光刻机和光掩膜版

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1、十三章光刻II光刻机和光掩膜版前几章讲述了光刻胶材料的性质和工艺技术。在这一章里，我们介绍如何将图形转移到硅片表面上，包括以下内容：a)将图形投影到硅片表面的装置（即光刻对准仪或光刻翻版机），由此使得所需图形区域的光刻胶曝光。b)将图形转移到涂有光刻胶的硅片上的工具（即光掩模版和中间掩模版）。在介绍光刻机或掩模版之前，把用以设计和描述操作光刻机的光学原理简要地说明一下。它们是讲明光掩模板和中间掩模版的基础。在讨论光学原理之前，有必要介绍一下微光刻硬件的关键。那就是把图形投影到硅表面的机器和掩模版的最重要的特征：a)分辨率、b)图形套准精度、c)尺寸控制、d)产出

2、率。通常，分辨律是指一个光学系统精确区分目标的能力。特别的，我们所说的微图形加工的最小分辨率是指最小线宽尺寸或机器能充分打印出的区域。然而，和光刻机的分辨率一样，最小尺寸也依赖于光刻胶和刻蚀的技术。关于分辨率的问题将在微光刻光学一章中更彻底的讲解，但要重点强调的是高分辨率通常是光刻机最重要的特性。图形套准精度是衡量被印刷的图形能“匹配”前面印刷图形的一种尺度。由于微光刻应用的特征尺寸非常小，且各层都需正确匹配，所以需要配合紧密。微光刻尺寸控制的要求是以高准度和高精度在完整硅片表面产生器件特征尺寸。为此，首先要在图形转移工具〔光刻掩模版〕上正确地再造出特征图形，然

3、后再准确地在硅片表面印刷出〔翻印或刻蚀〕。加工产率是重要但不是最重要加工特征。例如，如果一个器件只能在低生产率但高分辨率的光刻机制版，这样也许仍然是经济的。不过，在大部分生产应用中，加工和图（1）：一束空间连续光线经过直的边缘时的光强a)依据几何光学b)散射机器的产率是很重要的，也许是选择机器的重要因素之一。1.微光刻光学在大规模集成电路的制造中。光刻系统的分辨率是相当重要的，因为它是微器件尺寸的主要限制。在现代化投影光刻机中光学配件的质量是相当高的，所以图形的特征尺寸因衍射的影响而受限制，而不会是因为镜头的原因(它们被叫做衍射限制系统)。因为分辨率是由衍射限度

4、而决定的，那就必须弄明白围绕衍射限度光学的几个概念，包括一致性、衍射、数值孔径、调频和许多重要调节转换性能。下几节的目的就是要简要和基本地介绍这些内容。参考资料1·2讲得更详细。衍射·一致性·数值孔径和分辨率所有的光刻系统都有光衍射现象。因为光线是从光源经边缘或开孔直接照射出来的。因为衍射的影响，光线扩散到被掩蔽的范围内，屏幕上出现因衍射而产生的图形(看图1和图2)。在屏幕上产生的图形可能是一系列的发散的光线和黑线，它依赖于孔径和掩模版与象屏(例如硅片表面)之间的距离，以及光口的几何形状和光源的纯度。光源的纯度经常跟微光刻的关系不大。因为光刻系统用过滤器选择特定

5、的光波长度，或者选用的光刻胶只对特定范围内的波长敏感。同样需要指出，所有图形边缘的信息只能通过衍射光学得到。如果光孔和光屏的距离很短（与光刻机接触或靠近），就称为Fresnel(或近场)衍射。因为大部分现代光刻系统是投影型的系统，其光孔和光屏的距离很大（例如光刻版到硅片），我们就只讨论弗朗荷费衍射。引用惠更斯原理：波前的每点被认作是新的光波源点。每个这样的惠更斯源都是同相同强。就象图3所示，当初波前通过光孔，新波前就在光孔由源点产生。光源量依赖于光孔的宽度b。光强在光屏上的分布由图2所示，由光源照射到光屏上的所有的光线统计出。图2表明当b>λ(光波长)，衍射的影

6、响来源于波前从不同的距离到达光屏的每点的累加。这是光学微光刻应用中的几何条件（即b≥1.0µm,≤0.43µm)。一致性S是指由一个光源的波前发出的所有同相光线的量度。一个有无限小尺寸的源点是理想的一致光源(图4.a)。因为所有的光刻系统都是有限尺寸的发射光源，在一个平面上的光线表现出的一致性依赖于光源的尺寸（图4.b）、距光屏的距离和光源与光屏之间由光源发出经过可能的光孔得到的光波的角度。我们后面将要说明用投影光刻机制作图形时不需要完美的一致性，部分一致更好。这是很幸运的，因为理想性的光源几乎没有，而且需要很长的曝光时间。决定一个光学系统的分辨率，典型考虑衍射

7、光栅，不仅从实验上而且需要具体的数值分析。衍射光栅由等宽的光线条等距离地间隔排列（叫作栅区ν）。当用纯净的光照射时，光栅可以处理一系列衍射光孔，它将从每个光孔发射相同的衍射图形（在IC生产厂中人们不需要印刷光栅本身，但一系列设计成与光刻系统分辨限制相同的尺寸的相连线有本质相同的结构。后面，这次讨论的原理仍然适用）。…－的图形在光屏上产生光强度图形，它的原理由下式给出：dSinθn=Nλ（1）这里，N＝0,±/1，±2，…是衍射次序；d是光孔之间的距离；θn是衍射图形存在的角度。理论最大值的宽度由所用光孔的数目决定，所有最大值密度由与所有光孔有相同宽度的单个光孔衍

8、射图形给出。在每个光学投