(10)光刻技术分析.ppt

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1第10章光刻技术影响光刻的主要因素为掩膜版、光刻胶和光刻机。掩膜版由透光的衬底材料（石英玻璃）和不透光金属吸取玻璃（主要是金属铬）组成。通常还有一层疼惜膜。光刻胶又称为光致抗蚀剂，是由光敏化合物、基体树脂和有机溶剂等混合而成的胶状液体。光刻胶受到特定波长光线的作用时化学结构发生变更，使光刻胶在特定溶液中的溶解特性变更。正胶和反胶光刻机是曝光工具，是光刻工程的核心部分，其造价昂贵，可称世界上最精密的仪器。 210.1光刻掩模版的制造10.2光刻胶10.3光学辨别率增加技术10.4紫外光曝光技术10.5其它曝光技术10.6光刻设备 310.1光刻掩模版的制造掩模版就是将设计好的特定几何图形通过确定的方法以确定的间距和布局做在基版上，供光刻工艺中重复运用。制造商将设计工程师交付的标准制版数据传送给一个称作图形发生器的设备，图形发生器会依据该数据完成图形的产生和重复，并将版图数据分层转移到各层光刻掩模版（为涂有感光材料的优质玻璃板）上，这就是制版。 4掩模版运用低膨胀系数的熔融石英上淀积金属铬（1000埃）制成。通过电子束直写，将设计图转化为掩模版图形。特征尺寸减小，要求疼惜掩模版避开掉铬、擦伤、颗粒污染和静电放电损伤。 5光刻版 6 7(A)电路图；(B)版图(A)(B) 810.1.1制版工艺简介掩模版的制作流程 910.1.1制版工艺简介硅平面晶体管或基层电路掩膜版的直走，一般来讲要经过原图绘制（版图绘制和刻分层图）、初缩、精缩兼分布重复、复印阴版和复印阳版等几部。在实际制作中，掩膜版制作人员依据图形产生的数据，再加上不同的应用需求及规格，会选用不同的制作流程。 1010.1.1制版工艺简介一般集成电路的制版工艺流程示意图 1110.1.1制版工艺简介版图绘制：在版图设计完成后，一般将其放大100-1000倍，在坐标纸上画出版图总图。刻分层图：生成过程中须要几次光刻版，总图上就含有几个层次的图形。为了分层制出各次光刻版，首先分别在表面贴有红色膜的透亮聚酯塑料胶片（红膜）的红色薄膜层上刻出各个层次的图形，揭掉不要的部分，形成红膜表示的各层次图形。刻红膜 1210.1.1制版工艺简介初缩：对红膜图形进行第一次缩小，得到大小为最终图形十倍的各层初缩版。紧缩兼分布重复：一个大圆片上包含有成千上万个管芯，所用的光刻版上当然就应当重复排列有成千上万个相同的图形。第一是将初缩版的图形进一步缩小为最终的实际大小，并同时进行分布重复；其次是得到可用于光刻的正式掩膜版。干脆由精缩兼分布重复得到的称为模板。 1310.1.1制版工艺简介复印：在集成电路生产的光刻过程中，掩膜版会受磨损产生伤痕。运用确定次数后须要换用新掩膜版。因此得到目版后要接受复印技术复制多块工作掩膜版工光刻用。 14掩模板的基本构造及质量要求掩模版的基本构造 15掩模板的基本构造及质量要求玻璃基片，一般具有低热膨胀系数、低含钠含量、高化学稳定性及高光穿透性等特质；掩膜版之所以可以作为图形转移的模板，关键就在于有无铬膜的存在，有铬膜的地方，光线不能穿越，反之，则光可透过石英玻璃而照射在涂有光刻胶的晶片上，晶片再经过显影，产生不同的图形。 16掩模版上的缺陷一般来自两个方面：一是掩模版图形本身的缺陷，大致包括针孔、黑点、黑区突出、白区突出、边缘不均及刮伤等，此部分皆为制作过程中所出现的，目前是利用目检或机器原形比对等方式来筛选；二是指附着在掩模版上的外来物，为解决此问题，通常在掩模版上装一层疼惜膜。掩模版疼惜膜功能示意图 17掩模板的基本构造及质量要求光刻工艺对掩模版的质量要求归纳有如下几点：①每一个微小图形尺寸精确无畸变。②图形边缘清晰、锋利，无毛刺，过渡区要小。③整套掩模中的各块掩模能很好地套准。④图形与衬底要有足够的反差，透亮区无灰雾。⑤掩模应尽可能做到无缺陷。⑥版面平整、光滑、坚固耐用。 1810.1.3铬版的制备技术铬版工艺的特点如下:①由于金属铬膜与相应的玻璃衬底有很强的粘附性能；质地坚硬。所以耐磨、寿命长。②图形失真小，辨别率极高。③铬膜的光学密度大，搭配透亮衬底，反差极好。④金属铬在空气中特殊稳定。铬膜版制备有两个部分的内容：蒸发蒸镀与光刻技术 1910.1.3铬版的制备技术空白铬版制作工艺流程 201、玻璃基板的选择与制备（1）基板玻璃的选择为保证版的质量，玻璃衬底必需满足如下要求：①热膨胀系数：要求越小越好，对于白玻璃，要求≤9.3×10-6K-1；对于硼硅玻璃，要求≤4.5×10-6K-1；对于石英玻璃，要求≤0.5×10-6K-1。②透射率：在360nm以上的波长范围内，透射率在90%以上。③化学稳定性：掩模版在运用和储存过程中，很难确定避开与酸、碱、水和其它气氛接触。它们对玻璃都有不同程度的溶解力。④选择方法：表面光泽，无突起点、凹陷、划痕和气泡，版面平整。厚度适中、匀整。对于接触式曝光，为能承受接触复印压力，厚度应在3mm以上。 21（2）玻璃基板的制备选择好的制版玻璃，通过切割、铣边、例棱、倒角、粗磨、精磨、厚度分类、粗抛、精抛、超声清洗、检验、平坦度分类等工序后，制成待用的衬底玻璃。2、铬膜的蒸发铬版通常接受纯度99%以上的铬粉作为蒸发源，把其装在加热用的钼舟内进行蒸发。蒸发前应把真空度抽至10-3mmHg以上，被蒸发的玻璃需加热。其它如预热等步骤与蒸铝工艺相像。 223、蒸发后对铬膜的质量检查从真空室中取出蒸好的铬版，用丙酮棉球擦洗表面，然后放在白炽灯前视察。检查铬层有否针孔，厚度是否匀整，厚薄是否适当。假如铬膜太厚，腐蚀时简洁钻蚀，影响光刻质量。太薄则反差不够高。铬膜的厚度可用透过铬版视察白炽灯丝亮度的方法，依据阅历推断；精确的厚度必需用测厚仪测量。铬膜质量不好的常见毛病是针孔，产生缘由主要是玻璃基片的清洁度不够好，有水汽吸附，铬粉不纯，表面存在尘埃等。 2310.1.3铬版的制备技术4、铬膜质量（1）膜厚（2）匀整性（3）针孔（4）坚实度 2410.1.4彩色版制备技术彩色版是一种接受新型的透亮或半透亮掩模，因有颜色，即俗称彩色版，它可克服超微粒干版缺陷多，耐磨性差及铬版针孔多、易反光、不易对准等缺点。彩色版的最主要特点是对曝光光源波长不透亮，而对于视察光源波长透亮。彩色版种类很多，有氧化铁版、硅版、氧化铬版、氧化亚铜版等，目前应用较广的是氧化铁彩色版。氧化铁具备作为选择透亮掩模材料的全部要求的最佳的化学和物理特性。据报道，在紫外区（300~400nm）的透射率小于1%，在可见光区（400~800nm）透射率大于30%。 25氧化铁版在运用上还有以下优点：①在视察光源波长下是透亮的，而在曝光光源波长下是不透亮的。②反射率较低的。③克服光晕效应。④结构致密且无定形，针孔少。⑤与玻璃粘附性好、比较耐磨。⑥复印腐蚀特性比较好。 2610.1.5光刻制版面临的挑战1、传统光学光刻及制版技术面临的挑战2、掩模制造设备面临的挑战3、越来越重要的DFM（DesignforManufacturing）4、掩模版检测技术的发展趋势 27 28 2910.2光刻胶（PR-光阻）光刻时接受图像的介质称为光刻胶。以光刻胶构成的图形作为掩膜对薄膜进行腐蚀，图形就转移到晶片表面的薄膜上了，所以也将光刻胶称为光致抗蚀剂。光刻胶在特定波长的光线下曝光，其结构发生变更。假如胶的曝光区在显影中除去，称为正胶；反之为负胶。 30运用光刻胶的目的：将掩膜版图案转移到硅片表面顶层的光刻胶中；在后续工艺中，疼惜下面的材料；随着尺寸的越来越小，须要留意和改进的几个点：更好的图形清晰度、黏附性、匀整性、增加工艺容度。 3110.2光刻胶聚合物材料：聚合物在广德照射下不发生化学反应，其主要作用是保证光刻胶薄膜的附着性和抗腐蚀性；使胶具有确定的粘度，能匀整涂覆；感光材料：感光材料一般为复合物（简称PAC或感光剂）。感光剂在受光辐照之后会发生化学反应。正胶的感光剂在未曝光区域起抑制作用，可以减慢光刻胶在显影液中的溶解速度。在正性光刻胶暴露于光线时有化学反应，是抑制剂变成感光剂，从而增加了胶的溶解速度。溶剂：它的作用是可以限制光刻胶机械性能，使其在被涂到硅片表面之前保持液态。1、组成 32按曝光区在显影中被去除或保留来划分：正（性）胶负（性）胶按其用途划分：光学光刻胶电子抗蚀剂X-射线抗蚀剂2、分类 3310.2.1光刻胶的特征量响应波长灵敏度，又称光敏度，指最小曝光剂量E0抗蚀性，指耐酸、碱实力黏滞性，指流淌特性的定量指标黏附性，指与硅、二氧化硅表面结合力的大小光刻胶的膨胀微粒数量和金属含量储存寿命 3410.2.2光学光刻胶响应波长在紫光和近、中、远紫外线的光刻胶称为光学光刻胶。其中紫光和近紫外线正、负胶有多种，用途特殊广泛。 351、正胶目前用得最多的胶，曝光后，窗口处的胶膜被显影液除去。当前常用正胶为DQN，组成为光敏剂重氮醌(DQ)，碱溶性的酚醛树脂(N)，和溶剂二甲苯等。响应波长330-430nm胶膜厚1-3μm，显影液是氢氧化钠等碱性物质。 361、正胶正胶IC主导 37DQN显影原理曝光的重氮醌退化，易溶于显影液，未曝光的重氮醌和树脂构成的胶膜难溶于碱性显影液。光刻胶曝光、水解和显影过程中的化学反应方程 382、负胶最早用的光刻胶。曝光后，窗口处的胶膜保留，未曝光的胶膜被显影液除去，图形发生反转。负胶多由长链高分子有机物组成。如由顺聚异戊二烯和对辐照敏感的交联剂，以及溶剂组成得负胶，响应波长330-430nm，胶膜厚度0.3-1μm，显影液二甲苯等。 392、负胶负胶 40顺聚异戊二烯负胶显影原理曝光的顺聚异戊二烯在交联剂作用下交联，成为体型高分子，并固化，不再溶于有机溶剂构成的显影液，而未曝光的长链高分子溶于显影液，显影时被去掉。顺聚异戊二烯+交联剂hv固化为体型分子 413正、负胶比较正胶，显影简洁，图形边缘齐，无溶涨现象，光刻的辨别率高，去胶也较简洁。负胶显影后保留区的胶膜是交联高分子，在显影时，吸取显影液而溶涨，另外，交联反应是局部的，边界不齐，所以图形辨别率下降。光刻后硬化的胶膜也较难去除。但负胶比正胶相抗蚀性强。 42正胶和负胶进行图形转移示意图 43其他光刻胶：电子束光刻胶：也是涂在衬底表面用来实现图形传递的物质，通过电子束曝光使得光刻胶层形成所须要的图形。通常用于非光学光刻中的光刻胶由长链碳聚合物组成。在相邻链上碳聚合物接受电子束照射的原子会产生移位，导致碳原子干脆键合，这一过程称为交联。高度交联的分子在显影液中溶解缓慢。X射线光刻胶： 4410.3光学辨别率增加技术光学辨别率增加技术包括：移相掩模技术（phaseshiftmask)、离轴照明技术(off-axisillumination)、光学邻近效应校正技术(opticalproximitycorrection)、光瞳滤波技术（pupilfilteringtechnology）等。 4510.3.1移相掩模技术移相掩模的基本原理是在光掩模的某些透亮图形上增加或削减一个透亮的介质层，称移相器，使光波通过这个介质层后产生180°的位相差，与邻近透亮区域透过的光波产生干涉，抵消图形边缘的光衍射效应，从而提高图形曝光辨别率。移相掩模技术被认为是最有希望拓展光学光刻辨别率的技术之一。 46通过移相层后光波与正常光波产生的相位差可用下式表达：式中d——移相器厚度；n——移相器介质的折射率；λ——光波波长。 47附加材料造成光学路迳差异，达到反相 4810.3.1移相掩模技术移相掩模的主要类型有：交替式PSM衰减型PSM边缘增加型PSM无铬PSM混合PSM 4910.3.2离轴照明技术离轴照明技术是指在投影光刻机中全部照明掩模的光线都与主光轴方向有确定夹角，照明光经过掩模衍射后，通过投影光刻物镜成像时，仍无光线沿主光轴方向传播。是被认为最有希望拓展光学光刻辨别率的一种技术之一。它能大幅提高投影光学光刻系统的辨别率和增大焦深。离轴照明的种类有：二极照明、四极照明、环形照明等。 50可以减小对辨别率的限制、增加成像的焦深且提高了MTF 51部分相干照明(σ)时，传统光刻截止辨别率为R传统＝λ/2NA(1+σ)。离轴照明时，所照明光都与主光轴有确定的夹角，光经过掩模衍射，由投影透镜成像时，系统截止频率为式中，θ为照明倾斜角。明显离轴照明技术有利：提高辨别率。 52OAI的原理例如：当1＝NA（1＋S）时，R可以提高1倍！ 53实现方式：环形照明四极照明两极照明在投影曝光系统中，掩模图形的空间像的对比度（MTF）依靠于投影物镜中参与成像的1级以上衍射光的比例。由于收集了较多高频信号，离轴照明技术通过降低成像光束中的低频成分来提高高频成分在总光强中的比例，从而提高了空间像的对比度。 5410.3.3光学邻近效应校正技术光学邻近效应是指在光刻过程中，由于掩模上相邻微细图形的衍射光相互干涉而造成像面光强分布发生变更，使曝光得到的图形偏离掩模设计所要求的尺寸和形态。这些畸变将对集成电路的电学性质产生较大的影响。光刻图形的特征尺寸越接近于投影光学光刻系统的极限辨别率时，邻近效应就越明显。光学邻近效应校正技术，是在掩膜设计是接受将图形预先畸变的方法对光学邻近效应加以校正，使光刻后能得到符合设计要求的电路图形。光学邻近效应校正的种类有：线条偏置法、形态调整法、加衬线法、微型灰度法。 5510.3.3光学邻近效应校正技术OPC实例 5610.3.4光瞳滤波技术光瞳滤波技术就是利用滤波器适当调整投影光学光刻成像系统的光瞳处掩模频谱的零级光与高频光的振幅或相位的关系，使高频光部分尽量多的通过，削减低频光的通过，从而提高光刻图形成像对比度，达到提高光刻辨别率和增大焦深的目的。光瞳滤波的种类有：振幅滤波、相位滤波和复合滤波。 57光瞳滤波技术须要解决的问题：①不同的掩模图形对应不同的最优滤波器，这要求滤波器在光瞳面上易于取放；②滤波器在光瞳面内与掩模频谱的精确对准问题；③滤波器对强紫外光长时间的吸取和反射引起的热量问题；④滤波器的材料和移相器的制造还需作大量探讨。 5810.4紫外线曝光技术光刻技术可利用可见光、近紫外光、中紫外光、深紫外光、真空紫外光、极紫外光、X-光等光源对光刻胶进行照射；其它曝光技术的主要有：电子束光刻、X-射线光刻、离子束光刻；以UV和DUV光源发展起来的曝光方法主要有：接近式曝光、接触式曝光和投影式曝光。 5910.5其他曝光技术光刻技术可利用可见光、近紫外光、中紫外光、深紫外光、真空紫外光、极紫外光、X-光等光源对光刻胶进行照射；其它曝光技术的主要有：电子束光刻、X-射线光刻、离子束光刻；以UV和DUV光源发展起来的曝光方法主要有：接近式曝光、接触式曝光和投影式曝光。 60电子束光刻电子束光刻是接受电子束光刻机进行的光刻，有两种方式：一是在一台设备中既发生图形又进行光刻，就是直写光刻（不用光刻板的光刻）；另一种是两个系统，制版和光刻分别进行。电子束光刻已应用于制造高精度掩模版、移相掩膜版和x射线掩模版。 61目前电子束直写可实现0.36um线宽 62电子束光刻电子抗蚀剂对10-30kV的电子束灵敏，有正性抗蚀剂，负性抗蚀剂。常用的正性抗蚀剂有PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯）胶，辨别率可达10nm。EBR-9（丙烯酸盐基类），灵敏度比PMMA高10倍，最小辨别率只有0.2μm。 63电子束的散射有前向散射和背散射，背散射角大，是造成邻近效应的主要缘由 6410.5.2X射线光刻以高强度的电子束轰击金属靶材，使其放射X射线，X射线作为曝光光源，λ在0.2-4nm。掩膜版：为了X-射线能够透过，掩膜版很薄，对X射线透亮的Si、SiN、BN和聚酯薄膜为基片在上面淀积金薄膜，以此作为空白版，金膜能吸取X射线，以电子束制版方法制备掩膜版版。 65影响分辨率的不是衍射，而是半阴影和几何畸变 66在电子抗蚀剂中加入铯、铊等，能增加抗蚀剂对X-射线的吸取实力，可以使之作为X-射线抗蚀剂。如PMMA。 67同步辐射x射线源，是利用高能电子束在磁场中沿曲线轨道运动时发出的。同步辐射方向性强，准直性好，可以近似看作平行光源。光源的线度尺寸约为1mm，所以半阴影效应和几何畸变可以忽视。同步辐射x射线光学系统 6810.5.3离子束光刻离子束注入，是利用元素离子本身所具有的化学性质--掺杂效应，通过将高能杂质离子注入到半导体晶体表面，以变更晶体表面的化学性质和物理性质；另一方面则可以利用离子本身具有的能量来实现各种工艺目的。依据离子能量的不同，工艺目的也不同，如离子能量在10keV以下时，离子束常被用来作为离子束刻蚀和离子束外延；当能量在几十至70keV时，则被用作离子束曝光。 69聚焦离子束系统截面示意图 70无版光刻代替光学光刻实现精细的图形化可以将总掩膜成本降低60% 7110.5.4新技术展望1、浸入式光刻技术45,32,22nmTechnologynodes譬如用水替代空气全氟聚烷基醚油 72提高193nmArF浸入式光刻机NA的方案NA解决方案1.37水+平面镜头+石英光学材料1.42第二代浸入液+平面镜头+光学石英材料1.55第二代浸入液+弯曲主镜头+光学石英材料1.65第三代浸入液+新光学镜头材料+新光刻胶1.75第三代浸入液+新光学镜头材料+半场尺寸 732、纳米压印光刻现有的主流纳米压印光刻 743、极紫外光刻（EUV）极紫外光刻原理图 75较新设备由ASML研发——NXE:3100（试产型），可实现18nm关键尺寸，造价超过一亿美元每小时加工5片晶圆。预料可实现60片/小时的产量目标。有说法：EUV光刻机必需能维持80片/小时的产量，光刻机厂商才有可能从中获得稳定收入。 76NXE:3100 774、无掩模光刻(ML2)光学无掩模光刻示意图带电粒子无掩模光刻示意图 7810.6光刻设备从平面工艺诞生以来，光刻设备可以分为五代。每一代又以那个时期获得CD和辨别率所需的设备类型为代表。这五个精细光刻时代的代表是：接触式光刻机；接近式光刻机；扫描投影光刻机；分步重复投影光刻机；步进扫描光刻机。 79接触式光刻机接触式光刻机系统 8010.6.2接近式光刻机接近式光刻机上的边缘衍射和表面反射 81扫描投影光刻机扫描投影光刻机 82分步重复投影光刻机步进光刻机的曝光场 8310.6.5步进扫描投影光刻机步进扫描光刻机的曝光场 8410.6.6光刻设备的发展趋势1、光刻设备加工硅片大尺寸化、单片化、高精度化和全自动化2、设备制造商垄断化3、设备高价格化4、设备研制联合化 85本章重点光刻掩模板的制造光刻胶光学辨别率增加技术紫外光曝光技术其它曝光技术光刻设备