第14章光刻对准和曝光
光刻中曝光的作用
光刻中曝光的作用嘿，朋友们！今天咱来唠唠光刻中曝光的作用。
这曝光啊，就好比是一场神奇的魔法！你想想看，在光刻的过程中，曝光就像是一道光，瞬间点亮了整个舞台。
它就像一个超级厉害的画师，能把那些精细复杂的图案准确无误地绘制在晶圆这个大画布上。
没有曝光，那一切不都白搭啦！曝光让那些隐藏在掩膜版上的秘密图案得以显现出来。
就好像是把藏在箱子里的宝贝一下子给翻出来了，让它们能在晶圆上大放异彩。
它决定了芯片上的电路能不能按照设计完美呈现，这可不是闹着玩的哟！要是曝光出了问题，那可不得了哇！就好比画画的时候手一抖，画歪了或者画错了，那整幅画不就毁啦？芯片也一样啊，一旦曝光没做好，那后面的步骤不都跟着乱套啦？那可真是让人欲哭无泪呀！曝光的精度要求那是相当高的。
就像你要在一粒米上雕刻出一幅精美的画一样，不能有丝毫的差错。
它得准确地把图案传递到晶圆上，不能有一点模糊或者偏差。
这得多难呀，但它就是能做到！厉害吧？而且哦，曝光还得考虑很多因素呢。
光线的强度啦，照射的时间啦，这些都得把握得恰到好处。
不然的话，要么曝光不足，图案看不清；要么曝光过度，把不该曝光的地方也给弄了，那可就糟糕啦！你说这曝光是不是特别重要？它就像是整个光刻过程的灵魂，没有它，一切都无从谈起。
它默默地工作着，却决定着芯片的命运。
咱可得好好感谢这个神奇的曝光呀，是它让我们的科技世界变得如此精彩！所以啊，千万别小瞧了曝光的作用。
它虽然看起来不起眼，但却是整个光刻工艺中至关重要的一环。
没有它，那些先进的电子产品、智能设备都没法诞生啦！它就是那个默默奉献，却又无比关键的幕后英雄！这就是我对光刻中曝光作用的理解，你们觉得呢？。
光刻机的曝光对准误差分析与改善
光刻机的曝光对准误差分析与改善光刻技术作为集成电路制造过程中至关重要的步骤之一，扮演着“摄影师”的角色，通过将光线投射到光刻胶上，实现对电路图形的精细图案化。
然而，曝光对准误差成为影响最终产品质量的重要因素之一。
本文将深入探讨光刻机的曝光对准误差，分析其原因，并提出相应的改善方案。
一、曝光对准误差的原因分析光刻机的曝光对准误差问题涉及到多个因素，主要包括以下几个方面：1. 机械结构问题：光刻机内部的机械结构对曝光对准误差有着直接影响。
例如，步进机构的精度、刚性以及传动装置的精度等都会对光刻胶的对准产生影响。
2. 光学系统问题：光刻机的光学系统是曝光对准误差的另一个重要来源。
光源的稳定性、光学透镜系统的调节与精准度等都会对曝光对准误差造成一定程度的影响。
3. 温度变化：温度的变化会引起光刻胶和基板的热胀冷缩，从而导致曝光对准误差的变化。
温度变化引起的胶膜收缩问题是主要的误差来源之一。
4. 使用过程中的机械振动：在光刻机使用过程中，机械振动也会对曝光对准误差造成一定程度的干扰。
这可能是由于设备本身的振动、外部环境的振动等因素引起的。
二、改善方法和策略为了解决光刻机的曝光对准误差问题，下面提出一些可能有效的改善方法和策略：1. 优化机械结构：改善光刻机的机械结构，提升步进机构的精度和刚性，优化传动装置的性能。
通过提高机械结构的稳定性和精度，可以降低曝光对准误差。
2. 调整光学系统：光刻机的光学系统对曝光对准误差有着直接的影响。
因此，需要定期检查和维护光学系统，确保光源的稳定性，保持透镜系统的良好调节和精准度。
3. 控制温度变化：由于温度的变化会影响光刻胶和基板的热胀冷缩，因此需要通过恒温控制或者制定合理的温度控制方案来减小温度变化对曝光对准误差的影响。
4. 减小机械振动：通过改善光刻机的支撑结构、减少外部环境的振动等方式，可以有效降低使用过程中产生的机械振动，从而减小曝光对准误差。
总结：光刻机的曝光对准误差是影响集成电路制造质量的关键问题之一。
光刻操作步骤
光刻操作步骤1.提前准备a)检查氮气是否充足：如果氮气量较少，请及时通知徐化勇老师购买氮气。
尤其是使用氮气量小的普通钢瓶时。
b)检查超净间的环境是否适合实验：检查超净间湿度和正负压情况。
如果超净间湿度不在所用光刻胶的容许的湿度范围内，则停止实验，并通知徐化勇老师；如果超净间负压，通知本周值日人员换纱网。
c)如果是使用大的Hot plate，请提前大约2 h设到所需温度。
d)提前检查DI Water是否够实验使用，如果不够，提前用纯水机制备。
2.开启通风橱外围设备：打开维修走廊里的spin coater的CDA阀门、氮气枪的阀门，并观察（禁止私自调动）气压是否处于正常数值范围（外围设备的正常数值由气压表上的标记给出）。
3.填写光刻机的使用记录表格上的使用人、开机时间等信息。
4.开启光刻机的外围设备a)打开光刻机后边墙上的CDA和氮气的阀门，并观察（禁止私自调动）气压是否处于正常数值范围（外围设备的正常数值由气压表上的标记给出）。
b)打开光刻机插排上的开关，真空泵会自己启动。
5.开启光刻机a)旋转光刻机前面左侧的红色旋钮，等待光刻机屏幕提示按on/off button时，摁一下on/off button（注意不要长摁）。
b)显示屏点击进入main menu，在main menu界面上，长时间按住mask vacuum is on直到变为mask vacuum is off。
c)片刻后请确保机身上面右侧的CDA、N2、VAC三个参数值为绿色，否则联系该设备负责人。
d)按一下光学平台下方的光源控制器的power on按钮，则光源控制器面板上的“350mW Hg”和“channel 1”两个绿色指示灯亮。
(注：channel 1是365 nm光源，channel2 是405 nm光源. 如需要切换光源，，点击change display可在两个channel之间切换。
)e)按光源控制器上的CP按钮（constant power模式—混合光），片刻后光源控制器上显示“=>> Start”.f)按光源控制器上的start 按钮，光源控制器会依次显示“Ignition”、“lamp cold”，同时“lamp life/power”红灯闪烁，数分钟后闪烁停止，显示数值“0.0 270”，Hg灯开启完毕。
第14章版图设计基础(半导体集成电路共14章)讲解
AHDL
SPECTURE
逻辑图
寄存器传输级 描述 寄存器传输级 模拟与验证
综合 逻辑模拟 与验证
DC modelsim
SPICE/ SPECTURE
电路图
电路模拟 与验证
版图生成
CADENCE的Virtuso
APOLLO(自动)
版图几何设计规则和 电学规则检查
同右
网表一致性检 查和后仿真
4.PAD单元
PAD单元部分包括： （1）绑定金属线所需的 可靠连接区域 （2）ESD保护结构 （4）与内部电路相连的 接口 （3）输入、输出缓冲器
（1）绑定金属线所需的可靠连接区域
（2）ESD保护结构 ESD:ElectroStatic Discharge
输入I/O栅保护电路
其余ESD保护电路见P397
Dog Bone
接触孔 ：
CON.1 最大/最小接触孔尺寸 CON.2 接触孔最小间距 CON.3 CON.5 扩散区的接触孔与边沿的距 离 多晶硅栅上的接触孔到多晶 硅栅边界的距离 0.40x0.40
CON.5 CON.2 CON.3 CON.1 CON.6 CON.5 Legend Comp Poly 2 Contact
PAD 3.13 PAD.3.14
M3
Via2
M2
via1
M1
键合点（PAD）
PAD.1 PAD.2 PAD.3.1
宽度 间距 顶层金属四周覆盖键合点距离
70 30 2.5
说明：实际版图中的pad都是有保护电路的，且厂商会 提供经过若干次实验的电路。
二、版图设计步骤(人工)
版图检查与验证
总体版图
半导体 集成电路
第14章集成电路版图设计PPT课件
• 完成一个反相器的版图设计
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版图设计中的相关主题
1. Antenna Effect 2. Dummy 的设计 3. Guard Ring 保护环的设计 4. Match的设计
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层次表示 含义
Nwell
N阱层
Active
N+或P+有源 区层
Poly 多晶硅层
Contact 接触孔层
Metal Pad
金属层
焊盘钝化 层
标示图
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Hale Waihona Puke N阱设计规则编 描 述尺
目的与作用
号
寸
1.1 N阱最小宽 (1μ0m.) 保证光刻精度和器
• 设计规则是各集成电路制造厂家根据本身的工艺特点和技术水平而制定的。 因此不同的工艺，就有不同的设计规则。
• 掩膜上的图形决定着芯片上器件或连接物理层的尺寸。因此版图上的几何图
形尺寸与芯片上物理层的尺寸直接相关。
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版图几何设计规则
• 版图设计规则：是指为了保证电路的功能和一定的成品率而提出的一 组最小尺寸，如最小线宽、最小可开孔、线条之间的最小间距。
• 1.设计规则检查(DRC) • 2.版图寄生参数提取(LPE) • 3.寄生电阻提取(PRE) • 4.电气规则检查(ERC) • 5.版图与线路图比较程序(LVS)
光刻对准和曝光
第14章光刻：对准和曝光
数值孔径
• 一个透镜能够俘获一些衍射光。透镜收集 衍射光的能力被称做透镜的数值孔径 (numerical aperture,NA)。
• 对于一个给定的透镜，NA测量透镜能够接 收多少衍射光，并且把衍射光会聚到一点 成像。
• NA越大就能把更多的衍射光会聚到一点。
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集成电路工艺
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第14章光刻：对准和曝光
光刻机
• 分布重复光刻机(stepand-repeat aligner)
• 光刻机(aligner) • 步进光刻机(stepper)
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第14章光刻：对准和曝光
步进光刻机的目标
使硅片表面和石英掩膜版对准并聚集 通过对光刻胶曝光，把高分辨率的投影掩 膜版上图形复制到硅片上 在单位时间内生产出足够多的符合质量规 格的硅片
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第14章光刻：对准和曝光
曝光光源
• 汞灯
• 准分子激光
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第14章光刻：对准和曝光
汞灯
• 高压汞灯作为紫外光源被使用在所有常规 的I线步进光刻机上。
• 电流通过装有氙汞气体的管子产生电弧放 电。这个电弧发射出一个特征光谱，包括 240nm到500nm之间有用的紫外辐射。
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第14章光刻：对准和曝光
光强和曝光剂量
• 光强——单位面积的功率(mW/cm2)，光强 在光刻胶的表面进行测量。
• 曝光剂量——光强乘以曝光时间，表示光 刻胶表面获得的曝光能量。
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第14章光刻：对准和曝光
第14章 MOS开关电容电路
概述 14.1 开关电容等效电阻电路 14.2 开关电容积分器 14.3 开关电容低通滤波器
作业
概述
MOS开关电容电路(SC电路)是由MOS模拟开关和MOS电 容组成，电路在时钟信号的控制下，完成电荷的存储和 转换。它和运放、比较器等基本电路组合起来，可以构 成多种功能的电路。如SC等效电阻电路、SC积分电路、 SC滤波电路等。 为了突出对开关电容基本工作原理的论述，假定各元 件具有理想特性，即模拟开关的导通电阻为零，关断电 阻为无限大，不存在寄生电容；并假定模拟开关栅电压 的设计满足使开关正常工作的条件。此外还假定MOS电 容没有损耗；不考虑时钟信号的上升、下降沿；运算放 大器的增益和输入电阻足够高，并且频带足够宽。 用MOSFET构成的模拟开关可 用简单的单掷开关符号表示。
(1)采样频率fc应比信号最高频率fs高得多，即要求fc>>fs， 才能使被采样的信号不失真地被还原。
(2)1端和2端的电压V1和V2不能受开关闭合的影响，这样可 避免开关闭合时，引起电路瞬变和瞬时信号电平的变化。
二、串联型开关电容等效电阻电路 当φ为高电平时，M1导通M2截止， 电容C1上存储电荷量Q为：Q＝C1(V1V2)。 当φ为低电平时，M2导通M1截止，电容C1通过M2放电， 电容C1上电荷量变为零。
作业
14.1、14.2、14.3、14.4
CP的存在改变了积分器的特性，而且CP是随加在其两 端电压的不同而变化的非线性电容，这就失去了开关电 容积分器易于得到准确和稳定的时间常数的优点。然而 这些电容是在制造开关电容积分器时不可避免的，因此 需要设法在电路结构上解决。
当φ为高电平时，开关S1、S2接通，S3、S4断开，此 时输出电压Vo为 CP2和C1被充电到等于Vi的电压，而CP3因为和运算 放大器的输入端相连，所以两端的电压为零。 在φ为低电平时，S1和S2断开，S3和S4接通，此时 CP2、CP3和C1被短路。 可见，在一个时钟周期内，CP2和CP3都不会影响电 路中电荷的正常转移，从而消除了寄生电容对积分器 性能的影响。
第14章 刻蚀
刻蚀类型 湿法刻蚀
干法刻蚀
侧壁剖面
各向同性
各向同性性 (depending on equipment &
parameters) 各向异性 (depending on equipment & parameters) 各向异性
锥形
硅槽
示意图
各种刻蚀剖面
三．刻蚀偏差
刻蚀偏差是指刻蚀以后线宽或关键尺 寸间距的变化。它通常是由于横向钻蚀 （undercut）引起的，但也能由刻蚀剖面 引起。
在表面
应
各向异性 刻蚀
衬底
各向同性刻蚀
阴极
化学和物理的干法刻蚀机理
物理刻蚀
溅射的表面材料
反应正离子轰 击表面
化学刻蚀
原子团与表面膜的表面 反应
副产物的解吸 附
各向异性刻蚀
各向同性刻蚀
12.2.1 刻蚀作用
作用方式：
化学：高活性基团与硅片发生化学反应，类似湿法刻蚀。 物理：带能离子通过电场加速，轰击硅片，类似溅射。 化学+物理：二者结合。
表面反应
反应
在干法刻蚀中， 刻蚀包括离子 溅射和活性元素 与硅片表面的反 应
各向异性
差/难以提高 （1:1） 高 一般/好
各向同性
一般/好（5:1 至100:1） 中等 差
各向同性
各向同性至 各向异性
好/很好
一般/高（5:1
（高于500:1） 至100:1）
低 非常差 -
中等 好/非常好
【例2】电子在反应离子刻蚀（RIE）和高密度等
式中，R0是空腔刻蚀的速率，A是刻蚀薄膜暴露 的面积，k是跟工艺有关的常数。
六．残留物
刻蚀残留物常覆盖在腔体内壁或被刻蚀图形 的底部。
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第14章光刻：对准和曝光
曝光光源
• 汞灯
• 准分子激光
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第14章光刻：对准和曝光
汞灯
• 高压汞灯作为紫外光源被使用在所有常规 的I线步进光刻机上。
• 电流通过装有氙汞气体的管子产生电弧放 电。这个电弧发射出一个特征光谱，包括 240nm到500nm之间有用的紫外辐射。
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第14章光刻：对准和曝光
投影掩膜版(reticle)
• 投影掩膜版(reticle)只包括硅片上一部分图 形（如4个芯片），这个图形必须通过分步 重复来覆盖整个衬底。投影掩膜版用于分 步重复光刻机和步进扫描光刻机。
• 掩膜版(mask)包含了整个硅片上的芯片阵 列并且通过单一曝光转印图形（1：1图像 转印）。掩膜版用于较老的接近式光刻和 扫描对准投影机光刻中。
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第14章光刻：对准和曝光
汞灯强度峰
UV光波长(nm)
436 405 365 248
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描述符
G线 H线 I线 深紫外(DUV)
集成电路工艺
CD分辨率(μm )
0.5 0.4 0.35 0.25
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第14章光刻：对准和曝光
光的波长与工艺
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第14章光刻：对准和曝光
光刻机
• 分布重复光刻机(stepand-repeat aligner)
• 光刻机(aligner)
• 步进光刻机(stepper)
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第14章光刻：对准和曝光
步进光刻机的目标
使硅片表面和石英掩膜版对准并聚集
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第14章光刻：对准和曝光
分辨率
• 分辨率——清晰分辨出硅片上间隔很近的 特征图形对的能力。
• R=kλ/NA • K表示特殊应用的工艺因子，范围0.6-0.8 • 影响分辨率的参数有哪些？ • 如何提高分辨率？
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第14章光刻：对准和曝光
第14章光刻：对准和曝光
数值孔径
• 一个透镜能够俘获一些衍射光。透镜收集 衍射光的能力被称做透镜的数值孔径 (numerical aperture,NA)。
• 对于一个给定的透镜，NA测量透镜能够接 收多少衍射光，并且把衍射光会聚到一点 成像。 • NA越大就能把更多的衍射光会聚到一点。
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第14章光刻：对准和曝光
1.提纲
• 1.概述
• 2.光学光刻 • 3.光刻设备 • 4.混合和匹配 • 5.对准和曝光质量测量
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第14章光刻：对准和曝光
1.概述
• 一个紫外光源
• 一个光学系统 • 一块由芯片图形组成的投影掩膜版 • 一个对准系统 • 一个覆盖光敏光刻胶的硅片
通过对光刻胶曝光，把高分辨率的投影掩 膜版上图形复制到硅片上 在单位时间内生产出足够多的符合质量规 格的硅片
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第14章光刻：对准和曝光
2.光学光刻
• 光学光刻一直是不断缩小芯片特征尺寸的 主要限制因素。
• 光刻的长命归功于设备和工艺的改进。
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集成电路工艺
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第14章光刻：对准和曝光
光强和曝光剂量
• 光强——单位面积的功率(mW/cm2)，光强 在光刻胶的表面进行测量。
• 曝光剂量——光强乘以曝光时间，表示光 刻胶表面获得的曝光能量。
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第14章光刻：对准和曝光
光刻胶的吸收问题
• 光刻胶树脂对入射辐射过多的吸收是不希 望的。
第14章光刻：对准和曝光
数值孔径
设备类型
反射式扫描投影光刻机 分布重复光刻机 步进扫描式光刻机
2018/10/24 集成电路工艺
数值孔径(NA)数值
0.25 0.60～0.68 0.60～0.68
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第14章光刻：对准和曝光
浸没式光刻技术
• 在32纳米技术节点乃至进一步向下延伸时将要求 193纳米浸没式光刻技术在一些领域，如高折射 率液体，高折射率光学镜头材料以及高折射率光 刻胶等方面取得突破性的进展
第14章光刻：对准和曝光
NA/R/DOF
λ
365nm 365nm 193nm 193nm
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NA
0.45 0.60 0.45 0.60
R
486nm 365nm 257nm 193nm
集成电路工艺
DOF
901nm 507nm 476nm 268nm
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第14章光刻：对准和曝光
3.光刻设备
• 193 纳米干法光刻系统 Twinscan XT:1450 是ASML最 新推出的193nm干法光刻系统。 数值孔径为0.93；新Aerial-PT 投影光源支持高效偏振化，透 镜象差控制和套刻精度水平的 提高，使干法ArF 光刻的分辨 率延伸至57nm。Twinscan XT:1450 产能达到了每小时143 片晶圆Twinscan XT:1450还能 采用两次图形曝光技术，助力 用户开发32nm 节点工艺。
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第14章光刻：对准和曝光
抗反射涂层
• 曝光光线通过投影掩膜版后在光刻胶上形 成图案。如果光刻胶的底层膜是反光的 （如金属和多晶硅层），那么光线将从这 个膜层反射并有可能损害临近的光刻胶。
• 这个损害对控制线宽产生不利影响。 • 把一种抗反射层(ARC-antireflective coating) 直接用于反射材料的表面来减小影响。
• 如果光刻胶吸收过多，光刻胶底部接受的 光强就会比顶部的少很多，这个差异导致 图形测墙倾斜。 • 要获得垂直测墙图形，光刻胶必须只吸收 入射辐射的一小部分，一般<20%
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第14章光刻：对准和曝光
准分子激光
• 主要优点：可在248n深紫外及以下波长提 供较大光强。
2018/10/24 集成电路工艺 32
第14章光刻：对准和曝光
扫描投影光刻机
• 扫描投影光刻机试图解决沾污问题、边缘 衍射、分辨率限制等问题。
• 适用于线宽1μm 的非关键层。 • 它利用基于反射镜系统把1：1图像的整个 掩膜图形投影到硅片表面。掩膜版图形和 硅片上的图形尺寸相同。
2018/10/24
第14章光刻：对准和曝光
步进扫描光刻机
• 步进扫描光学光刻系统是一种混合设备， 融合了扫描投影光刻机和分步重复光刻机 技术。 • 使用步进扫描光刻机曝光硅片的优点是增 大了曝光场，可以获得较大的芯片尺寸。 • 步进扫描光刻机的另一个重要优点是具有 在整个扫描过程调节聚集的能力，使透镜 缺陷和硅片平整度变化能够得到补偿。
第14章光刻：对准和曝光
光的衍射
• 光在传播路径中，遇到一 个小孔或缝隙时，产生偏 离直线传播的现象称为光 的衍射。
• 光的衍射和光刻密切相关。 因为掩膜版上有细小图形 并且间距很窄，衍射图样 夺走了曝光能量，并使光 发射，导致光刻胶上不要 曝光的区域被曝光。
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第14章光刻，需要一个光源来把版图投 影到光刻胶上并引起光化学反应。
• 光的实质是能被人眼看到的电磁波。 • 光可用波长和频率来描述。 • v=λf
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集成电路工艺
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第14章光刻：对准和曝光
光波的干涉
• 波本质上是正弦曲线。
• 任何形式的正弦波只 要有相同的频率就能 相互干涉。 • 相长干涉：两列波相 位相同彼此相加 • 相消干涉：两列波相 位不同彼此相减
• 接触式光刻机(Contact aligner)
• 接近式光刻机(Proximity aligner) • 扫描投影光刻机(Scanning projection aligner——scanner) • 分步重复光刻机(Step-and-repeat aligner— —Stepper) • 步进扫描光刻机(Step-and-scan system)
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第14章光刻：对准和曝光
接触式光刻机
• SSI时代
• 线宽>5μm • 一旦掩膜版和硅片对准，掩膜版就开始和 硅片表面的光刻胶涂层直接接触。 • 因为掩膜版和光刻胶直接接触，颗粒沾污 损坏了光刻胶层、掩膜版或两者都损坏了， 每5次～25次操作就需要更换掩膜版。
焦深
• 焦点周围的一个范围，在这个范围内图像连续地 保持清晰，这个范围被称为焦深(DOF-Depth of Focus) • 焦点是沿透镜中心出现最佳图像的点，焦深是焦 点上面和下面的范围。
• 焦点可能不是正好在光刻胶层中心，但是焦深应 该穿越光刻胶层上下表面。 • DOF＝λ/2(NA)2
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2018/10/24 集成电路工艺 31
第14章光刻：对准和曝光
接近式光刻机
• 接近式光刻机从接触式光刻机发展而来。
• 适用线宽2－4μm 。 • 掩膜版不与光刻胶直接接触，它与光刻胶表面接 近，在掩膜版和硅片表面光刻胶之间大致有2.525μm 的间距。
• 接近式光刻试图缓解接触式光刻机的沾污问题， 但当紫外光线通过掩膜版透明区域和空气时就会 发散，减小了系统的分辨率。