微細和納米加工技術：第2章 光學曝光技術（2-5 光學掩模版)

1、1 通常，對掩模有如下要求：掩模圖形區(qū)與非圖形區(qū)對照射光的吸收或透射的反差要盡量大。掩模的缺陷要盡量少。 25 光學掩模版2.5.1對光學掩模版的基本要求2掩模缺陷對曝光成品率的影響分析： 對于LSI和VLSI抗蝕劑圖形曝光來說，由于圖形復雜，通常用多塊掩模曝光，以產(chǎn)生一幅合成的LSI和VLSI圖形。這樣，任何一塊掩模的一顆微小缺陷都有可能造成IC圖形曝光的失敗。 通常，掩模缺陷指掩模上的針孔、斷條、橋連、臟點、線條的凹凸等。并且這些缺陷是無規(guī)則分布的，而且任一晶片內(nèi)只要落上這么一個缺陷就是致命的損傷。 1970年Price提出了曝光成品率和掩模缺陷密度之間的關系式： 例如，設掩模的缺陷密度為

2、2個cm2，晶片面積為45mm2=02cm2，則僅由一塊掩模的缺陷所致的成品率為714，如果每塊掩模密度均相同，則七塊掩模所致的成品率為95。由此可見，減小掩模缺陷對提高曝光成品率極其重要。 掩模版的缺陷對曝光成品率的影響Y：使用n塊掩模曝光后，晶片的可能成品率；A：晶片面積；Di：第i塊掩模的致命缺陷的平均密度。3掩模圖形精度要高。 光刻掩模本身的圖形精度明顯地左右著集成電路中的晶體管和二極管的特性以及布線電阻的阻值等。 例如，集成電路中線條的面積、窗口的面積都確定了阻值和器件的特性。如果制造出來的掩模圖形偏離了設計要求的圖形，那么，通過曝光和后續(xù)工藝后，獲得的實際器件特性就偏離了設計要求。

3、 再如，A、B兩張掩模上長、寬相同的線條所代表的阻值之比為1，但在掩模制造中，B掩模的線條達不到精度要求(設A滿足設計要求)，這樣，A、B掩模線條代表的阻值之比就不為1了，結(jié)果肯定造成集成電路特性的變化。對光學掩模版的基本要求4掩模的套刻精度要高。 對于LSI和VLSI等復雜精細的圖形需用幾張到十幾張掩模的光刻才能完成集成電路的制造，所以，每張掩模圖形在襯底上的轉(zhuǎn)印，都有極高的套刻精度要求，否則，要有效地完成后續(xù)各項工藝加工是難以想象的。對光學掩模版的基本要求5三維的集成電路結(jié)構(gòu)是從晶圓平面一層一層做起來的。不論設計微電子器件或微系統(tǒng)器件都必須考慮平面工藝的特點，必須對加工的工藝過程有深入的了

4、解，這樣才能在有了器件的整體構(gòu)想之后，根據(jù)工藝流程把器件的設計分解為一系列二維掩模圖形的設計。為了便于理解，下面以制作微機械結(jié)構(gòu)的一個實例來說明用光學掩模版的套刻制作三維結(jié)構(gòu)。 利用掩模的套刻制作三維結(jié)構(gòu)的實例6圖(a)是一個微懸臂梁的三維圖。梁的兩端固定在襯底材料上；梁的中部與襯底材料保持一定空氣間隙。在外力作用下此懸臂梁可做小振幅自由振動。因為微細結(jié)構(gòu)是在平面襯底材料上一層一層做起來的，整個加工過程就是把一層一層不同材料以薄膜形式沉積到襯底表面，再通過曝光與刻蝕做出所需要的結(jié)構(gòu)形狀。微懸臂梁的制作實例圖2.15 微懸臂梁的制造工藝過程和所需的曝光掩模 正型負型正型7加工流程如圖 (b)所示

5、。在這一工藝流程中需要3個二維光刻掩模版，每個掩模版設計如圖(c)所示。這3層掩模的相對位置如圖(d)所示。掩模設計過程就是要畫出圖(d)這樣的掩模圖。微懸臂梁的制作實例正型負型正型8掩模白版通常是在玻璃或石英襯底(透光部分)上涂上鉻(不透光部分) 。掩模制備的設備主要有兩類：電子束和光學系統(tǒng)。一般，掩模的大小為6 in(厚度025 in)，其詳細規(guī)格見下表。由于熔石英的熱穩(wěn)定性能很好，其熱膨脹系數(shù)只有0510-6-1常規(guī)玻璃的熱膨脹系數(shù)是(4100)10-6-1，掩模寫圖形過程引起的溫度變化不會造成大的圖形偏差。在100 mm的范圍內(nèi)，01的溫度變化將引起5 nm套刻誤差。熔石英良好的機械和

6、熱穩(wěn)定性及對DUV波段光的非常好的透過性，使得熔石英是掩模白版的首先材料。掩模白版的材料：熔石英2.5.2掩模版的制作最小最大9在投影曝光機中，遠離焦深將造成圖像模糊，在掩模制造中，場深（或者景深）是一個重要參數(shù)。場深和焦深不可分，一般定義為：光學掩模版制作中的景深與焦深 N：透鏡的縮小倍數(shù)（4或5）由于光學透鏡的焦深有限，因此對掩?；娴钠秸忍岢隽藝栏竦囊螅@也是掩模版成本高的一個重要原因。場深=焦深N2焦深=掩模版的非平整度/N2也可以理解為場深是考慮到掩模版的非平整度后的焦深，因此也可以表示為：10鉻是目前最普遍的遮光材料，鉻一般采用濺射的方法鍍在玻璃襯底上，其厚度在50110nm之間。鉻的光學常數(shù)見下表。由表知鉻薄膜在其典型厚度范圍內(nèi)有非常好的遮光性(157 nm的光源，需要更厚的鉻膜)。遮光材料鉻的光學特性11傳統(tǒng)掩模的制造過程 掩模版制作本身也是一