第二讲光刻掩模第三讲离子束技术

1三．光刻工艺流程（以正胶为例）图19.光刻工艺示意图（1）基片清洁处理（2）涂光刻胶（3）前烘（4）曝光（5）显影（6）后烘（坚膜）紫外光束23第二讲紫外光刻掩模制作掩模是光刻工艺中最重要的组成部分，掩模的制造是光刻中最关键的技术。本讲主要介绍几种掩模的制作技术。4一．掩模结构衬底材料：g线玻璃i线石英吸收体材料：Cr图29.紫外光刻掩模567二．产生掩模图形的方法1.照相精缩法这是比较原始的一种方法。先将要制作的图形画在坐标纸上，再把“红膜”铺在坐标纸上，用刀片把坐标纸上的图形刻在“红膜”上。用白光光源在“红膜”的背面均匀照明，用专用照相机拍下图形，即成为胶片掩模。如果用于紫外光刻，再把胶片掩模图形利用光刻工艺转移到铬版上。照相精缩法适合制作线宽5μm以上的图形。82.图形发生器法图形发生器是一种专用仪器。把设计好的图形输入计算机（有专用软件格式），由计算机控制图形发生器产生的光斑在铬版（商用铬版已涂好光刻胶）上逐点曝光，显影后的光刻胶图形再用化学腐蚀或离子束刻蚀转移到铬膜上。这种方法可以做到1-2μm的线宽。如果图形复杂，数据量较大，制作一块4″的掩模要花费几小时时间。一套好的图形发生器设备大约要40万美元.93.电子束曝光法3.1原理电子束曝光是在电子束曝光机上进行的。一束聚焦很细的电子束在计算机的控制下偏转，在基片表面的光刻胶上逐点曝光，制作出所设计的图形。这是60年代就发展起来的一种高分辨曝光技术。10在电子束曝光中，采用的加速电压一般为10~20kv。当V=15kv时，电子的德布罗意波长为=h/(2mV)1/2=0.01nm可见，电子的波长比光学曝光的波长短得多，衍射效应可以忽略不计，因而可获得很高分辨。11图31.电子束曝光机原理图12133.2扫描方式电子束曝光的扫描方式一般有两种：1)矢量扫描把整个掩模分成若干个单元，一个单元一个单元进行扫描。2)光栅扫描逐行扫描。143.3电子束曝光的特点优点：分辨率高缺点：a.设备昂贵（几百万~上千万美元）b.曝光时间长，生产效率低c.二次效应严重15▲关于二次效应问题由于电子束能量大，电子质量小，曝光时电子在光刻胶层中散射和在基片表面产生的背散射，即二次效应。这种效应通常称之为“临近效应”。临近效应的存在，影响电子束曝光分辨率的提高，如图32所示。16图32.“临近效应”174.激光直写法激光直写系统(LaserDirectWriteSystem)是由计算机控制的高精度聚焦激光束，按照设计在光刻胶上扫描曝光出图形。18激光直写系统是90年代国际上制作光刻掩模版的新型专用设备。成都光电所1996年从加拿大进口的ISI-2802型激光直写系统主要由He-Cd激光器、声光调制、气轴转镜扫描、CCD显微摄像、气浮精密工作台、激光干涉仪精密定位、自动调焦、计算机控制和数据处理等部分构成。系统的主要性能：可写范围150mm150mm可写最小线宽1um线条均匀性0.1um19三．相移掩模提高光刻的分辨率是超大规模集成电路制造所不断追求的目标。曝光时，光线通过光掩模，由于边缘衍射的作用，造成光刻胶图形的展宽，三种曝光方式影响程度不同，下图可以看出其差别。20图34.曝光中来自掩模图形的典型光衍射曲线211．限制光刻分辨率的因素在过去，为了提高光刻分辨率，大多着眼于缩短曝光波长和提高光刻系统物镜的数值孔径。分辨率R=K1λ/NA（3）焦深DOF=K2λ/NA2（4）式中λ--曝光波长NA---光刻系统的数值孔径K1和K2---与工艺有关的常数22从（3）和（4）式可见，缩短曝光波长可提高分辨率，但也使焦深减小；增大NA可提高分辨率，但同样减小了焦深。焦深是光刻中的重要因素，实用焦深有个最低限度（一般0.5um左右），不能无限减小。原因是：基片不平度的限制光刻胶的不均匀性的限制系统的调焦、调平等限制在传统掩模光刻技术中，继续增大NA和减小λ，不可能进一步改善实际分辨率。232．相移掩模技术1982年IBM的Levenson等人提出了有关相移掩模技术的理论，1990年以来，相移掩模研究一直成为热门课题，并不断取得进展，现已从当初的单一研究相移技术发展到研究相移掩模与其他技术相结合，达到提高分辨率同时也增大焦深的目的。242.1相移掩模原理相移掩模的基本原理是在高度集成的光掩模中所有相邻的透明区域上间隔地增加（或减少）一层透明介质（相移层），使透过这些相移层的光与相邻透明区透过的光产生1800位相差，利用光的相干性，抵消部分衍射扩展效应，改变空间光强分布，使更多的能量从低频分配到高频上，弥补投影物镜的通低频阻高频的缺点，增大空间图像的反差，改变像质，使分辨率和焦深增大。25相移掩模种类较多，如弱衰减型、周边相移型、周期交替Levenson型、多位相值台阶型、带辅助图形型等等。相移层的厚度可表示成d=λ/2(n-1)(5)式中n为相移层的折射率。262.2Levenson型相移掩模Levenson提出的型相移掩模是等间隔分布的光栅型条纹，间隔地加上相移层，如图30所示。2728图36给出了相移掩模和常规掩模曝光结果的比较，从图中可以看出相移掩模的作用。29提高光刻精度的途径•减小曝光波长，降低衍射的影响；•采用相移掩模技术，减小临近效应。30离子束技术简介2008.3.1931离子束技术:离子刻蚀离子束抛光聚焦离子束离子束镀膜离子束辅助镀膜32离子刻蚀技术33离子刻蚀技术是高精度图形转移的有效手段。由离子源产生的带有一定能量的离子，轰击被加工材料表面，引起材料溅射，达到去除材料的目的。因此离子源的工作原理和性能决定了刻蚀的工艺过程和应用范围。34图1.离子束刻蚀示意图紫外光束离子刻蚀去除剩余的光刻胶35湿法刻蚀----化学腐蚀刻蚀等离子刻蚀(PE)反应离子刻蚀(RIE)干法刻蚀常规离子束刻蚀(IBE或IM)反应离子束刻蚀(RIBE)化学辅助离子束刻蚀(CAIBE）感应耦合等离子体刻蚀(ICP）分类362.1等离子刻蚀（PE----PlasmaEtching)2.1.1等离子刻蚀原理气体在高频电场（通常13.56MHz）作用下，产生辉光放电，使气体分子或原子发生电离，形成等离子体。在等离子体中，包含有正离子、负离子、游离基和自由电子。游离基在化学上是很活泼的。等离子刻蚀就是利用等离子体中的大量游离基和被刻蚀材料进行化学反应，反应结果生成能够由真空系统抽走的挥发性化合物，从而实现刻蚀的目的。37例如刻蚀气体A2在高能电场作用下，产生电离，反应式可写成：放电A2+e-A*+A++2e-A+为正离子，e-为电子，A*为中性游离基。如果刻蚀气体用CF4,则产生游离基F*刻蚀Si4F*+SiSiF4刻蚀SiO24F*+SiO2SiF4+O2刻蚀Si3N412F*+Si3N43SiF4+2N2382.1.2平行电极型等离子刻蚀装置平板式等离子刻蚀装置示意图样品39这种装置是由两个相距2cm左右的平行电极组成。通常上电极接射频电源RF，下电极接地。样品放在下电极上，等离子体被限制在两电极之间，样品和气体等离子体直接接触，工作气压在10-2~1Torr之间。起刻蚀作用的主要是游离基和部分离子。因此，刻蚀过程主要是化学反应，物理溅射次之。特点：基本各项同性刻蚀线宽1m左右402.2反应离子刻蚀（RIE----ReactiveIonEtching）为了减小侧向刻蚀，在垂直于样品表面方向上加一电场，使反应气体的离子在电场中作定向运动，使之只有纵向刻蚀，这是反应离子刻蚀的基本原理。射频电压加在两电极上，样品放在阴极上，阳极及反应室壁接地。阴极面积小，阳极面积大，这是非对称性的辉光放电系统。离子对刻蚀起主要作用，即以物理溅射为主，中性游离基的化学反应为辅。特点：各向异性刻蚀速率快刻蚀最小线宽可达0.2m41422.3离子束刻蚀(IBE----IonBeamEtching)离子铣（IM---IonMilling）具有一定能量的离子束轰击样品表面，把离子束动能传给样品原子，使样品表面的原子挣脱原子间的束缚力而溅射出来，从而实现刻蚀目的。这是纯粹的物理溅射过程。4344离子束刻蚀机工作原理图45离子束刻蚀机的工作原理：通入工作气体氩气，气压10-2-10-4Torr之间，阴极放射出的电子向阳极运动，在运动过程中，电子将工作气体分子电离，在样品室内产生辉光放电形成等离子体。其中电子在损失能量后到达阳极形成阳极电流，而氩离子由多孔栅极引出，在加速系统作用下，形成一个大面积的、束流密度均匀的离子束。为减少束中空间电荷静电斥力的影响，减少正离子轰击基片时，造成正电荷堆积，离子束离开加速电极后，被中和器发出的电子中和，使正离子束变成中性束，打到基片上，进行刻蚀。惰性气体46特点：刻蚀过程是纯物理溅射，可以刻蚀任何固体材料；平行离子束刻蚀，高各向异性;无钻蚀；精度高，分辨率0.1um。47在离子束刻蚀机中，若将惰性工作气体改用化学反应性气体，那么刻蚀过程除了直接溅射外，反应气体离子对刻蚀材料还起化学反应，形成的刻蚀产物不单有固体，还有可以被真空系统抽走的可挥发性气体。对不同的刻蚀材料，需要选择合适的反应气体。常用的反应气体有含F和Cl的CF4、SF6、Cl2、BC13、CCl4等。2.4反应离子束刻蚀(RIBE----ReactiveIonBeamEtching)48这些气体分裂物形成的离子是极具活性的，可以和材料化学反应形成气体化合物。例如，CF4在等离子体中形成CF3+、CF2+、CF+、F+和C+离子族，其中前四种都可以和硅类材料形成气态的氟化硅。特点：较高的各向异性刻蚀速率快49CAIBE----离子源工作气体为惰性气体，另一通道来的反应气体直接喷向基片表面。IBAE----离子源工作气体为一种反应气体，另一通道来的不同反应气体直接喷向基片表面。都可达到RIBE的同样效果！2.5化学辅助离子束刻蚀（或离子束辅助刻蚀）(CAIBE----ChemicalAssistantIonBeamEtching)或(IBAE----IonBeamAssistantEtching)502.6各种刻蚀工艺的比较51AH刻蚀图形的深宽比：H/A选择比：（被刻蚀材料/掩模）的刻蚀速率之比523．离子束刻蚀速率与入射角的关系3.1离子束刻蚀速率刻蚀速率是指单位时间内离子从材料表面刻蚀去除的材料厚度，单位通常为Å/min，nm/min。刻蚀速率与诸多因素有关，包括离子能量、束流密度、离子入射方向、材料温度及成分、气体与材料化学反应状态及速率、刻蚀生成物、物理与化学功能强度配比、材料种类、电子中和程度等。53有理论给出了刻蚀速率V与束流密度J和离子能量E之间的关系：VJE1/2对于同一种材料而言，刻蚀速率与束流密度为线性关系，与能量为0.5次方关系。下表给出了部分常用材料的刻蚀速率。54表2.部分常用材料的刻蚀速率（刻蚀条件：500eV,1.0mA/cm2,入射角：0°）被刻材料刻蚀速率（Å/min）AZ1350245~300PMMA560Au1500~1600Ag1400~1700SiC320C40~50Si250~300Al420~520Al2O3100~130Ge90Ni500~550SiO2280~400玻璃（Na,Ca）20055从表上可以看出，对有些材料的刻蚀速率所给出的数据是一个范围，不是确定值，这说明理论还不成熟，也说明离子刻蚀过程是一个非常复杂的问题，不确定因素太多，因此，对您所使用的刻蚀机按您的操作习惯自己做刻蚀速率曲线。56图8.几种材料的刻蚀速率与离子入射角度的关系（E=500eV,J=1.0mA/cm2）3.2刻蚀速率与入射角的关系下图是几种材料的刻蚀速率与离子束入射角度的关系的比较。从图中可以看出，不同材料的刻蚀速率的最大值对应不同入射角。57在离子束刻蚀过程中，选择合适的入射角可以提高刻蚀效率，这只是一个方面。另一个方面是靠合适的入射角度控制刻蚀图形的轮廓。下图给出了不同角度的刻蚀结果。图9.RIBE刻蚀SIO2离子束入射角对槽形轮廓的影响59影响刻蚀效果的因素很多，