第7章微细加工与MEMS技术光学光刻

MicroelectronicFabrication&MEMSTechnology1第7章光学光刻光刻曝光刻蚀光源曝光方式7.1光刻概述评价光刻工艺可用三项主要的标准：分辨率、对准精度和生产效率。MicroelectronicFabrication&MEMSTechnology2涂光刻胶（正）选择曝光光刻工艺流程显影（第1次图形转移）刻蚀（第2次图形转移）MicroelectronicFabrication&MEMSTechnology338)显影后检查5)曝光后烘焙6)显影7)坚膜UVLightMask4)对准和曝光Resist2)涂胶3)前烘1)气相成底膜HMDS光刻工艺的８个步骤MicroelectronicFabrication&MEMSTechnology4光源紫外光（UV）深紫外光（DUV）g线：436nmi线：365nmKrF准分子激光：248nmArF准分子激光：193nm极紫外光（EUV），10~15nmX射线，0.2~4nm电子束离子束MicroelectronicFabrication&MEMSTechnology55VisibleRadiowavesMicro-wavesInfraredGammaraysUVX-raysf(Hz)1010101010101010101046810121416221820(m)420-2-4-6-8-14-10-1210101010101010101010365436405248193157ghiDUVDUVVUV(nm)CommonUVwavelengthsusedinopticallithography.电磁光谱MicroelectronicFabrication&MEMSTechnology66(nm)700455060065050045040035030025020015010050紫外光谱可见光汞灯准分子激光Photolithographylightsourcesghi36540524819313436157126VioletRedBlueGreenYellowOrangeMid-UVEUVDUVVUV紫外光谱可见光谱：波长在390nm到780nm之间；紫外光谱：波长在4nm到450nm之间。MicroelectronicFabrication&MEMSTechnology7有掩模方式无掩模方式（聚焦扫描方式）接触式非接触式接近式投影式反射折射全场投影步进投影扫描步进投影矢量扫描光栅扫描混合扫描曝光方式MicroelectronicFabrication&MEMSTechnology87.2衍射当一个光学系统中的所有尺寸，如光源、反射器、透镜、掩模版上的特征尺寸等，都远大于光源波长时，可以将光作为在光学元件间直线运动的粒子来处理。但是当掩模版上的特征尺寸接近光源的波长时，就应该把光的传输作为电磁波来处理，必须考虑衍射和干涉。由于衍射的作用，掩模版透光区下方的光强减弱，非透光区下方的光强增加，从而影响光刻的分辩率。MicroelectronicFabrication&MEMSTechnology97.3调制传输函数和光学曝光无衍射效应有衍射效应光强MicroelectronicFabrication&MEMSTechnology10定义图形的调制传输函数MTF为maxminmaxminMTFIIII无衍射效应时，MTF=1；有衍射效应时，MTF1。光栅的周期（或图形的尺寸）越小，则MTF越小；光的波长越短，则MTF越大。MicroelectronicFabrication&MEMSTechnology11图形的分辩率还要受光刻胶对光强的响应特性的影响。理想光刻胶：光强不到临界光强Dcr时不发生反应，光强超过Dcr时完全反应，衍射只造成线宽和间距的少量变化。DcrD100D0实际光刻胶：光强不到D0时不发生反应，光强介于D0和D100之间时发生部分反应，光强超过D100时完全反应，使线条边缘出现模糊区。在一般的光刻胶中，当MTF0.4时，图形不再能被复制。MicroelectronicFabrication&MEMSTechnology127.4光源系统对光源系统的要求1、有适当的波长。波长越短，曝光的特征尺寸就越小；2、有足够的能量。能量越大，曝光时间就越短；3、曝光能量必须均匀地分布在曝光区。常用的紫外光光源是高压弧光灯（高压汞灯）。高压汞灯有许多尖锐的光谱线，经过滤光后使用其中的g线（436nm）或i线（365nm）。MicroelectronicFabrication&MEMSTechnology13高压汞灯的光谱线120100806040200200300400500600RelativeIntensity(%)h-line405nmg-line436nmi-line365nmDUV248nmEmissionspectrumofhigh-intensitymercurylampMicroelectronicFabrication&MEMSTechnology14由于衍射效应是光学曝光技术中限制分辨率的主要因素，所以要提高分辨率就应使用波长更短的光源如深紫外光。实际使用的深紫外光源有KrF准分子激光（248nm）、ArF准分子激光（193nm）和F2准分子激光（157nm）等。深紫外光的曝光方式与紫外光基本相同，但需注意两点，1、光刻胶2、掩模与透镜材料248nm波长的光子能量为4.9eV，193nm波长的光子能量为6.3eV，而纯净石英的禁带宽度约为8eV。波长越短，掩模与透镜材料对光能的吸收就严重，造成曝光效率降低和掩模与透镜发热。MicroelectronicFabrication&MEMSTechnology15各种光学曝光光源的使用情况1985年以前，几乎所有光刻机都采用g线(436nm)光源，当时的最小线宽为1m以上。1985年以后开始出现少量i线(365nm)光刻机，相应的最小线宽为0.5m左右。从1990年开始出现DVU光刻机，相应的最小线宽为0.25m左右。从1992年起i线光刻机的数量开始超过g线光刻机。截止到1998年，g线、i线和DVU光刻机的销售台数比例约为1:4:2。而目前DVU光刻机的销售台数已经超过i线光刻机。MicroelectronicFabrication&MEMSTechnology167.5接触式与接近式光刻机一、接触式光刻机SiU.V.MaskP.R.SiO2优点：设备简单；理论上MTF可达到1，因此分辨率比较高，约0.5m。缺点：掩模版寿命短（10~20次），硅片上图形缺陷多，光刻成品率低。MicroelectronicFabrication&MEMSTechnology17二、接近式光刻机g=10~50m优点：掩模寿命长（可提高10倍以上），图形缺陷少。缺点：衍射效应严重，使分辨率下降。MicroelectronicFabrication&MEMSTechnology18minWkggmin0.436μm(g),20μm2.95μmgW例：当线时，最小可分辨的线宽为式中，k是与光刻胶处理工艺有关的常数，通常接近于1。MicroelectronicFabrication&MEMSTechnology19MicroelectronicFabrication&MEMSTechnology20MicroelectronicFabrication&MEMSTechnology217.6投影式光刻机式中，k1是与光刻胶的光强响应特性有关的常数，约为0.75。NA为镜头的数值孔径，投影式光刻机的分辨率由雷利第一公式给出，即min1WkNA一、分辨率与焦深n为折射率，为半接收角。NA的典型值是0.16到0.8。sinNAn增大NA可以提高分辨率，但却受到焦深的限制。MicroelectronicFabrication&MEMSTechnology2222透镜俘获衍射光NAUV012341234透镜石英铬衍射图形掩膜版数值孔径(NA)：透镜收集衍射光的能力。mNAnSinn透镜的半径透镜的焦长MicroelectronicFabrication&MEMSTechnology232NA分辨率与焦深对波长和数值孔径有相互矛盾的要求，需要折中考虑。增加NA线性地提高分辨率，平方关系地减小焦深，所以一般选取较小的NA。为了提高分辨率，可以缩短波长。焦深代表当硅片沿光路方向移动时能保持良好聚焦的移动距离。投影式光刻机的焦深由雷利第二公式给出，即minmin0.16,436nmUV,g2.04μm,17.03μm,193nmDUV0.90μm,7.54μmNAWW例：设则当（线）时，而当（）时，MicroelectronicFabrication&MEMSTechnology24二、1:1扫描反射投影光刻机MicroelectronicFabrication&MEMSTechnology25掩模硅片反射凹镜反射凸镜光源优点1、掩模寿命长，图形缺陷少。2、无色散，可以使用连续波长光源，无驻波效应。无折射系统中的象差、弥散等的影响。3、曝光效率较高。缺点数值孔径NA太小，是限制分辨率的主要因素。MicroelectronicFabrication&MEMSTechnology26三、分步重复缩小投影光刻机随着线宽的不断减小和晶片直径的增大，分辨率与焦深的矛盾、线宽与视场的矛盾越来越严重。为解决这些问题，开发出了分步重复缩小投影曝光机（DirectStepontheWafer，简称DSW，Stepper）。早期采用10:1缩小，现在更常用的是5:1或4:1。MicroelectronicFabrication&MEMSTechnology27光源聚光透镜投影器掩模硅片MicroelectronicFabrication&MEMSTechnology28UVlightReticlefieldsize20mm×15mm,4dieperfield5:1reductionlensWafer图形曝光在硅片上是投影掩膜版上视场的1/54mm×3mm,4die每次曝光曲折的步进图形MicroelectronicFabrication&MEMSTechnology29MicroelectronicFabrication&MEMSTechnology30MicroelectronicFabrication&MEMSTechnology31缺点1、曝光效率低；2、设备复杂、昂贵。优点1、掩模版寿命长，图形缺陷少；2、可以使用高数值孔径的透镜来提高分辨率，通过分步聚焦来解决焦深问题，可以在大晶片上获得高分辨率的图形；3、由于掩模尺寸远大于芯片尺寸，使掩模制造简单，可减少掩模上的缺陷对芯片成品率的影响。当芯片的面积继续增大时，例如4GDRAM的面积已达到32×32mm2，线宽为0.13m，已达到视场的极限。于是又出现了步进扫描投影曝光机，当然设备就更加复杂和昂贵了。MicroelectronicFabrication&MEMSTechnology327.7先进掩模概念一、保护薄膜分步重复缩小投影虽然可以减少小缺陷的影响，但大缺陷的影响更严重，因为它可以被复制到每一个小视场中。解决的办法是给步进机的掩模版蒙上一层保护薄膜，并使薄膜离开掩模版表面约1cm。这样可使任何落在薄膜上的颗粒保持在光学系统的聚焦平面之外。另一种用于接触式光刻机的保护薄膜直接涂在掩模版上，它可以使接触式光刻在保持高分辨率优点的同时，提高掩模版的使用寿命，减少芯片上的缺陷。MicroelectronicFabrication&MEMSTechnology33二、抗反射膜光线在掩模版和透镜表面的部分反射会使光能受到损失。有些光线经多次反射后会打到硅片上，使图形质量受到影响。为了减小这个问题，一种新掩模技术采用在掩模版靠近镜头的一面加上10%的抗反射剂。MicroelectronicF