第二讲光刻掩模第三讲离子束技术

阳极形成阳极电流，而氩离子由多孔栅极引出，
在加速系统作用下，形成一个大面积的、束流密 度均匀的离子束。为减少束中空间电荷静电斥力
的影响，减少正离子轰击基片时，造成正电荷堆
积，离子束离开加速电极后，被中和器发出的电 子中和，使正离子束变成中性束，打到基片上，
进行刻蚀。
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特点：
刻蚀过程是纯物理溅射，可以刻蚀任何 固体材料；
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2.1.2 平行电极型等离子刻蚀装置
样品
平板式等离子刻蚀装置示意图
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这种装置是由两个相距2cm左右的平行电极组成。 通常上电极接射频电源RF，下电极接地。样品放在下 电极上，等离子体被限制在两电极之间，样品和气体等
离子体直接接触，工作气压在10-2~1Torr之间。起刻蚀
作用的主要是游离基和部分离子。因此，刻蚀过程主要
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图32. “临近效应”
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4. 激光直写法
激光直写系统(Laser Direct Write System) 是由计算机控制的高精度聚焦激光束，按照设
计在光刻胶上扫描曝光出图形。
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激光直写系统是90年代国际上制作光刻掩 模版的新型专用设备。成都光电所1996年从加 拿大进口的ISI-2802型激光直写系统主要由HeCd激光器、声光调制、气轴转镜扫描、CCD 显微摄像、气浮精密工作台、激光干涉仪精密 定位、自动调焦、计算机控制和数据处理等部 分构成。 系统的主要性能： 可写范围 150mm150mm 可写最小线宽 1um 线条均匀性 0.1um
工艺转移到铬版上。
照相精缩法适合制作线宽5μm以上的图形。
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2. 图形发生器法
图形发生器是一种专用仪器。把设计好的图 形输入计算机（有专用软件格式），由计算机控 制图形发生器产生的光斑在铬版（商用铬版已涂 好光刻胶）上逐点曝光，显影后的光刻胶图形再 用化学腐蚀或离子束刻蚀转移到铬膜上。 这种方法可以做到1-2 μm 的线宽。如果图形 复杂，数据量较大，制作一块4″的掩模要花费 几小时时间。
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2.1 等离子刻蚀（PE----Plasma Etching)
2.1.1 等离子刻蚀原理
气体在高频电场（通常13.56MHz）作用下，产生 辉光放电，使气体分子或原子发生电离，形成等离子体。 在等离子体中，包含有正离子、负离子、游离基和自由 电子。游离基在化学上是很活泼的。 等离子刻蚀就是利用等离子体中的大量游离基和被 刻蚀材料进行化学反应，反应结果生成能够由真空系统 抽走的挥发性化合物，从而实现刻蚀的目的。
一套好的图形发生器设备大约要40万美元.8
3. 电子束曝光法
3.1 原理
电子束曝光是在电子束曝光机上进行的。
一束聚焦很细的电子束在计算机的控制下偏转，
在基片表面的光刻胶上逐点曝光，制作出所设 计的图形。 这是60年代就发展起来的一种高分辨曝光 技术。
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在电子束曝光中，采用的加速电压一般为 10~20kv。当V=15kv时，电子的德布罗意波长为
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图36 给出了相移掩模和常规掩模曝光结果 的比较，从图中可以看出相移掩模的作用。
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提高光刻精度的途径
• 减小曝光波长，降低衍射的影响； • 采用相移掩模技术，减小临近效应。
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离子束技术简介
2008.3.19
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离子束技术:
离子刻蚀
离子束抛光
聚焦离子束 离子束镀膜 离子束辅助镀膜
相移掩模种类较多，如弱衰减型、周边 相移型、周期交替Levenson型、多位相值 台阶型、带辅助图形型等等。
相移层的厚度可表示成 d=λ /2(n-1)
式中n为相移层的折射率。
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(5)
2.2 Levenson型相移掩模
Levenson提出的型相移掩模是等间隔分布的 光栅型条纹，间隔地加上相移层，如图30所示。
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3.3 电子束曝光的特点
优点：分辨率高
缺点：a. 设备昂贵（几百万~上千万美元） b. 曝光时间长，生产效率低 c. 二次效应严重
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▲ 关于二次效应问题
由于电子束能量大，电子质量小，曝光时 电子在光刻胶层中散射和在基片表面产生的背 散射，即二次效应。这种效应通常称之为“临 近效应”。
临近效应的存在，影响电子束曝光分辨率 的提高，如图32所示。
图29. 紫外光刻掩模
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二．产生掩模图形的方法
1. 照相精缩法
这是比较原始的一种方法。先将要制作的图形画 在坐标纸上，再把“红膜”铺在坐标纸上，用刀片把 坐标纸上的图形刻在“红膜”上。用白光光源在“红 膜”的背面均匀照明，用专用照相机拍下图形，即成
为胶片掩模。
如果用于紫外光刻，再把胶片掩模图形利用光刻
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例如刻蚀气体A2 在高能电场作用下，产生电 离，反应式可写成：
放电
A2+e- A*+A++2eA+为正离子，e-为电子，A*为中性游离基。 如果刻蚀气体用CF4, 则产生游离基F* 刻蚀Si 4F*+Si SiF4 刻蚀SiO2 4F*+SiO2 SiF4+O2 刻蚀Si3N4 12F*+Si3N4 3SiF4+2N2
这是纯粹的物理溅射过程。
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离 子 束 刻 蚀 机 工 作 原 理 图
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离子束刻蚀机的工作原理：
通入工作气体氩气，气压10-2-10-4Torr之间， 阴极放射出的电子向阳极运动，在运动过程中， 电子将工作气体分子电离，在样品室内产生辉光 放电形成等离子体。其中电子在损失能量后到达 惰性气体
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这些气体分裂物形成的离子是极具活性的， 可以和材料化学反应形成气体化合物。例如， CF4 在等离子体中形成CF3+ 、CF2+ 、CF+ 、F+ 和 C+离子族，其中前四种都可以和硅类材料形成气 态的氟化硅。
特点：较高的各向异性 刻蚀速率快
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2.5 化学辅助离子束刻蚀（或离子束辅助刻蚀） (CAIBE----Chemical Assistant Ion Beam Etching) 或(IBAE----Ion Beam Assistant Etching)
CAIBE----离子源工作气体为惰性气 体，另一 通道来的反应气 体直接喷向基片表面。 IBAE----离子源工作气体为一种反应 气体，另一通道来的不同反 应气体直接喷向基片表面。
都可达到RIBE的同样效果！
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2.6 各种刻蚀工艺的比较
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A
H
刻蚀图形的深宽比：H/A
51 选择比：（被刻蚀材料/掩模）的刻蚀速率之比
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三．相移掩模
提高光刻的分辨率是超大规模集成电 路制造所不断追求的目标。
曝光时，光线通过光掩模，由于边缘 衍射的作用，造成光刻胶图形的展宽，三 种曝光方式影响程度不同，下图可以看出 其差别。
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图34. 曝光中来自掩模图形的典型光衍射曲线
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1．限制光刻分辨率的因素
在过去，为了提高光刻分辨率，大多 着眼于缩短曝光波长和提高光刻系统物 镜的数值孔径。
现已从当初的单一研究相移技术发展到研究
相移掩模与其他技术相结合，达到提高分辨
率同时也增大焦深的目的。
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2.1 相移掩模原理
相移掩模的基本原理是在高度集成的光掩 模中所有相邻的透明区域上间隔地增加（或减 少）一层透明介质（相移层），使透过这些相 移层的光与相邻透明区透过的光产生1800位相 差，利用光的相干性，抵消部分衍射扩展效应， 改变空间光强分布，使更多的能量从低频分配 到高频上，弥补投影物镜的通低频阻高频的缺 点，增大空间图像的反差，改变像质，使分辨 率和焦深增大。 24
是化学反应，物理溅射Biblioteka Baidu之。
特点：基本各项同性
刻蚀线宽1m左右
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2.2 反应离子刻蚀（RIE----Reactive Ion Etching）
为了减小侧向刻蚀，在垂直于样品表面方向上加一电场，使反应气体的离子 在电场中作定向运动，使之只有纵向刻蚀，这是反应离子刻蚀的基本原理。 射频电压加在两电极上，样品放在阴极上，阳极及反应室壁接地。阴极面积 小，阳极面积大，这是非对称性的辉光放电系统。 离子对刻蚀起主要作用，即以物理溅射为主，中性游离基的化学反应为辅。
=h/(2mV)1/2=0.01nm
可见，电子的波长比光学曝光的波长短得多，衍
射效应可以忽略不计，因而可获得很高分辨。
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图31. 电子束曝光机原理图
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3.2 扫描方式
电子束曝光的扫描方式一般有两种：
1) 矢量扫描 把整个掩模分成若干个单元，一个单元 一个单元进行扫描。 2) 光栅扫描 逐行扫描。
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有理论给出了刻蚀速率V与束流密度J和离 子能量E之间的关系： V JE1/2
对于同一种材料而言，刻蚀速率与束流密 度为线性关系，与能量为0.5次方关系。 下表给出了部分常用材料的刻蚀速率。
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表2. 部分常用材料的刻蚀速率
（刻蚀条件：500 eV, 1.0 mA/cm2, 入射角：0°）
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离子刻蚀技术
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离子刻蚀技术是高精度图形转移的有效
手段。由离子源产生的带有一定能量的离子
，轰击被加工材料表面，引起材料溅射，达
到去除材料的目的。因此离子源的工作原理 和性能决定了刻蚀的工艺过程和应用范围。
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紫外光束
离子刻蚀 去除剩余的光刻胶
图1.离子束刻蚀示意图
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分
类
湿法刻蚀----化学腐蚀 刻蚀 干法刻蚀 等离子刻蚀(PE) 反应离子刻蚀(RIE) 常规离子束刻蚀(IBE或IM) 反应离子束刻蚀(RIBE) 化学辅助离子束刻蚀(CAIBE） 感应耦合等离子体刻蚀(ICP）
基片不平度的限制 光刻胶的不均匀性的限制 系统的调焦、调平等限制 在传统掩模光刻技术中，继续增大NA和 减小λ ，不可能进一步改善实际分辨率。 22
2．相移掩模技术
1982年IBM的Levenson等人提出了有关
相移掩模技术的理论，1990年以来，相移掩
模研究一直成为热门课题，并不断取得进展，
平行离子束刻蚀，高各向异性;
无钻蚀； 精度高，分辨率<0.1um。
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2.4 反应离子束刻蚀 (RIBE----Reactive Ion Beam Etching)
在离子束刻蚀机中，若将惰性 工作气体改用化学反应性气体，那 么刻蚀过程除了直接溅射外，反应 气体离子对刻蚀材料还起化学反应， 形成的刻蚀产物不单有固体，还有 可以被真空系统抽走的可挥发性气 体。 对不同的刻蚀材料，需要选择 合适的反应气体。常用的反应气体 有含F和Cl的CF4、SF6、 Cl2、 BC13、 CCl4等。
被刻材料 AZ1350 PMMA Au Ag SiC C Si Al Al2O3 Ge Ni SiO2 玻璃（Na,Ca） 刻蚀速率（Å/min） 245~300 560 1500~1600 1400~1700 320 40~50 250~300 420~520 100~130 90 500~550 280~400 200
3．离子束刻蚀速率与入射角的关系
3.1 离子束刻蚀速率
刻蚀速率是指单位时间内离子从材料表面刻蚀去 除的材料厚度，单位通常为 Å /min ， nm /min。
刻蚀速率与诸多因素有关，包括离子能量、束流 密度、离子入射方向、材料温度及成分、气体与材料化 学反应状态及速率、刻蚀生成物、物理与化学功能强度 配比、材料种类、电子中和程度等。
分辨率 R=K1λ /NA 焦 深 DOF=K2λ /NA2
式中 λ --曝光波长 NA---光刻系统的数值孔径 K1和K2---与工艺有关的常数
（3） （4）
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从（3）和（4）式可见，缩短曝光波长可 提高分辨率，但也使焦深减小；增大NA可提 高分辨率，但同样减小了焦深。
焦深是光刻中的重要因素，实用焦深有个 最低限度（一般0.5 um左右），不能无限减小。 原因是：
三．光刻工艺流程（以正胶为例）
（1）基片清洁处理 （2）涂光刻胶 （3）前烘 紫外光束 （4）曝光
（5）显影 （6）后烘（坚膜）
图19.光刻工艺示意图
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第二讲 紫外光刻掩模制作
掩模是光刻工艺中最重要的组成部分，
掩模的制造是光刻中最关键的技术。
本讲主要介绍几种掩模的制作技术。
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一．掩模结构
衬底材料：g线 玻璃 i线 石英 吸收体材料：Cr
特点：各向异性 刻蚀速率快
刻蚀最小线宽可达0.2m
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2.3 离子束刻蚀 (IBE----Ion Beam Etching) 离子铣（IM---Ion Milling）
具有一定能量的离子束轰击样品表面，把离子束 动能传给样品原子，使样品表面的原子挣脱原子间的
束缚力而溅射出来，从而实现刻蚀目的。