（微电子学与固体电子学专业论文）基于dmd的数字无掩模光刻成像系统设计.pdf

摘要 论文题目：基于d m d 的数字无掩模光刻成像系统设计 学科专业：微电子学与固体电子学 研究生：杜欣荣 指导教师：马剑平副教授 摘要 签名： 随着微电子学、微光学、微机械技术的迅猛发展，微细加工技术也得到了不断的提高 和改进。微光学元件也在现在通讯、军事应用、空间技术、超精加工、信息处理、生物医 学以及娱乐消费等众多领域中得到广泛应用。这使得与微光学息息相关的设计、制作及应 用技术也得到了越来越多的重视。 微光学在设计理论与制作方法上已有了很大的发展，为了进一步扩大微光学元件的应 用领域，对其制作方法也提出了更多更高的要求。因此，研究便捷、有效、实时、灵活的 微光学元件的制作方法仍然是目前国内外微光学领域的一个极为重要的研究方向。本论文 设计了一个基于d m d 的数字无掩模光刻成像系统，对实验中的影响因素及系统中引入的 误差因素进行了详细的分析，并提出了相应的补偿方法及解决方法。其主要工作如下： 第一、在分析目前光刻工艺发展状况的基础上，论证了设计数字无掩模光刻系统的必 要性及紧迫性。通过对d m d 芯片的深入分析，获取设计中需应用的原理及关键参数。 第二、在学习衍射、折射光学原理的基础上，提出了三种设计基于d m d 的数字无掩 模光刻成像系统的方案，并通过实验验证了其可行性。对比三种方案的实验结果，得出最 优方案并对其中的关键部件的主要参数进行了最优化的设计。 第三、详细分析了数字无掩模光刻系统中对曝光图形质量的主要影响因素，并提出了 相应的补偿方法；详细分析了本论文提出的数字无掩模光刻成像系统中引入的误差因素， 并分别提出了消除各个误差因素的解决方法。 关键字：d m d ；无掩模光刻；微镜；掩模图形；误差因素 t i t l e ：d e s i g no fm a s k l e s sl i t h o g r a p h yi m a g e s y s t e m b a s n e do nd m d m a j o r ：m i c r o e l e c t r o n i c a n ds o l i de l e c t r o n i c n a m e ：x i nr o n gd u s u p e r v i s o r ：a s s o c i a t e p r o f 。j i a n p i n gm a a b s t r a c t s i g n a t u r e s i g n a t u r e w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fm i c r o e l e c t r o n i c ，m i c r o 。o p t i c s ，a n d m i c r o m e c h a n i s m ， i m p e r c e p t i b l yp r o c e s st e c h n o l o g y i sc o n t i n u a l l yi m p r o v e da n da m e l i o r a t e d m i c r o - o p t i c s d e v i c e sa r ea p p l i e df o rm o s tf i e l d s ，l i k e sc o m m u n i c a t i o n ，m i l i t a r ya f f a i r s ，s p a c et e c h n o l o g y , e x c e e df i n i s hm a c h i n i n g ，i n f o r m a t i o nd i s p o s e ，b i o l o g y p h y s i ca n da m u s e m e n tc o n s u m p t i o n i t i sr e s u i ti nt h a tm o r ea n dm o r ep e o p l ea t t a c hi m p o r t a n c et od e s i g n ，e x e c u t i o na n da p p l i c a t i o n t e c h n o l o g yr e l a t et om i c r o o p t i c s m i c l 0 o p t i c si sp r o d i g i o u sd e v e l o p e do nd e s i g nt h e o r y a n de x e c u t i o n f o re x t e n dt h e a p p l i c a t i o nf i e l d so fm i c r o o p t i c sd e v i c e s ，t h e r ei s m o r ea n dm o r ed e m a n df o ri t se x e c u t l o n m e a n s s o ，a tp r e s e n t ，i ti sav e r yi m p o r t a n tr e s e a r c hf i e l da b o u tm i c r o 。o p t i c si n s i d ea n d o u t s i d e h a tr e s e a r c h i n ge x e c u t i o no fc o n v e n i e n t ，e f f i c i e n c y , r e a l 。t i m e ，f l e x i b l em i c r o o p t i c sd e v i c e s i n t h i sp a p e r i tp r e s e n t sad e s i g nm e a s u r eo fm a s k l e s sl i t h o g r a p h yi m a g i n gs y s t e mb a s e d o nd m d i ta n a l y s i st h ei n f l u e n c ef a c t o r sa n de r r o rf a c t o ri nt h i ss y s t e mi nd e t a i l ，a n dp r e s e n t sr e l e v a n t r e s o l v e n t t h ec e n t r a lw o r k sa r ea sf o l l o w s ： f i r s t l y ：b a s e do na n a l y z et h ed e v e l o p m e n ts t a t u so fl i t h o g r a p h yt e c h n o l o g i c a tp r e s e n t ，t h i s p a p e rd e m o n s t r a t et h a td e s i g nm a s k l e s sl i t h o g r a p h y i sn e c e s s a r ya n du r g e n t l y t h r o u g ha n a l y z e d m d ，w eo b t a i ns o m er e q u i r ep r i n c i p l ea n dk e yp a r a m e t e r s s e c o n d l v ：b a s e do ns t u d yt h ep r i n c i p l ed i f f r a c t i o no p t i c s ，t h i sp a p e rp r e s e n t s t j 们e d i 骶删1 ts c h e m e sa b o u td e s i g nt h em a s k l e s sl i t h o g r a p h yi m a g i n gs y s t e mb a s e do nd m d ，a n d v a l i d a t et h ef e a s i b i l i t yt h r o u g he x p e r i m e n t a t i o n c o m p a r e dt h er e s u l t so ft h r e es c h e m e s ，a n d e d u c et h em o s to p t i m i z a t i o na n dt h eo p t i m i z a t i o np a r a m e t e r so fi t sk e yp a r t s t l l l i r d l v ：l a b o u r e d l yt h em o s t l yi n f l u e n c ef a c t o r so fm a s k l e s sl i t h o g r a p h y , a n dg g v et h e e q u a l i z em e a s u r e s ；l a b o u r e d l yt h em o s t l ye l t o rf a c t o r so ft h i ss y s t e m ，a n dg i v et h e r e s o l v e n t i d i o g r a p h i c k e y w o r d s ：d m d ：m a s i d e s sl i t h o g r a p h y ；m i c r o m i r r o r ；m a s kp a t t e r n ；e r r o rf a c t o r s i i 独创j i 性声明 秉承祖国优良道德传统和学校的严谨学风郑重申明 i ，本人所星交的学位论文是我 个人在导师指导下进行的研究i 作及取褥的成集0 恳我所知_ 除特别加以标注和致谢 的地方处；一论文中不包含其他人的研究成果：_ 与我同工作的同志对本文所研究的工 作和成果的任何贡献均已在论文中作7 明确的说明并已致谢： 。本论文及其相关资料若有不实之处蕞由本人承担切相关责任 论文作者签名；一璺窭垫睡湖年、，马、月萄j 目 学位论文使用授权声明 本人墓溢：奠在导师的指导下创作完成毕业论丈；：，本入已通过论文的答辩， 并已经在西安理工大学申请博士一- 硕士学位0 ，本人作为学位论文著作极拥右者；同意 授权西安理工大学拥有学位论文的部分值用极：一即1 ；，t f b 获学位的研究生按学校规定 提交印刷版和电子版学位论文，j 学校可以采用影印5 缩印或其他复制手段保存研究生 主交的学位论文，t 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索；2 ) - 为 教学和科研目的，。学校可以将公开的学位论文或解密后的学位论文作为资料在图书馆i 资料室等场所或在校园网上供校内师生阅读o ，浏览：。 本人学位论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权西安理士大学研究生部办 理。 ( 保密的学位论文在解密后；_ 适用本授权说明) 论女作者签名j 宣塾监，导师签名最：重乏鱼经二，：呶5 年i6 鱼一月鼻自 第一章绪论 1 绪论 2 0 世纪8 0 年代中期以后，为了满足生产的需求，微细加工技术领域出现了一个新的 学科微光学。微光学( m i c r oo p t i c s ) 是现代光学的新兴分支，是光学与微电子学相 互渗透、相互交叉而形成的前沿学科，是研究微米、纳米级尺寸的光学器件的设计、制作 工艺及利用这类元件实现光波的发射、传输、变换及接收的理论和技术的新学科【l l 。微光 学，特别是衍射光学的发展，使光学技术不断得到创新，使传统的大尺寸光学元件转变为 微型化、阵列化和具有处理功能的集成化光学元件成为可能。随着技术的发展，微光学元 件( m i c r o o p t i c se l e m e n t ) 已被利用于诸多工程应用领域，例如光纤通讯、信息处理、生 物医学、航天航空、激光机械加工和光计算技术。m o e 已显示出越来越重要的应用价值 和广阔的应用前景，且科学技术的迅猛发展对m o e 的加工与应用提出了越来越高的要求。 然而，国内外的m o e 的实际制作水平远远落后于理论发展水平。加工问题己成为阻碍 m o e 快速发展的瓶颈问题。因此，针对m o e 制作技术的研究需求变得越来越迫切。 m o e 是制作微光机电系统m o m e s ( m i c r o o p t i c e l e c t r o m e c h a n i c a ls y s t e m s ) 2 - 8 1 和 集成化、阵列化器件的关键元件，它具有较高的光学转换效率、独特的色散性能、更多的 设计自由度以及宽广的材料可选性等优点，可以实现特殊的光学功能。微光学元件主要包 括衍射光学元件d o e ( d i f f r a c t i v eo p t i c a le l e m e n t ) 和折射微光学元件 9 1 。如光学整形器 件、分束器件、微透镜以及亚波长偏振器件等。相比而言，人们对衍射光学元件较为青睐。 衍射光学是基于光的衍射原理发展起来的微光学。衍射光学元件是指利用光波的衍射 原理对光波传播方向进行偏折的光学元件，采用光刻和微细加工的方法，如离子束或激光 束等刻蚀而成。衍射光学元件可分为振幅型d o e 、二元台阶型d o e 和连续浮雕性d o e 三大类。它具有体积小、重量轻、易于阵列集成、便于大量复制等优点。 近几年，美国军方己将利用二元光学技术加工的衍射光学器件用于激光雷达的制造、 核聚变的快速引发、红外前视摄像、红外跟踪、遥感等光学系统，并开始用于现役武器装 备上。西方一些发达国家相继出现了一些专门从事微光学器件及材料生产和开发的公司， 如美国的m e m so p t i c a l 公司、c a n y o nm a t e r i a l s 公司以及德国的h o l o e y e 公司等。国内在 微光学领域的发展基本上还处于实验研究和个别应用阶段，大规模工业加工和产业化进展 缓慢，这主要是由于基础加工水平相对落后造成的。因此，大力开展微光学器件的加工方 法研究对我国的科技发展和建设强大的现代化国防具有重要意义。 1 1 光刻技术的发展史 光刻技术是利用光学复制的方法把超小图样刻印到半导体薄片上来制作复杂电路的 技术n 0 1 。光刻技术的发展一直支撑着i c 设计的发展，7 0 8 0 年代，光刻设备主要采用普 西安理工大学硕士学位论文 通光源和汞灯作为曝光光源，i c 的特征尺寸在微米级以上。9 0 年代以来，为适应i c 集成 度逐步提高的要求，微细加工的技术也迅速提高，相继出现了g 谱线，h 谱线、i 谱线光 源及k r f ，a r f ，f 2 等准分子激光光源，x 射线、电子束、离子束等非光学曝光技术也得了 前所未有的发展n ，作为下一代光刻技术( n g l ：n e x tg e n e r a t i o nl i t h o g r a p h y ，即小于3 2 n m 工艺节点的光刻技术) 的候选技术有：极紫外线光刻技术( e u v l ) 、纳米压印光刻技术 ( n i l ) ，x 射线光刻技术( x r l ) - - 接近式x 射线光刻技术( p x l ) - - ) 准直等离子光刻技术 ( c p l ) 、电子束光刻技术( e b l ，e l e c t r o nb t a ml i t h o g r a p h y ) 和离子束光刻技术( i b l ) 等n 引。 世界普遍认为，有望达到量产的下一代光刻技术极可能是e u v l 和n i l 。随着芯片特征 尺寸的不断缩小，从0 1 3 z m - - ) 9 0 n m - - ) 6 5 n m - 4 5 n m - ) 3 2 n m - ) 2 2 r i m 。这意味着半导体工业 已全面地从深亚微米步入纳米尺度。尤其在进入纳米尺度之后，光刻掩模技术已成为各种 光刻技术方法中一项可决定其应用前景的关键技术，同时，掩模成本在整个光刻成本中所 占份额也不断攀升，表1 - 1 给出光刻尺寸在1 0 0 n m 以下各种光刻掩模成本的比较，其中 s c a l p e l ( s c a t t e r i n ga n g u l a rl i m i t a t i o np r o j e c t i o ne l e c t r o nl i t h o g r a p h y ) 为散射角限制的电子 束投影光刻n 引。1 9 3 n m a r f 浸入式光刻机可望扩展至4 5 n m 节点，可是其掩模版价格昂贵， 其费用将高达5 0 0 - 6 0 0 万美元。 表卜1 光刻尺寸1 0 0 n m 的各种光刻掩模成本 t a b l e l 一1t h ec o s to fd i v e r s i f i e dm a s kl i t h o g r a p h ys i z e - 1 0 0 n m 光学光刻技术 下一代n g l 技术 1 9 3 n m k r f 光刻1 5 7 f 2 光刻 x r l s c a l p e l e u v l 掩模价格( 万美元) 万元 4 36 33 52 7 6 o 掩模工厂建设费( 亿美元) 亿元 3 1 53 2 02 2 01 8 72 1 6 从2 0 世纪6 0 年代至今，集成电路的发展已从每个芯片上仅仅的几十个器件到每个芯 片上集成约1 0 亿个器件。其增长过程遵从摩尔定律，即集成度每三年提高4 倍。集成电 路的迅猛发展，与光刻技术直接决定单个器件的物理尺寸的减小有着密切的关系。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：一、大面积的均匀曝光。在 同块硅片上能同时做出大量器件和芯片，保证了批量化生产；二、图形线宽不断缩小， 集成度不断提高，生产成本持续下降；三、由于线宽的缩小，器件的运行速度越来越快， 集成电路的性能不断提高。表l 一2 为2 0 0 3 年国际半导体技术发展路线图( i t r s ) 。 表1 - 2 、2 0 0 3 年国际半导体技术发展路线图( i t r s ) t a b l e l l t h ed e v e l o p m e n tc o u r s eo fi n t e r n a t i o n a ls e m i c o n d u c t o rt e c h n o l o g yi n2 0 0 3 年份 2 0 0 3 2 0 0 42 0 0 5 2 0 0 62 0 0 72 0 0 8 2 0 0 92 0 1 02 0 1 2 d r a m 半栅长生产水平n m 1 0 09 08 0 7 0 6 55 55 04 53 5 2 第一章绪论 在制造工艺方面，由于掩模版价格日益高涨，全球掩模版厂商竞争更加激烈，整个掩 模行业艰难前行，采用数字无掩模光刻技术已经成为光刻技术的热门研究课题。 1 2 新型光刻技术的现状与发展 从2 0 世纪6 0 年代到现在，集成电路的发展已从每个芯片上仅仅的几十个器件到每个 芯片上集成约1 0 亿个器件。其增长过程遵从摩尔定律。集成电路的迅猛发展，促使着光 刻技术的逐步提高。光刻技术的发展，使其加工线条的最小特征尺寸越来越小，对掩模加 工精度提出的要求也越来越高。由于掩模制作复杂且费用昂贵，掩模的制作加工成为制约 光刻技术发展的一大瓶颈。 1 2 119 3 n m 侵入式技术 当今，1 9 3n m 浸入式光刻技术成为纳米c m o s 器件光刻工艺的热门话题。这是因为 它在传统光刻机的光学镜头与晶圆之间的介质用水来替代空气。以缩小曝光光源波长和增 大镜头数值孔径n a ，从而提高了分辨率，延伸了1 9 3n m 干法光刻技术n 以u 1 4 1 。i b m 和 台积电使用1 9 3n m 浸入式光刻机制造商生产的步伐见表1 - 3 。 表1 31 9 3 n m 侵入式光刻机的生产和使用 t a b l e l 一3t h ep r o d u c t i o na n du s eo f1 9 3 n mi n c u r s i v el i t h o g r a p h ym a c h i n e s 年份厂商型号 n a 侵入液折射率光刻尺寸r i m使用 2 0 0 4a s m lt i n s c a na t ：1 1 5 0 i0 7 51 4 49 0i b m 2 0 0 4a s m lt wi n s c a n a t ：1 1 5 0 i0 7 51 4 49 0 台积电 2 0 0 5 a s m lt wi n s c a na t ：1 1 5 0 i 0 8 5 1 4 4 6 5 台积电i m e e xi t e c h & 2 0 0 5m s 1 9 3 i1 31 4 47 0 4 5 s e m a t e c h 2 0 0 5n i k o n$ 6 0 9 = 1 01 4 4 2 0 0 5j s r1 6 4 2 0 0 6a s m l 1 01 4 4 2 0 0 6 n i k o n = 1 21 4 4 2 0 0 7c a n o n = 1 21 4 4 3 西安理工大学硕士学位论文 目前1 9 3 n m 浸入式技术的进展比较顺利( 见图1 - 1 ) ，全球半导体业界有信心至少可以实 现4 5 n m 甚至3 2 n m 节点器件的制程。如今，1 9 3n l n 浸入式光刻技术应解决的技术问题是：1 、 研发高折射率的光刻胶。2 0 0 4 年光刻胶折射率为1 7 ；2 、研发高折射率的浸入液体。水 折射率为1 4 4 ，研发折射率为1 6 - 1 7 的浸入液体；折射指数大于1 6 5 的流体满足粘度、 吸收和流体循环要求；3 、研发高折射率的光学材料。折射指数大于1 6 5 的透镜材料满足 透镜设计的吸收和双折射要求；4 、控制由于浸入环境引起的缺陷，包括气泡和污染。 图1 - 1 提高1 9 3 n m 光刻机n a 的进展 f i g 1 1t h ee v o l v eo fi m p r o v e m e n tn a o f1 9 3 n ml i t h o g r a p h ym a c h i n e 1 2 215 7 r i m 光刻技术 1 5 7f l m 光刻，传统上被称为光学方法的极限n a 。其光源采用氟气准分子激光，它可 发出波长1 5 7n m 附近的真空紫外光。总的来说目前氟气准分子激光器功率已可达2 0w ， 1 5 7n m 光刻尚处在研发之中。 目前，1 5 7n m 光刻的主要困难如下：光学成像系统中的透镜材料。当波长短到1 5 7n m 时，大多数光学镜头材料都是高吸收态，易将激光的能量吸收，受热膨胀后造成球面像差。 目前只有氟化钙为低吸收材料，可供1 5 7n m 使用n 朝，尚无法解决氟化钙镜头结构的双折 射等技术问题。而且投入非常大，产量需求少，造成成本昂贵。有机材料的软p e l l i c l e 不 可能承受1 5 7n m 的辐射( 因辐射吸收热量太大) 而无机材料的硬p e l l i c l e 必须用熔融的石 英材料经特殊的加工制成，加工成非常薄的材料非常困难。8 0 0 t m 的厚度就可能因为重 力而下垂。 尽管i n t e l 宣布决定放弃1 5 7 n m 光刻，但是业界在1 5 7 n m 光刻技术的进程并没有因此 4 第一章绪论 停顿。至少在1 9 3 n m 光刻技术的选择方法中是一个重要的筹码。因为1 5 7 n m 也能附加浸入 式技术而提高分辨率。 1 2 3e u v l ( 极短紫外光) 光刻 极紫外光刻技术( e u v l ) ，是以波长为11 - 1 4 n m 的软x 射线为曝光光源的微电子光刻 技术。这种光刻技术能使印制电路的最小线宽达0 0 3 , u r n 1 5 ：1o 现有以下几个关键技术需要 解决：1 、e u v l 光源研究。我国在激光等离子物理研究方面具有坚实的基础，通过进一 步的工程化研究可以获得e u v l 所需要的光源。2 、全反射式离轴非球面缩倍投影光刻物 镜研究。与目前的光学光刻不同，对极紫外光已无透射材料。因为在该波段所有材料的折 射率都接近于l ，必须采用反射式光学系统。3 、高精度离轴非球面反射镜加工、检测技 术的研究。e u v l 光学系统中的反射面要求具有接近理想的面形和亚纳米量级的表面粗糙 度。4 、极紫外多层高反射率光学薄膜制备技术的研究。e u v l 反射式光学系统的反射面必 须在镀制了高反射率光学薄膜后才能正常工作，反射率越高，则生产效率越高。 业界为了e u v l ，即下一代光刻技术付出了许多努力。如美国的e u v l l c 、欧洲的 e u 4 1 c 、日木的a s e t 及e u v a 等公司。目前的目标是2 0 0 6 年出样机，2 0 0 7 年能推出实 用化的试用机种。 1 2 4 电子束投影光刻( e p l ) 随着光学波长的限制及曝光设备的复杂化，导致非光学方法的光刻技术的发展，其中 电子束投影光刻是相对成功的方向之一n 副。 e p l 技术是利用电子枪所产生的电子束，通过磁场聚焦、扫描、经电脑控制电子束 的剂量后，照射在硅片的光刻胶上形成图形。e p l 机台需要极高的真空度，以防止尘埃 在光学元件上堆积而造成曝光结构的改变。严重时有可能导致电子束的闪电。除此之外， 反向散射效应及空间电荷积累造成电子束的库仑互斥力亦是致命的因素。 目前影响e p l 进程的主要难点是：由于计算的数据量太大，目前能达每小时1 0 片已 经相当不易。目标是每小时2 5 片。随着计算机计算速度的加快及设计方法的改进，达到 以上目标还是大有希望的。e p l 的优点是：不需掩模板，可用于掩模板的制备或研发， 最佳分辨 o 1 z m 。 1 2 5 纳米压印光刻技术 纳米压印技术是美国普林斯顿大学华裔科学家周郁在1 9 9 5 年最先提出的n7 1 。这项技 术具有生产效率高、成本低、工艺过程简单等优点。已被证实是纳米尺寸大面积结构复制 5 西安理工大学硕士学位论文 最具发展前途的下一代光刻技术之一。目前该技术能实现分辨率达5n m 以下的水平n 8 1 。 纳米压印技术主要包括热压印( h e l ) 、紫外压印( u v - n m ) 以及微接触印刷( u c p ) 。纳米 压印技术是加工聚合物结构最常用的方法口蛐1 它采用高分辨率电子束等方法将结构复杂 的纳米结构图案制在印章上，然后用预先图案化的印章使聚合物材料变形而在聚合物上形 成结构图案。其压印过程如图1 - 2 所示。 2 、热压印 3 、脱模 4 、刻蚀和图像转移 图卜2 压印光刻过程 f i g 1 2t h ep r o c e s so fi n c u s e dl i t h o g r a p h y 1 、热压印技术 该技术在高温条件下可以将印章上的结构按需复制到大的表面上，被广泛用于微纳米 结构加工。整个热压印过程必须在气压小于1 p a 的真空环境下进行，以避免由于空气气泡 的存在造成压印图案畸变乜2 。2 4 1 。 2 、紫外压印光刻技术 紫外压印工艺是将单体涂覆的衬底和透明印章装载到对准机中，在真空环境下被固定 在各自的卡盘上。当衬底和印章的光学对准完成后，开始接触压印。透过印章的紫外曝光 促使压印区域的聚合物发生聚合和固化成型。优点是与热压印技术相比，紫外压印对环境 要求更低仅在室温和低压力下就可进行，从而使采用该技术能大大缩短生产周期，同时 减小印章磨损心蚴1 。由于工艺过程的需要，制作紫外压印印章要求使用能被紫外线穿过的 材料。以往紫外压印工艺中印章是用p d m s 材料涂覆在石英衬底上制作而成、2 引。p d m s 是一种杨式模数很小的弹性体，用它制作的软印章能实现高分辨率。然而在随后的试验 中发现由于p d m s 本身的物理软性在压印过程中在外界低压力下也很容易发生形变因 6 第一章绪论 此需要改进或者用新材料代替。 1 3 无掩模光刻技术的研究现状 近年来陆续出现的新型无掩模光刻技术，成功地避免了掩模的制作加工困难问题，太 大地简化了传统光刻的一些繁琐的工艺流程o 。无掩模光刻在制作连续微结构的光学元件 方面也受到人们的关注。无掩模光刻技术( m a s k l c s sl i t h o g r a p h y ) m l 2 的技术种类较多， 如基于光学的无掩模( 0 一m l 2 ：o p l i c a l m a s k l e s s ) 技术，基于带电粒子的无掩模( c p - m l 2 ： c h a r g e d p a r t i c l e m a s m c s s ) 技术等，带电粒子既可以是电子束也可以是离子柬。 1 3 1 电子柬无掩模光刻技术 电子束无掩模光刻技术是2 0 世纪6 0 年代从扫描电子显微镜技术基础上发展起来的 种新的光刻技术，它具有极高的分辨率i s 。 图1 - 3p h t l 2 的系统结构 f i g 1 - 3s y s k r as l r a c i u r e o f p m l 2 自1 9 7 5 年以来，人们先后研制出可变矩形束( v s b ) 、可变形束( c t m r a c t e j p 叫c c t i o n ， 唧) 、单片投影( c e l l p ) 曝光机f 1 4 l 等。在2 0 0 5 年1 月全球无掩模光刻年会上，奥地利的 i m sn a n o f a b r i c a f i o n 公司透露了一项用4 0 0 万电予柬可在现场进行可编程掩模的无掩模光 西安理工大学硕士学位论文 刻装置( 如图1 3 ) ，将来可进行4 5 r i m 及以下器件的制造。 该装置( 如图1 - 3 ) 系统由电子柬源( e l e c t r o ns o u r c 0 、聚光透镜系统( c o n d e n s e r o p t i c s ) 、孔径板系统( a p s ：a p e r t u r * p l a t e s y s t e m ) 、2 0 0 倍缩小电子光学系统( 2 0 0 x t c d u c t i o n e l e c t r o nb e a mo p t i c s ) 和扫描工件台( s c a n n i n gw a f e rs 协9 0 组成1 1 0 。该技术中，最为关键的 环节是动态的可编程孔径板系统，它替代了传统光刻中使用的掩模。如图1 4 所示。 在孔径板系统中起主要作用的元件是消隐板( b l a n k i n g p l a t e ) 。首先单电子束源( s i n g l e e e g t r o ns o u r c e ) 产生的电子束通过静电聚光透镜系统( e l e c t r o s t a t i c c o n d e n s e rs y s t e m ) 后，形 成一个宽的远心电子柬，射向a p s 的盖板( c o v e rp l a t e ) 后，形成许多相互独立的电子束。 接着，这些独立的电子柬经过一个可以根据需要单独按数字化的方式控制通和断的消隐 板，形成不消隐电子束( u n b l a a k e db e a m l e t ) 和消隐电子柬( b l a n k e db e a m l e t ) 。最后，射出 a p s 的不消隐电子柬经过电子光学系统投射在扫描工件台上的基片上。射向基片的电子 束像素的分辨力是由孔径板( a p e n u r e p l a t e ) 的孔径尺寸大小和2 0 0 倍缩小电子光学系统所 决定，如果基片上需要像素的分辨率为2 5 珊，则孔径板的孔径尺寸应为5 啪 5 m 。 同时机器自带了一个集成的1 8 0 r i mc m o s 器件，孔径板像许多紧挨j q l 的马赛克一 样，当光源到达板时，成千上万的电子束被分开，并形成图形投射在硅片表面。i m s 公 司透露新的装置其缩小倍率为2 0 0 倍，其5 k e y 的电子枪能提供1 唧的束径。机器的套准 精度为2 0 h m 及分辨率为p e rp i x e l 时1 8 0 n m 。据称i m s 公司2 0 0 8 年便可提供生产的机型。 二 二二 = 二工 二 口 二 j 1 ji 世c 一世心 一r h 】二m 一i 。 寸”“ j 圈1 4p m l 2 的孔径扳系统 f i g i - 4 a p so f p m l 2 柚a t a ：m 曲u f a c t u r ee q u i p m e n t o f * o m l c o n d u c t o r ) 其次，扣家在美国仅成立3 年的no v e l x 公司发明了一种在电子柬无掩模光刻中使用 的单元模块技术。该技术是一种采用m e m s 方法制造的单元模块集成电子柬阵列。或者 称之为“模块化的无掩模光刻技术”。公司采用m e m s 加上r f 陶瓷技术自行制造单元阵 8 第一章绪论 列。每个模块由4 个阵列组成，也即1 4 结构。包括山4 个t f 发射器，一组集成镜头及 其它部件。实际上，每个模块支持一个1 k e y 电子束柱，成为一个单一的子系统。从理论 上仅需要1 2 1 2 的阵列就能够组成一台多束的电子束无掩模光刻装置。现在no v e l x 公司 计划作为o e m 出售单元模块，客户可根据各种不同的需要，来配置系统。目前己能做到 每小时1 - 5 片痧3 0 0m m 硅片的光刻需求。 no v e l x 公司的总裁l a w r e n c em u r a y 表示，公司没有计划出售整套无掩模光刻系统， 而更倾向于仅提供单元模块技术。no v e l x 也己与美国d a r p a 签订合同，并得到基金支 持。公司正在开发基于上述技术的一种扫描电子显微镜，不过主攻方向还是无掩模光刻技 术。 而且，全球第一台无掩摸光刻设备由日本eb e a m 公司研制成功。 在2 0 0 2 年日本东芝公司和另外3 家公司，t e l ，eb a r a 及d a in i p p o n s c r e e n 合资成 立了eb e a m 公司。该公司采用低能电子束技术，计划于2 0 0 5 年初出样机，可以适用于 6 5l q m 器件的制造。 在2 0 0 4 年由s e m a t e c h 支持的全球无掩模光刻技术年会上，eb e a m 透露己经研制成 功低能电子束直接在硅片上的光刻系统，可以称之为准无掩模( q u a s im a s k l e s s ) 应用。e b e a m 的第一台样机己于2 0 0 4 年7 月发给一个不愿透露姓名的客户，第二台将发往t e l 的客户作进一步的系统验证。按eb e a m 的资料，系统仍处在研发及验证阶段。该系统采 用可变矩形束加上矢量扫描投影技术来达到更高的速度应用。 目前该系统采用5k e v 的低能电子束，己能达到生产矽2 0 0m i l l 硅片每小时2 片( x t 于 所有种类的光刻层) 。而真正的目标应为1 0 片h 。采用1 ：1 的镜头时，系统的分辨率可 达1 0 0n m 。电子束的束径为5u m 2 ，束流为1a c m 2 ，套刻精度为2 8n m 。系统采用一对 英特尔的2 8g h z 的x e o n 处理器和l i n u x 操作系统作为数据的转换系统。而数据转换单 元总的存储容量为8g b 。截止目前，eb e a m 仅得到了2 8 0 0 万美元的基金支持。 虽然电子束无掩模光刻技术有着极高的分辨率，但是其生产率却非常低，为了提高 生产率，先后进行过多方面的研究，但是由于其拼合图形小以及另外掩模热效应严重，而 使得生产率远远不能满足实际集成电路芯片生产的需要。 1 3 2 数字光学无掩模光刻技术 所谓的数字无掩模光刻术与传统光刻技术有很大不同，也和电子束无掩模光刻技术有 着很大的不同，其光刻过程是用计算机优化产生的一系列“虚拟 的数字图形，并控制投 影曝光设备把图形一幅幅地投影到基片上，理论上甚至可通过分析光学检测系统( 如c c d ) 反馈回来基片的光场分布的数字信息，进一步优化调控下一时刻数字图形的结构，以获得 最佳的光刻图形质量。数字无掩模技术的优点在于掩模图形的生产数字化，通过计算机控 制一些特殊的空间光调制器( s p a c el i g h tm o d u l a t o r , s l m ) 对入射光进行调制，以取代现有 9 西安理工大学硕士学位论文 的光学光刻中的掩模。常见空间光调制器有液晶显示器件l c d 、等离子体显示器件( p l a s m a d i s p l a yp a n e l ，p d p ) 和数字微反射镜器件( d i g i t a lm i c r o m i r r o rd e v i c e ，d m d ) 等。而d m d 是目前唯一的一种大批量生产的纯数字化s l m 1 2 1 。因此数字光学无掩摸光刻技术的研究 都是基于d m d 空间光调制器的。 表1 - 4t i 公司部分d m d 器件的性能 t a b l e l - 4t h ec a p a b i l i t yo fd m di nt i 型号对角线尺寸( i n )象素数 微镜面中心距( z m ) 镜面翻转倾斜角( 。) 0 7 x g a s d r l 2o 71 0 2 4 7 6 81 3 8 1 2 0 7 x g ad d r 0 71 0 2 4 7 6 81 3 6 81 2 0 7 s v g a s d ro 78 4 8 * 6 0 0 1 71 0 0 5 5 s v g a d d ro 5 5 8 0 0 * 6 0 01 3 6 81 2 0 7 x g as d ro 71 0 2 4 7 6 81 3 81 2 d h1d d ro 8 12 8 0 7 2 01 3 81 0 1 i s x g a s d r 1 11 2 8 0 1 0 2 41 71 0 0 9x g ao 91 0 2 4 7 6 81 71 0 h d 2 m u a t a n g l v d s o 8 1 2 8 0 7 2 01 3 6 81 2 0 9s x g ad d r o 91 2 8 0 1 0 2 41 3 81 0 传统的激光直写，3 卜3 3 3 或电子束直写阳引，精度虽然较高，但属于逐点微米级或亚微米 级加工，完成一张掩模需几个小时，速度很慢，不适合大规模制作。如激光直写系统的典 型写入参数为：行间隔l 肛m 、最小聚焦光斑直径1 舡m ( 1 e 强度点处) 、写入速度为 l o m m s 。而利用电寻址空间光调制器数字化可编程，可以同时并行灵活控制掩模板上各点 的光通量，是逐个图形曝光的面加工并行直写掩模制作系统。对于分辨率为1 0 2 4 7 6 8 ， 单像素尺寸1 弘m 的d m d 空间光调制器，3 0 倍精缩，只需几分钟即可对约6 m m 2 大小的灰 度掩模一次成形，大大提高了微光学元件掩模的制作速度，而且分辨率达到亚微米级，可 实现准连续表面浮雕掩模加工，克服了激光或电子束直写逐点曝光速度慢、器件表面粗糙 等缺点。因此，采用激光光源和电寻址空间光调制器构成的数字化灰度掩模制作系统相当 于多点并行激光直写系统。 而对于表面浮雕结构复杂的微光学器件，可通过计算机控制实时更换掩模，通过多张 掩模实现复杂结构的掩模加工，解决了二元光学套刻对准的难题，增加了掩模板制作的灵 活性。另外，实时更换掩模技术还可以应用于高台阶数灰度掩模加工，以提高器件的衍射 1 0 第一章绪论 效率。下表给出了数字灰度掩模制作方法与直写掩模制作方法的对比。 表1 - 5d m d 数字掩模与激光电子束直写方法的对比 t a b l e l - 5t h ec o m p a r i s o nb e t w e e nm a s l o e s sb a s e do nd m da n dl a s e r e l e c t r o n i cd i r e c t n e s st e c h n o l o g y 加工方法最高分辨率曝光速度曝光方式曝光环境设备成本 激光直写 0 姒m 0 6 m m ：m i n 逐点 非真空 高 电子束直写 0 埘m 0 6 m i n e r a i n面曝光非真空低 同为面曝光方式，电寻址空间光调制器的实时并行直写掩模技术与幻灯片或彩色打印 制作掩模技术的对比见表卜6 。虽然表卜6 中幻灯片的理论分辨率高于d m d ，但在应用中， 受各种制约因素( 如温度、曝光量以及胶片感光颗粒等) 的影响，实际可用分辨率远低于此 值。而d m d 的分辨率是由像素尺寸和精缩倍数精确控制的，不受其它因素制约。从表 1 - 5 和表1 - 6 可见，d m d 数字掩模制作系统的总体性能指标优于其它四种掩模制作方法。 表1 - 6 中的彩色打印和幻灯片方法的十倍精缩分辨率是根据十倍精缩后最小可分辨线对 计算的，d m d 的相应指标是根据单像素尺寸计算的。 ， 表1 - 6d i v l d 数字掩模与彩打幺丁灯片方法的对比 t a b l e l - 6t h ec o m p a r i s o nb e t w e e nm a s k l e s sb a s e do nd m da n dc o l o r i z e dp r i n t s l i d e 加工方法边缘效果调制度1 0 倍精缩分辨率实时性设备成本 彩色打印( 6 0 0 d p i ) 较差低 8 4 t i m 无，单掩模较低 幻甑片8 1 9 2 差高 0 靴m 无，单掩模低 ( 1 i n e s 3 5 m m )