第8章 光刻工藝概述3

*1第8章光刻工藝概述8.3光刻技術(shù)

*28.3光刻技術(shù)8.3.6對準(zhǔn)和曝光

對準(zhǔn)是把所需圖形在晶圓表面上定位或?qū)?zhǔn)。

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(zhǔn)和曝光則是該工藝的“設(shè)備”核心。圖形的準(zhǔn)確對準(zhǔn)是保證器件和電路正常工作的決定性因素之一。

*38.3光刻技術(shù)光刻機(jī)的性能表現(xiàn)

對準(zhǔn)和曝光包括兩個系統(tǒng)：一個是要把圖形在晶圓表面上準(zhǔn)確定位（不同的對準(zhǔn)機(jī)類型的對準(zhǔn)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一個將輻射光線導(dǎo)向到晶圓表面上的機(jī)械裝置）。

*48.3光刻技術(shù)光刻機(jī)的性能指標(biāo)：

分辨率：機(jī)器產(chǎn)生特定尺寸的能力，分辨率越高越好，機(jī)器的性能越好。

套準(zhǔn)能力：圖形準(zhǔn)確定位的能力

產(chǎn)量

*58.3光刻技術(shù)

*68.3光刻技術(shù)DRAM對投影光刻技術(shù)要求（教材2P153表7.1）

*7-X+X+Y-YDX-DYShiftinregistration-X+X+Y-YWaferpatternReticlepatternPerfectoverlayaccuracy

*88.3光刻技術(shù)對準(zhǔn)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90o，如圖所示。接下來的掩膜版都用對準(zhǔn)標(biāo)記與上一層帶有圖形的掩膜對準(zhǔn)。對準(zhǔn)標(biāo)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(zhǔn)標(biāo)記就永遠(yuǎn)留在芯片表面，同時作為下一次對準(zhǔn)使用。

*98.3光刻技術(shù)對準(zhǔn)標(biāo)記

*108.3光刻技術(shù)未對準(zhǔn)種類：(a)X方向(b)轉(zhuǎn)動(c)伸出

*112ndMask1stMask2ndmasklayer1stmasklayerRA,投影掩模版對準(zhǔn)標(biāo)記,L/RGA,晶圓整體對準(zhǔn)標(biāo)記,L/RFA,晶圓精對準(zhǔn)標(biāo)記,L/R++++RALRAR+GA+FAL+FAR+GAR+

GALNotch,coarsealignmentFALFARFAL/R++FAL/R+For2ndmask+From1stmask{

*121 2 3 411 12 13 14 15 1610 9 8 7 6 523 24 25 26 27 2822 21 20 19 18 1732 31 30 29StartStop

*13UsedwithpermissionfromCanonUSA,FPA-2000i1

*148.3光刻技術(shù)光刻機(jī)的分類最初曝光設(shè)備是接觸式光刻機(jī)和接近式光刻機(jī)，而今，光刻機(jī)已發(fā)展成兩大類型，即光學(xué)光刻機(jī)和非光學(xué)光刻機(jī)，如圖所示。光學(xué)光刻機(jī)采用紫外線作為光源，而非光學(xué)光刻機(jī)的光源則來自電磁光譜的其他成分。

*158.3光刻技術(shù)光刻機(jī)的分類

接觸式接近式掃描投影步進(jìn)式分步掃描

X射線電子束混合和匹配

*168.3光刻技術(shù)對準(zhǔn)系統(tǒng)比較

*178.3光刻技術(shù)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(yán)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；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(zhǔn)分子激光器、X射線和電子束。

*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

*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。

*20光的特性

l=vfLaserv=光速,3x108m/secf=頻率，Hertz(cyclespersecond)

=波長,thephysicallengthofonecycleofafrequency,expressedinmeters

*21ABA+BWavesinphaseWavesoutofphaseConstructive（相長）Destructive（相消）

*22光的特性—反射

i

rIncidentlightReflectedlightLawofReflection:

i

rTheangleofincidenceofalightwavefrontwithaplanemirrorisequaltotheangleofreflection.

*23反射造成的影響PolysiliconSubstrateSTISTIUVexposurelightMaskExposedphotoresistUnexposedphotoresistNotchedphotoresistEdgediffractionSurfacereflection

*24Standingwavescausenonuniformexposurealongthethicknessofthephotoresistfilm.IncidentwaveReflectedwavePhotoresistFilmSubstrate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。

*25駐波效應(yīng):造成不同厚度光刻膠曝光的不均勻

*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IncidentwaveAntireflectivecoatingPhotoresistFilmSubstrate

*27BARCPolysiliconSubstrateSTISTIUVexposurelightMaskExposedphotoresistUnexposedphotoresist

*28(A)IncidentlightPhotoresistBARC(TiN)AluminumCandDcancelduetophasedifference(B)Topsurfacereflection(C)(D)有機(jī)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(jī)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、膜層厚度和其他參數(shù)影響

*29IncidentlightPhotoresistResist-substratereflectionsSubstrateIncidentlightPhotoresistSubstratereflectionSubstrateTopantireflectivecoatingabsorbssubstratereflections.頂部抗反射涂層（TARC）：在光刻膠和空氣的交界面上減少反射

*30Snell’sLaw:sin

i=nsin

rIndexofrefraction,n=sin

i/sin

r

air(n

1.0)glass(n

1.5)fastmediumslowmedium

air(n

1.0)glass(n

1.5)fastmediumslowmedium光的折射

*318.3光刻技術(shù)光的衍射孔徑越小，屏幕上的像就越大

*32光沿直線傳播.當(dāng)光遇到物體邊緣會發(fā)生衍射.當(dāng)光波穿過狹縫時會產(chǎn)生衍射或干涉圖樣.Diffractionbands

*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)。

*348.3光刻技術(shù)接觸式光刻機(jī)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。

*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。

*368.3光刻技術(shù)接觸/近式曝光系統(tǒng)

*37IlluminatorAlignmentscope(splitvision)MaskWaferVacuumchuckMaskstage(X,Y,Z,q)

Waferstage(X,Y,Z,q)

MercuryarclampUsedwithpermissionfromCanonUSA,

*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

*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

*408.3光刻技術(shù)

假定掩模版和硅片分開一個小的間隙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(qiáng)分布如圖所示，隨著g的增大，衍射作用會越來越大

*418.3光刻技術(shù)

基本上光刻膠表面的光強(qiáng)和g的關(guān)系如圖所示

*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：

*438.3光刻技術(shù)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。

*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

*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α：能夠進(jìn)入鏡頭的衍射光的最大半角λ：波長n

：物體和鏡頭之間的折射率

*468.3光刻技術(shù)

α實際上是鏡頭收集衍射光的能力的一種量度，ErnstAbbe利用了數(shù)值孔徑NA描述該特性：

sinα

大致可以用透鏡的半徑和透鏡的焦長之比決定。

*47透鏡收集衍射光

UV012341234LensQuartzChromeDiffractionpatternsMask

*48分辨率Thedimensionsoflinewidthsandspacesmustbeequal.Asfeaturesizesdecrease,itismo