微细和纳米加工技术 光学曝光技术（2.1 引言 2.2光学曝光方式与原理）

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1、第2章光学曝光技术2.1引言金属（如钼、铜、低碳钢等）；半导体（如硅）；介质（如玻璃）等材料。光刻加工技术是一种图形复印和腐蚀相结合的表面微细加工技术。加工的对象1（a）负极性光致抗蚀剂：光照后，不溶解于显影液，光照处抗蚀剂留下。（b）正极性光致抗蚀剂：光照后，能溶解于显影液，不照处抗蚀剂留下。★衬底准备→涂胶→前烘→曝光→显影→坚膜→腐蚀→去胶★从光刻加工工艺的基本过程可以看出，光刻加工的基本过程包括衬底准备、涂胶、前烘、曝光、显影、坚膜、腐蚀、去胶等工艺，其中曝光工艺是光刻加工中最为关键的技术。光刻加工工艺的基本过程2★光学曝光方式基本上可以划分为掩模对准式曝光与投影式曝光2类

2、。★掩模对准式曝光包括接触式曝光与接近式曝光。★投影式曝光包括1：1投影和缩小投影(如5：1缩小)。缩小投影曝光系统又称为步进投影曝光机。光学曝光方式掩模对准式曝光投影式曝光接触式曝光接近式曝光1:1投影式曝光缩小投影式曝光2.2光学曝光方式与原理3图2.2接触式、接近式与投影式3种曝光方式的示意图光学曝光方式★接触式、接近式与投影式3种曝光方式的示意图：掩模对准式曝光4★掩模对准式曝光可以真实地再现掩模图形，但是它要求掩模必须与光刻胶表面完全接触。★掩模对准式曝光又可分为接触式曝光和接近式曝光（非接触式光学曝光）。掩模对准式曝光2.2.1掩模对准式曝光51．接触式曝光①所谓硬接触

3、就是掩模版与涂胶的硅片通过施加压力的方式来实现完全接触。接触式曝光具有高分辨率、设备简单、操作方便、生产效率高和成本低等优点。★接触式曝光又可分为①硬接触与②软接触曝光。②当然，通过调整压力的大小也可以实现软接触。接触式曝光的缺点是因机械接触容易损伤掩模版，因而使用寿命短，多次使用严重影响芯片成品率。6★也可以使掩模与胶表面保持一定间隙，成为接近式曝光。这一间隙可以控制在几微米到几十微米(典型值为5～50μm)。但必须注意，该间隙会影响到光学成像的质量。2．接近式曝光（非接触式光学曝光）7优点：接近式曝光可以避免掩模的玷污和损伤。接近式曝光及其优缺点缺点：随着集成电路集成度不断提高

4、，特征线宽愈来愈小，当特征线宽减小到可与曝光所用的波长相比拟时，则光通过掩模窗口产生的衍射效应会使分辨率变坏，成为提高光刻分辨率的主要限制因素。8★可以看出掩模与胶表面的间隙g会造成光强分布的失真，因此理想的接触式曝光应当是硬接触曝光。★但硬接触曝光的致命缺点是掩模的损伤，这种损伤可能是接触摩擦对铬层的破坏，也可能是部分光刻胶由于硬接触而黏附到掩模版上。★总之，早期采用接触式曝光时，光学掩模版的使用寿命极低。如果是光刻胶黏附污染，则可以通过清洗使掩模版再度可用，但这大大降低了生产率。图2.3掩模对准式曝光中掩模与胶表面间隙对胶表面光强分布的影响(计算机模拟结果)掩模对准式曝光中间隙

5、g对曝光质量的影响9★掩模间隙与曝光图形保真度之间的关系可以由下式表示：影响接近式曝光分辨率的因素W：模糊区宽度，或者说是胶平面实际成像尺寸与掩模图形设计尺寸之差；λ：照明光波长；z：掩模与胶平面的间隙；k：一个与工艺条件有关的参数。★由式可见，若要曝光成像与掩模设计图形尽可能一致，只有减小间隙和缩短照明波长。10★投影式曝光既有接触式曝光的高分辨率，而又避免了接触式曝光容易产生缺陷的弊端。★光学投影成像曝光技术是用光学投影的方法将掩模版图形的影像(以等倍方式或缩小的方式)投影在半导体基片表面上，这时掩模版作为光学成像系统的物方，基片表面上的光致抗蚀剂层为像方。2.2.2投影式曝光

6、★按照投影成像倍数的不同，投影曝光可分为1：1投影曝光和缩小投影曝光两种方式。11★1：1投影曝光是将含有芯片图形阵列的掩模片的整个版面，通过投影成像方式，等倍地复制到基片上，实现非接触式投影复印曝光。1.1：1投影曝光但1：1成像要求掩模的图形与硅片上做出的图形一样大小。随着集成电路最小图形尺寸的减小，使1：1投影曝光的掩模版制作越来越困难。1：1投影通过光学成像的方法将掩模图形投影到硅片表面，图像质量完全取决于光学成像系统，与掩模-硅片之间的距离无关，这样就彻底克服了前面提到的接近式曝光中光学成像不一致的缺点。优点缺点12★缩小投影曝光就是在1：1投影曝光结构原理的基础上，把中

7、间掩模图形加以缩小投影到片子上进行曝光。例如，缩小率有1/10、1/7、1/4等。2.缩小投影曝光随着IC集成度的提高，芯片面积的增大，电路图形线宽的缩小，使得一幅IC的图形既复杂精细，又所占面积很大。照射光线既没有如此大的视场，也不可能在大视场里处处精确清晰地投影曝光出微细的图形。为了解决这个矛盾，出现了所谓分布重复缩小投影曝光。分布重复缩小投影曝光13★在缩小投影曝光中，采用把大视场分割成很多小视场的方法，即图所示的1，2，3，…，分割区域。精密定位的机械系统将中