非光学光刻技术ppt课件.ppt

通过使用大数值孔径的扫描步进光刻机和深紫外光源 再结合相移掩模 光学邻近效应修正和双层胶等技术 光学光刻的分辨率已进入亚波长 获得了0 1 m的分辨率 若能开发出适合157nm光源的光学材料 甚至可扩展到0 07 m 第9章非光学光刻技术 但是这些技术的成本越来越昂贵 而且光学光刻的分辨率极限迟早会到来 已开发出许多新的光刻技术 如将X射线 电子束和离子束作为能量束用于曝光 这些技术统称为非光学光刻技术 或下一代光刻技术 它们的共同特点是使用更短波长的曝光能源 1 9 1高能束与物体之间的相互作用 本节主要讨论X射线 电子束 离子束与固体之间的相互作用 一 X射线与固体之间的相互作用 X射线光刻所用的波长在 0 2 4nm的范围 所对应的X射线光子能量为1 10keV 在此能量范围 X射线的散射可以忽略 X射线光子的能量损失机理以光电效应为主 损失掉的能量转化为光电子的能量 2 能量损失与分辨率的关系分辨率取决于X射线的波长与光电子的射程两者中较大的一个 当X射线波长为5nm左右时两者相等 这时可获得最佳分辨率 其值即约为5nm 但在X射线光刻技术中 由于掩模版等方面的原因 波长取为0 2 4nm 其相应的光电子射程为70 20nm 但是实际上这并不是限制X射线光刻分辨率的主要因素 后面会讲到 限制X射线光刻分辨率的主要因素是掩模版的分辨率 以及半影畸变和几何畸变 3 二 电子束与固体之间的相互作用 电子束与固体之间的相互作用有很多种 例如二次电子 散射电子 吸收电子 电子空穴对 阳极发光 X射线 俄歇电子等 影响电子束曝光分辨率的主要是散射电子 1 电子的散射入射电子与固体中另一粒子发生碰撞 发生动量与能量的转移 方向改变 波长不变或增大 能量不变或减少 电子在光刻胶中的散射次数与光刻胶厚度成正比 与入射电子的初始能量E0成反比 典型值为几到几十次 4 散射角 电子散射后的方向与原入射方向之间的夹角 前散射 小角散射 散射角 90o背散射 大角散射 散射角 90o 180o 实验表明 前散射使电子束变宽约0 1 m 而背散射电子的分布区域可达到0 1 1 m 所以背散射是影响电子束曝光分辨率的主要因素 5 2 光刻胶的能量吸收密度电子束曝光的分辨率主要取决于电子散射的作用范围 而此范围可用光刻胶的能量吸收密度分布函数来表示 由于能量密度函数是轴对称的 与变量无关 故可表为E r z 6 3 光刻胶完成曝光所需的能量密度设g0为每吸收一个电子伏特的能量所发生的化学反应 交联或降解 数 即反应产率 则 1 g0 表示每发生一个反应所需的能量 单位体积光刻胶中的分子数可表为 其中NA为阿伏加德罗常数 M为平均分子量 则要使单位体积的光刻胶全部发生反应所需的能量 即能量密度 为 7 令光刻胶的实际能量吸收密度E r z 与完成曝光所需的能量密度E0相等 即E r z E0 可以得到一个等能量密度曲面 显然 在这个曲面之内的光刻胶将全部发生化学反应 显影时将全部溶掉 以正性胶为例 所以此曲面也就是显影后的光刻胶剖面轮廓 电子束 显影后 8 1 首先 假设入射电子束的分布是函数 即单位冲击函数 具有如下性质 4 计算能量吸收密度E r z 的方法 9 2 然后 利用Monte Carlo法模拟 得到下图的结果 10 通过模拟计算 发现有以下特点 a 所以背散射是影响分辨率的主要因素 b 光刻胶较薄时 能量密度的分布范围较小 c 入射电子初始能量E0的影响是 对ff E0越大 则 越小 对fb 当E0增大时 先增大 然后减小 d 低原子序数材料中的散射一般要小一些 3 对此模拟结果进行曲线拟合 可得到近似的分析函数 为双高斯函数 即 11 4 当入射电子为任意空间分布函数时 其吸收能量密度是与的卷积积分 例如 当电子束分布为高斯圆形束时 式中 为高斯电子束的标准偏差 12 5 胶层等能量密度剖面轮廓实际的曝光图形 既不是函数 也不是仅仅一个孤立的圆形束斑 如果是一条有宽度的线条 其能量吸收密度应当是各入射电子束的作用的总和 如下图所示 设电子束的束流为IB 在每个点上停留的时间为t 则每个束斑上的入射电子数为 IBt q 每个束斑产生的吸收能量密度为 则在离线条距离为x的点P下面深度为z处的能量吸收密度为 13 用上述模拟方法对硅上的PMMA胶进行计算的结果以及实际的胶层剖面轮廓如下图所示 模拟结果 实际结果 14 5 电子束曝光的邻近效应及其修正方法已知电子的散射特别是背散射 其影响范围可与电子射程或胶层厚度相当 这称为电子束曝光的邻近效应 对于一个其线度L远大于电子散射范围R的图形 虽然其中间部分的曝光是均匀的 但边缘部分的情况就不同了 如下图所示 能量密度 内邻近效应 互邻近效应 无散射时 内邻近效应 互邻近效应 15 邻近效应的后果 1 对L R的孤立图形 使边缘模糊 2 对L R的孤立图形 使边缘曝光不足 图形变小 变圆 甚至曝不出来 3 对间距a R的多个图形 使间距变小 甚至相连 减小电子邻近效应的方法 减小入射电子束的能量 因 随E0先大后小 或采用低原子序数的衬底与光刻胶 16 修正电子邻近效应的方法电子束图形 曝光显影后有邻近效应 几何修正 剂量修正 17 离子束与固体之间的相互作用有 散射 碰撞 辐射损伤 产生位错 溅射 刻蚀及镀膜 俘获 离子注入 激发 电离 电子发射 二次离子发射等 这些效应的强弱随入射离子的能量不同而不同 用于大规模集成技术的入射离子能量范围为 三 离子束与固体之间的相互作用 刻蚀 镀膜 50keV 18 9 2直写电子束光刻系统 电子束曝光方式电子束曝光主要采用无掩模的直写方式 扫描方式 此外也有投影方式 但无接触式 直写曝光 无掩模 电子束曝光方式 光栅扫描矢量扫描 投影曝光 有掩模 19 电子束的波长短 因此电子束曝光的分辨率很高 是目前获得深亚微米高分辨率图形的主要手段之一 电子质量m和加速电压Va越大 则电子的波长 越小 电子 离子等微观粒子具有波粒二象性 由德布罗意关系 又由代入波长 中 得 20 考虑到相对论效应后 应修正为 电子束曝光的加速电压范围一般在Va 10 30kV 这时电子波长 的范围为0 012 0 007nm 将h 6 62 10 27erg s q 4 8 10 10绝对静电单位 电子质量m 9 1 10 27g代入 得 21 电子束本身的分辨率极高 可以达到0 01 m以下 但是在光刻胶上一般只能获得0 1 m左右的线宽 限制电子束曝光分辨率的因素有 1 光刻胶本身的分辨率2 电子在光刻胶中的散射引起的邻近效应3 对准问题 22 一 直写电子束光刻机工作原理 除电子光学柱系统外 还有如真空系统 工件台移动系统等 数据输入 计算机 电子束控制 工件台控制 电子枪 光闸 硅片 电子束 聚焦系统 偏转系统 电子光学柱系统 23 二 电子束发射聚焦系统1 电子枪 要求 亮度高 均匀性好 束斑小 稳定性好 寿命长 1 热钨丝电子枪 束斑直径约为30 m 特点是简单可靠 对真空度要求低 但亮度低 寿命短 噪声大 2 LaB6电子枪 是目前流行的电子束光刻机用电子枪 其特点是亮度高 稳定性好 寿命长 但对真空度要求高 使用条件严格 能散度大 聚焦困难 束斑大 3 场致发射电子枪 由Zr W O材料制造的尖端构成 其特点是亮度更高 能散度低 束斑小 噪声低 寿命长 但需要的真空度更高 高达1 33 10 6Pa 1 10 8Torr 且稳定性较差 24 2 聚焦系统作用 将电子束斑聚焦到0 1 m以下 要求 几何像差小 色差小 结构种类 采用2 3级静电透镜或磁透镜聚焦系统 磁透镜 由流过线圈的电流产生的一个对称磁场所形成 对电子束有聚焦作用 25 三 偏转系统作用 使电子束发生偏转 在光刻胶上进行扫描与曝光 描画出所需要的图形 要求 偏转像差小 图形清晰 分辨率高 偏转灵敏度高 偏转速度快 结构种类 磁偏转与静电偏转 磁偏转器的电感较大 扫描速度较慢 静电偏转器的电容较小 扫描频率较高 两者相差上万倍 此外 静电偏转器的光学性能较好 像差较小 实际使用时 有磁偏转 电偏转 磁 电偏转 磁 磁偏转 电 电偏转等多种组合方式 偏转器与磁透镜之间的位置也有多种组合方式 26 1 光闸机构控制采用 静电偏转器 光阑 的方式对电子束通断进行控制 四 控制系统对光闸 偏转系统和工件台的移动进行统一协调的控制 静电偏转器 光阑 当V E时 V 当V 0时 2 偏转系统扫描控制只应用于矢量扫描方式 使电子束根据VLSI图形的要求做出规定的偏转 完成扫描曝光 27 1 高斯圆形束光柱采用点光源和圆形光阑 上靶束斑的电流密度在横截面上呈二维高斯分布 等流线为圆形 束斑直径为0 1 1 m 最小可达到0 01 m 其主要优点是分辨率高 制作图形时精细灵活 主要缺点是曝光效率低 五 电子光学柱的类型 28 2 固定方形束光柱采用面光源和方形光阑 束斑尺寸一般取为图形的最小特征尺寸 主要优点是曝光效率高 主要缺点是曝光不灵活 某些区域可能被重复曝光而导致曝光过度 29 成形偏转板 光阑1 光阑2 通过光阑1后形成的固定方形束 与光阑2的相互位置 偏转后的方形束 通过光阑2后形成的可变矩形束 3 可变矩形束光柱 主要优点是曝光效率更高 更灵活 且无重复曝光区域 主要缺点是结构复杂 价格昂贵 但由于它是实现复杂精细图形的直接书写 高生产效率曝光的重要手段 已经得到了越来越多的使用 所产生的矩形束斑的尺寸可按需要随时变化 由两个方形光阑和两个x y方向的成形偏转器构成 30 4 三种光柱曝光效率的比较 例1 10d 5d 5d 10d 13d 115d2 例2 1MDRAM的芯片尺寸为9 6 9 6mm2 最小线宽1 m 平均曝光面积4 4mm2 曝光图形约为460万个 每个4英寸硅片上可容纳52个芯片 若采用D 0 25 m的高斯圆形束 每点的曝光时间为1 s 则单纯用于曝光的时间近4个小时 若采用可变矩形束 每点的曝光时间为1 8 s 则单纯用于曝光的时间仅7分钟 31 六 直写电子束光刻机的扫描方式1 光栅扫描采用高斯圆形束 电子束在整个扫描场里作连续扫描 通过控制光闸的通断来确定曝光区与非曝光区 光栅扫描的优点是控制简单 不需对偏转系统进行控制 缺点是生产效率低 由于扫描场的范围较小 必须配合工件台的移动来完成对整个硅片的曝光 按工件台的移动方式又可分为分步重复光栅扫描和连续光栅扫描两种 32 2 矢量扫描 除高斯圆形束外 也可以采用固定方形束或可变矩形束 矢量扫描的优点是曝光效率高 因为电子束不需对占总面积约60 70 的无图形区域进行扫描 而且可采用可变矩形束 缺点是控制系统要复杂一些 因为矢量扫描必须对偏转系统进行控制 而不象光栅扫描那样采用固定的偏转方式 33 34 9 3直写电子束光刻概要和展望 直写电子束光刻的主要优点是分辨率高 作图灵活 主要缺点是曝光效率低 控制复杂 为了提高效率 已经开发出了高亮度源 矢量扫描系统 与大数值孔径透镜相结合的低感应偏转线圈等 但是直写电子束光刻在最好的情况下也比光学光刻系统慢一个数量级 可能的解决方法是使用一种大量电子束源同时曝光的多电子束曝光系统 直写电子束光刻目前主要用于光刻版的制造 也可用于产量不大 但要求分辨率特别高 图形要经常变化的场合 如高速GaAs集成电路等 35 9 4X射线源 为了提高分辨率 可以采用波长 0 2 4nm的X射线作为曝光的光源 1 电子碰撞X射线源 用高能电子束轰击金属靶 如Al W Mo 使靶金属的内层束缚电子离开靶材料 当另一个束缚电子去填充这一空位时 即可发射出X射线 这种X射线源的主要缺点是效率很低 只有几万分之一 功率消耗达数万瓦 并产生大量的热 除了用水冷却外 还可使阳极高速旋转 36 37 2 等离子体X射线源用聚焦的高能电子束或激光束轰击金属薄膜 使之蒸发成为等离子体 超热的金属等离子体蒸汽将发射X射线 波长为0 8 10nm 这种X射线源从激光到X射线的转换效率约为10 光强比较强 并有非常小的直径 比较适合于光刻 38 39 X射线 硅片 电子在同步加速器中作圆周运动 加速方向与其运动切线方向相垂直 在沿运动方向的切线上发射出X射线 电子在发射X射线过程中损失的能量在射频腔中得到补充 3 同步加速器X射线源 40 41 这种X射线源的亮度最强 效率较高 一台X射线源可以支持多达16台曝光设备 但这种X射线源极其庞大昂贵 电子同步加速器的直径可达5米以上 限制来自磁场方面 如果将来能获得高临界温度的超导材料 则利用超导磁场可建立直径约2米的紧凑型电子同步加速器 此外 这种X射线源还存在辐射安全问题 42 靶 电子束 X射线 掩模版 硅片 抽气 由于很难找到合适的材料对X射线进行反射和折射 X射线透镜的制造是极其困难的 因此只能采用接近式曝光方式 为使由点光源发射的X射线尽量接近平行光 应使光源与掩模的距离尽量远 对于大规模集成电路的制造来说 由于受到掩模尺寸的限制 只能采用步进的接近方式 9 5接近式X射线系统 43 光刻用的X射线波长约为1nm 可以忽略衍射效应 影响X射线分辨率的主要因素是由于X射线源不是严格的点光源而引起的半影畸变 和由于X射线的发散性而引起的几何畸变 44 要使 和 max减小 应增大D或减小S 但太大的D值会减小X射线的强度 另外 由于几何畸变的影响要比半影畸变的大 可以采用步进的方法来减小每步曝光的视场尺寸W 从而减小几何畸变 max 或在设计掩模版时进行补偿 例如 若d 5mm D 400mm S 5 m 则半影畸变 0 06 m 硅片直径要根据所允许的几何畸变 max来确定 如果允许 max 0 1 m 则W仅为16mm 反之 若W为100mm 则 max会高达0 6 m 45 正在研究中的X射线透镜1 掠射角金属反射镜 2 Kumakhov透镜 3 多层反射镜 46 X射线光刻工艺最困难的地方之一就是掩模版的制造 对掩模版的基本要求是反差要大 但是对于X射线 当波长小于0 2nm时 对绝大部分材料都能穿透 当波长大于4nm时 对绝大部分材料都将被吸收 只有在0 2nm 4nm的范围内 可以用低吸收的轻比重材料如Si Si3N4 SiC BN等制作透光部分 厚度约2 10 m 用重金属材料如Au Pt W Ta等制作不透光部分 厚度约0 2 0 5 m 9 6薄膜型掩模版 47 表面掺硼 背面氧化 N Si 背面光刻 正面蒸金 光刻金 腐蚀硅 48 由于透光与不透光的材料之间存在较大的应力 使掩模版的精度受到影响 正在开发杨氏模量较大的金刚石作为基片 但价格昂贵 加工困难 由于不能采用缩小曝光 给制版造成困难 此外 掩模版的清洗和维修问题也没有解决 因此至今尚无商业化的X射线掩模版的供应 原来预计 对于0 5 m以下的细线条 必须使用X射线曝光 但是随着移相掩模等光学曝光技术的新发展 使光学曝光技术的分辨率极限进入亚波长范围 甚至达到0 1 m以下 从而使X射线曝光在大规模集成电路制造中的实际大量应用将继续推迟 49 3 可穿透尘埃 对环境的净化程度的要求稍低 存在的问题 1 X射线源 2 X射线难以偏转与聚焦 本身无形成图形的能力 只能采用接近式曝光方式 存在半影畸变与几何畸变 3 薄膜型掩模版的制造工艺复杂 使用不方便 掩模版本身仍需用传统的光学或电子束方法制造 接近式X射线曝光的优点1 可忽略衍射效应和驻波效应 分辨率较高 2 曝光效率高 4 对硅片有损伤 50 9 7投影式X射线光刻 深紫外光 DUV 曝光的波长下限是170nm 这是因为当波长小于170nm时 在这一范围内唯一可用于掩模版透光部分的玻璃或石英材料会大量吸收光波能 因此即使在使用了移相掩模等先进技术后 利用DUV折射成像曝光所能获得的最细线宽只能到0 1 m 另一方面 X射线由于难以进行折射和反射 只能采用1 1接近式曝光 掩模版的制作极为困难 掩模版与晶片之间缝隙的控制也很不容易 近年来 在能对波长较长的所谓 软X射线 进行反射的反射镜的研制上取得了重要进展 出现一种采用波长为13nm的软X射线的4 1全反射缩小投影曝光技术 获得了0 1 m线宽的图形 此技术后来被命名为极紫外光光刻 EUVL 51 EUVL光刻机示意图 要将EUVL概念转化为0 1 m设计规则的技术 需要解决以下多项关键技术难题 晶片 多涂层EUV反射成像系统 EUV光束 多涂层EUV反射聚光系统 高功率激光器 激光激发等离子体 掩模版 52 一 EUV光源可选择的EUV光源有三种 电子碰撞X射线源 激光产生的等离子体光源和电子同步加速器辐射源 从商业角度 目前最被看好的是激光产生的等离子体光源 因为这种光源有丰富的软X射线 这种光源的开发需解决以下三个问题 1 高平均功率激光器的开发 2 从激光到EUV辐射的转换效率 3 无残碎片 以防止聚光系统被损伤或被涂复 53 二 EUV涂层光学研究表明 采用叠片的方式可以获得共振反射 从而得到很高的反射率 光波波长 与叠片的等效周期D以及入射角之间应满足Bragg方程 当波长很短时 多层叠片可以用多层涂层来实现 EUV光刻技术最大的单项突破就是开发出了精确的多层涂复技术 使对EUV的反射率超过了60 54 常用涂层材料有 Mo Si 系统与 Mo Be 系统 已经用 Mo Si 涂层制成直径为4英寸的反射镜 在波长为13 4nm时的反射率为650 5 涂层周期为6 950 03nm EUV涂层的技术必须满足以下要求1 能做出具有高反射率的涂层 2 能在反射镜表面各处均匀精确地控制多涂层的周期 3 能精确控制不同反射镜的多涂层周期 4 能在掩模版上淀积无缺陷的多涂层 5 涂层必须长期稳定 能经受住长时间EUV辐射的损伤及热效应的影响 55 三 精密光学系统缩小的光学成像系统的制造与计量是EUV技术中最困难的光学课题 光学系统的部件必须满足1 采用极低热膨胀系数的材料制成 2 反射镜的精度与表面光洁度均应达到0 1nm的水平 反射镜数量的选择 为达到最佳成像质量和最大像场 应采用尽可能多的反射镜 但受到光传输效率的限制 所以必须在大象场的成像质量和曝光效率之间作折中考虑 已报道了一种4镜面的反射缩小系统 NA 0 08 像场缝宽为1mm 图形分辨率优于0 1 m 56 四 掩模版对全反射系统来说 掩模版的 透光 部分为有多涂层的部分 不透光 部分则是覆盖在多涂层上的已制成所需图形的金属吸收层 衬底可用硅晶片来制作 EUV掩模版的制作过程 是先在作为衬底的硅晶片上淀积多涂层反射层 接着淀积一层保护性过渡薄层及一层金属吸收层 然后通过电子束光刻工艺在多涂层的上面刻蚀出所需的金属吸收层图形 制作无缺陷的掩模版是EUVL技术中最具挑战性的要求 对普通掩模版的各种缺陷修复方法都无法用于多涂层掩模版 唯一的途径就是在大面积范围内实现无缺陷多涂层淀积 为了制作成品率大于90 的掩模版 要求多涂层淀积工艺的缺陷密度小于10 3个 cm2 57 五 光刻胶由于光刻胶对EUV的吸收深度很浅 只能在光刻胶的表面成像 因此必须采用相应的表面成像工艺 例如表面层很薄的双层甚至三层光刻胶技术 此外 EUV光刻胶需要很高的灵敏度 为达到足够的生产效率 EUV光刻胶的灵敏度应优于5mJ cm2 58 投影电子束曝光技术既有电子束曝光分辨率高的优点 又有投影曝光所固有的生产效率高成本低的优点 因而是目前正积极研究开发的一种技术 9 8投影电子束光刻 59 原理 电子枪发射的电子束经聚焦透镜后形成准直电子束流 照射到掩模版上 穿过掩模透明部分的电子束再经过投影透镜缩小后 在晶片上获得缩小的掩模转印图形 由于曝光视场不大 一般为3 3mm2 所以工件台也需作步进移动 电子枪 光闸 聚焦透镜 投影透镜 掩模版 晶片 电子束 60 投影电子束曝光的优点1 波长短 分辨率高 线宽可小于0 1 m 2 生产效率高 3 对电子束的控制简单 存在的问题1 掩模版制造困难 透明 部分最好是空的 这是限制投影电子束曝光的实际应用的主要障碍 2 对准问题 61 在投影电子束光刻中 最有希望的技术之一被称为角度限制散射投影电子束光刻 ScatteringwithAngularLimitationProjectionElectron beamLithorgraphy SCALPEL 它是利用散射反差的对比来产生图形 掩模版的透明区用低Z材料制成 不透明区用高Z材料制成 不透明区不是吸收电子而是以足够大的角度散射电子 使之被光阑阻挡 这就允许使用极高的能量 从而使低Z材料区几乎完全透明 掩模版的透明区通常是富硅的氮化硅 厚约0 1 m 不透明区可采用W Cr 厚约0 05 m 在图像质量和生产效率之间存在矛盾 低电子流密度可获得极好的图像质量 而高电子流密度可获得合理的生产效率 62 63 9 9离子束光刻 当将离子束应用于曝光时 其加工方式有1 掩模方式 投影方式 2 聚焦方式FIB 直写方式 扫描方式 3 接近式 64 聚焦离子束光刻机的基本原理与直写电子束光刻机大体相同 不同之处有1 由LMIS 单体或共晶合金 代替电子枪 2 必须使用质量分析系统 3 通常采用静电透镜和静电偏转器 4 主高压的范围较宽 可以适用于曝光 刻蚀 注入等各种不同用途 65 离子束曝光技术的优点1 离子的质量大 因此波长更短 可完全忽略衍射效应 2 离子的速度慢 穿透深度小 曝光灵敏度高 对于各种电子束光刻胶 离子束的灵敏度均比电子束高近两个数量级 因此可缩短曝光时间 提高生产效率 3 离子的质量大 因此散射很小 由散射引起的邻近效应小 有利于提高分辨率 4 当采用与X射线类似的接近式曝光时 无半影畸变与几何畸变 5 可以利用FIB技术直接在硅片上进行离子束刻蚀或离子注入 而完全摆脱掩模版与光刻胶 66 6 有增强腐蚀作用被H 离子照射过的SiO2层 其腐蚀速率比未照射区的高约5倍 这就有可能不用光刻胶 在定域曝光后直接进行定域腐蚀 另一种可能的用途是 利用增强腐蚀作用把很薄的SiO2层作为无机正性光刻胶使用 并将其用作双层胶的顶层胶 离子束 腐蚀SiO2 相当于顶层胶的显影 67 离子束曝光技术存在的问题 1 对准问题 与电子束相比 离子束的穿透力小 不易穿过胶层达到晶片上的对准标记 另一方面 因离子束的散射也小 很难获得来自对准标记的信息 2 离子的质量大 偏转扫描的速度慢 3 LMIS能散度较大 给离子光学系统的