1、影響光刻工藝的主要因素：掩膜版、光刻膠和光刻機。 掩膜版：由透光的襯底材料和不透光的金屬吸收材料組成。通常還要在表面淀積一層保護膜，避免掩膜版受到空氣中的污染。 光刻膠：又稱光致抗蝕劑，是光敏化合物，當受到特定波長光線的作用時化學結構發(fā)生變化，使光刻膠在某種特定溶液中的溶解特性改變。 光刻機：是曝光工具，是光刻工藝的核心部分。,10.1 光刻掩模版的制造 10.2 光刻膠 10.3 光學分辨率增強技術 10.4 紫外光曝光技術 10.5 其它曝光技術 10.6 光刻設備,本章主要內容,10.1光刻掩模版的制造,掩模版就是將設計好的特定幾何圖形通過一定的方法以一定的間距和布局做在基版上，供光刻工

2、藝中重復使用。制造商將設計工程師交付的標準制版數據傳送給一個稱作圖形發(fā)生器的設備，圖形發(fā)生器會根據該數據完成圖形的產生和重復，并將版圖數據分層轉移到各層光刻掩模版（為涂有感光材料的優(yōu)質玻璃板）上，這就是制版。,光刻版,10.1光刻掩模版的制造,(A)電路圖； (B)版圖,10.1光刻掩模版的制造,10.1.1制版工藝簡介,電路設計版圖設計 GDSII文件 制作掩膜版；,10.1.1制版工藝簡介,一般集成電路的制版工藝流程示意圖,版圖繪制：版圖繪制完成后，將其放大100100倍，在紙畫出版圖總圖； 刻分層圖：分別在貼有紅膜的透明塑料膠片的紅色薄膜層上刻出各層導通圖形，揭掉不要部分，形成紅膜表示的

3、各層次圖形； 初縮：對紅膜圖形進行第一次縮小，得到大小為最終圖形10倍的初縮圖； 精縮兼分布重復：初縮版圖進一步縮小為最終的實際大小，并同時進行分布重復，得到用于光刻的正式掩膜版，稱為母版。 復?。汗饪踢^程中，掩膜版會受到磨損產生傷痕，使用一定次數后需要更換。采用精縮得到母版很不經濟，通常通過復印技術復制多塊掩膜版。,10.1.2掩模板的基本構造及質量要求,掩模版的基本構造,鉻版： 使用低膨脹系數、低鈉含量、高化學穩(wěn)定性及高透光性的石英玻璃為主； 其上100nm不透光的鉻膜作為工作層； 其上20nm的氧化鉻來減少光的反射，增加工藝的穩(wěn)定性； 有鉻膜的地方，光線不能穿透；反之，光可以穿透石英玻璃

4、；,10.1.2 掩模板的基本構造及質量要求,掩模版上的缺陷一般來自兩個方面： 一是掩模版圖形本身的缺陷，大致包括針孔、黑點、黑區(qū)突出、白區(qū)突出、邊緣不均及刮傷等，此部分皆為制作過程中所出現的，目前是利用目檢或機器原形比對等方式來篩選； 另一方面是指附著在掩模版上的外來物，為解決此問題，通常在掩模版上裝一層保護膜。,掩模版保護膜功能示意圖,光刻工藝對掩模版的質量要求歸納有如下幾點： 構成圖形陣列的每一個微小圖形要有高的圖像質量，即圖形尺寸要準確，盡可能接近設計尺寸的要求，且圖形不發(fā)生畸變。 圖形邊緣清晰、銳利，無毛刺，過渡區(qū)要小，即充分光密度區(qū)（黑區(qū)）應盡可能陡直地過渡到充分透明區(qū)（白區(qū)）。

5、整套掩模中的各塊掩模能很好地套準，對準誤差要盡量地小。 圖形與襯底要有足夠的反差（光密度差），一般要求達2.5以上，同時透明區(qū)應無灰霧。 掩模應盡可能做到無“針孔”、“小島”和劃痕等缺陷。 版面平整、光潔、結實耐用。版子要堅固耐磨，不易變形。圖形應不易損壞。,10.1.2 掩模板的基本構造及質量要求,10.1.3鉻版的制備技術,鉻版工藝的特點如下: 由于金屬鉻膜與相應的玻璃襯底有很強的粘附性能，因此牢固度高，而且金屬鉻質地堅硬，使得鉻版非常耐磨，使用壽命很長。 圖形失真小，分辨率極高。 鉻膜的光學密度大，0.08m厚的鉻膜就可達到4m乳膠膜的光學密度，由于襯底是透明玻璃，所以反差極好。 金屬鉻

6、在空氣中十分穩(wěn)定，實踐證明，鉻版掩模經長時間使用，其圖形的尺寸變化較少而且制作時出現的缺陷很少。,空白鉻版制作工藝流程,10.1.3鉻版的制備技術,1、玻璃基板的選擇與制備： （1）基板玻璃的選擇 為保證版的質量，玻璃襯底必須滿足如下要求： 熱膨脹系數：要求越小越好，對于白玻璃，要求9.310-6K-1；對于硼硅玻璃，要求4.510-6K-1；對于石英玻璃，要求0.510-6K-1。 透射率：在360nm以上的波長范圍內，透射率在90%以上。 化學穩(wěn)定性：掩模版在使用和儲存過程中，很難絕對避免與酸、堿、水和其它氣氛接觸。它們對玻璃都有不同程度的溶解力。 選擇方法：表面光澤，無突起點、凹陷、劃痕

7、和氣泡，版面平整。厚度適中、均勻。對于接觸式曝光，為能承受接觸復印壓力，厚度應在3mm以上。 （2）玻璃基板的制備 挑選好的制版玻璃，通過切割、銑邊、例棱、倒角、粗磨、精磨、厚度分類、粗拋、精拋、超聲清洗、檢驗、平坦度分類等工序后，制成待用的襯底玻璃。,10.1.3鉻版的制備技術,2、鉻膜的蒸發(fā) 鉻版通常采用純度99%以上的鉻粉作為蒸發(fā)源，把其裝在加熱用的鉬舟內進行蒸發(fā)。蒸發(fā)前應把真空度抽至10-3mmHg以上，被蒸發(fā)的玻璃需加熱。其它如預熱等步驟與蒸鋁工藝相似。 3、蒸發(fā)后對鉻膜的質量檢查 從真空室中取出蒸好的鉻版，用丙酮棉球擦洗表面，然后放在白熾燈前觀察。檢查鉻層有否針孔，厚度是否均勻，厚

8、薄是否適當。如果鉻膜太厚，腐蝕時容易鉆蝕，影響光刻質量。太薄則反差不夠高。鉻膜的厚度可用透過鉻版觀察白熾燈絲亮度的方法，根據經驗判斷；精確的厚度必須用測厚儀測量。鉻膜質量不好的常見毛病是針孔，產生原因主要是玻璃基片的清潔度不夠好，有水汽吸附，鉻粉不純，表面存在塵埃等。,10.1.3鉻版的制備技術,4、鉻膜質量 膜厚：鉻膜的厚度一般控制在100nm左右，利用透光量隨膜厚變換的特點來監(jiān)控膜的厚度。 均勻性：選擇一定的加熱器形狀和尺寸，調節(jié)玻璃與蒸發(fā)源之間的位置和距離得到厚度均勻薄膜。 針孔：玻璃表面的不清潔，蒸發(fā)源的純度都會影響隔膜等額針孔。 牢固度：玻璃表面的清潔與否、蒸發(fā)速率、真空度、越熱溫度

9、等因素有關。,10.1.3鉻版的制備技術,10.1.4彩色版制備技術,彩色版是一種采用新型的透明或半透明掩模，因有顏色，即俗稱彩色版，它可克服超微粒干版缺陷多，耐磨性差及鉻版針孔多、易反光、不易對準等缺點。 彩色版最主要的特點是對曝光光源波長不透明，對觀察光源波長透明。即在可見光下是透明的，故光刻圖形易于對準，而用紫外線曝光時膜又是不透明的，又起到了掩膜的作用。 彩色版種類很多，有氧化鐵版、硅版、氧化鉻版、氧化亞銅版等，目前應用較廣的是氧化鐵彩色版。 氧化鐵具備作為選擇透明掩模材料的所有要求的最佳的化學和物理特性。據報道，在紫外區(qū)（300400nm）的透射率小于1%，在可見光區(qū)（400800n

10、m）透射率大于30%。,氧化鐵版在使用上還有以下優(yōu)點： 在觀察光源波長下是透明的，而在曝光光源波長下是不透明的。由于這一特性，掩模對可見光透明而阻擋紫外線通過，因而允許在光刻時通過掩模直接觀察片子上的圖形。 具有較低的反射率，在接觸曝光時，由于掩模與片子之間的多次反射從而降低了鉻掩模的有效分辨率，由于氧化鐵掩模的反射率低，與正性膠配合能獲得0.51m的條寬。因此制得的氧化鐵掩模版具有較高的分辨率。 氧化鐵版由于是吸收（而不是反射）不需要的光，因而克服了光暈效應，加強了對反射性襯底的對比度，有利于精細線條光刻。 氧化鐵結構致密且無定形，針孔少。 氧化鐵是比較耐磨的掩模材料。 復印腐蝕特性比較好，

11、在一定程度上減少了掩模缺陷。,10.1.4彩色版制備技術,10.1.5光刻制版面臨的挑戰(zhàn),傳統(tǒng)光學光刻及制版技術面臨的挑戰(zhàn)： 如何精確控制光掩膜圖形的對準表現、光掩膜圖形得尺寸表現和光掩膜的缺陷表現； 如何制造帶有衍射輔助成像亞分辨率圖形得光掩膜，完成寫入、檢測等一系列操作。 掩模制造設備面臨的挑戰(zhàn)： 掩膜版制造核心設備：圖形發(fā)生器。主要由三家掩膜版制造設備供應商：Micronic、Jeol和NuFlare。 Micronic于2005年推出的Sigma7500能夠制備90nm，65nm，45nm技術結點的掩膜版； NuFlare公司的EBM-6000達到了32nm的技術； Jeol與2005

12、年推出的JBX-3040MV能夠制備65nm的掩膜版。利用了光學臨近效應校正（OPC）技術。,10.1.5光刻制版面臨的挑戰(zhàn),越來越重要的DFM 通過對電路設計的改進可以大大提高良率。 良率下降的原因（與硅片制造工藝環(huán)境和設備關系緊密）：隨機為例造成的缺陷；光刻過程造成的誤差； 良率下降的原因（與集成電路設計方法密切相關）： Cu凹陷和腐蝕造成的缺陷；參數變化造成的缺陷；通孔的可靠性和信號；功率完整性造成的缺陷。 掩模版檢測技術的發(fā)展趨勢 集成電路工藝向90nm以下發(fā)展，分辨率增強技術（RET）和極端分辨率增強技術的應用不斷完善，如OPC、PSM、SARF。,10.2光刻膠,光刻時接受圖像的介

13、質稱為光刻膠，是一種對輻照光敏感的化合物，也將光刻膠稱為光致抗蝕劑。 光刻膠的目的：將淹沒版圖形轉移到硅片上；在后續(xù)工藝中，保護下面的材料。 光刻膠的分類 根據光刻膠對輻射后的響應特性分類： 正性光刻膠：曝光部分變?yōu)榭扇苄晕镔|，在顯影工藝中容易去除。圖像與掩模版圖形一致。 負性光刻膠：曝光部分變?yōu)殡y溶性物質，顯影工藝未曝光部分被去除。圖像與掩模版圖形相反。 根據用途分類： 可見光刻膠； 電子束光刻膠； X射線光刻膠；,光致抗蝕劑,光刻膠組成： 樹脂：作為粘合劑的聚合物的混合物，給予光刻膠機械和化學性質，對光不敏感。 感光劑：光刻膠材料的光敏成分。 有機溶劑：使光刻膠具有流動性，絕大多數溶劑在曝

14、光前揮發(fā)。 添加劑：控制光刻膠材料特殊方面的化學性質。,10.2.1光刻膠的特征量,光刻膠的特征量： 響應波長； 靈敏度：又稱光敏度，指最小曝光劑量E0 ； 抗蝕性：指耐酸、堿能力； 粘滯性：指流動特性的定量指標 ； 粘附性 ：指與硅、二氧化硅表面結合力的大小 ； 光刻膠的膨脹； 微粒數量和金屬含量； 儲存壽命 ；,10.2.2光學光刻膠,正膠和負膠進行圖形轉移示意圖,光學光刻膠：響應波長在紫光和近、中、遠紫外線的光刻膠。,當前常用正膠為DQN，組成為光敏劑 重氮醌(DQ)，堿溶性的酚醛樹脂(N)，和溶劑二甲苯等。響應波長330-430nm 膠膜厚1-3m，顯影液是氫氧化鈉等堿性物質。,10.

15、2.2光學光刻膠正膠,DQN顯影原理 曝光的重氮醌退化，易溶于顯影液，未曝光的重氮醌和樹脂構成的膠膜難溶于堿性顯影液。,光刻膠曝光、水解和顯影過程中的化學反應方程,10.2.2光學光刻膠正膠,負膠多由長鏈高分子有機物組成。如由順聚異戊二烯和對輻照敏感的交聯劑，以及溶劑組成的負膠，響應波長330-430nm，膠膜厚度0.3-1m，顯影液二甲苯等。,負膠,10.2.2光學光刻膠負膠,10.2.2光學光刻膠負膠,順聚異戊二烯負膠顯影原理 曝光的順聚異戊二烯在交聯劑作用下交聯，成為體型高分子，并固化，不再溶于有機溶劑構成的顯影液，而未曝光的長鏈高分子溶于顯影液，顯影時被去掉。,正膠：顯影容易，圖形邊緣

16、齊，無溶漲現象，光刻的分辨率高，去膠也較容易。 負膠顯影后保留區(qū)的膠膜是交聯高分子，在顯影時，吸收顯影液而溶漲，另外，交聯反應是局部的，邊界不齊，所以圖形分辨率下降。光刻后硬化的膠膜也較難去除。但負膠比正膠抗蝕性強。,10.2.2光學光刻膠正膠&負膠,10.2.3 其它光刻膠,1、電子束光刻膠 2、X射線光刻膠,10.3光學分辨率增強技術,光學分辨率增強技術包括移相掩模技術（phase shift mask )、 離軸照明技術(off-axis illumination)、光學鄰近效應校正技術(optical proximity correction)、光瞳濾波技術（pupil filteri

17、ng technology）等。,10.3.1移相掩模技術,移相掩模（PSM）的基本原理是在光掩模的某些透明圖形上增加或減少一個透明的介質層，稱移相器，使光波通過這個介質層后產生180的位相差，與鄰近透明區(qū)域透過的光波產生干涉，抵消圖形邊緣的光衍射效應，從而提高圖形曝光分辨率。移相掩模技術被認為是最有希望拓展光學光刻分辨率的技術之一。,10.3.1移相掩模技術,通過移相層后光波與正常光波產生的相位差可用下式表達：,式中 d移相器厚度； n移相器介質的折射率； 光波波長。,10.3.1移相掩模技術,附加材料造成 光學路逕差異， 達到反相,10.3.1移相掩模技術,移相掩模的主要類型有： 交替式P

18、SM 衰減型PSM 邊緣增強型PSM 無鉻PSM 混合PSM,10.3.2離軸照明技術,離軸照明技術（OAI）是指在投影光刻機中所有照明掩模的光線都與主光軸方向有一定夾角，照明光經過掩模衍射后，通過投影光刻物鏡成像時，仍無光線沿主光軸方向傳播。是被認為最有希望拓展光學光刻分辨率的一種技術之一。它能大幅提高投影光學光刻系統(tǒng)的分辨率和增大焦深。 離軸照明的種類有：二極照明、四極照明、環(huán)形照明等。,10.3.2離軸照明技術,可以減小對分辨率的限制、增加成像的焦深且提高了MTF,10.3.2離軸照明技術,部分相干照明()時，傳統(tǒng)光刻截止分辨率為R傳統(tǒng)/2NA(1+)。離軸照明時，所照明光都與主光軸有一

19、定的夾角，光經過掩模衍射，由投影透鏡成像時，系統(tǒng)截止頻率為,式中，為照明傾斜角。顯然離軸照明技術有利：提高分辨率。,10.3.2離軸照明技術,OAI的原理,例如：當1NA（1S）時，R可以提高1倍！,10.3.2離軸照明技術,實現方式：環(huán)形照明 四極照明 兩極照明,在投影曝光系統(tǒng)中，掩模圖形的空間像的對比度（MTF）依賴于投影物鏡中參與成像的1級以上衍射光的比例。由于收集了較多高頻信號，離軸照明技術通過降低成像光束中的低頻成分來提高高頻成分在總光強中的比例，從而提高了空間像的對比度。,10.3.3光學鄰近效應校正技術,光學鄰近效應（OPC）是指在光刻過程中，由于掩模上相鄰微細圖形的衍射光相互干

20、涉而造成像面光強分布發(fā)生改變，使曝光得到的圖形偏離掩模設計所要求的尺寸和形狀。這些畸變將對集成電路的電學性質產生較大的影響。光刻圖形的特征尺寸越接近于投影光學光刻系統(tǒng)的極限分辨率時，鄰近效應就越明顯。 光學鄰近效應校正的種類有：線條偏置法、形狀調整法、加襯線法、微型灰度法。,10.3.3光學鄰近效應校正技術,OPC實例,10.4紫外光曝光技術,光學相關波長范圍參考圖,10.4紫外光曝光技術,光源：主要是UV，DUV 水銀弧光燈： i線365nm；h線405nm；g線436nm 氙汞燈：200-300nm 準分子激光：KrF248nm；0.35-0.18 m工藝，ArF193nm，可用于0.13

21、m的CMOS工藝,10.4紫外光曝光技術,1:1曝光系統(tǒng),4或5倍縮小曝光系統(tǒng),接觸式,接近式,投影式（步進）,10.4.1接近式曝光,S 5 m,s5m，=400nm， a 2m， R=250/mm。 只能用于3m工藝,10.4.1接近式曝光,接觸式曝光：抗蝕劑與掩膜直接接觸。 20世紀70年代主要光刻手段； 主要應用于5um線寬及以上的生產方式中； 設備投資較小，圖像精度較高； 接觸式光刻機的掩模版包括了要曝光的硅片表面所有芯片陣列圖形； 分辨率1um ； 易污染掩膜，使掩膜損傷； 每5到25次就要更換掩膜版。,10.4.2接觸式曝光,10.4.3投影式曝光,10.5其它曝光技術,其它曝光

22、技術的主要有： 電子束光刻； X-射線光刻； 離子束光刻； 新技術展望；,10.5.1電子束光刻,電子束光刻是采用電子束光刻機進行的光刻，有兩種方式：一是在一臺設備中既發(fā)生圖形又進行光刻，就是直寫光刻（不用光刻板的光刻）；另一種是兩個系統(tǒng)，制版和光刻分別進行。 電子束光刻已應用于制造高精度掩模版、移相掩膜版和x射線掩模版。,10.5.1電子束光刻,電子抗蝕劑對10-30kV的電子束靈敏，有正性抗蝕劑，負性抗蝕劑。常用的正性抗蝕劑有PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯）膠，分辨率可達10nm。EBR-9（丙烯酸鹽基類），靈敏度比PMMA高10倍，最小分辨率只有0.2m。,10.5.1電子束光刻,電子束的散射有前向散射和背散射，背散射角大，是造成鄰近效應的主要原因,10.5.2X射線光刻,以高強度的電子束轟擊金屬靶材，使其發(fā)射X射線，X射線作為曝光光源，在 0.2-4nm。 掩膜版：為了X-射線能夠透過，掩膜版很薄，對X射線透明的Si、SiN、BN和聚酯薄膜為基片在上面淀積金薄膜，以此作為空白版，金膜能吸收X射線，以電子束制版方法制備掩膜版版。,10.5.2X射線光刻,10.5.2X射線光刻,在電子抗蝕劑中加入銫、鉈等，能增加抗蝕劑對X-射線的吸收能力，可以使之作為X-射線抗蝕劑。如PMMA 。,10.5.2X射線光刻,同步輻射x射線源，是利用