第7章 光学光刻.ppt
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1、Microelectronic Fabrication & MEMS Technology1第第 7 7 章章 光学光刻光学光刻光刻光刻曝光曝光刻蚀刻蚀光源光源曝光方式曝光方式 评价光刻工艺可用三项主要的标准:评价光刻工艺可用三项主要的标准:和和。Microelectronic Fabrication & MEMS Technology2涂光刻胶(正)涂光刻胶(正)选择曝光选择曝光 显影(第显影(第 1 次图形转移)次图形转移)刻蚀(第刻蚀(第 2 次图形转移)次图形转移)Microelectronic Fabrication & MEMS Technology338)显影后检查显影后检查5)
2、 曝光后烘焙曝光后烘焙6)显影显影7)坚膜坚膜UV LightMask 4) 对准和曝光对准和曝光Resist2) 涂胶涂胶3)前烘前烘1) 气相成底膜气相成底膜HMDS光刻工艺的个步骤光刻工艺的个步骤Microelectronic Fabrication & MEMS Technology4光光源源紫外光(紫外光(UV)深紫外光(深紫外光(DUV) g 线:线:436 nm i 线:线:365 nm KrF 准分子激光:准分子激光:248 nm ArF 准分子激光:准分子激光:193 nm极紫外光(极紫外光(EUV),),10 15 nm X 射线,射线,0.2 4 nm 电子束电子束 离子
3、束离子束Microelectronic Fabrication & MEMS Technology55VisibleRadio wavesMicro-wavesInfraredGamma raysUVX-raysf (Hz)1010101010101010101046810121416221820 (m)420-2-4-6-8-14-10-1210101010101010101010365436405248193157ghiDUVDUVVUV (nm)Common UV wavelengths used in optical lithography.电磁光谱电磁光谱Microelectroni
4、c Fabrication & MEMS Technology66 (nm)700455060065050045040035030025020015010050紫外光谱紫外光谱可见光可见光汞灯汞灯准分子激光准分子激光Photolithography light sourcesghi36540524819313436157126VioletRedBlueGreenYellow OrangeMid-UVEUVDUVVUV紫外光谱紫外光谱可见光谱:可见光谱:波长在波长在390nm到到780nm之间;之间;紫外光谱:紫外光谱:波长在波长在4nm到到450nm之间。之间。Microelectronic
5、Fabrication & MEMS Technology7有掩模方式有掩模方式无掩模方式无掩模方式(聚焦扫描方式)(聚焦扫描方式)接触式接触式非接触式非接触式接近式接近式投影式投影式反射反射折射折射全场投影全场投影步进投影步进投影扫描步进投影扫描步进投影矢量扫描矢量扫描光栅扫描光栅扫描混合扫描混合扫描曝曝光光方方式式Microelectronic Fabrication & MEMS Technology8 当一个光学系统中的所有尺寸,当一个光学系统中的所有尺寸,如光源、反射器、透镜、掩模版上的如光源、反射器、透镜、掩模版上的特征尺寸等,都远大于光源波长时,特征尺寸等,都远大于光源波长时,可
6、以将光作为在光学元件间直线运动可以将光作为在光学元件间直线运动的粒子来处理。的粒子来处理。 但是当掩模版上的特征尺寸接近光源的波长时,就应该把但是当掩模版上的特征尺寸接近光源的波长时,就应该把光的传输作为电磁波来处理,必须考虑光的传输作为电磁波来处理,必须考虑衍射和干涉衍射和干涉。由于衍射。由于衍射的作用,掩模版透光区下方的光强减弱,非透光区下方的光强的作用,掩模版透光区下方的光强减弱,非透光区下方的光强增加,从而影响光刻的分辩率。增加,从而影响光刻的分辩率。Microelectronic Fabrication & MEMS Technology9无衍射效应无衍射效应有衍射效应有衍射效应光光
7、强强Microelectronic Fabrication & MEMS Technology10 定义图形的定义图形的 为为maxminmaxminMTFIIII 无衍射效应时,无衍射效应时,MTF = 1 ;有衍射效应时;有衍射效应时 ,MTF 1 。光栅的周期(或图形的尺寸)越小,则光栅的周期(或图形的尺寸)越小,则 MTF 越小;光的波长越小;光的波长越短,则越短,则 MTF 越大。越大。Microelectronic Fabrication & MEMS Technology11 图形的分辩率还要受图形的分辩率还要受光刻胶对光强的响应特性光刻胶对光强的响应特性的影响。的影响。 光强不
8、到临界光强光强不到临界光强 Dcr 时不发生反应,光强时不发生反应,光强超过超过 Dcr 时完全反应,衍射只造成线宽和间距的少量变化。时完全反应,衍射只造成线宽和间距的少量变化。 DcrD100D0 光强不到光强不到 D0 时不发生反应,光强介于时不发生反应,光强介于 D0 和和 D100 之间时发生部分反应,光强超过之间时发生部分反应,光强超过 D100 时完全反应,使线条时完全反应,使线条边缘出现模糊区。在一般的光刻胶中,当边缘出现模糊区。在一般的光刻胶中,当 MTF 0.4 时,图形时,图形不再能被复制。不再能被复制。Microelectronic Fabrication & MEMS
9、Technology12 对光源系统的要求对光源系统的要求 1、有适当的波长。波长越短,曝光的特征尺寸就越小;、有适当的波长。波长越短,曝光的特征尺寸就越小; 2、有足够的能量。能量越大,曝光时间就越短;、有足够的能量。能量越大,曝光时间就越短; 3、曝光能量必须均匀地分布在曝光区。、曝光能量必须均匀地分布在曝光区。 常用的常用的 光源是高压弧光灯(高压汞灯)。高压汞灯光源是高压弧光灯(高压汞灯)。高压汞灯有许多尖锐的光谱线,经过滤光后使用其中的有许多尖锐的光谱线,经过滤光后使用其中的 或或 。Microelectronic Fabrication & MEMS Technology13高压汞
10、灯的光谱线高压汞灯的光谱线120100806040200200300 400 500 600Relative Intensity (%)h-line405 nmg-line436 nmi-line365 nmDUV248 nmEmission spectrum of high-intensity mercury lampMicroelectronic Fabrication & MEMS Technology14 由于衍射效应是光学曝光技术中限制分辨率的主要因素,由于衍射效应是光学曝光技术中限制分辨率的主要因素,所以要提高分辨率就应使用波长更短的光源如所以要提高分辨率就应使用波长更短的光源如
11、。实际。实际使用的深紫外光源有使用的深紫外光源有 和和 F2 准分子激光(准分子激光(157 nm)等。等。 深紫外光的曝光方式与紫外光基本相同,但需注意两点,深紫外光的曝光方式与紫外光基本相同,但需注意两点, 1、光刻胶、光刻胶 2、掩模与透镜材料、掩模与透镜材料 248 nm 波长的光子能量为波长的光子能量为 4.9 eV,193 nm 波长的光子能量波长的光子能量为为 6.3 eV ,而纯净石英的禁带宽度约为,而纯净石英的禁带宽度约为 8 eV。波长越短,掩模。波长越短,掩模与透镜材料对光能的吸收就严重,造成曝光效率降低和掩模与与透镜材料对光能的吸收就严重,造成曝光效率降低和掩模与透镜发
12、热。透镜发热。Microelectronic Fabrication & MEMS Technology15 1985 年以前,几乎所有光刻机都采用年以前,几乎所有光刻机都采用 g 线线 (436 nm) 光源,光源,当时的最小线宽为当时的最小线宽为 1 m 以上以上 。1985 年以后开始出现少量年以后开始出现少量 i 线线(365 nm) 光刻机,相应的最小线宽为光刻机,相应的最小线宽为 0.5 m 左右。从左右。从 1990 年开年开始出现始出现 DVU 光刻机,相应的最小线宽为光刻机,相应的最小线宽为 0.25 m 左右。从左右。从1992年起年起 i 线光刻机的数量开始超过线光刻机的
13、数量开始超过 g 线光刻机线光刻机 。截止到。截止到 1998 年年 ,g 线、线、i 线和线和 DVU 光刻机的销售台数比例约为光刻机的销售台数比例约为 1 : 4 : 2。而目前。而目前DVU 光刻机的销售台数已经超过光刻机的销售台数已经超过 i 线光刻机。线光刻机。Microelectronic Fabrication & MEMS Technology16 SiU. V.MaskP. R.SiO2 设备简单;理论上设备简单;理论上 MTF 可达到可达到 1,因此分辨率比较,因此分辨率比较高,约高,约 0.5 m。 掩模版寿命短(掩模版寿命短(10 20 次),硅片上图形缺陷多,次),硅
14、片上图形缺陷多,光刻成品率低。光刻成品率低。Microelectronic Fabrication & MEMS Technology17 g = 10 50 m 掩模寿命长(可提高掩模寿命长(可提高 10 倍以上),图形缺陷少。倍以上),图形缺陷少。 缺点:衍射效应严重,使分辨率下降。缺点:衍射效应严重,使分辨率下降。 Microelectronic Fabrication & MEMS Technology18minWk ggmin0.436m (g),20m2.95mgW例:当线时, 最小可分辨的线宽为最小可分辨的线宽为式中,式中,k 是与光刻胶处理工艺有关的常数,通常接近于是与光刻胶处
15、理工艺有关的常数,通常接近于 1 。Microelectronic Fabrication & MEMS Technology19Microelectronic Fabrication & MEMS Technology20Microelectronic Fabrication & MEMS Technology21式中,式中,k1 是与光刻胶的光强响应特性有关的常数,约为是与光刻胶的光强响应特性有关的常数,约为 0.75 。 NA 为镜头的为镜头的 , 投影式光刻机的分辨率由投影式光刻机的分辨率由 给出,即给出,即min1WkNAn 为折射率,为折射率, 为半接收角。为半接收角。NA 的典型
16、值是的典型值是 0.16 到到 0.8。sinNAn 增大增大 NA 可以提高分辨率,但却受到可以提高分辨率,但却受到 的限制。的限制。Microelectronic Fabrication & MEMS Technology2222透镜俘获衍射光NAUV012341234透镜透镜石英石英铬铬衍射图形衍射图形掩膜版掩膜版p 数值孔径数值孔径(NA):透镜收集衍射光的能力。:透镜收集衍射光的能力。 mNAn Sinn透镜的半径透镜的焦长Microelectronic Fabrication & MEMS Technology232NA 分辨率与焦深对波长和数值孔径有相互矛盾的要求,需要分辨率与焦
17、深对波长和数值孔径有相互矛盾的要求,需要折中考虑。增加折中考虑。增加 NA 线性地提高分辨率,平方关系地减小焦深,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所以一般选取较小的 NA。为了提高分辨率,可以缩短波长。为了提高分辨率,可以缩短波长。 代表当硅片沿光路方向移动时能保持良好聚焦的移动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距离。投影式光刻机的焦深由 给出,即给出,即minmin0.16,436nmUV, g2.04m,17.03m,193nmDUV0.90m,7.54mNAWW例:设则当(线)时,而当()时,Microelectronic F
18、abrication & MEMS Technology24Microelectronic Fabrication & MEMS Technology25掩模掩模硅片硅片反射凹镜反射凹镜反射凸镜反射凸镜光源光源 1、掩模寿命长,图形缺陷少。、掩模寿命长,图形缺陷少。 2、无色散,可以使用连续波长、无色散,可以使用连续波长光源,无驻波效应。无折射系统光源,无驻波效应。无折射系统中的象差、弥散等的影响。中的象差、弥散等的影响。 3、曝光效率较高。、曝光效率较高。缺点缺点 数值孔径数值孔径 NA 太小,是限制太小,是限制分辨率的主要因素。分辨率的主要因素。Microelectronic Fabric
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