第14章光刻对准和曝光

第14章光刻：对准和曝光
数值孔径
设备类型
反射式扫描投影光刻机 分布重复光刻机 步进扫描式光刻机
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数值孔径(NA)数值
0.25 0.60～0.68 0.60～0.68
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浸没式光刻技术
• 在32纳米技术节点乃至进一步向下延伸时将要求 193纳米浸没式光刻技术在一些领域，如高折射 率液体，高折射率光学镜头材料以及高折射率光 刻胶等方面取得突破性的进展
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汞灯强度峰
UV光波长(nm)
436 405 365 248
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描述符
G线 H线 I线 深紫外(DUV)
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CD分辨率(μm )
0.5 0.4 0.35 0.25
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光的波长与工艺
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分辨率
• 分辨率——清晰分辨出硅片上间隔很近的 特征图形对的能力。
• R=kλ/NA • K表示特殊应用的工艺因子，范围0.6-0.8 • 影响分辨率的参数有哪些？ • 如何提高分辨率？
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• 接触式光刻机(Contact aligner)
• 接近式光刻机(Proximity aligner) • 扫描投影光刻机(Scanning projection aligner——scanner) • 分步重复光刻机(Step-and-repeat aligner— —Stepper) • 步进扫描光刻机(Step-and-scan system)
• 如果光刻胶吸收过多，光刻胶底部接受的 光强就会比顶部的少很多，这个差异导致 图形测墙倾斜。 • 要获得垂直测墙图形，光刻胶必须只吸收 入射辐射的一小部分，一般<20%
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第14ห้องสมุดไป่ตู้光刻：对准和曝光
准分子激光
• 主要优点：可在248n深紫外及以下波长提 供较大光强。
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Reticle VS. Mask
掩膜版(mask) 一次曝光
参数 曝光次数
关键尺寸
投影掩膜版(reticle) 多次曝光
在硅片上容易形成亚微米尺寸图形， 没有缩小的光学系统很难 由于版图尺寸较大(4:1,5:1) 在掩膜版和硅片上形成亚 微米尺寸图形
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光强和曝光剂量
• 光强——单位面积的功率(mW/cm2)，光强 在光刻胶的表面进行测量。
• 曝光剂量——光强乘以曝光时间，表示光 刻胶表面获得的曝光能量。
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光刻胶的吸收问题
• 光刻胶树脂对入射辐射过多的吸收是不希 望的。
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光刻机
• 分布重复光刻机(stepand-repeat aligner)
• 光刻机(aligner)
• 步进光刻机(stepper)
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步进光刻机的目标
使硅片表面和石英掩膜版对准并聚集
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集成电路工艺 第14章光刻：对准和曝光
第14章光刻：对准和曝光
目标
• 解释光刻中对准和曝光的目的
• 描述光学光刻中光的特性及光源的重要性 • 解释分辨率，描述它的重要参数并讨论计算方法
• 论述五代用于对准和曝光的设备
• 描述投影掩膜版，如果制造，及在精细光刻中的 应用 • 论述用于短波长光刻的光学增强技术 • 解释光刻中对准是怎样获得的
• 准分子是不稳定分子，由惰性气体原子和 卤素构成，如ArF，这里分子只存在于准稳 定激发态。
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常用准分子激光器
材料 脉冲长度 CD分辨率 (nm) （毫焦每脉冲）（脉冲每秒） （ns） （μm ） 248 193 157 300~1500 175~300 6 500 400 10 25 15 20 ≤0.25 ≤0.18 ≤0.15 波长 最大输出 频率
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接触式光刻机
• SSI时代
• 线宽>5μm • 一旦掩膜版和硅片对准，掩膜版就开始和 硅片表面的光刻胶涂层直接接触。 • 因为掩膜版和光刻胶直接接触，颗粒沾污 损坏了光刻胶层、掩膜版或两者都损坏了， 每5次～25次操作就需要更换掩膜版。
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分步重复光刻机
• 分步重复光刻机只投影一个曝光场，然后 步进到硅片上另一个位臵重复曝光。
• 主要用于图形形成关键尺寸小到0.35μm 和 0.25μm 。 • 投影掩膜版图形尺寸是实际像的4倍、5倍 或10倍。这个缩写的比例使得制造投影掩 膜版更容易。
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KrF ArF F2
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透镜材料
• 透镜传统上由玻璃制成。
• 对于波长248nm的深紫外光，一种合适的 透镜材料是熔融石英，它在深紫外波长范 围有较少的光吸收 • 在193nm深紫外和157nm深紫外波长，可 采用氟化钙(CaF2)
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曝光光源
• 汞灯
• 准分子激光
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汞灯
• 高压汞灯作为紫外光源被使用在所有常规 的I线步进光刻机上。
• 电流通过装有氙汞气体的管子产生电弧放 电。这个电弧发射出一个特征光谱，包括 240nm到500nm之间有用的紫外辐射。
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扫描投影光刻机
• 扫描投影光刻机试图解决沾污问题、边缘 衍射、分辨率限制等问题。
• 适用于线宽1μm 的非关键层。 • 它利用基于反射镜系统把1：1图像的整个 掩膜图形投影到硅片表面。掩膜版图形和 硅片上的图形尺寸相同。
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焦深
• 焦点周围的一个范围，在这个范围内图像连续地 保持清晰，这个范围被称为焦深(DOF-Depth of Focus) • 焦点是沿透镜中心出现最佳图像的点，焦深是焦 点上面和下面的范围。
• 焦点可能不是正好在光刻胶层中心，但是焦深应 该穿越光刻胶层上下表面。 • DOF＝λ/2(NA)2
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• 193 纳米干法光刻系统 Twinscan XT:1450 是ASML最 新推出的193nm干法光刻系统。 数值孔径为0.93；新Aerial-PT 投影光源支持高效偏振化，透 镜象差控制和套刻精度水平的 提高，使干法ArF 光刻的分辨 率延伸至57nm。Twinscan XT:1450 产能达到了每小时143 片晶圆Twinscan XT:1450还能 采用两次图形曝光技术，助力 用户开发32nm 节点工艺。
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1.提纲
• 1.概述
• 2.光学光刻 • 3.光刻设备 • 4.混合和匹配 • 5.对准和曝光质量测量
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1.概述
• 一个紫外光源
• 一个光学系统 • 一块由芯片图形组成的投影掩膜版 • 一个对准系统 • 一个覆盖光敏光刻胶的硅片
曝光场 掩膜版技术
产量 芯片对准和聚 集 缺陷密度
小曝光场需要步进重复过程 光学缩小允许较大的投影掩膜版尺 寸——更易于复印
曝光场就是整个硅片 掩膜版与硅片有相同的关 键尺寸——更难于复印
通过对光刻胶曝光，把高分辨率的投影掩 膜版上图形复制到硅片上 在单位时间内生产出足够多的符合质量规 格的硅片
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2.光学光刻
• 光学光刻一直是不断缩小芯片特征尺寸的 主要限制因素。
• 光刻的长命归功于设备和工艺的改进。
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光学滤光器
• 滤光器利用光的干涉阻止不需要的入射光， 通过反射或干涉来获得一个特定波长。
• 滤光器通常由玻璃制成，玻璃上面有一层 或多层薄涂层。 • 涂层的类型和厚度决定了什么波长的光会 相消干涉而阻止进入玻璃。
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数值孔径
• 一个透镜能够俘获一些衍射光。透镜收集 衍射光的能力被称做透镜的数值孔径 (numerical aperture,NA)。
• 对于一个给定的透镜，NA测量透镜能够接 收多少衍射光，并且把衍射光会聚到一点 成像。 • NA越大就能把更多的衍射光会聚到一点。
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抗反射涂层
• 曝光光线通过投影掩膜版后在光刻胶上形 成图案。如果光刻胶的底层膜是反光的 （如金属和多晶硅层），那么光线将从这 个膜层反射并有可能损害临近的光刻胶。
• 这个损害对控制线宽产生不利影响。 • 把一种抗反射层(ARC-antireflective coating) 直接用于反射材料的表面来减小影响。
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投影掩膜版(reticle)
• 投影掩膜版(reticle)只包括硅片上一部分图 形（如4个芯片），这个图形必须通过分步 重复来覆盖整个衬底。投影掩膜版用于分 步重复光刻机和步进扫描光刻机。
• 掩膜版(mask)包含了整个硅片上的芯片阵 列并且通过单一曝光转印图形（1：1图像 转印）。掩膜版用于较老的接近式光刻和 扫描对准投影机光刻中。
第14章光刻：对准和曝光
步进扫描光刻机
• 步进扫描光学光刻系统是一种混合设备， 融合了扫描投影光刻机和分步重复光刻机 技术。 • 使用步进扫描光刻机曝光硅片的优点是增 大了曝光场，可以获得较大的芯片尺寸。 • 步进扫描光刻机的另一个重要优点是具有 在整个扫描过程调节聚集的能力，使透镜 缺陷和硅片平整度变化能够得到补偿。
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光的衍射
• 光在传播路径中，遇到一 个小孔或缝隙时，产生偏 离直线传播的现象称为光 的衍射。
• 光的衍射和光刻密切相关。 因为掩膜版上有细小图形 并且间距很窄，衍射图样 夺走了曝光能量，并使光 发射，导致光刻胶上不要 曝光的区域被曝光。
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NA/R/DOF
λ
365nm 365nm 193nm 193nm
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NA
0.45 0.60 0.45 0.60
R
486nm 365nm 257nm 193nm
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DOF
901nm 507nm 476nm 268nm
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3.光刻设备
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第14章光刻：对准和曝光
接近式光刻机
• 接近式光刻机从接触式光刻机发展而来。
• 适用线宽2－4μm 。 • 掩膜版不与光刻胶直接接触，它与光刻胶表面接 近，在掩膜版和硅片表面光刻胶之间大致有2.525μm 的间距。
• 接近式光刻试图缓解接触式光刻机的沾污问题， 但当紫外光线通过掩膜版透明区域和空气时就会 发散，减小了系统的分辨率。
• 浸没式光刻技术的魅力在于将折射率大于1的水介 于镜头和硅片之间，从而赋予光刻设备更高的数 值孔径，由此也进一步提升了193纳米光刻技术 的分辨率极限。
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第14章光刻：对准和曝光
更大的NA
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第14章光刻：对准和曝光
干法光刻系统
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第14章光刻：对准和曝光
光
• 在光学光刻中，需要一个光源来把版图投 影到光刻胶上并引起光化学反应。
• 光的实质是能被人眼看到的电磁波。 • 光可用波长和频率来描述。 • v=λf
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第14章光刻：对准和曝光
光波的干涉
• 波本质上是正弦曲线。
• 任何形式的正弦波只 要有相同的频率就能 相互干涉。 • 相长干涉：两列波相 位相同彼此相加 • 相消干涉：两列波相 位不同彼此相减