第二章 光学曝光技术课件(1)

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。
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
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
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。
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
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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。
衬底(substrate)：具有以前的掩膜版图形。
光刻工艺的基本流程
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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
数值孔径(Numerical A
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
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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。
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。
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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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
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：
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。
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；
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
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。
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。