第二章-光学曝光技术课件(1)

第二章光学曝光技术光学曝光的工艺过程光学曝光的方式和原理光刻胶的特性光学掩膜的设计与制造短波长曝光技术大数值孔径与浸没式曝光技术光学曝光分辨率增强技术光学曝光的计算机模拟技术其它光学曝光技术厚胶曝光技术LIGA技术东南大学·南京MEMS教育部重点实验室光刻工艺的基本要素–光源(lightsources)–曝光系统(exposuresystem)–光刻胶(photoresist)能量(光源):引起光刻胶化学反应，改变光刻胶溶解速率；掩膜版(mask):对光进行掩膜，在光刻胶上制造掩膜版的图形；对准系统(Aligner):在硅片上把掩膜版和以前的图形对准；光刻胶(Resist):把图形从掩膜版转移到硅片；衬底(substrate)：具有以前的掩膜版图形。光刻工艺的基本流程第二章光学曝光技术光学曝光的工艺过程光学曝光的方式和原理光刻胶的特性光学掩膜的设计与制造短波长曝光技术大数值孔径与浸没式曝光技术光学曝光分辨率增强技术光学曝光的计算机模拟技术其它光学曝光技术厚胶曝光技术LIGA技术东南大学·南京MEMS教育部重点实验室（1）接触式光学曝光技术东南大学·南京MEMS教育部重点实验室优点：设备简单，分辨率高（约1μm）。缺点：掩模寿命短（10~20次），硅片上图形缺陷多，光刻成品率低。（2）接近式光学曝光技术东南大学·南京MEMS教育部重点实验室优点：掩模寿命长（可提高10倍以上），图形缺陷少。缺点：衍射效应使分辨率下降。（3）投影式光学曝光技术投影式曝光的优点：•掩模寿命长。•可以在不十分平整的大晶片上获得高分辨率的图形。•掩模尺寸远大于芯片尺寸，使掩模制造简单，可减少掩模上的缺陷对芯片成品率的影响。投影式曝光的缺点：设备复杂、昂贵，曝光效率低。步进式投影光刻投影式光刻光刻工艺的相关光学基础•光在空间中以电磁波的形式传播•当物体的尺寸远大于波长时，把光作为粒子来处理•当物体的尺寸和波长可比拟时，要考虑光的波动性－衍射光的衍射效应光的衍射影响分辨率，决定分辨率极限：2minL如果想在像平面(如光刻胶）对小孔进行成像，可以用透镜收集光并聚焦到像平面数值孔径(NumericalApertureNA)•光学系统的数值孔径描述透镜收集光的能力n是透镜到硅片间介质的折射率，对空气而言为1sin61.0)sin2(22.122.1nfnffDR分辨率分辨率-ResolutionfdNANAdfbl261.022.12)(minK1是一个独立于光学成像的因子，取决于光刻系统和光刻胶的性质等其它因素一般来说，最小线宽K1＝0.6~0.8NAK1然而采用高数值孔径的光学系统(大透镜），会使景深变差焦深（DoF）•焦深就是聚焦深度（DepthofFocus），它是指沿着光通路，圆片可以移动而依然保持图形聚焦清晰的移动距离。对于投影系统，焦深由下式给出：2DoFNAk2+-光刻胶膜焦深焦平面透镜焦点是沿透镜中心出现最佳图像的点，焦深是焦点上面和下面的一个范围。焦点可能不是正好在光刻胶层的中心，但是焦深应该穿越光刻胶层上下表面。NGL:X射线(5Å)，电子束(0.62Å)，离子束(0.12Å)光源波长(nm)术语技术节点汞灯436g线0.5mm汞灯365i线0.5/0.35mmKrF(激光)248DUV0.25/0.13mmArF(激光)193193DUV90/65…32nmF2(激光)157VUVCaF2lenses激光激发Xe等离子体13.5EUVReflectivemirrors光源第二章光学曝光技术光学曝光的工艺过程光学曝光的方式和原理光刻胶的特性光学掩膜的设计与制造短波长曝光技术大数值孔径与浸没式曝光技术光学曝光分辨率增强技术光学曝光的计算机模拟技术其它光学曝光技术厚胶曝光技术LIGA技术东南大学·南京MEMS教育部重点实验室光刻胶基本成分光学曝光过程中，为了将掩模上的图形转移到圆片上，辐照必须作用在光敏物质上，该光敏物质必须通过光照，改变材料性质，使在完成光刻工艺后，达到转移图形的目的。该光敏物质称为光刻胶。东南大学·南京MEMS教育部重点实验室光刻胶基本成分组成：（1）树脂（Resin）（2）感光剂（PAC）（3）溶剂（Solvent）（4）添加剂（Additive）•树脂（Resin）：光刻胶中的基体材料，是一种对光敏感的高分子化合物，当它受适当波长的光照射后，就能吸收一定波长的光能量，发生交联、聚合或分解等光化学反应，使光刻胶改变性质。•感光剂（PAC，photoactivecompound)：在曝光前作为抑制剂（inhibitor），降低光刻胶在显影液中的溶解速度，而在暴露于光线时有化学反应发生，使抑制剂变成了感光剂，增加了胶的溶解性（正胶），或产生交联催化剂，使树脂交联，降低胶的溶解性（负胶）。•溶剂（solvent）：使光刻胶保持液体状态。绝大多数的溶剂在曝光前挥发除去，对光刻胶的化学性质几乎没有什么影响。•添加剂（additive）：用来控制和改变光刻胶材料的特定化学性质或光刻胶材料的光响应特性，也包括控制光刻胶反射率的染色剂。凡是在能量束（光束、电子束、离子束等）的照射下，以交联反应为主的光刻胶称为负性光刻胶，简称负胶。凡是在能量束（光束、电子束、离子束等）的照射下，以降解反应为主的光刻胶称为正性光刻胶，简称正胶。光刻胶是长链聚合物正胶在感光时，曝光对聚合物起断链作用，使长链变短，使聚合物更容易在显影液中溶解。负胶在曝光后，使聚合物发生交联，在显影液中溶解变慢。光刻胶类型正胶IC主导负胶1、灵敏度:光刻胶通过显影完全被清除所需要的曝光剂量（正胶）；光刻胶在显影后有50%以上的胶厚得以保留时所需要的曝光剂量（负胶）。是衡量曝光速度的指标，灵敏度越高，所需曝光剂量越小，曝光时间越短。灵敏度太低会影响生产效率，所以通常希望光刻胶有较高的灵敏度。但灵敏度太高会影响分辨率。通常负胶的灵敏度高于正胶。光刻胶的一些特性正胶负胶的灵敏度和对比度定义二.对比度（反差比）：指的是光刻胶上从曝光区到非曝光区过渡的陡度。对比度代表着只适于在掩膜版透光区规定范围内曝光的光刻胶的能力。差的光刻胶对比度斜侧壁膨胀差的反差光刻胶膜好的光刻胶对比度陡直侧壁没有膨胀好的反差光刻胶膜灵敏度曲线越陡，光刻胶的对比度就越大，这样有助于得到清晰的图形轮廓和高的分辨率。一般光刻胶的对比度在0.9~2.0之间。对于亚微米图形，要求对比度大于1。通常正胶的对比度要高于负胶。光进入光刻胶后，其强度按下式衰减0()ezIzI式中，α为光刻胶的光吸收系数。设TR为光刻胶的厚度，则可定义光刻胶的光吸收率为RR000RR()d1e1TTIIzzAITT可以证明，对比度γ与光吸收系数α及光刻胶厚度TR之间有如下关系R1T减小光吸收系数与胶膜厚度有利于提高对比度。三、分辨率：指光刻时所能得到的光刻图形的最小尺寸。通常以每毫米最多可分辨的线条数来表示。光刻工艺中影响分辨率的因素有：光源、曝光方式和光刻胶本身（包括灵敏度、对比度、颗粒的大小、显影时的溶胀、电子散射等）、硅片表面状况等。通常正胶的分辨率要高于负胶。分辨率与灵敏度的关系:当入射电子数为N时，由于随机涨落，实际入射的电子数在范围内。为保证出现最低剂量时不少于规定剂量的90%，也即。由此可得。因此对于小尺寸曝光区，必须满足NN%10NN100minN2minminminmin()10SWNqqNqWSS式中，Wmin为最小尺寸，即分辨率。可见，若灵敏度越高（即S越小），则Wmin就越大，分辨率就越差。五.粘度：是影响涂敷胶膜厚度的重要因素。光刻胶越浓，它的粘度就越大，在相同的涂胶条件下，所得的胶膜就越厚；反之，则粘度小，胶膜薄。四.感光度：感光度是一个表征光刻胶对光敏感度的性能指标。定义为曝光时使光刻胶发生光化学反应所需的最小曝光量(E)的倒数，即S=h/ES为感光度，h为比例常数，E为最小曝光量。光刻胶对于不同波长的光源其敏感程度是不同的，因此它的感光度总是对某一特定波长的光来讲的。六.针孔密度：单位面积的光刻胶膜上的针孔数目称为针孔密度。七.粘附性：指光刻胶薄膜与衬底的粘附能力，主要衡量光刻胶抗湿法腐蚀能力。它不仅与光刻胶本身的性质有关，而且与衬底的性质和其表面情况等有密切关系。八.抗蚀性：光刻胶胶膜必须保持它的粘附性，并在后续的湿刻和干刻中保护衬底表面。这种性质被称为抗蚀性。九.表面张力：光刻胶具有产生相对大的表面张力的分子间力，所以在不同工艺步骤中光刻胶分子会聚在一起。同时光刻胶的表面张力必须足够小，从而在应用时能提供良好的流动性和硅的覆盖。第二章光学曝光技术光学曝光的工艺过程光学曝光的方式和原理光刻胶的特性光学掩膜的设计与制造短波长曝光技术大数值孔径与浸没式曝光技术光学曝光分辨率增强技术光学曝光的计算机模拟技术其它光学曝光技术厚胶曝光技术LIGA技术东南大学·南京MEMS教育部重点实验室掩膜版的材料衬底材料：最主要的用于亚微米光刻的投影掩膜版衬底材料是熔融石英（fusedsilica）。它在深紫外光谱部（248nm和193nm）有着很高的光学透射。熔融石英相对昂贵，但性能优越。它具有很低的热膨胀系数。图形材料：用于掩膜版上不透明的图形材料通常是薄层的铬（Chrome，Cr）。厚度通常小于1000A，通过溅射淀积。有时候会在铬上形成一层氧化铬（200A）的抗反射涂层。掩模版（Photomask）：一种透明的平板，上面有要转印到硅片上光刻胶层的图形。光学工程师将用户数据转换为写入系统所能接受的格式。包括数据分割，尺寸标记，图形旋转，增加套刻标记，内部参照标记，以及一个jobdeck（掩膜上不同图形的位置的说明）。掩膜版上用于Stepper对准的套刻标记掩膜版上的参照标记掩膜版的制备•通常采用电子束直写的方式把高分辨率的图形转印到掩膜版表面。•电子源产生的电子被加速并聚焦成形射到投影掩膜版上。电子束可以通过光栅扫描或矢量扫描的方式在掩膜版上形成图形。•掩膜版上的电子束胶在曝光显影后，通过湿法或干法刻蚀去掉不需要的铬层。CAD设计、模拟、验证后由图形发生器产生数字图形数字图形×4或×5投影光刻版（reticle）投影式光刻×1掩膜版（mask）制作接触式、接近式光刻掩膜版制作掩模版制作过程：是一个微纳加工过程12.Finished掩膜版缺陷•掩膜版上的缺陷会被复制到光刻胶层中，从而进一步复制到硅片上。制造好的掩膜版要进行大量测试来检查缺陷和颗粒。•掩膜版缺陷的来源可能是掉铬，表面擦伤，静电放电或灰尘颗粒。第二讲光学曝光技术光学曝光的工艺过程光学曝光的方式和原理光刻胶的特性光学掩膜的设计与制造短波长曝光技术大数值孔径与浸没式曝光技术光学曝光分辨率增强技术光学曝光的计算机模拟技术其它光学曝光技术厚胶曝光技术LIGA技术东南大学·南京MEMS教育部重点实验室深紫外曝光技术一般，436nm为G线，356nm的为I线，…。采用准分子激光器的深紫外曝光技术。极紫外曝光技术极紫外是波长为13nm的光辐射。而其本质是一种软X射线。极紫外波长可被几乎所有材料吸收，故所有的光学系统包括掩模都必须是反射式的。组成：①极紫外光源—等离子体激发和同步辐射源；②极紫外光学系统—利用多层膜反射镜，可提高反射率；③极紫外掩模—掩模基板和金属层；④极紫外光刻胶—更高灵敏度和分辨率。X射线曝光技术X射线是指波长在0.01~10nm间的电磁波谱，又可分为软硬两种。X射线不能被折射，故只能做成1∶1邻近式曝光，不可做成缩小式曝光，这样就加大了掩模的制造难度和成本。第二章光学曝光技术光学曝光的工艺过程光学曝光的方式和原理光刻胶的特性光学掩膜的设计与制造短波长曝光技术大数值孔径与浸没式曝光技术光学曝光分辨率增强技术光学曝光的计算机模拟技术其它光学曝光技术厚胶曝光技术LIGA技术东南大学·南京MEMS教育部重点实验室1mNA