6第六章+图形转移

电子的波长小于0.1nm，所以衍射效应及其加在光学光刻系统上的 限制对于电子束系统来说都不是问题。 电子束光刻系统主要分为直写式电子束光刻和投影式电子束光刻。
直写式电子束光刻
直写式电子束光刻（EBL ）系统多用 来制造掩模版。也可用来在晶圆片上 直写产生图形。 大部分直写系统使用小电子束斑， 相对晶圆片进行移动，一次仅对图形 曝光一个像素。 直写EBL 系统可分为光栅和矢量扫描 两类。
典型光学光刻工艺
涂胶前烘对准与曝光曝光后烘烤显影坚膜显影检查
前烘，softbake
目的：蒸发光刻胶中的溶剂
溶剂能使涂覆的光刻胶更薄， 但吸收热量且影响光刻胶的 黏附性 过多的烘烤使光刻胶聚合， 感光灵敏度变差 烘烤不够影响黏附性和曝光
对准
对准方法： 预对准，通过硅片上的 notch或者flat进行激光自动对 准 通过对准标志，位于切割槽 上。另外层间对准，即套刻精 度，保证图形与硅片上已经存 在的图形之间的对准。
曝光
曝光中最重要的两个参数： 曝光能量（Energy） 焦距（Focus）
如果能量和焦距调整不好， 就不能得到要求的分辨率 和大小的图形。表现为图 形的关键尺寸超出要求的 范围
曝光后烘烤（post-exposure bake） 作用： 减少驻波效应 激发化学增强光刻胶的 PAG产生的酸与光刻胶上 的保护基团发生反应并移 除基团使之能溶解于显影
典型的汞灯线光谱
最常用的两种波长：436nm（g线）365nm（i线） 生产中，0.35um这一代技术的主宰是i线步进光刻机，0.35um以后的各代要 求有更短的波长和新光源一般是一种惰性气体和一种卤化合物）， 正常情况下它们处于非激发态时不会发生反应，不过当这些元素（比如 Kr和NF3）受激时，发生化学反应生成（比如说）KrF。当激发态分子返 回基态时发出深紫外的光子，同时分子分解。
实际上，光源灯的辐照量中 只有很小一部分能够到达晶 圆片上，因此光源光学系统 的设计有4个主要目标： ①收集尽可能多的光辐照； ②使整个曝光场辐照强度均 匀； 使用小角度发散光； ④光源必须选择曝光波长
③对辐照射线进行整形处理，
6.1.3 曝光系统
光学曝光中，通常先把图形做在掩模版上，再将掩模版上的图形转移到硅片 上。掩膜版一般衬底材料为熔融石英，淀积在衬底材料上的一般为铬，也有 氧化铁的掩膜版。 掩模版的制造通常经过CAD系统辅助的版图设计，仿真模拟和设计规则检查 等步骤后，由制版机将设计信息写到光刻版上。
6.1.4 光刻胶
光刻胶通常有三种成分，树脂或基体材料、感光化合物（PAC， Photoactive Compound）、以及可以控制光刻胶机械性能（如基体 粘滞性）并使其保持液体状态的溶剂。 正胶: PAC主要由长链聚合物构成，曝光导致长链断链，更容易在 显影剂中溶解。 负胶：PAC的曝光使得聚合物间产生交联，因此曝光过的光刻胶在 显影剂中溶解的很慢，而未曝光的光刻胶溶解得很快。 负胶 正胶
g线 (436nm) i线 (365nm)
248nm 193nm 157nm
按照工作 波长分类
DUV光刻 EUV (13.5nm) X射线 (5Å) 电子束光 刻(0.62Å) 离子束光 刻(0.12Å)
多数光刻系统采用弧光灯作为主要光源。 高压弧光灯： 通过在两个电极间加一个高压电脉冲， 使管内气体电离，产生等离子体。 工作时，有两个发光源。一个是电弧中 的高温电子作为高热灰体辐射源。典型 温度是40000K量级，对应于波长是75nm 的峰值发射，非常深的紫外光，大多在 离开灯外壳前被吸收。 另一个发光源是汞原子本身与高能电子 碰撞，激发汞原子中的电子进入高能态， 然后跃迁回低能态时发射出波长相应于 其能量跃迁的光线。 典型的高压短电弧汞灯
ARC工艺
检查绝大多数光刻胶线条的显微照片会显示出光刻胶边缘存在螺 纹形状。这些螺纹形状是由实像的表面驻波造成的。驻波是由入 射光与反射光间的相长与相消造成的，如右图所示。 应用抗反射涂层(ARC)可以完全消除驻波图形。
6.2 非光学光刻
主要内容 6.2.1 电子束光刻 6.2.2 X射线光刻
6.2.1 电子束光刻
针对表面反射效应的解决办法： 改变沉积速率以控制薄膜的反射率 避免薄膜表面高度差，表面平坦化 处理(CMP) 光刻胶下涂覆抗反射的聚合物(Antireflect coating, ARC)
下图左侧为传统工艺，右侧为涂有抗反射聚合物工艺。 可以看到侧壁的反射完全被消除，尺寸控制的非常好。
传统工艺

W2
图形达到夫琅禾费衍射。 由图可知，间隙越大，图形退化越严重，当特征 尺寸小于 就不能再分辨了。 对于20um的间隙，曝光波长为436nm（g线）， 接近式光刻能够分辨的最小特征尺寸是3.0um左 右
投影式：
现今硅片光学曝光最主要的方法是投影式曝光。一般光学系统将光刻版上的 图像缩小4x或5x倍，聚焦并与硅片上已有的图形对准后曝光，每次曝光一小 部分，曝完一个图形后，硅片移动到下一个曝光位置继续对准曝光。 主要优点：有接触式的分辨率，但不产生缺陷 常用投影光刻机系统的类型有扫描光刻机、分步重复光刻机和扫描分步重复 光刻机等。
n NA2

意味着增加分辨率会减小聚焦深度，因此分辨率和聚焦深度之间必须做某 些折中。
套刻对准
实际光刻过程中需要多套光刻版，不同层之间会存在有一定的位移误差。 对准系统将版图套准到硅片上图形的能力称为套准精度，形成的图形层和 前一层图形的最大相对位移称为套准容差。
对准标记
置于掩膜版和硅片上用于确定位置和方向的定位图形。
目前22nm节点光刻解决方案：193nm浸入式+二次曝光
2.掩模版工程
为了改善缺陷密度和分辨率，有两种针对光刻版制造的方案：光学临 近效应纠正（OPC，Optical Proximity Correction）和相移掩模（PSM， Phase Shift Mask）。 光学临近效应纠正（OPC，Optical Proximity Correction） 投影系统的孔径和镜头的大小和形状 均会造成一部分来自掩模版的特征信 息损失，导致方角变圆角，线宽不等， 窄线条终端缩短等。原则上，这些效 应可以通过调整光刻版上特征的尺寸 和形状进行一定程度的补偿。
相移掩模（PSM，Phase Shift Mask） 一块包含有衍射栅格的掩模被相移材料以两倍的栅周期覆盖，并保持每 隔一个孔就以这种方式覆盖这种相移材料，材料的厚度和折射率要保证 经过它的光相对于未通过它的光恰好有180°的相移。
相长干涉 相消干涉
3. 表面反射和驻波的抑制
穿过光刻胶的光会从晶圆片表面反射出来，从而改变投入光刻胶的光 学能量。当晶圆片表面有高度差时，表面反射会导致线条的缺失，无 法控制图形。
光学原理图
数值孔径： 数值孔径是描述聚光镜和物镜的性能参数。
NA n sin( )
α是物镜接收角的一半，n是物镜与晶圆片之 间媒介的折射率。
物镜
瑞利（Rayleigh）判据： 大多数IC制造的光刻机的分辨率是受收集和再次形成光的图形的光学链能 力的限制，用瑞利判据表示： Wmin k1 NA k1是一个常数，取决于光刻胶的灵敏度，一般为0.75的量级。 典型情况下，k1取值范围为0.4~0.8，理论极限为0.25，意味着，NA为0.6 ，波长为365nm光源的光刻机可以形成0.2μm的图形。 聚焦深度： 在保持图形聚焦的前提下，沿着光路方向晶圆片移动的距离是聚焦深度。
6.1.6 光刻技术的发展
1.浸没式光刻机（immersion lithography）
根据瑞利判据 ，要提高分辨率，可以通过增大数值孔径NA 来实现。 ，传统曝光设备在镜头与硅片之间的介质是空气， 空气的折射率是1，如果采用一种高折射率的介质代替空气，那么NA 就能够提高，浸液式光刻机因运而生。 一种实现方式是在硅片一 侧设置一个喷嘴，将液体 注入到镜头下面，在另一 侧设置一个吸嘴将液体吸 回，形成液体流动。
投影机-掩膜版对准标记（Retical Alignment, RA） 在投影掩膜版的左右两侧，与安装在步进光刻机机身上的对准 标记对准。 整场对准标记（Global Alignment, GA） 在第一次曝光时被光刻在硅片左右两边，被用于每个硅片的粗 对准。 精对准标记（Fine Alignment, FA） 每个场曝光时被光刻，用于每个硅片曝光场和投影掩膜版的对 准调节
显影 显影液溶剂溶解掉光刻 胶中软化部分 从掩膜版转移图形到光 刻胶上 三个基本步骤: 显影、漂洗、干燥
坚膜,hard bake 作用 完全蒸发掉光刻胶里面 的溶剂 提高光刻胶在离子注入 或刻蚀中保护下表面的能 力 进一步增强光刻胶与硅 片表面之间的黏附性 减少驻波效应
图形检测 检测要点 对准问题： 重叠和错位，掩膜旋转， 圆片旋转，X方向错位，Y 方向错位 临界尺寸 表面不规则： 划痕、针孔、瑕疵和污 染物
接近式：
接近式光刻机是掩模版同光刻胶间隔10~50μm，所以缺陷大大减少。
k g
主要优点：避免晶圆片与掩模直接接触，缺陷少 主要缺点：分辨率下降，存在衍射效应。 衍射效应：
右图为接近式光刻系统中，表面光强度与晶圆片 位置的函数关系，间隙g从g=0线性增加到g=15μm。 当 g 系统处于菲涅耳衍射的进场范围，接 2 近边缘有小幅震荡。当间隙增加，达到 g W
电子束从电子枪发出，经过 束流限制光阑，透镜组，偏 转器等结构，被整形成窄束 流，最终落在晶圆片上。
直写EBL系统主要缺点在于 产率低。直写EBL系统产率 在每小时一片硅片的量级， 而光学步进机可达每小时大 于50片。
D0
曝光效果所允 许的最大剂量
完全除去正胶 膜所需要的最 小剂量
以正胶为例
D100
实际曝光中，部分区域（曝光区域边缘）的光刻胶受到的 曝光剂量在D0和D100之间，在显影过程中只有部分溶解， 因此显影后留下的胶层侧面有一定的斜坡。