第二章 光学曝光技术(2)

1、第二章第二章 光学曝光技术光学曝光技术 u 光学曝光的工艺过程光学曝光的工艺过程 u 光学曝光的方式和原理光学曝光的方式和原理 u 光刻胶的特性光刻胶的特性 u 光学掩膜的设计与制造光学掩膜的设计与制造 u 短波长曝光技术短波长曝光技术 u 大数值孔径与浸没式曝光技术大数值孔径与浸没式曝光技术 u 光学曝光分辨率增强技术光学曝光分辨率增强技术 u 光学曝光的计算机模拟技术光学曝光的计算机模拟技术 u 其它光学曝光技术其它光学曝光技术 u 厚胶曝光技术厚胶曝光技术 u LIGA技术技术 东南大学东南大学 南京南京 MEMS 教育部重点实验室教育部重点实验室 最大限度提高半导体制造商最大限度提高半

2、导体制造商 对现有曝光机的利用率，实对现有曝光机的利用率，实 现对光刻工艺战略的快速定现对光刻工艺战略的快速定 义并认证，从而缩短进入市义并认证，从而缩短进入市 场的时间；场的时间； 缩短量产化进程缩短量产化进程 ，对光刻结，对光刻结 果提供可靠的预测能够对光果提供可靠的预测能够对光 刻过程，结构设计及掩模进刻过程，结构设计及掩模进 行校正；行校正； 提高生产率和增加收益提高生产率和增加收益 ，减，减 少暇疵提高，缩小少暇疵提高，缩小IC设计与设计与 成品之间的差距。成品之间的差距。 部分相干光成像理论部分相干光成像理论对于大数值孔径的光学曝光系统，需考对于大数值孔径的光学曝光系统，需考 虑光

3、波的矢量虑光波的矢量 效应，通过求解三维完全电磁方程的方法来计算曝。效应，通过求解三维完全电磁方程的方法来计算曝。有些软件以标量衍射理论有些软件以标量衍射理论 计算投影式曝光的光强分布。计算投影式曝光的光强分布。 以以Dill方程计算光刻胶的曝光过程，以方程计算光刻胶的曝光过程，以Dill模型或模型或Mack模型来计算光刻胶的显影模型来计算光刻胶的显影 过程。过程。 SIGMA-C（SOLID-C） PROLITH（ KLA-Tencor） SAMPLE（Berkeley） 光光 刻刻 过过 程程 及及 其其 模模 拟拟 模模 型型 模拟的目的是找出最佳的工艺条件和曝光条件，找出最佳的掩模设计

4、方案。模拟的目的是找出最佳的工艺条件和曝光条件，找出最佳的掩模设计方案。 光学曝光质量的光学曝光质量的比较的标准比较的标准：比较光学像：比较光学像;:比较显影后的光刻胶图形。比较显影后的光刻胶图形。 ：比较光学像：比较光学像光学像的比较主要是比较像分布的对比度和焦深。比较光学像可光学像的比较主要是比较像分布的对比度和焦深。比较光学像可 排除光刻胶及具体工艺条件的影响，直接对光学系统和掩模系统进行评价。是一种排除光刻胶及具体工艺条件的影响，直接对光学系统和掩模系统进行评价。是一种 定性的评价。定性的评价。 :比较显影后的光刻胶图形比较显影后的光刻胶图形对某一种光刻胶比较曝光剂量和散焦对图形关键尺

5、寸对某一种光刻胶比较曝光剂量和散焦对图形关键尺寸 CD的影响。的影响。 （1） 驻波效应；驻波效应； （2） CD随散焦量和曝光剂量的变化。随散焦量和曝光剂量的变化。 第二章第二章 光学曝光技术光学曝光技术 u 光学曝光的工艺过程光学曝光的工艺过程 u 光学曝光的方式和原理光学曝光的方式和原理 u 光刻胶的特性光刻胶的特性 u 光学掩膜的设计与制造光学掩膜的设计与制造 u 短波长曝光技术短波长曝光技术 u 大数值孔径与浸没式曝光技术大数值孔径与浸没式曝光技术 u 光学曝光分辨率增强技术光学曝光分辨率增强技术 u 光学曝光的计算机模拟技术光学曝光的计算机模拟技术 u 其它光学曝光技术其它光学曝光

6、技术 u 厚胶曝光技术厚胶曝光技术 u LIGA技术技术 东南大学东南大学 南京南京 MEMS 教育部重点实验室教育部重点实验室 无掩膜光刻技术的两大研究方向为光学无掩模光刻（Optical Maskless Lithography）和带电粒子无掩膜光刻（Charged Particle Maskless Lithography）。 光学无掩膜技术是从传统的光学光刻机 构造发展而来的，最大的不同是掩膜版 被一排光调制器（DMD，Digital Micro- mirror Device，数字微镜阵列）取代， 通过实时控制制作出需要的图形。 最大的优点就是降低了掩模的成本。由 于采用了无掩模光刻工

7、具，可以根据所 需制造芯片结构的变化而做出相应的改 变，不需针对每一种芯片专门制造一套 掩模。 总体生产率仍较低，光束校正确认、套 准误差控制、光束的选择、分辨力的延 展性以及光束调节器等 投影式曝光适用于大规模生产，但由于其设备过于昂贵，并不投影式曝光适用于大规模生产，但由于其设备过于昂贵，并不 适用于科学研究，故开发了一系列的低成本曝光技术，同样可适用于科学研究，故开发了一系列的低成本曝光技术，同样可 以获得以获得100nm以下的曝光能力。以下的曝光能力。 干涉光学曝光技术又叫作“全 息曝光”。 实现干涉光学曝光技术的关键是要 获得具有较好的空间和时间相干性 的相干光，为了实现这一目的，通

8、 常需要特制的相位光栅调制来获得 干涉光分布。 干涉光学曝光技术的优点：设备简 单；不需要光学掩模不需要光学掩模。 缺点：只能形成二维平面周期分布 的线条图形。 提高曝光分辨率的方法：调整曝光 光刻胶的曝光阈值；采用浸没式曝 光。 干涉光学曝光技术原理示意图 灰度曝光技术制造准三维浮雕结构的光学曝光技术，可以产生曲面的光刻胶剖 面。传统掩膜板只有透光区和不透光区，而灰度掩膜板的透光率则是以灰度等级来 表示的。一般实现灰度掩膜板有下列几种方法：改变透光点的大小；改变透光点的 数目；将灰度区划分为许多单元。 注意：注意： （1）单纯按剖面高度分布函数来确定灰度掩模并不能得到预想的光刻胶剖面，还 必

9、须考虑各种成像的非线性因素，对掩模的灰度加以校正。 （2）并非所有的光刻胶都可以用于灰度曝光。光刻胶要具有较大的黏度；光刻胶 要具有比较低的对比度；光刻胶的抗蚀比尽量与衬底材料接近。 EUV是目前距实用话最近的一种深亚微米的光刻技术。是目前距实用话最近的一种深亚微米的光刻技术。 他仍然采用前面提到的他仍然采用前面提到的分步投影光刻系统分步投影光刻系统，只是改变，只是改变光源的光源的 波长波长，即采用波长更短的，即采用波长更短的远紫外线远紫外线。采用的。采用的EUV进行光刻的进行光刻的 主要难点是主要难点是很难找到合适的制作掩膜版的材料和光学系统很难找到合适的制作掩膜版的材料和光学系统。 EUV

10、光刻技术光刻技术 EUV极端远紫外光所处的位置极端远紫外光所处的位置 上图中，我们可以明确看到上图中，我们可以明确看到EUV极端远紫外光在光谱中的位置，极端远紫外光在光谱中的位置， 这是一种波长极短的光刻技术，其曝光波长大约为这是一种波长极短的光刻技术，其曝光波长大约为13.5nm。按。按 照目前理论上认为的波长与蚀刻精度关系，照目前理论上认为的波长与蚀刻精度关系，EUV技术能够技术能够蚀刻蚀刻 出出5nm以下工艺以下工艺的晶体管的晶体管。 虽然业界一再强调虽然业界一再强调EUV的技术的技术,我们有理由相信，我们有理由相信，EUV （极端远紫外光刻极端远紫外光刻）将是未来纳米级光刻技术的主流工

11、艺，）将是未来纳米级光刻技术的主流工艺， 而一直沉默不语的而一直沉默不语的Intel是否已经使用了这种技术呢？是否已经使用了这种技术呢？ Intel巨资开发的巨资开发的Intels Micro Exposure Tool（MET） IMEC开发的开发的EUV alpha demonstration tool 台积电公司订购台积电公司订购ASML公司极紫外光公司极紫外光 刻系统刻系统Twinscan NXE3100 Intel应用应用EUV技术技术获得的一些实验结果获得的一些实验结果 第二章第二章 光学曝光技术光学曝光技术 u 光学曝光的工艺过程光学曝光的工艺过程 u 光学曝光的方式和原理光学曝

12、光的方式和原理 u 光刻胶的特性光刻胶的特性 u 光学掩膜的设计与制造光学掩膜的设计与制造 u 短波长曝光技术短波长曝光技术 u 大数值孔径与浸没式曝光技术大数值孔径与浸没式曝光技术 u 光学曝光分辨率增强技术光学曝光分辨率增强技术 u 光学曝光的计算机模拟技术光学曝光的计算机模拟技术 u 其它光学曝光技术其它光学曝光技术 u 厚胶曝光技术厚胶曝光技术 u LIGA技术技术 东南大学东南大学 南京南京 MEMS 教育部重点实验室教育部重点实验室 超大规模集成电路加工追求的是光学曝光的极限分辨率，而微超大规模集成电路加工追求的是光学曝光的极限分辨率，而微 系统或微机电系统追求的是光学曝光的另一个

13、极端系统或微机电系统追求的是光学曝光的另一个极端超厚胶超厚胶 曝光。曝光。 正胶，如正胶，如AZ4000，AZ9000等传统光刻胶（酚醛清漆）；等传统光刻胶（酚醛清漆）； 负胶，如负胶，如SU-8胶（环氧树脂）等。胶（环氧树脂）等。 SU-8胶对近紫外波段（350400nm）光吸收度低，因而容易得到具有垂直侧壁 和高深宽比的图形。通过高粘度胶和低转速甩胶相配合可以获得厚胶层，但其厚 度一般只有500m，为了获得500m1mm的厚度，只能采用滩涂方法。对于 1mm以上的超厚胶层，可以采用多次滩涂法或刮涂法。 SU-8胶的缺点是去胶困难胶的缺点是去胶困难。 第二章第二章 光学曝光技术光学曝光技术

14、u 光学曝光的工艺过程光学曝光的工艺过程 u 光学曝光的方式和原理光学曝光的方式和原理 u 光刻胶的特性光刻胶的特性 u 光学掩膜的设计与制造光学掩膜的设计与制造 u 短波长曝光技术短波长曝光技术 u 大数值孔径与浸没式曝光技术大数值孔径与浸没式曝光技术 u 光学曝光分辨率增强技术光学曝光分辨率增强技术 u 光学曝光的计算机模拟技术光学曝光的计算机模拟技术 u 其它光学曝光技术其它光学曝光技术 u 厚胶曝光技术厚胶曝光技术 u LIGA技术技术 东南大学东南大学 南京南京 MEMS 教育部重点实验室教育部重点实验室 LIGA一词来源于德语Lithographie, Galvanoformung

15、 和Abformung 三个词语的缩写, 表示深层光刻、电 铸、注塑三种技术的有机结合。 20世纪60年代初, 德国的Karlsruhe原子能研究中心 致力于开发一项技术, 即用气体弯曲喷射的离心力 方法处理六氟化铀和轻的辅助气体, 从而分离出铀 同位素。为了提高这个方法的效率, 需要将分离喷 嘴的相关结构尺寸缩小到几个微米的尺度, 这促使 了LIGA技术的开发研究。 研究背景： LIGA技术技术 LIGA技术的典型工艺流程图： LIGA 技术标准工艺 LIGA技术的四大工艺组成： LIGA掩模板制造工艺 X光深层光刻工艺 微电铸工艺 微复制工艺 LIGA掩模板制造工艺 LIGA 技术的第一步

16、是制造LIGA专用的X光掩 模板，LIGA掩模板必须有选择地透过和阻挡 X光。一般的紫外光掩模板不适合做LIGA掩 模板。 由于LIGA掩模板要求阻挡层的侧壁垂直，用 普通的微加工工艺无法达到，所以LIGA 掩 模板需要用LIGA技术来完成。 LIAG掩模版的X光透光薄膜材料的性能及其优缺点 材料BeCSiTi X光透光性 +- 可见光透光性 _+0_ 表面质量 +-+ 化学稳定性 0+0 无毒性 _+ LIAG掩模版的X光阻挡层材料的性能及其优缺点 材料AuWTaPt X光吸收性 + 电敏性 +_- 反应离子刻蚀 -+_ 热膨胀系数匹配 Be+-+ C_+- Ti+_+ X光深层光刻工艺 L

17、IGA技术的第二步是X光深层光刻工艺，该 工艺需平行的X光光源，由于需要曝光的光 刻胶的厚度要达到几百微米，用一般的X光 光源需要很长的的曝光时间，而同步辐射X 光光源不仅能提供平行的X光，而且强度是 普通X光的几十万倍，这样就可以大大缩短 曝光时间。 最佳波长0.2nm0.8nm 显影和电镀 微电铸工艺 微电铸的原理是在电压的作用下，阳 极的金属失去电子，变成金属离子进入 电铸液，金属离子在阴极获得电子，沉 积在阴极上。 当阴极的金属表面有一层光刻胶图形时 ，金属只能沉积到光刻胶的空隙中，形 成与光刻胶相对应的金属微结构。 微复制工艺 由于同步辐射X光深层光刻代价较高， 无法进行大批量生产，

18、所以LIGA技术的 产业化只有通过微复制技术来实现。 方式：注塑成型和模压成型 注塑成型适用于塑料产品的批量生产 模压成型适用于金属产品的批量生产 微复制 深X-射线光刻的光刻胶性质 性质PMMAPOMPASPMIPLG 敏感性 差好非常好一般一般 分辨率 很好一般很差好很好 侧壁光滑性很好很差很差好很好 耐强腐蚀 差很好好很差很好 在基底地 粘附性能 好好好差好 微齿轮（sandia 国家实验室） LIGA技术应用 LIGA技术的优点: ( 1) 深宽比大, 准确度高。所加工的图形准确度小于 0. 5微米, 表面粗糙度仅10nm, 侧壁垂直度89. 9, 纵向高度可500微米以上; ( 2)

19、 用材广泛。从塑料( PMMA、聚甲醛、聚酰胺、 聚碳酸酯等) 到金属( Au, Ag, Ni, Cu) 到陶瓷( ZnO2) 等, 都可以用LIGA技术实现三维微结构; ( 3) 由于采用微复制技术, 可降低成本, 进行批量生 产。 LIGA的缺点： （1）成本昂贵（X光源需要昂贵的加速器） （2）用于X光光刻的掩膜板本身就是3D微结构，复 杂，周期长 u X射线衍射与光电子散射效应； u 同步辐射光源（硬X射线）的发散效应; u 吸收层图形的非陡直边壁效应; u 掩模畸变效应; u 衬底材料的二次电子效应。 影响影响X射线射线LIGA图形精度的因素图形精度的因素 准准LIGA技术技术 1.

20、UV-LIGA紫外光源对光刻胶曝光, 光源来自于汞灯, 所用的掩膜板 是简单的铬掩膜板。其原理步骤如图所示。对于UV-LIGA适用光刻胶较 多的是SU-8胶。 掩模板掩模板 SU-8胶胶 基底基底 SU-8胶胶 紫外光紫外光 IBM公司研发的SU-8胶是一种负性胶, 即曝光时, 胶中含有的少量光催化剂( PAG) 发生化学反应, 产生一种强酸, 能使SU-8胶发生热交联。SU-8 胶具有高的热稳定性、化学稳定性和良好的力 学性能, 在近紫外光范围内光吸收度低, 整个光 刻胶层可获得均匀一致的曝光量。 SU-8胶 优点：形成图形结构复杂、深宽比大、侧壁陡峭 的微结构。SU-8胶在X光辐照下无膨胀

21、、龟裂等 现象，对X光的灵敏度比PMMA高几百倍。 缺点：是存在张应力,以及烘烤量大时在工艺的后 段难以除去。 烘烤温度和时间取决于光刻胶的厚度。但是为了获得无龟裂的 光刻胶,其温度一般不能超过120 紫外光曝光SU-8胶得到的光刻胶图形照片 2. M2LIGA技术 为了控制微结构的侧壁倾斜度，便于形成具有不 同倾斜度的斜面、锯齿、圆锥或圆台等微结构,日 本科研人员在 1999年提了M2LIGA技术。该技术 用移动掩模X光深度光刻代替了常规的静止掩模X 光深度光刻。 在光刻时X光掩模不是固定不动,而 是沿着与光刻胶基片平行的方向移动或转动。 改变掩模图形、掩模运动轨迹和速度，就可以形 成各种不同的微结构。 M2LIGA技术实验结果图 3. 多次曝光技术多次曝光技术 可以产生复杂的可以产生复杂的3-D3-D结构结构 ( (采用采用 +/- +/- 胶胶) ) 厚胶厚胶UV光刻工艺（光刻工艺（UV-LIGA）模拟技术）模拟技术 Initial conditions and p