第8章 光刻工藝概述3

1、第8章 光刻工藝概述 *1第8章 光刻工藝概述8.3 光刻技術(shù)第8章 光刻工藝概述 *28.3 光刻技術(shù)8.3.6 對準和曝光對準和曝光 對準對準 是把所需圖形在晶圓表面上定位或?qū)省?曝光曝光 是通過曝光燈或其他輻射源將圖形轉(zhuǎn)移到光刻膠涂層上。 如果說光刻膠是光刻工藝的“材料”核心，那么對準和曝光則是該工藝的“設(shè)備”核心。 圖形的準確對準是保證器件和電路正常工作的決定性因素之一。第8章 光刻工藝概述 *38.3 光刻技術(shù) 光刻機的性能表現(xiàn)光刻機的性能表現(xiàn) 對準和曝光包括兩個系統(tǒng)： 一個是要把圖形在晶圓表面上準確定位（不同的對準機類型的對準系統(tǒng)各不相同）； 另一個是曝光系統(tǒng)（包括一個曝光光源和

2、一個將輻射光線導(dǎo)向到晶圓表面上的機械裝置）。第8章 光刻工藝概述 *48.3 光刻技術(shù)光刻機的性能指標： 分辨率：分辨率：機器產(chǎn)生特定尺寸的能力， 分辨率越高越好，機器的性能越好。 套準能力：套準能力：圖形準確定位的能力 產(chǎn)量產(chǎn)量第8章 光刻工藝概述 *58.3 光刻技術(shù)對準機選擇標準分辨力分辨極限/對準精度污染等級可靠性產(chǎn)率總體所有權(quán)成本 (COO) 第8章 光刻工藝概述 *68.3 光刻技術(shù)DRAM對投影光刻技術(shù)要求（教材2 P153 表7.1）第8章 光刻工藝概述 *7-X+X+Y-YDX-DYShift in registration-X+X+Y-YWafer patternRetic

3、le patternPerfect overlay accuracy第8章 光刻工藝概述 *88.3 光刻技術(shù) 對準法則對準法則 第一次光刻只是把掩膜版上的Y軸與晶圓上的平邊成90，如圖所示。 接下來的掩膜版都用對準 標記與上一層帶有圖形的 掩膜對準。對準標記是一 個特殊的圖形（見圖）， 分布在每個芯片圖形的邊 緣。經(jīng)過光刻工藝對準標 記就永遠留在芯片表面，同時作為下一次對準使用。晶圓掩膜版平邊第8章 光刻工藝概述 *98.3 光刻技術(shù) 對準標記第8章 光刻工藝概述 *108.3 光刻技術(shù)未對準種類：(a) X方向 (b) 轉(zhuǎn)動 (c) 伸出第8章 光刻工藝概述 *112nd Mask1st

4、Mask2nd mask layer1st mask layerRA, 投影掩模版對準標記, L/RGA, 晶圓整體對準標記, L/RFA, 晶圓精對準標記, L/R+RALRAR+ GA+ FAL+ FAR+ GAR+ GALNotch, coarse alignmentFALFARFAL/R + +FAL/R + For 2nd mask + From 1st mask第8章 光刻工藝概述 *1212 3 4111213141516109876523242526272822212019181732313029StartStop第8章 光刻工藝概述 *13Used with permissi

5、on from Canon USA, FPA-2000 i1第8章 光刻工藝概述 *148.3 光刻技術(shù) 光刻機的分類光刻機的分類 最初曝光設(shè)備是接觸式光刻機和接近式光刻機，而今，光刻機已發(fā)展成兩大類型，即光學(xué)光刻機和非光學(xué)光刻機， 如圖所示。光學(xué) 光刻機采用紫外 線作為光源，而 非光學(xué)光刻機的 光源則來自電磁 光譜的其他成分。光刻機的種類光學(xué)接觸式非光學(xué)X線射電子束接近式投影式步進式第8章 光刻工藝概述 *158.3 光刻技術(shù) 光刻機的分類光刻機的分類 接觸式 接近式 掃描投影 步進式 分步掃描 X射線 電子束 混合和匹配第8章 光刻工藝概述 *168.3 光刻技術(shù) 對準系統(tǒng)比較對準系統(tǒng)比較

6、光刻機系統(tǒng)全局掩膜版掩膜版曝光光源分辨力（mm）產(chǎn)量150 mm,(waf/hr) 接觸式接近式/ 掃描投影式 分步重復(fù)式 分步掃描式 X線式射 電子束式 汞 汞 汞ExL/化氪深紫外/氟/ 汞ExL/化氪深紫外/氟/ X線射 電子束 X X X 直寫 X X X X0.250.50 0.91.25 0.350.80 0.250.40 0.10 0.2530120 30100 6590 50* 20+ 2-10第8章 光刻工藝概述 *178.3 光刻技術(shù) 曝光光源曝光光源 普通光源光的波長范圍大，圖形邊緣衍射現(xiàn)象嚴重，滿足不了特征尺寸的要求。所以作為晶圓生產(chǎn)用的曝光光源必須是某一單一波長的光源

7、；另外光源還必須通過反射鏡和透鏡，使光源發(fā)出的光轉(zhuǎn)化成一束平行光，這樣才能保證特征尺寸的要求。 最廣泛使用的曝光光源是高壓汞燈，它所產(chǎn)生的光為紫外光（UV），為獲得更高的清晰度，光刻膠被設(shè)計成只與汞燈光譜中很窄一段波長的光（稱為深紫外區(qū)或DUV）反應(yīng)。 除自之外，現(xiàn)今用的光源還有：準分子激光器、X射線和電子束。第8章 光刻工藝概述 *188.3 光刻技術(shù) 紫外光為光源的曝光方式: 接觸式曝光、接近式曝光、投影式曝光三種第8章 光刻工藝概述 *198.3 光刻技術(shù) 其他曝光方式: X射線曝光、電子束曝光、直接分步重復(fù)曝光、深紫外線曝光。第8章 光刻工藝概述 *20光的特性 =vfLaserv =

8、 光速, 3x108 m/secf = 頻率，Hertz (cycles per second) = 波長, the physical length of one cycle of a frequency, expressed in meters第8章 光刻工藝概述 *21ABA+BWaves in phaseWaves out of phaseConstructive（相長）（相長）Destructive（相消）（相消）第8章 光刻工藝概述 *22光的特性反射irIncident lightReflected lightLaw of Reflection: i = r The angle o

9、f incidence of a light wavefront with a plane mirror is equal to the angle of reflection.第8章 光刻工藝概述 *23反射造成的影響PolysiliconSubstrateSTISTIUV exposure lightMaskExposed photoresistUnexposed photoresistNotched photoresistEdge diffractionSurface reflection第8章 光刻工藝概述 *24 Standing waves cause nonuniform exp

10、osure along the thickness of the photoresist film.Incident waveReflected wavePhotoresistFilmSubstrate駐波：頻率和振幅均相同、振動方向一致、傳播方向相反的兩列波疊加后形成的波。第8章 光刻工藝概述 *25駐波效應(yīng): 造成不同厚度光刻膠曝光的不均勻第8章 光刻工藝概述 *26解決方法 涂抗反射層(ARC)用來減少來自光刻膠下面反射層的光反射底部抗反射層BARC頂部抗反射層Incident waveAntireflective coatingPhotoresistFilmSubstrate第8章 光

11、刻工藝概述 *27BARCPolysiliconSubstrateSTISTIUV exposure lightMaskExposed photoresistUnexposed photoresist第8章 光刻工藝概述 *28(A) Incident lightPhotoresistBARC (TiN)AluminumC and D cancel due to phase difference(B) Top surface reflection(C)(D)有機抗反射涂層：通過吸收光來減少反射，與光刻膠一樣被涂在晶圓表層無機抗反射涂層：不吸收光，通過特定的波長相移相消起作用，受折射率、膜層厚度

12、和其他參數(shù)影響第8章 光刻工藝概述 *29Incident lightPhotoresistResist-substrate reflectionsSubstrateIncident lightPhotoresistSubstrate reflectionSubstrateTop antireflective coating absorbs substrate reflections.頂部抗反射涂層（TARC）：在光刻膠和空氣的交界面上減少反射第8章 光刻工藝概述 *30Snells Law: sin i = n sin r Index of refraction, n = sin i / s

13、in r air (n 1.0)glass (n = 1.5)fast mediumslow mediumair (n 1.0)glass (n = 1.5)fast mediumslow medium光的折射第8章 光刻工藝概述 *318.3 光刻技術(shù)光的衍射孔徑越小，屏幕上的像就越大第8章 光刻工藝概述 *32光沿直線傳播.當光遇到物體邊緣會發(fā)生衍射.當光波穿過狹縫時會產(chǎn)生衍射或干涉圖樣. Diffraction bands第8章 光刻工藝概述 *338.3 光刻技術(shù) 避免光的衍射的方法： 接觸式曝光 在該種情況下衍射效應(yīng)最小。設(shè)備造價低，而且容易獲得小的特征尺寸。 由于掩膜版與硅片相接觸

14、磨損，使掩膜版的壽命降低。 不適用于復(fù)雜芯片的大批量生產(chǎn)。第8章 光刻工藝概述 *348.3 光刻技術(shù)接觸式光刻機 優(yōu)點：曝光時掩模版壓在涂了光刻膠的圓片上，從而可以獲得小的特征尺寸。該設(shè)備造價低。第8章 光刻工藝概述 *358.3 光刻技術(shù) 接近式曝光 是以犧牲分辨率來延長了掩膜版的壽命，對大尺寸和小尺寸器件上同時保持線寬容限還有困難。 一般來說，版和晶圓的距離大致為5-25微米。 掩模浮在晶圓表面，一般在一層氮氣氣墊上。 第8章 光刻工藝概述 *368.3 光刻技術(shù)接觸/近式曝光系統(tǒng)第8章 光刻工藝概述 *37IlluminatorAlignment scope (split vision

15、)MaskWaferVacuum chuckMask stage (X, Y , Z , ) Wafer stage (X, Y, Z, ) Mercury arc lampUsed with permission from Canon USA, 第8章 光刻工藝概述 *388.3 光刻技術(shù)惠更斯-菲涅爾原理 波前上任一點都可看作發(fā)射子波的波源,發(fā)出球面子波,在以后任意時刻各子波的包跡形成下一時刻新的波前 第8章 光刻工藝概述 *398.3 光刻技術(shù)(a)圖中在自由空間內(nèi)，多個疊加(b)圖中只有孔徑的源點起到后面波的疊加作用第8章 光刻工藝概述 *408.3 光刻技術(shù) 假定掩模版和硅片分開一個

16、小的間隙g，假設(shè)一束平面波入射到某一孔徑上，在光刻膠上形成的光強分布如圖所示，隨著g的增大，衍射作用會越來越大第8章 光刻工藝概述 *418.3 光刻技術(shù) 基本上光刻膠表面的光強和g的關(guān)系如圖所示第8章 光刻工藝概述 *428.3 光刻技術(shù) 假設(shè)一塊暗場掩模板上有一個寬度為W的單孔，假設(shè)以單色非發(fā)散光源曝光，間隙g在菲涅爾衍射理論的范圍： 上式取右端，此時最小的可分辨的特征量（影響特征尺寸）為：2Wg gWmin第8章 光刻工藝概述 *438.3 光刻技術(shù) 投影式曝光投影式曝光 避免了掩膜版與硅片表面的摩擦，延長了掩膜版的壽命。 掩膜版的尺寸可以比實際尺寸大得多，克服了小圖形制版的困難。 消除

17、了由于掩膜版圖形線寬過小而產(chǎn)生的光衍射效應(yīng)，以及掩膜版與硅片表面接觸不平整而產(chǎn)生的光散射現(xiàn)象。第8章 光刻工藝概述 *448.3 光刻技術(shù) 投影式曝光雖有很多優(yōu)點，但由于光刻設(shè)備中許多鏡頭需要特制，設(shè)備復(fù)雜第8章 光刻工藝概述 *458.3 光刻技術(shù) 假定要成像的是兩個點光源，想把掩模版上的圖像印制到光刻膠上。鏡頭的分辨率R計算（A和B的距離）： f：透鏡到硅片的距離：能夠進入鏡頭的衍射光的最大半角：波長n ：物體和鏡頭之間的折射率第8章 光刻工藝概述 *468.3 光刻技術(shù) 實際上是鏡頭收集衍射光的能力的一種量度，Ernst Abbe利用了數(shù)值孔徑NA描述該特性： sin 大致可以用透鏡的半

18、徑和透鏡的焦長之比決定。第8章 光刻工藝概述 *47透鏡收集衍射光UV012341234LensQuartzChromeDiffraction patternsMask第8章 光刻工藝概述 *48分辨率2.01.00.50.10.25The dimensions of linewidths and spaces must be equal. As feature sizes decrease, it is more difficult to separate features from each other.第8章 光刻工藝概述 *49 k1是一個常數(shù)(一般最小為0.6)，決定于光刻膠區(qū)分光強

19、變化能力 該式說明，取得好的圖像分辨率的方法在于： 短的曝光波長 高數(shù)值孔徑的透鏡第8章 光刻工藝概述例題 *50nmNAkRkNAnm1936 . 06 . 0193= 如果給定波長、數(shù)值孔徑和工藝因子，就可以計算出一個光刻機的預(yù)期分辨率，比如第8章 光刻工藝概述 *51Lens, NAWaferMaskIlluminator, Rk = 0.6 R365 nm 0.45 486 nm365 nm 0.60365 nm193 nm 0.45257 nm193 nm 0.60193 nmi-lineDUV k NAR =第8章 光刻工藝概述 *52 增加數(shù)值孔徑,也就是增加透鏡的半徑,會使成本

20、昂貴。 焦深DOF的概念：焦點周圍的一個范圍，在這個范圍內(nèi)圖像連續(xù)的保持清晰。+-PhotoresistFilmDepth of focusCenter of focusLens第8章 光刻工藝概述 *53Exposure lightLens NAPinhole masksImage resultsDiffracted lightGoodBadPoor第8章 光刻工藝概述 在光刻時，焦深應(yīng)該可以穿越光刻膠層的上下表面。 焦深計算公式： *5422NADOF=結(jié)果：數(shù)值孔徑增加，分辨率提高，但是焦深會減少。 一般光刻機的焦深在1m 第8章 光刻工藝概述 *55 2(NA)2DOF = Photo

21、resistFilmDepth of focusCenter of focus+-Lens, NAWaferMaskIlluminator, DOF R DOF365 nm 0.45 486 nm901 nm365 nm 0.60365 nm507 nm193 nm 0.45257 nm476 nm193 nm 0.60193 nm268 nmi-lineDUV第8章 光刻工藝概述 *568.3 光刻技術(shù)三種形式光強比較第8章 光刻工藝概述 *57其他形式的光刻機只投影一個曝光場，可能是晶圓上一個或多個芯片第8章 光刻工藝概述 *58分步重復(fù)曝光機第8章 光刻工藝概述 *598.3 光刻技術(shù)三

22、個獨特的優(yōu)點：（1）它是通過縮小投影系統(tǒng)成像的，因而可以提高分辨率。用這種方法曝光，分辨率可達到11.5微米；（2）不要1:1精縮掩膜，因而掩膜尺寸大，制作方便。由于使用了縮小透鏡，原版上的塵埃、缺陷也相應(yīng)的縮小，因而減小了原版缺陷的影響；（3）由于采用了逐步對準技術(shù)可補償硅片尺寸的變化，提高了對準精度。逐步對準的方法 也可以降低對硅片表面平整度的要求。第8章 光刻工藝概述步進掃描光刻機 *605:1 lensUVUVStep and ScanImage FieldScanStepperImage Field(single exposure)4:1 lensReticleReticleScan

23、ScanWaferWaferStepping directionRedrawn and used with permission from ASM Lithography第8章 光刻工藝概述步進掃描光刻機 融合了掃描投影光刻機和分步重復(fù)光刻機優(yōu)點： 增大了曝光場，加工大尺寸晶圓 可以調(diào)節(jié)聚焦能力，彌補透鏡缺陷和硅片平整度不足 *61第8章 光刻工藝概述62Illuminator opticsBeam lineExcimer laser (193 nm ArF )Operator console4:1 Reduction lens NA = 0.45 to 0.6Wafer transport

24、systemReticle stageAuto-alignment systemWafer stageReticle library (SMIF pod interface)第8章 光刻工藝概述 *638.3 光刻技術(shù) X X射線曝光（射線曝光（420埃）基本要求： 一、材料的形變小，這樣制成的圖形尺寸及其相對位置的變化可以忽略。 二、要求掩膜襯底材料透X光能力強，而在它上面制作微細圖形的材料透X光能力差，這樣在光刻膠上可獲得分辨率高的光刻圖形。第8章 光刻工藝概述 *648.3 光刻技術(shù) X射線示意圖P217第8章 光刻工藝概述 *658.3 光刻技術(shù) 電子束曝光電子束曝光的特點：電子束曝光的精度較高。電子束的斑點可以聚焦的很小，而且聚焦的景深很深，可用計算機控制，精度遠比肉眼觀察要高。電子束曝光改變光刻圖形十分簡便。電子束曝光機是把各次曝光圖形用計算機設(shè)計圖形就只要重新編