微细和纳米加工技术 光学曝光技术2.1 引言 2.2光学曝光方式与原理.ppt

参数。
★由式可见，若要曝光成像与掩模设计图形尽可能一致，只有 减小间隙和缩短照明波长。
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2.2.2投影式曝光
★投影式曝光既有接触式曝光的高分辨率，而又避免了接触式 曝光容易产生缺陷的弊端。
★光学投影成像曝光技术是用光学投影的方法将掩模版图形的 影像(以等倍方式或缩小的方式)投影在半导体基片表面上，这 时掩模版作为光学成像系统的物方，基片表面上的光致抗蚀 剂层为像方。
随着IC集成度的提高，芯片面积的增大，电路图形线宽的缩小， 使得一幅IC的图形既复杂精细，又所占面积很大。照射光线既 没有如此大的视场，也不可能在大视场里处处精确清晰地投影 曝光出微细的图形。为了解决这个矛盾，出现了所谓分布重复 缩小投影曝光。
分布重复缩小投影曝光
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分布重复缩小投影曝光的原理
分布重复缩 小投影曝光 示意图
曝光中光学成像不一致的缺点。
缺 点
但1：1成像要求掩模的图形与硅片上做出的图形一样大 小。随着集成电路最小图形尺寸的减小，使1：1投影曝
光的掩模版制作越来越困难。
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2. 缩小投影曝光
★缩小投影曝光就是在1：1投影曝光结构原理的基础上，把中 间掩模图形加以缩小投影到片子上进行曝光。例如，缩小率 有1/10、 1/7 、 1/4等。
整个基片表面为止。
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分布重复缩小投影曝光的优缺点
优点
★分布重复缩小投影曝光的优点是显著的。对于一块并不“十分平整”(如 不平整度在微米量级)的片子，如果将其分割成很多小单元，那么，在这 个小单元里，相对来说，就可认为“比较平整”了。这样，在小视场内 就可以采用较大数值孔径的投影系统，提高图形分辨率。因此，光学分 步重复投影系统能够在衬底有形变和不十分平整的情况下，以较高的分 辨率复印图形。
★在缩小投影曝光中，采用把大视场分割成很多小视场的方法，即图所示
的1，2，3，…，分割区域。精密定位的机械系统将中间掩模和片子同步
移到某个小视场里，光学系统对这个小视场进行缩小投影曝光。如图(b)
所示。
★当前一个视场曝光完毕后，机械系统又将中间掩模和片子移动到下一个
小视场里进行缩小投影曝光，直到中间掩模的图象全部一对一地复印到
★ 掩模对准式曝光包括接触式曝光与接近式曝光。 ★投影式曝光包括1：1投影和缩小投影(如5：1缩小)。
缩小投影曝光系统又称为步进投影曝光机。
光学曝光方式
掩模对准式曝光
投影式曝光
接触式曝光
接近式曝光 1:1投影式曝光 缩小投影式曝光
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光学曝光方式
★接触式、接近式与投影式3种曝光方式的示意图：
掩模对准式曝光
①所谓硬接触就是掩模版与涂胶的硅 片通过施加压力的方式来实现完全 接触。
②当然，通过调整压力的大小也可以 实现软接触。
接触式曝光具有高分辨率、设 备简单、操作方便、生产效率 高和成本低等优点。
接触式曝光的缺点是因机械接
触容易损伤掩模版，因而使用
寿命短，多次使用严重影响芯
片成品率。
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2．接近式曝光（非接触式光学曝光）
图2.3 掩模对准式曝光中掩模与胶表面间隙对9胶 表面光强分布的影响 (计算机模拟结果)
影响接近式曝光分辨率的因素
★掩模间隙与曝光图形保真度之间的关系可以由下式表示：
W k z
W：模糊区宽度，或者说是 胶平面实际成像尺寸与 掩模图形设计尺寸之差；
λ：照明光波长； z：掩模与胶平面的间隙； k：一个与工艺条件有关的
第2章 光学曝光技术
2.1 引言
光刻加工 技术是一 种图形复 印和腐蚀 相结合的 表面微细 加工技术。
加工的对象
金属（如钼、铜、低碳钢等）；
半导体（如硅）；
介质（如玻璃）等材料。
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光刻加工工艺的基本过程
★衬底准备→ 涂胶→ 前烘→ 曝光 → 显影→ 坚膜→ 腐蚀 →去胶
（a）负极性光致抗蚀剂： 光照后，不溶解于显影液，光 照处 抗蚀剂留下。
★缩小投影曝光中，因为掩模的尺寸比曝光的片子尺寸大很多倍，所以， 掩模尺寸及掩模图形线条可做得较大，使得掩模制造方便，精度也高。
★也可以使掩模与胶表面保持一定间隙，成为接近式曝光。这 一间隙可以控制在几微米到几十微米(典型值为5～50μm)。 但必须注意，该间隙会影响到光学成像的质量。
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接近式曝光及其优缺点
优点： 接近式曝光 可以避免掩 模的玷污和 损伤。
缺点： 随着集成电路集成度不断提高，特征线宽愈来愈小， 当特征线宽减小到可与曝光所用的波长相比拟时， 则光通过掩模窗口产生的衍射效应会使分辨率变坏， 成为提高光刻分辨率的主要限制因素。
★按照投影成像倍数 的不同，投影曝光 可分为1：1投影曝 光和缩小投影曝光 两种方式。
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1. 1：1投影曝光
★1：1投影曝光是将含有芯片图形阵列的掩模片的整个版面， 通过投影成像方式，等倍地复制到基片上，实现非接触式投 影复印曝光。
1：1投影通过光学成像的方法将掩模图形投影到硅片表
优 面，图像质量完全取决于光学成像系统，与掩模- 硅片 点 之间的距离无关，这样就彻底克服了前面提到的接近式
图2.2 接触式、接近式与投影式3种曝光方式的示意
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图
2.2.1掩模对准式曝光
★掩模对准式曝光可以真实地再现掩模图形，但是它要求掩模必 须与光刻胶表面完全接触。
★掩模对准式曝光又可分为接触式曝光和接近式曝光（非接触式 光学曝光）。
掩模对准式曝光
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1．接触式曝光
★接触式曝光又可分为 ①硬接触与②软接触 曝光。
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掩模对准式曝光中间隙g对曝光质量的影响
★可以看出掩模与胶表面的间 隙g会造成光强分布的失真， 因此理想的接触式曝光应当 是硬接触曝光。
★但硬接触曝光的致命缺点是 掩模的损伤，这种损伤可能 是接触摩擦对铬层的破坏， 也可能是部分光刻胶由于硬 接触而黏附到掩模版上。
★总之，早期采用接触式曝光 时，光学掩模版的使用寿命 极低。如果是光刻胶黏附污 染，则可以通过清洗使掩模 版再度可用，但这大大降低 了生产率。
（b）正极性光致抗蚀剂： 光照后，能溶解 于显影液，不照处 抗蚀剂留下。
★从光刻加工工艺的基本过程可以看出，光刻加工的基本过程包括衬底准备、
பைடு நூலகம்
涂胶、前烘、曝光、显影、坚膜、腐蚀、去胶等工艺，其中曝光工艺是光
刻加工中最为关键的技术。
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2.2 光学曝光方式与原理
★光学曝光方式基本上可以划分为掩模对准式曝光与投影式曝 光2类。