西安交通大学微电子制造技术第十四章光刻

微电子制造技术

第14章

光刻：对准和曝光

西安交通大学微电子制造技术第十四章光刻共40页，您现在浏览的是第1页!概述对准就是把所需图形在硅片表面上定位或对准。而曝光是通过曝光灯或其它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。因为最终的图形是用多个掩膜版按照特定的顺序在晶园表面一层一层叠加建立起来的。图形定位的要求就好像是一幢建筑物每一层之间所要求的正确对准。如果每一次的定位不准，将会导致成品率下降或者整个电路失效。

西安交通大学微电子制造技术第十四章光刻共40页，您现在浏览的是第2页!掩膜版上设计的每一层图形都有一个特殊功能，如接触孔、MOS的源漏区或金属线等，光刻过程中掩膜版把这些图形彼此套准来制成硅片上的器件或电路。版图套准过程有对准规范，就是前面提出的套准容差。怎样精确地把亚微米尺寸套准，对光学光刻提出了特殊的对准挑战。西安交通大学微电子制造技术第十四章光刻共40页，您现在浏览的是第3页!单视场曝光，包括：聚焦、对准、曝光、步进和重复过程UV光源投影掩膜版（在投影掩膜版视场内可能包含一个或多个芯片）快门承片台在X,Y,Z,q方向控制硅片的位置投影透镜（缩小的投影掩膜版的视场到硅片表面）快门在聚焦和对准过程中闭合，而在曝光过程中打开对准曝光Figure14.1掩模版图型转移到光刻胶上西安交通大学微电子制造技术第十四章光刻共40页，您现在浏览的是第4页!4)多晶硅栅刻蚀1)STI刻蚀2)P-阱注入3)N-阱注入8)金属刻蚀5)N+S/D注入6)P+S/D注入7)氧化层接触刻蚀Figure14.2投影掩膜版的分解图

西安交通大学微电子制造技术第十四章光刻共40页，您现在浏览的是第5页!光的实质就是电磁波，光也能辐射能量。这两个描述反映了光的波粒两相性的本质。因此可以用波长（λ）和频率（ƒ）来描述。这两者的关系如图14.3所示，其中υ是光的速度。l=vf激光器v=光的速度,3E108m/secf=以Hz为单位的频率(每秒周期)l=波长，频率对应周期的物理长度，以米为单位Figure14.3光的波长和频率

西安交通大学微电子制造技术第十四章光刻共40页，您现在浏览的是第6页!光学滤波器滤光器利用光的干涉阻止不需要的入射光，通过反射或干涉来获得一个特定波长的波（见图14.5）二次反射

(干涉)涂层1(不反射)涂层3玻璃涂层2被反射的波长透射的波长宽带光Figure14.5光学滤波

西安交通大学微电子制造技术第十四章光刻共40页，您现在浏览的是第7页!曝光光源在光刻胶曝光过程中，是通过光刻胶材料发生光化学反应来转移掩膜版的图形，而且必须在最短的时间内完成，同时要求在批量生产中是可重复的。紫外光用于光刻胶的曝光是因为光刻胶材料与这个特定波长的光反应满足上述要求。因为较短的波长可以获得光刻胶上较小尺寸的分辨率。所以现今最常用光学光刻的两种紫外光源是：汞灯和准分之激光。除此之外其它用于先进的或特殊应用的光刻胶曝光有X射线、电子束和离子束。

西安交通大学微电子制造技术第十四章光刻共40页，您现在浏览的是第8页!Table14.2汞灯的强度峰

西安交通大学微电子制造技术第十四章光刻共40页，您现在浏览的是第9页!准分子激光激光光源用于光学光刻是因为它们可以在248nm深紫外以及以下波长提供较大光强。而汞灯在这些波长发射效率很低。迄今惟一用于光学曝光的激光光源是准分子(由两个相同原子构成的分子)激光，准分子是不稳定分子，由惰性气体原子和卤素构成，例如氟化氩、氟化克（ArF、KrF）。通常用于深紫外光刻胶的准分子激光器是波长248nm的氟化氪（KrF）激光器，其功率范围是10～20W，频率1KHz。这种激光器产生的高能脉冲辐射光能可对光刻胶曝光。表14.3突出了光刻中用于硅片制造的准分子激光器。西安交通大学微电子制造技术第十四章光刻共40页，您现在浏览的是第10页!光学系统光的反射光的折射透镜衍射数值孔径抗反射涂层

西安交通大学微电子制造技术第十四章光刻共40页，您现在浏览的是第11页!多晶硅SubstrateSTISTIUV曝光光线掩膜版被曝光的光刻胶未被曝光的光刻胶Notchedphotoresist边缘衍射表面反射Figure14.22光反射引起的光刻胶反射切口西安交通大学微电子制造技术第十四章光刻共40页，您现在浏览的是第12页!BARCPolysiliconSubstrateSTISTIUV曝光光线MaskExposedphotoresist未被曝光的光刻胶Figure14.25通过底部抗反射涂层的光抑制西安交通大学微电子制造技术第十四章光刻共40页，您现在浏览的是第13页!线宽和间距的尺寸必须相等，随着特征尺寸的减小，要将特征图形彼此分开更困难Figure14.28器件的分辨率

西安交通大学微电子制造技术第十四章光刻共40页，您现在浏览的是第14页!根据生产时期的不同，光刻设备可以分为五代。每一代都有代表性的光刻设备，具体如下：接触式光刻机接近式光刻机扫描投影光刻机步进重复光刻机步进扫描光刻机

西安交通大学微电子制造技术第十四章光刻共40页，您现在浏览的是第15页!UVMask边缘的光衍射造成从掩膜版下侧反射引起的不希望的光刻胶曝光UV曝光光线Substrate光刻胶衍射和反射光间隙掩膜版衬底Figure14.33接近式光刻胶上的衍射和表面反射西安交通大学微电子制造技术第十四章光刻共40页，您现在浏览的是第16页!Figure14.35分步重复光刻机西安交通大学微电子制造技术第十四章光刻共40页，您现在浏览的是第17页!5:1lensUVUV步进和扫描像场扫描分步重复光刻机像场(单次曝光)4:1lens投影掩膜版投影掩膜版扫描扫描WaferWafer步进方向Figure14.37步进扫描光刻机的硅片曝光场西安交通大学微电子制造技术第十四章光刻共40页，您现在浏览的是第18页!Table14.6投影掩膜版和掩膜版的比较

西安交通大学微电子制造技术第十四章光刻共40页，您现在浏览的是第19页!对准为了成功地在硅片上复印图形，必须把硅片上的图形正确地与投影掩膜版上的图形对准。只有每个投影的图形都能正确地和硅片上的图形匹配，才能实现集成电路相应的功能。对准就是确定硅片上图形的位置、方向和变形的过程，然后利用这些数据与投影掩膜版图形建立起正确的关系。对准必须快速、重复和精确，对准过程的结果，或者每个连续的图形与先前层匹配的精度，被称作套准。套准精度是测量对准系统把版图套准到硅片上图形的能力。套准容差描述将要形成的图形层和前层图形的最大相对位移（见图14.46）。一般而言，套准容差大约是关键尺寸的1/3。对于0.15µm的设计规测，套准容差大约为50nm

西安交通大学微电子制造技术第十四章光刻共40页，您现在浏览的是第20页!对准标记对准标记置于投影掩膜版和硅片上，用来确定它们的位置和方向的可见图形。投影掩膜版的对准标记（RA）在投影掩膜版的左右两侧，用于和安装在步进光刻机身上的基准标记对准。整场对准标记（GA）在次曝光时被光刻在硅片左右两边，用于每个硅片的粗对准。精对准标记（FA）是在每个场曝光时被光刻的。精对准标记用于每个硅片曝光场和投影掩膜版上的对准调节。西安交通大学微电子制造技术第十四章光刻共40页，您现在浏览的是第21页!学习目标1. 解释光刻中对准和曝光的目的；2. 描述光刻中光的特性及光源的重要性；3. 了解光学系统对光刻工艺的重要性；解释分辨率，说明它对光刻的重要性；了解光刻中获得精确对准的方法。西安交通大学微电子制造技术第十四章光刻共40页，您现在浏览的是第22页!顶视图12345768剖面图Figure14.2CMOS剖面和投影掩膜版的顶视图

西安交通大学微电子制造技术第十四章光刻共40页，您现在浏览的是第23页!光学曝光在曝光过程中，从光源发出的光通过对准的掩膜版（版上有黑白分明的区域，这些区域形成了要转移到硅片表面的图形）对涂胶的硅片曝光。曝光的目的就是要把掩膜版上的图形精确地复制到涂胶的硅片上。曝光的一个方面是在所有其它条件相同时，曝光光线波长越短能曝出的特征尺寸就越小。此外，曝光的光线必须具有一定的能量，以便对光刻胶产生光化学反应。为了提高曝光质量，光必须均匀地分配到整个曝光区域。为了获得精细光刻的关键尺寸，光刻需要在短波长下进行强曝光。

西安交通大学微电子制造技术第十四章光刻共40页，您现在浏览的是第24页!波的干涉

波本质上是正弦曲线。任何形式的正弦波只要有相同的频率就能相互干涉。有两种类型的干涉基于波是否有相同的相位（见下图）。ABA+B同相位波不同相位波相长干涉相消干涉Figure14.4

西安交通大学微电子制造技术第十四章光刻共40页，您现在浏览的是第25页!整个可见和不可见的电磁波被称作电磁波谱，它由从极短到极长波长的各种辐射能组成。

黄光和红光因为它处在可见光区含极少紫外光，因此不会影响光刻胶。所以光刻区的照明通常使用黄光或红光。13（极紫外）l(nm)700455060065050045040035030025020015010050紫外光谱可见光谱（白光）汞灯准分之激光光刻光源ghi365405248193436157126紫红蓝绿黄橙Mid-UVEUVDUVVUVFigure14.6电磁波谱西安交通大学微电子制造技术第十四章光刻共40页，您现在浏览的是第26页!120100806040200200 300 400 500 600波长(nm)相对强渡(%)h-line405nmg-line436nmi-line365nmDUV248nm高强度汞灯的发射光谱Figure14.7典型的高压汞灯的发射光谱

西安交通大学微电子制造技术第十四章光刻共40页，您现在浏览的是第27页!通过表14.2可以看出，要得到0.25µm以下的特征尺寸，对应的光源波长应该是小于248nm的深紫外（DUV）光，但是从图14.7可以看出，248nm的深紫外发射是365nm的I线发射强度的1/5。照在硅片表面上光的能量（mJ/cm2）是光强(功率)和时间的乘积。所以光刻胶在248nm下曝光要得到相同的效果，就需要5倍的曝光时间，显然这是光刻工艺不能接受的。因此既要得到小的特征尺寸还要短的曝光时间，就必须改变光刻胶的性质或者使用具有较高功率的光源。这就是发展化学放大深紫外光刻胶和具有较高功率的激光光源的原因。西安交通大学微电子制造技术第十四章光刻共40页，您现在浏览的是第28页!Table14.3半导体光刻中使用的准分之激光器

西安交通大学微电子制造技术第十四章光刻共40页，您现在浏览的是第29页!抗反射涂层由于光刻胶下面需要刻蚀的底层膜(金属、多晶硅、氧化硅、氮化硅等)和光刻胶的材料不近相同，正是由于入射光的反射作用，所以就有入射光透过光刻胶抵达底层膜而造成反射光。反射光有可能损害邻近不需要曝光的光刻胶。这个损害能够对线宽控制产生不利影响。

两种最主要的光反射问题是反射切口和驻波。在刻蚀形成的垂直侧墙表面，反射光进入不需要曝光的光刻胶中就会形成反射切口(见图14.22)。可以把一种抗反射涂层(ARC)直接用于反射材料的表面来减小光刻胶的驻波效应(见图14.24)。使用最新的抗反射涂层能够减少99％的衬底反射。西安交通大学微电子制造技术第十四章光刻共40页，您现在浏览的是第30页!使用抗反射涂层、着色和滤光片能帮助防止干涉入射波抗反射涂层PhotoresistFilmSubstrateFigure14.24用抗反射涂层阻止驻波西安交通大学微电子制造技术第十四章光刻共40页，您现在浏览的是第31页!分辨率在光刻中，分辨率被定义为清晰分辩出硅片上间隔很近的特征图形的能力（例如相等的线条和间距）。这种性质显示在图14.28中。在先进的半导体制造中，获得高集成度器件分辨率很关键。分辨率对任何光学系统都是一个很重要的参数，并且对光刻非常关键。因为我们需要在硅片上制造出亚微米级的器件尺寸。

西安交通大学微电子制造技术第十四章光刻共40页，您现在浏览的是第32页!光刻设备

现代光刻设备以光学光刻为基础，它利用光学系统把掩膜版上的图形精确地投影、曝光到涂过光刻胶的硅片上。基本上包括一个紫外光源、一个光学系统、一个对准系统和一个掩膜版。光学光刻的关键设备是分步重复光刻机（也称步进光刻机）。它把掩膜版上的图形与涂胶硅片进行对准，而后从一点到另一点逐场曝光。在光学光刻中，步进光刻机有三个基本目标：1.使硅片表面和石英掩膜版对准并聚焦。2.通过对光刻胶曝光，把掩膜版上的图形复制到硅片上。3.在单位时间内生产足够多的符合产品质量规格的硅片。西安交通大学微电子制造技术第十四章光刻共40页，您现在浏览的是第33页!反光装置对准显微镜掩膜版硅片真空吸盘承掩膜版台(X,Y,Z,q)

承片台

(X,Y,Z,q)

汞灯Figure14.32接触/接近式光刻系统西安交通大学微电子制造技术第十四章光刻共40页，您现在浏览的是第34页!掩膜版硅片汞灯照明装置投影光学组件扫描方式曝光光线(UV狭缝逐渐扫描过整个掩膜版视场到硅片上)Figure14.34扫描式投影光刻机西安交通大学微电子制造技术第十四章光刻共40页，您现在浏览的是第35页!UVlight投影掩膜版尺寸20mm×15mm,每场4个芯片5:1缩小透镜硅片图形曝光在硅片上是投影掩膜版视场的4mm×3mm,每次曝光4个芯片曲折的步进图形Figure14.36步进光刻机的曝光场西安交通大学微电子制造技术第十四章光刻共40页，您现在浏览的是第36页!投影掩膜版投影掩膜版上只包括硅片上一部分图形，这个图形必须通过分步重复来覆盖整个硅片表面。在硅片制造过程中投影掩膜版用于分步重复光刻机和步进扫描光刻机。而掩膜版则包含了整个硅片的芯片阵列，可通过一次曝光完成图形转印（1:1图形转印），用于较老的接近式光刻机和扫描对准投影机中。表14.6把投影掩膜版和掩膜版做了比较。可以帮助我们了解光刻工业把掩膜版改成投影掩膜版的原因。

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