微细加工7光学光刻

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1、第第77章章光学光刻光学光刻7.17.1光刻概述光刻概述光源曝光光刻曝光方式刻蚀评价光刻工艺可用三项主要的标准：分辨率、对准精度和生产效率。光刻工艺流程涂光刻胶（正）选择曝光显影（第1次图形转移）刻蚀（第2次图形转移）g线：436nm紫外光（UV）i线：365nmKrF准分子激光：248nm深紫外光（DUV）ArF准分子激光：193nm光源极紫外光（EUV），10~15nmX射线，0.2~4nm电子束离子束接触式有掩模方式接近式反射非接触式投影式全场投影曝光折射步进投影方扫描步进投影式矢量扫描无掩模方式光栅扫描（聚焦扫描方式）混合扫描7.27.2衍射衍射当

2、一个光学系统中的所有尺寸，如光源、反射器、透镜、掩模版上的特征尺寸等，都远大于光源波长时，可以将光作为在光学元件间直线运动的粒子来处理。但是当掩模版上的特征尺寸接近光源的波长时，就应该把光的传输作为电磁波来处理，必须考虑衍射和干涉。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增加，从而影响光刻的分辩率。7.37.3调制传输函数和光学曝光调制传输函数和光学曝光光强无衍射效应有衍射效应定义图形的调制传输函数MTF为IImaxminMTFIImaxmin无衍射效应时，MTF=1；有衍射效应时，MTF<1。光栅的周期（或图形的尺寸）越小，则

3、MTF越小；光的波长越短，则MTF越大。图形的分辩率还要受光刻胶对光强的响应特性的影响。D100DcrD0理想光刻胶：光强不到临界光强Dcr时不发生反应，光强超过D时完全反应，衍射只造成线宽和间距的少量变化。cr实际光刻胶：光强不到D0时不发生反应，光强介于D0和D之间时发生部分反应，光强超过D时完全反应，使线条100100边缘出现模糊区。在一般的光刻胶中，当MTF<0.4时，图形不再能被复制。7.47.4光源系统光源系统对光源系统的要求1、有适当的波长。波长越短，曝光的特征尺寸就越小；2、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

4、在曝光区。常用的紫外光光源是高压弧光灯（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g线（436436nm）或i线（365365nm）。高压汞灯的光谱线Emissionspectrumofhigh-intensitymercurylamp120i-line365nm100g-lineh-lin436nm80405nm6040DUV248nmRelativeIntensity(%)200200300400500600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深紫外光。实际使用的深紫外光源有KrF

5、KrF准分子激光（248248nm）、ArFArF准分子激光（193193nm）和F2准分子激光（157nm）等。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2、掩模与透镜材料248nm波长的光子能量为4.9eV，193nm波长的光子能量为6.3eV，而纯净石英的禁带宽度约为8eV。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透镜发热。各种光学曝光光源的使用情况1985年以前，几乎所有光刻机都采用g线(436nm)光源，当时的最小线宽为1m以上。1985年以后开始出现少量i线(365nm)光刻机，相应的最小线宽为0

6、.5m左右。从1990年开始出现DVU光刻机，相应的最小线宽为0.25m左右。从1992年起i线光刻机的数量开始超过g线光刻机。截止到1998年，g线、i线和DVU光刻机的销售台数比例约为1:4:2。而目前DVU光刻机的销售台数已经超过i线光刻机。7.57.5接触式与接近式光刻机接触式与接近式光刻机一、接触式光刻机U.V.MaskP.R.SiO2Si优点：设备简单；理论上MTF可达到1，因此分辨率比较高，约0.5m。缺点：掩模版寿命短（10~20次），硅片上图形缺陷多，光刻成品率低。二、接近式光刻机g=10~50m优点：掩模寿命长（可提高10倍以上

7、），图形缺陷少。缺点：衍射效应严重，使分辨率下降。最小可分辨的线宽为Wkggmin式中，k是与光刻胶处理工艺有关的常数，通常接近于1。例：当0.436μm(g线),gW20μm2时，.95μmmin7.67.6投影式光刻机投影式光刻机反射投影光刻机光源硅片掩模反射凸镜反射凹镜折射投影光刻机光源聚光透镜掩模投影器硅片一、分辨率与焦深投影式光刻机的分辨率由雷利第一公式给出，即Wkmin1NA式中，k是与光刻胶的光强响应特性有关的常数，约为0.75。1NA为镜头的数值孔径，NAnsinn为折射率，为半接收角。NA的典型值是0.16到0.

8、8。增大NA可以提高分辨率，但却受到焦深的限制。焦深代表当硅片沿光