（光学工程专业论文）有机聚合物光波导光刻工艺.pdf

东南大学硕士学位论文 摘要 近年来，光通信技术的迅速发展，带动了光波导器件的研究和发展。有机聚合物光波导 材料具有许多独特的优点，例如较高的电光耦合系数，较低的介电常数，响应时间短，加工 工艺简单经济，可以用来制作大容量，高速度，抗电磁干扰的光波导开关。 在有机聚合物光波导制作中，首先需要制备性能优异的薄膜，然后再通过光刻、刻蚀等 工艺将薄膜制作成特定光波导的形状。为了很好的满足器件设计指标，光波导的宽度要求比 较严格，而光刻工艺是影响波导宽度的重要因素。光刻尺寸的精度将直接影响聚合物光波导 的尺寸精度，因此，关于光刻精度的研究越来越受到研究单位的关注。 本文着重介绍了聚合物光波导制作中的关键技术：聚合物薄膜的制备以及其后续光刻工 艺的优化，主要内容如下： 1 对比f p i 和p m m a 等作为原材料所制备的聚合物薄膜，选择合适的原材料。通过旋涂 法制备了用于波导制作的高性能聚合物薄膜，讨论了部分工艺参数，如溶液浓度、旋涂转速 以及温度等对薄膜质量的影响。分析了可能造成薄膜缺陷的原因，并对薄膜的性能如薄膜厚 度、折射率和表面轮廓进行了测试以优化旋涂工艺。 2 通过改变光刻步骤中部分条件，经过反复试验，摸索最佳光刻效果，得出光刻的最优条 件，进而对工艺进行优化。最后对掩膜版的宽度进行改进，从而制备出符合实验要求光刻胶 宽度。 总之，本文通过大量实验摸索出了制备聚合物薄膜的最佳工艺条件，以及最佳的光刻条 件，最终制得了适合实验要求的聚合物光波导，为今后进一步摸索聚合物光波导器件制作工 艺打下了坚实的基础，具有极高的实用价值。 关键词：集成光子学聚合物光波导聚合物薄膜光刻工艺优化设计 东南人学硕士学位论文 a b s t r a c t r e c e n t l y ，r a p i dd e v e l o p m e n to fo p t i c a l c o m m u n i c a t i o n sp r o m o t e st h er e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n to fo p t i c a l w a v e g u i d e d e v i c e s t h e r ea r es o m ep a r t i c u l a rm e r i t si nt h ep o l y m e r o p t i c a l - w a v e g u i d em a t e r i a l s ，s u c ha sh i g he l e c t r i - o p t i c a lc o u p l i n gi n d e x ，l o wd i e l e c t r i cc o n s t a n t , s h o r tr e s p o n s et i m e ，e a s ya n de c o n o m i c a lm a n u f a c t u r i n gp r o c e s s ，s ot h e yc a nb em a d ei n t oo p t i c a l w a v e g u i d es w i t c h e sw i t hb i gc a p a b i l i t y ，h i g hs p e e d ，g o o d r e s i s t a n c et oe l e c t r o m a g n e t i s m i n t e r f e ：r e n c ea n dw i r e l e s si n t e r f e r e n c e f i r s to fa l l ，i ti sn e c e s s a r yt op r e p a r et h ee x c e l l e n tt h i nf i l m si nt h ep r e p a r a t i o no ft h ep o l y m e r o p t i c a l w a v e g u i d e ，a n dt h e ne x e c u t et h eo p t i c a l w a v e g u i d eo fs p e c i a ls h a p eu s i n gt h ef i l m sb yt h e p r o c e s so fp h o t o l i t h o g r a p h y , e t c h i n ga n ds oo n t h e r e i sas t r i c tr e q u e s to nt h ew i d t ho fw a v e g u i d e i nt h ep r o d u c t i o no ft h ep o l y m e rw a v e g u i d ef o rg e r i n gt h ee x c e l l e n td e s i g n i n gt a r g e tt oa p p e a s e t h ed e v i c e s ，p h o t o l i t h o g r a p h i cp r o c e s si sa ni m p o r t a n ta s p e c ta f f e c t i n gt h ew i d t ho fw a v e g u i d e t h ep r e c i s i o no fp h o t o l i t h o g r a p h i cp r o c e s sa f f e c t st h ep r e c i s i o no fs i z ei nt h ep o l y m e rw a v e g u i d e d i r e c t l y , s ot h er e s e a r c ha b o u tt h ep r e c i s i o no np h o t o l i t h o g r a p h yi sr e g a r d e dm o r ea n dm o r eb y i n s t i t u t i o n s i ti s e m p h a s i z e d t oi n t r o d u c et h ek e y t e c h n o l o g yi nt h ep r e p a r a t i o n o fp o l y m e r o p t i c a l - w a v e g u i d eb yt h i sp a p e r ：t h ep r e p a r a t i o no ft h ep o l y m e rt h i nf i l ma n dt h e r e a f t e rw h i c hi s t h eo p t i m i z a t i o no ft h ep h o t o l i t h o g r a p h yp r o c e s s ，t h em a i nc o n t e n t sa r ea sf o l l o w s ： 1ac o m p a r a t i o nu s i n gf p ia n dp m m a a st h er a wm a t e r i a lt op r e p a r et h ep o l y m e rf i l m sw a s m a d e ，c h o s et h ea p p r o p r i a t er a wm a t e r i a l e x c e l l e n tp o l y m e rt h i nf i l m sf o rw a v e g u i d e sw e r e p r e p a r e dt h r o u g hs p i nc o a t i n g s o m ep r o c e s sp a r a m e t e r s ，s u c ha ss o l u t i o nc o n c e n t r a t i o n , s p i n s p e e da n dt e m p e r a t u r e ，w e r ed i s c u s s e da b o u tt h ee f f e c t s o nt h eq u a l i t i e so ft h es p i nc o a t e d p o l y m e r t h i nf i l m s p o s s i b l ec o n d i t i o n st h a tm a yl e a dt of a u l to nt h i nf i l m sw e r ea n a l y z e d , a n d s o m ec h a r a c t e r so ft h et h i nf i l m s ，s u c ha st h i c k n e s s ，r e f r a c t i v ei n d e xa n dt o p o g r a p h yw e r et e s t e dt o o p t i m i z et h es p i nc o a t i n gp r o c e s s 2t h eb e s tp h o t o l i t h o g r a p h yp r o c e s st og e tt h eb e s tp h o t o l i t h o g r a p h yc o n d i t i o ni ss t u d i e db y e x p e r i m e n t s a n ds o m ec o n d i t i o n si nt h ep h o t o l i t h o g r a p h ys t e p sa r ec h a n g e da n d t e s t e di no r d e rt o o p t i m i z et h ep r o c e s s l a s t ，t h ew i d t ho f t h em a s ki si m p r o v e dt op r e p a r et h er e s i s tw i d t ha c c o r d i n g t ot h ee x p e r i m e n tr e q u e s t t t 东南大学硕士学位论文 i naw o r d ，t h ep a p e rs t u d i e dt h eb e s tp r o c e s sc o n d i t i o nt op r e p a r et h ep o l y m e rt h i nf i l m sa n d t h eb e s tp h o t o l i t h o g r a p h yc o n d i t i o n ，p m p a r e dt h ep o l y m e ro p t i c a l w a v e g u i d el a s t l yw h i c hw a s r e q u e s t e db yt h ee x p e r i m e n t t h i sw o u l db eag o o db e g i n n i n gf o rf u r t h e ri n v e s t i g a t i o ni n t ot h e f a b r i c a t i o no f p o l y m e ro p t i c a l - w a v e g u i d e ，a n dw o u l db eo f g r e a tp r a c t i c a lv a l u e k e y w o r d s ：i n t e g r a t e dp h o t o n i c sp o l y m e ro p t i c a lw a v e g u i d ep o l y m e rf i l mp h o t o l i t h o g r a p h i c p r o c e s so p t i m i z i n gd e s i g n i i i 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 一 研究生签名： 銎：垒亟 e l 期：兰蚰c 多 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：豇= 金匠导师签名： 日期：矽谚多 第一章绪论 第一章绪论 近二十年来，电子学在计算和通信领域得到迅猛的发展，这得益于三大技术半导体 材料，集成电路的自动化微工艺和集成电路设计为此创造的好平台，从而大规模、低成本制 造集成电路成为可能。然而，在很多应用中需要带宽特性的急剧增长。电路中信号传播和开 关速度是有限固定的。随着通信中对带宽的需求，电路表现出了局限性。 与此同时，光路的发展带来了一场计算和通信的革命，光路在许多领域中大大优于电路。 光路应用相比于电路具有非常大的信息容量( 宽带宽) 、低的传输损耗、低的发热量、串扰 和电磁干扰小、重量轻和尺寸小的优点。此外，光子学在许多电子学的应用领域起到至关重 要和补充的作用。成功应用光子的例子有：宽带通信，高容量信息存储，大屏幕和便携信息 显示技术【1 3 1 。 在信息高速膨胀的今天，如何更有效地、更经济地利用这一载体，是人类面临的一个重 大课题。在这个背景下，光子器件的发展非常迫切。目前的光子器件，最为缺乏的是光开关 以及其所构成的o a d m ( o p t i c a la d d d r o pm u l t i p l e x e r ) 、o x c ( o p t i c a l - p a t hc r o s s - c o n n e c t ) 等，而 制作光开关首先需要制备性能优异的光波导。 用聚合物制造光波导器件是当前备受关注的研究领域。目前，应用的光波导材料主要 集中在s i 0 2 s i 等无机材料上，但是这些无机材料的双折射效应都比较大，而且在无机材料 衬底生成高质量厚膜波导比较困难，需要的设备也较复杂。因此，许多研究者开始利用聚合 物材料制作光波导器件。聚合物材料的特性使得p o l y m e r s i 器件具有制作工艺简单，成本低， 双折射率小，折射率易控制及偏振不灵敏等优点，使其在与无机材料的竞争中处于有利地位。 同时，聚合物可以在任何材料的衬底上大面积旋涂成型，不需要高温处理，聚合物的热光系 数和电光系数都比较大，可以制备热光开关和电光开关f 5 - 6 1 。 聚合物光波导器件的制作过程中，工艺条件的好坏会直接影响器件性能优劣，微细加工 非常重要，光刻工艺是微细加工中的关键技术。光刻工艺起源于半导体制造技术，是当前电 子工业和精密机械加工中的重要技术，加工尺度从微米级，亚微米级乃至纳米级。 1 1 集成光学概述 上世纪6 0 年代末，随着微波、激光、半导体、薄膜光学和集成电路理论与技术的迅速 发展，逐渐形成了集成光学的雏形。当时有很多名称，如“集成光路”、“光集成”、“集成光 l 东南大学硕士学位论文 学信息处理器”等。19 6 9 年美国贝尔实验室的s e m i l l e r 首先提出了“集成光学”( i n t e g r m e d o p t i c s ) 的概念。1 9 7 2 年。s o m e k hs 和y a r i v ea 提出了在同一半导体衬底上同时集成光 器件和电子器件的构想1 7 】o 从那时到现在，集成光学无论在理论方面还是在应用方面都得到 了长足的发展。现在的“集成光学”已经不再是当初把几个光学元件集成在一起的简单概念， 而是一个集光学、激光、微电子学、光电子学、通讯、薄膜技术等为一体的新型学科。随着 信息高科技时代的到来，在集成光学自身理论、材料、工艺、器件及应用等诸方面飞速发展 的同时，又不断地从光学、激光、微电子学、光电子学、通讯、薄膜技术等相关学科的发展 中汲取丰富的营养，使得集成光学充满生机和活力，成为2 1 世纪诸多新兴边缘学科中一颗 耀眼的新星! 目前集成光学的概念涵盖广泛的内容。从集成方式上划分，可分为光子集成( p i c ) 和 光电集成( o e i c ) ；从集成形式上划分，可分为单片集成和混合集成。所谓单片集成，是指 在半导体或光学晶体衬底上，只经过一系列制作工艺，同时把所有元件集成在一起；而混合 集成，是指用不同的工艺制作各种元件以后，再组装在半导体或光学晶体衬底上。从研究内 容上划分，可将其划分为导波光学和集成光路两部分。导波光学主要研究光在导波介质中的 产生、耦合、传播和损耗等物理现象和性质，以及相应的光波导器件，比如光耦合器、光分 束器及合波器、光开关、光放大器、光调制器等。集成光路主要研究如何把各种光波导器件 集成在同一衬底上，形成具有一定功能的微型光学系统，以改进和提高这些微型光学系统的 性能。目前的集成光学器件种类繁多，新器件、新工艺层出不穷，应用也日益广泛，他们不 断丰富着集成光学的内涵。 1 2 光波导的概述 光波导是集成光学的基础，集成光学的发展离不开光波导理论的发展及制作工艺的提 高。1 8 8 0 年，光波导开始被w h e e l e r 称作“光管道”。随着激光的发明和干涉光学的发展，用 来组成光器件和连接光路的长距离传输介质( 光纤) 和导波结构的需求迅速增加起来。光波 导能够制作光通信平面器件并且能够集成到平面光波回路中，这种波导结构在微波以上频段 相对于电路显示出许多的优点。1 9 6 4 年s c h l o s s e r 最先从理论上研究了矩形介质波导，1 9 6 5 年a n d e r s o n 提出了薄膜波导器件和线路结构。并把这种结构应用于红外波段。1 9 6 9 年m i l l e r 根据这些早期成就的优点和可行性，提出了“集成光学”的概念，使平面光波导和光波回路获 得了极大的发展。 2 第一章绪论 图1 1 平面波导 图1 2 条形波导 包层 层 要使光束能够限制在薄膜中就形成波导，必需满足芯层的折射率比包层的折射率高。折 射率改变是阶跃变化的波导称为阶跃型( s i ) 光波导；而折射率改变是连续变化的则称为渐 变型( g i ) 波导。图1 ，l 显示典型的三层结构的阶跃型平面波导，将高折射率的薄膜材料涂 覆在低折射率的衬底上，第三层通常是空气或者另外的低折射率覆盖层，这种波导是基本的 波导结构，而实际上可以适当的将不同类型的光波导结合起来以得到期望的特性。二维的光 波导使光在薄膜厚度上受到限制，现在，三维光波导( 如条状波导，图1 2 ) 的制备工艺趋于 完善，使得光集成器件变得容易实现了。虽然这类光波导传播距离很短，但是由它所构成的 集成光学器件在光通信系统中起重要作用1 3 j 。 1 3 有机聚合物集成光学器件的特点 随着光网络中宽带通信的进一步成功，数据通信和计算将依赖于基于光波导器件的光器 件，例如光分离器，光合波器，复用器( m u x ) ，解复用器，光开关调制器，可调滤波器。 可调光衰减器( v o a ) ，光放大器和其他集成光学器件，基本的设计和制作集成光波导器件已 初具规模，但在材料领域没有完全的胜者。今天光纤已经应用于高速数据传输，虽然光纤提 供了便利的方式长距离的传输光信息，但是对于传输复杂高密度的线路是不容易实现的。除 光纤易碎和震动敏感性之外，光纤设备的制作也比较困难，特别是端口数量多时会导致成本 过高。而光波导材料弥补了这种不足。i n p 材料i v 族半导体材料广泛的被应用于波导制 作。这种材料在制作光有源器件上具有很大的潜力，如1 5 5 0 n m 附近的激光器和光探测器的 集成。然而，从最近销售光器件的情况来看，由于半导体的处理很复杂，价格比较昂贵。在 应用较为接近的s i 集成电路的制造技术基础上，已经实现了基于s i 的平面光波器件( p l c ) 。 1 9 8 0 年n t t 首先提出s i 基的平面光波器件；然而，制作出第一批商业产品花费了将近1 5 年的时间。近来，光开关和阵列波导光栅( a w g ) 的复用器解复用器在d w d m 系统中占 据s i 基平面光波器件技术的主要应用1 9 1 ，出于成本考虑，高的开关功率需要s i 基开关器件， 3 东南大学硕上学位论文 然而，低波长调节范围和中心波长温度依赖的是s i 基a w g 主要的问题。在可选材料体系 中，聚合物是高集成光器件和光路值得期待的材料选择【1 0 l 。聚合物材料是制作集成光器件 很有前景的材料，因为聚合物材料提供了快速响应，低正本的优点。相对于s i 具有低光损 耗和小的双折射，由于聚合物具有比s i 大的热光系数，所以其受热能量转换效率高。高的 折射率比值使得其器件尺寸小。此外，聚合物提供了一个理想的平台，通过选择掺杂或反应 来结合其他复杂的材料。 聚合物集成光学器件具有如下优点： 1 制作高质量的聚合物波导材料相对容易，同时波导材料的折射率也易于调整。 2 器件制作工艺简单，并与传统的半导体工艺相容，有利于大规模的生产，成本低。 3 材料可旋涂在许多类型的基底上，有利于与其它的光电子器件集成。 4 材料种类多，因而可选择损耗低且偏振无关的材料来制作器件。双折射小，制成 波导器件性能受偏振影响较小。 1 4 光刻概述 聚合物光波导器件的制作过程中，工艺条件的影响非常明显，而其中的光刻工艺更是决 定了光波导的形貌。光刻工艺起源于半导体制造技术，是当前电子工业和精密机械加工中的 重要技术，加工尺度从微米级，亚微米级乃至纳米级。 1 4 1 光刻的历史背景 1 9 0 6 年l e ed ef o r e s t 发明了真空管，使人类进入了无线电时代，电子管成为电子工业 的基石。1 9 4 7 年b e l l 实验室的w i l l i a n s h o k l e ，j o h n b a r d e e n 和w a l t e r b a r t a i n 发明了晶体管， 1 9 5 8 年t e x a s 仪器公司的j a c kk i l l b y 推出了第一块集成电路( i c ) ，1 9 7 1 年i n t e l 公司推出了 第一块集成2 3 0 0 个晶体管的4 0 0 4 微处理器，使人类进入了信息时代，而i c 也成为现代工 业的基石。 6 0 年代早期的i c ，每块芯片上仅集成有数十个晶体管，经过4 0 余年的发展，集成度有 了很大提高。到2 0 0 2 年d r a m 芯片集成的晶体己超过1 0 亿。m p u 芯片的集成度也达数千 万晶体管。早期i c 的线宽为几百微米，到2 0 0 3 年生产水平已做到0 0 9 微米( 1 p m 是百万分 之一米，而人类头发直径是5 0 1 0 0 i t m ) 。晶圆直径也从1 寸半提商到1 2 寸。 1 9 6 5 年g o r d o nm o o r e 提出了芯片集成度每两年翻一番( 后来改为每1 8 个月翻一番) 。自 那时以来，i c 集成度的增长一直遵循这一定律。m o o r e 定律成立的基础，应归功于光学光 4 第一章绪论 刻技术的不断进步，光学光刻服从于瑞利准则。 从光学光刻的发展来看：分辨率( r ) 每三年缩小0 7 倍，曝光波长( 的每六年上一新台阶， 数值孔径( n a ) 每年增加0 0 3 ，工艺因子( k i ) 每年减少o 0 3 ，并相应提高了套刻精度、像场尺 寸、片径和生产率。在这个发展过程中曾多次遇到过似乎难以逾越的障碍，但光刻技术以其 强大的生命力，继续快速发展。光学光刻大致经历了三个阶段i 1 ： 1 9 5 9 1 9 7 5 年( 关键尺寸1 0 9 m - 3 9 m ) ； 1 9 7 5 - 1 9 9 0 年( 关键尺寸3 岬- 0 6 岬) ； 19 9 0 2 0 0 5 年( 关键尺寸0 6 p m 一0 0 6 5 9 m ) 。 在集成光学器件制造中，光刻技术能很快地对基片、芯片或基底进行复制。实际上光刻 系统生产光学组件和电子学运用的是相同的一系列工艺过程曝光、掩模、保护，整个工 艺步骤就是从模块到保护层再到器件完成仿制过程。但是，它们之间还是有很大的不同f 1 2 l 。 在开始线路设计程序时，在通道的布局上，电子学和光学有两个重大的不同。首先，弯 曲和交叉连接的节点对光学和电子回路的总能量水平和最大传输数据速率都产生影响，但对 电路的最大影响是数据速率的改变，而对光路的最大影响是光功率通过量的改变。急剧的弯 曲头就是一个最好的例证。在电子回路中一个急剧的弯头很容易完成而只对电功率造成很小 的损耗，在光路中这样的一个弯曲对光路的损耗几乎是其功率的全部。相反地，弯头可以使 电路的传输速率降低很多，而对光路几乎没有影响。 线路设计中第二个要考虑的是电子会相互影响而大部分光子则不会。光子可以在同一个 平面相互穿过对方甚至在同一个管道中存在而不会相互影响。由于这个特性和上面说的特 性，电子集成电路趋向于具有全面的正方的几何形状，即把大多数的电路放置在一个单一晶 片上形成多层结构以使电子信号可以交叉传输，而集成光路应设计成单层的和单一方向的长 的几何结构以减少光学通道的弯曲。 用光刻制造的光路和电路的第二个主要不同是所用原料的不同。电子学采用硅作为原 料。在硅的表面沉积其它不同的原料就可以获得大范围的电子特性。而在光学上就没有类似 硅的物质可以利用。光学上的不同功能诸如转向、放头和聚焦等只有采用完全不同的材料来 完成。结合回路设计上的考虑，而利用光刻技术生产的光学产品就产生了一种“系列集成” 的结果，它集成了多重的功能。由一种原料制成的一个光学晶片具有一套功能，它必须和另 一个不同原料制成的具有不同功能的基片相连接。这个过程就好像是在单一硅片上加入不同 的物质一样。重要的利用光刻技术可加工的原料包括妮酸锉( 常用于高速光电调制器的原 料) ，砷化锌，磷化锢( 用作激光源，放大器和调制器) 和二氧化硅( 分束器，光谱滤波器和放 s 东南大学硕士学位论文 大器) 。聚合物波导是一种新的和令人激动的原料，它可以用于开关、聚焦、调制和换向， 而且可以在很小的花费f 提供高质量。 尽管集成光学光刻技术生产光学器件，所需要的材料与电子学的有所不同，但是工艺过 程是相同的，因而半导体制造业4 0 年积累的经验是可以借鉴的。 1 4 2 光刻曝光系统的发展和主要性能指标 光刻曝光系统通常包括曝光工具、光刻胶、掩膜版三个组成部分，其主体是曝光工具( 光 刻机) 。曝光技术的发展主要体现在曝光系统分辨率的提高即所能加工的最小图形尺寸方面。 随着集成电路技术的发展，曝光系统的性能也在不断改善和提高。无论是在曝光工具方面包 括曝光光源、印制方式、光学系统、支撑定位平台等技术，还是在掩膜版、光刻胶等技术方 面都得到了改进。曝光工具在曝光光源方面，经历了从紫外光波段的多波长汞灯光源、4 3 5 n m 的g 线光源、3 6 5 n m 的l 线光源，到目前的主流技术中采用的深紫p b ( d u v ) 波段的2 4 8 n m k r f 准分子激光光源和即将采用的19 3 n m a r f 准分子激光光源，以及正在研发的1 5 7 n m f 2 准分子 激光光源和x 射线、电子束、离子束等新型曝光光源，在图形印制方式方面，经历了从接 触式印制、接近式到投影式的阶段，目前，在主流光刻机中，已采用了分步( s t e p p e r ) - 扫描 ( s c a n ) - 投影式( p r o j e c t i o n ) 的印制方式。为了满足光刻系统分辨率不断提高的要求，一些分辨 率增强技术( r e t ) ，如偏轴照明( o a i ) 、邻近效应校正( o p c ) 、移相掩膜( p s m ) 、具有化学增 强放大功能的快速感光光刻胶、光刻胶修剪( r e s i s tt r i m m i n g ) 、抗反射功能和表面感光后的多 层光刻胶等技术正在研究发展之中，其中的一些已经得到应用，同时，新一代的替代光刻技 术如e u v 光刻、电子束投影光刻、x 射线光刻、离子束光刻、纳米印制光刻等技术也在研 究发展之中。在光刻胶技术方面，与2 4 8 n m 光刻技术配套的、可满足1 8 0 n m 技术大生产需 要的光刻胶技术目前已经成熟，满足13 0 h m 技术时代需要的光刻胶技术正在研究和完善之 中，预计很快将可应用到主流技术中，而满足1 3 0 n m 以下技术时代需要的光刻胶还没有找 到优化的方案和途径。对于一个曝光系统来说，描述其性能的主要指标有：分辨率 w ( r e s o l u t i o n ) 、焦深( d o f , d e p t h o f f o e u s ) 、曝光场范围( e x p o s u r e f i e l d ) 、关键尺寸 ( c d ，c r i t i c a l d i m e n s i o n ) 控制、对准和套刻精度( a l i g n m e n t a n d o v e r l a y ) 、产率( t h r o u g h o u t ) 、价格 等。其中分辨率和焦深是投影式光刻系统的两个最基本和重要的参数，一般由瑞利定则确定， 即： r = k , x l n ad o f = k 2 2 i ( n a ) 2 ( 1 ) 其中r 为分辨率；d o f 为焦深；九为波长；n a 为数值孔径；k l 和k 2 为与系统有关的 6 第一章绪论 常数。由瑞利定则可知，减小波长、增加数值孔径、减小k l 等方式，是提高光刻曝光系统 分辨率的途径，其中减小波长是提高光刻系统分辨率的主要手段。系统常数k 】的减小则需 要通过系统的优化设计和采用各种分辨率增强( p e t ) 技术实现。采用大数值孔径设计和分辨 率增强技术后，先进的曝光系统已可以实现亚曝光波长尺度的分辨率曝光系统的极限分辨 率为l 2 ，即半波长。对准和套刻精度是描述光刻系统加工图形重复性能的一个指标，主要 取决于掩模版和硅片支撑平台图形对准和移动控制精度性能。曝光场范围是指曝光光束有效 曝光范围，直接影响系统的焦深性能和产率。光刻系统的产率是指每小时可加工的硅片数， 是判断光刻系统性能的一个重要的指标，直接决定了集成电路芯片的成本价格，是必须要考 虑的问题。 1 4 3 当前主流曝光技术和发展 当前主流曝光技术是以2 4 8 n m 波长的k r f 准分子激光作为曝光光源的深紫9 b ( d u v ) 光 学曝光技术，以1 9 3 n m 波长的a r f 准分子激光作为曝光光源的d u v 曝光技术除了光刻胶技 术需要进一步完善外，已基本成熟，预计不久将可引入生产领域。据估计，2 4 0 n m 的d u v 曝光技术可达到的加工极限约为1 5 0 n m ，而1 9 3 n m d u v 曝光技术的j n - 极限约在1 3 0 - - 一 1 0 0 n m 当半导体技术进入到1 0 0 n m 以下技术时代后，需要引入目前技术尚未成熟的1 5 7 n m 光学曝光技术和新一代的光刻技术( n g l ) ，如e u v 光刻、电子束s c a l p e l 等。 主流的d u v 曝光系统结构主要由d u v 曝光光源、光学系统、掩模版及其支撑移动平 台、投影光学系统、硅片支撑移动平台等构成，其中曝光光源为2 4 8 n m 波长的k r f 准分子 激光光源，投影光学系统通常为4 ：l 缩小的透射式光学系统，掩膜版采用对2 4 8 n m 和1 9 3 n m 的光有很好透过率的石英作为透光的衬底材料，金属c r 作为不透光的吸收层材料。掩模版 图形按实际所需j n - r 尺寸的四倍设计，因而制备技术难度大大降低，图形加工精度提高。由 于d u v 光对吸收层材料c r 层有辐射损伤，为了保护掩模版图形，通常要在表面淀积抗d u v 光损伤的涂层。主流光刻机中采用了分步扫描印制方式来提高系统的分辨率和d o f 特性。 所谓的分步扫描曝光，是指在曝光过程中，每次曝光对掩模版和硅片的一部分区域进行， 每次曝光后，掩模版和硅片按图所示的路径进行分步扫描移动，然后对下一个区域进行曝 光，直到将整个掩模版图形覆盖整个硅片区域，完成对整个硅片的曝光过程，如图1 3 所示 分步扫描曝光技术的应用，使得每次曝光场的范围减小，因而容易获得清晰的聚焦图象， 曝光系统的分辨率和焦深性能得到改善。 7 东南大学硕士学位论文 r。 图1 3 利用分布一扫描方式对整个硅片的曝光过程示意图 高速、高精度的平台技术对于主流光刻机来说是十分重要的。这是因为掩模版和硅片的支撑 移动平台的移动和定位精度、不同层图形之间的对准精度，直接影响图形关键尺寸的控制 ( c d 控制) ，而移动和对准的速度又影响硅片曝光的产率。高性能掩模版和硅片支撑移动平 台一般采用了如激光干涉测量等精密传感器技术对系统的聚焦、对准、移动等整个过程进行 实时的检测和控制。分步扫描曝光技术的采用使每次曝光的面积减小，同时硅片的尺寸在 增 大，因此，为了保证曝光有足够高的产率，需要提高光刻胶的感光灵敏度，减小光刻胶感光 的时间。为此，人们开发了具有化学增强放大功能的光刻胶技术，使每次曝光的时间缩短至 几秒。增大光学系统的数值孔径是先进的曝光系统中采用的提高分辨率的一种手段，但由于 数值孔径的增加将会使系统的焦深性能下降，因此数值孔径的增加需要进行优化设计。先进 的光刻机系统数值孔径一般设计为o 5 - - - , 0 8 之间。为了进一步改善主流光学曝光系统的性 能，使之能够满足更高分辨率加工的需要，人们研究和开发了一系列的分辨率增强技术 ( r e t ) ，下面我们将分别就偏轴照明、邻近效应校正、移相掩模、化学机械抛光的衬底平面 化、光刻胶修剪、表面感光曝光层和抗反射涂层的光刻胶等r e t 技术给予介绍。 偏轴照明 偏轴照u 韭j ( o a i ，o f f - a x i s i l l u m i n a t i o n ) 是一种用以改善曝光系统分辨率和焦深性能的新型 照明技术。在光学曝光系统中，照明光束的衍射效应是影响系统分辨率下降的主要物理机制 之一，o a i 是通过减小照明光束穿过掩模版时的衍射效应来提高系统分辨率的。其基本原理 如图1 4 所示，在普通照明情形下，曝光光束的光轴是垂直于掩模版表面的，因此，通过掩 模版图形光束的零级衍射和士1 级衍射成分均通过光学系统到达硅片表面，其成像光斑尺寸 为零级衍射和士1 级衍射之和。而在偏轴照明方式下，通过增加或改变照明光学系统中的孔 径光阑结构，使照射到掩模版上的光束的光轴偏离掩模版表面法线，成一倾斜角。因此，通 过掩模版图形光束的1 级衍射成分被光学系统阻挡，只有零级衍射和+ 1 级的衍射成分能够 到达硅片表面，其成像光斑的尺寸可缩小一倍。因此，原理上曝光系统的极限分辨率可提高 8 第一章绪论 两倍。目前，所采用的主要有环形( a n n u l 砌照明和四极( q u a d r u p o l e ) , 照明两种。 偏轴照明 针孔掩膜 硅片 图1 4 偏轴照明示意图图1 5 邻近效应和其改善示意图 光学邻近效应校正 一 光学邻近效应是由于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的 效应。邻近效应引起的图形畸变主要表现为线宽偏移( 通常为孤立线的变宽、密集线变窄、 角部变圆、线条变短等特征。光学邻近效应校正( o p t i c a lp r o x i m i t ye f f e c tc o r r e c t i o no p c ) 技术 是一种减小和改善邻近效应的掩模版改进技术。其原理是，在设计掩模版时，采用图形补偿 方法使掩模版上的图形相对于实际图形有一个与邻近效应影响相反的改变。这样，掩模版的 图形转移到光刻胶上的图形就与实际所希望加工的图形形状和尺寸更为接近，如图1 5 所示。 移相掩膜技术 移相掩模技术是一种利用位相调制方法来改进曝光系统分辨率的掩模版技术。掩模版图 形一般由透光和不透光的两部分组成。在传统的二相掩模版中，所有通过透光图形部分的光 的光程差均相同。因此，在加工如图1 6 所示的图形时，由于光的相加干涉，照射到光刻胶 表面的光强分布如图1 6 所示。当图形尺寸足够小时，两条线条图形之间将不可区分。移相 掩模技术是通过光的位相调制，使透过掩模版的光在相邻区域发生相减干涉，此时，相邻两束 光存在1 8 0 0 的位相差，其在光刻胶表面的光强分布如图1 6 所示。显然，利用移相掩模版 l 传统掩膜版 ll 移相掩膜版 i 1 = 了_ 【= r c = 广一 = 丁_ = 丁_ c = 广一 麓藏豢篪震霆光强分布鬟爱鍪鬻戮誉 图1 6 传统掩膜版和移项掩膜版情形下光强分布 技术可以获得比二相掩模版高的图形分辨率。最典型移相掩模版结构是交替式孔径移相结 构，它是利用交替形成厚度不同的透光层孔径方法改变光通过的位相差。但该结构在利用计 9 东南大学硕士学位论文 算机辅助设计方法( c a d ) 设计掩模版时，存在着难于确定特征尺寸线条的两端的移相和不移 相区域的问题，不易于自动生成光刻掩模版图形。因此，此类p s m 掩模版设计需要借助人工 辅助的方法进行。p s m 掩模版还存在不同的结构设计，如边缘( r i m ) 移相设计等，但真正易 于实现的p s m 技术是称之为 t r i m ”掩模版的技术途径。该技术是利用二块掩模版组合形成具 有移相功能的掩模版，利用这两块掩模版分别对光刻胶进行二次曝光，两块掩模版均采用二 相掩模版技术制备。其中，用于第一次曝光的掩模版按传统设计规则设计，用于第二次曝光 的掩模版按移相图形设计。 t r i m ”结构的p s m 掩模版可以利用c a d 技术自动生成。原则上可 获得比使用传统二相掩模版高一倍的分辨率。由于嘣m ”掩模版技术需要进行两次曝光，因 此，曝光速率受到影响，其产率往往要降低一倍。同时需要指出的是，采用移相掩模版技术， 对曝光系统性能的改善只减小所加工的最小特征尺寸，而对线条间距的缩小没有作用。这将 使电路的速度增加、功耗减小，但集成度不变，制造成本没有降低。 硅片表面的平整化技术 硅片衬底表面的平整度对于光刻图形的聚焦成像十分重要，为了获得好的分辨率和焦 深，必须要保持非常平整的硅片表面。但由于在集成电路制备过程中，要经过许多次的薄膜 淀积和刻蚀过程，这必然会造成表面的高低不平，因此，平整化工艺非常重要。在现代芯片 制备过程中，特别是当集成电路技术进入到深亚微米技术时代以后，表面的平整化主要采用 化学机械抛光( c m p , c h e m i c a lm e c h a n i c a lp o l i s h ) 技术。因此，在曝光之前，利用c m p 技术对 硅片表面进行平整化处理，是深亚微米以后技术时代必不可少的工艺步骤之一。 光刻胶修剪技术 光刻胶修剪( t r i m m i n g ) 技术是一种提高光刻系统加工特征尺寸图形性能十分有效的手段 之一。利用光刻胶修剪技术，可以加工比曝光工具的极限分辨率高许多的特征图形，主要用 在栅线条的加工方面其基本原理如图1 7 所示，首先在多晶硅栅电极表面覆盖一层如s i 3 n 4 的硬掩模材料；然后覆盖光刻胶，利用标准的曝光工艺获得一定的光刻胶图形，其线条宽度 为w ，接着利用r i e 工艺对曝光形成的光刻胶图形进行修剪。在修剪过程中，随着光刻胶 厚度的减薄，图形的宽度也在相应地缩小。随后，利用修剪后的光刻胶图形作掩蔽，对s i 3 卜“ 硬掩模层进行刻蚀，形成硬掩蔽膜图形。最后，利用硬掩蔽膜图形作掩蔽对多晶硅栅电极进 行刻蚀，最终形成图形尺寸大大减小的栅图形。 1 0 第一章绪论 光剡黢 氯化硅 一光刻胶 j 型，同去黔网 吨 【修 p o k翔蚀l呐 去胶 p o i 、 r r - 1 - - - - - 1 h1 l r s i s i s i甾 甾s i 图1 7 光刻胶修剪工艺基本原理图 利用光刻胶修剪工艺，可以利用0 2 5 “m 的深亚微米的曝光技术，实现1 0 0 n m 特征尺寸 以下的栅结构的加工。目前，该工艺不仅已经应用到1 0 0 n m 尺寸以下的超深亚微米器件制 备和研究中，而且在一些高性能的集成电路产品制造中也已得到应用。需要指出的是，光刻 胶修剪技术可以有效地缩小所加工器件的特征尺寸，但不能提高集成度。 新型光刻胶技术 光刻胶技术是曝光技术中重要的组成部分，高性能的曝光工具需要有与之相配套的高性 能的光刻胶才能真正获得高分辨率的加工能力。光刻胶的性能包括许多方面，首先是曝光阈 值，对于理想的光刻胶，如果受到该阈值以上的曝光剂量，则光刻胶完全感光，而如果受到 阈值以下的曝光剂量，则光刻胶完全不感光。实际光刻胶的曝光阈值存在一个分布，该分布 范围越窄，光刻胶的性能越好。其次，好的光刻胶应该具备高热稳定性、好的刻蚀选择性、 小的光入射倾斜角和低的污染离子的引入等性能。目前，虽然1 9 3 n m 曝光工具已经成熟， 但由于与之配套的光刻胶技术不成熟，还达不到2 4 8 n m 曝光技术的分辨率性能。对于普通 的光刻胶，由于存在一定的反射和散射，降低了光刻胶成像图形的对比度，从而降低了图形 的分辨率。随着曝光加工特征尺寸的缩小，入射光的反射和散射对图形分辨率提高的影响会 逐渐增大。因此，为了进一步提高曝光系统的分辨率性能，目前人们正在研究在曝光光刻胶 表面覆盖抗反射涂层的新型光刻胶技术。该技术的采用，明显减小光刻胶表面对入射光的反 射和散射，从而改善光刻胶的分辨率性能，但由此也会引起工艺复杂性的增加和光刻成本的 增大。此外，曝光光束