【文章內(nèi)容簡介】 得到單一波長的光線。 、投影式照明系統(tǒng) 投影式照明系統(tǒng)的作用是 收集從弧光燈中射出的光 ，并使收集的光 通過掩模版投射到透鏡組的入射光孔 中。 光學收集系統(tǒng)： 通常為 拋物面或橢圓面的鏡子 ，盡可能多地將發(fā)射的光波引到需要曝光的硅片表面。 過濾器： 將其他波長光過濾，通過投影透鏡的就是曝光波長的光線。 光線空間均勻： 弧形燈發(fā)射光線的空間一致性不夠好，照明掩膜要求光強波動小于 1％。使用 蜂窩狀透鏡 ，產(chǎn)生小弧形燈的 多重圖像 ，從多重圖像射出的光集合在一起，產(chǎn)生一個 平均強度 ，這個平均強度要均勻很多。 、準分子激光 DUV光源 DUV光刻系統(tǒng)中的光源是準分子激光器： ?KrF準分子激光器： 可以產(chǎn)生波長為 248nm的 DUV光線，目前已經(jīng)成為光刻工藝中的主要光源，應用于 、 CMOS技術。 ?ArF準分子激光器： 可以產(chǎn)生波長為 193nm的 DUV光線，應用于 以下的 CMOS工藝。 準分子： 是由一個惰性氣體原子和一個鹵素原子組成的特殊分子，這種分子只是在激發(fā)狀態(tài)下被約束在一起。如果其中一個或兩個原子處在激發(fā)態(tài)，就可以發(fā)生化學反應形成二聚物。 準分子發(fā)射 DUV光： 當準分子中的原子的狀態(tài)由激發(fā)態(tài)衰變到基態(tài)時，二聚物就分離成兩個原子，在衰變的過程中，有 DUV能量放射。 準分子激光原理 KrF準分子激光器： ? 首先是等離子體中產(chǎn)生 Kr+和 F離子，然后對 Kr+和 F離子氣體施加高電壓的脈沖，使這些離子結(jié)合在一起形成 KrF準分子。 ? 在一些準分子開始自發(fā)衰變之后，它們發(fā)射的光穿過含有準分子的氣體時，就會激勵這些準分子發(fā)生衰變。因此，準分子激光以 短脈沖 形式發(fā)射，而不是連續(xù)地發(fā)射激光。 ? 只要充以足夠高的電壓，那么激發(fā)、脈沖和激光發(fā)射就會重復產(chǎn)生。 、接近式曝光 接近式曝光裝置主要由四部分組成： ? 光源和透鏡系統(tǒng) ? 掩模版 ? 硅片 (樣品 ) ? 對準臺 汞燈發(fā)射的紫外光由透鏡變成平行光，平行光通過掩模版后在光刻膠膜上形成圖形的像。 掩模版與硅片之間有一小的間隙 s，一般為 5μm，故稱為接近式曝光。 在 ，光學曝光的最高分辨率為 1/λ。但在接近式曝光系統(tǒng)中，由于掩模版和硅片間有一小 間隙 s，必須考慮這種情況下 衍射對分辨率的限制 。 經(jīng)過分析，如果像與掩膜版尺寸相同，沒有畸變，則接近式曝光系統(tǒng)的 最小線寬 為 因此 分辨率 為 若 s=5μm， λ=400nm，則 a=2 μm， R=250線對。 實際 s5μm，因此 接近式曝光 只能用于 3 μm以上的工藝 。 ?sa ? ?sR 1?接近式曝光的分辨率 、接觸式曝光 接觸式曝光系統(tǒng)與接近式相同，唯一的區(qū)別是掩模版與硅片是 緊密接觸 ，因此接觸式曝光的 分辨率優(yōu)于接近式曝光 。 接觸式是集成電路研究與生產(chǎn)中最早采用的曝光方法，但目前已處于被 淘汰 的地位，主要原因是掩模版和硅片緊密接觸容易引入大量的工藝缺陷，成品率太低。 、投影光刻 投影光刻系統(tǒng)如圖所示： ? 光源光線經(jīng)透鏡后變成平行光 ? 通過掩模版 ? 由第二個透鏡系統(tǒng)聚焦投影并在硅片上成像 ? 硅片支架和掩模版間有一對準系統(tǒng) 投影曝光系統(tǒng)的 分辨率 ：主要是 受衍射限制 。 透鏡系統(tǒng) 能夠分辨的最小間隔 ?y為： NA為透鏡系統(tǒng)的數(shù)值孔徑，一般為 。 若 NA = ， ? = 400 nm，則 ?y = μm。 投影光刻 可以達到亞微米水平 。 投影光刻 已成為 3μm以下的主要光刻方法 。 NAλyδ ?投影曝光系統(tǒng)的分辨率及優(yōu)點 、離軸照明 離軸照明技術在不改變工作波長、投影物鏡的數(shù)值孔徑與光刻膠工藝的條件下，就能提高光刻分辨率，優(yōu)化焦深，因而得到了廣泛應用。 對于 數(shù)值孔徑一定 的投影物鏡， 當光柵周期太小時， 在 同軸照明 情況下， 177。 1級及更高階衍射光都被物鏡的光闌遮擋， 只有 0級衍射光進入物鏡 ， 0級衍射光不包含任何空間信息，硅片上 不能形成掩模的圖像 。如果采用 離軸照明 的光線，如圖 (b)所示， 0級和 1級衍射光都可能進入成像系統(tǒng)的光瞳 ， 1級衍射光包含了掩模圖形的空間信息，能在硅片上 得到掩模圖像 。因此離軸照明分辨率更高。 離軸照明提高光刻分辨率 焦深： 焦點深度，當焦點對準某一物體時，不僅位于該點平面上的各點都可以看清楚，而且在此平面的上下一定厚度內(nèi)，也能看得清楚，這個清楚部分的厚度就是焦深。 焦深大 , 可以看到物體的全層，焦深小，則只能看到物體的一薄層，焦深與其它技術參數(shù)有以下關系： 1．焦深與物鏡的數(shù)值孔鏡成反比， 2．焦深大，分辨率降低。 離軸照明條件下，參與成像的 0級與 1級衍射光的夾角小于傳統(tǒng)照明條件下成像的 177。 1級衍射光之間的夾角。因此． 要實現(xiàn)相同的光刻分辨率，離軸照明需要較小的 NA。由上式可知，與傳統(tǒng)照明相比，離軸照明提高了焦深。 22 )( NAkDOF??離軸照明增大焦深 、擴大調(diào)焦范圍曝光 擴大調(diào)焦范圍曝光 (FLEX, Focus Latitude Enhancement Exposure )，主要適用于曝光接觸孔或通孔時擴展焦深， 同時也可以用于曝光硅片表面不平坦引起表面隨機變化的區(qū)域。 FLEX也稱為焦點鉆孔技術。 曝光視場中存在兩個焦點，一個位于光刻膠膜中點，一個接近光刻膠膜的頂部表面，每個接觸孔形成兩個重置的像，一個在焦點上，一個在焦點外，焦點外的像可以在一個寬敞的區(qū)域上伸展，其只對焦點上的像產(chǎn)生模糊的背景效果。通過選擇曝光焦點可以提高接觸孔的聚集深度 3至 4倍。 、化學增強的深紫外光刻膠 對于 ，需要采用深紫外光源，由于樹脂和 DQN對紫外光的 250nm波長都存在強吸收，在 DUV區(qū)不能很好地使用，這就需要使用化學增強 (CA)的光刻膠材料。 CA光刻膠的優(yōu)點： 相對較高的光敏度； 相比于 DQN/樹脂光刻膠， CA膠的對比度也較高。 對于 ，通常會使用混合的光學曝光技術，包括 使用 i線和248nm的 DUV曝光 (使用單層的 CA光刻膠 )。 當器件尺寸達到 ，就需要完成由 i線到 248nm深紫外光源 的過渡。通過采用相轉(zhuǎn)移技術和多層光刻膠技術， 248nm的光刻將會廣泛應用到小尺寸器件的制備中去。 下一代 193nm的光刻所需要的光刻膠，依然依賴于 CA膠。 制作一個完整的 ULSI芯片需要 2025塊不同圖形的掩膜版。 傳統(tǒng)光刻掩膜版是在石英板上淀積一層鉻，用電子束或激光束將圖形直接刻在鉻層上，形成 1X或 4X、 5X的掩膜版。 、掩模板的制造 ? 石英玻璃的熱擴散系數(shù)小，使石英玻璃板在掩模版刻寫過程中受溫度變化的影響較小。 ? 石英玻璃對 248nm和 193nm波長的通透效果是最好的。 、石英玻璃板 、鉻層 在石英玻璃片上淀積一層鉻 (Cr)，掩膜圖形最終就是在鉻膜上形成的。選擇鉻膜是因為鉻膜的淀積和刻蝕都比較容易，而且對光線完全不透明。 ? 在鉻膜的下方還要有一層由鉻的氮化物或氧化物形成的薄膜，增加鉻膜與石英玻璃之間 黏附力 。 ? 在鉻膜的上方需要有一層的 20nm厚的 Cr2O3抗反射層 。 這些薄膜都是通過濺射法制備的。 、掩模板的保護層 為了防止在掩模版上形成缺陷，需要用保護膜將掩模版的表面密封起來，這樣就可以避免掩模版遭到空氣中微粒以及其他形式的污染。 保護膜的 厚度需要足夠薄 ，以保證透光性，同時又要 耐清洗 ，還要求保護膜 長時間暴露在 UV射線的輻照下，仍然能保持它的形狀 。 目前所使用的材料包括 硝化纖維素醋酸鹽和碳氟化合物 ．形成的保護薄膜厚度為 l～ 2μm。 有保護膜的掩模版可以用去離子水清洗，這樣可以去掉保護膜上大多數(shù)的微粒，然后再通過弱表面活性劑和手工擦洗，就可以完成對掩模版的清潔。 、移相掩模（ PSM） 當圖形尺寸縮小到深亞微米，通常需要使用移相掩膜 (PhaseShift Mask)技術。移相掩膜與準分子激光源相結(jié)合，可以使光學曝光技術的分辨能力大為提高。 移相掩膜的基本原理是 在光掩模版的某些圖形上增加或減少一個透明的介質(zhì)層，稱移相器 ，使光波通過這個介質(zhì)層后 產(chǎn)生 180176。 的相位差，與鄰近透明區(qū)域透過的光波產(chǎn)生干涉，從而抵消圖形邊緣的光衍射效應，提高曝光的分辨率。 （圖 ， ） 移相層材料有兩類： ①有機膜，以光刻膠為主，如聚甲基丙烯酸甲脂 (PMMA膠 )； ②無機膜，如二氧化硅。 、 X射線曝光 X射線源： 用高能電子束轟擊金屬靶，當高能電子撞擊靶時將損失能量，激發(fā)原子核內(nèi)層電子的躍遷，當這些激發(fā)電子落回到基態(tài)時，將發(fā)射 X射線。 這些 X射線形成分立的線譜，其能量取決于靶材料。 X射線源必須在真空下工作，因此 X射線必須透過窗口進入到常壓氣氛中進行曝光。窗口材料對 X射線吸收要盡量少， 鈹 是常用的窗口材料。 X射線的波長一般選在 240197。，即軟 X射線區(qū) 。 、 X射線曝光系統(tǒng) 目前集成電路中的光刻技術已經(jīng)達到 ，已接近光學光刻的極限。替代光學光刻的主要有 X射線光刻和電子束光刻 。 、圖形的畸變 在 X射線曝光系統(tǒng)中， X射線的波長 小于 40197。，故衍射對分辨率的影響只有當線寬小于 20197。時才明顯。因此當圖形尺寸 大 于 20197。，而 小于 1μm 時 ， 引起圖形畸變和影響分辨率的主要原因不是衍射 ，而是半陰影和幾何畸變 。 圖形畸變的原因： 電子束轟擊金屬靶所產(chǎn)生的 X射線，沒有簡單的反射鏡和透射鏡能夠使它變成平行光，實際是 發(fā)散型的點光源。 從圖中可以看出半陰影 Δ為 ???????? DdS其中 S是掩模版與樣品的距離， d是靶斑尺寸， D是光源到掩模版的距離。 D大則單位面積上接收到的 X射線劑量變小，曝光時間加長； d小對 Δ有利，但靶斑尺寸減小是非常困難的。 在實際應用中通常是采用折衷的方法，以得到最佳的 Δ。 半陰影 ① 當 樣品上曝光位置偏離 X射線束的軸心時 ，入射 X射線與硅片表面法線有一傾角，不同位置傾角不同，因此產(chǎn)生了 幾何偏差 x： 其中 W是硅片曝光位置偏離 X射線束軸心的距離，若在 硅片的邊上，即 W等于硅片的半徑 Wr，相應的偏差是 最大幾何偏差 xm： ② 樣品與掩模版的間隙 S也會引入幾何偏差 ，樣品表面不是絕對平面，存在加工偏差引起的隨機起伏和多次光刻引起的有規(guī)則的圖形起伏，這些因素引起的幾何偏差 dx為 其中 dS為硅片起伏不平引起的 S的變化量 。 如果要求 dx最大變化量 dxm≤，則可以允許的 dS的相應變化 dSm≤ 。在 4英寸的硅片平面上起伏變化量 ≤1μm是非常高的技術要求。 ??????? DWSx ???????DWSx rm ???????DWdSdx幾何畸變 、 X射線光源 在 X射線曝光中，對 X射線源的要求 主要有： ① 輻射功率高 ，使 X射線曝光時間小于 60秒； ② X射線源的尺寸 d直接影響半陰影和幾何畸變，為了滿足高分辨 率的需要，要求 X射線源的尺寸小于 1mm： ③ X射線的能量要求在 110keV，使 X射線對掩模版中的透光區(qū)有較好的透過率 ，從而滿足掩模反差大的要求； ④使用平行光源， X射線難以聚集，光源發(fā)射 X射線的 形式?jīng)Q定了 X射線到達硅片的形式。 X射線光源 ： 電子轟擊固體靶形成的 X射線光源和等離子體源，基本是點光源。 同步輻射 X射線光源近乎平行發(fā)射，因此目前被廣泛關注。 、 X射線曝光的掩模版 波長在 240197。之間時， 低原子序數(shù)的輕元素材料 (如氮化硅、氮化硼、鈹?shù)?)對 X射線吸收較弱 ，而 高原子序數(shù)的重元素材料 (如金 )對X射線的吸收很強 ，所以可通過適當?shù)倪x擇制成掩模版。這是 X射線曝光時，波段選擇在 240197。的一個重要原因。 X射線光刻要在掩模版上形成可透 X射線區(qū)和不透 X射線區(qū)，從而形成曝光圖形。 通常采 用 LPCVD方法沉積 低原子序數(shù)的輕元素材料膜 (如 氮 化硅 )來形成 透光的 薄 膜襯底 。 吸收體層 則采用常規(guī)的 蒸發(fā)、射頻濺射或電鍍