光刻对准和曝光

2019/10/23
集成电路工艺
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第14章光刻：对准和曝光
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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第14章光刻：对准和曝光
步进光刻机的目标
使硅片表面和石英掩膜版对准并聚集 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
• 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14章光刻：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。
• 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。
第14章光刻：对准和曝光
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
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第14章光刻：对准和曝光
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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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。
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第14章光刻：对准和曝光
数值孔径
设备类型
数值孔径(NA)数值
反射式扫描投影光刻机
0.25
分布重复光刻机
0.60～0.68
步进扫描式光刻机
0.60ห้องสมุดไป่ตู้0.68
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第14章光刻：对准和曝光
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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第14章光刻：对准和曝光
曝光光源
• 汞灯
• 准分子激光
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第14章光刻：对准和曝光
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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第14章光刻：对准和曝光
常用准分子激光器
材料 KrF
波长 最大输出
频率
脉冲长度 CD分辨率
(nm) （毫焦每脉冲）（脉冲每秒） （ns） （μm ）
248 300~1500
500
25
≤0.25
ArF 193 175~300
400
15
≤0.18
F2 157
6
10
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• 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
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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第14章光刻：对准和曝光
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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第14章光刻：对准和曝光
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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第14章光刻：对准和曝光
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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第14章光刻：对准和曝光
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
• 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
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第14章光刻：对准和曝光
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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第14章光刻：对准和曝光
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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第14章光刻：对准和曝光
汞灯强度峰
UV光波长(nm)
描述符
CD分辨率(μm )
436
G线
0.5
405
H线
0.4
365
I线
0.35
248
深紫外(DUV)
0.25
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光的波长与工艺
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≤0.15
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第14章光刻：对准和曝光
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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