（机械电子工程专业论文）紫外光刻加工误差的实验研究.pdf

摘要 摘要 1 9 8 6 年德国教授肜肋咖肠首先开发的删技术( 疗砌螂j i 2 把、 g 口 ，口，! 加册昭、么龟加删嘲实现了深度x 射线光刻、电铸成型和塑料铸模技术的 完美结合，被认为是最有前途的三维微细加工技术之一，有着广阔的应用前景。 然而，昂贵的同步辐射x 光源和制作复杂的x 光掩模，且与刀工艺不兼容，使 得三删技术的推广应用并不容易，于是人们竭力寻找低成本、易实现的替代或 派生技术。( 肜己，g 4 ( 明f ，口阳d 胁口g 4 ) 技术作为三亿w 技术的一种派生工艺，它 是利用常规的紫外光源、光刻设备和掩模，以较为低廉的价格制作高深宽比的 微结构。紫外光刻是粥么技术的关键工艺之一，由于衍射效应的存在影响 紫外光刻的微结构图形的精度，同时光刻过程中各工艺环节如掩模制作、光刻 胶制备、显影等也会对加工图形的形状带来误差。本文以正胶a z 9 2 6 0 为对象对 紫外光刻工艺图形的加工误差进行深入的实验研究。论文的主要工作包括： 1 掩模设计与紫外光刻正交实验 掩模图形选择，设计不同尺寸的方形、直线和圆等典型图形，每种图形之 间具有不同的间隔。根据紫外光刻工艺过程所涉及的各可控因素和实验目标， 选取合适的参数水平值，完成实验表头设计，用标准正交表组织和实施光刻正 交实验。引入田口方法，利用信噪比统一测度的思想对实验的加工误差进行直 观和方差分析，给出各加工工艺参数对光刻胶图形加工误差的影响及其显著性 程度，得出特定厚度下加工不同尺寸特定光刻胶模型的最适工艺参数组合。 2 光刻胶模型轮廓边缘提取算法研究 由于光刻胶模型的电镜照片常常出现图像边界区分度较低，且一般的边缘 提取算法会使得图形边缘上反映误差的锯齿边、毛刺等有用信息被当作噪声过 滤掉。本研究自行开发了一种结合数学形态学的改进的锄砂算法。首先，选 取数学形态学对图像进行预处理，在有效去除噪声的同时，又可以保留有用的 信息；然后，针对数学形态学处理会削弱边缘的情况，采用适当的图像增强算 法以增加图像对比度；最后，使用自适应改进的c 册砂算子提取图像边缘。实 践证明，与常用的几种算法提取结果比较，这种改进的c 口，z 缈算法能得到较好 的结果。 摘要 3 光刻胶模型图形加工误差的表征和量化 目前，光刻胶模型的加工误差的表征还没有一个全面而统一的标准。本文 实验研究以方形宽度、直线线宽和圆的直径为代表的特征尺寸，直线的不直线 度和方形角部圆化程度作为光刻胶模型的加工误差表征，并采用最小二乘法实 现了它们的量化特征。 关键词：紫外光刻；正交实验法；加工误差；信噪比；改进的c 册砂算法 i i 中国科学技术大学学位论文相关声明 本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工作 所取得的成果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任 何他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究 所做的贡献均已在论文中作了明确的说明。 本人授权中国科学技术大学拥有学位论文的部分使用权，即：学 校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 作者签名：塑簦亟 年月日 第l 章绪论 第1 章绪论 1 1 微机电系统及微细加工 微机电系统【】【2 z 删e k c 加胁拍册此讲跏胞矾， 把 括，美国惯用词) 又称 为微机械c 施c 阳历胛矗加p ，日本惯用词) 和微系统c 脚c r d 点脚p 埘l 欧洲惯用词) ，是 指用微机械加工技术制作的包括微传感器、微致动器( 亦称微执行器) 、微能源等 微机械基本部分以及高性能的电子集成线路组成的微机电器件与装置。它可根 据电路信息的指令，控制执行器实现机械操作；还可利用传感器接收外部信息， 将转换出来的信息经电路放大，再由执行器变为机械操作去执行命令。它是正 在飞跃发展的微纳米技术的一项十分重要的成果。研究微机电系统的基础理论、 设计、材料、加工、检测和应用的学科叫做微机电系统技术【3 】。可以预见微机电 系统会给21 世纪人类社会带来另一次技术革命，它将使人类认识和改造世界的 能力有重大突破，大大促进医疗、工业、农业、通讯、生物技术的发展，对国 防科学、人类经济和社会生活产生巨大影响。同时它作为新兴的高技术产业， 将成为各国竞相争夺的巨大市场。 m 酣舔技术自2 0 世纪8 0 年代末开始受到世界各国的广泛重视，各国在开 发砸 括技术时，根据本国特点各有侧重【4 】，如美国侧重微电子技术，从微型 芯片上取得制造工艺的突破，日本则偏重于精密加工工艺，实现微型机械的制 造，而德国的特色是在上删工艺及其应用上取得进展。美国国家自然科学基金 把微米纳米列为优先支持项目，美国国防部先进研究计划五尉) 制定的 微米，纳米和微系统发展计划，对“采用与制造微电子器件相同的工艺和材料， 充分发挥小型化、多元化和集成微电子技术的优势，设计和制造新型机电装置” 给予了高度重视。日本先后制定了纳米制造计划( 1 9 8 5 1 9 9 0 ) 、埃技术计划 ( 1 9 9 2 2 0 0 1 年十年共投资1 8 5 亿美元) 、微型机器人计划等。日本国内以企业为 中心的仳e 据研究组多达6 0 多个，日本的大学在微机械方面的研究十分活跃， 仅在东京大学就有数个跨系跨学科的研究共同体从事微机械技术领域的研究工 作。近几年已经利用电火花加工技术、庀工艺和光成型技术加工出各种传感器 和执行器，研制成功用于生物和医疗领域的微型机器人。欧共体为加强各国的 组织和合作，成立了多功能微系统研究合作机构组织( 胍卿。目前德国的 ，g d 技术处于国际领先水平翻，其中代表性的是 衙研加核研究中心、微技术研究 第1 章绪论 射叠 b + 甩腔莳蜞 c 光后娥 n 腓e 竺竺 i1 ， b 电锌崔目 g 电讳女晰 一 f 获得盘属攫具l 圈孬弱嚼两圈 芒! ! ，一m lh 获得叠一搬蛄构 图1 1u v - l i g a 典型工艺流程 准口g h 工艺是把常规的，c 工艺( 近紫外光刻) 扩展应用于厚抗腐蚀的光刻 中，主要有两个步骤：紫外深度光刻工艺；电铸成形工艺。采用正胶时其主要 工艺过程如下： ( 1 ) 在经过化学清洗干净的玻璃或硅片上，采用溅射镀膜的方法均匀镀上 1 也朋厚的金属膜作为电铸时的导电层和牺牲层，要求金属膜与基片表面结合 牢固； ( 2 ) 在金属膜上涂敷正性光刻胶，采用2 3 次涂敷，涂层厚度可达到2 5p 聊 左右； ( 3 ) 将掩模版置于光刻胶上，为得到陡峭胶膜，掩模版与光刻胶必须有良 好的接触： ( 4 ) 采用高压汞灯或其他紫外光源对光刻胶进行曝光，接着在显影液中对 光刻胶进行显影： ( 5 ) 把托载有光刻胶膜结构带有金属基底作为阴极进行电镀，电解液中的 金属阳离子淀积在阴极的金属基底上生成金属层，并逐渐填满光刻微结构模具， 制成金属结构； ( 6 ) 将电铸成型的金属结构放入光刻胶腐蚀液中，进行去胶处理； 4 茎瞥 第1 章绪论 1 2 2 平行光刻常用方式 在光刻技术中，掩模并不是必须的，如激光直写技术、电子束图形产生。 这种光刻技术是利用聚焦的能量束直接在记录介质上产生图形，没有办法大规 模生产，一般用于生产平行光刻所需要的掩模图形。需要掩模的光刻，可以把 图形一次转移到记录介质上。由于所有图形是同时转移的，所以也称为平行光 刻，适用于大规模生产。 平行光刻按照图形转移方式【1 6 1 司以分成三种： 1 接触式光刻 接触式曝光时，采用加压或真空吸附使掩模与涂有光刻胶的基底紧密接触， 掩模版上的图形在光照下按1 ：1 投影直接转移到光刻胶上，此时得到的光刻胶图 形与掩模图形大小完全相等。这种光刻方式精度和分辨率较高，适合于实验室 使用，不适用于大规模生产，且没有焦深的限制，可以进行厚胶光刻，以实现 大高宽比的微结构。 2 接近式光刻 接触式光刻使掩模版与基底接触，容易产生损伤。为使延长掩模版使用寿 命，需要在掩模与基底之间留有一定的间隙，于是出现了接近式光刻。在接近 式光刻中，间隙一般是几微米到几十微米。由于掩模与光刻胶之间有间隙，使 光衍射产生的影响较大，跟接触式光刻相比，图形精度要差一些。在准酬技 术中也是常用的光刻方式。 3 投影式光刻 投影式光刻有一个光学成像系统，掩模图形的像经过由几十个透镜组成的 光学系统后被缩小，然后记录到光刻胶上。这样就不需要做l ：1 的掩模，通常的 投影光刻系统是5 x ，6 x 的，即掩模图形大小被缩小5 、6 倍后再记录到光刻胶 上。投影式光刻适用于大规模生产，但光学系统是一个衍射受限系统，光刻精 度由数值孔径0 蜘) 和光波波长决定；另外，限制投影式光刻发展的一个重要因素 是焦深( d 印胁_ f d c 删。由于焦深的限制，准三删技术中投影式光刻想要获得 太高宽比的微结构是比较困难的。 6 第l 章绪论 1 3 紫外光刻加工误差研究现状 耻陋4 技术的关键工艺之一是紫外光刻，紫外光衍射效应能影响紫外光 刻所得微结构图形精度，同时光刻过程中各个环节的工艺参数也会对图形的形 状带来误差，这种误差称为光刻工艺的加工误差。此外，光掩模版图形误差也 是光刻误差的重要组成部分。对于光刻误差的研究，主要是从光刻模拟仿真和 光刻工艺实验两种思路来考虑。前者侧重于对光掩模图形的畸变预矫正以改善 光刻图形质量，后者则立足实验，侧重工艺参数对误差的影响及优化工艺参数。 1 3 1 加工误差理论及修正方法研究f 1 3 】e 1 6 】 关于光刻技术的计算机模拟研究起步较早，目前能提供比较成熟的相关计 算机模拟软件有爿w 脚、 如珂幻，g 唧而栅、o 眈以c e 和跏印吵，等。开放软件目 前比较著名的是加州大学伯克利分校的譬p “r ，它是一个二维透射系统的仿真 程序，其理论基础是部分相干成像的勘p 耵阿，理论。 紫外光刻相比于z 射线准直性低，而且存在衍射效应，从而造成在光刻图 形转移的过程中，得到的图形在二维形状上有偏差，不同光刻深度上形状也不 同。由于紫外光的衍射效应使得在硅片表面光刻胶上曝光成像图形发生畸变， 光学衍射效应引起的图形畸变主要表现为线宽变化( 如孤立线的变宽，密集线变 窄，线条变短) 、方形或线端角部变圆、线条边缘不直线性等特征。 光学衍射效应的解决方法一般有两种： 第一类方法是通过调整光刻工艺参数来消除光学邻近效应。其中，改变光 刻工艺中的光刻波长是最直接最有效的方法。但是，更新光源的方法对光刻设 备要求较高，会极大地增加产品成本，并导致原有生产力的浪费； 第二类方法是通过调整和研究新的物理设计方法来抑制光学邻近效应，这 类方法是对设计阶段的改善，成本低廉、效果好，可有效地利用现有的生产力。 目前工业界普遍采用的方法是光刻矫正技术( 衄r ，陀以z pe h a 删c 硎e 珊 抛拍坤d ，d g 心。光刻矫正技术主要包括光学邻近效应( 0 p o 、移相掩模版和 辅助图形与伪图形。 光学邻近校正主要是通过改变原芯片掩模版图形的形状来减小光刻图形的 偏差。0 p c 通常被分为两大类也是国内外文献中普遍采用的方法：基于规则的 8 第1 章绪论 方法( 删，i 啦6 邪耐q 印岫口曲) 和基于模型的方法( 坍d 出，- 6 础耐q 印加础) ，基于规则 的方法，需要事先建立矫正规则数据库，实际处理中只需通过查找数据库便可 以得到矫正数据实现对掩模版图形的矫正。这种方法在处理大规模集成电路芯 片时速度快，但是它的矫正精度不是很高。基于模型的方法，需要事先选择适 当的光学模型，实际处理中利用光学模型模拟光刻成像的过程，实现对掩模版 图形的矫正。这种方法矫正结果的精确度较高，需要花费的时间较长，适合于 对版图关键图形的矫正，被工业界广泛应用。 国内四川大学物理系，浙江大学超大规模集成电路研究所，中科院光电技 术研究所等单位在尼制版的投影式光刻的光学邻近效应的产生机理、误差分析、 补偿方法等作了深入研究，提出一系列方案。中国科技大学则通过建立接近式( 接 触式) 紫外深度光刻模型，探讨了影响紫外深度光刻精度的因素及矫正方法，同 时针对光刻深度方向特定层面的误差修正建立了相关误差矫正理论。 1 3 2 加工误差实验研究 与理论仿真研究相比，实验研究同样受到国内外许多科研人员的重视，并 取得了一定的研究成果。国内如南京航空航天大学研究了前烘过程对图像质量 的影响情况【18 】，清华大学微电子所、上海交通大学研究了曝光剂量和显影时间 对表而线宽和侧壁的影响i 9 】1 2 0 】，四川大学研究了不同譬线对不同厚度a z 4 5 6 2 正胶的透过率【2 ，华中科技大学开展了不同波长对s u 8 胶穿透能力的研究1 2 2 1 ， 中科院高能物理研究所开展了s u 8 反向光刻技术池t 如v 邪p 三柏p 脚嚏) ， 托c 砌o z 敢y ) 的研究驯。 国外如新加坡南洋理工大学( 丝瑚馏乃c 加f i ，c 讲功2 咿髓f j 采用正交实 验法研究了光刻工艺环节对分辨率和高深宽比的影响【2 4 1 ，删脚册已尼曲刀泗 对次分辨率辅助图形岱黝d 技术进行了较深入的研究，可以用于在一定程度上 修正光刻图线缺失的问题瞄】，美国且砬c 加c 向e 卅公司对s u 8 系列胶甩胶、前烘、 曝光、显影等工艺环节的参数进行了一定的研究【2 6 l ，瑞士凡出r 讲加m 砒矿 乃c 砌d 抽剁结合平板印刷技术和紫外厚胶光刻工艺获得了高深宽比的结构【2 刀，日 本d 加印淞0 归盯fc d 琊w 行) ，采用改变光刻胶成分的方法提高了光刻胶的对比度 1 2 8 1 ，美国幻“如砌埘龇把跏f w 睁结合间距补偿和波长遴选的方法获得了超高 深宽比的光刻胶微结构【2 9 】。 9 第l 章绪论 从国内外文献调研来看，对光刻工艺过程中的加工误差进行分类，量化研 究的并不多见。 1 4 课题研究内容 本文以实验研究的方法研究基于紫外光刻加工的光刻胶模型形状误差与工 艺参数的关系。所进行的紫外光刻实验中，采用近紫外g 线光( 4 3 6 玎研) 为曝光光 源，正性胶a z 9 2 6 0 为光致抗蚀剂。利用正交试验设计和组织实验，对所获得的 光刻胶模型电镜图片采用了一种改进的c 删掣算法，实现了高精度图像边缘提 取，引入田口方法关于信噪比统一测度的思想，研究了各加工工艺参数对光刻 胶图形加工误差的影响及其显著性程度，进而对加工误差的表征与量化方法进 行了研究，获得了方形、直线和圆等典型图形的特征尺寸误差以及直边直线度 和直角圆化的形状误差。 论文主要完成四个方面的工作： 1 光掩模版的图形设计与加工 运用4 甜幻c h d 、三f 玎七c d d 、三瑚f 等软件设计并规划光掩模吸收体图形，将 驰f 文件转换为删文件并交付北京微电子所加工制作。 2 紫外光刻正交实验 明确实验各可控因素和实验目标，选取合适的因素水平值，用标准正交表 设计、实施紫外光刻实验。 3 光刻胶模型轮廓边缘提取算法研究 对比几种常用的图形轮廓边缘提取算法，结合边缘检测数学准则，提出一 种改进的g 州砂算法，在有效去除无用噪声的同时，保留有用的噪声信息，其 提取的图形轮廓边缘与常用算法提取结果相比，不仅清晰连续，而且是单像素 边缘。 4 基于信噪比的显著性分析 引入田口方法关于信噪比统一测度的思想，通过基于信噪比值的极差分析 与方差分析，得出影响光刻胶图形加工误差的显著因素及其影响，同时得出加 工不同尺寸典型图形的最适工艺参数组合。 5 光刻胶模型加工误差的表征与量化研究 针对方形、直线、圆等典型图形的加工误差进行分类、表征：确定方形宽 l o 第1 章绪论 参考文献 【1 】r f e y 砌a f l t h e r ei sp l e h f yo f f o o ma tt h eb o 位o m 唧i e 王狙j ，m e m s ，1 9 9 2 ，1 ( 1 ) ：6 0 6 6 【2 】 a s a dm m a d n i ，la _ wr e ：n c ea w a n m i c r o e l e c 仃0 m e c h 蛳i c a ls y s t e l ：n s ( m e m s ) ：a no v e r 、，i e w o fc u i t e 吼ts t a t e - o 二t 1 1 e - a n f c 】，i e e ea e r o s p a c ea p p l i c a t i o 哪c o n f e r e 眦宅p r o c e e d i n g s ，1 9 9 8 ， l ：4 2 1 - 4 2 7 【3 】 e w i b e c k e r w w h 疵l d ，ph a 舯锄n ，e ta 1 m i c r o e i e c 仃伽i ce n g i n r i n g r 】，1 9 8 6 ( 4 ) ：3 5 3 6 【4 】孙立宁，周兆英，龚振邦m e m s 国内外发展状况及我国b 幔m s 发展战略的思考 j 机 器人技术与应用，2 0 0 2 ( 2 ) ：2 3 【5 】 l e h rl ，e l r 惫i dwl i g a - t e c h n i q u e 觚o v e r v i ew - t k6 t hc h i n e 辩i n 亡已- m a t i o n a ls u m m 盯 s c h o o lo fp h y s i c so na p p l i c a t i o no fs y n c h r 砷- 0 n i d i a t i o n ，j u l y l9 9 2 【6 】王立鼎，罗恰中国m e m s 的研究与开发进程f j 】仪表技术与传感器，2 0 0 3 ( 1 ) ：1 _ 3 【7 】王阳元，武国英，郝一龙硅基m e m s 加工技术及其标准工艺研究【j 】电子学报2 0 0 2 ， 3 0 ( 1 1 ) ：1 8 【8 】张哗，陈迪，潘欣欣，等u 讧l i g a 双层微齿轮加工工艺研究 j ，微细加工技术，2 0 0 5 ( 4 ) ： 6 9 7 5 【9 】范小燕，廖小平，黄庆安m 矾，i s 微波功率传感器的研究与进展【丁】微波学报，2 0 0 5 ， 2 1 ( 2 ) ：6 3 - 7 0 【l o 】李超波，焦斌斌，石莎莉，等基于m e m s 技术的红步卜成像焦平面阵列叫半导体学报， 2 0 0 6 ，2 7 ( 1 ) ：15 0 1 5 5 【1 1 】邢向龙，焦继伟，m 计kd 碉的n ，等用于呦s 结构的光刻胶牺牲层接触平坦化技术【j 】 功能材料与器件学报，2 0 0 6 ，1 2 ( 2 ) ：1 3 5 1 3 8 【1 2 】张鹏，刘刚。田扬超微机械自润滑材料的摩擦性能研究啊微细加工技术，2 0 0 2 ( 1 ) ： 6 每7 0 【1 3 】李木军，接近式光刻仿真研究，中国科学技术大学博士学位论文田】，2 0 0 7 【1 4 】石庚最微机电系统技术 m j 北京；国防工业出版社，2 0 0 2 【1 5 】刘明，谢常青，王丛舜，等微细加工技术【m 】北京：化学化工出版社，2 0 0 4 【1 6 】陈有梅，紫外深度光刻的计算机模拟及误差修正，中国科学技术大学硕士学位论文p 】， 2 0 0 7 【1 7 】李晓光，紫外光刻仿真及掩模优化设计研究，中国科学技术大学博士学位论文口) 】，2 0 0 7 【1 8 】胡洋洋，朱荻，曾永彬，等u v l i g a 制作微细群电极工艺研究【j 】电加工与模具，2 0 0 8 ， 1 2 第l 章绪论 ( 1 ) ：2 9 3 l ，3 5 ( 无卷号) 【1 9 】杨清华，刘明，陈大鹏，等高斯电子束曝光系统叨电子工业专用设备，2 0 0 5 ， ( 1 2 1 ) ：4 2 _ 4 5 ( 无卷号) 【2 0 】朱军，赵小林，倪智萍s u 85 光刻胶的应用工艺研究 j 】，微细加工技术，2 0 0 l ，( 萄： 5 7 - 6 0 ( 无卷号) f 2 1 】罗铂靓，杜惊雷，刘世杰，等抗蚀剂a z 4 5 6 2 曝光参数的变化趋势分析【j 】固体电子 学研究与发展，2 0 0 6 ，2 6 ( 4 ) ：5 5 0 5 5 4 【2 2 】李雄，徐智谋，易新建，等不同波段近紫外光在s u 8 胶中穿透深度的研究口】微细加 工技术，2 0 0 4 ，( 3 ) ：3 8 - 4 0 ，4 6 ( 无卷号) 【2 3 】伊福廷，张菊芳，彭良强，等利用紫外光刻技术进行s u 8 胶的研究 j 】微纳电子技术， 2 0 0 3 ，( 7 ，8 ) ：1 2 6 - l2 8 ，1 4 l ( 无卷号) 2 4 】jz h 龃岛klr n m ，gdh o n g ，e ta 1 p o l y m 盯i 砑【t i o no p t i m i z a t i o no fs u 8p h o t o r e s i s ta n di t s a p p l i c a t i o n s mm j c r o n u i d i cs y s t e m s 龃dm e m s 【j 】j m i c r o m e c h ，m i c r o e n 昌1 1 ( 2 0 0 1 ) ：2 0 - 2 6 【2 5 】jms h a w jdg e l o m e ，ncl a b i a j l c a e ta 1 n e g a 廿v ep h o t o r e s i s t s f o ro p t i 删 l 讹o g r a p h y 【r 】i l t i p ：肌哪w r e s e a r c h _ j b m c o m 丘o u m a l r d ，4 ，s h a w t 地l9 9 7 2 6 】s u - 82 0 0 0p e r n l 柚e n te p d x yn e g 撕v ep h o t o r e s i s t ( d 粕h e e t ) ，p 从d a t as h e e t m i c r o c h e mc o 叩【e b 幻l 】h t t p ： ) n w m i c r o c h e m m 【2 7 】a b e r t s c h ，h l o r e n z ，p r 肋枷d 3 dm j c r o f 捌c a t 0 nb yc o m b i n i n gm i c m m 粕o “t h 0 9 1 a p 曲y a f i dt i l i c kr e s i s tu vl i 出o g r 叩h y 【j s e n s o r 3a r l da c n j a l o r s7 3 ( 1 9 9 9 ) ：1 4 2 3 【2 8 y o s h i m “，h i r o y u k i ，衄l a ke ta 1 州e dc i r c u i t 谢t hl a y e r e d 鲫p e r l 舭i c em a t e r i a l c o m p o u n d 【r 】h 牡p ：，w w w _ 舶e p a t e 鹏彻1 i n e c o m 5 7 1 9 416 h t m i 【2 9 】r e n 岛w 删l i nw 抽g an u m e 血a la n de x p e r i m e n t a js t i l d yo ng a pc o m p e n s a i j o n 锄d w a v e l e n g m l e 州o ni nu v - l i t l h o g r a p h yo fu l t r a _ h i g ha s p e c t 翔t i os u 8m i c r o s i r u c t u r e s 【j 】 s e n 吕o r sa n da c t 嗽o r sb1 10 ( 2 0 0 5 ) ：2 7 9 2 8 8 1 3 第2 章紫外光刻实验 第2 章紫外光刻实验 2 1 光刻掩模版的制备 光刻掩模版如砷是紫外光刻实验前必备的实验器材之一。它是在光照时置 于光刻胶膜上，除特定区域外均对光有掩蔽作用的图版。由基片和吸收体图形 组成。这些图形所承载的几何特征信息，将借助紫外光刻和图形复制原理，转 移到光刻胶上。 目前国内光刻掩模版生产厂家大致可分为三类： 第一类提供中低档光刻掩模版。主要包括中科院微电子中心( 北京) ，中国电 子科技集团第1 3 所( 石家庄) 、2 4 所( 重庆) 、4 7 所( 沈阳) 、5 5 所( 南京) 等。其主要 设备是二十世纪八十年代美国g c 4 公司生产的光学制版设备，有图形发生器 ( g c 3 卯口p 础p 埘群以已，口幻，) 、步进精缩机( g c 爿3 矽d 砷。加岣卵口研) 等。另外，北 京微电子中心以及沈阳4 7 所还拥有电子束制版能力，主要设备是五髓1 c 拖6 甜彳7 d 口。这些制版厂家的一大缺陷是缺少大型后道自动检测和修补设备，因 此对中高端的以光刻掩模版无法提供全面的质量保证。 第二类提供中高档光刻掩模版。主要有无锡华润微电子有限公司掩模工厂， 上海凸版光掩模有限公司( 原杜邦) 。其中无锡华润拥有光学制版设备、电子束制 版设备，以及置翻自动检测和修补设备，可以提供从低档到中高档的所有光刻 掩模版，堪称中国制版业的中坚力量。而上海凸版没有光学制版设备，因此无 法以低廉的价格提供中低档的光掩模。 第三类提供高端光刻掩模版。目前已有的唯一一家是上海中芯国际。另外 一家舶d 肋以酬上海) 仍在建。中芯国际的制版能力处于国际先进行列。 除上述三类以光学制版设备、电子束制版设备为核心，以提供半导体制造 用光刻掩模版为主的掩模生产商外，还有一类掩模生产商，则主要提供大尺寸 掩模版，用于工c d 、弹lp d p 以及圮p 耐m m p 、肌唧帕等领域。其主要 设备是胁砒r 舾p 馏的激光直写机( 上珊p ，胂f 研) 。这一类掩模生产商集中在深圳， 主要有深圳市路维电子有限公司，深圳清溢精密光电有限公司。近年来，他们 己开始涉足小尺寸光掩模版的制作。 1 4 第2 章紫外光刻实验 本研究选择中科院微电子所，用电子束曝光制版。其制版工序包括： g c 么3 卯d 图形发生器曝光工序、g c 么3 猡6 精缩机曝光工序、皿鲥电子束 曝光工序、此髓醪4 7 d d 电子束曝光工序，以及掩模版复印翻版工序等。 2 1 1 微电子所采用的光学制版工艺 首先要制作光刻掩模版的基板匀胶铬版( 如图2 1 ) 。它是通过在高洁净 度、高平整度的苏打玻璃或者石英玻璃上镀上一层铬，铬上再覆盖一层防反射 0 r j 口刀f f - 聊g c f f v g ) 物质，最上面涂覆一层感光胶制作而成的。 a r 、- 铬 图2 1 均匀铬版 其次采用图形发生器曝光，g c 3 卯晒图形发生器实物及博西媸十拳薹蓁：妻 磊烈；艄霁誉鬈鬻黪贫i 粪芽嘭瞎攀确褥补羹鬟垩鬈臻掣菱限雾；军但埴薹蕉 鬻莲型确瑚薹霉i 薹鳘耋雪妻羹垂薹i 翥鞠蚓鼎l 瑟搿霎鞠。+ 。ooo -_- f 。 。 。 - _ 。 。 。 ，- 第2 章紫外光刻实验 由此可知，使用光学图形发生器制作掩模版的流程是，首先将设计版图上 的所有几何图形用多边形来逼近，然后将多边形分割成矩形块( 即用矩形块来精 确覆盖多边形) ，再将这些矩形块信息输入给图形发生器控制端，最后由图形发 生器通过选择性曝光而在铬版的感光胶上形成所需版图图形，再通过显影、腐 蚀、去胶而完成制版。需要注意的是使用光学图形发生器来精确制作圆弧或锐 角是不可能的，只能尽可能地近似把圆弧做的非常好，为此只有通过电子束或 激光直写设备来做。 经图形发生器曝光后，接下来是精缩机曝光。通常，一块1 ：1 的接触式光刻 机用的掩模版是由同一个单元图形在掩模版上重复分布而得到的。若直接用图 形发生器来做这样的光刻板，通常数据量大，无法实现。另一方面，精度要求 也难以得到保证。一般的做法是，先通过图形发生器做一块放大了1 0 倍的只有 一个单元图形的初缩版俾p f f c 绝) ，然后通过步进重复精缩机将初缩版上的单元图 形缩小1 0 倍后投影到工作台上的铬版上，由工作台在删方向的步进运动完成 单元图形在精缩版上的分布。步进重复精缩机型号是g c 么3 移6 ，1 0 倍的缩小倍 率，其最大重复单元尺寸为1 0 聊m 1 0 聊m 。制版时一般要求最大单元尺寸最好 控制在9 5 朋聊9 5 聊脚。超过此范围的需要通过拼版来做，成本要高出许多。一 般而言，大单元( 超过1 0 聊肌1 0 聊阴) 低精度的掩模版可通过光学图形发生器来 做，大单元高精度的掩模版则需要通过电子束来做。图2 3 是g c 么3 卯6 步进重 复精缩机的实物及工作原理图。 1 6 图2 3g c a 3 6 9 6 步进重复精缩机工作原理示意图 在经过饱0 正鲋和m 船嬲4 7 d d 两道电子束曝光工序后，进入掩模版翻版 第2 章紫外光刻实验 工序。翻版机的功能是将一块半导体光刻掩模版( 母版_ 4 ”、5 、6 ”c r 版) 上的图 形复印到另一块工作版上去。工作时，将母版和工作版重叠放入主机的删6 中。主机的核心部分是机内的光源部分，它将产生一束平行光。并通过该平行 光透过母版照到工作版上，从而将母版上的图形成像在工作版的感光胶上，经 过显影、腐蚀、去胶后得到母版图形的一块复印版，且母版和工作版的图形是 左右相反的。 2 1 2 实验用掩模版图设计 光刻掩模版版图设计文件的数据格式有伽! i ：，、d r 咒坫等，这些格式文 件可由如聊p ，4 d 心，上p 砌等版图设计软件生成。对于非忙行业的光掩模用 户( 诸如光学，微机电，太阳能电池以及分立半导体器件等) 而言，其设计人员常 使用彳“幻c 省d 软件绘制光刻版图。对于此类彳“，o c h d 格式文件，光掩模生产厂 家需要将其转换成6 d 跗格式后再加以处理。现在通常使用的格式转换软件是 肋 丘c 4 d ，其功能之一是将胧f 文件转换成文件。对于常见的以啪d d 图元如封闭多义线( d 助圳打馏) 、方块眯g c 枷雹出) 、圆及椭圆( c j ”如，日坳嘲、 多边形( n 砒驴n ) 以及宽度多义线妒伽gw 触w 础 ) ，加七c d 能进行无损转换， 它有一个修复功能可以将相邻的线段连接起来，若某些相邻线段连接起来后正 好形成一个封闭多义线，则作为一个闭合多边形输出给g 粥u 文件。因此，由 一组能围成闭合多边形的相邻妇已构成的图形也是容许且可无损转换的。除上 述容许图元以外，都是不容许图元如图2 4 所示。 b ( a ) a 嘞( c ) 图2 4 不容许图元 其中图2 4 ( a ) ，2 4 ( b ) 是典型不封闭多义线，图2 4 ( c ) 看上去是封闭的，但 1 7 第夏萝鎏雾夔鬟瑶鬻 塞荐墼蚶辇塞璀骥习蓁壁纛。疆罂蜕斟乓r 蹲瞪箍；罐鹱蠛硎她绩律； 囊冀委墓蓁江藕拦譬蠢稚浇笔霭；薹薹莓毫葬霉器颦薹露嚣嚣。荔鍪墓鋈坚薯嗍 蜕刭窆酣；雾鎏雾争奏翟雾蓁冀翦琵孺瑚口；雾薷刚罄燮竖嚣塑匝就能； 薹j i 二；薹警薹秘铥误发生椹琚荔斟耧 制拍撕裂塞纛墨蒂劳昂簟蓿麓眵鲤蘩潘9 券垂墨= i l ；融琴蓟彰矧砭面飘 禹；蠹萋嚣薰錾豇型熏喜蛉魍冀鬻豁掣一雾妊；幂玉萄矧刮嚣邕邕昂 箜窭 蘸霎g l 一墓鞫薹i i 董墓! 蹙雾i 影箱型翼藤群萎砀朝毫兰卜耙羹。 ， t ! ：妻 囊委；雾奏蓁雾羹 瓢和询鳃蚕侵羹翰袖趔f ；鋈雾妻| | 兰囊囊基藜杀翟爆理橱博西媸十拳薹蓁：妻 磊烈；艄霁誉鬈鬻黪贫i 粪芽嘭瞎攀确褥补羹鬟垩鬈臻掣菱限雾；军但埴薹蕉 鬻莲型确瑚薹霉i 薹鳘耋雪妻羹垂薹i 翥鞠蚓鼎l 瑟搿霎鞠。+ 。oo o -_- f。 。 。 -_ 。 。 。 ， - _+ 。 。 - 誉蜮：i ；! 餐，。 囊：；：豁嘴；辫：i ；一 。 ；搬壶i ! ! ；二 图 2 5 掩模版图分布情况其中，方形图形的宽度分别有5p m 、1 0p m 、1 5p 珊、2 0 胁、2 5 p删和30p六 种尺寸，方形图形之间的间隔相互之间构成阵列，变化范围是5埘0m，大 间距阵列的间隔变化范围是80研l是费p所。设计方形图形阵列的目的是想研究 “线宽偏离量”这种误差，以及图形和图形之间的相互影响，设计不同尺寸的 方形图形，同时图形之间具有不同的间隔。直线设计的目的主要在于研究直线边缘的非直线性，直线设计时长度为5 妻奏肛m ，最小线宽为5 p脚，这是做大高宽 比微结构时要考虑的。圆是非线型图形的典型代表，用正多边形拟合。在上b础中 导入删文件，通过宏命令加载ed蓁蓁lgd阻插件，可以设置多边形边数 (如2费费)，完全能满足逼近要求了。l x 第2 章紫外光刻实验 2 2 实验组织与设计【1 】 2 】 实验设计，就是一种科学或工程设想通过精心策划，方法选择，变量设计 等一系列创造性的思维程序，形成一个解决问题或实现设想的行动方案。实验 是一种科学手段，是以一定的假设为前提，利用各种仪器设备以及人为创造的 条件，让各种现象及内在的关系和演变过程在实验者面前充分暴露，通过忠实 的观察和缜密测量，运用理论分析和数据处理，做出决策与判断，以论证这一 假设的正确与否，或者进一步提出新的理论，发现新的规律。可以说，实验是 人为的、短期的和特殊形式的实践。实验的目的是为了认识一个有诸因素构成 的系统内部的特性及其变化规律，从而寻求最优化的生产条件。实验设计的主 要内容包括两大部分：一是实验因素的决定，水平值的及其组合形式的确定； 二是实验信息的获取和信息处理的方法，前者是实验方案的设计，后者是数学 方法的运用。一个好的实验设计必须同时兼顾实验方案的经济效益和实验信息 的质量，统一这两项要求，实现最优化设计，这是实验设计的一项主要任务。 2 2 1 常见的实验设计方法 紫外光刻实验是一个多可控因素、 因素优化的实验，常用的设计方法有： 法、均匀实验法等。 且因素间多有交互作用的实验，对于多 因素轮换法、单纯型搜索法、正交实验 因素轮换法也称为单因素轮换法，其想法是：每次实验中只改变一个因素 的水平，其他因素的水平保持固定不变，希望逐一地把每个因素对实验指标的 影响摸清，分别找到每个因素的最优水平，最终找到全部因素的最优实验方案。 这种方法虽然简单，但是对于多因素的实验，实验次数太多，是一种低效的实 验设计方法，而且只适合于因素间没有交互作用的情况。当因素间存在交互作 用时，每次变动一个因素的做法不能反应因素间交互作用好的实验结果，同时 对这样的实验数据也难以做深入的统计分析。 单纯型搜索法早在1 9 6 2 年就由印p 胛砒) ，等人提出，该法不用建立数学模型， 而仅是靠“输入”和“输出 来直接进行寻优搜索，对那些内部机理不是很清 楚的“黑箱”系统非常适用。通常把门维空间中具有一十1 个顶点组成的“阼维超 多面体”称为以维单纯型。因此，在平面( 二维空间) 中，单纯型为三角型，在空 1 9 第2 章紫外光刻实验 再但四五l 耳疆压，元惘i ，正量觯匝 和量度、以皿宴奠使嚣功率曩辱 甩腔转追 前蛾温度 前烘时问 矧i o 光时问斗耋l 衄蔓一l 图2 6 正交实验工艺流程和工艺参数 a z 9 2 6 0 是c h 一切l r 公司提供的一种广泛用于微电镀制作的正性光刻胶，属 于邻叠氮醌类化合物，由光敏化合物尉c 、树脂和有机溶剂组成。通常在g 线 和f 线光谱范围内使用，具有分辨率高、高宽比大、吸收系数小和粘性良好等优 点。 在大量预研究的基础上总结经验，设计出实验各可控因素的水平值，如表 2 2 所示。 表2 2 正交实验参数水平表 2 2 3 表头设计【5 】 可控因素量单位 1水詈值3 甩警速f ，( r ，胁) 2 0 0 01 5 0 02 8 0 0 前譬间b ( m m ) 1 01 52 0 前孳，度肌) 9 5 9 0 8 5 曝专，问 c “s ) 9 08 0l o o 显警问d ( s ) 1 5 9 1 7 3 1 7 4 1 9 01 4 2 1 5 6 紫外光刻实验是一个多因素，且因素间多有交互作用的实验，其正交设计 最突出的要求是必须按照一定的规则安排各个因子在正交表头上所在列的位置 顺序。虽然有交互作用的正交实溜醛懦揣摆赠罐蒿霉1 复鍪埤掳捌坦罐疆； 删涩竖筝赢鄹韩磊雾盟毯；洲掣子酚黧酬蓁裂望墅蓄吾醣鬣萎雾甄鞠雪魁羹晰 疆； 表头 第2 章紫外光刻实验 并用胶厚离散度口= 专喜( 五一；) 2 表征其微观不平度。其中一是样本点厚度，； 是平均值，是测厚样本点数。 不同转速下胶厚均值的变化如图2 6 ，2 7 所示。可见，甩胶转速水平增大 时，平均胶厚值随之单调递减；而对于胶厚标准差，当转速水平在10 0 3 0 0 0 砌加 范围时，标准差随转速水平增大而减小，在3 0 0 0 4 5 0 0 n 锄抽时，标准差随转速 水平增大反而增加。 爸 3 捌 露 琏 翟 图2 6 胶厚均值随转速水平变化的情况 实践表明，以3 0 0 0 砌加转速为分水岭，转速低于3 0 0 0 砌加时胶厚的不均 匀性是明显的，胶厚标准差值高，3 0 0 0 砌加转速对应最小的胶厚标准差，此时 的匀胶效果是比较理想的，且所有取样点相对于均值点的相对波动也是最小的。 2 4 置 蠹 謦 鉴 避 拦 图2 7 胶厚随转速变化的离散度 第2 章紫外光刻实验 2 。4 本章小结 本章介绍光刻实验的掩模版设计和实验方案设计。比较了因素轮换法、单 纯性搜索法、正交实验法、均匀实验法等常用实验设计方法后，针对紫外光刻 实验因素多且因素间多有交互作用的特点，选择正交实验法组织实验参数及水 平设计。确定主要因素包括甩胶转速、前烘温度、前烘时间、曝光时问和显影 时间。交互作用主要考虑前烘时间与曝光时间、曝光时间与显影时间、前烘时 间与显影时间的交互作用，选用标准正交表厶，( 3 n ) 安排实验。并通过胶厚试验 揭示甩胶转速与胶厚的关系，验证了将转速作为可控因素考虑的合理性。 第2 章紫外光刻实验 参考文献 【1 】赵选民试验设计方法【m 】北京：科学出版社，2 6 ：7 9 1 2 l 【2 陈魁试验设计与分析【m 第二版，北京：清华大学出版社，2 0 0 5 ：7 2 - 1 0 8 3 】刘长安拉丁方正交完全系和常用正交表的简捷构造法 j - 海洋湖沼通报，1 9 9 5 ，4 ： l 一8 ( 注：无卷号) 【4 】任露泉试验优化设计与分析【m 】第二版，北京：高等教育出版社，2 0 0 6 ：l 1 8 1 【5 】刘文卿实验设计 m 1 北京：清华大学出版社，2 0 0 5 ：卜1 3 3 【6 】e p f lc e n 衙o fm i c r 0n 蛐ot e c l l n o l o 肼a z 9 2 6 0p o s i 右v ea 蛳ep h o t o 啪s i s t 【e b ，o l 】 h c c p 比m i e p f l c h 2 0 0 6 0 5 15 第3 章实验评价体系的建立 第3 章实验评价体系的建立 3 1 田口方法与信噪比 1 】 从2 0 世纪7 0 年代末期开始，日本学者田口玄一( g 豫“曲0 博士创立了以三 次设计为内容的质量工程学，其中的主要内容就是稳健性设计。所谓稳健性 6 埘胁e 劝是指产品对各种干扰因素的抵抗能力，反应为产品质量特性的变异程 度。变异程度小的产品稳健性就高，变异程度大的产品稳健性就低。 稳健性设计( 阳6 埘f 如咖) 就是用实验设计提高产品稳健性的方法，是当今 世界上工业发达国家深入研究和广泛应用的提高产品开发设计质量的重要新技 术。如果生产出的产品能够在各种噪声因素的干扰下保持性能指标很小的变异 性，或者用廉价的零部件能组装出性能稳定可靠的产品，则认为该产品的设计 是稳健的。具体说来，稳健性设计通过对所开发产品的分析找出影响产品质量 及其稳健性的主要因素，用先进的实验设计技术对产品开发研究所需进行的实 验进行规划，通过实验或计算机模拟计算来考察波动情况下各种不同配方或工 艺参数组合时的产品质量及其稳健性。用科学方法分析数据，找出主要因素对 产品质量的影响规律，再用有效的优化方法对产品配方或工艺参数进行调整优 化，最后找出使产品的平均质量及其稳健性、产品成本均令人满意的产品配方 或工艺参数。 在稳健性设计中，用信噪比o 趣卵d j 胛d 妇m 加) 衡量质量。信噪比是测量质量 的一种尺度，不同的问题用不同的量作为信噪比，同一个问题也可采用不同的 量作为信噪比。信噪比的概念首先是在无线电通信中提出来的，接收机输出功 率可分成两部分：信号功率和噪声功率。理论上，实践中经常要考虑信号功率 与噪声功率的比值，于是把这个比值叫做信噪比，通常用叩表示： 信号功率s， 町2 雨两酒2 万 j 式中玎越大，通信效果越好。 在实验设计中采用信噪比是田口玄一博士于1 9 5 7 年提出来的，此后几十年， 2 7 第3 章实验评价体系的建立 由于以他为首的一批学者专家的努力，在产品设计中广泛采用信噪比，并把它 与正交设计结合起来，解决了许多不同特性值的综合功能评价问题。信噪比不 是一个严格的定义式，而是某些特征量的一种特定的表达式，引入信噪比以后， 任何特征量都可以用它的信噪比来代替。基于此，在紫外光刻实验中，引入信 噪比作为评定实验目标质量特征的一种测度，由于研究对象是紫外光刻的加工 误差