光学光刻

光学光刻光刻曝光刻蚀光源曝光方式一光刻概述评价光刻工艺可用三项主要的标准：分辨率、对准精度和生产效率。涂光刻胶（正）选择曝光光刻工艺流程显影（第1次图形转移）刻蚀（第2次图形转移）光源紫外光（UV）深紫外光（DUV）g线：436nmi线：365nmKrF准分子激光：248nmArF准分子激光：193nm极紫外光（EUV），10~15nmX射线，0.2~4nm电子束离子束二光源的种类极紫外光光刻极紫外光刻（ExtremeUltravioletLithography），常称作EUV光刻，它以波长为10-14纳米的极紫外光作为光源的光刻技术。具体为采用波长为13.4nm的软x射线。极紫外光光刻X射线源为了提高分辨率，可以采用波长λ=0.2~4nm的X射线作为曝光的光源。1、电子碰撞X射线源用高能电子束轰击金属靶（如Al、W、Mo），使靶金属的内层束缚电子离开靶材料，当另一个束缚电子去填充这一空位时，即可发射出X射线。这种X射线源的主要缺点是效率很低，只有几万分之一。功率消耗达数万瓦，并产生大量的热。除了用水冷却外，还可使阳极高速旋转。2、等离子体X射线源用聚焦的高能电子束或激光束轰击金属薄膜，使之蒸发成为等离子体。超热的金属等离子体蒸汽将发射X射线，波长为0.8~10nm。这种X射线源从激光到X射线的转换效率约为10%，光强比较强，并有非常小的直径，比较适合于光刻。投影电子束曝光技术既有电子束曝光分辨率高的优点，又有投影曝光所固有的生产效率高成本低的优点，因而是目前正积极研究开发的一种技术。投影电子束光刻原理：电子枪发射的电子束经聚焦透镜后形成准直电子束流，照射到掩模版上，穿过掩模透明部分的电子束再经过投影透镜缩小后，在晶片上获得缩小的掩模转印图形。由于曝光视场不大（一般为3×3mm2），所以工件台也需作步进移动。电子枪光闸聚焦透镜投影透镜掩模版晶片电子束投影电子束曝光的优点1、波长短，分辨率高，线宽可小于0.1m；2、生产效率高；3、对电子束的控制简单。存在的问题1、掩模版制造困难。“透明”部分最好是空的。这是限制投影电子束曝光的实际应用的主要障碍；2、对准问题在投影电子束光刻中，最有希望的技术之一被称为角度限制散射投影电子束光刻（ScatteringwithAngularLimitationProjectionElectron-beamLithorgraphy,SCALPEL），它是利用散射反差的对比来产生图形。掩模版的透明区用低Z材料制成，不透明区用高Z材料制成。不透明区不是吸收电子而是以足够大的角度散射电子，使之被光阑阻挡。这就允许使用极高的能量，从而使低Z材料区几乎完全透明。掩模版的透明区通常是富硅的氮化硅，厚约0.1m。不透明区可采用W/Cr，厚约0.05m。在图像质量和生产效率之间存在矛盾。低电子流密度可获得极好的图像质量，而高电子流密度可获得合理的生产效率。离子束光刻当将离子束应用于曝光时，其加工方式有1、掩模方式（投影方式）2、聚焦方式FIB（直写方式、扫描方式）3、接近式聚焦离子束光刻机的基本原理与直写电子束光刻机大体相同，不同之处有1、由LMIS（单体或共晶合金）代替电子枪；2、必须使用质量分析系统；3、通常采用静电透镜和静电偏转器；4、主高压的范围较宽，可以适用于曝光、刻蚀、注入等各种不同用途。离子束曝光技术的优点1、离子的质量大，因此波长更短，可完全忽略衍射效应；2、离子的速度慢，穿透深度小，曝光灵敏度高。对于各种电子束光刻胶，离子束的灵敏度均比电子束高近两个数量级，因此可缩短曝光时间，提高生产效率；3、离子的质量大，因此散射很小，由散射引起的邻近效应小，有利于提高分辨率；4、当采用与X射线类似的接近式曝光时，无半影畸变与几何畸变；5、可以利用FIB技术直接在硅片上进行离子束刻蚀或离子注入，而完全摆脱掩模版与光刻胶；离子束曝光技术存在的问题1、对准问题。与电子束相比，离子束的穿透力小，不易穿过胶层达到晶片上的对准标记。另一方面，因离子束的散射也小，很难获得来自对准标记的信息；2、离子的质量大，偏转扫描的速度慢；3、LMIS能散度较大，给离子光学系统的设计带来困难；4、对于投影离子束曝光，掩模版是关键问题。由于离子的散射比电子小，从这个意义上说，离子束掩模版的制造难度比电子束掩模版的要小一些。透光部分可采用0.1m~0.2m的Al2O3薄膜，或1m左右的单晶硅沟道掩模。各种光源的比较光谱波长（nm)曝光方式光刻胶掩模材料分辨率紫外光365、436各种有掩模方式光致玻璃/Cr0.5m深紫外光193、248各种有掩模方式电子石英/Cr、石英/Al0.2m极紫外光10~15缩小全反射电子多涂层反射层/金属吸收层0.1mX射线0.2~4接近电子Si、Si3N4、Al2O3/Au、Pt、Os等0.1m9.10小结有掩模方式接触式非接触式接近式投影式反射折射全场投影步进投影扫描步进投影曝光方式三曝光方式接触式与接近式光刻机一、接触式光刻机SiU.V.MaskP.R.SiO2优点：设备简单；理论上MTF可达到1，因此分辨率比较高，约0.5m。缺点：掩模版寿命短（10~20次），硅片上图形缺陷多，光刻成品率低。二、接近式光刻机g=10~50m优点：掩模寿命长（可提高10倍以上），图形缺陷少。缺点：衍射效应严重，使分辨率下降。minWkggmin0.436μm(g),20μm2.95μmgW例：当线时，最小可分辨的线宽为式中，k是与光刻胶处理工艺有关的常数，通常接近于1。三投影式光刻机式中，k1是与光刻胶的光强响应特性有关的常数，约为0.75。NA为镜头的数值孔径，投影式光刻机的分辨率由雷利第一公式给出，即min1WkNA一、分辨率与焦深n为折射率，为半接收角。NA的典型值是0.16到0.8。sinNAn增大NA可以提高分辨率，但却受到焦深的限制。2NA分辨率与焦深对波长和数值孔径有相互矛盾的要求，需要折中考虑。增加NA线性地提高分辨率，平方关系地减小焦深，所以一般选取较小的NA。为了提高分辨率，可以缩短波长。焦深代表当硅片沿光路方向移动时能保持良好聚焦的移动距离。投影式光刻机的焦深由雷利第二公式给出，即minmin0.16,436nmUV,g2.04μm,17.03μm,193nmDUV0.90μm,7.54μmNAWW例：设则当（线）时，而当（）时，二、1:1扫描反射投影光刻机掩模硅片反射凹镜反射凸镜光源优点1、掩模寿命长，图形缺陷少。2、无色散，可以使用连续波长光源，无驻波效应。无折射系统中的象差、弥散等的影响。3、曝光效率较高。缺点数值孔径NA太小，是限制分辨率的主要因素。光源聚光透镜投影器掩模硅片UVlightReticlefieldsize20mm×15mm,4dieperfield5:1reductionlensWafer图形曝光在硅片上是投影掩膜版上视场的1/54mm×3mm,4die每次曝光曲折的步进图形小结限制光学曝光方式的分辨率的主要因素是衍射效应。最早使用的接触式光刻机，分辨率可到1m以下，但容易损伤掩模和硅片。解决的办法是使用接近式光刻机，但要影响分辨率。介绍了具有亚微米分辨率的投影曝光系统。为了解决分辨率和焦深之间的矛盾，可以采用分步重复的方式。最后介绍了通过改进掩模制作提高分辨率的方法，即相移掩模技术和光学邻近效应修正技术。随着光刻技术的不断发展，光学曝光的分辨率已进入亚波长范围。现在利用193nm光源及OPC技术，已获得0.13m的线宽，预期可达到0.10m，甚至达到0.07m。光学曝光的各种曝光方式及其利弊小结接触式非接触式优点：设备简单，分辨率较高缺点：掩模版与晶片易损伤，成品率低接近式优点：掩模版寿命长，成本低缺点：衍射效应严重，影响分辨率投影式全反射折射优点：无像差，无驻波效应影响缺点：数值孔径小，分辨率低优点：数值孔径大，分辨率高，对硅片平整度要求低，掩模制造方便缺点：曝光效率低，设备昂贵