第8章 光刻工艺概述3.ppt

2020年6月3日6时9分,1,第8章光刻工艺概述8.3光刻技术,2020年6月3日6时9分,2,8.3光刻技术,8.3.6对准和曝光对准是把所需图形在晶圆表面上定位或对准。曝光是通过曝光灯或其他辐射源将图形转移到光刻胶涂层上。如果说光刻胶是光刻工艺的“材料”核心，那么对准和曝光则是该工艺的“设备”核心。图形的准确对准是保证器件和电路正常工作的决定性因素之一。,2020年6月3日6时9分,3,8.3光刻技术,光刻机的性能表现对准和曝光包括两个系统：一个是要把图形在晶圆表面上准确定位（不同的对准机类型的对准系统各不相同）；另一个是曝光系统（包括一个曝光光源和一个将辐射光线导向到晶圆表面上的机械装置）。,2020年6月3日6时9分,4,8.3光刻技术,光刻机的性能指标：分辨率：机器产生特定尺寸的能力，分辨率越高越好，机器的性能越好。套准能力：图形准确定位的能力产量,2020年6月3日6时9分,5,8.3光刻技术,2020年6月3日6时9分,6,8.3光刻技术,DRAM对投影光刻技术要求（教材2P153表7.1）,2020年6月3日6时9分,7,2020年6月3日6时9分,8,8.3光刻技术,对准法则第一次光刻只是把掩膜版上的Y轴与晶圆上的平边成90，如图所示。接下来的掩膜版都用对准标记与上一层带有图形的掩膜对准。对准标记是一个特殊的图形（见图），分布在每个芯片图形的边缘。经过光刻工艺对准标记就永远留在芯片表面，同时作为下一次对准使用。,2020年6月3日6时9分,9,8.3光刻技术,对准标记,2020年6月3日6时9分,10,8.3光刻技术,未对准种类：(a)X方向(b)转动(c)伸出,2020年6月3日6时9分,11,2020年6月3日6时9分,12,2020年6月3日6时9分,13,UsedwithpermissionfromCanonUSA,FPA-2000i1,2020年6月3日6时9分,14,8.3光刻技术,光刻机的分类最初曝光设备是接触式光刻机和接近式光刻机，而今，光刻机已发展成两大类型，即光学光刻机和非光学光刻机，如图所示。光学光刻机采用紫外线作为光源，而非光学光刻机的光源则来自电磁光谱的其他成分。,2020年6月3日6时9分,15,8.3光刻技术,光刻机的分类接触式接近式扫描投影步进式分步扫描X射线电子束混合和匹配,2020年6月3日6时9分,16,8.3光刻技术,对准系统比较,2020年6月3日6时9分,17,8.3光刻技术,曝光光源普通光源光的波长范围大，图形边缘衍射现象严重，满足不了特征尺寸的要求。所以作为晶圆生产用的曝光光源必须是某一单一波长的光源；另外光源还必须通过反射镜和透镜，使光源发出的光转化成一束平行光，这样才能保证特征尺寸的要求。最广泛使用的曝光光源是高压汞灯，它所产生的光为紫外光（UV），为获得更高的清晰度，光刻胶被设计成只与汞灯光谱中很窄一段波长的光（称为深紫外区或DUV）反应。除自之外，现今用的光源还有：准分子激光器、X射线和电子束。,2020年6月3日6时9分,18,8.3光刻技术,紫外光为光源的曝光方式:接触式曝光、接近式曝光、投影式曝光三种,2020年6月3日6时9分,19,8.3光刻技术,其他曝光方式:X射线曝光、电子束曝光、直接分步重复曝光、深紫外线曝光。,2020年6月3日6时9分,20,光的特性,v=光速,3x108m/secf=频率，Hertz(cyclespersecond)=波长,thephysicallengthofonecycleofafrequency,expressedinmeters,2020年6月3日6时9分,21,2020年6月3日6时9分,22,光的特性反射,2020年6月3日6时9分,23,反射造成的影响,2020年6月3日6时9分,24,驻波：频率和振幅均相同、振动方向一致、传播方向相反的两列波叠加后形成的波。,2020年6月3日6时9分,25,驻波效应:造成不同厚度光刻胶曝光的不均匀,2020年6月3日6时9分,26,解决方法,涂抗反射层(ARC)用来减少来自光刻胶下面反射层的光反射底部抗反射层BARC顶部抗反射层,2020年6月3日6时9分,27,2020年6月3日6时9分,28,有机抗反射涂层：通过吸收光来减少反射，与光刻胶一样被涂在晶圆表层无机抗反射涂层：不吸收光，通过特定的波长相移相消起作用，受折射率、膜层厚度和其他参数影响,2020年6月3日6时9分,29,顶部抗反射涂层（TARC）：在光刻胶和空气的交界面上减少反射,2020年6月3日6时9分,30,光的折射,2020年6月3日6时9分,31,8.3光刻技术,光的衍射孔径越小，屏幕上的像就越大,2020年6月3日6时9分,32,2020年6月3日6时9分,33,8.3光刻技术,避免光的衍射的方法：接触式曝光在该种情况下衍射效应最小。设备造价低，而且容易获得小的特征尺寸。由于掩膜版与硅片相接触磨损，使掩膜版的寿命降低。不适用于复杂芯片的大批量生产。,2020年6月3日6时9分,34,8.3光刻技术,接触式光刻机优点：曝光时掩模版压在涂了光刻胶的圆片上，从而可以获得小的特征尺寸。该设备造价低。,2020年6月3日6时9分,35,8.3光刻技术,接近式曝光是以牺牲分辨率来延长了掩膜版的寿命，对大尺寸和小尺寸器件上同时保持线宽容限还有困难。一般来说，版和晶圆的距离大致为5-25微米。掩模浮在晶圆表面，一般在一层氮气气垫上。,2020年6月3日6时9分,36,8.3光刻技术,接触/近式曝光系统,2020年6月3日6时9分,37,2020年6月3日6时9分,38,8.3光刻技术,惠更斯-菲涅尔原理波前上任一点都可看作发射子波的波源,发出球面子波,在以后任意时刻各子波的包迹形成下一时刻新的波前,2020年6月3日6时9分,39,8.3光刻技术,(a)图中在自由空间内，多个叠加(b)图中只有孔径的源点起到后面波的叠加作用,2020年6月3日6时9分,40,8.3光刻技术,假定掩模版和硅片分开一个小的间隙g，假设一束平面波入射到某一孔径上，在光刻胶上形成的光强分布如图所示，随着g的增大，衍射作用会越来越大,2020年6月3日6时9分,41,8.3光刻技术,基本上光刻胶表面的光强和g的关系如图所示,2020年6月3日6时9分,42,8.3光刻技术,假设一块暗场掩模板上有一个宽度为W的单孔，假设以单色非发散光源曝光，间隙g在菲涅尔衍射理论的范围：上式取右端，此时最小的可分辨的特征量（影响特征尺寸）为：,2020年6月3日6时9分,43,8.3光刻技术,投影式曝光避免了掩膜版与硅片表面的摩擦，延长了掩膜版的寿命。掩膜版的尺寸可以比实际尺寸大得多，克服了小图形制版的困难。消除了由于掩膜版图形线宽过小而产生的光衍射效应，以及掩膜版与硅片表面接触不平整而产生的光散射现象。,2020年6月3日6时9分,44,8.3光刻技术,投影式曝光虽有很多优点，但由于光刻设备中许多镜头需要特制，设备复杂,2020年6月3日6时9分,45,8.3光刻技术,假定要成像的是两个点光源，想把掩模版上的图像印制到光刻胶上。镜头的分辨率R计算（A和B的距离）：f：透镜到硅片的距离：能够进入镜头的衍射光的最大半角：波长n：物体和镜头之间的折射率,2020年6月3日6时9分,46,8.3光刻技术,实际上是镜头收集衍射光的能力的一种量度，ErnstAbbe利用了数值孔径NA描述该特性：sin大致可以用透镜的半径和透镜的焦长之比决定。,2020年6月3日6时9分,47,透镜收集衍射光,2020年6月3日6时9分,48,分辨率,Thedimensionsoflinewidthsandspacesmustbeequal.Asfeaturesizesdecrease,itismoredifficulttoseparatefeaturesfromeachother.,2020年6月3日6时9分,49,k1是一个常数(一般最小为0.6)，决定于光刻胶区分光强变化能力该式说明，取得好的图像分辨率的方法在于：短的曝光波长高数值孔径的透镜,例题,2020年6月3日6时9分,50,如果给定波长、数值孔径和工艺因子，就可以计算出一个光刻机的预期分辨率，比如,2020年6月3日6时9分,51,2020年6月3日6时9分,52,增加数值孔径,也就是增加透镜的半径,会使成本昂贵。焦深DOF的概念：焦点周围的一个范围，在这个范围内图像连续的保持清晰。,2020年6月3日6时9分,53,在光刻时，焦深应该可以穿越光刻胶层的上下表面。焦深计算公式：,2020年6月3日6时9分,54,结果：数值孔径增加，分辨率提高，但是焦深会减少。一般光刻机的焦深在1m,2020年6月3日6时9分,55,2020年6月3日6时9分,56,8.3光刻技术,三种形式光强比较,2020年6月3日6时9分,57,其他形式的光刻机,直接分步重复曝光分步重复曝光光学原理图：只投影一个曝光场，可能是晶圆上一个或多个芯片,2020年6月3日6时9分,58,分步重复曝光机,2020年6月3日6时9分,59,8.3光刻技术,三个独特的优点：（1）它是通过缩小投影系统成像的，因而可以提高分辨率。用这种方法曝光，分辨率可达到11.5微米；（2）不要1:1精缩掩膜，因而掩膜尺寸大，制作方便。由于使用了缩小透镜，原版上的尘埃、缺陷也相应的缩小，因而减小了原版缺陷的影响；（3）由于采用了逐步对准技术可补偿硅片尺寸的变化，提高了对准精度。逐步对准的方法也可以降低对硅片表面平整度的要求。,步进扫描光刻机,2020年6月3日6时9分,60,步进扫描光刻机,融合了扫描投影光刻机和分步重复光刻机优点：增大了曝光场，加工大尺寸晶圆可以调节聚焦能力，弥补透镜缺陷和硅片平整度不足,2020年6月3日6时9分,61,62,2020年6月3日6时9分,63,8.3光刻技术,X射线曝光（420埃）基本要求：一、材料的形变小，这样制成的图形尺寸及其相对位置的变化可以忽略。二、要求掩膜衬底材料透X光能力强，而在它上面制作微细图形的材料透X光能力差，这样在光刻胶上可获得分辨率高的光刻图形。,2020年6月3日6时9分,64,8.3光刻技术,X射线示意图P217,2020年6月3日6时9分,65,8.3光刻技术,电子束曝光电子束曝光的特点：电子束曝光的精度较高。电子束的斑点可以聚焦的很小，而且聚焦的景深很深，可用计算机控制，精度远比肉眼观察要高。电子束曝光改变光刻图形十分简便。电子束曝光机是把各次曝光图形用计算机设计图形就只要重新编程。电子束曝光设备复杂，成本较高,2020年6月3日6时9分,66,8.3光刻技术,电子束曝光,2020年6月3日6时9分,67,8.3光刻技术,深紫外线曝光“深紫外光”大致定义为180nm到330nm间的光谱能量。它进一步分为三个光带：200nm到260nm；260nm到285nm以及285nm到315nm。,2020年6月3日6时9分,68,8.3光刻技术,深紫外线曝光几种实用的光刻胶配方PMMA对210nm到260nm的紫外光有感光性，感光性最佳的紫外光光谱约为220nm；PMIK的紫外光感光光谱为220nm到330nm，峰值光谱约为190nm和285nm。AZ240系列光刻胶的感光光谱为240nm到310nm，峰值光谱约为248nm、300nm、315nm。ODVR系列光刻胶的感光光谱为200nm到315nm，峰值光谱为230nm、280nm、300nm。,2020年6月3日6时9分,69,8.3光刻技术,原理图,2020年6月3日6时9分,70,8.3光刻技术,远紫外光作为曝光方法通常有两种：对准曝光和泛光曝光。泛光曝光：该工艺又被称为“多层抗蚀剂技术”，它同时使用深紫外光和标准紫外光的抗蚀剂。深紫外光的抗蚀剂直接被甩到晶片上，填满所有的空隙，留下平坦的表面。然后在上面甩上