第7章 光学光刻(电子科大mems课件)

Imax − Imin M = TF Imax + Imin
无衍射效应时， 无衍射效应时，MTF = 1 ；有衍射效应时 ，MTF < 1 。 光栅的周期（或图形的尺寸）越小， 越小； 光栅的周期（或图形的尺寸）越小，则 MTF 越小；光的波长 越短， 越大。 越短，则 MTF 越大。
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深紫外光（ 深紫外光（DUV） ） 光 源
极紫外光（ ），10 极紫外光（EUV）， ~ 15 nm ）， X 射线，0.2 ~ 4 nm 射线， 电子束 离子束
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电磁光谱
Visible Microwaves
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透镜俘获衍射光NA
石英 UV 铬 4 3 2 1 0 透镜 1 2 3 衍射图形 4 掩膜版
数值孔径(NA)：透镜收集衍射光的能力。 ：透镜收集衍射光的能力。 数值孔径
透镜的半径 NA = ( n ) Sinθ m ≈ ( n ) 透镜的焦长
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二、接近式光刻机
g = 10 ~ 50 µm
优点：掩模寿命长（可提高 10 倍以上），图形缺陷少。 倍以上），图形缺陷少。 ），图形缺陷少 优点：掩模寿命长（ 缺点：衍射效应严重，使分辨率下降。 缺点：衍射效应严重，使分辨率下降。
一、分辨率与焦深 给出， 投影式光刻机的分辨率由 雷利第一公式 给出，即
Wmin = k1
λ
NA
式中， 是与光刻胶的光强响应特性有关的常数， 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， 数值孔径，
NA= nsinα
n 为折射率，α 为半接收角。NA 的典型值是 0.16 到 0.8。 为折射率， 为半接收角。 。 可以提高分辨率， 的限制。 增大 NA 可以提高分辨率，但却受到 焦深 的限制。
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Gamma rays
X-rays
UV
Infrared
Radio waves
f (Hz) λ (m)
10 10
22
10 10
20
10 10
18
10 10
-8
16
10 10
-6
14
10 10
-4
10 10
-2
10
10 10 0
8
10 10 2
6
10 10 4
4
-14
-12
-10
λ (nm)
157
193
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7.6 投影式光刻机
选择曝光
显影（ 次图形转移） 显影（第 1 次图形转移）
刻蚀（ 次图形转移） 刻蚀（第 2 次图形转移）
2
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
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光刻工艺的８ 光刻工艺的８个步骤
UV Light HMDS Resist Mask λ λ 1) 气相成底膜 2) 涂胶 3)前烘 前烘 4) 对准和曝光
图形的分辩率还要受光刻胶对光强的响应特性的影响。 图形的分辩率还要受光刻胶对光强的响应特性的影响。 光刻胶对光强的响应特性的影响 D100 D0
Dcr
理想光刻胶：光强不到临界光强 Dcr 时不发生反应，光强 理想光刻胶： 时不发生反应， 时完全反应，衍射只造成线宽和间距的少量变化。 超过 Dcr 时完全反应，衍射只造成线宽和间距的少量变化。 实际光刻胶： 时不发生反应， 实际光刻胶：光强不到 D0 时不发生反应，光强介于 D0 和 D100 之间时发生部分反应，光强超过 D100 时完全反应，使线条 之间时发生部分反应， 时完全反应， 边缘出现模糊区。在一般的光刻胶中， 边缘出现模糊区。在一般的光刻胶中，当 MTF < 0.4 时，图形 不再能被复制。 不再能被复制。
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7.5 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 优点：设备简单； ， 高，约 0.5 µm。 。 缺点：掩模版寿命短（10 ~ 20 次），硅片上图形缺陷多， ），硅片上图形缺陷多 硅片上图形缺陷多， 缺点：掩模版寿命短（ 光刻成品率低。 光刻成品率低。
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各种光学曝光光源的使用情况 1985 年以前，几乎所有光刻机都采用 g 线 (436 nm) 光源， 年以前， 光源， 当时的最小线宽为 1 µm 以上 。1985 年以后开始出现少量 i 线 (365 nm) 光刻机，相应的最小线宽为 0.5 µm 左右。从 1990 年开 光刻机， 左右。 光刻机， 左右。 始出现 DVU 光刻机，相应的最小线宽为 0.25 µm 左右。从1992 年起 i 线光刻机的数量开始超过 g 线光刻机 。截止到 1998 年 ， g 线、i 线和 DVU 光刻机的销售台数比例约为 1 : 4 : 2。而目前 。 DVU 光刻机的销售台数已经超过 i 线光刻机。 线光刻机。
7
7.2 衍射
当一个光学系统中的所有尺寸， 当一个光学系统中的所有尺寸， 如光源、反射器、透镜、 如光源、反射器、透镜、掩模版上的 特征尺寸等，都远大于光源波长时， 特征尺寸等，都远大于光源波长时， 可以将光作为在光学元件间直线运动 的粒子来处理。 的粒子来处理。 但是当掩模版上的特征尺寸接近光源的波长时， 但是当掩模版上的特征尺寸接近光源的波长时，就应该把 光的传输作为电磁波来处理，必须考虑衍射和干涉。 衍射和干涉 光的传输作为电磁波来处理，必须考虑衍射和干涉。由于衍射 的作用，掩模版透光区下方的光强减弱，非透光区下方的光强 的作用，掩模版透光区下方的光强减弱， 增加，从而影响光刻的分辩率。 增加，从而影响光刻的分辩率。
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最小可分辨的线宽为
Wmin = k λ g ≈ λ g
式中， 是与光刻胶处理工艺有关的常数， 式中，k 是与光刻胶处理工艺有关的常数，通常接近于 1 。
例 当λ = 0.436µm(g线 g = 20µm时 W in = 2.95µm ： ), ， m
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7.3 调制传输函数和光学曝光
光 强
无衍射效应
有衍射效应
9
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定义图形的调制传输函数 定义图形的 调制传输函数 MTF 为
i-line 365 nm
DUV 248 nm
200
300
400
500
600
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由于衍射效应是光学曝光技术中限制分辨率的主要因素， 由于衍射效应是光学曝光技术中限制分辨率的主要因素， 深紫外光。 所以要提高分辨率就应使用波长更短的光源如 深紫外光。实际 准分子激光（ nm） 使用的深紫外光源有 KrF 准分子激光（248 nm）、ArF 准分子 准分子激光（ 激光（193 nm）和 F2 准分子激光（157 nm）等。 nm） 激光（ ） 深紫外光的曝光方式与紫外光基本相同，但需注意两点， 深紫外光的曝光方式与紫外光基本相同，但需注意两点， 1、 1、光刻胶 2、掩模与透镜材料 、 248 nm 波长的光子能量为 4.9 eV，193 nm 波长的光子能量 ， 为 6.3 eV ，而纯净石英的禁带宽度约为 8 eV。波长越短，掩模 。波长越短， 与透镜材料对光能的吸收就严重， 与透镜材料对光能的吸收就严重，造成曝光效率降低和掩模与 透镜发热。 透镜发热。
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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。 给出， 距离。投影式光刻机的焦深由 雷利第二公式 给出，即
σ =
λ
NA 2
分辨率与焦深对波长和数值孔径有相互矛盾的要求， 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。 线性地提高分辨率，平方关系地减小焦深， 折中考虑。增加 NA 线性地提高分辨率，平方关系地减小焦深， 所以一般选取较小的 NA。为了提高分辨率，可以缩短波长。 。为了提高分辨率，可以缩短波长。
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7.4 光源系统
对光源系统的要求 1、有适当的波长。波长越短，曝光的特征尺寸就越小； 、有适当的波长。波长越短，曝光的特征尺寸就越小； 2、有足够的能量。能量越大，曝光时间就越短； 、有足够的能量。能量越大，曝光时间就越短； 3、曝光能量必须均匀地分布在曝光区。 、曝光能量必须均匀地分布在曝光区。 光源是高压弧光灯（高压汞灯）。 ）。高压汞灯 常用的 紫外光 光源是高压弧光灯（高压汞灯）。高压汞灯 有许多尖锐的光谱线， nm） 有许多尖锐的光谱线，经过滤光后使用其中的 g 线（436 nm） 或 i 线（365 nm）。 nm）
Violet
Blue
Green Yellow Orange Red
4
50
100
150
200
250
300
350
400
450
500
550
600
650
700
13
126 157
193
248
365 i
405 436 g h 汞灯
准分子激光 Photolithography light sources
可见光谱：波长在390nm到780nm之间； 可见光谱：波长在 到 之间； 之间 紫外光谱：波长在 之间。 紫外光谱：波长在4nm到450nm之间。 到 之间
第 7 章 光学光刻
7.1 光刻概述
光源 曝光 光刻 刻蚀 评价光刻工艺可用三项主要的标准：分辨率、 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。 生产效率。
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曝光方式
1
光刻工艺流程
涂光刻胶（正） 涂光刻胶（
248
365 i
405 436 g
VUV hDUV DUV
Common UV wavelengths used in optical lithography.
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紫外光谱
紫外光谱 EUV VUV DUV
λ (nm) 可见光 Mid-UV
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有掩模方式 曝 光 方 式 无掩模方式
接触式 非接触式
接近式 投影式
反射 全场投影 折射 步进投影 扫描步进投影
矢量扫描 光栅扫描 混合扫描
（聚焦扫描方式） 聚焦扫描方式）
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5) 曝光后烘焙
6)显影 显影
7)坚膜 坚膜
8)显影后检查 显影后检查
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紫外光（ ） 紫外光（UV）
g 线：436 nm i 线：365 nm KrF 准分子激光：248 nm 准分子激光： ArF 准分子激光：193 nm 准分子激光：
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高压汞灯的光谱线
120 100 80 Relative Intensity (%) 60 40 20 0
h-line 405 nm g-line 436 nm
Emission spectrum of high-intensity mercury lamp