第二章 光学曝光技术课件(1)

DoF
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 一个范围。焦点 可能不是正好在 光刻胶层的中心， 但是焦深应该穿 越光刻胶层上下 表面。
k2
NA2
透镜
焦平面
焦深 光刻胶
+
膜
光 源
光源 汞灯 汞灯 波长(nm) 436 365 术语 g线 i线 技术节点 >0.5mm 0.5/0.35mm
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• 树脂（Resin）：光刻胶中的基体材料，是一种对光敏感的 高分子化合物，当它受适当波长的光照射后，就能吸收一 定波长的光能量，发生交联、聚合或分解等光化学反应， 使光刻胶改变性质。 • 感光剂（PAC，photoactive compound)：在曝光前作为抑 制剂（inhibitor），降低光刻胶在显影液中的溶解速度， 而在暴露于光线时有化学反应发生，使抑制剂变成了感光 剂，增加了胶的溶解性（正胶），或产生交联催化剂，使 树脂交联，降低胶的溶解性（负胶）。 • 溶剂（solvent）：使光刻胶保持液体状态。绝大多数的溶 剂在曝光前挥发除去，对光刻胶的化学性质几乎没有什么 影响。 • 添加剂（additive）：用来控制和改变光刻胶材料的特定化 学性质或光刻胶材料的光响应特性，也包括控制光刻胶反 射率的染色剂。
缺点：衍射效应使分辨率下降。
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（3）投影式光学曝光技术
投影式曝光的优点： • 掩模寿命长。
步进式投影光刻
• 可以在不十分平整的大晶片上获得 高分辨率的图形。
• 掩模尺寸远大于芯片尺寸，使掩模 制造简单，可减少掩模上的缺陷对芯 片成品率的影响。 投影式曝光的缺点：设备复杂、昂贵 ， 曝光效率低。 投影式光刻
负胶
正胶
IC主导
光刻胶的一些特性
1、灵敏度: 光刻胶通过显影完全被清除所需要的曝光剂量（正胶）；光刻 胶在显影后有50%以上的胶厚得以保留时所需要的曝光剂量（负胶）。是
衡量曝光速度的指标，灵敏度越高，所需曝光剂量越小，曝光时间越短。
灵敏度太低会影响生产效率，所以通常希望光刻胶有较高的灵敏度。但 灵敏度太高会影响分辨率。通常负胶的灵敏度高于正胶。
方式 和 光刻胶本身（包括灵敏度、对比度、颗粒的大小、显影时的溶胀、
电子散射等）、硅片表面状况等。通常正胶的分辨率要高于负胶。 分辨率与灵敏度的关系: 当入射电子数为 N 时， 由于随机涨落，实际入射的电子数在 N N 范围内。为保证 出现最低剂量时不少于规定剂量的 90%，也即 N N 10% 。 由此可得 N min 100 。因此对于小尺寸曝光区，必须满足
衬底(substrate)：具有以前的掩膜版图形。
光刻工艺的基本流程
第二章 光学曝光技术
光学曝光的工艺过程 光学曝光的方式和原理 光刻胶的特性 光学掩膜的设计与制造 短波长曝光技术 大数值孔径与浸没式曝光技术 光学曝光分辨率增强技术 光学曝光的计算机模拟技术 其它光学曝光技术 厚胶曝光技术 LIGA技术
数值孔径(Numerical Aperture NA)
分辨率
R 1.22

D
f 1.22
f
n(2 f sin )
0.61

n sin
• 光学系统的数值孔径描述透镜收集光的能力
n是透镜到硅片 间介质的折射率， 对空气而言为1
分辨率-Resolution
(l ) min 2b 1.22 NA
S (Wmin ) 2 N min q Wmin qN min q 10 S S
式中，Wmin 为最小尺寸，即分辨率。可见，若灵敏度越高（即 S 越小）， 则 Wmin 就越大，分辨率就越差。
四. 感光度：感光度是一个表征光刻胶对光敏感度的性能指标。定义为 曝光时使光刻胶发生光化学反应所需的最小曝光量(E)的倒数，即
光刻工艺的基本要素
– 光源(light sources) – 曝光系统(exposure system) – 光刻胶(photoresist)
能量(光源): 引起光刻胶化学反应，改变光刻胶溶解速率； 掩膜版(mask): 对光进行掩膜，在光刻胶上制造掩膜版的图 形； 对准系统(Aligner): 在硅片上把掩膜版和以前的图形对准； 光刻胶(Resist): 把图形从掩膜版转移到硅片；
掩膜版制作
CAD设计、模拟、验证后由图形发生器产生数字图形
×1掩膜版 （mask）制作
接触式、接近式光刻
数字图形
×4或×5投影光 刻版（reticle） 投影式光刻
掩模版制作过程：是一个微纳加工过程
12. Finished
掩膜版缺陷
• 掩膜版上的缺陷会被复制到光刻胶层中，从而进一步复制 到硅片上。制造好的掩膜版要进行大量测试来检查缺陷和 颗粒。 • 掩膜版缺陷的来源可能是掉铬，表面擦伤，静电放电或灰 尘颗粒。
掩模版（Photomask）：一种 透明的平板，上面有要转印到 硅片上光刻胶层的图形。
掩膜版的材料
衬底材料：最主要的用于亚微米光刻的投影掩膜版衬底材 料是熔融石英（fused silica）。它在深紫外光谱部（248nm 和193nm）有着很高的光学透射。熔融石英相对昂贵，但性 能优越。它具有很低的热膨胀系数。 图形材料：用于掩膜版上不透明的图形材料通常是薄层的 铬（Chrome，Cr）。厚度通常小于1000A，通过溅射淀积。 有时候会在铬上形成一层氧化铬（200A）的抗反射涂层。
光刻工艺的相关光学基础
光的衍射效应 • 光在空间中以电磁波的形式传播 • 当物体的尺寸远大于波长时，把光作为粒子来处理 • 当物体的尺寸和波长可比拟时，要考虑光的波动性－衍射
光的衍射影响分辨率， 决定分辨率极限：
L min

2
如果想在像平面
(如光刻胶）对小 孔进行成像，可以 用透镜收集光并聚 焦到像平面
正胶负胶的灵敏度和对比度定义
二. 对比度（反差比）：指的是光刻胶上从曝光区到非曝光区过渡的陡 度。对比度代表着只适于在掩膜版透光区规定范围内曝光的光刻胶的能 力。
差的光刻胶对比度 斜侧壁 膨胀 差的反差 光刻胶 膜 好的光刻胶对比度 陡直侧壁 没有膨胀 好的反差 光刻胶 膜
灵敏度曲线越陡，光刻胶的对比度就越大，这样有助于得到清晰的
八. 抗蚀性：光刻胶胶膜必须保持它的粘附性，并在后续的湿刻和干刻中
保护衬底表面。这种性质被称为抗蚀性。
九. 表面张力：光刻胶具有产生相对大的表面张力的分子间力，所以在 不同工艺步骤中光刻胶分子会聚在一起。同时光刻胶的表面张力必须足 够小，从而在应用时能提供良好的流动性和硅的覆盖。
第二章 光学曝光技术
T I I ( z ) d z 0 1 e A 0 1 TR
R
I 0TR
TR
可以证明，对比度 γ与光吸收系数α及光刻胶厚
度 TR 之间有如下关系
1 TR
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减小光吸收系数与胶膜厚度有利于提高对比度。
三、分辨率：指光刻时所能得到的光刻图形的最小尺寸。通常以每毫米最 多可分辨的线条数来表示。光刻工艺中影响分辨率的因素有：光源、曝光
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（1）接触式光学曝光技术
优点：设备简单，分辨率高（约1 μm ）。 缺点：掩模寿命短（10 ~ 20次），硅片上图形缺陷多，光刻成品率低。
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（2）接近式光学曝光技术
优点：掩模寿命长（可提高10 倍以上），图形缺陷少。
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光学工程师将用户数据转换为写入系统所能接 受的格式。包括数据分割，尺寸标记，图形旋转， 增加套刻标记，内部参照标记，以及一个jobdeck （掩膜上不同图形的位置的说明）。
掩膜版上用于Stepper对准的套刻标记
掩膜版上的参照标记
掩膜版的制备
• 通常采用电子束直写的方式把 高分辨率的图形转印到掩膜版 表面。 • 电子源产生的电子被加速并聚 焦成形射到投影掩膜版上。电 子束可以通过光栅扫描或矢量 扫描的方式在掩膜版上形成图 形。 • 掩膜版上的电子束胶在曝光显 影后，通过湿法或干法刻蚀去 掉不需要的铬层。
KrF(激光)
ArF (激光) F2 (激光) 激光激发Xe 等离子体
248
193 157 13.5
DUV
193DU V VUV EUV
0.25/0.13mm
90/65…32nm CaF2 lenses Reflective mirrors
NGL: X射线(5Å)，电子束(0.62Å)，离子束(0.12 Å)
光刻胶基本成分
光学曝光过程中，为了将掩模上的图形转移到圆片上， 辐照必须作用在光敏物质上，该光敏物质必须通过光照， 改变材料性质，使在完成光刻工艺后，达到转移图形的目 的。该光敏物质称为光刻胶。 光刻胶基本成分组成： （1）树脂（Resin） （2）感光剂（PAC） （3）溶剂（Solvent） （4）添加剂（Additive）
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图形轮廓和高的分辨率。一般光刻胶的对比度在 0.9 ~ 2.0 之间。对于亚 微米图形，要求对比度大于 1。 通常正胶的对比度要高于负胶。
光进入光刻胶后，其强度按下式衰减
I ( z ) I 0 e z 式中，α为光刻胶的光吸收系数。设 TR 为光刻胶的厚度， 则可定义光刻胶的 光吸收率 为
光刻胶类型
凡是在能量束（光束、电子束、离子束等） 的照射下，以交联反应为主的光刻胶称为 负性 光刻胶，简称 负胶。 凡是在能量束（光束、电子束、离子束等） 的照射下，以降解反应为主的光刻胶称为 正性 光刻胶，简称 正胶。
光刻胶是长链聚合物
正胶在感光时，曝光对聚合物起断链作用，使长链 变短，使聚合物更容易在显影液中溶解。 负胶在曝光后，使聚合物发生交联，在显影液中溶 解变慢。
S=h/E
S为感光度，h为比例常数，E为最小曝光量。 光刻胶对于不同波长的光源其敏感程度是不同的，因此它的感光度 总是对某一特定波长的光来讲的。
五. 粘度：是影响涂敷胶膜厚度的重要因素。光刻胶越浓，它的粘度 就越大，在相同的涂胶条件下，所得的胶膜就越厚；反之，则粘度小 ，胶膜薄。
六. 针孔密度：单位面积的光刻胶膜上的针孔数目称为针孔密度。 七. 粘附性：指光刻胶薄膜与衬底的粘附能力，主要衡量光刻胶抗湿法 腐蚀能力。它不仅与光刻胶本身的性质有关，而且与衬底的性质和其表 面情况等有密切关系。
光学曝光的工艺过程 光学曝光的方式和原理 光刻胶的特性 光学掩膜的设计与制造 短波长曝光技术 大数值孔径与浸没式曝光技术 光学曝光分辨率增强技术 光学曝光的计算机模拟技术 其它光学曝光技术 厚胶曝光技术 LIGA技术
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一般来说， 最小线宽 K1 K1＝0.6~0.8
f 0.61 d NA
d 2f

NA
K1是一个独立于光学成像的因子，取决于光刻 系统和光刻胶的性质等其它因素
然而采用高数值孔径的光学系统(大透镜），会使景深变差
焦深（DoF）
• 焦深就是聚焦深度（Depth of Focus），它是指沿着光通 路，圆片可以移动而依然保持图形聚焦清晰的移动距离。 对于投影系统，焦深由下式给出：
第二讲 光学曝光技术
光学曝光的工艺过程 光学曝光的方式和原理 光刻胶的特性 光学掩膜的设计与制造 短波长曝光技术 大数值孔径与浸没式曝光技术 光学曝光分辨率增强技术 光学曝光的计算机模拟技术 其它光学曝光技术 厚胶曝光技术 LIGA技术