掩模板光刻工艺研究

第一章绪论
光掩膜简介
光掩膜版(Pho tom as k)又称光罩，是在含有金属薄膜的玻璃基板(Bl an k s)上形成复杂几何图形(G eo m etry)的图形转移母板即俗称的M a sk。

在半导体的曝光制程中，利用光掩膜版以及曝光的手段就能够在硅基板上形成电路图形。

集成电路设计公司工艺完成产品版图的开发后，将原始设计数据交付专业的晶片代工厂进行器件制造。

由于考虑到生产效率和制造工艺中需要加入的一系列复杂的校正和补偿处理，通常来说在量产阶段，一般工厂直接不会采用此设计数据直接用于曝光工艺。

光掩膜板的制造基于原始设计图形，加入光学临近效应补偿，通过计算机辅助系统处理，使用激光或电子束曝光的手法将经过修正后的设计图形移植到透光性能良好的石英基板，经过后续蚀刻和检验修补工艺的这类石英基板就叫做光掩膜板。

图1.1光掩膜样品
这一部分是从版图到w afer制造中间流程衔接的关键部分，是流程中造价最高的一部分，也是限制最小线宽的瓶颈之一。

光掩膜除了应用于芯片制造外，还广泛的应用与像L C D，P C B等方面。

常见的光掩膜的种类有四种，铬版(c hrom e)、干版，凸版、液体凸版。

主要分两个组成部分，基板和不透光材料。

基板通常是高纯度，低反射率，低热膨胀系数的石英玻璃。

铬版的不透光层是通过溅射的方
法镀在玻璃下方厚约0.lum的铬层。

铬的硬度比玻璃略小，虽不易受损但有可能被玻璃所伤害。

应用于芯片制造的光掩膜为高敏感度的铬版。

干版涂附的乳胶，硬度小且易吸附灰尘，不过干版还有包膜和超微颗粒干版，其中后者可以应用于芯片制造。

光掩膜的作用
光掩膜板同时包含了设计者的版图信息和必要的晶片代工厂工艺修正信息，工厂通过光刻工艺将这些掩膜板的图形投影到硅片上，进行大规模重复性量产，这个过程就与现代印刷工业类似，光掩膜板相当于印刷母板。

由于在制作过程中存在一定的设备或工艺局限，光掩膜的上图形并不可能与设计图象完全一致，这就是说在后续的硅片制造过程中，掩膜板上的制造缺陷和误差也会伴随着光刻工艺被引入到芯片制造进程。

所以光掩膜板的品质将直接影响到芯片的良率和稳定性。

光掩膜有掩膜原版(r et ic l e m ask，也有称为中间掩膜，re t i cl e作为单位译为光栅)，用步进机重复将比例缩小到m as t er m ask上，应用到实际曝光中的为工作掩膜(w orki n g m ask)，工作掩膜由m ast er m ask复制过来。

将电路版图通过光刻成像到晶片上，经过复杂的工艺流程，而后由晶片封装厂封装测试后，即为市面上所见的集成电路芯片(IC)。

图1.2光掩膜在IC中的作用。

芯片制造过程
︸︸
图1.2光掩膜在IC中的作用
2光掩膜的结构
目前光掩膜版的基板材料，较常被使用的有石英玻璃和苏打玻璃(S oda一l而e)玻璃两种。

苏打玻璃较多被应用在ST N一L C D口I N一L C D、F E D、E L等产品的生产上，而用于T F T一L C D的光掩膜版，由于热膨胀率小，所以尺寸精度要求较高，并且因为需要有90%以上的良好透光率，因此采用了能实现高精细程度Ge om etr y的石英玻璃。

而利用铬元素作为遮光材料的理由是，铬不但可以镀出均一的厚度，并且在蚀刻制程中还能加工出精细的线路，实现更高分辨率的目标，而且光掩膜版上的铬是一种无毒害无污染的元素，符合Ro hs安全管控标准，所以目前就用来光掩膜版的遮光材料这一方面，可以说目前还没有比金属铬更合适的材料。

光掩膜一般选用透光性比较好的石英玻璃做衬底，并用金属铬覆盖整个衬底面积作为遮光层，这个铬层会通过制图形成硅片电路的基层图形(例如孔、线条等)，与石英玻璃相对应在掩膜板上形成透光区和非透光区域。

铬的厚度通常小于1000人并且是溅射沉积的。

铬上还会有一层氧化铬作为抗反射层，厚度通常为200人，用于吸收光刻过程中在晶片表面产生的额外光刻能量的增益。

常见的光掩膜分为普通二进制仍IN A R Y M A S K)光掩膜和相位移(PS M)光掩膜，随着芯片设计上关键尺寸线宽的减小，自0.18ul n技术接点开始，连接栅氧化层的重要掩膜己经切入P SM工艺。

对于P SM光掩膜来说，与B IN A R Y入4A SK的重要差异来自于还有一层具有6%穿透率的M os i界于Cr和石英基板之间，图1.3所示。

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相位移材料
图1.3掩膜版材料组成
通常温度和湿度的改变将引起材料一定程度上的形变，从而造成掩膜板上图象的细小位移及线宽的改变。

之所以选择石英玻璃作为光掩膜的衬底，是由于石英玻璃相对其他玻璃在热膨胀和硬度等物理属性上的优势，使得它对自然环境的影响如温度，湿度，压力有比较大的容忍性。

也就是说，石英玻璃光掩膜在使用环境上相对其他材料对工艺生产环境的要求较低。

这就意味着光掩膜板能保持C D的稳定和在特定波长光源照射下的高穿透度。

表1.1，1.2以及图1.4分别为石英与其他玻璃的各种性能比较。

此外，一块好的石英基板对其厚度，光密度，平整度也有严格的要求。

表1.1石英玻璃和其它玻璃硬度比较
玻玻璞种类类浅卜‘丫甲碑，，弓触触碱硅玻璃璃石英玻璃璃
界
刃刃、丁J双j界
硬硬度540006577761555
表1.2石英玻璃和其它玻璃热膨胀系数比较
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一n 甘八沙八甘几吕6 42透光度︵米︶20O 300400波长伽叻图1 .4石英玻璃和其它玻璃透光度比较
光掩膜的缩影和尺寸
投影光掩膜被用在步进式光刻机(S te p per)和扫描式光刻机(S can n er)，需要缩
小透镜来减少形成图案时的套准精度，通常缩小比例为4:1。

当前大多数光掩膜都是6X 6英寸(1 52.4~
)，也有少量5X 5英寸的光掩膜。

光掩膜的厚度通常是0.09”到0.25”。

投影掩膜板的优点:1、投影掩膜板的特征尺寸较大(4x)，掩膜板制造更加容易;2、掩膜板上的缺陷会缩小转移到硅片上，对图形复制的危害减小;3、使曝光的均匀度提高。

1.1.3光学增强技术
随着硅片关键尺寸减小到特征尺寸为0.巧um 及以下，衍射和散射这些因素阻止把光掩膜上的图形有效的转印到硅片上。

光学增强技术正用于改善图象质量和分辨率。

这己经成为光学光刻的一个重要领域，被称为亚波长光刻，使得在硅片上光刻出分辨率稍微低于曝光波长成为可能。

相位移掩膜技术
相移掩膜技术(P SM )是1982年发展起来的方法，用来克服光通过光掩膜上小孔发生衍射的相关问题。

通过相移掩膜技术，投影掩膜版被一层附加透明层修正以改变透光区域使光相相差180度，如图7所示。

就像我们熟知异相波的干涉，这里进行的是相消干涉，透光区的衍射光波与半穿透区的反相光波产生相消干涉，这样不透明区域下的光衍射就减小了。

光掩膜的相位移技术改善了图象对比度，并且己经成为0.18ul n 及以下技术节点关键层光掩膜的主流技术。

有多种
实现相位移技术的方法，它采用相同的基本思想，但它们都采用相消干涉原理为基础。

图 1.5表述的是E P S M光掩膜的原理。

光源
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图1.5P SM光掩膜相位移原理
(a)
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图1，6P SM光掩膜的工作过程
光学临近修正(O P C)
特征尺寸的均匀性对实现高性能的集成电路非常关键，特别是在晶体管栅
区，这里线宽变化将影响器件的速度。

由于光掩膜上距离很近结构间的光衍射和
干涉引起光学临近效应，尽管光掩膜上两者具有相同的线宽尺寸，光刻图象的线
宽受附近结构影响密集成组的线条将光刻出与弧立线条不同的尺寸。

这个特别的
例子被称为等密度偏差。

引入可选择的图象尺寸偏差到光掩膜图形上，来补偿光学临近效应是可能
的，这被称做光学临近修正(O P C )。

光掩膜设计者可以利用计算机算法，对光
掩膜上小特征尺寸生成光学临近修正。

然而在这种控制水平上生产光掩膜是一种
挑战，特别是因为C D 特征尺寸已经极小。

当关键尺寸减小到小于o.18um 时，
具有挑战性的定标尺寸将要求增加使用O P C ，这将使光掩膜制造更加复杂。

图
1.7为图形加不加O P C 和加O P C 在硅片上的效果。

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O P C 图 1.7实际产品中的O P C 类型(S E M 图)
2光掩膜制作流程
通常在光罩上形成图形的基本步骤和硅片相似，据处理部分和工艺制造部分。

1，数据转换将如G D Sll 版图格式分层，运算，的数据形式。

一般来说光罩的制作分为数
格式转换为光刻设备所知
2，图形产生通过电子束或激光进行图形曝光。

3，光阻显影曝光多余图形，以便进行蚀刻。

4，铬层刻蚀对铬层进行刻蚀，保留图形。

5，去除光阻去除多余光刻胶。

6，尺寸测量测量关键尺寸和检测图形定位。

7，初始清洗清洗并检测作为准备。

8，缺陷检测检测针孔或残余未蚀刻尽的图形
9，缺陷补偿对缺陷进行修补。

10，再次清洗清洗为加保护膜版作准备
11，加保护膜保护膜(P el l ic l e)加在主体之上，这防止灰尘的吸附及伤害。

12，最后检查对光掩膜作最后检测工作，以确保光罩的正确。

光掩膜的基本检查大体有:基板，名称，版别，图形，排列，膜层关系，伤痕，图形边缘，微小尺寸，绝对尺寸，缺欠检查等。

2.1M ask数据处理流程
IC设计者将设计好的电路版图以G D Sll格式的文件交由M ask ho us e，M ask H ou se的D at a处理部门将图形做O P C处理，并在空旷区域加上D~y图形。

在将处理完的图形转化为两份不同格式的文件，一份作为W ri t er数据直写使用，一部分作为缺陷的数据库检测使用，如图1.8。

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图 1.8M a sk数据处理
图 1.9M as k工艺制作流程
因本课题主要是解决前端光刻工艺参数调整优化来改善掩膜板质量，因此重
点介绍前段的电子束光刻和显影工艺部分，图1.10为工艺前段的流程:
双.G:误差反馈，工艺参数调整，然后重工
O K O K I光襄l，I显影l，l廊lj.，r一去胶I，I线宽量测，，!图像位置量测l，.后端检验工艺l
N.G，误差反馈，设备参数调整，然后重工
图 1.10M ask前段工艺制作流程
3选题的背景和目的意义
光掩膜工艺技术及其特征尺寸随着半导体器件设计规则的显著缩小，传统激
光光刻工艺极限分辨率由于受到自身光源波长限制，己经远远不能满足纳米工艺
光罩制造的要求。

目前，世界各国所提出的和正在研究的新一代光刻技术有，电子束直写(E B D助技术，电子束散射角度限制投影曝光技术，(S C AL P E L)，极紫外(E U V)，
反射投影技术，软X涉嫌投影技术，聚焦离子束任IB)，成像技术，离子束投影
表2一1.应用于掩模版制作的典型电子束曝光机型参数公公司应用材料迎O L L H百唁物t址
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直直写策略变形束变形束
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最最大掩模
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2.2 2.2
电子束曝光系统的原理和关键技术
电子曝光系统构造
电子束曝光系统需要具有的部件主要有:电子束的聚焦偏转、产生电子束、
图形数据的转化为控制信号、工件台的移动，这些功能的实现都有对应的关键部件。

另外还必需具有维持整个系统正常运转的电源、计算机控制系统和冷却系统，真空系统等。

这些精密部件经过整合使电子束曝光系统通过聚焦良好的电子束来完成预制作图形的曝光。

因此，图2一1为电子束曝光系统的构造示意图，图中列出了关键部件。

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2.1为电子束曝光系统的构造示意图
2.2.2电子束曝光系统扫描方式
电子束曝光系统可以如以下方式进行分类:1、以扫描方式;;2、以曝光方式3.以电子束束斑的形状
以扫描方式，可以分为光栅扫描方式和矢量扫描方式，分别见图 2.2(a)和(b)。

光栅扫描方式中电子束在整张光掩膜板上做遍历式连续扫描，但电子束只在图形区做有效照射;在非图形区时，通过控制器对电子束加以磁场影响，使其在电子光柱中行进方向发生偏转，最终被光柱内隔离挡板所阻断，从而不能在光掩膜上形成电子束注入。

矢量扫描方式中电子束只在图形区域扫描曝光，而非曝光区域则由控制系统驱动工作台快速驶离，直接到达下一个图形区域。

这两种扫描方式各自有其优势，在图形密度相对比较少的掩膜板上，矢量扫描方式能最大限度的减少不必要的工作台频繁移动时间，优化曝光工作时间;而在复杂，高数据密度的掩膜板上，光栅扫描方式则以固定的工作台移动时间能保证稳定的生产速度。

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图2一2(a)矢量扫描方式伪)光榻扫描方式
以曝光方式，目前的商业电子束曝光设备可以大致分为两种方式，即扫描式和投影式。

扫描曝光方式设备产生连续稳定的电子，经过电子光柱调整后输出一定大小和可变形态斑束，按照一定的步距逐点扫描曝光而最终完成整体图形的曝光。

扫描电子束曝光系统是目前商品化电子束曝光机的主要类型。

由于需要逐点扫描，这种方式的曝光效率较低。

然而，聚焦的高能电子可以达到纳米级甚至亚纳米级的束斑，因而可以达到非常高的图形分辨率。

投影电子束曝光方式类似于光学投影曝光，在这种方式中，大直径的电子束照射并穿透特制的镂空掩模，从而将掩模图形复制到基片的敏感胶层上，这样可以利用电子束波长极短的优点的同时克服直写系统效率低的缺点。

但投影曝光系统在掩模制作和对准技术方面仍然存在较大的困难，因而这类系统还并不成熟。

以电子束的形状，可以分为固定大小形态电子束斑可变形态电子束斑，和高斯圆形电子束斑。

人们开发了可以形成高电流密度方形束斑的电子光学柱，这种设备具有相当高的曝光效率，曝光中由方形束斑逐块拼接成需要的图形。

成形束曝光方式又可以分为固定大小形态电子束斑可变形态电子束斑，固定成形束斑尺寸通常限定了掩膜版图上的可控最小线宽尺寸;可变成形束的束斑尺寸可以按图形的需要随时变化。

固定成形束斑系统提高了曝光效率，但限制了光刻最小分辨率;而可变矩形形束具曝光速度较快，同时有较高的分辨率，广泛应用于集成电路掩模版的制作，目前商用的掩膜板电子曝光机基本上都采用这种可变电子束形态进行生产。

另外一种是电子光柱产生是圆形束斑，并且其电流密度呈高斯分布。

高斯圆形束的直径可以达到纳米级甚至亚纳米级，是现有不同形状束斑中分辨率最高的一种曝光方式，这种设备目前在实验室中被广泛使用于无掩膜晶片直接曝光工艺。

图2一3列出了上述三种曝光方式的区别。

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2.3电子束光刻机重要部件介绍
电子束曝光设备是随着各种关键技术的不断突破和完善而迅速发展起来的，
这些关键技术包括有掩膜板载物台，电子光学系统、数据控制技术等。

掩膜板载物台
生产过程中，掩膜板被放置在载物台上载在真空环境中做光栅或矢量扫描曝
光。

载物台的功能是确保整个曝光过程中掩膜板被实时精确定位，并且与载物台
没有任何相对位置移动。

掩膜板载物台共有以下主要部件构成:导轨，干涉激光
发生器，载物台反射镜面，以及掩膜板托盘。

整个载物台由两个方向的水平导轨
驱动完成曝光过程中的移动，并以两侧的干涉激光分别对反射镜面所反馈的信号
做实时处理，得到当前载物台的位置。

以矢量扫描曝光方式为例，当完成一个图
形的曝光任务后，由激光定位系统确定当前的载物台坐标，并由光刻机数据控制
器单元计算出下一目标图形曝光起始坐标，驱动导轨做精确移动再开始后续曝光
工作。

由于设备只能对载物台做精确位置定位，所以掩膜板必须在整个曝光过程
中相对载物台不发生任何细微的位移。

托盘的功能是将掩膜板固定在载物台上，
它是一个特制尺寸磨具的卡槽。

当掩膜板由传送系统推送入这个卡槽后，先被内
部夹具以水平方向的施力扣住，同时掩膜板表面不同位置上由三个顶针降落，从
垂直方向再施力再加以固定。

掩膜板载物台是光刻设备的核心部件之一，其精度
直接影响了相邻不同扫描场图形的拼接质量，以及整个掩膜板内所有光刻图形的
几何位置精度。

以目前45nl n 节点工艺栅氧化层光掩膜板质量要求为例，所有量测
样本中，实际图形和版图设计的位置误差被要求小于14nm 。

而影响掩膜图形位置
误差的还有电子束斑入射漂移等其他因素，可想载物台的移动误差应该是被要求
控制在奈米级的水准。

反射镜面
掩膜板
图2.4掩膜板载物台
电子发生器
电子发生器是电子光学系统的重要组成部件，主要有电子枪构成，用以完成电子发射和束斑会聚的功能，它一般由阴极、调制极和阳极组成。

电子枪的结构、材料和工作参数对图像高分辨率的获得有很大影响。

阴极是电子枪的核心部件，为了满足电子束曝光设备的要求，电子枪阴极应有比较高的电子发射率，有足够细小的发射尖端，电子发射连续性、稳定性好、能量散射度小等性能。

数据控制部分
数据控制单元(d ig ita l genera tor)，位于计算机与高精度偏转放大器之间，它是电子束曝光系统中的一个关键部件。

曝光图形由计算机处理和分析后被分解为若干个部分，如待曝图形的坐标信息，用以产生驱动载物台导轨的信号;待曝图形密度，电子散射补偿信息，用于产生实际所需电子束注入剂量;对系统保存的校验要求(如场内电子束聚焦深度，电子束偏转位置，束斑尺寸等)做反馈后，驱动高精度偏转放大器工作，完成载物台移动，电子束闸开启，各类散乱畸变补正，实现在掩膜板上的曝光任务。

电子光学系统
电子束曝光机光学系统(EOS)，图2.5由电子枪，阻挡电极，电磁线圈，整形
电子束透孔，高精度电子偏转放大器，等部件构成。

电子束斑由电子枪发生，电磁线圈产生磁场环境，控制电子束斑的行进方向，如某个时间节点是非曝光点，则此时线圈直接偏转束斑使其停留在阻挡电极上，造成没有电子通过，否则驱动电子束对中顺利进入后续组件，从而形成电子束的“开”，“关”。

曝光机接受控制计算机传输的数据，得到要求电子束斑的尺寸，在第二级光柱中通过对两组整形电子束透孔的不同空间组合形成约束，使只有满足设定要求大小的电子束斑才能进入下一级光柱。

在第三级光柱中，高精度偏转放大器接受到图形位置信息，即场内电子束注入坐标信息，将数字信号转为给电磁线圈的模拟量，驱动电子束斑在原先的垂直路径上发生精确偏离，注入设定位置。

电磁线圈‘/—第一级光往
1号整形
电子束透孔
第二级光往
2号整形
电子束透孔
高精度电子
偏转放大器
瓣瓣第三级光往
掩膜板
2.5电子束曝光机光学系统(E OS)
2.4实验设备简介
本公司65nm掩膜板量产机台选用日本电子公司(J eo l)JB X304O设备，目前此型号装置由于卓越的光刻精度和良好的工作稳定性能在全世界被广泛应用，如日本大日本印刷，韩国三星半导体，台湾中华凸版电子和台湾集成电路制造有限公司掩膜事业处等大型先进光掩膜制造商基本都采用此型号装置做为主要生产机台。

更有最新产业信息表示，以上多数工厂将此型号设备作为45nl n掩膜板的备用生产装置予以使用。

本文所有实验数据都基于采用邓X3040电子束光刻机为工作对象，其主要光刻性能规格如下:
表2.1光刻机性能规格
一一一一一一一一一 ’J B X 3040阵格)))
J BX 3040(实际) ))
线线宽控制精
度
扫扫描场内线宽均一性
3nm m m
Z n
m m
掩掩膜板内线宽均一性s nm m m 4n m m
水水毛垂直线宽差异异
Z nm mm
Z nm
mm
线线宽线性(0.2恤一1二))
g nm m m
s nm
m m
图图象场间拼接精度snm mm 4nm mm 掩掩膜板内图形位置精度
10nm mm
IDnm
mm
2.5光掩膜曝光设备性能调整
要得到一张高品质的光掩膜板，在考虑如何优化工艺前，必须先使电子束曝光系统处于良好的工作状态，避免将设备的误差引入工艺，使后续工作复杂化。

光掩膜工厂对光刻设备现场安装调试以及后续工艺调整后，一般来说设备的性能可以超出设备商所提供的原始规格。

光掩膜曝光设备性能维护项目主要有:电子束束斑尺寸线性控制，扫描场内电子束偏转照射精度控制，扫描场内电子束聚焦优化控制。

2.5.1电子束束斑尺寸线性控制
掩膜板版图中的图形在通过软件转化为光刻机可识别的格式后，其有效曝光部分被分割成一个一个不同大小的矩阵栅格，可变形态电子束光刻机以此为蓝本输出电子束斑进行逐一扫描。

如图2.6分别为掩膜版图和电子束光刻机图形格式。

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