（物理电子学专业论文）光刻中激光线宽影响及分辨率增强技术的研究.pdf

嬲燃嬲 ad i s s e r t a t i o ns u b m i t t e dt og u a n g d o n g u n i v e r s i t yo f t e c h n o l o g yf o rt h ed e g r e eo fm a s t e ro fe n g i n e e r i n g r e s e a r c ho ni m p a c to fl a s e rl i n e - - w i d t ha n d r e s o i u t l o ne n h a n c e m e n tt e c h n o l o g yi ni i t l q o g r a p h y 一，一 i i - m e c a n d i d a t e ：y i x u a nl i u s u p e r v i s o r ：p r o f j i n y u nz h o u m a y2 0 1 0 s c h o o lo fp h y s i c s & o p t o e l e c t r o n i ce n g i n e e r i n g g u a n g d o n gun i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y g u a n g z h o u ，g u a n g d o n g ，p r c h i n a , 510 0 0 6 摘要 摘要 为了满足超大规模集成电路特征尺寸不断缩小的要求，激光投影光刻技术得到了 迅速发展，而不断提高光刻分辨率正是光刻技术发展的核心。 针对在目前光刻研究中投影透镜材料选择单一，进而出现色差并对光刻性能产生 不利影响的问题，本文首先描述了在建立激光线宽对光刻过程的影响的模型过程中所 使用的方法。然后在建立激光线宽影响的模型中把成像透镜产生的色差和实际激光光 谱相结合，最后使用p r o l i t h 软件对激光线宽对空间像的临界尺寸，焦深，曝光宽容 度的影响进行模拟，在孤立线和半孤立线条尺寸在1 6 0 n m 到3 0 0 n m 的范围内完成研究。 塞殓结墨表明了光刻过程中增加激光线宽使空间成像质量变差，较大的线宽也导致了 曝光宽容度的损失。介绍了一种压缩激光线宽的方法及原理，并且利用此方法对x e f 激光进行了压缩线宽实验，得到了较理想的实验结果。 在当今光刻中集成电路的特征尺寸接近曝光系统的理论分辨率极限，光刻后硅片 表面成像将产生明显畸变，导致光刻图形质量严重下降。面对这样的挑战，为了推进 光刻技术的极限和延长光刻技术的寿命，业内提出了一系列分辨率增强技术。 本文系统地讨论了光学光刻中的离轴照明技术、次分辨率辅助图形技术和相移掩 模技术。分析了其原理，主要从改善光刻分辨率、增大焦深、提高光刻成像质量等方 面进行了讨论，首先用仿真软件在不同的条件下分别对这三种分辨率增强技术进行了 模拟分析，然后对不同的分辨率增强技术的结合使用进行了研究。研究结果表明，相 对于传统照明，离轴照明不但增大了焦深，还增大了空间像的归一化的像边缘对数斜 率n i l s 和对比度，提升了成像质量。离轴照明技术和次分辨率辅助图形的结合使用， 可以显著提高1 0 0 纳米以上图形线条的光刻分辨率，能够增大工艺窗口。进一步将三 种技术结合使用，增加了相移掩模技术以后，给焦深和成像质量都带来了较大的改善， 并且试图寻找出针对某一种线条的最佳的分辨率增强技术搭配使用方案。 此外，准分子激光的光束质量在很大程度上也能够影响光刻机的性能，本文对在 准分子激光投影光刻系统的研制开发及微结构加工工艺的研究的实际工作中所遇到的 准分子激光光束质量指标进行了详细分析，并且采用了一整套光束诊断手段对t o l 型 x e f 激光器进行了测试评价。 关键词：激光投影光刻，准分子激光，激光线宽，光刻分辨率增强技术，光束质量 广东工业大学硕士学位论丈 a b s tr a c t t h et e c h n o l o g yo fp r o t e c t i o nl i t h o g r a p h yh a sb e e nd e v e l o p e dr a p i d l yt om e e td e m a n d s o fg r a n ds c a l ei n t e g r a t i o nw h i c hc h a r a c t e r i s t i cs i z ei sg e t t i n gs m a l l e ra n ds m a l l e r c o r eo f t h i st e c h n o l o g yi s i m p r o v el i t h o g r a p h i cr e s o l u t i o n l i t h o g r a p h yr e s o l u t i o nr e f e r st o t h e m i n i m u mc h a r a c t e r i s t i cs i z eo fe x p o s eo nt h es u r f a c eo fs i l i c o nc h i pb yl i t h o g r a p h ym a c h i n e a n di ti st h em o s ti m p o r t a n tp e r f o r m a n c ei n d e xo fl i t h o g r a p h ym a c h i n e o n eo ft h eo t h e r i m p o r t a n ti n d e xo fl i t h o g r a p h ys y s t e mi sd o f t h a ti st h em a x i m u md e f o c u sr a n g eo fs i l i c o n c h i pw h i c ho n ec a ns a t i s f yl i t h o g r a p h i cr e s o l u t i o na n du n i f o r m i t y t h ep a p e rd e c r i b e st h em e t h o d su s ef o rm o d e l i n go ft h ei m p a c to fl a s e rl i n e - w i d t ho n t h el i t h o g r a p h i cp r o c e s si no r d e rt oa g a i n s tp r o j e c t i o nl e n sm a t e r i a l ss i n g l es e l e c t i o nb r i n g a b o u tc h r o m a t i ca b e r r a t i o na n da d v e r s ee f f e c tt o l i t h o g r a p h i cp e r f o r m a n c ei np r e s e n t l i t h o g r a p h i cs t u d y t h ec h r o m a t i ca b e r r a t i o n so fa ni m a g i n gl e n sc o m b i n e d 、析t l lr e a ll a s e r s p e c t r aa r eu s e dt oi n c l u d et h ei m p a c to fl a s e rl i n e w i d t hi n t ot h el i t h o g r a g h i cs i m u l a t i o n m o d e l u s i n gp r o l i t hs i m u l a t i o ns o f t w a r ei n v e s t i g a t e dt h ee f f e c to fl i n e - w i d t ho nd e p t h o ff o c u s ，a e r i a li m a g ec r i t i c a ld i m e n s i o n s ，a n de x p o s u r el a t i t u d e s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w t h a tt h ei m p a c to ft h el i n e w i d t hi sl i t h o g r a p h yp r o c e s sd e p e n d e n t i ng e n e r a l ，i n c r e a s e dl a s e r l i n e - w i d t hd e c r e a s e st h ea e r i a li m a g e l a r g e rl i n e w i d t hc a na l s or e s u l ti nt h el o s so f e x p o s u r el a t i t u d e d e t a i l e di n t r o d u c e sam e t h o da n dt h e o r yo fc o m p r e s sl a s e rl i n e - w i d t ha n d u s i n g i ti n t o e x p e r i m e n to fx e fl a s e r l i n e - w i d t h c o m p r e s s i o n ，f i n a l l yo b t a i n i d e a l e x p e r i m e n t a lr e s u l t s n o w a d a y s ，c h a r a c t e r i s t i cs i z eo fi n t e g r a t e dc i r c u i t si sc l o s et ot h et h e o r e t i c a lr e s o l u t i o n b o u n d a r yo fe x p o s u r es y s t e mi nl i t h o g r a p h y t h e r eh a v ei m a g e ds i g n i f i c a n ta b e r r a t i o no n t h es u r f a c eo fs i l i c o n c h i pa f t e rl i t h o g r a p h ya n dl e a d i n gt os e r i o u sd e c l i n eq u a l i t yo f l i t h o g r a p h yp a t t e r n s f a c e d 谢t l lt h i sc h a l l e n g e ，i n t r a i n d u s t r yp u tf o r w a r das e r i e sr e s o l u t i o n e n h a n c e m e n tt e c h n o l o g yi no r d e rt oa d v a n c et h el i m i ta n de x t e n dt h el i f eo fl i t h o g r a p h y t e c h n o l o g y t h ep a p e rs y s t e m a t i c a l l yd i s c u s s e st h eo f f - a x i si l l u m i n a t i o ni n o p t i c a ll i t h o g r a p h y t e c h n o l o g y , s u b - r e s o l u t i o na s s i s t a n c ef e a t u r ea n dp h a s es h i f t e dm a s kt e c h n o l o g y i ta n a l y z e s t h ep r i n c i p l e ，m a i n l yd i s c u s st oi m p r o v et h el i t h o g r a p h yr e s o l u t i o n ，i n c r e a s e dd e p t ho ff o c u s ， i m p r o v ei m a g eq u a l i t ya n do t h e ra s p e c t sa n ds i m u l a t i o ns o f t w a r ei sb e i n gu s e df o rs e p a r a t e a n a l o g u es i m u l a t i o n a tt h r e et y p e so fr e s o l u t i o ne n h a n c e m e n tt e c h n i q u e si nd i f f e r e n t c o n d i t i o n s t h er e s u l t ss h o wt h a tc o m p a r e dw i t ht r a d i t i o n a li l l u m i n a t i o n , o f f - a x i s a b s t r a c l i l l u m i n a t i o nn o to n l yi n c r e a s e st h ed o f , b u ta l s oi n c r e a s e st h e t h en o r m a l i z e di m a g e l o g s l o p ea n dc o n t r a s t o fa e r i a li m a g ea n di m p r o v ei m a g eq u a l i t y c o m b i n eo f f - a x i s i l l u m i n a t i o nw i t hs u b r e s o l u t i o na s s i s t a n c ef e a t u r ec a r ls i g n i f i c a n t l yi m p r o v el i t h o g r a p h i c r e s o l u t i o no ft h ep a t t e r na n dl i n em o r et h a n10 0n na n de x t e n dt h ep r o c e s sw i n d o w a d d e d p h a s es h i f t e dm a s kt e c h n o l o g ya n df u r t h e rc o m b i n a t i o no ft h r e et e c h n o l o g i e sh a v eb r o u g h t g r e a ti m p r o v e m e n t t od o fa n di m a g eq u a l i t ya n dt r y i n gt of i n da no p t i m a lm a t c hp r o g r a m i na d d t i o n ，b e a mq u a l i t yo fe x c i m e rl a s e ri n f l u n c et ol i t h o g r o p h ym a c h i n ep e r f o r m a n c e l a r g e l y t h i sp a p e ra n a l y s i sb e a mq u a l i t yi n d e xo fe x c i m e rl a s e ri nr e s e a r c h i n go fl a s e r p r o j e c t i o nl i t h o g r a p h yd e v e l o p m e n t a n dm i c r o s t r u c t u r a lp r o c e s s i n gt e c h n i c ，t e s ta n d a n a l y s i st h et o l x e fl a s e ru s i n gas e r i e so fb e a md i a g n o s i sm e t h o d k e yw o r d s ：l a s e rp r o j e c t i o nl i t h o g r a p h y , e x c i m e rl a s e r , l a s e rl i n e - w i d t h , r e s o l u t i o ne n h a n c e m e n tt e c h n o l o g y ，b e a mq u a l i t y i i i 广东工业大学硕士学住论文 目录 摘要i 英文摘要1 l 目录i v 第一章绪论1 1 1 光学光刻技术1 1 1 1 光刻成像系统相质评价的几个重要指标1 1 1 2 一般光刻工艺步骤3 1 2 传统光刻技术4 1 2 1 接触式光刻成像4 1 2 2 接近式光刻成像4 1 2 3 分步重复成像技术5 1 2 4 激光直接成像技术5 1 3 激光投影光刻技术6 1 4 研究意义7 第二章激光线宽对光刻性能的影响9 2 1 模拟的方法和假定条件1 0 2 2 仿真结果12 2 2 1 线宽对空间像质的影响1 2 2 2 2 线宽对孤立线条临界尺寸的影响：1 3 2 2 3 线宽对曝光宽容度的影响1 4 2 3 激光线宽压缩1 5 2 3 1 标准具法压缩激光线宽原理15 2 3 2 利用标准具对3 5 1 n m x e f 准分子激光器进行压缩线宽实验1 7 2 4 结论17 第三章光刻分辨率增强技术的研究1 9 3 1 离轴照明( o a i ) 技术2 0 3 1 1 离轴照明提高光刻分辨率机理2 l 3 1 2 离轴照明提高焦深机理。2 2 3 1 3 离轴照明提高成像对比度机理2 4 i v 目录 3 1 4 光刻仿真2 4 3 2 次分辨率辅助图形技术( s m 虹) 2 7 3 2 1s r a f 提高光刻分辨率机理2 8 3 2 2s r a f 改善焦深机理3 0 3 2 3 光刻仿真31 3 3 相移掩模技术( p s m ) 3 4 3 3 1 相移掩模技术3 4 3 3 2 相移掩模技术提高光刻分辨力的机理3 6 3 3 3 相移掩模改善焦深机理3 7 3 3 4 光刻仿真3 7 第四章准分子激光光束质量评价4 1 4 1 准分子激光器4 1 4 1 1 准分子激光器的原理4 l 4 1 2 准分子激光的应用4 3 4 2 光束质量评价指标4 3 4 3t o l 型x e f 激光器的光束质量鉴定4 5 4 4 本章结论一4 7 第五章全文总结4 8 5 1 主要结论4 8 5 2 后期工作展望4 9 主要参考文献5 0 攻读学位期间发表的论文5 5 独创性声明5 6 致谢5 7 v 广东工业大学硕士学位论文 c o n t e n t s c h i n e s ea b s t r a c t i e n g l i s ha b s t r a c t i i c o n t e n t s i v i c h a p t e ro n e i n t r o d u c t i o n 1 1 1p h o t ol i t h o g r a p h yt e c h n o l o g y 1 1 1 1i m p o r t a n ti n d i c a t o ro fl i t h o g r a p h yi m a g i n gs y s t e mq u a l i t ye v a l u a t i o n 1 1 1 2g e n e r i cl i t h o g r a p h yp r o c e s s i n gs t e p 3 1 2t r a d i t i o n a ll i t h o g r a p h yt e c h n o l o g y 4 1 2 1c o n t a c ti m a g i n gt e c h n o l o g y 4 1 2 2c l o s ei m a g i n gt e c h n o l o g y 4 1 2 3s t e pr e p e a ti m a g i n gt e c h n o l o g y 5 1 2 4l a s e rd i r e c ti m a g i n gt e c h n o l o g y 5 1 3l a s e rp r o j e c t i o nl i t h o g r a p h y 6 1 4s i g n i f i c a n c eo fs t u d y 7 c h a p t e r t w oe f f e c t so fl a s e rl i n e - w i d t h so nl i t h o g r a p h i c p e r f o r m a n c e 9 2 1s i m u l a t i o nm e t h o d o l o g ya n da s s u m p t i o n s 10 2 2g e n e r a ls i m u l a t i o nr e s u l t s 12 2 2 1l i n e - w i d t hi n f l u e n c eo ni m a g eq u a l i t y 1 2 2 2 2l m e - w i d t hi n f l u e n c eo nc r i t i c a ld i m e n s i o no f i s o l a t e dl i n e 1 3 2 2 3l i n e w i d t hi n f l u e n c eo ne x p o s u r el a t i t u d e 。1 4 2 3s p e c t r a l n a r r o w i n go fe x c i m e rl a s e r 15 2 3 1t h e o r yo f s p e c t r a l n a r r o w i n go f l a s e ru s i n ge t a l o n 1 5 2 3 2e x p e r i m e n to f s p e c t r a l - n a r r o w i n go f x e fl a s e ru s i n ge t a l o n 1 7 2 4c o n c l u s i o n s 17 c h a p t e rt h r e es t u d yo nr e s o l u t i o ne n h a n c e m e n t t e c h n o l o g y 19 3 1o f f - a x i si l l u m i n a t i o n ( o a i ) t e c h n o l o g y 2 0 3 1 1o f f - a x i si l l u m i n a t i o ni n c r e a s er e s o l u t i o no f l i t h o g r a p h y 2 1 3 1 2o f f - a x i si l l u m i n a t i o ni n c r e a s ed e p t ho f f o c u s 2 2 3 1 3o f f - a x i si l l u m i n a t i o ni n c r e a s ei m a g ec o n t r a s t 2 4 3 1 4l i t h o g r a p g h ys i m u l a t i o n 2 4 v i c h a p t e r f o u re v a l u a t i o no fe x c i m e rl a s e rb e a mq u a l i t y 41 4 1e x c i m e rl a s e r 4 1 4 1 1p r i n c i p l e so f e x c i m e rl a s e r 4 1 4 1 2a p p l i c a t i o no f e x c i m e rl a s e r 4 3 4 2e v a l u a t i n gi n d i c a t o ro f b e a m q u a l i t y 4 3 4 3e v a l u a t i o no ft o l x e fe x c i m e rl a s e rb e a mq u a l i t y 4 5 4 4c o n c l u s i o n s 4 7 c h a p t e rf i v es u m m a r y 4 8 5 1m a i nc o n c l u s i o n s 4 8 1 ；2f u t u r ew o r k 4 9 r e f e r e n c e s 5 0 p ：a p e i t sp u b l i s h e dd u r i n gm a s t e r ss t u d i e 5 5 o r i g i n a l i t ys t a t e m e n t 5 6 a c k n o w l e d g e m e n t s 5 7 v i i 密切相关。光刻技术的不断发展为集成电路技术的进步提供了三个方面的保证：其一 是大面积均匀曝光，在同一块硅片上能同时做出大量器件和芯片，保证了批量化的生 产水平；其二是图形线宽不断缩小，使芯片集成度不断提高，生产成本持续下降；其 三，由于线宽的缩小，器件的运行速度越来越快，使集成电路的性能不断提高。随着 芯片集成度的提高，对光刻技术提出了越来越高的要求。在8 0 年代，普遍认为光学光刻 技术所能达到的极限分辨率为0 5 9 i n ，随着一些新技术的应用和发展，包括光源，成像 透镜，光致抗蚀剂，分布扫描技术以及光刻分辨率增强技术的发展，使其光刻技术已 推进到目前的3 2 n m 。 1 1 光学光刻技术 传统的光学曝光技术经历了从接触式曝光，接近式曝光，分步重复投影式到目前 的扫描投影式曝光。其基本的原理为：光经过光学系统照射到设计好的掩模( m a s k ) 上， 将掩模图形投影到涂在硅片上的抗蚀剂层( r e s i s t ) 使得抗蚀剂曝光( e x p o s u r e ) ，通过显影 ( d e v e l o p m e m ) 可在抗蚀剂上获得与掩模相同或者互补的图片，最后经过刻蚀( e t c h i n g ) 可将图形传递到硅片上，从而实现掩模图形向硅片的转换。光学光刻的分辨率决定了 芯片上单个器件的最小尺度。 1 1 1 光刻成像系统相质评价的几个重要指标 ( 1 ) 分辨率r = 毛南，表示能分辨的最小线宽，能分辨的线宽越小，分辨率越 高。其中k 。表示特殊应用的因子，范围是0 6 - 0 8 ，九为光源的波长，n a 为投影透镜 的数值孔径，这三个参数均可影响分辨光刻胶上形成几何图形的能力。 显而易见，减少曝光光源的波长对提高分辨率十分重要。波长的减少能够提高光 学系统的分辨能力，另外可以通过增加投影透镜的n a 来提高分辨率。第三个参数k l 广东工业大学硕士学住论文 代表了光学系统的工艺因子，并且能够影响分辨率。然而，要把k l 减小到0 6 以下受 到实际的限制。但是现在已经有了一些可行的分辨率增强技术。 器曩 舔：； 0 1 o 毯 线宽翻黼黔的尺寸必须栩锋。随着特征咫 寸藏小。簧将特征圈形彼此分开型匮疆 图卜1 器件的分辨率 f i g 1 - 1t h er e s o l u t i o no fa p p a r a t u s ( 2 ) 焦深d o f = k ，_ 与，表示一定工艺条件下，能刻出最小线宽时像面偏离理想 ( m ) 2 焦平面的范围，在这个范围内图像连续地保持清晰，焦点是沿透镜中心出现最佳图像 的点。焦深则是焦点上面和下面的范围，在这里的能量相对为常量。焦点可能不是正 好在光刻胶层中心，但是焦深应该穿越光刻胶层上下表面。焦深越大，对图形的制作 越有利。 ( 弋 。d 焦平陋- 广黼 鎏i 薹冀i 誊现舞毒塞：毫：毒等；_ ，j ? 二二。，? 二三0 、毒、。= 。i ：? ，j j ：二二，：“：。麓 7i、- 7 j 。 ；，痰 。 ： 图卜2 焦深示意图 f i g 1 - 2s c h e m eo f d o f 任何曝光系统的可用焦深都应该通过实验来确定相应的工艺参数和相匹配的环境 条件，目的就是找到并维持整个硅片和不同硅片的最佳聚焦。焦深方程的含义是如果 2 第一章绪论 分辨率提高了，那么焦深就会减小，焦深减小的结果就是严重的缩减了光学系统的工 艺宽容度。 ( 3 ) 对比度c 。n t r a s t = 瓦i t r “= _ xi - - i i m m ，乙和，劬分别为像面上光强的最大值与最小值， 是评价成像图形质量的重要指标。对比度越高，光刻度越高，光刻出来的微细图形越 好。 ( 4 ) 曝光宽容度定义为能够保证线宽在指定的焦距的归一化尺寸范围内的变化不超过 1 0 的曝光能量的范围，曝光宽容度越大，对光刻图形的制作越有利。 1 1 2 一般光刻工艺步骤 光刻蚀是一种多步骤的图形转移过程，首先是在掩模版上形成光刻所需要的图形， 之后通过光刻工艺把所需要的图形转移到硅片表面的每一层，下图以正效应光刻胶和 亮场掩模版在硅片表面建立凸起图形的情况为例说明光刻工艺步骤。 互艺步骡 目的 慰猴稆j 曝光掩模叛稿：巨形在晶躁上翰 稽麓弦猴莉龙刻验的曝光。 正致被光溶鳞 显影去豫置e 聚合毙刻骏 刻矬 表瑟岳豫 光刻骏去徐兜刻骏去缘 c = = = ； ；毫牿掩膜缀匿形 龙刻腔 氧亿罢 光刻骏 氧化屡 图1 3 光刻工艺步骤 f i g 1 3t h ep r o g r e s so fl i t h o g r a p h y 简单来说，整个光刻工艺就是一系列图形转移的过程，和照片印刷的概念十分类 似，首先通过激光刻写等手段将版图转移到掩模版( m a s k ) 表面，在光刻过程中，光 3 广东工业大学硕士学位论文 源投射的光线透过掩模版后在硅片表面的光刻胶中形成掩模图形的空间像。光刻胶感 光后发生化学反应，经过定影显影的步骤后掩模图形转移到光刻胶上，而后在经过烘 烤以及蚀刻等若干步骤后，掩模图形从光刻胶表面转移到硅片表面，从而最终实现集 成电路版图图形向硅片表面的转移，然而由于物理系统和实际环境的各种限制，这种 图形转移过程不可能是完全精确的，通常存在着各种畸变。 1 2 传统光刻技术 光刻生产过程中的一个关键步骤是利用光学曝光的方法进行底版和印制板间的图 像转移。工业上生产中所采用的光刻技术通常分为五类：接触式成像、接近式成像、 步进重复成像、激光直接成像和激光扫描投影成像。 1 2 1 接触式光刻成像 接触式光刻是s s i 时代直到2 0 世纪7 0 年代的主要光刻手段，它被用于线宽尺 寸约5 微米及以上的生产方式中。尽管0 4 微米线宽也能实现，但是现今接触式光 刻机已不被广泛使用。 接触式成像技术需要照相原版，并且曝光生产底版与印制板必须充分接触。在 成像过程中，紫外光直接照射生产底版，光线穿过底版透明部分在印制板上形成阴 影部分噜，曝光时间根据光致抗蚀剂的要求而定，一般为1 0 - 3 0 秒。而光致抗蚀剂曝 光需要较大的曝光强度，通常要求在2 0 0 5 0 0 m j c m 2 的范围内。 然而印制板工艺的发展使得接触成像的局限性越来越明显。首先，随着大面积 印制电路板导线或间距的不断变细以及定位精度、分辨率的提高而产生了一系列问 题，并且都难以解决。接触式光刻系统依赖人的操作，并且容易被沾污，因为掩模 版和光刻胶是直接接触的。颗粒沾污损坏了光刻胶层、掩模版或者导致两者都损坏， 每5 次到2 5 次操作就需要更换掩模版。其次，大面积不均匀的接触容易引起线条宽 度和边缘清晰度的变化，颗粒的周围区域都存在分辨率的问题，而且精细图形印制 板要求的严格定位也不可能用接触成像技术简单完成。利用曝光成像只能在印制板 与生产底版之间充分接触后才能很好的完成，而实际生产中由于定位不是非常精确 而不能满足两者间有完全的接触，因此往往不能达到预定的要求，在对准时整个硅 片的偏差又必须在所需容差内，因此当硅片尺寸增加后就产生了套准精度的问题。 1 2 2 接近式光刻成像 4 第一童绪论 为了缓解接触成像技术产生的沾污问题，接近式光刻机就得以发展起来。在2 0 世 纪7 0 年代的s s i 时代同时普遍应用。这些光刻机如今仍然在生产量小的实验室或较老 的生产分离器件的硅片生产线中使用，它们适用于线宽尺寸2 到4 微米，依赖于诸如 衬底表面反射率等因素。 在使用接近式光刻中，需要连续复制整个晶片图形，掩模版与光刻胶不直接接触， 而是存在大致2 5 i _ t m 到2 5 1 t m 的间距。光源产生的光是被准直的，这意味着光束彼此 平行。掩模浮在晶片表面，一般在一层氮气气垫上。晶片与掩模的间隙受进入的氮气 流控制。通过这个间隙接近式光刻在一定程度上缓解了接触式光刻机的玷污问题，尽 管间距大小被控制，但是紫外光线通过掩模版透明区域和空气时就会发散，因此导致 了分辨率的下降，从而使减小光刻线宽特征尺寸成了主要问题。 1 2 3 分步重复成像技术 2 0 世纪9 0 年代用于硅片制造的主流精细光刻设备是分步重复光刻机。分步重 复光刻机有它们独特的名字是因为这种设备只投影一个曝光场，然后步进到硅片上 的另一个位置重复曝光。步进光刻机使用投影掩模版，上面包含了一个曝光场内对 应有一个或多个芯片的图形婚1 1 。 光学步进光刻机的一大优势在于它具有使用缩小透镜的能力，传统i 线步进光 刻机的投影掩模版图形尺寸是实际像的4 倍、5 倍或1 0 倍。这个缩小的比例使得制 造投影掩模版更加容易，因为投影掩模版的特征图形是硅片上最终图形的5 倍。在 曝光过程中的每一步，这种步进光刻机都会把投影掩模版通过投影透镜聚焦到硅片 表面，是硅片和掩模版对准，穿过投影掩模版上的透明区域的紫外光对光刻胶曝光， 然后步进到硅片下一个位置重复全部过程。但是步进光刻机的产率较低，此外在曝 光相邻两块板时步进器可能会发生成像距离错误使局部位置没有成像。当使用步进器 在半导体芯片上成像时，就可能发生某一芯片图形与已曝光的芯片图形被未成像区域 隔开的情形。就可能产生影响到最终电路的连接、导通的错误。 1 2 4 激光直接成像技术 激光直接成像( l d i ) 是通过一束聚焦激光以光栅扫描方式一次一个像素点来曝光 形成图形。为了与普通光致抗蚀剂的曝光敏感性在相同的光谱区域，l d i 一般使用氩离 子激光的蓝光或紫外光区。l d i 先将所要成的像形成数字化图形数据，然后通过这些数 广东工业大学硕士学位论文 据工作站来控制激光成像，这样不需要任何底片便可以在涂有光致抗蚀剂的印制板上 形成图形陋1 ，这与我们通常使用底板进行图像转移是不同的。严格地讲，l d i 是一种 误称，抗蚀剂并不是直接被曝光就形成图像，而是通过数字化图形数据控制激光使抗 蚀剂曝光形成图形，因此，“激光直接刻像”或许是更准确的说法。 l d i 的工作原理是借助一束聚焦激光通过一个运动扫描镜在印制板上形成一定的 扫描区域，同时放有印制板的平台以高精度在垂直区域内断运动，激光束也一直在调 整，也就是说，激光既可以预定期望的位置在板上直接扫描，也可以偏离扫描，因此， 利用合适的c a d 操作数据通过调节控制器和两个动力装置便可以使印制板直接成像。 就上述而言，l d i 系统在使光致抗蚀剂曝光时是以一次一个像素点曝光，因而其 效率非常低，为了解决这个问题，有的系统将激光分成许多束，这样可以同时进行大 量的光栅扫描，即使这样，特殊的敏感性光致抗蚀剂( 要求5 1 0 i n j c m