《非光学光刻技术》PPT课件.ppt

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1、 通过使用大数值孔径的扫描步进光刻机和深紫外光源，再通过使用大数值孔径的扫描步进光刻机和深紫外光源，再结合相移掩模、光学邻近效应修正和双层胶等技术，光学光刻结合相移掩模、光学邻近效应修正和双层胶等技术，光学光刻的分辨率已进入亚波长，获得了的分辨率已进入亚波长，获得了 0.1 m 的分辨率。若能开发出的分辨率。若能开发出适合适合 157 nm 光源的光学材料，甚至可扩展到光源的光学材料，甚至可扩展到 0.07 m。第第 9 章章 非光学光刻技术非光学光刻技术 但是这些技术的成本越来越昂贵，而且光学光刻的分辨率但是这些技术的成本越来越昂贵，而且光学光刻的分辨率极限迟早会到来极限迟早会到来。已开发出

2、许多新的光刻技术，如将。已开发出许多新的光刻技术，如将 X X 射线射线射线射线、电子束电子束电子束电子束 和和 离子束离子束离子束离子束作为能量束用于曝光。这些技术统称为作为能量束用于曝光。这些技术统称为非光学非光学非光学非光学光刻技术光刻技术光刻技术光刻技术，或，或 下一代光刻技术下一代光刻技术下一代光刻技术下一代光刻技术 。它们的共同特点是使用更短波。它们的共同特点是使用更短波长的曝光能源。长的曝光能源。9.1 高能束与物体之间的相互作用高能束与物体之间的相互作用 本节主要讨论本节主要讨论 X 射线、电子束、离子束与固体之间的相互射线、电子束、离子束与固体之间的相互作用。作用。一、一、一

3、、一、X X 射线与固体之间的相互作用射线与固体之间的相互作用射线与固体之间的相互作用射线与固体之间的相互作用 X 射线光刻所用的波长在射线光刻所用的波长在=0.2 4 nm 的范围，所对应的的范围，所对应的 X 射线光子能量为射线光子能量为 1 10 k eV。在此能量范围，。在此能量范围，X 射线的散射可以射线的散射可以忽略。忽略。X 射线光子的能量损失机理以光电效应为主，损失掉的射线光子的能量损失机理以光电效应为主，损失掉的能量转化为光电子的能量。能量转化为光电子的能量。能量损失与分辨率的关系能量损失与分辨率的关系能量损失与分辨率的关系能量损失与分辨率的关系 分辨率取决于分辨率取决于 X

4、 射线的波长与光电子的射程两者中较大的射线的波长与光电子的射程两者中较大的一个一个。当。当 X 射线波长为射线波长为 5 nm 左右时两者相等，这时可获得最左右时两者相等，这时可获得最佳分辨率佳分辨率，其值即约为，其值即约为 5 nm。但在。但在 X 射线光刻技术中，由于射线光刻技术中，由于掩模版等方面的原因掩模版等方面的原因，波长取为，波长取为 0.2 4 nm，其相应的光电子，其相应的光电子射程为射程为 70 20 nm。但是实际上这并不是限制。但是实际上这并不是限制 X 射线光刻分辨射线光刻分辨率的主要因素。率的主要因素。后面会讲到，限制后面会讲到，限制 X 射线光刻分辨率的主要因素是射

5、线光刻分辨率的主要因素是 掩模版掩模版掩模版掩模版的分辨率的分辨率的分辨率的分辨率，以及，以及 半影畸变半影畸变半影畸变半影畸变 和和 几何畸变几何畸变几何畸变几何畸变。二、电子束与固体之间的相互作用二、电子束与固体之间的相互作用二、电子束与固体之间的相互作用二、电子束与固体之间的相互作用 电子束与固体之间的相互作用有很多种，例如二次电子、电子束与固体之间的相互作用有很多种，例如二次电子、散射电子、吸收电子、电子空穴对、阳极发光、散射电子、吸收电子、电子空穴对、阳极发光、X 射线、俄歇射线、俄歇电子等。电子等。影响电子束曝光分辨率的主要是影响电子束曝光分辨率的主要是影响电子束曝光分辨率的主要是

6、影响电子束曝光分辨率的主要是 散射电子散射电子散射电子散射电子 。1 1、电子的散射、电子的散射、电子的散射、电子的散射 入射电子与固体中另一粒子发生碰撞，发生动量与能量的入射电子与固体中另一粒子发生碰撞，发生动量与能量的转移，方向改变，波长不变或增大，能量不变或减少。转移，方向改变，波长不变或增大，能量不变或减少。电子在光刻胶中的散射次数与光刻胶厚度成正比，与入射电子在光刻胶中的散射次数与光刻胶厚度成正比，与入射电子的初始能量电子的初始能量 E0 成反比，典型值为几到几十次。成反比，典型值为几到几十次。散射角散射角：电子散射后的方向与原入射方向之间的夹角。：电子散射后的方向与原入射方向之间的

7、夹角。前散射前散射（小角散射）：散射角（小角散射）：散射角 ，所以背散射是影响分辨率的主要因素；，所以背散射是影响分辨率的主要因素；b、光刻胶较薄时，能量密度的分布范围较小；、光刻胶较薄时，能量密度的分布范围较小；c、入射电子初始能量、入射电子初始能量 E0 的影响是：对的影响是：对 ff ，E0 越大，则越大，则越小；对越小；对 fb，当，当 E0 增大时，增大时，先增大，然后减小；先增大，然后减小；d、低原子序数材料中的散射一般要小一些。、低原子序数材料中的散射一般要小一些。(3)对此模拟结果进行对此模拟结果进行 曲线拟合曲线拟合曲线拟合曲线拟合，可得到近似的分析函数，可得到近似的分析函数

8、，为为 双高斯函数双高斯函数双高斯函数双高斯函数，即，即 (4)当入射电子为任意空间分布函数当入射电子为任意空间分布函数 时，其吸收能时，其吸收能量密度量密度 是是 与与 的的 卷积积分卷积积分卷积积分卷积积分，例如，当电子束分布为例如，当电子束分布为 高斯圆形束高斯圆形束高斯圆形束高斯圆形束 时，时，式中，式中，为高斯电子束的标准偏差。为高斯电子束的标准偏差。(5)胶层等能量密度剖面轮廓胶层等能量密度剖面轮廓 实际的曝光图形，既不是实际的曝光图形，既不是 函数，也不是仅仅一个孤立的函数，也不是仅仅一个孤立的圆形束斑，如果是一条有宽度的线条，其能量吸收密度应当是圆形束斑，如果是一条有宽度的线条

9、，其能量吸收密度应当是各入射电子束的作用的总和，如下图所示。各入射电子束的作用的总和，如下图所示。设电子束的束流为设电子束的束流为 IB，在每个，在每个点上停留的时间为点上停留的时间为 t，则每个束斑，则每个束斑上的入射电子数为上的入射电子数为(IB t/q)，每，每个束斑产生的吸收能量密度为个束斑产生的吸收能量密度为则在离线条距离为则在离线条距离为 x 的点的点 P 下面深下面深度为度为 z 处的能量吸收密度为处的能量吸收密度为 用上述模拟方法对硅上的用上述模拟方法对硅上的 PMMA 胶进行计算的结果以及胶进行计算的结果以及实际的胶层剖面轮廓如下图所示，实际的胶层剖面轮廓如下图所示，模拟结果

10、模拟结果实际结果实际结果 5 5、电子束曝光的邻近效应及其修正方法、电子束曝光的邻近效应及其修正方法、电子束曝光的邻近效应及其修正方法、电子束曝光的邻近效应及其修正方法 已知电子的散射特别是背散射，其影响范围可与电子射程已知电子的散射特别是背散射，其影响范围可与电子射程或胶层厚度相当，这称为电子束曝光的或胶层厚度相当，这称为电子束曝光的 邻近效应邻近效应邻近效应邻近效应。对于一个其。对于一个其线度线度 L 远大于电子散射范围远大于电子散射范围 R 的图形，虽然其中间部分的曝光的图形，虽然其中间部分的曝光是均匀的，但边缘部分的情况就不同了，如下图所示，是均匀的，但边缘部分的情况就不同了，如下图所

11、示，能量密度能量密度内邻近效应内邻近效应互邻互邻近效近效应应无散无散射时射时内邻近效应内邻近效应互邻近效应互邻近效应 邻近效应的后果邻近效应的后果邻近效应的后果邻近效应的后果 (1)对对 L R 的孤立图形，使边缘模糊。的孤立图形，使边缘模糊。(2)对对 L=R 的孤立图形，使边缘曝光不足，图形变小、的孤立图形，使边缘曝光不足，图形变小、变圆，甚至曝不出来。变圆，甚至曝不出来。(3)对间距对间距 a=R 的多个图形的多个图形，使间距变小，甚至相连。，使间距变小，甚至相连。减小电子邻近效应的方法减小电子邻近效应的方法减小电子邻近效应的方法减小电子邻近效应的方法 减小入射电子束的能量（因减小入射电

12、子束的能量（因 随随 E0 先大后小），或采用低先大后小），或采用低原子序数的衬底与光刻胶。原子序数的衬底与光刻胶。修正电子邻近效应的方法修正电子邻近效应的方法修正电子邻近效应的方法修正电子邻近效应的方法 电子束图形电子束图形曝光显影后曝光显影后有邻近效应有邻近效应几何修正几何修正剂量修正剂量修正离子束与固体之间的相互作用有：散射（碰撞）、辐射损离子束与固体之间的相互作用有：散射（碰撞）、辐射损伤（产生位错）、溅射（刻蚀及镀膜）、俘获（离子注入）、伤（产生位错）、溅射（刻蚀及镀膜）、俘获（离子注入）、激发、电离、电子发射、二次离子发射等。激发、电离、电子发射、二次离子发射等。这些效应的强弱随入

13、射离子的能量不同而不同。用于大规这些效应的强弱随入射离子的能量不同而不同。用于大规模集成技术的入射离子能量范围为模集成技术的入射离子能量范围为 三、离子束与固体之间的相互作用三、离子束与固体之间的相互作用三、离子束与固体之间的相互作用三、离子束与固体之间的相互作用刻蚀、镀膜：刻蚀、镀膜：50 k eV 9.2 直写电子束光刻系统直写电子束光刻系统 电子束曝光方式电子束曝光方式电子束曝光方式电子束曝光方式 电子束曝光主要采用无掩模的直写方式（扫描方式），此电子束曝光主要采用无掩模的直写方式（扫描方式），此外也有投影方式，但无接触式。外也有投影方式，但无接触式。直写曝光直写曝光（无掩模）（无掩模）

14、电子束曝光方式电子束曝光方式光栅扫描光栅扫描矢量扫描矢量扫描 投影曝光投影曝光（有掩模）（有掩模）电子束的波长短，因此电子束曝光的分辨率很高，是目前电子束的波长短，因此电子束曝光的分辨率很高，是目前获得深亚微米高分辨率图形的主要手段之一。获得深亚微米高分辨率图形的主要手段之一。电子质量电子质量 m 和加速电压和加速电压 Va 越大，则电子的波长越大，则电子的波长 越小。越小。电子、离子等微观粒子具有波粒二象性，由德布罗意关系电子、离子等微观粒子具有波粒二象性，由德布罗意关系又由又由 代入波长代入波长 中，得中，得 考虑到相对论效应后，考虑到相对论效应后，应修正为应修正为 电子束曝光的加速电压范

15、围一般在电子束曝光的加速电压范围一般在 Va=10 30 kV，这时，这时电子波长电子波长 的范围为的范围为 0.012 0.007 nm。将将 h=6.6210-27 erg/s，q=4.810-10 绝对静电单位，电子绝对静电单位，电子质量质量 m=9.110-27 g 代入，得代入，得 电子束本身的分辨率极高电子束本身的分辨率极高，可以达到，可以达到 0.01 m 以下，但是以下，但是在光刻胶上一般只能获得在光刻胶上一般只能获得 0.1 m 左右的线宽。限制电子束曝光左右的线宽。限制电子束曝光分辨率的因素有，分辨率的因素有，1、光刻胶本身的分辨率、光刻胶本身的分辨率 2、电子在光刻胶中的

16、散射引起的邻近效应、电子在光刻胶中的散射引起的邻近效应 3、对准问题、对准问题 一、直写电子束光刻机工作原理一、直写电子束光刻机工作原理一、直写电子束光刻机工作原理一、直写电子束光刻机工作原理除电子光学柱系统外，还有如真空系统、工件台移动系统等。除电子光学柱系统外，还有如真空系统、工件台移动系统等。数据输入数据输入计算机计算机电子束控制电子束控制工件台控制工件台控制电子枪电子枪光闸光闸硅片硅片电子束电子束聚焦系统聚焦系统偏转系统偏转系统电电子子光光学学柱柱系系统统 二、电子束发射聚焦系统二、电子束发射聚焦系统二、电子束发射聚焦系统二、电子束发射聚焦系统 1 1、电子枪、电子枪、电子枪、电子枪

17、要求：亮度高、均匀性好、束斑小、稳定性好、寿命长。要求：亮度高、均匀性好、束斑小、稳定性好、寿命长。(1)热钨丝电子枪。热钨丝电子枪。束斑直径约为束斑直径约为 30 m。特点是。特点是 简单可简单可靠，对真空度要求低，但亮度低，寿命短，噪声大。靠，对真空度要求低，但亮度低，寿命短，噪声大。(2)LaB6 电子枪。电子枪。是目前流行的电子束光刻机用电子枪是目前流行的电子束光刻机用电子枪，其特点是，其特点是 亮度高，稳定性好，寿命长，但对真空度要求高，亮度高，稳定性好，寿命长，但对真空度要求高，使用条件严格；能散度大，聚焦困难，束斑大。使用条件严格；能散度大，聚焦困难，束斑大。(3)场致发射电子枪

18、。场致发射电子枪。由由 Zr/W/O 材料制造的尖端构成，材料制造的尖端构成，其特点是其特点是 亮度更高，能散度低，束斑小，噪声低，寿命长，但亮度更高，能散度低，束斑小，噪声低，寿命长，但需要的真空度更高，高达需要的真空度更高，高达 1.3310-6 Pa（110 8 Torr），且稳定），且稳定性较差。性较差。2 2、聚焦系统、聚焦系统、聚焦系统、聚焦系统 作用：将电子束斑聚焦到作用：将电子束斑聚焦到 0.1 m 以下。以下。要求：几何像差小、色差小。要求：几何像差小、色差小。结构种类：采用结构种类：采用 2 3 级级 静电透镜静电透镜静电透镜静电透镜 或或 磁透镜磁透镜磁透镜磁透镜 聚焦系

19、统。聚焦系统。磁透镜：由流过线圈的电流产生的一个对称磁场所形成磁透镜：由流过线圈的电流产生的一个对称磁场所形成，对电子束有聚焦作用。对电子束有聚焦作用。三、偏转系统三、偏转系统三、偏转系统三、偏转系统 作用：使电子束发生偏转作用：使电子束发生偏转，在光刻胶上进行扫描与曝光，在光刻胶上进行扫描与曝光，描画出所需要的图形。描画出所需要的图形。要求：偏转像差小，图形清晰，分辨率高，偏转灵敏度高，要求：偏转像差小，图形清晰，分辨率高，偏转灵敏度高，偏转速度快。偏转速度快。结构种类：结构种类：磁偏转磁偏转磁偏转磁偏转 与与 静电偏转静电偏转静电偏转静电偏转。磁偏转器的电感较大，扫描速度较慢；静电偏转器的

20、电容磁偏转器的电感较大，扫描速度较慢；静电偏转器的电容较小，扫描频率较高较小，扫描频率较高，两者相差上万倍。此外，静电偏转器的，两者相差上万倍。此外，静电偏转器的光学性能较好，像差较小。实际使用时，有磁偏转、电偏转、光学性能较好，像差较小。实际使用时，有磁偏转、电偏转、磁磁-电偏转、磁电偏转、磁-磁偏转、电磁偏转、电-电偏转等多种组合方式。偏转器与电偏转等多种组合方式。偏转器与磁透镜之间的位置也有多种组合方式。磁透镜之间的位置也有多种组合方式。1 1、光闸机构控制、光闸机构控制、光闸机构控制、光闸机构控制 采用采用“静电偏转器静电偏转器静电偏转器静电偏转器+光阑光阑光阑光阑”的方式对电子束通断

21、进行控制。的方式对电子束通断进行控制。四、控制系统四、控制系统四、控制系统四、控制系统 对光闸、偏转系统和工件台的移动进行统一协调的控制。对光闸、偏转系统和工件台的移动进行统一协调的控制。静电偏转器静电偏转器光阑光阑当当 V=+E 时时V当当 V=0 时时 2 2、偏转系统扫描控制、偏转系统扫描控制、偏转系统扫描控制、偏转系统扫描控制 只应用于矢量扫描方式，使电子束根据只应用于矢量扫描方式，使电子束根据 VLSI 图形的要求图形的要求做出规定的偏转，完成扫描曝光。做出规定的偏转，完成扫描曝光。1 1、高斯圆形束光柱、高斯圆形束光柱、高斯圆形束光柱、高斯圆形束光柱 采用点光源和圆形光阑，上靶束斑

22、的电流密度在横截面上采用点光源和圆形光阑，上靶束斑的电流密度在横截面上呈二维高斯分布，等流线为圆形。束斑直径为呈二维高斯分布，等流线为圆形。束斑直径为 0.1 1 m，最，最小可达到小可达到 0.01 m。其主要优点是。其主要优点是 分辨率高，制作图形时精细分辨率高，制作图形时精细灵活。主要缺点是灵活。主要缺点是 曝光效率低。曝光效率低。五、电子光学柱的类型五、电子光学柱的类型五、电子光学柱的类型五、电子光学柱的类型 2 2、固定方形束光柱、固定方形束光柱、固定方形束光柱、固定方形束光柱 采用面光源和方形光阑。束斑尺寸一般取为图形的最小特采用面光源和方形光阑。束斑尺寸一般取为图形的最小特征尺寸

23、。主要优点是征尺寸。主要优点是 曝光效率高，主要缺点是曝光不灵活，某曝光效率高，主要缺点是曝光不灵活，某些区域可能被重复曝光而导致曝光过度。些区域可能被重复曝光而导致曝光过度。成形偏转板成形偏转板光阑光阑 1光阑光阑 2通过光阑通过光阑1后形成后形成的固定方形束的固定方形束与光阑与光阑 2 的的相互位置相互位置偏转后的方形束偏转后的方形束通过光阑通过光阑 2 后形成后形成的可变矩形束的可变矩形束 3 3、可变矩形束光柱、可变矩形束光柱、可变矩形束光柱、可变矩形束光柱 主要优点是曝光效率更高，更灵活，且无重复曝光区域。主要优点是曝光效率更高，更灵活，且无重复曝光区域。主要缺点是结构复杂，价格昂贵

24、。但由于它是实现复杂精细图主要缺点是结构复杂，价格昂贵。但由于它是实现复杂精细图形的直接书写、高生产效率曝光的重要手段，已经得到了越来形的直接书写、高生产效率曝光的重要手段，已经得到了越来越多的使用。越多的使用。所产生的矩形束斑的尺寸可按需要随时变化。由两个方形所产生的矩形束斑的尺寸可按需要随时变化。由两个方形光阑和两个光阑和两个 x、y 方向的成形偏转器构成。方向的成形偏转器构成。4 4、三种光柱曝光效率的比较、三种光柱曝光效率的比较、三种光柱曝光效率的比较、三种光柱曝光效率的比较例例例例1 1、10d5d5d10d13d115d2例例例例2 2、1M DRAM 的芯片尺寸为的芯片尺寸为 9

25、.69.6 mm2，最小线宽，最小线宽 1 m，平均曝光面积平均曝光面积 44 mm2，曝光图形约为，曝光图形约为 460 万个。每个万个。每个 4 英寸英寸硅片上可容纳硅片上可容纳 52 个芯片。若采用个芯片。若采用 D=0.25 m 的高斯圆形束的高斯圆形束，每点的曝光时间为每点的曝光时间为 1 s，则单纯用于曝光的时间近，则单纯用于曝光的时间近 4 个小时个小时；若采用可变矩形束，每点的曝光时间为若采用可变矩形束，每点的曝光时间为 1.8 s，则单纯用于曝，则单纯用于曝光的时间仅光的时间仅 7 分钟。分钟。六、直写电子束光刻机的扫描方式六、直写电子束光刻机的扫描方式六、直写电子束光刻机的

26、扫描方式六、直写电子束光刻机的扫描方式 1 1、光栅扫描、光栅扫描、光栅扫描、光栅扫描 采用高斯圆形束。电子束在整个扫描场里作连续扫描，通采用高斯圆形束。电子束在整个扫描场里作连续扫描，通过控制光闸的通断来确定曝光区与非曝光区。过控制光闸的通断来确定曝光区与非曝光区。光栅扫描的优点是光栅扫描的优点是 控制简单，不需对偏转系统进行控制。控制简单，不需对偏转系统进行控制。缺点是缺点是 生产效率低。生产效率低。由于扫描场的范围较小，必须配合工件台的移动来完成对由于扫描场的范围较小，必须配合工件台的移动来完成对整个硅片的曝光。按工件台的移动方式又可分为整个硅片的曝光。按工件台的移动方式又可分为 分步重

27、复光栅分步重复光栅分步重复光栅分步重复光栅扫描扫描扫描扫描 和和和和 连续光栅扫描连续光栅扫描连续光栅扫描连续光栅扫描 两种。两种。2 2、矢量扫描、矢量扫描、矢量扫描、矢量扫描 除高斯圆形束外，也可以采用固定方形束或可变矩形束。除高斯圆形束外，也可以采用固定方形束或可变矩形束。矢量扫描的优点是矢量扫描的优点是 曝光效率高，因为电子束不需对占总面积约曝光效率高，因为电子束不需对占总面积约 60%70%的无图形区域进行扫描，而且可采用可变矩形束。的无图形区域进行扫描，而且可采用可变矩形束。缺点是缺点是 控制系统要复杂一些，因为矢量扫描必须对偏转系统进控制系统要复杂一些，因为矢量扫描必须对偏转系统

28、进行控制，而不象光栅扫描那样采用固定的偏转方式。行控制，而不象光栅扫描那样采用固定的偏转方式。9.3 直写电子束光刻概要和展望直写电子束光刻概要和展望 直写电子束光刻的主要优点是直写电子束光刻的主要优点是 分辨率高，作图灵活。主要分辨率高，作图灵活。主要缺点是缺点是 曝光效率低，控制复杂。为了提高效率，已经开发出了曝光效率低，控制复杂。为了提高效率，已经开发出了高亮度源、矢量扫描系统、与大数值孔径透镜相结合的低感应高亮度源、矢量扫描系统、与大数值孔径透镜相结合的低感应偏转线圈等。但是直写电子束光刻在最好的情况下也比光学光偏转线圈等。但是直写电子束光刻在最好的情况下也比光学光刻系统慢一个数量级。

29、可能的解决方法是使用一种大量电子束刻系统慢一个数量级。可能的解决方法是使用一种大量电子束源同时曝光的多电子束曝光系统，源同时曝光的多电子束曝光系统，直写电子束光刻目前主要用于光刻版的制造。也可用于产直写电子束光刻目前主要用于光刻版的制造。也可用于产量不大，但要求分辨率特别高，图形要经常变化的场合，如高量不大，但要求分辨率特别高，图形要经常变化的场合，如高速速 GaAs 集成电路等。集成电路等。9.4 X 射线源射线源 为了提高分辨率，可以采用波长为了提高分辨率，可以采用波长 =0.2 4 nm 的的 X 射线射线作为曝光的光源。作为曝光的光源。1 1、电子碰撞、电子碰撞、电子碰撞、电子碰撞 X

30、 X 射线源射线源射线源射线源 用高能电子束轰击金属靶（如用高能电子束轰击金属靶（如 Al、W、Mo），使靶金属的），使靶金属的内层束缚电子离开靶材料，当另一个束缚电子去填充这一空位内层束缚电子离开靶材料，当另一个束缚电子去填充这一空位时，即可发射出时，即可发射出 X 射线。射线。这种这种 X 射线源的主要缺点是效率很低，只有几万分之一。射线源的主要缺点是效率很低，只有几万分之一。功率消耗达数万瓦，并产生大量的热。除了用水冷却外，还可功率消耗达数万瓦，并产生大量的热。除了用水冷却外，还可使阳极高速旋转。使阳极高速旋转。2 2、等离子体、等离子体、等离子体、等离子体 X X 射线源射线源射线源射

31、线源 用聚焦的高能电子束或激光束轰击金属薄膜，使之蒸发成用聚焦的高能电子束或激光束轰击金属薄膜，使之蒸发成为等离子体。超热的金属等离子体蒸汽将发射为等离子体。超热的金属等离子体蒸汽将发射 X 射线，波长为射线，波长为 0.8 10 nm。这种这种 X 射线源从激光到射线源从激光到 X 射线的转换效率约为射线的转换效率约为 10%，光强，光强比较强，并有非常小的直径，比较适合于光刻。比较强，并有非常小的直径，比较适合于光刻。X 射线射线硅片硅片 电子在同步加速器中作圆周运动，加速方向与其运动切线电子在同步加速器中作圆周运动，加速方向与其运动切线方向相垂直，在沿运动方向的切线上发射出方向相垂直，在

32、沿运动方向的切线上发射出 X 射线，电子在发射线，电子在发射射 X 射线过程中损失的能量在射频腔中得到补充射线过程中损失的能量在射频腔中得到补充。3 3、同步加速器、同步加速器、同步加速器、同步加速器 X X 射线源射线源射线源射线源 这种这种 X 射线源的亮度最强，效率较高，一台射线源的亮度最强，效率较高，一台 X 射线源可以射线源可以支持多达支持多达 16 台曝光设备。台曝光设备。但这种但这种 X 射线源极其庞大昂贵，电子同步加速器的直径可射线源极其庞大昂贵，电子同步加速器的直径可达达 5 米以上。限制来自磁场方面。如果将来能获得高临界温度米以上。限制来自磁场方面。如果将来能获得高临界温度

33、的超导材料，则利用超导磁场可建立直径约的超导材料，则利用超导磁场可建立直径约 2 米的紧凑型电子米的紧凑型电子同步加速器。此外，这种同步加速器。此外，这种 X 射线源还存在辐射安全问题。射线源还存在辐射安全问题。靶靶电子束电子束X 射线射线掩模版掩模版硅片硅片抽抽气气 由于很难找到合适的材由于很难找到合适的材料对料对 X 射线进行反射和折射，射线进行反射和折射，X 射线透镜的制造是极其困难射线透镜的制造是极其困难的，因此只能采用的，因此只能采用 接近式曝接近式曝接近式曝接近式曝光方式光方式光方式光方式。为使由点光源发射。为使由点光源发射的的 X 射线尽量接近平行光，射线尽量接近平行光，应使光源

34、与掩模的距离尽量应使光源与掩模的距离尽量远。对于大规模集成电路的远。对于大规模集成电路的制造来说，由于受到掩模尺制造来说，由于受到掩模尺寸的限制，只能采用寸的限制，只能采用 步进的步进的步进的步进的 接近方式。接近方式。9.5 接近式接近式 X 射线系统射线系统 光刻用的光刻用的 X 射线波长约为射线波长约为 1nm，可以忽略衍射效应。影响，可以忽略衍射效应。影响 X 射线分辨率的主要因素是由于射线分辨率的主要因素是由于 X 射线源不是严格的点光源而射线源不是严格的点光源而引起的引起的 半影畸变半影畸变半影畸变半影畸变，和由于，和由于 X 射线的发散性而引起的射线的发散性而引起的 几何畸变几何

35、畸变几何畸变几何畸变。要使要使 和和 max 减小，应增大减小，应增大 D 或减小或减小 S。但太大的。但太大的 D 值会值会减小减小 X 射线的强度。另外，由于几何畸变的影响要比半影畸变射线的强度。另外，由于几何畸变的影响要比半影畸变的大，可以采用步进的方法来减小每步曝光的视场尺寸的大，可以采用步进的方法来减小每步曝光的视场尺寸 W，从，从而减小几何畸变而减小几何畸变 max，或在设计掩模版时进行补偿。，或在设计掩模版时进行补偿。例如，若例如，若 d=5 mm，D=400 mm，S=5 m，则半影畸变，则半影畸变=0.06 m。硅片直径要根据所允许的几何畸变硅片直径要根据所允许的几何畸变 m

36、ax 来确定。如果允许来确定。如果允许 max=0.1 m，则，则 W 仅为仅为 16 mm。反之，若。反之，若 W 为为 100 mm，则则 max 会高达会高达 0.6 m。正在研究中的正在研究中的 X 射线透镜射线透镜 1、掠射角金属反射镜、掠射角金属反射镜 2、Kumakhov 透镜透镜 3、多层反射镜、多层反射镜 X 射线光刻工艺最困难的地方之一就是掩模版的制造，对射线光刻工艺最困难的地方之一就是掩模版的制造，对掩模版的基本要求是反差要大，但是对于掩模版的基本要求是反差要大，但是对于 X 射线，当波长小于射线，当波长小于 0.2 nm 时，对绝大部分材料都能穿透；当波长大于时，对绝大

37、部分材料都能穿透；当波长大于 4 nm 时，对时，对绝大部分材料都将被吸收。只有在绝大部分材料都将被吸收。只有在 0.2 nm 4 nm 的范围内，可的范围内，可以用低吸收的轻比重材料如以用低吸收的轻比重材料如 Si、Si3N4、SiC、BN 等制作透光等制作透光部分，厚度约部分，厚度约 2 10 m；用重金属材料如；用重金属材料如 Au、Pt、W、Ta 等等制作不透光部分，厚度约制作不透光部分，厚度约 0.2 0.5 m。9.6 薄膜型掩模版薄膜型掩模版表面掺硼表面掺硼背面氧化背面氧化N-Si背面光刻背面光刻正面蒸金正面蒸金光刻金光刻金腐蚀硅腐蚀硅 由于透光与不透光的材料之间存在较大的应力，

38、使掩模版由于透光与不透光的材料之间存在较大的应力，使掩模版的精度受到影响。正在开发杨氏模量较大的金刚石作为基片，的精度受到影响。正在开发杨氏模量较大的金刚石作为基片，但价格昂贵，加工困难。由于不能采用缩小曝光，给制版造成但价格昂贵，加工困难。由于不能采用缩小曝光，给制版造成困难。此外，掩模版的清洗和维修问题也没有解决。因此至今困难。此外，掩模版的清洗和维修问题也没有解决。因此至今尚无商业化的尚无商业化的 X 射线掩模版的供应。射线掩模版的供应。原来预计，对于原来预计，对于 0.5 m 以下的细线条，必须使用以下的细线条，必须使用 X 射线曝射线曝光。但是随着移相掩模等光学曝光技术的新发展，使光

39、学曝光光。但是随着移相掩模等光学曝光技术的新发展，使光学曝光技术的分辨率极限进入亚波长范围，甚至达到技术的分辨率极限进入亚波长范围，甚至达到 0.1 m 以下，从以下，从而使而使 X 射线曝光在大规模集成电路制造中的实际大量应用将继射线曝光在大规模集成电路制造中的实际大量应用将继续推迟。续推迟。3、可穿透尘埃，对环境的净化程度的要求稍低。、可穿透尘埃，对环境的净化程度的要求稍低。存在的问题存在的问题存在的问题存在的问题 1、X 射线源射线源 2、X 射线难以偏转与聚焦，本身无形成图形的能力，只能射线难以偏转与聚焦，本身无形成图形的能力，只能采用接近式曝光方式，存在半影畸变与几何畸变；采用接近式

40、曝光方式，存在半影畸变与几何畸变；3、薄膜型掩模版的制造工艺复杂，使用不方便。掩模版本、薄膜型掩模版的制造工艺复杂，使用不方便。掩模版本身仍需用传统的光学或电子束方法制造；身仍需用传统的光学或电子束方法制造；接近式接近式 X 射线曝光的射线曝光的 优点优点优点优点 1、可忽略衍射效应和驻波效应，分辨率较高；、可忽略衍射效应和驻波效应，分辨率较高；2、曝光效率高；、曝光效率高；4、对硅片有损伤。、对硅片有损伤。9.7 投影式投影式 X 射线光刻射线光刻 深紫外光（深紫外光（DUV）曝光的波长下限是）曝光的波长下限是 170 nm，这是因为，这是因为当波长小于当波长小于 170 nm 时，在这一范

41、围内唯一可用于掩模版透光部时，在这一范围内唯一可用于掩模版透光部分的玻璃或石英材料会大量吸收光波能。因此即使在使用了移分的玻璃或石英材料会大量吸收光波能。因此即使在使用了移相掩模等先进技术后，利用相掩模等先进技术后，利用 DUV 折射成像曝光所能获得的最折射成像曝光所能获得的最细线宽只能到细线宽只能到 0.1 m。另一方面，。另一方面，X 射线由于难以进行折射和射线由于难以进行折射和反射，只能采用反射，只能采用 1:1 接近式曝光，掩模版的制作极为困难，掩接近式曝光，掩模版的制作极为困难，掩模版与晶片之间缝隙的控制也很不容易。模版与晶片之间缝隙的控制也很不容易。近年来，在能对波长较长的所谓近年

42、来，在能对波长较长的所谓“软软软软 X X 射线射线射线射线”进行反射进行反射的反射镜的研制上取得了重要进展。出现一种采用波长为的反射镜的研制上取得了重要进展。出现一种采用波长为 13 nm 的软的软 X 射线的射线的 4:1 全反射缩小投影曝光技术，获得了全反射缩小投影曝光技术，获得了 0.1 m 线线宽的图形。此技术后来被命名为宽的图形。此技术后来被命名为 极紫外光光刻极紫外光光刻极紫外光光刻极紫外光光刻（EUVL）。）。EUVLEUVL 光刻机示意图光刻机示意图光刻机示意图光刻机示意图 要将要将 EUVL 概念转化为概念转化为 0.1 m 设计规则的技术，需要解决设计规则的技术，需要解决

43、以下多项关键技术难题。以下多项关键技术难题。晶片晶片多涂层多涂层EUV 反射反射成像系统成像系统EUV 光束光束多涂层多涂层EUV 反射反射聚光系统聚光系统高功率高功率激光器激光器激光激光激发激发等离等离子体子体掩模版掩模版 一、一、一、一、EUVEUV 光源光源光源光源 可选择的可选择的 EUV 光源有三种：电子碰撞光源有三种：电子碰撞 X 射线源、激光产生射线源、激光产生的等离子体光源和电子同步加速器辐射源的等离子体光源和电子同步加速器辐射源。从商业角度，目前。从商业角度，目前最被看好的是激光产生的等离子体光源最被看好的是激光产生的等离子体光源，因为这种光源有丰富，因为这种光源有丰富的软的

44、软 X 射线。这种光源的开发需解决以下三个问题，射线。这种光源的开发需解决以下三个问题，1、高平均功率激光器的开发；、高平均功率激光器的开发；2、从激光到、从激光到 EUV 辐射的转换效率；辐射的转换效率；3、无残碎片，以防止聚光系统被损伤或被涂复、无残碎片，以防止聚光系统被损伤或被涂复 二、二、二、二、EUVEUV 涂层涂层涂层涂层 光学研究表明，采用叠片的方式可以获得共振反射，从而光学研究表明，采用叠片的方式可以获得共振反射，从而得到很高的反射率得到很高的反射率。光波波长。光波波长与叠片的等效周期与叠片的等效周期 D 以及入射以及入射角角 之间应满足之间应满足 Bragg 方程方程 当波长

45、很短时当波长很短时，多层叠片可以用多层涂层来实现，多层叠片可以用多层涂层来实现。EUV 光刻技术最大的单项突破就是开发出了精确的多层涂复技术，光刻技术最大的单项突破就是开发出了精确的多层涂复技术，使对使对 EUV 的反射率超过了的反射率超过了 60%。常用涂层材料有常用涂层材料有“Mo-Si”系统与系统与“Mo-Be”系统。已经用系统。已经用“Mo-Si”涂层制成直径为涂层制成直径为 4 英寸的反射镜，在波长为英寸的反射镜，在波长为 13.4 nm 时的反射率为时的反射率为 65 0.5%，涂层周期为，涂层周期为 6.95 0.03 nm。EUV 涂层的技术必须满足以下要求涂层的技术必须满足以

46、下要求 1、能做出具有高反射率的涂层；、能做出具有高反射率的涂层；2、能在反射镜表面各处均匀精确地控制多涂层的周期；、能在反射镜表面各处均匀精确地控制多涂层的周期；3、能精确控制不同反射镜的多涂层周期；、能精确控制不同反射镜的多涂层周期；4、能在掩模版上淀积无缺陷的多涂层；、能在掩模版上淀积无缺陷的多涂层；5、涂层必须长期稳定，能经受住长时间、涂层必须长期稳定，能经受住长时间 EUV 辐射的损伤辐射的损伤及热效应的影响。及热效应的影响。三、精密光学系统三、精密光学系统三、精密光学系统三、精密光学系统 缩小的光学成像系统的制造与计量是缩小的光学成像系统的制造与计量是 EUV 技术中最困难技术中最

47、困难的光学课题。光学系统的部件必须满足的光学课题。光学系统的部件必须满足 1、采用极低热膨胀系数的材料制成；、采用极低热膨胀系数的材料制成；2、反射镜的精度与表面光洁度均应达到、反射镜的精度与表面光洁度均应达到 0.1 nm 的水平。的水平。反射镜数量的选择：为达到最佳成像质量和最大像场，应反射镜数量的选择：为达到最佳成像质量和最大像场，应采用尽可能多的反射镜，但受到光传输效率的限制，所以必须采用尽可能多的反射镜，但受到光传输效率的限制，所以必须在大象场的成像质量和曝光效率之间作折中考虑。在大象场的成像质量和曝光效率之间作折中考虑。已报道了一种已报道了一种 4 镜面的反射缩小系统，镜面的反射缩

48、小系统，NA=0.08，像场，像场缝宽为缝宽为 1 mm，图形分辨率优于，图形分辨率优于 0.1 m。四、掩模版四、掩模版四、掩模版四、掩模版 对全反射系统来说，掩模版的对全反射系统来说，掩模版的“透光透光”部分为有多涂层部分为有多涂层的部分，的部分，“不透光不透光”部分则是覆盖在多涂层上的已制成所需部分则是覆盖在多涂层上的已制成所需图形的金属吸收层。衬底可用硅晶片来制作。图形的金属吸收层。衬底可用硅晶片来制作。EUV掩模版的制掩模版的制作过程，是先在作为衬底的硅晶片上淀积多涂层反射层，接着作过程，是先在作为衬底的硅晶片上淀积多涂层反射层，接着淀积一层保护性过渡薄层及一层金属吸收层。然后通过电

49、子束淀积一层保护性过渡薄层及一层金属吸收层。然后通过电子束光刻工艺在多涂层的上面刻蚀出所需的金属吸收层图形。光刻工艺在多涂层的上面刻蚀出所需的金属吸收层图形。制作无缺陷的掩模版是制作无缺陷的掩模版是 EUVL 技术中最具挑战性的要求。技术中最具挑战性的要求。对普通掩模版的各种缺陷修复方法都无法用于多涂层掩模版，对普通掩模版的各种缺陷修复方法都无法用于多涂层掩模版，唯一的途径就是在大面积范围内实现无缺陷多涂层淀积。为了唯一的途径就是在大面积范围内实现无缺陷多涂层淀积。为了制作成品率大于制作成品率大于 90%的掩模版的掩模版，要求多涂层淀积工艺的缺陷，要求多涂层淀积工艺的缺陷密度小于密度小于 10

50、-3 个个/cm2。五、光刻胶五、光刻胶五、光刻胶五、光刻胶 由于光刻胶对由于光刻胶对 EUV 的吸收深度很浅，只能在光刻胶的表的吸收深度很浅，只能在光刻胶的表面成像，因此必须采用相应的表面成像工艺，例如表面层很薄面成像，因此必须采用相应的表面成像工艺，例如表面层很薄的双层甚至三层光刻胶技术。的双层甚至三层光刻胶技术。此外，此外，EUV 光刻胶需要很高的灵敏度。为达到足够的生产光刻胶需要很高的灵敏度。为达到足够的生产效率，效率，EUV 光刻胶的灵敏度应优于光刻胶的灵敏度应优于 5mJ/cm2。投影电子束曝光技术既有电子束曝光分辨率高的优点，又投影电子束曝光技术既有电子束曝光分辨率高的优点，又有