān)系又由代入波長λ中，得

考慮到相對論效應(yīng)后，λ應(yīng)修正為

電子束曝光的加速電壓范圍一般在

Va=10~30

kV，這時電子波長λ的范圍為0.012~0.007

nm。

將h=6.62×10-27

erg/s，q=4.8×10-10

絕對靜電單位，電子質(zhì)量m=9.1×10-27

g代入，得

電子束本身的分辨率極高，可以達到0.01

m

以下，但是在光刻膠上一般只能獲得

0.1

m

左右的線寬。限制電子束曝光分辨率的因素有，

1、光刻膠本身的分辨率

2、電子在光刻膠中的散射引起的鄰近效應(yīng)

3、對準問題

一、直寫電子束光刻機工作原理除電子光學(xué)柱系統(tǒng)外，還有如真空系統(tǒng)、工件臺移動系統(tǒng)等。數(shù)據(jù)輸入計算機電子束控制工件臺控制電子槍光閘硅片電子束聚焦系統(tǒng)偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)電子光學(xué)柱系統(tǒng)

二、電子束發(fā)射聚焦系統(tǒng)

1、電子槍

要求：亮度高、均勻性好、束斑小、穩(wěn)定性好、壽命長。

(1)熱鎢絲電子槍。束斑直徑約為

30

m

。特點是簡單可靠，對真空度要求低，但亮度低，壽命短，噪聲大。

(2)

LaB6

電子槍。是目前流行的電子束光刻機用電子槍，其特點是

亮度高，穩(wěn)定性好，壽命長，但對真空度要求高，使用條件嚴格；能散度大，聚焦困難，束斑大。

(3)場致發(fā)射電子槍。由Zr/W/O材料制造的尖端構(gòu)成，其特點是

亮度更高，能散度低，束斑小，噪聲低，壽命長，但需要的真空度更高，高達1.33×10-6

Pa（1×10

–8

Torr），且穩(wěn)定性較差。

2、聚焦系統(tǒng)

作用：將電子束斑聚焦到0.1

m

以下。要求：幾何像差小、色差小。結(jié)構(gòu)種類：采用2~3級

靜電透鏡

或

磁透鏡

聚焦系統(tǒng)。

磁透鏡：由流過線圈的電流產(chǎn)生的一個對稱磁場所形成，對電子束有聚焦作用。

三、偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)作用：使電子束發(fā)生偏轉(zhuǎn)

，在光刻膠上進行掃描與曝光，描畫出所需要的圖形。要求：偏轉(zhuǎn)像差小，圖形清晰，分辨率高，偏轉(zhuǎn)靈敏度高，偏轉(zhuǎn)速度快。結(jié)構(gòu)種類：磁偏轉(zhuǎn)

與

靜電偏轉(zhuǎn)

。

磁偏轉(zhuǎn)器的電感較大，掃描速度較慢；靜電偏轉(zhuǎn)器的電容較小，掃描頻率較高，兩者相差上萬倍。此外，靜電偏轉(zhuǎn)器的光學(xué)性能較好，像差較小。實際使用時，有磁偏轉(zhuǎn)、電偏轉(zhuǎn)、磁-電偏轉(zhuǎn)、磁-磁偏轉(zhuǎn)、電-電偏轉(zhuǎn)等多種組合方式。偏轉(zhuǎn)器與磁透鏡之間的位置也有多種組合方式。

1、光閘機構(gòu)控制采用“靜電偏轉(zhuǎn)器+光闌”的方式對電子束通斷進行控制。

四、控制系統(tǒng)對光閘、偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)和工件臺的移動進行統(tǒng)一協(xié)調(diào)的控制。靜電偏轉(zhuǎn)器光闌當V=+E

時V當V=0時

2、偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)掃描控制只應(yīng)用于矢量掃描方式，使電子束根據(jù)VLSI圖形的要求做出規(guī)定的偏轉(zhuǎn)，完成掃描曝光。

1、高斯圓形束光柱采用點光源和圓形光闌，上靶束斑的電流密度在橫截面上呈二維高斯分布，等流線為圓形。束斑直徑為0.1~1

m

，最小可達到

0.01

m。其主要優(yōu)點是

分辨率高，制作圖形時精細靈活。主要缺點是

曝光效率低。

五、電子光學(xué)柱的類型

2、固定方形束光柱采用面光源和方形光闌。束斑尺寸一般取為圖形的最小特征尺寸。主要優(yōu)點是

曝光效率高，主要缺點是曝光不靈活，某些區(qū)域可能被重復(fù)曝光而導(dǎo)致曝光過度。成形偏轉(zhuǎn)板光闌

1光闌

2通過光闌1后形成的固定方形束與光闌

2

的相互位置偏轉(zhuǎn)后的方形束通過光闌

2

后形成的可變矩形束

3、可變矩形束光柱

主要優(yōu)點是曝光效率更高，更靈活，且無重復(fù)曝光區(qū)域。主要缺點是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價格昂貴。但由于它是實現(xiàn)復(fù)雜精細圖形的直接書寫、高生產(chǎn)效率曝光的重要手段，已經(jīng)得到了越來越多的使用。

所產(chǎn)生的矩形束斑的尺寸可按需要隨時變化。由兩個方形光闌和兩個x、y

方向的成形偏轉(zhuǎn)器構(gòu)成。

4、三種光柱曝光效率的比較例1、10d5d5d10d13d115d2例2、1MDRAM

的芯片尺寸為

9.6×9.6

mm2，最小線寬

1

m，平均曝光面積4×4

mm2

，曝光圖形約為460

萬個。每個

4

英寸硅片上可容納52

個芯片。若采用D=0.25

m的高斯圓形束，每點的曝光時間為1

s，則單純用于曝光的時間近

4

個小時；若采用可變矩形束，每點的曝光時間為1.8

s，則單純用于曝光的時間僅

7

分鐘。

六、直寫電子束光刻機的掃描方式

1、光柵掃描

采用高斯圓形束。電子束在整個掃描場里作連續(xù)掃描，通過控制光閘的通斷來確定曝光區(qū)與非曝光區(qū)。光柵掃描的優(yōu)點是

控制簡單，不需對偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)進行控制。缺點是

生產(chǎn)效率低。由于掃描場的范圍較小，必須配合工件臺的移動來完成對整個硅片的曝光。按工件臺的移動方式又可分為

分步重復(fù)光柵掃描

和

連續(xù)光柵掃描

兩種。

2、矢量掃描

除高斯圓形束外，也可以采用固定方形束或可變矩形束。矢量掃描的優(yōu)點是

曝光效率高，因為電子束不需對占總面積約60%~70%的無圖形區(qū)域進行掃描，而且可采用可變矩形束。缺點是

控制系統(tǒng)要復(fù)雜一些，因為矢量掃描必須對偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)進行控制，而不象光柵掃描那樣采用固定的偏轉(zhuǎn)方式。直寫電子束光刻概要和展望

直寫電子束光刻的主要優(yōu)點是

分辨率高，作圖靈活。主要缺點是

曝光效率低，控制復(fù)雜。為了提高效率，已經(jīng)開發(fā)出了高亮度源、矢量掃描系統(tǒng)、與大數(shù)值孔徑透鏡相結(jié)合的低感應(yīng)偏轉(zhuǎn)線圈等。但是直寫電子束光刻在最好的情況下也比光學(xué)光刻系統(tǒng)慢一個數(shù)量級。可能的解決方法是使用一種大量電子束源同時曝光的多電子束曝光系統(tǒng)，

直寫電子束光刻目前主要用于光刻版的制造。也可用于產(chǎn)量不大，但要求分辨率特別高，圖形要經(jīng)常變化的場合，如高速

GaAs

集成電路等。

X

射線源

為了提高分辨率，可以采用波長λ=0.2~4nm

的X

射線作為曝光的光源。

1、電子碰撞

X

射線源

用高能電子束轟擊金屬靶（如Al、W、Mo），使靶金屬的內(nèi)層束縛電子離開靶材料，當另一個束縛電子去填充這一空位時，即可發(fā)射出

X

射線。這種X

射線源的主要缺點是效率很低，只有幾萬分之一。功率消耗達數(shù)萬瓦，并產(chǎn)生大量的熱。除了用水冷卻外，還可使陽極高速旋轉(zhuǎn)。

2、等離子體

X

射線源用聚焦的高能電子束或激光束轟擊金屬薄膜，使之蒸發(fā)成為等離子體。超熱的金屬等離子體蒸汽將發(fā)射

X

射線，波長為

0.8~10

nm。這種

X

射線源從激光到

X

射線的轉(zhuǎn)換效率約為

10%，光強比較強，并有非常小的直徑，比較適合于光刻。X

射線硅片

電子在同步加速器中作圓周運動，加速方向與其運動切線方向相垂直，在沿運動方向的切線上發(fā)射出

X

射線，電子在發(fā)射

X

射線過程中損失的能量在射頻腔中得到補充。

3、同步加速器

X

射線源

這種

X

射線源的亮度最強，效率較高，一臺

X

射線源可以支持多達

16

臺曝光設(shè)備。

但這種

X

射線源極其龐大昂貴，電子同步加速器的直徑可達5米以上。限制來自磁場方面。如果將來能獲得高臨界溫度的超導(dǎo)材料，則利用超導(dǎo)磁場可建立直徑約2米的緊湊型電子同步加速器。此外，這種

X

射線源還存在輻射安全問題。靶電子束X

射線掩模版硅片抽氣

由于很難找到合適的材料對

X

射線進行反射