《第八章光刻课件.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第八章光刻课件.ppt（71页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、第八章第八章 光刻与刻蚀工艺光刻与刻蚀工艺n光刻是集成电路工艺中的关键性技光刻是集成电路工艺中的关键性技术，由于光刻技术的不断更新，推术，由于光刻技术的不断更新，推动了动了ULSIULSI的高速发展。的高速发展。n19581958年，光刻技术的发明，研制年，光刻技术的发明，研制成功平面晶体管，推动了集成电成功平面晶体管，推动了集成电路的发明。路的发明。n由由19591959年集成电路发明至今的年集成电路发明至今的4040多年里，集成电路的集成度不断多年里，集成电路的集成度不断提高，器件的特征尺寸不断减小。提高，器件的特征尺寸不断减小。这个时期中，集成电路图形的线这个时期中，集成电路图形的线宽缩
2、小了宽缩小了4 4个数量级，集成度提个数量级，集成度提高了高了6 6个数量级，这一切都归功个数量级，这一切都归功于光刻技术的进步。于光刻技术的进步。n光刻技术处于半导体制造技术的光刻技术处于半导体制造技术的核心，被认为是核心，被认为是ICIC制造中最关键制造中最关键的步骤。的步骤。光刻的目的光刻的目的n光刻的目的就是在二氧化硅或金光刻的目的就是在二氧化硅或金属薄膜上面刻蚀出与掩膜版完全属薄膜上面刻蚀出与掩膜版完全对应的几何图形从而实现选择性对应的几何图形从而实现选择性扩散和金属薄膜布线的目的扩散和金属薄膜布线的目的光刻光刻是一种复印图像同化学腐蚀相结是一种复印图像同化学腐蚀相结合的综合性技术。
3、合的综合性技术。光刻的定义光刻的定义ULSI对光刻的基本要求对光刻的基本要求n高分辨率高分辨率n高灵敏度的光刻胶高灵敏度的光刻胶n低缺陷低缺陷n精密的套刻对准精密的套刻对准n对大尺寸晶片的加工对大尺寸晶片的加工8.1光刻的工艺流程光刻的工艺流程n在光刻过程中，光刻胶在受到光在光刻过程中，光刻胶在受到光辐照之后发生光化学反应，其内辐照之后发生光化学反应，其内部分子结构发生变化，在显影液部分子结构发生变化，在显影液中光刻胶感光与未感光部分的溶中光刻胶感光与未感光部分的溶解度速度相差非常大！解度速度相差非常大！8.1光刻的工艺流程光刻的工艺流程 1 涂胶涂胶 2 前烘前烘 3 曝光曝光 4 显影显影
4、 5 坚膜坚膜 6 腐蚀腐蚀 7 去胶去胶11基片基片光刻胶膜光刻胶膜iOiO2 2 掩膜掩膜光刻窗口光刻窗口光刻的工艺流程光刻的工艺流程n1 1涂胶：是在涂胶：是在SiSi片或其它薄膜表面，片或其它薄膜表面，涂上一层粘附良好，厚度适当，均涂上一层粘附良好，厚度适当，均匀的光刻胶膜。匀的光刻胶膜。n脱水烘焙脱水烘焙方法：旋转法方法：旋转法步骤：喷胶步骤：喷胶加速加速保持保持前烘：前烘：n是使胶膜体内溶剂充分地挥发，使胶是使胶膜体内溶剂充分地挥发，使胶膜干燥以增加胶膜与膜干燥以增加胶膜与SiOSiO2 2膜（或金属膜（或金属膜）的粘附性和胶膜的耐磨性，即在膜）的粘附性和胶膜的耐磨性，即在曝光对准
5、时允许胶膜与掩模版有一定曝光对准时允许胶膜与掩模版有一定紧贴而不磨损胶膜，不沾污掩模版；紧贴而不磨损胶膜，不沾污掩模版；同时，只有光刻胶干燥，在曝光时才同时，只有光刻胶干燥，在曝光时才能充分进行光化学反应。能充分进行光化学反应。n严格控制时间和温度严格控制时间和温度n条件：条件：8080 20min曝光：曝光：n就是对涂光刻胶的基片进行选择就是对涂光刻胶的基片进行选择性的光化学反应，使曝光部分的性的光化学反应，使曝光部分的光刻胶改变在显影液中的溶解性，光刻胶改变在显影液中的溶解性，经显影后的光刻胶膜上得到和经显影后的光刻胶膜上得到和“掩模掩模”相对应的图形。相对应的图形。n 是把曝光后的基片放
6、在显影液是把曝光后的基片放在显影液里，将应去除的光刻胶膜溶除干里，将应去除的光刻胶膜溶除干净，以获得腐蚀时所需要的抗蚀净，以获得腐蚀时所需要的抗蚀剂膜的保护图形。剂膜的保护图形。显影：显影：坚膜坚膜:n就是在一定的温度下，将显影后就是在一定的温度下，将显影后的片子进行烘焙，除去显影时进的片子进行烘焙，除去显影时进胶膜所吸收的显影液和残留水分，胶膜所吸收的显影液和残留水分，改善胶膜与基片间粘附性，增强改善胶膜与基片间粘附性，增强胶膜的抗蚀能力，以及消除显影胶膜的抗蚀能力，以及消除显影时所引起的图形变形。时所引起的图形变形。条件：条件：200200 20min腐蚀腐蚀:n 就是用适当的腐蚀剂，对未
7、被就是用适当的腐蚀剂，对未被胶膜覆盖的胶膜覆盖的SiO2SiO2或其它薄膜进行或其它薄膜进行腐蚀，按照光刻胶膜上已显示出腐蚀，按照光刻胶膜上已显示出来的图形，完整、清晰、准确地来的图形，完整、清晰、准确地腐蚀，供选择性扩散或达到金属腐蚀，供选择性扩散或达到金属布线的目的。它是影响光刻精度布线的目的。它是影响光刻精度的重要环节。的重要环节。去胶：去胶：n把覆盖在图形表面的光刻胶膜从硅把覆盖在图形表面的光刻胶膜从硅片表面去掉。片表面去掉。n n包括：干法和湿法去胶包括：干法和湿法去胶n n湿法去胶分为有机溶液和无机溶液湿法去胶分为有机溶液和无机溶液8.2 分辨率分辨率n分辨率分辨率R是对光刻工艺中
8、可以达到的是对光刻工艺中可以达到的最小光刻图形尺寸的一种描述。最小光刻图形尺寸的一种描述。nR是表示每是表示每mm内能刻蚀出可分辨的内能刻蚀出可分辨的最多线条数。最多线条数。nR定义定义 R=1/2L（mm-1）L为线宽为线宽 分辨率为每分辨率为每mm内包含有多少个内包含有多少个可分辨的线对数可分辨的线对数例例 线宽和间距均为线宽和间距均为1m,R为为多少？多少？分辨率分辨率为为500 线对线对8.3 光刻胶的基本属性光刻胶的基本属性n分类：正胶和负胶分类：正胶和负胶n正胶的感光区在显影时可以溶解掉，正胶的感光区在显影时可以溶解掉，而没有感光的区域在显影时不溶解，而没有感光的区域在显影时不溶解
9、，因此所形成的光刻胶图形时掩模版图因此所形成的光刻胶图形时掩模版图形的正映像，因而称为正胶形的正映像，因而称为正胶n负胶的感光区在显影时不可以溶解，负胶的感光区在显影时不可以溶解，而没有感光的区域在显影时溶解，因而没有感光的区域在显影时溶解，因此所形成的光刻胶图形时掩模版图形此所形成的光刻胶图形时掩模版图形的负映像，因而称为负胶的负映像，因而称为负胶 因此当采用正胶进行光刻时，可在衬因此当采用正胶进行光刻时，可在衬底表面得到与光刻掩膜板遮光图案完全相底表面得到与光刻掩膜板遮光图案完全相同的保护胶层。同的保护胶层。正光刻胶必须采用正版（版式上的图正光刻胶必须采用正版（版式上的图案与光刻后衬底的表
10、面腐蚀出来的图案相案与光刻后衬底的表面腐蚀出来的图案相一致）一致）掩蔽膜掩蔽膜 衬底n负胶的特点负胶的特点：由可溶性转变为不由可溶性转变为不可溶性可溶性即是原来的胶膜可被某些即是原来的胶膜可被某些溶剂溶解，当受到适当波长的光溶剂溶解，当受到适当波长的光照后发生聚合反应，硬化成为不照后发生聚合反应，硬化成为不可溶解的物质可溶解的物质。n因此采用负胶进行光刻时，在衬因此采用负胶进行光刻时，在衬底表面将得到与掩模板遮光图案底表面将得到与掩模板遮光图案完全相反的保护胶层。完全相反的保护胶层。负胶时必负胶时必须采用负版（版子上的图案与光须采用负版（版子上的图案与光刻后衬底的表面腐蚀出来的图案刻后衬底的表
11、面腐蚀出来的图案相反）相反）。正胶与负胶的比较正胶与负胶的比较n从光刻技术的发明到从光刻技术的发明到2020世纪世纪7070年代中年代中期，负胶一直在光刻工艺中占主导地期，负胶一直在光刻工艺中占主导地位，随着位，随着VLSIVLSI集成电路发展和集成电路发展和2 2m m到到5 5m m图形尺寸的出现使负胶的分辨率图形尺寸的出现使负胶的分辨率变得吃紧。变得吃紧。n正胶存在了正胶存在了2020年，但它的缺点是黏附年，但它的缺点是黏附性差，优点是分辨率高，它们良好的性差，优点是分辨率高，它们良好的分辨率和防止针孔能力在那时也并不分辨率和防止针孔能力在那时也并不是很重要，所以一直没有引起人们的是很重
12、要，所以一直没有引起人们的重视。直到重视。直到2020世纪世纪8080年代，正胶逐渐年代，正胶逐渐被接受。被接受。正胶与负胶的比较正胶与负胶的比较参数参数参数参数负胶负胶负胶负胶正胶正胶正胶正胶纵横比纵横比纵横比纵横比(分辨率分辨率分辨率分辨率)更高更高黏结力黏结力黏结力黏结力更好更好针孔数量针孔数量针孔数量针孔数量更少更少阶梯覆盖度阶梯覆盖度阶梯覆盖度阶梯覆盖度更好更好成本成本成本成本更高更高显影剂显影剂显影剂显影剂有机溶剂有机溶剂丙酮丙酮 丁酮丁酮水溶性溶剂水溶性溶剂碱性碱性光刻去除剂光刻去除剂光刻去除剂光刻去除剂容易容易曝光曝光曝光曝光 速度速度速度速度更快更快515s515s 3434
13、倍的时间倍的时间光刻胶的组成（正胶）光刻胶的组成（正胶）n光刻胶是由感光剂、溶剂和聚合物光刻胶是由感光剂、溶剂和聚合物(树脂树脂)所组成。所组成。n感光剂感光剂是一种对光敏感的高分子化合物，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之后，就能吸收当它受适当波长的光照射之后，就能吸收一定波长的光能量，发生交联，聚合成分一定波长的光能量，发生交联，聚合成分解等光化学反应，使光刻胶改变性质。解等光化学反应，使光刻胶改变性质。n溶剂溶剂是使光刻胶在涂到硅片表面之前保持是使光刻胶在涂到硅片表面之前保持为液态。为液态。n聚合物聚合物(树脂树脂)在光照时，不发生化学反应，在光照时，不发生化学反应，
14、其主要作用是保证光刻胶薄膜的附着性和其主要作用是保证光刻胶薄膜的附着性和抗腐蚀性。抗腐蚀性。8.3 光刻胶的基本属性（光刻胶的基本属性（对比度）n对比度会直接影响到曝光后光刻胶膜对比度会直接影响到曝光后光刻胶膜的倾角和线宽的倾角和线宽n理想的曝光过程中，投到光刻胶层的理想的曝光过程中，投到光刻胶层的辐照区域应该等于掩模版辐照区域应该等于掩模版 上的透光图上的透光图形区域，在其他区域应该没有辐照能形区域，在其他区域应该没有辐照能量。量。n实际的曝光过程中，由于衍射和散射实际的曝光过程中，由于衍射和散射的影响，光刻胶中所接受的辐照具有的影响，光刻胶中所接受的辐照具有一定的分布。对于正胶，大于最小曝
15、一定的分布。对于正胶，大于最小曝光剂量的光刻胶区域，在显影中除掉；光剂量的光刻胶区域，在显影中除掉；小于最小曝光剂量大于不发生曝光所小于最小曝光剂量大于不发生曝光所允许的最大曝光剂量时，在显影时只允许的最大曝光剂量时，在显影时只有部分溶解，因此显影后光刻胶的侧有部分溶解，因此显影后光刻胶的侧面都有一定的斜坡。面都有一定的斜坡。n光刻胶的对比度越高，光刻胶层光刻胶的对比度越高，光刻胶层的侧面越陡的侧面越陡8.3 光刻胶的基本属性（膨胀）光刻胶的基本属性（膨胀）n在显影过程中，如果显影液进入在显影过程中，如果显影液进入光刻胶中，光刻胶发生膨胀，将光刻胶中，光刻胶发生膨胀，将导致图形尺寸发生变化，主
16、要发导致图形尺寸发生变化，主要发生在负胶中。生在负胶中。8.3 光刻胶的基本属性（光敏度）光刻胶的基本属性（光敏度）n光敏度光敏度是一个表征光刻胶对光敏感是一个表征光刻胶对光敏感度的性能指标。是指完成所需图形度的性能指标。是指完成所需图形曝光的最小曝光量曝光的最小曝光量n光敏度不同，表示它对光的敏感度光敏度不同，表示它对光的敏感度不同即光化学反应所需的曝光量不不同即光化学反应所需的曝光量不同。同。n n正胶的正胶的光敏度大，曝光效果好光敏度大，曝光效果好n提高光敏度可以减小曝光时间提高光敏度可以减小曝光时间8.3 光刻胶的基本属性（抗蚀光刻胶的基本属性（抗蚀能力和热稳定性）能力和热稳定性）n光
17、刻胶的抗蚀能力是指在图形转移的过程中，光刻胶的抗蚀能力是指在图形转移的过程中，光刻胶抵抗刻光刻胶抵抗刻(腐腐)蚀的能力。通常光刻胶对湿蚀的能力。通常光刻胶对湿法腐蚀有比较好的抗腐蚀能力。对于干法刻蚀，法腐蚀有比较好的抗腐蚀能力。对于干法刻蚀，大部分光刻胶的抗腐蚀能力较差。大部分光刻胶的抗腐蚀能力较差。n 要求光刻胶对酸，碱化学腐蚀液具有很好要求光刻胶对酸，碱化学腐蚀液具有很好的抗蚀能力的抗蚀能力。利用光刻胶的保护作用，进行选。利用光刻胶的保护作用，进行选择性化学腐蚀。择性化学腐蚀。对负性光刻胶要求其在对负性光刻胶要求其在3030以上的环境温以上的环境温度中，能够经受较长时间的酸，碱腐蚀的浸蚀。
18、度中，能够经受较长时间的酸，碱腐蚀的浸蚀。实际上对光刻胶（包括光刻胶薄膜）实际上对光刻胶（包括光刻胶薄膜）只有在针只有在针孔密度小，及其粘附性能好的情况下，才可能孔密度小，及其粘附性能好的情况下，才可能有好的抗蚀能力。有好的抗蚀能力。n热稳定性：要能承受热稳定性：要能承受200以上以上的温度的温度,光刻胶不发生热交联光刻胶不发生热交联.8.3 光刻胶的基本属性光刻胶的基本属性(黏附力黏附力)n黏附力是指光刻胶与衬底的黏附程度。黏附力是指光刻胶与衬底的黏附程度。n在刻蚀过程中，黏附不牢将发生钻蚀和在刻蚀过程中，黏附不牢将发生钻蚀和浮胶，直接影响光刻的质量，甚至图形浮胶，直接影响光刻的质量，甚至图
19、形的消失。的消失。n影响因素：衬底材料的性质、表面图形影响因素：衬底材料的性质、表面图形情况、工艺条件情况、工艺条件以以SiO2为例为例l平整，致密，清洁，干燥的平整，致密，清洁，干燥的SiO2表面利于表面利于光刻胶的粘附。光刻胶的粘附。l湿氧氧化生长的湿氧氧化生长的SiO2,表面有硅烷醇表面有硅烷醇(Si-OH)所以吸水性很强，影响光刻胶的粘附。所以吸水性很强，影响光刻胶的粘附。l含有高浓度含有高浓度P的的SiO2表面，使光刻胶粘附变表面，使光刻胶粘附变差差,在在P扩散后进行光刻时容易出现浮胶或扩散后进行光刻时容易出现浮胶或钻蚀。钻蚀。n增强黏附方法：对硅片进行脱水处理、增强黏附方法：对硅片
20、进行脱水处理、使用增黏剂、提高坚膜的温度使用增黏剂、提高坚膜的温度8.3 光刻胶的基本属性光刻胶的基本属性(溶解度溶解度和黏滞度和黏滞度)n n光刻胶由溶剂溶解了固态物质所光刻胶由溶剂溶解了固态物质所形成的液体，其中溶解的固态物形成的液体，其中溶解的固态物质所占的比重为溶解度质所占的比重为溶解度n n溶解度决定甩胶后所形成的光刻溶解度决定甩胶后所形成的光刻胶的厚度以及光刻胶的流动性。胶的厚度以及光刻胶的流动性。n黏滞度是影响光刻胶膜厚的因素之一黏滞度是影响光刻胶膜厚的因素之一 光刻胶越浓，它的粘度就越大光刻胶越浓，它的粘度就越大(即即越稠越稠)在相同涂胶条件下所得到的胶膜在相同涂胶条件下所得到
21、的胶膜就越厚；反之，则粘度小，胶膜薄。就越厚；反之，则粘度小，胶膜薄。可以通过改变胶液的浓度来调节胶可以通过改变胶液的浓度来调节胶的粘度，进而控制胶膜厚度。例如光的粘度，进而控制胶膜厚度。例如光刻细小图形时，为了提高分辨率，胶刻细小图形时，为了提高分辨率，胶层必须相对地薄些，故必须采用浓度层必须相对地薄些，故必须采用浓度较稀的胶液较稀的胶液8.3 光刻胶的基本属性光刻胶的基本属性(微粒数微粒数量和金属含量量和金属含量)n光刻胶的纯净度与光刻胶中的微光刻胶的纯净度与光刻胶中的微粒数量和金属含量有关。粒数量和金属含量有关。8.4 多层光刻工艺多层光刻工艺n减小光刻胶的厚度可以提高分辨率，但减小光刻
22、胶的厚度可以提高分辨率，但又需要有足够的厚度保护光刻胶下面的又需要有足够的厚度保护光刻胶下面的图形，同时还需克服由于各处光刻胶厚图形，同时还需克服由于各处光刻胶厚度不均匀所引起的线宽差异。度不均匀所引起的线宽差异。n而只考虑形成清晰的线条还是不够的，而只考虑形成清晰的线条还是不够的，曝光后的光刻胶图形还需要有足够的致曝光后的光刻胶图形还需要有足够的致密度以满足其后的工艺条件要求（干法密度以满足其后的工艺条件要求（干法刻蚀和离子注入）刻蚀和离子注入）n为了得到即薄而又致密的光刻胶层，在为了得到即薄而又致密的光刻胶层，在成像工艺中采用成像工艺中采用多层光刻胶技术多层光刻胶技术n采用多层光刻胶技术，
23、利用性质不同的采用多层光刻胶技术，利用性质不同的多层光刻胶，满足抗蚀性、平坦化等各多层光刻胶，满足抗蚀性、平坦化等各种要求。种要求。双层光刻胶工艺双层光刻胶工艺n顶层光刻胶经过曝光和显影形成曝光顶层光刻胶经过曝光和显影形成曝光图形，并在作为刻蚀掩蔽膜。底层用图形，并在作为刻蚀掩蔽膜。底层用来形成平坦化平面，需奥通过干法刻来形成平坦化平面，需奥通过干法刻蚀去掉。蚀去掉。n在某些光刻胶工艺中，需要在顶层光在某些光刻胶工艺中，需要在顶层光刻胶中加入硅，当底层光刻胶在氧气刻胶中加入硅，当底层光刻胶在氧气氛中进行等离子刻蚀时，顶层光刻胶氛中进行等离子刻蚀时，顶层光刻胶中的硅与氧反应生成中的硅与氧反应生成
24、SiO2。这样，顶。这样，顶层的光刻胶就不再被氧等离子刻蚀，层的光刻胶就不再被氧等离子刻蚀，起到了一个硬保护层的作用。起到了一个硬保护层的作用。光刻图形的硅化学增强工艺光刻图形的硅化学增强工艺n采用两层光刻胶，底层是保护衬底图采用两层光刻胶，底层是保护衬底图形，并在起伏的衬底上形成一层平坦形，并在起伏的衬底上形成一层平坦化的光刻胶平面，顶层光刻胶很薄，化的光刻胶平面，顶层光刻胶很薄，用作成像层，分辨率很高用作成像层，分辨率很高n顶层光刻胶含有硅，在刻蚀底层的光顶层光刻胶含有硅，在刻蚀底层的光刻胶时，顶层光刻胶中的硅与氧反应刻胶时，顶层光刻胶中的硅与氧反应生成生成SiO2，形成硬保护层的作用。，
25、形成硬保护层的作用。n（图（图8.8）对比增强层（图对比增强层（图8.9）n在甩胶和和前烘后，在光刻胶上甩上一层在甩胶和和前烘后，在光刻胶上甩上一层对比增强层对比增强层。这层通常是不透明的，但在。这层通常是不透明的，但在投影曝光系统中，不透明投影曝光系统中，不透明对比增强层对比增强层在强在强光的作用下变为透明，光线通过透明的光的作用下变为透明，光线通过透明的对对比增强层比增强层对下面的光刻胶曝光。对下面的光刻胶曝光。n在曝光中，不透明的在曝光中，不透明的对比增强层对比增强层可以吸收可以吸收衍射光线。衍射光线。n对比增强层对比增强层直接与光刻胶接触，它的作用直接与光刻胶接触，它的作用类似接触式曝
26、光中的掩模版，达到接触式类似接触式曝光中的掩模版，达到接触式曝光的效果，而不受其限制。曝光的效果，而不受其限制。n曝光后，通过显影可以去除曝光后，通过显影可以去除对比增强层对比增强层硅烷基化光刻胶表面成像工艺硅烷基化光刻胶表面成像工艺图图8.10n为了减少多层光刻工艺的复杂性，为了减少多层光刻工艺的复杂性，通过对光刻胶所形成的图形进行通过对光刻胶所形成的图形进行选择性的硅基烷化（硅扩散到成选择性的硅基烷化（硅扩散到成像层中），从而使光刻胶顶层的像层中），从而使光刻胶顶层的成像层和底层分离，这种选择性成像层和底层分离，这种选择性的将硅扩散到成像层中的方法称的将硅扩散到成像层中的方法称为为扩散增强
27、硅烷基化光刻胶工艺扩散增强硅烷基化光刻胶工艺扩散增强硅烷基化光刻胶工艺扩散增强硅烷基化光刻胶工艺n n步骤：步骤：l l光刻胶经过曝光之后，在光刻胶上光刻胶经过曝光之后，在光刻胶上光刻胶经过曝光之后，在光刻胶上光刻胶经过曝光之后，在光刻胶上形成隐性图形形成隐性图形形成隐性图形形成隐性图形l l对光刻胶进行前烘，使未曝光的光对光刻胶进行前烘，使未曝光的光对光刻胶进行前烘，使未曝光的光对光刻胶进行前烘，使未曝光的光刻胶形成交叉链接刻胶形成交叉链接刻胶形成交叉链接刻胶形成交叉链接l l在光刻胶上形成在光刻胶上形成在光刻胶上形成在光刻胶上形成硅基烷化的图形，硅基烷化的图形，l l干法刻蚀光刻胶，在光刻
28、胶上形成干法刻蚀光刻胶，在光刻胶上形成干法刻蚀光刻胶，在光刻胶上形成干法刻蚀光刻胶，在光刻胶上形成图形图形图形图形n n图图8.108.4 曝光曝光n n紫外紫外光学：汞灯、准分子激光光学：汞灯、准分子激光n非光学：非光学：X X射线、电子束射线、电子束 曝光源的选择主要是根据光刻曝光源的选择主要是根据光刻胶的胶的光谱响应范围光谱响应范围和所需达到的和所需达到的特特征图形尺寸征图形尺寸决定的。决定的。深紫外深紫外DUV 248nm 193nm 真空紫外真空紫外VUV 157nm 极紫外极紫外EUV 13nm 光学曝光源：汞灯光学曝光源：汞灯曝光时光刻胶与特定的曝光时光刻胶与特定的UV波长波长有
29、相应的特定光谱响应有相应的特定光谱响应准分子激光（紫外光源）准分子激光（紫外光源）曝光时产生的光学现象曝光时产生的光学现象n n1、衍射现象、衍射现象：当光穿过一个小当光穿过一个小孔或经过一个轮廓分明的边缘时，孔或经过一个轮廓分明的边缘时，发生衍射现象。发生衍射现象。n n 解决：解决：减小曝光的波长减小曝光的波长 通过透镜俘获衍射光通过透镜俘获衍射光透镜俘获衍射光透镜俘获衍射光 光刻机和光刻胶的分辨能力主要光刻机和光刻胶的分辨能力主要是由曝光的波长决定的，曝光的波长是由曝光的波长决定的，曝光的波长越短，分辨率越高，这主要是由于光越短，分辨率越高，这主要是由于光的衍射现象的存在，波长越长衍射现
30、的衍射现象的存在，波长越长衍射现象越严重，成为曝光系统分辨率的限象越严重，成为曝光系统分辨率的限制条件。制条件。曝光时产生的光学现象曝光时产生的光学现象n n2 2、反射问题：、反射问题：主要是反射切口和驻波主要是反射切口和驻波在刻蚀形成的在刻蚀形成的垂直侧墙表面，垂直侧墙表面，反射光到不需反射光到不需要的曝光的光要的曝光的光刻胶中就会形刻胶中就会形成反射切口，成反射切口，它对线宽它对线宽 的控的控制产生不利因制产生不利因素素驻波效应驻波效应n n 曝光光波在进入到光刻胶之后，如曝光光波在进入到光刻胶之后，如曝光光波在进入到光刻胶之后，如曝光光波在进入到光刻胶之后，如果没有完全被吸收，就会有一
31、部分光果没有完全被吸收，就会有一部分光果没有完全被吸收，就会有一部分光果没有完全被吸收，就会有一部分光波穿过光刻胶达到衬底表面，这一部波穿过光刻胶达到衬底表面，这一部波穿过光刻胶达到衬底表面，这一部波穿过光刻胶达到衬底表面，这一部分光波在衬底表面被反射之后，又回分光波在衬底表面被反射之后，又回分光波在衬底表面被反射之后，又回分光波在衬底表面被反射之后，又回到光刻胶中。这样，反射光波与光刻到光刻胶中。这样，反射光波与光刻到光刻胶中。这样，反射光波与光刻到光刻胶中。这样，反射光波与光刻胶中的入射光波发生干涉，从而形成胶中的入射光波发生干涉，从而形成胶中的入射光波发生干涉，从而形成胶中的入射光波发生
32、干涉，从而形成驻波驻波驻波驻波。n n 光刻胶在曝光中的驻波现象表现为光刻胶在曝光中的驻波现象表现为光刻胶在曝光中的驻波现象表现为光刻胶在曝光中的驻波现象表现为在光刻胶中形成强弱相间的曝光区域。在光刻胶中形成强弱相间的曝光区域。在光刻胶中形成强弱相间的曝光区域。在光刻胶中形成强弱相间的曝光区域。驻波表证入射光驻波表证入射光和反射光之间的和反射光之间的干涉，这种干涉干涉，这种干涉将引起随光刻胶将引起随光刻胶厚度变化的不均厚度变化的不均匀曝光匀曝光曝光后，光刻胶侧面曝光后，光刻胶侧面是由于过曝光和欠曝是由于过曝光和欠曝光而形成条痕，驻波光而形成条痕，驻波本质上降低了光刻胶本质上降低了光刻胶成像的分
33、辨率成像的分辨率解决驻波效应：底部抗反射涂层解决驻波效应：底部抗反射涂层 在衬底和光刻胶之间，涂敷一层由高消光率的材在衬底和光刻胶之间，涂敷一层由高消光率的材料组成的抗反射涂层，可以吸收穿过光刻胶的光线。料组成的抗反射涂层，可以吸收穿过光刻胶的光线。底部抗反射涂层：通过吸光材料减底部抗反射涂层：通过吸光材料减小光刻胶下面反射层的光反射小光刻胶下面反射层的光反射顶部抗反射涂层：减少光刻胶顶部抗反射涂层：减少光刻胶和空气的交界面反射和空气的交界面反射n n顶部抗反射涂层材料不吸光，而是作顶部抗反射涂层材料不吸光，而是作顶部抗反射涂层材料不吸光，而是作顶部抗反射涂层材料不吸光，而是作为一个透明的薄膜
34、干涉层，通过光线为一个透明的薄膜干涉层，通过光线为一个透明的薄膜干涉层，通过光线为一个透明的薄膜干涉层，通过光线间的相干相消来消除反射间的相干相消来消除反射间的相干相消来消除反射间的相干相消来消除反射曝光方式曝光方式:n接触式曝光接触式曝光n接近式曝光接近式曝光n投影式曝光投影式曝光n步进式曝光步进式曝光接触式曝光接触式曝光n掩模版与硅片紧密接触掩模版与硅片紧密接触n是是70年代的主要光刻手段，用于年代的主要光刻手段，用于5m以上的尺寸以上的尺寸 n 由于掩膜版与硅片相接触，使掩膜版由于掩膜版与硅片相接触，使掩膜版受到磨损，寿命降低。同时引入大量受到磨损，寿命降低。同时引入大量工艺缺陷。工艺缺
35、陷。n淘汰淘汰接近式曝光接近式曝光n从接触式曝光发展起来的，用于从接触式曝光发展起来的，用于2-4mn掩膜板不与光刻胶直接接触，有掩膜板不与光刻胶直接接触，有5m的的间距距n是以牺牲分辨率来延长了掩膜版的寿命是以牺牲分辨率来延长了掩膜版的寿命 当光线通过掩膜板和空气时会发散，减小分辨率当光线通过掩膜板和空气时会发散，减小分辨率 避免接触式的沾污问题。避免接触式的沾污问题。投影光刻投影光刻n n光源光线经过透镜后变成平行光，光源光线经过透镜后变成平行光，然后通过掩模版并由投影系统在然后通过掩模版并由投影系统在硅片成像，完成曝光。硅片成像，完成曝光。n n优势：l避免了掩膜版与硅片表面的摩擦避免了
36、掩膜版与硅片表面的摩擦延长了掩膜版的寿命延长了掩膜版的寿命l掩膜版的尺寸可以比实际尺寸大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得多，克服了小图形制版的困难l消除了由于掩膜版图形线宽过小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与硅片表面接触不平整而产生的光散射现象光散射现象步近光刻步近光刻n n20世纪世纪80年代后期主导年代后期主导IC制造业，制造业，主要用于主要用于0.35-0.25mn n优势：步：步进光刻机的掩膜板光刻机的掩膜板图形形尺寸是尺寸是实际像的像的4-5倍倍（掩膜板（掩膜板制造更容易）制造
37、更容易）X射线（非光学光源）射线（非光学光源）n nX X射线是用高能电子束轰击一个金属靶射线是用高能电子束轰击一个金属靶射线是用高能电子束轰击一个金属靶射线是用高能电子束轰击一个金属靶产生的光量子产生的光量子产生的光量子产生的光量子 ，波长：，波长：，波长：，波长：4-504-50 n n衍射作用小，曝光衍射作用小，曝光衍射作用小，曝光衍射作用小，曝光时间时间短短短短n n存在的存在的存在的存在的问题问题：l l X X射射射射线线会穿透会穿透会穿透会穿透传统传统的玻璃和的玻璃和的玻璃和的玻璃和铬铬掩膜板掩膜板掩膜板掩膜板 ，必，必，必，必须须用金作阻用金作阻用金作阻用金作阻挡层挡层，或其他
38、可以阻，或其他可以阻，或其他可以阻，或其他可以阻挡挡X X射射射射线线的的的的材料材料材料材料l lX X射射射射线线没有反射没有反射没有反射没有反射镜镜和透射和透射和透射和透射镜镜使其使其使其使其变变成平行光，成平行光，成平行光，成平行光，实际实际是是是是发发散的点光源散的点光源散的点光源散的点光源图图形的畸形的畸形的畸形的畸变变电子束（非光源电子束（非光源）n电子束曝光是一门成熟的技术，它被用电子束曝光是一门成熟的技术，它被用来制作高质量的掩膜板。在真空中进行。来制作高质量的掩膜板。在真空中进行。n电子束曝光的原理是利用具有一定能量电子束曝光的原理是利用具有一定能量的电子与光刻胶碰撞，发生
39、化学反应完的电子与光刻胶碰撞，发生化学反应完成曝光。成曝光。n碰撞发生三种情况：碰撞发生三种情况：l电子束穿过光刻胶，既不改变方向也不能电子束穿过光刻胶，既不改变方向也不能量损失量损失l电子束与光刻胶分子碰撞发生弹性散射，电子束与光刻胶分子碰撞发生弹性散射，不改变方向，能量损失不改变方向，能量损失l电子束与光刻胶分子碰撞发生非弹性散射，电子束与光刻胶分子碰撞发生非弹性散射，改变方向，能量损失改变方向，能量损失 邻近效应邻近效应n前向散射：散射方向与入射方向的前向散射：散射方向与入射方向的夹角很小，导致曝光图形轻微展宽夹角很小，导致曝光图形轻微展宽n背向散射：散射方向与入射方向的背向散射：散射方
40、向与入射方向的夹角很大，导致大面积的光刻胶发夹角很大，导致大面积的光刻胶发生不同程度的曝光，最终使大面积生不同程度的曝光，最终使大面积的图形模糊，造成图形畸变。的图形模糊，造成图形畸变。邻近效应邻近效应n n无需光刻掩膜板，由掩膜板引起无需光刻掩膜板，由掩膜板引起的缺陷被去除了。的缺陷被去除了。n n电子束开关和向导由计算机控制，电子束开关和向导由计算机控制，计算机中存有计算机中存有CAD直接设计的图直接设计的图形，电子束被偏转系统导向到需形，电子束被偏转系统导向到需要曝光的位置，然后打开电子束，要曝光的位置，然后打开电子束，使相应的部位光刻胶曝光，这种使相应的部位光刻胶曝光，这种方式被称为方
41、式被称为“直接书写式直接书写式”8.5 掩膜版的制备掩膜版的制备 光刻工艺的目的是将掩模版上光刻工艺的目的是将掩模版上的电路图形在硅片上精确地再现出的电路图形在硅片上精确地再现出来。因此高精度和高质量的掩模版来。因此高精度和高质量的掩模版是制作超大规模集成电路的重要基是制作超大规模集成电路的重要基础。础。光刻工艺对光刻版的质量要求：光刻工艺对光刻版的质量要求：n n图形的尺寸要准确图形的尺寸要准确图形的尺寸要准确图形的尺寸要准确。图形的大小和图形间距必须。图形的大小和图形间距必须。图形的大小和图形间距必须。图形的大小和图形间距必须符合设计要求，图形不发生畸变。符合设计要求，图形不发生畸变。符合
42、设计要求，图形不发生畸变。符合设计要求，图形不发生畸变。n n整套光刻版中的各块版应能一一套准，套准误差整套光刻版中的各块版应能一一套准，套准误差整套光刻版中的各块版应能一一套准，套准误差整套光刻版中的各块版应能一一套准，套准误差要尽量地小要尽量地小要尽量地小要尽量地小。各块版之间的套合精度要求随器件。各块版之间的套合精度要求随器件。各块版之间的套合精度要求随器件。各块版之间的套合精度要求随器件性能和图形大小的不同而有所不同。性能和图形大小的不同而有所不同。性能和图形大小的不同而有所不同。性能和图形大小的不同而有所不同。n n版子的黑白压反差（光密度差）要高版子的黑白压反差（光密度差）要高版子
43、的黑白压反差（光密度差）要高版子的黑白压反差（光密度差）要高。黑面要充。黑面要充。黑面要充。黑面要充分地黑，应能很好地阻挡住紫外光的通过；而白分地黑，应能很好地阻挡住紫外光的通过；而白分地黑，应能很好地阻挡住紫外光的通过；而白分地黑，应能很好地阻挡住紫外光的通过；而白面应无灰雾，应能很好地透过紫外光线或对光的面应无灰雾，应能很好地透过紫外光线或对光的面应无灰雾，应能很好地透过紫外光线或对光的面应无灰雾，应能很好地透过紫外光线或对光的吸收极小。一般要求反差在吸收极小。一般要求反差在吸收极小。一般要求反差在吸收极小。一般要求反差在2.52.5以上。以上。以上。以上。n n图形边缘要光滑陡直，无毛刺
44、，过渡压要小图形边缘要光滑陡直，无毛刺，过渡压要小图形边缘要光滑陡直，无毛刺，过渡压要小图形边缘要光滑陡直，无毛刺，过渡压要小。n n版面要光洁，没有较大的针孔（即黑面没有版面要光洁，没有较大的针孔（即黑面没有版面要光洁，没有较大的针孔（即黑面没有版面要光洁，没有较大的针孔（即黑面没有1 1 mm以上的白点）、小岛（即白面没有以上的白点）、小岛（即白面没有以上的白点）、小岛（即白面没有以上的白点）、小岛（即白面没有1 1 mm以上的黑以上的黑以上的黑以上的黑点或污点）和划痕等缺陷点或污点）和划痕等缺陷点或污点）和划痕等缺陷点或污点）和划痕等缺陷。n n版子要坚固耐磨，不易变形。版子要坚固耐磨，
45、不易变形。版子要坚固耐磨，不易变形。版子要坚固耐磨，不易变形。由于光刻版在光刻由于光刻版在光刻由于光刻版在光刻由于光刻版在光刻时要求硅片接触发生摩擦，极易损坏，如果光刻时要求硅片接触发生摩擦，极易损坏，如果光刻时要求硅片接触发生摩擦，极易损坏，如果光刻时要求硅片接触发生摩擦，极易损坏，如果光刻版不坚固耐磨，则其使用寿命很短，势必经常更版不坚固耐磨，则其使用寿命很短，势必经常更版不坚固耐磨，则其使用寿命很短，势必经常更版不坚固耐磨，则其使用寿命很短，势必经常更换新版，很不经济。换新版，很不经济。换新版，很不经济。换新版，很不经济。光刻掩膜版是在石英板上淀积光刻掩膜版是在石英板上淀积薄的铬层，在铬
46、层上形成图形。薄的铬层，在铬层上形成图形。掩膜图形是由电子束或激光束直掩膜图形是由电子束或激光束直接刻写在铬层上。接刻写在铬层上。石英玻璃板石英玻璃板n光刻掩模版所使用的石英玻璃是经过光刻掩模版所使用的石英玻璃是经过高度抛光，形成非常平整的平面，同高度抛光，形成非常平整的平面，同时在表面和内部必须是无缺陷的，保时在表面和内部必须是无缺陷的，保证石英中光学传递效率。证石英中光学传递效率。n石英玻璃对石英玻璃对248nm和和193nm波长的通波长的通透效果最好透效果最好n石英玻璃的热扩散系数低，在刻写过石英玻璃的热扩散系数低，在刻写过程中受温度变化的影响最小。但是，程中受温度变化的影响最小。但是，
47、只要只要0.08的温度变化也将改变图形的温度变化也将改变图形的精确性，因此制造掩模版时，要求的精确性，因此制造掩模版时，要求环境温度的变化范围小于环境温度的变化范围小于0.03 铬层铬层n铬层作为掩膜是因为铬膜的淀积和铬层作为掩膜是因为铬膜的淀积和刻蚀相对比较容易，而且对光线完刻蚀相对比较容易，而且对光线完全不透明。全不透明。n结构结构l在准备好的石英玻璃上首先淀积一层在准备好的石英玻璃上首先淀积一层铬的氮化物或氧化物，来增加铬膜与铬的氮化物或氧化物，来增加铬膜与石英玻璃的黏附力。石英玻璃的黏附力。l之后淀积铬层，掩膜图形在铬膜上形之后淀积铬层，掩膜图形在铬膜上形成成l在铬层的上方还需淀积在铬
48、层的上方还需淀积20nm厚的厚的Cr2O3 抗反射层抗反射层掩模版的保护膜掩模版的保护膜n为了防止在掩模版上产生缺陷，需要用为了防止在掩模版上产生缺陷，需要用保护膜将掩模版的表面密封，避免掩模保护膜将掩模版的表面密封，避免掩模版受到空气中微粒或其他形式的污染。版受到空气中微粒或其他形式的污染。n保护膜厚度要足够薄，保证透光性保护膜厚度要足够薄，保证透光性n保护膜要结实，耐清洗保护膜要结实，耐清洗n在在UV射线的辐照下，仍能保证形状射线的辐照下，仍能保证形状n材料：硝化纤维素醋酸盐和碳氟化合物材料：硝化纤维素醋酸盐和碳氟化合物思考题n n光刻胶的特性光刻胶的特性n n光刻的工艺流程光刻的工艺流程n n曝光源的波长与曝光源的波长与 分辨率的关系分辨率的关系n n光学曝光时产生的光学现象如何解光学曝光时产生的光学现象如何解决决n nX射线曝光时存在的问题如何解决射线曝光时存在的问题如何解决n n电子束曝光的原理及邻近效应电子束曝光的原理及邻近效应