第六章 光刻曝光系统

安迪 格罗夫 Andy Grove
使微处理器这颗数 字革命的心脏强劲 跳动，为数字时代 提供源源不断的动 力 1986年格罗夫提出 的新的口号“英特 尔，微处理器公司” 核心、双核、四核 改变世界 1987年接过英特尔 的 CEO接力棒
张忠谋 Zhang zhonmou
创建了一个纯芯片 制造代工的台积电 模式的产业 1987创建了全球第 一家专业代工公司-台湾积体电路制造 股份有限公司（台 积电）开创了半导 体代工时代 1985年台湾工研究 院院长
曝光
接触式/ 接近式/扫 描投影/分 步重复/步 进扫描光刻 机。 灵敏度/分 辨率/对比 度/抗蚀性/ 对准套刻精 度/CD控制。 抗反射涂层 (ARC)防止 反射切迹和 驻波效应。
后烘
显影
坚膜
检测
光刻胶在显 影后再烘烤 硬化坚膜。 对刻蚀和离 子注入工艺 非常关键。 正胶的坚膜 烘焙温度约 为120℃到 140℃。温度 太高会产生 光刻胶流动。 显影检查是 保证光刻质 量或成品率 的重要工序。
曝光波长
特征尺寸 存储器bit 主流CPU CPU晶体管 CPU主频 硅片尺寸 主流 设计工具 主要 封装形式
436nm
≧1um ﹤4M 8086-386 104-105 2-33MHz 4-6″ LEP&R DIP 双列直插
365nm
1-0.35um 4M-64M Pentiun pro 106-107 33-200MHz 6-8″ P&RSynthesis QFP 平面安装
光刻定义
Image (on reticle)
die
Image (on wafer)
wafer
Cell
光 刻 定 义
光刻工艺的简介
硅片截面
光刻工艺的简介
表面生长氧化层 硅片截面
氧化层的生长在扩散炉， 图中为扩散炉
光刻工艺的简介
均匀胶层（正胶）
表面生长氧化层
硅片截面
光刻进行加工的片子，都 必须经过的步骤-匀胶。 上图中为2道匀胶机
光刻发展历史
摩尔定律
芯片集成度18个月翻一番，每三年器件尺寸缩小0.7 倍的速度发展。大尺寸、细线宽、高精度、高效率、 低成本的IC生产，正在对半导体设备带来前所未有的 挑战
微电子技术每十年产生一代的进步
第一代 十年一代 光刻光源 1975-1985 G线 第二代 1985-1995 I线 第三代 1995-2005 准分子激光 第四代 2005-2015 浸没/二次 第五代 2015-2025 EUV/EBL
NA=n sinθ
@193nm: n=1.0(空气中) n=1.436(水中)
光刻原理
▼ 焦深
K2 2( NA)
2
DOF
♦ K2取决于接收像面标准和 掩膜 类型 ♦ λ 为 光刻物镜工作波长 ♦ NA为光刻物镜像方数值孔径
数值孔径(NA)
object (reticle)
= max. Acceptance angle (at object)
光刻仿真软件的功能：扩展光刻研究的深度和广度，有效降低光刻单
元的运营费用，缩短确定有效光刻解决方案所需时间。
主要仿真软件：PROLITH(DUV,EUV),SPLAT, SAMPLE, IntellSuite,
MEMSPro, MEMSCAD(CoventorWare)
光刻小结
在光刻发展历史这部分内容中，主要是想向大家讲述 一下光刻的发展背景，意义及什么是光刻，旨在让同 学们对光刻有一个大概的了解； 曝光系统是光刻机中 最为复杂的核心组件 ，其研制涉及到应用 光学领域的所有基础 技术，且技术要求达 到了当前应用光学技 术发展水平的极限
表面生长氧化层 硅片截面
光刻工艺的简介
曝光完成，接下来的工艺 是显影，通过浸泡显影液， 被曝光的正性光刻胶或未 曝光的负性光刻胶会被溶 除。从而实现将掩膜上的 图形复印到胶层。
表面生长氧化层 硅片截面
上图为显影机，构 造与匀胶机类似
光刻工艺的简介
至此，光刻工艺简介告一段落，经过显影后的QC检验后 即可送往下步工序。 光刻的下步工序为：湿法腐蚀、干法刻蚀、离子注入 下图是以湿法腐蚀为例：
光刻机总体结构（汞灯）
光刻机总体结构（LASER）
光刻原理
Imaging Principle: Optical Projection
Condenser lens
Light
reticle
v v v
Objectiv e lens wafe r
source
v
v v v
Aperture stop
光刻原理
• 根据以上介绍，可将整个芯片制造流程简单总结如下：
基片 处理
涂胶
曝光
显影
刻蚀
去胶
Film Substrate Clean
Film Substrate Strip
光刻技术的发展
接触/临近光刻 电子束直写 投影光刻 离子束 复合 电子束
1X 扫描
5x,10x 步进&重复
X射线 光刻
DUV 1X 扫描
5
集成电路五十年中对世界最具影响力的五个人
杰克. 基尔比 Jack S. Kilby
集成电路发明者 提出 大胆的设想： “能不能将电阻、 电容、晶体管等电 子元器件都安臵在 一个半导体单片 上？” 1958-9-12研制出世 界上第一块集成电 路 2000年获诺贝尔物 理学奖
罗伯特. 诺伊斯 Robert. Noyce
光刻机发展历史
* 光刻机发展路线图
光刻机三巨头
ASML Nikon Cano n
据2007年统计，在中高阶光刻机市场，ASML占有份额达60%左 右，而在最高阶光刻机市场， ASML占有份额达90%左右
光刻发展背景
信息时代
半导体
产业
集成电路
光刻技术
什么是光刻？
• 定义：光刻是将掩模 版上的图形转移到涂 有光致抗蚀剂（或称 光刻胶）的硅片上, 通过一系列生产步骤 将硅片表面薄膜的特 定部分除去的一种图 形转移技术。 • Lithography = Transfer the pattern of circuitry from a mask onto a wafer.
光刻分类
• 按曝光视场范围的不同可分为：步进光刻机，扫描光刻机
步进扫描式光刻机原理 步进重复式光刻机原理
光刻分类
• 按工作波长可分为：
g线
(436nm)
i线 (365nm) DUV光刻 248nm
193nm
光刻分类
EUV
(13.5nm)
X射线 (5Å) 电子束光刻 (0.62Å) 离子束光刻 (0.12Å)
光刻工艺的简介
紫外线曝光灯
均匀胶层（正胶） 表面生长氧化层
硅片截面
图中为光刻的核心加工设备光刻机。 经过上版、版对准、上片、片 对准后执行曝光。将掩膜图形 复印到硅片表面的胶层上
光刻工艺的简介
紫外线曝光灯
曝光完成后，因为掩膜 图形遮挡的原因，只有 部分胶膜被紫外光充分 照射，化学性质发生了 改变（图中橘黄色所示 位臵被曝光）。
Numerical Aperture
NA = n sin i
Projection Lens Entrance Pupil
Image i = max. acceptance angle (at image)
(wafer)
光刻分辨率影响因素
R = k1 NA
曝光波长
数值孔径NA 工艺系数 k1
248nm
0.35u-65nm 64M-1G P4 108-109 200-3800 8-12″ SynthesisDFM BGA 球栅封装
193nm
65-22nm 1G-16G 多核 1010-10X 非主频标准 12-18″ SoC 系统设计 SiP 系统封装
13.5/10-6
22-7nm ﹥16G
表面生长氧化层
硅片截面
光刻工艺的简介
通过湿法腐蚀，主要用于去除掉没有光刻胶保护部分的 氧化硅层或铝层。 利用光刻胶的抗蚀性和阻隔离子的能力，有选择的保护 硅片表面的氧化层、氮化硅层、铝层等等，就是光刻工 艺的意义。
表面生长氧化层
硅片截面
光刻工艺总结
硅片处理
硅片脱水 烘烤。光 刻胶需要 疏水性的 表面，硅 片表面薄 氧化层成 亲水性， HMDS钝化 亲水性变 成疏水性 提高黏附 性。或者 简单采用 硫酸煮片 去氧化层。
涂胶
高速旋转 涂胶。 抗蚀剂浓 度。 气泡/水汽。 正性抗蚀 剂/负性抗 蚀剂/反转 抗蚀剂。 硅片边缘 形成边胶 工艺中易 产生缺陷 需边胶去 除(EBR)
前烘
烘箱热对流 /红外线辐 射/ 热板传导。 挥发光刻胶 中的溶剂/ 增强附着力 /缓解胶膜 应力/避免 粘连。 温度太高或 时间过长变 脆灵敏度变 差反之溶解 太快。
Imaging Principle: Fourier Optics
光刻原理
决定光刻图案的是Wafer上的光强分布
~ I ( r ; z ) d 0 J ( 0 ) FT O( 0 ) P( ) F ( ; z ) H ( ; z0 ) s i
无掩模 光刻
步进& 扫描 浸液
纳米压印
极紫外光刻 （EUVL）
NA≥1.35 偏振成像
193nm 双曝光 固体浸液 193nm 多次曝光
光刻技术的发展（红色表示主流技术 蓝色表示潜在发展方向）
光刻技术的发展
光刻分类
• 按曝光系统可分为三类：接触，接近，投影曝光
接触式曝光：掩膜板与光刻胶直接接触，衍射效应小，分辨率高，但版和 硅的硬接触使两者都造成损伤，导致很高的缺陷密度 接近式曝光：版与光刻胶有一定间隙，这种曝光解决了缺陷问题，但由于 衍射效应明显使其分辨率降低 投影式曝光：分辨率高，也没有接触曝光的缺陷问题，是目前主要的曝光方法
发明可商业化量产 的集成电路Fra Baidu bibliotek1959-7研究出以二 氧化硅膜开窗口杂 质扩散技术、PN结 的隔离技术，氧化 膜上铝条连线技术， 真正实现了半导体 硅平面工艺 创办仙童公司和英 特尔公司
戈登. 摩尔 Gordon .Moore
发现“摩尔定率” 1965-1975发现并预 言集成电路芯片晶 体管数每18个月翻 一番（约每三年翻 二番，特征尺寸缩 小到0.7倍，进一个 节点）的摩尔定率 英特尔(Intel)公司创 始人之一总裁兼 CEO
2
Image Intensity
Mask illumination
Resist Polarization Lens
光刻原理
▼ 分辨率定义
R pitch / 2 R k1

NA
♦ R=Picth/2即刻线间距的半宽度 ♦ k1为仅与光刻系统相关因子
♦ λ 为 光刻物镜工作波长
♦ NA为光刻物镜像方数值孔径（曝光区）
157nm
光刻仿真软件
光刻模拟研究起源于1953年H.Hopkins利用数学方法计算投影光学系统
的空间成像，70年代，经美国学者Rick Dill 和MACK等对其更加深入的研 究，使得光刻模拟研究逐渐形成体系，并渐渐成为光刻理论研究和光刻工 艺改进等方面不可或缺的一部分。第一款光刻仿真软件SPLAT诞生于1979 年
化学放大抗 蚀剂必须曝 光后烘酸化 提高灵敏度。 曝光后烘烤， 可以使光刻 胶结构重新 排列，减轻 驻波影响。 非化学放大 胶可以不进 行后烘
显影是产生 图形的关键 步骤负胶显 影没曝光的 胶膜溶解掉； 正胶将已曝 光的胶膜溶 解掉。 就要保持环 境温度的稳 定和显影液 浓度的稳定。 定影清洗
芯片制造流程
光刻分辨率提高方法
• 从分辨率公式可以看出，要提高光刻分辨率，只有三种办 法：缩短波长，增加数值孔径，减小K1因子 缩短波长：从汞灯光刻到现在的准分子激光光刻，以及到未来的极
光学仪器工程及系统设计
第六章
光刻曝光系统
光刻曝光系统
光刻发展历史
光刻工艺及光刻机结构
光
刻
原
理
曝光系统基本结构
曝光系统技术难点 曝光系统发展前景
光刻发展历史
1958年世界上出现第一块平面集成电路，在短短的五十多年 中，微电子技术以令世人震惊的速度突飞猛进地发展，创造 了人间奇迹。人类社会和整个世界都离不开微电子技术。 作为微电子技术工艺基础的微光刻技术与微纳米加工技术是 人类迄今为止所能达到的精度最高的加工技术。 1980年左右曾经有人预言：光刻线宽不能小于1微米； 1989年曾经有预言：到1997年光刻技术将走到尽头； 1994年也曾经有比较乐观的长期预测，2007年线宽达到0.1 微米（保守的预计为0.5微米）。这些预测都被光刻技术神 话般进步的步伐远远抛在后头 ！ 过去的几十年证明，通过科学家的努力，人类就有办法实现 当时看来已经超过当时光刻工艺物理极限的加工精度，不断 地续写着新的神话。