光學(xué)光刻光刻曝光刻蝕光源曝光方式

1光刻概述評價光刻工藝可用三項主要的標(biāo)準(zhǔn)：分辨率、對準(zhǔn)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：436nmi線：365nm

KrF

準(zhǔn)分子激光：248nm

ArF

準(zhǔn)分子激光：193nm極紫外光（EUV），10~15nmX射線，0.2~4nm

電子束離子束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(jìn)投影掃描步進(jìn)投影矢量掃描光柵掃描混合掃描曝光方式

2衍射當(dāng)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(yuǎn)大于曝光波長時，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(dāng)掩模版上的特征尺寸接近曝光波長時，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。

3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

為當(dāng)無衍射效應(yīng)時，MTF=1；當(dāng)有衍射效應(yīng)時，MTF<1。光柵的周期（或圖形的尺寸）越小，則MTF越小；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。對于理想的光刻膠，當(dāng)光強不到臨界光強Dcr時完全不發(fā)生反應(yīng)，當(dāng)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。但在實際光刻膠中，當(dāng)光強不到D0時不發(fā)生反應(yīng)，當(dāng)光強介于D0和D100

之間時發(fā)生部分反應(yīng)，當(dāng)光強超過

D100時才完全反應(yīng)，使線條邊緣出現(xiàn)模糊區(qū)。在通常的光刻膠中，當(dāng)MTF<0.5

時，圖形不再能被復(fù)制。DcrD100D0

4光源系統(tǒng)對光源系統(tǒng)的要求

1、有適當(dāng)?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）。對于波長更短的深紫外光光源，可以使用準(zhǔn)分子激光。例如KrF

準(zhǔn)分子激光（248

nm）、ArF

準(zhǔn)分子激光（193

nm）和F2

準(zhǔn)分子激光（157

nm）等。

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)當(dāng)使用波長更短的光源如深紫外光。實際使用的深紫外光有

248

nm

和

193

nm

兩種。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

。波長越短，掩模與透鏡材料對光能的吸收就嚴(yán)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(dāng)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。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MIF可達(dá)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(yán)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。6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(dāng)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)縮小投影光刻機光源聚光透鏡投影器掩模硅片隨著線寬的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(yán)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5：1或4：1。

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(yuǎn)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(dāng)芯片的面積繼續(xù)增大時，例如4GDRAM的面積已達(dá)到32×32

mm2，線寬為0.13

m

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

7先進(jìn)掩模概念一、保護(hù)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(yán)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(jìn)機的掩模版蒙上一層保護(hù)薄膜。另一種用于接觸式光刻機的保護(hù)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(dāng)k1為

0.75

時，有~上式在一段時期內(nèi)被認(rèn)為是光學(xué)曝光法的分辨率極限。若要進(jìn)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(jìn)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(jìn)入了

亞波長

范圍，使i線和深紫外光

的分辨率分別達(dá)到了0.35

m

和0.18

m

，并且已分別應(yīng)用于64

MDRAM和256

MDRAM的生產(chǎn)中。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(dāng)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)（OPC）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(jìn)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(xì)的OPC掩模版，但價格也十分昂貴。8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。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)面會將光反射到不希望曝光的區(qū)域。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~

400nm的紫外光，此間隔為

32~

64

nm，小于抗蝕劑厚度。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。

9對準(zhǔn)大規(guī)模集成電路制造對光刻對準(zhǔn)的規(guī)定是，對準(zhǔn)誤差應(yīng)該不大于特征尺寸的1/4到1/3。為了便于對準(zhǔn)，在掩模上必須設(shè)置專門的對準(zhǔn)標(biāo)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(zhǔn)。在步進(jìn)光刻機上通常有自動對準(zhǔn)系統(tǒng)。為了提高對準(zhǔn)效率，可以先作一次人工對準(zhǔn)。掩模的熱膨脹也會產(chǎn)生對準(zhǔn)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。10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