光学曝光技术

关于光学曝光技术光刻工艺的基本要素光源(lightsources)曝光系统(exposuresystem)光刻胶(photoresist)能量(光源):引起光刻胶化学反应，改变光刻胶溶解速率；掩膜版(mask):对光进行掩膜，在光刻胶上制造掩膜版的图形；对准系统(Aligner):在硅片上把掩膜版和以前的图形对准；光刻胶(Resist):把图形从掩膜版转移到硅片；衬底(substrate)：具有以前的掩膜版图形。第2页,共50页，2024年2月25日，星期天光刻工艺的基本流程第3页,共50页，2024年2月25日，星期天第二章光学曝光技术光学曝光的工艺过程光学曝光的方式和原理光刻胶的特性光学掩膜的设计与制造短波长曝光技术大数值孔径与浸没式曝光技术光学曝光分辨率增强技术光学曝光的计算机模拟技术其它光学曝光技术厚胶曝光技术LIGA技术东南大学·南京

MEMS教育部重点实验室第4页,共50页，2024年2月25日，星期天（1）接触式光学曝光技术东南大学·南京

MEMS教育部重点实验室

优点：设备简单，分辨率高（约1μm）。缺点：掩模寿命短（10~20次），硅片上图形缺陷多，光刻成品率低。第5页,共50页，2024年2月25日，星期天（2）接近式光学曝光技术东南大学·南京

MEMS教育部重点实验室优点：掩模寿命长（可提高10倍以上），图形缺陷少。缺点：衍射效应使分辨率下降。第6页,共50页，2024年2月25日，星期天（3）投影式光学曝光技术投影式曝光的优点：掩模寿命长。可以在不十分平整的大晶片上获得高分辨率的图形。掩模尺寸远大于芯片尺寸，使掩模制造简单，可减少掩模上的缺陷对芯片成品率的影响。投影式曝光的缺点：设备复杂、昂贵，曝光效率低。步进式投影光刻投影式光刻第7页,共50页，2024年2月25日，星期天光刻工艺的相关光学基础光在空间中以电磁波的形式传播当物体的尺寸远大于波长时，把光作为粒子来处理当物体的尺寸和波长可比拟时，要考虑光的波动性－衍射光的衍射效应光的衍射影响分辨率，决定分辨率极限：第8页,共50页，2024年2月25日，星期天如果想在像平面(如光刻胶）对小孔进行成像，可以用透镜收集光并聚焦到像平面第9页,共50页，2024年2月25日，星期天数值孔径(NumericalApertureNA)光学系统的数值孔径描述透镜收集光的能力

n是透镜到硅片间介质的折射率，对空气而言为1分辨率第10页,共50页，2024年2月25日，星期天分辨率-Resolution

K1是一个独立于光学成像的因子，取决于光刻系统和光刻胶的性质等其它因素一般来说，最小线宽K1＝0.6~0.8第11页,共50页，2024年2月25日，星期天

然而采用高数值孔径的光学系统(大透镜），会使景深变差第12页,共50页，2024年2月25日，星期天

焦深（DoF）焦深就是聚焦深度（DepthofFocus），它是指沿着光通路，圆片可以移动而依然保持图形聚焦清晰的移动距离。对于投影系统，焦深由下式给出：k2+-光刻胶膜焦深焦平面透镜焦点是沿透镜中心出现最佳图像的点，焦深是焦点上面和下面的一个范围。焦点可能不是正好在光刻胶层的中心，但是焦深应该穿越光刻胶层上下表面。第13页,共50页，2024年2月25日，星期天NGL:X射线(5Å)，电子束(0.62Å)，离子束(0.12Å)光源波长

(nm)术语技术节点汞灯436g线>0.5mm汞灯365i线0.5/0.35mmKrF(激光)248DUV0.25/0.13mmArF(激光)193193DUV90/65…32nmF2(激光)157VUVCaF2lenses激光激发Xe等离子体13.5EUVReflectivemirrors光源第14页,共50页，2024年2月25日，星期天第二章光学曝光技术光学曝光的工艺过程光学曝光的方式和原理光刻胶的特性光学掩膜的设计与制造短波长曝光技术大数值孔径与浸没式曝光技术光学曝光分辨率增强技术光学曝光的计算机模拟技术其它光学曝光技术厚胶曝光技术LIGA技术东南大学·南京

MEMS教育部重点实验室第15页,共50页，2024年2月25日，星期天光刻胶基本成分

光学曝光过程中，为了将掩模上的图形转移到圆片上，辐照必须作用在光敏物质上，该光敏物质必须通过光照，改变材料性质，使在完成光刻工艺后，达到转移图形的目的。该光敏物质称为光刻胶。东南大学·南京

MEMS教育部重点实验室光刻胶基本成分组成：（1）树脂（Resin）（2）感光剂（PAC）（3）溶剂（Solvent）（4）添加剂（Additive）第16页,共50页，2024年2月25日，星期天树脂（Resin）：光刻胶中的基体材料，是一种对光敏感的高分子化合物，当它受适当波长的光照射后，就能吸收一定波长的光能量，发生交联、聚合或分解等光化学反应，使光刻胶改变性质。感光剂（PAC，photoactivecompound)：在曝光前作为抑制剂（inhibitor），降低光刻胶在显影液中的溶解速度，而在暴露于光线时有化学反应发生，使抑制剂变成了感光剂，增加了胶的溶解性（正胶），或产生交联催化剂，使树脂交联，降低胶的溶解性（负胶）。溶剂（solvent）：使光刻胶保持液体状态。绝大多数的溶剂在曝光前挥发除去，对光刻胶的化学性质几乎没有什么影响。添加剂（additive）：用来控制和改变光刻胶材料的特定化学性质或光刻胶材料的光响应特性，也包括控制光刻胶反射率的染色剂。第17页,共50页，2024年2月25日，星期天凡是在能量束（光束、电子束、离子束等）的照射下，以交联反应为主的光刻胶称为负性光刻胶，简称负胶。凡是在能量束（光束、电子束、离子束等）的照射下，以降解反应为主的光刻胶称为正性光刻胶，简称正胶。光刻胶是长链聚合物正胶在感光时，曝光对聚合物起断链作用，使长链变短，使聚合物更容易在显影液中溶解。负胶在曝光后，使聚合物发生交联，在显影液中溶解变慢。光刻胶类型第18页,共50页，2024年2月25日，星期天正胶IC主导负胶第19页,共50页，2024年2月25日，星期天1、灵敏度:光刻胶通过显影完全被清除所需要的曝光剂量（正胶）；光刻胶在显影后有50%以上的胶厚得以保留时所需要的曝光剂量（负胶）。是衡量曝光速度的指标，灵敏度越高，所需曝光剂量越小，曝光时间越短。灵敏度太低会影响生产效率，所以通常希望光刻胶有较高的灵敏度。但灵敏度太高会影响分辨率。通常负胶的灵敏度高于正胶。光刻胶的一些特性正胶负胶的灵敏度和对比度定义第20页,共50页，2024年2月25日，星期天二.对比度（反差比）：指的是光刻胶上从曝光区到非曝光区过渡的陡度。对比度代表着只适于在掩膜版透光区规定范围内曝光的光刻胶的能力。差的光刻胶对比度斜侧壁膨胀差的反差光刻胶膜好的光刻胶对比度陡直侧壁没有膨胀好的反差光刻胶膜灵敏度曲线越陡，光刻胶的对比度就越大，这样有助于得到清晰的图形轮廓和高的分辨率。一般光刻胶的对比度在0.9~2.0之间。对于亚微米图形，要求对比度大于1。通常正胶的对比度要高于负胶。第21页,共50页，2024年2月25日，星期天光进入光刻胶后，其强度按下式衰减式中，α为光刻胶的光吸收系数。设TR

为光刻胶的厚度，则可定义光刻胶的光吸收率

为可以证明，对比度γ与光吸收系数α及光刻胶厚度

TR

之间有如下关系

减小光吸收系数与胶膜厚度有利于提高对比度。

第22页,共50页，2024年2月25日，星期天三、分辨率：指光刻时所能得到的光刻图形的最小尺寸。通常以每毫米最多可分辨的线条数来表示。光刻工艺中影响分辨率的因素有：光源、曝光方式

和光刻胶本身（包括灵敏度、对比度、颗粒的大小、显影时的溶胀、电子散射等）、硅片表面状况等。通常正胶的分辨率要高于负胶。分辨率与灵敏度的关系:当入射电子数为N

时，由于随机涨落，实际入射的电子数在范围内。为保证出现最低剂量时不少于规定剂量的90%，也即。由此可得。因此对于小尺寸曝光区，必须满足式中，Wmin

为最小尺寸，即分辨率。可见，若灵敏度越高（即S越小），则Wmin

就越大，分辨率就越差。第23页,共50页，2024年2月25日，星期天五.粘度：是影响涂敷胶膜厚度的重要因素。光刻胶越浓，它的粘度就越大，在相同的涂胶条件下，所得的胶膜就越厚；反之，则粘度小，胶膜薄。四.感光度：感光度是一个表征光刻胶对光敏感度的性能指标。定义为曝光时使光刻胶发生光化学反应所需的最小曝光量(E)的倒数，即

S=h/ES为感光度，h为比例常数，E为最小曝光量。

光刻胶对于不同波长的光源其敏感程度是不同的，因此它的感光度总是对某一特定波长的光来讲的。针孔密度：单位面积的光刻胶膜上的针孔数目称为针孔密度。七.粘附性：指光刻胶薄膜与衬底的粘附能力，主要衡量光刻胶抗湿法腐蚀能力。它不仅与光刻胶本身的性质有关，而且与衬底的性质和其表面情况等有密切关系。八.抗蚀性：光刻胶胶膜必须保持它的粘附性，并在后续的湿刻和干刻中保护衬底表面。这种性质被称为抗蚀性。第24页,共50页，2024年2月25日，星期天九.表面张力：光刻胶具有产生相对大的表面张力的分子间力，所以在不同工艺步骤中光刻胶分子会聚在一起。同时光刻胶的表面张力必须足够小，从而在应用时能提供良好的流动性和硅的覆盖。第25页,共50页，2024年2月25日，星期天第二章光学曝光技术光学曝光的工艺过程光学曝光的方式和原理光刻胶的特性光学掩膜的设计与制造短波长曝光技术大数值孔径与浸没式曝光技术光学曝光分辨率增强技术光学曝光的计算机模拟技术其它光学曝光技术厚胶曝光技术LIGA技术东南大学·南京

MEMS教育部重点实验室第26页,共50页，2024年2月25日，星期天

掩膜版的材料衬底材料：最主要的用于亚微米光刻的投影掩膜版衬底材料是熔融石英（fusedsilica）。它在深紫外光谱部（248nm和193nm）有着很高的光学透射。熔融石英相对昂贵，但性能优越。它具有很低的热膨胀系数。图形材料：用于掩膜版上不透明的图形材料通常是薄层的铬（Chrome，Cr）。厚度通常小于1000A，通过溅射淀积。有时候会在铬上形成一层氧化铬（200A）的抗反射涂层。掩模版（Photomask）：一种透明的平板，上面有要转印到硅片上光刻胶层的图形。

第27页,共50页，2024年2月25日，星期天

光学工程师将用户数据转换为写入系统所能接受的格式。包括数据分割，尺寸标记，图形旋转，增加套刻标记，内部参照标记，以及一个jobdeck（掩膜上不同图形的位置的说明）。第28页,共50页，2024年2月25日，星期天

掩膜版上用于Stepper对准的套刻标记第29页,共50页，2024年2月25日，星期天掩膜版上的参照标记第30页,共50页，2024年2月25日，星期天掩膜版的制备通常采用电子束直写的方式把高分辨率的图形转印到掩膜版表面。电子源产生的电子被加速并聚焦成形射到投影掩膜版上。电子束可以通过光栅扫描或矢量扫描的方式在掩膜版上形成图形。掩膜版上的电子束胶在曝光显影后，通过湿法或干法刻蚀去掉不需要的铬层。第31页,共50页，2024年2月25日，星期天CAD设计、模拟、验证后由图形发生器产生数字图形数字图形×4或×5投影光刻版（reticle）投影式光刻×1掩膜版（mask）制作接触式、接近式光刻掩膜版制作第32页,共50页，2024年2月25日，星期天掩模版制作过程：是一个微纳加工过程12.Finished第33页,共50页，2024年2月25日，星期天掩膜版缺陷掩膜版上的缺陷会被复制到光刻胶层中，从而进一步复制到硅片上。制造好的掩膜版要进行大量测试来检查缺陷和颗粒。掩膜版缺陷的来源可能是掉铬，表面擦伤，静电放电或灰尘颗粒。第34页,共50页，2024年2月25日，星期天第二讲光学曝光技术光学曝光的工艺过程光学曝光的方式和原理光刻胶的特性光学掩膜的设计与制造短波长曝光技术大数值孔径与浸没式曝光技术光学曝光分辨率增强技术光学曝光的计算机模拟技术其它光学曝光技术厚胶曝光技术LIGA技术东南大学·南京

MEMS教育部重点实验室第35页,共50页，2024年2月25日，星期天深紫外曝光技术

一般，436nm为G线，356nm的为I线，…。采用准分子激光器的深紫外曝光技术。极紫外曝光技术

极紫外是波长为13nm的光辐射。而其本质是一种软X射线。极紫外波长可被几乎所有材料吸收，故所有的光学系统包括掩模都必须是反射式的。组成：①极紫外光源—等离子体激发和同步辐射源；②极紫外光学系统—利用多层膜反射镜，可提高反射率；③极紫外掩模—掩模基板和金属层；④极紫外光刻胶—更高灵敏度和分辨率。X射线曝光技术

X射线是指波长在0.01~10nm间的电磁波谱，又可分为软硬两种。X射线不能被折射，故只能做成1∶1邻近式曝光，不可做成缩小式曝光，这样就加大了掩模的制造难度和成本。第36页,共50页，2024年2月25日，星期天第二章光学曝光技术光学曝光的工艺过程光学曝光的方式和原理光刻胶的特性光学掩膜的设计与制造短波长曝光技术大数值孔径与浸没式曝光技术光学曝光分辨率增强技术光学曝光的计算机模拟技术其它光学曝光技术厚胶曝光技术LIGA技术东南大学·南京

MEMS教育部重点实验室第37页,共50页，2024年2月25日，星期天⒈大数值孔径是高分辨率成像的必要条件⒉但增加数值孔径会受到焦深的影响和限制，过大的数值孔径会使焦深过小。⒊进一步增加数值孔径还受到光极化效应的影响——当数值孔径达到0.8以上时，光波通过透镜会被极化成s极和p极分量，在大入射角的情况下，s极分量会被反射，使得入射光的能量损失以及成像对比度下降。k2投影物镜的设计和加工难度增大单轴和多轴设计方案第38页,共50页，2024年2月25日，星期天浸没式曝光ln=1.0,DNA=0.93,lm60nm

n=1.44,DNA=1.34,lm42nm增加数值孔径:193nm浸没式光刻技术已在2006年投入使用第39页,共50页，2024年2月25日，星期天东南大学·南京

MEMS教育部重点实验室当今高精度的浸没式步进扫描投影光刻机对浸没液体的选择相当苛刻，高折射率和高透射系数是最基本的要求。一般地，使用水作为193nm光刻的浸没液体。在曝光过程中，由于水中溶解的物质有可能沉积到投影物镜最后一个透镜的下表面或者光刻胶上，引起成像缺陷，而水中溶解的气体也有可能形成气泡，使光线发生散射和折射。因此，目前业界普遍使用价格便宜、简单易得的去离子和去气体的纯水作为第一代浸没式光刻机的浸没液体。另外，还要考虑水层的厚度对扫描速度的影响。在500mm/s的扫描速度下，水层的厚度应该控制在1~2mm。第40页,共50页，2024年2月25日，星期天第二章光学曝光技术光学曝光的工艺过程光学曝光的方式和原理光刻胶的特性光学掩膜的设计与制造短波长曝光技术大数值孔径与浸没式曝光技术光学曝光分辨率增强技术光学曝光的计算机模拟技术其它光学曝光技术厚胶曝光技术LIGA技术东南大学·南京

MEMS教育部重点实验室第41页,共50页，2024年2月25日，星期天除了λ和NA外，提高分辨率的另一个方法就是改变𝑘因子。𝑘因子包含了透镜光学以外的因素，它的理论极限值是0.25。这些技术统称为光学曝光分辨率增强技术。（7种）（1）离轴照明技术—有意将中心轴部分的光遮住，这有利于衍射光波的高次谐波分量通过透镜成像到硅片表面上。主要有两种方式：环形离轴照明和四级离轴照明。该技术是一种最易实现，成本最低的分辨率增强技术第42页,共50页，2024年2月25日，星期天（2）移相掩模技术(PSM,PhaseShiftingMask)——调制光波的相位来改善成像的对比度和焦深。常见形式有：辅助式，交替式，周边式，无铬式，衰减式。各种移相掩模的目的都是通过引进相反的相位光波，在相的边缘部分产生抵消作用。选择一种具有一定厚度和折射率的材料，使得相位移动180°,形成相消干涉。普通铬掩模移相掩模第43页,共50页，2024年2月25日，星期天（3）光学邻近效应校正技术——有意的改变掩模的设计尺寸和形状来补偿图形局部曝光过强或过弱。另外一种校正技术不是修改设计图形本身，而是在设计图形附近加一些图形（亚分辨率辅助图形）或散射条。这些辅助图形的尺寸很小，不会在光刻胶上成像，但其会影响光强分布，从而影响设计图形的成像质量。第44页,共50页，2024年2月25日，星期天第45页,共50页，2024年2月25日，星期天（4）消除表面反射和驻波效应——抗反射层和表面平坦化技术驻波：由于入射光和反射光间的相长与相消干涉造成。驻波造成光刻胶中的光强随厚度变化，由于曝光的变化产生光刻胶溶解率的变化，则表现为光刻胶侧壁出现螺旋状条纹。表面反射：来自曝光区的光被圆片表面图形不同的