第六章-光刻曝光系统

光学仪器工程及系统设计第六章光刻曝光系统光刻曝光系统光刻发展历史光刻原理曝光系统基本结构曝光系统技术难点曝光系统发展前景光刻工艺及光刻机结构光刻发展历史1958年世界上出现第一块平面集成电路，在短短的五十多年中，微电子技术以令世人震惊的速度突飞猛进地发展，创造了人间奇迹。人类社会和整个世界都离不开微电子技术。作为微电子技术工艺基础的微光刻技术与微纳米加工技术是人类迄今为止所能达到的精度最高的加工技术。1980年左右曾经有人预言：光刻线宽不能小于1微米；1989年曾经有预言：到1997年光刻技术将走到尽头；1994年也曾经有比较乐观的长期预测，2007年线宽达到0.1微米（保守的预计为0.5微米）。这些预测都被光刻技术神话般进步的步伐远远抛在后头！过去的几十年证明，通过科学家的努力，人类就有办法实现当时看来已经超过当时光刻工艺物理极限的加工精度，不断地续写着新的神话。光刻发展历史摩尔定律芯片集成度18个月翻一番，每三年器件尺寸缩小0.7倍的速度发展。大尺寸、细线宽、高精度、高效率、低成本的IC生产，正在对半导体设备带来前所未有的挑战第一代第二代第三代第四代第五代十年一代1975-19851985-19951995-20052005-20152015-2025光刻光源G线I线准分子激光浸没/二次EUV/EBL曝光波长436nm365nm248nm193nm13.5/10-6特征尺寸≧1um1-0.35um0.35u-65nm65-22nm22-7nm存储器bit﹤4M4M-64M64M-1G1G-16G﹥16G主流CPU8086-386PentiunproP4多核CPU晶体管104-105106-107108-1091010-10XCPU主频2-33MHz33-200MHz200-3800非主频标准硅片尺寸4-6″6-8″8-12″12-18″主流设计工具LE-P&RP&R-SynthesisSynthesis-DFMSoC系统设计主要封装形式DIP双列直插QFP平面安装BGA球栅封装SiP系统封装微电子技术每十年产生一代的进步5杰克.基尔比JackS.Kilby集成电路发明者提出大胆的设想：“能不能将电阻、电容、晶体管等电子元器件都安置在一个半导体单片上？”1958-9-12研制出世界上第一块集成电路2000年获诺贝尔物理学奖罗伯特.诺伊斯Robert.Noyce发明可商业化量产的集成电路1959-7研究出以二氧化硅膜开窗口杂质扩散技术、PN结的隔离技术，氧化膜上铝条连线技术，真正实现了半导体硅平面工艺创办仙童公司和英特尔公司戈登.摩尔Gordon.Moore发现“摩尔定率”1965-1975发现并预言集成电路芯片晶体管数每18个月翻一番（约每三年翻二番，特征尺寸缩小到0.7倍，进一个节点）的摩尔定率英特尔(Intel)公司创始人之一总裁兼CEO安迪格罗夫AndyGrove使微处理器这颗数字革命的心脏强劲跳动，为数字时代提供源源不断的动力1986年格罗夫提出的新的口号“英特尔，微处理器公司”核心、双核、四核改变世界1987年接过英特尔的CEO接力棒张忠谋Zhangzhonmou创建了一个纯芯片制造代工的台积电模式的产业1987创建了全球第一家专业代工公司--台湾积体电路制造股份有限公司（台积电）开创了半导体代工时代1985年台湾工研究院院长集成电路五十年中对世界最具影响力的五个人*光刻机发展路线图光刻机发展历史光刻机三巨头ASMLCanonNikon据2007年统计，在中高阶光刻机市场，ASML占有份额达60%左右，而在最高阶光刻机市场，ASML占有份额达90%左右光刻发展背景信息时代半导体产业集成电路光刻技术什么是光刻？•定义：光刻是将掩模版上的图形转移到涂有光致抗蚀剂（或称光刻胶）的硅片上,通过一系列生产步骤将硅片表面薄膜的特定部分除去的一种图形转移技术。•Lithography=Transferthepatternofcircuitryfromamaskontoawafer.waferdieImage(onreticle)Image(onwafer)Cell光刻定义光刻定义光刻工艺的简介硅片截面硅片截面表面生长氧化层氧化层的生长在扩散炉，图中为扩散炉光刻工艺的简介硅片截面表面生长氧化层光刻进行加工的片子，都必须经过的步骤-匀胶。上图中为2道匀胶机均匀胶层（正胶）光刻工艺的简介硅片截面表面生长氧化层图中为光刻的核心加工设备-光刻机。经过上版、版对准、上片、片对准后执行曝光。将掩膜图形复印到硅片表面的胶层上均匀胶层（正胶）紫外线曝光灯光刻工艺的简介硅片截面表面生长氧化层曝光完成后，因为掩膜图形遮挡的原因，只有部分胶膜被紫外光充分照射，化学性质发生了改变（图中橘黄色所示位置被曝光）。紫外线曝光灯光刻工艺的简介硅片截面表面生长氧化层曝光完成，接下来的工艺是显影，通过浸泡显影液，被曝光的正性光刻胶或未曝光的负性光刻胶会被溶除。从而实现将掩膜上的图形复印到胶层。上图为显影机，构造与匀胶机类似光刻工艺的简介至此，光刻工艺简介告一段落，经过显影后的QC检验后即可送往下步工序。光刻的下步工序为：湿法腐蚀、干法刻蚀、离子注入硅片截面表面生长氧化层下图是以湿法腐蚀为例：光刻工艺的简介通过湿法腐蚀，主要用于去除掉没有光刻胶保护部分的氧化硅层或铝层。利用光刻胶的抗蚀性和阻隔离子的能力，有选择的保护硅片表面的氧化层、氮化硅层、铝层等等，就是光刻工艺的意义。硅片截面表面生长氧化层光刻工艺的简介光刻工艺总结曝光硅片处理涂胶前烘后烘显影坚膜检测硅片脱水烘烤。光刻胶需要疏水性的表面，硅片表面薄氧化层成亲水性，HMDS钝化亲水性变成疏水性提高黏附性。或者简单采用硫酸煮片去氧化层。高速旋转涂胶。抗蚀剂浓度。气泡/水汽。正性抗蚀剂/负性抗蚀剂/反转抗蚀剂。硅片边缘形成边胶工艺中易产生缺陷需边胶去除(EBR)烘箱热对流/红外线辐射/热板传导。挥发光刻胶中的溶剂/增强附着力/缓解胶膜应力/避免粘连。温度太高或时间过长变脆灵敏度变差反之溶解太快。接触式/接近式/扫描投影/分步重复/步进扫描光刻机。灵敏度/分辨率/对比度/抗蚀性/对准套刻精度/CD控制。抗反射涂层(ARC)防止反射切迹和驻波效应。化学放大抗蚀剂必须曝光后烘酸化提高灵敏度。曝光后烘烤，可以使光刻胶结构重新排列，减轻驻波影响。非化学放大胶可以不进行后烘显影是产生图形的关键步骤负胶显影没曝光的胶膜溶解掉；正胶将已曝光的胶膜溶解掉。就要保持环境温度的稳定和显影液浓度的稳定。定影清洗光刻胶在显影后再烘烤硬化坚膜。对刻蚀和离子注入工艺非常关键。正胶的坚膜烘焙温度约为120℃到140℃。温度太高会产生光刻胶流动。显影检查是保证光刻质量或成品率的重要工序。•根据以上介绍，可将整个芯片制造流程简单总结如下：基片处理涂胶曝光显影刻蚀去胶SubstrateFilmCleanSubstrateStripFilm芯片制造流程光刻技术的发展光刻技术的发展（红色表示主流技术蓝色表示潜在发展方向）接触/临近光刻193nm双曝光复合电子束离子束1X扫描NA≥1.35X射线光刻投影光刻极紫外光刻（EUVL）DUV1X扫描5x,10x步进&重复步进&扫描浸液固体浸液偏振成像纳米压印无掩模光刻电子束直写193nm多次曝光光刻技术的发展光刻分类•按曝光系统可分为三类：接触，接近，投影曝光接触式曝光：掩膜板与光刻胶直接接触，衍射效应小，分辨率高，但版和硅的硬接触使两者都造成损伤，导致很高的缺陷密度接近式曝光：版与光刻胶有一定间隙，这种曝光解决了缺陷问题，但由于衍射效应明显使其分辨率降低投影式曝光：分辨率高，也没有接触曝光的缺陷问题，是目前主要的曝光方法光刻分类•按曝光视场范围的不同可分为：步进光刻机，扫描光刻机步进重复式光刻机原理步进扫描式光刻机原理•按工作波长可分为：光刻分类光刻分类g线(436nm)i线(365nm)DUV光刻248nm193nm157nmEUV(13.5nm)X射线(5Å)电子束光刻(0.62Å)离子束光刻(0.12Å)光刻仿真软件光刻仿真软件的功能：扩展光刻研究的深度和广度，有效降低光刻单元的运营费用，缩短确定有效光刻解决方案所需时间。主要仿真软件：PROLITH(DUV,EUV),SPLAT,SAMPLE,IntellSuite,MEMSPro,MEMSCAD(CoventorWare)光刻模拟研究起源于1953年H.Hopkins利用数学方法计算投影光学系统的空间成像，70年代，经美国学者RickDill和MACK等对其更加深入的研究，使得光刻模拟研究逐渐形成体系，并渐渐成为光刻理论研究和光刻工艺改进等方面不可或缺的一部分。第一款光刻仿真软件SPLAT诞生于1979年光刻小结在光刻发展历史这部分内容中，主要是想向大家讲述一下光刻的发展背景，意义及什么是光刻，旨在让同学们对光刻有一个大概的了解；曝光系统是光刻机中最为复杂的核心组件，其研制涉及到应用光学领域的所有基础技术，且技术要求达到了当前应用光学技术发展水平的极限光刻机总体结构（汞灯）光刻机总体结构（LASER）wafervvvvvvvObjectivelensreticleCondenserlensLightsourceAperturestopImagingPrinciple:OpticalProjection光刻原理ImagingPrinciple:FourierOptics光刻原理决定光刻图案的是Wafer上的光强分布ImageIntensityilluminationiszHzFPOFTJdzrI200~00);();()()()();(MaskPolarizationResistLens光刻原理▼分辨率定义光刻原理NAkRpitchR12/♦R=Picth/2即刻线间距的半宽度♦k1为仅与光刻系统相关因子♦λ为光刻物镜工作波长♦NA为光刻物镜像方数值孔径（曝光区）@193nm:n=1.0(空气中)n=1.436(水中)NA=nsinθ光刻原理▼焦深222()KDOFNA♦K2取决于接收像面标准和掩膜类型♦λ为光刻物镜工作波长♦NA为光刻物镜像方数值孔径NA=nsiniNumericalApertureobject(reticle)ProjectionLensEntrancePupil=max.Acceptanceangle(atobject)i=max.acceptanceangle(atimage)(wafer)Image数值孔径(NA)光刻分辨率影响因素曝光波长数值孔径NA工艺系数k1R=k1NA光刻分辨率提高方法•从分辨率公式可以看出，要提高光刻分辨率，只有三种办法：缩短波长，增加数值孔径，减小K1因子缩短波长：从汞灯光刻到现在的准分子激光光刻，以及到未来的极紫外光刻，都是围绕这一因素展开的增加数值孔径：主要从两个方面提高，一、折射率；二、孔径角。折射率通过浸液改变，孔径角通过综合的光学设计。数值孔径增大有极限减小K1因子：通过一些方法突破传统衍射极限限制，使得分辨率提高，目前的波前工程技术（RET技术）主要是针对降低K1因子展开的浸液提高分辨率掩模浸没光刻技术水折射率n=1.44，NA1磷酸折射率为1.54正在开发折射率达到1.65-1.75的高折射率的第三代浸没液体和新光学鏡头材料通过浸液增加数值孔径———提高分辨率分辨率与k1因子降低k1的方式主要分辨率增强(RET)技术•照明•掩模•两次曝光分辨率增强技术（RET）掩模：振幅型－光学邻近效应校正（OPC）相位型－相移掩模（PSM）照明：离轴照明（OAI）两次曝光这些提高光刻分辨率的技术选择性地结合起来，对提高光刻分辨率、改善实用焦深、改善光刻图形质量以及提高光刻图形形状和位置精度都会取得更加良好的效果。两次曝光技术把原来一次光刻用的掩模图形交替式地分成两块掩模，每块掩模上图形的分辨率可以减少一半，减少了曝光设备分辨率的压力，同时还可以利用第二块掩模版对第一次曝光的图形进行修整；两次曝光是有效