光刻二

8.3 光刻系统主要指标
分辨率（Resolution）
不同的粒子束，因其能量、动量不同，则ΔL亦不同。 光子曝光的最高的分辨率
L
Rmax 1

2

mm
1
这是仅考虑光的衍射效应而得到的结果，没有涉及光学系统的误差以 及光刻胶和工艺的误差等，因此这是纯理论的分辨率。
8.3 光刻系统主要指标
8.5 光刻胶
负胶--Negative photoresist
用得最早 基底：合成环化橡胶树脂 对光照不敏感，但在有机溶剂如甲苯和二甲苯中溶解很快
光敏材料（PAC)：重双芳化基 (bis-arylazide) 交联剂：光照后产生交联的三维分子网络，使光刻胶在 显影液中具有不溶性。
溶剂 ：芳香族化合物 (aromatic) 交联剂是指一类分子两端各有一个相同或者不同 的活性基团,它们可与其他分子上的氨基、巯基、 羟基等发生共价结合而产生交联作用的试剂。 响应波长330-430nm 胶膜厚0.3-1μm，
d
图形尺寸缩小到深亚微米，使用移相掩膜技术。 原理：在掩膜版上的某些透明图形上增加或减少一个透明的 介质层，称移相器，使光波通过介质层后产生180°的相位 差，与邻近透明区域透过的光波产生干涉，从而抵消图形边 缘的光衍射效应，提高曝光分辨率。
8.4 光刻掩膜板
移相掩膜（phase-shift masks, PSM）
制版技术是光刻工艺的关键技术。
8.4 光刻掩膜板
实际光刻版
8.4 光刻掩膜板
(A)电路图
(B)版图
8.4 光刻掩膜板
制版工艺流程
光学制版
版图绘制：放大100-1000倍，画出版图总图；
刻分层图：刻红膜； 初缩：缩小为最终图形的十倍的初缩版； 精缩兼分布重复：得到母版； 复印：掩膜板使用一定次数要换用新掩膜板，因 此复印复制出多块工作掩膜板。
1．焦深与物镜的数值孔镜成反比， 2．焦深大，分辨率降低。
8.3 光刻系统主要指标
焦深（DOF）
焦深，是表示一定工艺条件下，能刻出最小线宽时像面
偏离理想焦面的范围。 焦深越大，对光刻图形的制作越有利。
k2 DOF 2 ( NA)
对比度（CON）
对比度，评价成像图形质量。
8.2 光刻工艺基本流程
曝光、显影、刻蚀(或淀积)是光刻过程中的三个主要步骤。
第八章 光刻
8.1 光刻概述 8.2 光刻工艺基本流程 8.3 光刻系统主要指标 8.4 光刻掩膜板 8.5 光刻胶
8.6 光刻工艺
8.7 光学分辨率增强技术
8.8 曝光
2
8.3 光刻系统主要指标
负胶----临界曝光剂量Dgi； 正胶----曝光剂量↑膜厚↓
8.5 光刻胶
光刻胶的侧墙倾斜
光刻胶的对比度越高，光刻胶层的侧面越陡。
8.5 光刻胶
光刻胶的侧墙倾斜
侧墙倾斜对分辨率的影响
由于线宽是通过测量光刻胶/衬底之上特定高度的线条 间距得到的，光刻胶侧面的陡度越好，线宽描述掩模尺 寸的准确度就越高。 最终的图形转移是经过刻蚀完成的，而干法刻蚀在一
DQ不溶于显影液，光刻胶在显影液中的溶解速率为 1－2 nm/sec； 光照后，DQ退化成为溶于显影液的羧酸。光照后光刻胶在显影液 中的溶解速度为100－200nm/sec 。
溶剂 是醋酸丁脂、二甲苯、乙酸溶纤剂的混合物，调节 光刻胶的粘度。 响应波长330-430nm 胶膜厚1-3μm， 显影液：TMAH四甲基氢氧化铵；氢氧化钠等碱性物质
光刻胶的光敏度
光敏度是指完成所需图形曝光的最小曝光剂量。
光敏度是由曝光效率（参与光刻胶曝光的光子能量与进入光刻胶中的 光子能量的比值）决定的。通常正胶比负胶有更高的曝光效率，因此 正胶的光敏度也就比较大。 提高光敏度可以减小曝光时间。 实际工艺中对光刻胶光敏度是有限制的。如果光刻胶的光敏度过高， 室温下就可能发生热反应，这将使光刻胶的存储时间减少。此外，对 光敏度高的正胶曝光时，每个像素点只需要得到少量的光子就可以完 成曝光。而每个像素点上接收到的光子数受统计涨落影响，这就将对 均匀曝光产生影响。
光刻胶按其用途分：
光学光刻胶 电子抗蚀剂 X-射线抗蚀剂
8.5 光刻胶
正胶和负胶光刻示意图
正胶 曝光区在显影时溶掉
正版光刻
IC主导
负胶
曝光区在显影中保留 负版光刻
21
8.5 光刻胶
正胶--positive photoresist, DQN
用得最多 基底：酚醛树脂 (a polymer)，本身溶于显影液，溶解速率 为15 nm/s。 光敏材料（PAC－photoactive compounds)：重氮醌 (DQ)
CMTF 光刻胶
Dc D o Dc D o
为了使曝光系统得到要求的线条尺寸，需要 MTF≥CMTF。 对比度与CMTF之间的关系为
CMTF 光刻胶
Dc D o 10 1 1 Dc D o
10
1
可以计算这一系统可以形成的最小图形尺寸。
1
8.5 光刻胶
8.4 光刻掩膜板
制版工艺流程
电子束制版 采用计算机绘图，将图形X-Y数据 化，用图形发生器按这些数据由电子束在空白版 上扫描，直接制备出母版。 制版用专用版图设计软件，如Cadence、L-edit
8.4 光刻掩膜板
石英玻璃板
掩膜板的玻璃基片选取
低热膨胀系数、低钠含量、高化学稳定性及高光穿透性 的石英玻璃； 热扩散系数小，使石英玻璃板在掩模版刻写过程中受温 度变化的影响较小。
光刻胶通常含三种成分：
1.聚合物材料(树脂)：附着性和抗腐蚀性；
2.感光材料：感光剂； 3.溶剂：使光刻胶保持为液态。
8.5 光刻胶
光刻胶的划分
光刻胶按曝光区显影中保留或去除划分： 正(性)胶：感光区在显影时溶掉， 光刻胶图形是掩模版图形的正影像。 负(性)胶：曝光区在显影中保留， 显影后光刻胶层上形成的是掩模版 的负性图形。
8.5 光刻胶
光刻胶的主要特性
薄膜，增加铬膜与石英玻璃之间黏附力。 在铬膜的上方需要有一层的20nm厚的Cr2O3抗反射层。 这些薄膜都是通过溅射法制备的。
8.4 光刻掩膜板
掩膜板的保护层
为了防止在掩模版上形成缺陷，需要用保护膜将掩模版的
表面密封起来，这样就可以避免掩模版遭到空气中微粒以 及其他形式的污染。
保护膜的厚度需要足够薄，以保证透光性，同时又要耐清
洗，还要求保护膜长时间暴露在UV射线的辐照下，仍然 能保持它的形状。 目前所使用的材料包括硝化纤维素醋酸盐和碳氟化合 物．形成的保护薄膜厚度为l～2μm。
用去离子水清洗，可以去掉保护膜上大多数的微粒，再通
过弱表面活性剂和手工擦洗，完成对掩模版的清洁。
8.4 光刻掩膜板
移相掩膜（phase-shift masks, PSM）
石英玻璃对248nm和193nm波长的通透效果是最好的。
8.4 光刻掩膜板
铬层
在石英玻璃片上淀积一层100nm的铬膜(Cr)作为工作层， 掩膜图形最终就是在铬膜上形成的； 选择铬膜是因为铬膜的淀积和刻蚀都比较容易，而且对 光线完全不透明。
在铬膜的下方还要有一层由铬的氮化物或氧化物形成的
8.5 光刻胶
光刻胶的主要特性
光学性质

对比度 光敏度
8.5 光刻胶
光刻胶的对比度
对比度会直接影响到曝光后光刻胶层的倾角和线宽。
将一定厚度的光刻胶膜在不同的辐照剂量下曝光，然后测量显影之后 剩余光刻胶的膜厚，利用得到的光刻胶膜厚-曝光剂量响应曲线进行计 算就可以得到对比度。
根据量子理论的海森堡不确定性关系有
L p h
其中h是普朗克常数，Δp是粒子动量的不确定值。对于曝光所 用的粒子束，Δp=2p，则有
h L 2p
因而最高的分辨率
1 p Rmax 2L h
8.3 光刻系统主要指标
分辨率（Resolution）
任意粒子曝光的最高的分辨率
定程度上对光刻胶也有侵蚀作用，所以陡峭的光刻胶可
以减小刻蚀过程中的钻蚀效应，从而提高分辨率。
8.5 光刻胶
光刻胶的对比度
调制转移函数（MTF)
I max I min MTF I max I min
描述曝光图形的质量，
Imax为曝光图形上的最大辐照强度，Imin为最小辐照强度。
光刻胶的临界调制转移函数
分辨率（Resolution）
光刻分辨率，是指由光刻工艺得到的光刻胶图形能分辨
线条的最小线宽，衍射决定：
L

2
光刻中能得到的最细线条
最高分辨率
Rmax
1

mm
1
8.3 光刻系统主要指标
分辨率（Resolution）
I max I m in CON I max I m in
对比度越高，光刻出来的微细图形越好。
8.4 光刻掩膜板
掩膜板的制作
制版就是将器件与电路结构（如掺杂、互连方式等）设 计图形转移到掩膜版上。 先制作母板，再由母版翻印多套工作版，工作板也叫作 光刻板。 一种产品生产时光刻几次就有几块版，这几块彼此联系 的版组合成一套版。
光刻胶的对比度：不同的光刻胶膜厚-曝光剂量响应曲线的 外推斜率。
Y2 Y1 X 2 X1
γ 影响曝光后胶膜倾角和线宽。 γ 越高，光刻胶的侧壁越陡。
8.5 光刻胶
正胶的对比度
正胶的膜厚随着曝光剂量的增加而减小，直到在显影的过程中被完 全除去，曝光区域剩余的正胶膜厚与曝光剂量的关系如图所示。
负胶显影液
8.5 光刻胶
正胶和负胶比较
当VLSI电路需分辨率达2 mm之前，基本上是采用负胶。 正胶显影容易，图形边缘齐，无溶胀现象，光刻的分辨率高 ，去胶也较容易。 但在分辨率要求不太高的情况，负胶也有其优点： 对衬底表面粘附性好 抗刻蚀能力强 曝光时间短，产量高 工艺宽容度较高 （显影液稀释度、温度等） 价格较低 （约正胶的三分之一）
任何粒子束都具有波动性，即德布罗意物质波，粒子束的动能E为
E
其动量p 粒子束的波长
p
h
1 mV 2 2
h 2m E

mV 2mE
由此，用粒子束可得到的最细线条为
L
h 2 2m E
E一定，则粒子的质量m愈大，ΔL愈小，分辨率愈高。 m一定，其动能愈高， ΔL愈小，分辨率愈高。
d
移相层材料有两类：
①有机膜，光刻胶，如聚甲基丙烯酸甲脂(PMMA胶)； ②无机膜，如二氧化硅。 相位差：Q=2πd/λ(n-1)
8.5 光刻胶
光刻胶
光刻胶：光刻时接收图像的介质。
光刻胶的目的： 1. 将掩膜板图案转移到光刻胶中；
2. 后续工艺中保护下面的材料（刻蚀和离子注入）。
焦深（DOF）
焦深：焦点深度，当焦点对准某一物体时，不仅位于该点 平面上的各点都可以看清楚，而且在此平面的上下一定厚 度内，也能看得清楚，这个清楚部分的厚度就是焦深。 焦深大, 可以看到物体的全层，焦深小，则只能看到物体 的一薄层，焦深与其它技术参数有以下关系：
k2 DOF ( NA)2
1 n o i log10 ( Dg / Dg )
其中，Y2＝1.0，Y1=0， X2＝log10Dog，X1＝ log10Dig。 Dig为负胶的临界曝光剂量， Dog为负胶的胶化薄膜厚度与曝光开始时负胶膜厚度相等时的曝光剂量。
8.5 光刻胶
光刻胶的对比度
Y2 Y1 X 2 X1
1 p Dc log10 (
其中，Y2＝0，Y1=1.0，
Do
)
X2＝log10Dc，X1＝ log10Do。 Dc为完全除去正胶膜所需要的最小曝光剂量， Do为对正胶不产生曝光效果所允许的最大曝光剂量。
8.5 光刻胶
负胶的对比度
对于负胶，只有达到临界曝光剂量后，才形成胶体的交叉链接，临 界曝光剂量以下的负胶中不会形成图形，如图所示 。 达到临界曝光剂量后，随曝光剂量的增加，负胶膜上形成的胶化图 像厚度逐渐加大，最终使胶化图像的薄膜厚度等于初始时负胶的膜厚。