光学光刻

4、当采用与 X 射线类似的接近式曝光时，无半影畸变与
几何畸变； 5、可以利用 FIB 技术直接在硅片上进行离子束刻蚀或离子 注入，而完全摆脱掩模版与光刻胶；
离子束曝光技术存在的问题
1、对准问题。与电子束相比，离子束的穿透力小，不易穿 过胶层达到晶片上的对准标记。另一方面，因离子束的散射也 小，很难获得来自对准标记的信息； 2、离子的质量大，偏转扫描的速度慢； 3、LMIS 能散度较大，给离子光学系统的设计带来困难； 4、对于投影离子束曝光，掩模版是关键问题。由于离子的 散射比电子小，从这个意义上说，离子束掩模版的制造难度比 电子束掩模版的要小一些。透光部分可采用 0.1 m ~ 0.2 m 的
投影电子束光刻
投影电子束曝光技术既有电子束曝光分辨率高的优点，又 有投影曝光所固有的生产效率高成本低的优点，因而是目前正 积极研究开发的一种技术。
电子枪 光闸
原理：电子枪发射的电子 束经聚焦透镜后形成准直电子
聚焦透镜
掩模版 电子束 投影透镜
束流，照射到掩模版上，穿过
掩模透明部分的电子束再经过 投影透镜缩小后，在晶片上获 得缩小的掩模转印图形。 由于曝光视场不大（一般 为 3×3 mm2 ），所以工件台
光源
优点
1、掩模寿命长，图形缺陷少。
硅片 掩模
2、无色散，可以使用连续波长 光源，无驻波效应。无折射系统 中的象差、弥散等的影响。 3、曝光效率较高。 缺点
反射凸镜
反射凹镜
数值孔径 NA 太小，是限制 分辨率的主要因素。
光源
聚光透镜
掩模
投影器
硅片
UV light
Reticle field size 20 mm × 15mm, 4 die per field
极紫外光光刻
X 射线源
为了提高分辨率，可以采用波长 λ = 0.2 ~ 4 nm 的 X 射线 作为曝光的光源。 1、电子碰撞 X 射线源 用高能电子束轰击金属靶（如 Al、W、Mo），使靶金属 的内层束缚电子离开靶材料，当另一个束缚电子去填充这一空 位时，即可发射出 X 射线。
这种 X 射线源的主要缺点是效率很低，只有几万分之一。
高，约 0.5 m。 缺点：掩模版寿命短（10 ~ 20 次），硅片上图形缺陷多， 光刻成品率低。
二、接近式光刻机
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g = 10 ~ 50 m
优点：掩模寿命长（可提高 10 倍以上），图形缺陷少。 缺点：衍射效应严重，使分辨率下降。
最小可分辨的线宽为
Wmin k g g
式中，k 是与光刻胶处理工艺有关的常数，通常接近于 1 。
电子 多涂层反射层 /金属吸收层 电子 Si、Si3N4、Al2O3/
Au、Pt、Os 等
三 曝光方式
曝 光 有掩模方式 方 式
接触式 非接触式
接近式 投影式
反射
全场投影 步进投影
折射
扫描步进投影
接触式与接近式光刻机
一、接触式光刻机 U. V.
Mask
P. R. Si SiO2
优点：设备简单；理论上 MTF 可达到 1，因此分辨率比较
5:1 reduction lens
曲折的步进图形
图形曝光在硅片上是投影 掩膜版上视场的1/5 4 mm × 3 mm, 4 die 每次曝光
Wafer
小结
限制光学曝光方式的分辨率的主要因素是衍射效应。最早 使用的接触式光刻机，分辨率可到 1 m以下，但容易损伤掩模 和硅片。解决的办法是使用接近式光刻机，但要影响分辨率。 介绍了具有亚微米分辨率的投影曝光系统。为了解决分辨率和
4、主高压的范围较宽，可以适用于曝光、刻蚀、注入等
各种不同用途。
离子束曝光技术的优点
1、离子的质量大，因此波长更短，可完全忽略衍射效应；
2、离子的速度慢，穿透深度小，曝光灵敏度高。对于各种
电子束光刻胶，离子束的灵敏度均比电子束高近两个数量级， 因此可缩短曝光时间，提高生产效率； 3、离子的质量大，因此散射很小，由散射引起的邻近效应 小，有利于提高分辨率；
所以一般选取较小的 NA。为了提高分辨率，可以缩短波长。
例：设 NA 0.16, 则当 436nm（UV, g 线）时， Wmin 2.04μm, 17.03μm, 而当 193nm（DUV）时， Wmin 0.90μm, 7.54μm
二、1 : 1 扫描反射投影光刻机
光学曝光的各种曝光方式及其利弊小结
接 触 式 优点：设备简单，分辨率较高
缺点：掩模版与晶片易损伤，成品率低
接近式 优点：掩模版寿命长，成本低 缺点：衍射效应严重，影响分辨率 全反射 优点：无像差，无驻波效应影响 缺点：数值孔径小，分辨率低 优点：数值孔径大，分辨率高， 对硅片平整度要求低， 掩模制造方便 缺点：曝光效率低，设备昂贵
晶片
也需作步进移动。
投影电子束曝光的 优点 1、波长短，分辨率高，线宽可小于 0.1 m ； 2、生产效率高； 3、对电子束的控制简单。 存在的问题 1、掩模版制造困难。“透明” 部分最好是空的。这是限 制投影电子束曝光的实际应用的主要障碍； 2、对准问题
在投影电子束光刻中，最有希望的技术之一被称为角度限
紫外光（UV）
深紫外光（DUV）
光 源
极紫外光（EUV），10 ~ 15 nm X 射线，0.2 ~ 4 nm 电子束 离子束
极紫外光光刻 极紫外光刻（Extreme Ultraviolet Lithography），常称作EUV光刻，它以 波长为10-14纳米的极紫外光作为光源的 光刻技术。具体为采用波长为13.4nm 的 软x 射线。
n 为折射率， 为半接收角。NA 的典型值是 0.16 到 0.8。 增大 NA 可以提高分辨率，但却受到 焦深 的限制。
焦深 代表当硅片沿光路方向移动时能保持良好聚焦的移动 距离。投影式光刻机的焦深由 雷利第二公式 给出，即


NA2
分辨率与焦深对波长和数值孔径有相互矛盾的要求，需要
折中考虑。增加 NA 线性地提高分辨率，平方关系地减小焦深，
功率消耗达数万瓦，并产生大量的热。除了用水冷却外，还可
使阳极高速旋转。
2、等离子体 X 射线源 用聚焦的高能电子束或激光束轰击金属薄膜，使之蒸发成 为等离子体。超热的金属等离子体蒸汽将发射 X 射线，波长为 0.8 ~ 10 nm 。 这种 X 射线源从激光到 X 射线的转换效率约为 10%，光强 比较强，并有非常小的直径，比较适合于光刻。
例：当 0.436 μm (g线), g 20μm 时，Wmin 2.95μm
三 投影式光刻机
一、分辨率与焦深
投影式光刻机的分辨率由 雷利第一公式 给出，即
Wmin k1

NA
式中，k1 是与光刻胶的光强响应特性有关的常数，约为 0.75 。 NA 为镜头的 数值孔径，
NA n sin
非 接 触 式 投影式
折射
光学光刻
一 光刻概述
光刻
曝光 刻蚀
光源
曝光方式
评价光刻工艺可用三项主要的标准：分辨率、对准精度 和
生产效率。
光刻工艺流程
涂光刻胶（正）
选择曝光
显影（第 1 次图形转移）
刻蚀（第 2 次图形转移）
二 光源的种类
g 线：436 nm i 线：365 nm KrF 准分子激光：248 nm ArF 准分子激光：193 nm
制散射投影电子束光刻（Scattering with Angular Limitation Projection Electron-beam Lithorgraphy, SCALPEL），它是
利用散射反差的对比来产生图形。掩模版的透明区用低 Z 材料
制成，不透明区用高 Z 材料制成。不透明区不是吸收电子而是 以足够大的角度散射电子，使之被光阑阻挡。这就允许使用极 高的能量，从而使低 Z 材料区几乎完全透明。 掩模版的透明区通常是富硅的氮化硅，厚约 0.1 m 。不透 明区可采用 W/Cr，厚约 0.05 m 。 在图像质量和生产效率之间存在矛盾。低电子流密度可获
得极好的图像质量，而高电子流密度可获得合理的生产效率。
离子束光刻
当将离子束应用于曝光时，其加工方式有
1、掩模方式（投影方式）
2、聚焦方式 FIB（直写方式、扫描方式）
3、接近式
聚焦离子束光刻机的基本原理与直写电子束光刻机大体相 同，不同之处有 1、由 LMIS（单体或共晶合金）代替电子枪； 2、必须使用质量分析系统； 3、通常采用静电透镜和静电偏转器；
Al2O3 薄膜，或 1 m 左右的单晶硅沟道掩模。
9.10 小结
各种光源的比较 光谱 紫外光 深紫外光 极紫外光 X 射线 波长 （nm) 365、 436 193、 248 10 ~ 15 0.2 ~ 4 曝光方式 光刻 胶 各种有掩 光致 模方式 各种有掩 电子 模方式 缩小全 反射 接近 掩模材料 玻璃/Cr 石英/Cr、 石英/Al 分辨率 0.5 m 0.2 m 0.1 m 0.1 m
焦深之间的矛盾，可以采用分步重复的方式。最后介绍了通过
改进掩模制作提高分辨率的方法，即相移掩模技术和光学邻近 效应修正技术。 随着光刻技术的不断发展，光学曝光的分辨率已进入亚波 长范围。现在利用 193 nm 光源及 OPC 技术，已获得 0.13 m的 线宽，预期可达到 0.10 m ，甚至达到 0.07 m 。