第二讲光刻掩模第三讲离子束技术
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离子束光刻简介
离子束光刻
• 离子束投影曝光系统的结构和工作原理与光学投 影曝光的结构与原理类似， 所不同的是曝光粒子 曝光粒子 是离子、 光学系统采用离子光学系统， 而掩模版 掩模版 则由可通过和吸收离子的材料制备. 离子束曝光掩 模版通常采用 Si 材料制成透射/散射式的二相掩 模版技术， 即使照射在黑色图形部分的离子被散 射， 不能照射到光刻胶， 而照射在白色图形部分 的离子透射穿过掩模版后照射到光刻胶上使之曝ห้องสมุดไป่ตู้光.离子束投影光学系统一般也采用 4 :1缩小的投 影方式， 透镜 透镜实际上是一个可对离子进行聚焦作 用的多电极静电系统.
光刻技术的重要性
集成电路不同的技术时代是以其所加工的器件特征尺寸 为标志的.特征尺寸 特征尺寸是指集成电路技术所能够加工的器件 特征尺寸 的最小尺寸.由于器件特征尺寸的不断缩小、 硅片尺寸 的持续增加和电路设计技术的不断优化， 才使得集成电 路芯片的集成度和性能得到不断提高， 同性能集成电路 产品的价格持续下降， 才保证了半导体工业和集成电路 技术发展按指数增长率飞速发展.不断追求集成电路产的 性能/价格比和市场竞争力的提高， 是微电子技术和产 业不断发展的原动力.器件特征尺寸的缩小主要依赖于光 刻技术的改进和发展
光刻技术原理
离子束光刻优点
• 高的分辨率和焦深性能 高的分辨率和焦深性能（离子的质量远远大于电 子，在相同的加速电压下，离子具有更短的波长， 因此离子束曝光比电子束曝光有更高的分辨率， R=κλ/NA，DOF=κλ/（NA）2 ） • 没有邻近效应 （最轻的离子质量都比电子重2000 倍左右，离子束在感光胶中散射范围极小，离子 束曝光基本不存在邻近效应 ） • 曝光速率 （离子射入感光胶材料内的射程要比电 子的短，入射离子的能量能被感光材料更为充分 的吸收，所以对于相同的感光胶，离子束曝光的 灵敏度要高于电子束曝光，即曝光速率要高于电 子束曝光 ）
离子束的案例介绍,
离子束的案例介绍,
离子束技术是一种应用广泛的表面处理技术，它可以用于改变材料表面的化学和物理性质。
离子束的案例介绍包括以下几个方面：
1. 离子束在半导体制造中的应用：离子束可以用于制造半导体器件中的掺杂、刻蚀和清洗等工艺步骤。
2. 离子束在纳米制造中的应用：离子束可以用于制造纳米结构材料，如纳米管、纳米线和纳米颗粒等。
3. 离子束在生物医学领域中的应用：离子束可以用于生物医学中的癌症治疗、细胞成像和分析等。
4. 离子束在材料表面改性中的应用：离子束可以用于改变材料表面的化学和物理性质，如改善材料的耐磨性、耐腐蚀性和光学性能等。
5. 离子束在能源领域中的应用：离子束可以用于制备能源材料，如太阳能电池和燃料电池等。
离子束技术在各个领域都有广泛的应用，未来还将有更多的应用领域被开发出来。
- 1 -。
半导体工艺讲掩模和光刻
半导体工艺讲掩模和光刻半导体工艺讲解(1)--掩模和光刻（上）概述光刻工艺是半导体制造中最为重要的工艺步骤之一。
主要作用是将掩膜板上的图形复制到硅片上，为下一步进行刻蚀或者离子注入工序做好准备。
光刻的成本约为整个硅片制造工艺的1/3，耗费时间约占整个硅片工艺的40～60%。
光刻机是生产线上最贵的机台，5～15百万美元/台。
主要是贵在成像系统（由15～20个直径为200～300mm的透镜组成）和定位系统（定位精度小于10nm）。
其折旧速度非常快，大约3～9万人民币/天，所以也称之为印钞机。
光刻部分的主要机台包括两部分：轨道机（Tracker），用于涂胶显影；扫描曝光机（Scanning )光刻工艺的要求：光刻工具具有高的分辨率；光刻胶具有高的光学敏感性；准确地对准；大尺寸硅片的制造；低的缺陷密度。
光刻工艺过程一般的光刻工艺要经历硅片表面清洗烘干、涂底、旋涂光刻胶、软烘、对准曝光、后烘、显影、硬烘、刻蚀、检测等工序。
1、硅片清洗烘干（Cleaning and Pre-Baking）方法：湿法清洗＋去离子水冲洗＋脱水烘焙（热板150～2500C,1～2分钟，氮气保护）目的：a、除去表面的污染物（颗粒、有机物、工艺残余、可动离子）；b、除去水蒸气，是基底表面由亲水性变为憎水性，增强表面的黏附性（对光刻胶或者是HMDS-〉六甲基二硅胺烷）。
2、涂底（Priming)方法：a、气相成底膜的热板涂底。
HMDS蒸气淀积，200～2500C,30秒钟；优点：涂底均匀、避免颗粒污染；b、旋转涂底。
缺点：颗粒污染、涂底不均匀、HMDS用量大。
目的：使表面具有疏水性，增强基底表面与光刻胶的黏附性。
3、旋转涂胶（Spin-on PR Coating）方法：a、静态涂胶（Static）。
硅片静止时，滴胶、加速旋转、甩胶、挥发溶剂（原光刻胶的溶剂约占65～85%,旋涂后约占10～20%）；b、动态（Dynamic）。
低速旋转（500rpm_rotation per minute）、滴胶、加速旋转（3000rpm）、甩胶、挥发溶剂。
第12章 光刻：掩膜,光刻胶和光刻机
掩膜版缺陷的来源可能是掉铬，表面擦伤，静电放电或 灰尘颗粒。
一些典型的掩模板缺陷
工艺线直击——掩膜版制备
先进掩膜概念
相移掩膜技术，PSM（Phase Shift Mask）：一块具有 衍射栅的掩膜被相移材料以两倍的栅周期覆盖，每隔一 个孔就以这种方式覆盖一次。
材料的厚度和折射率要保证经过它的光相位对于未通过 它的光有180度的精确相移。
问题与光刻胶中的图形质量有关，则将光刻胶剥离，返工。
（M 2’＝）S胶-层1M坚内无膜点缺烘陷焙（如针孔等）； • 挥发掉残留的光刻胶溶剂，提高光刻胶对硅片表面的粘附性
简单光学曝光系统示意图
Alkali Soluble
DUV PR Reaction mechanism
（3）涂胶显、影曝光后、显检影查条件不稳定发生•变检化，查造光成图刻形畸胶变图。 形以确定光刻胶图形的质量
图形材料：用于掩膜版上不透明的图形材料通常是薄层 的铬（Chrome，Cr）。厚度通常小于1000A，通过溅射淀 积。有时候会在铬上形成一层氧化铬（200A）的抗反射涂 层。
光学工程师将用户数据转换为写入系统所能接受的格
式。包括数据分割，尺寸标记，图形旋转，增加套刻标 记，内部参照标记，以及一个jobdeck（掩膜上不同图形 的位置的说明）。
浸没式
批量或单片浸入显影液槽中。 是最初的显影方式。
CASSETTE HANDLER
Bath
Develop in-let
Developer WAFER
WAFER
Developer
DRAIN CHUCK
WAFER CASSETTE shake up and down to improve develop uniformity and its speed. Usually develop material company use this one. It’s easy to control Develop temperature.
一些典型的掩模板缺陷
工艺线直击——掩膜版制备
先进掩膜概念
相移掩膜技术，PSM（Phase Shift Mask）：一块具有 衍射栅的掩膜被相移材料以两倍的栅周期覆盖，每隔一 个孔就以这种方式覆盖一次。
材料的厚度和折射率要保证经过它的光相位对于未通过 它的光有180度的精确相移。
问题与光刻胶中的图形质量有关，则将光刻胶剥离，返工。
（M 2’＝）S胶-层1M坚内无膜点缺烘陷焙（如针孔等）； • 挥发掉残留的光刻胶溶剂，提高光刻胶对硅片表面的粘附性
简单光学曝光系统示意图
Alkali Soluble
DUV PR Reaction mechanism
（3）涂胶显、影曝光后、显检影查条件不稳定发生•变检化，查造光成图刻形畸胶变图。 形以确定光刻胶图形的质量
图形材料：用于掩膜版上不透明的图形材料通常是薄层 的铬（Chrome，Cr）。厚度通常小于1000A，通过溅射淀 积。有时候会在铬上形成一层氧化铬（200A）的抗反射涂 层。
光学工程师将用户数据转换为写入系统所能接受的格
式。包括数据分割，尺寸标记，图形旋转，增加套刻标 记，内部参照标记，以及一个jobdeck（掩膜上不同图形 的位置的说明）。
浸没式
批量或单片浸入显影液槽中。 是最初的显影方式。
CASSETTE HANDLER
Bath
Develop in-let
Developer WAFER
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Developer
DRAIN CHUCK
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第三讲--离子束技术
表2. 部分常用材料的刻蚀速率
（刻蚀条件：500 eV, 1.0 mA/cm2, 入射角：0°） 被刻材料 AZ1350 PMMA Au Ag SiC C Si Al Al2O3 Ge Ni SiO2 玻璃（Na,Ca） 刻蚀速率（nm/min） 24.5~30 56 150~160 140~170 32 4~5 25~30 42~52 10~13 9 50~55 28~40 20
3
图7. 离子入射材料表面形成原子溅射的级联碰撞模型
4
图8. 是几种材料的刻蚀速率与离子束入射角度的关系的 比较。从图中可以看出，不同材料的刻蚀速率的最大值对应不 同入射角。
图8. 几种材料的刻蚀速率与离子入射角度的关系 （E=500 eV, J=1.0 mA/cm2）
5
在离子束刻蚀过程中，选择合 适的入射角可以提高刻蚀效率，这 只是一个方面。另一个方面是靠合 适的入射角度控制刻蚀图形的轮廓。 下图给出了不同角度的刻蚀结果。
9
刻面效应（Faceting）
离子束刻蚀的级联碰撞模型 决定了溅射产额随着离子束入射 角的变化而变化，从而在刻蚀过 程中由于基片或掩模表面的离子 束入射角不同导致刻蚀速率的不 同，最终反映在图形转移上使图 形轮廓发生变化。刻面效应就是 这一原因引起的。
图2.19 刻面效应的形成过程
10
槽底开沟
当掩模的侧壁不陡直时， 打在倾斜侧壁上面的入射离子 处于大角度的入射状态，表现 出入射离子的高反射率，一部 分会被发射到槽底。这些反射 向槽底某一部位的离子与正常 入射的束离子之和造成入射离 子通量的局部超出，导致该部 位的刻蚀速率高于其他槽底部 位，形成“开沟”。
48
谢谢大家！
49
图2.20 槽底开沟示意图
（刻蚀条件：500 eV, 1.0 mA/cm2, 入射角：0°） 被刻材料 AZ1350 PMMA Au Ag SiC C Si Al Al2O3 Ge Ni SiO2 玻璃（Na,Ca） 刻蚀速率（nm/min） 24.5~30 56 150~160 140~170 32 4~5 25~30 42~52 10~13 9 50~55 28~40 20
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图7. 离子入射材料表面形成原子溅射的级联碰撞模型
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图8. 是几种材料的刻蚀速率与离子束入射角度的关系的 比较。从图中可以看出，不同材料的刻蚀速率的最大值对应不 同入射角。
图8. 几种材料的刻蚀速率与离子入射角度的关系 （E=500 eV, J=1.0 mA/cm2）
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在离子束刻蚀过程中，选择合 适的入射角可以提高刻蚀效率，这 只是一个方面。另一个方面是靠合 适的入射角度控制刻蚀图形的轮廓。 下图给出了不同角度的刻蚀结果。
9
刻面效应（Faceting）
离子束刻蚀的级联碰撞模型 决定了溅射产额随着离子束入射 角的变化而变化，从而在刻蚀过 程中由于基片或掩模表面的离子 束入射角不同导致刻蚀速率的不 同，最终反映在图形转移上使图 形轮廓发生变化。刻面效应就是 这一原因引起的。
图2.19 刻面效应的形成过程
10
槽底开沟
当掩模的侧壁不陡直时， 打在倾斜侧壁上面的入射离子 处于大角度的入射状态，表现 出入射离子的高反射率，一部 分会被发射到槽底。这些反射 向槽底某一部位的离子与正常 入射的束离子之和造成入射离 子通量的局部超出，导致该部 位的刻蚀速率高于其他槽底部 位，形成“开沟”。
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谢谢大家！
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图2.20 槽底开沟示意图
离子束光刻简介
• 曝光速率 （离子射入感光胶材料内的射程要比电 子的短，入射离子的能量能被感光材料更为充分 的吸收，所以对于相同的感光胶，离子束曝光的 灵敏度要高于电子束曝光，即曝光速率要高于电 子束曝光 ）
A
4
常见离子束光刻技术
• 聚焦离子束光刻（Focused Ion beam ） （FIB离子束直接写入，聚焦的离子束直接 撞击靶材实现图形转换的过程。 ）
A
13
谢谢光看！
A
14
光刻技术的重要性
集成电路不同的技术时代是以其所加工的器件特征尺寸 为标志的.特征尺寸是指集成电路技术所能够加工的器件 的最小尺寸.由于器件特征尺寸的不断缩小、 硅片尺寸 的持续增加和电路设计技术的不断优化， 才使得集成电
路芯片的集成度和性能得到不断提高， 同性能集成电路
产品的价格持续下降， 才保证了半导体工业和集成电路
• 主要用于制作修复掩膜版和对晶片直接光 刻(direct writing)
A
9
离子投影光刻系统的A原理。
10
• 北京汇德信科技有限 公司研发
• ionLiNE作为专用的离 子束光刻、制备和加 工设备，为在表面科 学、薄膜工程和应用 物理研究等低剂量应 用设计
A
11
A
12
离子光刻目前存在的问题及应用
• 离子投影光刻（Ion projection limography （ IPL平行的离子束穿过掩膜，将缩小的掩 膜图形投射到基底上。 ）
A
5
聚焦离子束原理
FIB系统采用液态金属离子源，加 热同时伴随着一定的拔出电压， 获得金属离子束，通过质量选 择器来选择离子，通过电子透 镜精细聚焦的金属离子，在偏 转线圈的作用下，形成扫描光 栅。离子束可通过溅射对样品 进行表面成像。聚焦式离子束 技术是利用静电透镜将离子束
A
4
常见离子束光刻技术
• 聚焦离子束光刻（Focused Ion beam ） （FIB离子束直接写入，聚焦的离子束直接 撞击靶材实现图形转换的过程。 ）
A
13
谢谢光看！
A
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光刻技术的重要性
集成电路不同的技术时代是以其所加工的器件特征尺寸 为标志的.特征尺寸是指集成电路技术所能够加工的器件 的最小尺寸.由于器件特征尺寸的不断缩小、 硅片尺寸 的持续增加和电路设计技术的不断优化， 才使得集成电
路芯片的集成度和性能得到不断提高， 同性能集成电路
产品的价格持续下降， 才保证了半导体工业和集成电路
• 主要用于制作修复掩膜版和对晶片直接光 刻(direct writing)
A
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离子投影光刻系统的A原理。
10
• 北京汇德信科技有限 公司研发
• ionLiNE作为专用的离 子束光刻、制备和加 工设备，为在表面科 学、薄膜工程和应用 物理研究等低剂量应 用设计
A
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A
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离子光刻目前存在的问题及应用
• 离子投影光刻（Ion projection limography （ IPL平行的离子束穿过掩膜，将缩小的掩 膜图形投射到基底上。 ）
A
5
聚焦离子束原理
FIB系统采用液态金属离子源，加 热同时伴随着一定的拔出电压， 获得金属离子束，通过质量选 择器来选择离子，通过电子透 镜精细聚焦的金属离子，在偏 转线圈的作用下，形成扫描光 栅。离子束可通过溅射对样品 进行表面成像。聚焦式离子束 技术是利用静电透镜将离子束
第二讲光刻掩模第三讲离子束技术
是化学反应，物理溅射次之。
特点：基本各项同性
刻蚀线宽1m左右
39
2.2 反应离子刻蚀（RIE----Reactive Ion Etching）
为了减小侧向刻蚀，在垂直于样品表面方向上加一电场，使反应气体的离子 在电场中作定向运动，使之只有纵向刻蚀，这是反应离子刻蚀的基本原理。 射频电压加在两电极上，样品放在阴极上，阳极及反应室壁接地。阴极面积 小，阳极面积大，这是非对称性的辉光放电系统。 离子对刻蚀起主要作用，即以物理溅射为主，中性游离基的化学反应为辅。
35
2.1 等离子刻蚀（PE----Plasma Etching)
2.1.1 等离子刻蚀原理
气体在高频电场（通常13.56MHz）作用下，产生 辉光放电，使气体分子或原子发生电离，形成等离子体。 在等离子体中，包含有正离子、负离子、游离基和自由 电子。游离基在化学上是很活泼的。 等离子刻蚀就是利用等离子体中的大量游离基和被 刻蚀材料进行化学反应，反应结果生成能够由真空系统 抽走的挥发性化合物，从而实现刻蚀的目的。
被刻材料 AZ1350 PMMA Au Ag SiC C Si Al Al2O3 Ge Ni SiO2 玻璃（Na,Ca） 刻蚀速率（Å/min） 245~300 560 1500~1600 1400~1700 320 40~50 250~300 420~520 100~130 90 500~550 280~400 200
36
例如刻蚀气体A2 在高能电场作用下，产生电 离，反应式可写成：
放电
A2+e- A*+A++2eA+为正离子，e-为电子，A*为中性游离基。 如果刻蚀气体用CF4, 则产生游离基F* 刻蚀Si 4F*+Si SiF4 刻蚀SiO2 4F*+SiO2 SiF4+O2 刻蚀Si3N4 12F*+Si3N4 3SiF4+2N2
离子束刻蚀ppt课件
前烘温度过高，黏附性因光刻胶变脆而降低、使光刻胶 中的感光剂发生反应，降低胶膜在曝光时的灵敏度。
10
篮球比赛是根据运动队在规定的比赛 时间里 得分多 少来决 定胜负 的，因 此，篮 球比赛 的计时 计分系 统是一 种得分 类型的 系统
3、对准与曝光
大规模集成电路制造对光刻对准的规定是，对准误差应该 不大于特征尺寸的 1/4 到 1/3 。
6、腐蚀
腐蚀是用适当的腐蚀液将无光刻胶膜覆盖的衬底材料腐蚀 掉，而有光刻胶覆盖的区域保存下来。所用的腐蚀液必须既能 腐蚀掉裸露的衬底表面材料（如介质膜或金属膜），又不损伤 光刻胶层。
腐蚀方法分为 “湿法” 和 “干法” 两大类。因正胶的抗 干法腐蚀能力强，因此干法腐蚀用正胶更为适合。
湿法腐蚀具有各向同性的缺点，但设备简单，故仍被普遍 采用。腐蚀液的配方视被腐蚀材料和光刻胶性能而定。
优点：适用于各种表面的硅片，特别是金属表面；适用于 大批量生产；溶剂的使用期长。
(2) 氧化去胶法。较普遍的方法。将待去胶的硅片放入氧化 去胶剂中，加热至100℃以上，光刻胶层被氧化成CO2和H2O。 最常用的氧化去胶剂有(a)浓H2SO4；(b)浓H2SO4：H2O2 = 3：1 混合液；(c)NH4OH：H2O2：H2O = 1：2：5（1号洗液）；(d) 发烟硝酸等。
此类光刻胶所采用的感光性树脂主要为环化橡胶，它是在 天然橡胶或聚异戊二烯合成橡胶溶液中加入酸性催化剂，在一 定温度下使橡胶分子发生环化反应，再加入双叠氮有机化合物 作为交联剂而成。
双叠氮交联剂的感光波长范围为260~460nm，已适用于高 压汞灯等光源。但添加适宜的增感剂，感光度也有所提高。
若曝光气氛中存在氧，将导致灵敏度下降，因此，必须在 氮气或真空条件下曝光操作。
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篮球比赛是根据运动队在规定的比赛 时间里 得分多 少来决 定胜负 的，因 此，篮 球比赛 的计时 计分系 统是一 种得分 类型的 系统
3、对准与曝光
大规模集成电路制造对光刻对准的规定是，对准误差应该 不大于特征尺寸的 1/4 到 1/3 。
6、腐蚀
腐蚀是用适当的腐蚀液将无光刻胶膜覆盖的衬底材料腐蚀 掉，而有光刻胶覆盖的区域保存下来。所用的腐蚀液必须既能 腐蚀掉裸露的衬底表面材料（如介质膜或金属膜），又不损伤 光刻胶层。
腐蚀方法分为 “湿法” 和 “干法” 两大类。因正胶的抗 干法腐蚀能力强，因此干法腐蚀用正胶更为适合。
湿法腐蚀具有各向同性的缺点，但设备简单，故仍被普遍 采用。腐蚀液的配方视被腐蚀材料和光刻胶性能而定。
优点：适用于各种表面的硅片，特别是金属表面；适用于 大批量生产；溶剂的使用期长。
(2) 氧化去胶法。较普遍的方法。将待去胶的硅片放入氧化 去胶剂中，加热至100℃以上，光刻胶层被氧化成CO2和H2O。 最常用的氧化去胶剂有(a)浓H2SO4；(b)浓H2SO4：H2O2 = 3：1 混合液；(c)NH4OH：H2O2：H2O = 1：2：5（1号洗液）；(d) 发烟硝酸等。
此类光刻胶所采用的感光性树脂主要为环化橡胶，它是在 天然橡胶或聚异戊二烯合成橡胶溶液中加入酸性催化剂，在一 定温度下使橡胶分子发生环化反应，再加入双叠氮有机化合物 作为交联剂而成。
双叠氮交联剂的感光波长范围为260~460nm，已适用于高 压汞灯等光源。但添加适宜的增感剂，感光度也有所提高。
若曝光气氛中存在氧，将导致灵敏度下降，因此，必须在 氮气或真空条件下曝光操作。
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CAIBE----离子源工作气体为惰性气 体，另一 通道来的反应气 体直接喷向基片表面。 IBAE----离子源工作气体为一种反应 气体，另一通道来的不同反 应气体直接喷向基片表面。
都可达到RIBE的同样效果！
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2.6 各种刻蚀工艺的比较
50
A
H
刻蚀图形的深宽比：H/A
51 选择比：（被刻蚀材料/掩模）的刻蚀速率之比
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例如刻蚀气体A2 在高能电场作用下，产生电 离，反应式可写成：
放电
A2+e- A*+A++2eA+为正离子，e-为电子，A*为中性游离基。 如果刻蚀气体用CF4, 则产生游离基F* 刻蚀Si 4F*+Si SiF4 刻蚀SiO2 4F*+SiO2 SiF4+O2 刻蚀Si3N4 12F*+Si3N4 3SiF4+2N2
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2.1.2 平行电极型等离子刻蚀装置
样品
平板式等离子刻蚀装置示意图
38
这种装置是由两个相距2cm左右的平行电极组成。 通常上电极接射频电源RF，下电极接地。样品放在下 电极上，等离子体被限制在两电极之间，样品和气体等
离子体直接接触，工作气压在10-2~1Torr之间。起刻蚀
作用的主要是游离基和部分离子。因此，刻蚀过程主要
工艺转移到铬版上。
照相精缩法适合制作线宽5μm以上的图形。
7
2. 图形发生器法
图形发生器是一种专用仪器。把设计好的图 形输入计算机（有专用软件格式），由计算机控 制图形发生器产生的光斑在铬版（商用铬版已涂 好光刻胶）上逐点曝光，显影后的光刻胶图形再 用化学腐蚀或离子束刻蚀转移到铬膜上。 这种方法可以做到1-2 μm 的线宽。如果图形 复杂，数据量较大，制作一块4″的掩模要花费 几小时时间。
26
27
图36 给出了相移掩模和常规掩模曝光结果 的比较，从图中可以看出相移掩模的作用。
28
提高光刻精度的途径
• 减小曝光波长，降低衍射的影响； • 采用相移掩模技术，减小临近效应。
29
离子束技术简介
2008.3.19
30
离子束技术:
离子刻蚀
离子束抛光
聚焦离子束 离子束镀膜 离子束辅助镀膜
52
有理论给出了刻蚀速率V与束流密度J和离 子能量E之间的关系： V JE1/2
对于同一种材料而言，刻蚀速率与束流密 度为线性关系，与能量为0.5次方关系。 下表给出了部分常用材料的刻蚀速率。
53
表2. 部分常用材料的刻蚀速率
（刻蚀条件：500 eV, 1.0 mA/cm2, 入射角：0°）
3．离子束刻蚀速率与入射角的关系
3.1 离子束刻蚀速率
刻蚀速率是指单位时间内离子从材料表面刻蚀去 除的材料厚度，单位通常为 Å /min ， nm /min。
刻蚀速率与诸多因素有关，包括离子能量、束流 密度、离子入射方向、材料温度及成分、气体与材料化 学反应状态及速率、刻蚀生成物、物理与化学功能强度 配比、材料种类、电子中和程度等。
图29. 紫外光刻掩模
4
5
6
二．产生掩模图形的方法
1. 照相精缩法
这是比较原始的一种方法。先将要制作的图形画 在坐标纸上，再把“红膜”铺在坐标纸上，用刀片把 坐标纸上的图形刻在“红膜”上。用白光光源在“红 膜”的背面均匀照明，用专用照相机拍下图形，即成
为胶片掩模。
如果用于紫外光刻，再把胶片掩模图形利用光刻
分辨率 R=K1λ /NA 焦 深 DOF=K2λ /NA2
式中 λ --曝光波长 NA---光刻系统的数值孔径 K1和K2---与工艺有关的常数
（3） （4）
21
从（3）和（4）式可见，缩短曝光波长可 提高分辨率，但也使焦深减小；增大NA可提 高分辨率，但同样减小了焦深。
焦深是光刻中的重要因素，实用焦深有个 最低限度（一般0.5 um左右），不能无限减小。 原因是：
相移掩模种类较多，如弱衰减型、周边 相移型、周期交替Levenson型、多位相值 台阶型、带辅助图形型等等。
相移层的厚度可表示成 d=λ /2(n-1)
式中n为相移层的折射率。
25
(5)
2.2 Levenson型相移掩模
Levenson提出的型相移掩模是等间隔分布的 光栅型条纹，间隔地加上相移层，如图30所示。
基片不平度的限制 光刻胶的不均匀性的限制 系统的调焦、调平等限制 在传统掩模光刻技术中，继续增大NA和 减小λ ，不可能进一步改善实际分辨率。 22
2．相移掩模技术
1982年IBM的Levenson等人提出了有关
相移掩模技术的理论，1990年以来，相移掩
模研究一直成为热门课题，并不断取得进展，
是化学反应，物理溅射次之。
特点：基本各项同性
刻蚀线宽1m左右
39
2.2 反应离子刻蚀（RIE----Reactive Ion Etching）
为了减小侧向刻蚀，在垂直于样品表面方向上加一电场，使反应气体的离子 在电场中作定向运动，使之只有纵向刻蚀，这是反应离子刻蚀的基本原理。 射频电压加在两电极上，样品放在阴极上，阳极及反应室壁接地。阴极面积 小，阳极面积大，这是非对称性的辉光放电系统。 离子对刻蚀起主要作用，即以物理溅射为主，中性游离基的化学反应为辅。
15
图32. “临近效应”
16
4. 激光直写法
激光直写系统(Laser Direct Write System) 是由计算机控制的高精度聚焦激光束，按照设
计在光刻胶上扫描曝光出图形。
17
激光直写系统是90年代国际上制作光刻掩 模版的新型专用设备。成都光电所1996年从加 拿大进口的ISI-2802型激光直写系统主要由HeCd激光器、声光调制、气轴转镜扫描、CCD 显微摄像、气浮精密工作台、激光干涉仪精密 定位、自动调焦、计算机控制和数据处理等部 分构成。 系统的主要性能： 可写范围 150mm150mm 可写最小线宽 1um 线条均匀性 0.1um
特点：各向异性 刻蚀速率快
刻蚀最小线宽可达0.2m
பைடு நூலகம்40
41
2.3 离子束刻蚀 (IBE----Ion Beam Etching) 离子铣（IM---Ion Milling）
具有一定能量的离子束轰击样品表面，把离子束 动能传给样品原子，使样品表面的原子挣脱原子间的
束缚力而溅射出来，从而实现刻蚀目的。
阳极形成阳极电流，而氩离子由多孔栅极引出，
在加速系统作用下，形成一个大面积的、束流密 度均匀的离子束。为减少束中空间电荷静电斥力
的影响，减少正离子轰击基片时，造成正电荷堆
积，离子束离开加速电极后，被中和器发出的电 子中和，使正离子束变成中性束，打到基片上，
进行刻蚀。
45
特点：
刻蚀过程是纯物理溅射，可以刻蚀任何 固体材料；
平行离子束刻蚀，高各向异性;
无钻蚀； 精度高，分辨率<0.1um。
46
2.4 反应离子束刻蚀 (RIBE----Reactive Ion Beam Etching)
在离子束刻蚀机中，若将惰性 工作气体改用化学反应性气体，那 么刻蚀过程除了直接溅射外，反应 气体离子对刻蚀材料还起化学反应， 形成的刻蚀产物不单有固体，还有 可以被真空系统抽走的可挥发性气 体。 对不同的刻蚀材料，需要选择 合适的反应气体。常用的反应气体 有含F和Cl的CF4、SF6、 Cl2、 BC13、 CCl4等。
47
这些气体分裂物形成的离子是极具活性的， 可以和材料化学反应形成气体化合物。例如， CF4 在等离子体中形成CF3+ 、CF2+ 、CF+ 、F+ 和 C+离子族，其中前四种都可以和硅类材料形成气 态的氟化硅。
特点：较高的各向异性 刻蚀速率快
48
2.5 化学辅助离子束刻蚀（或离子束辅助刻蚀） (CAIBE----Chemical Assistant Ion Beam Etching) 或(IBAE----Ion Beam Assistant Etching)
这是纯粹的物理溅射过程。
42
43
离 子 束 刻 蚀 机 工 作 原 理 图
44
离子束刻蚀机的工作原理：
通入工作气体氩气，气压10-2-10-4Torr之间， 阴极放射出的电子向阳极运动，在运动过程中， 电子将工作气体分子电离，在样品室内产生辉光 放电形成等离子体。其中电子在损失能量后到达 惰性气体
31
离子刻蚀技术
32
离子刻蚀技术是高精度图形转移的有效
手段。由离子源产生的带有一定能量的离子
，轰击被加工材料表面，引起材料溅射，达
到去除材料的目的。因此离子源的工作原理 和性能决定了刻蚀的工艺过程和应用范围。
33
紫外光束
离子刻蚀 去除剩余的光刻胶
图1.离子束刻蚀示意图
34
分
类
湿法刻蚀----化学腐蚀 刻蚀 干法刻蚀 等离子刻蚀(PE) 反应离子刻蚀(RIE) 常规离子束刻蚀(IBE或IM) 反应离子束刻蚀(RIBE) 化学辅助离子束刻蚀(CAIBE） 感应耦合等离子体刻蚀(ICP）
现已从当初的单一研究相移技术发展到研究
相移掩模与其他技术相结合，达到提高分辨
率同时也增大焦深的目的。
23
2.1 相移掩模原理
相移掩模的基本原理是在高度集成的光掩 模中所有相邻的透明区域上间隔地增加（或减 少）一层透明介质（相移层），使透过这些相 移层的光与相邻透明区透过的光产生1800位相 差，利用光的相干性，抵消部分衍射扩展效应， 改变空间光强分布，使更多的能量从低频分配 到高频上，弥补投影物镜的通低频阻高频的缺 点，增大空间图像的反差，改变像质，使分辨 率和焦深增大。 24
三．光刻工艺流程（以正胶为例）
都可达到RIBE的同样效果！
49
2.6 各种刻蚀工艺的比较
50
A
H
刻蚀图形的深宽比：H/A
51 选择比：（被刻蚀材料/掩模）的刻蚀速率之比
36
例如刻蚀气体A2 在高能电场作用下，产生电 离，反应式可写成：
放电
A2+e- A*+A++2eA+为正离子，e-为电子，A*为中性游离基。 如果刻蚀气体用CF4, 则产生游离基F* 刻蚀Si 4F*+Si SiF4 刻蚀SiO2 4F*+SiO2 SiF4+O2 刻蚀Si3N4 12F*+Si3N4 3SiF4+2N2
37
2.1.2 平行电极型等离子刻蚀装置
样品
平板式等离子刻蚀装置示意图
38
这种装置是由两个相距2cm左右的平行电极组成。 通常上电极接射频电源RF，下电极接地。样品放在下 电极上，等离子体被限制在两电极之间，样品和气体等
离子体直接接触，工作气压在10-2~1Torr之间。起刻蚀
作用的主要是游离基和部分离子。因此，刻蚀过程主要
工艺转移到铬版上。
照相精缩法适合制作线宽5μm以上的图形。
7
2. 图形发生器法
图形发生器是一种专用仪器。把设计好的图 形输入计算机（有专用软件格式），由计算机控 制图形发生器产生的光斑在铬版（商用铬版已涂 好光刻胶）上逐点曝光，显影后的光刻胶图形再 用化学腐蚀或离子束刻蚀转移到铬膜上。 这种方法可以做到1-2 μm 的线宽。如果图形 复杂，数据量较大，制作一块4″的掩模要花费 几小时时间。
26
27
图36 给出了相移掩模和常规掩模曝光结果 的比较，从图中可以看出相移掩模的作用。
28
提高光刻精度的途径
• 减小曝光波长，降低衍射的影响； • 采用相移掩模技术，减小临近效应。
29
离子束技术简介
2008.3.19
30
离子束技术:
离子刻蚀
离子束抛光
聚焦离子束 离子束镀膜 离子束辅助镀膜
52
有理论给出了刻蚀速率V与束流密度J和离 子能量E之间的关系： V JE1/2
对于同一种材料而言，刻蚀速率与束流密 度为线性关系，与能量为0.5次方关系。 下表给出了部分常用材料的刻蚀速率。
53
表2. 部分常用材料的刻蚀速率
（刻蚀条件：500 eV, 1.0 mA/cm2, 入射角：0°）
3．离子束刻蚀速率与入射角的关系
3.1 离子束刻蚀速率
刻蚀速率是指单位时间内离子从材料表面刻蚀去 除的材料厚度，单位通常为 Å /min ， nm /min。
刻蚀速率与诸多因素有关，包括离子能量、束流 密度、离子入射方向、材料温度及成分、气体与材料化 学反应状态及速率、刻蚀生成物、物理与化学功能强度 配比、材料种类、电子中和程度等。
图29. 紫外光刻掩模
4
5
6
二．产生掩模图形的方法
1. 照相精缩法
这是比较原始的一种方法。先将要制作的图形画 在坐标纸上，再把“红膜”铺在坐标纸上，用刀片把 坐标纸上的图形刻在“红膜”上。用白光光源在“红 膜”的背面均匀照明，用专用照相机拍下图形，即成
为胶片掩模。
如果用于紫外光刻，再把胶片掩模图形利用光刻
分辨率 R=K1λ /NA 焦 深 DOF=K2λ /NA2
式中 λ --曝光波长 NA---光刻系统的数值孔径 K1和K2---与工艺有关的常数
（3） （4）
21
从（3）和（4）式可见，缩短曝光波长可 提高分辨率，但也使焦深减小；增大NA可提 高分辨率，但同样减小了焦深。
焦深是光刻中的重要因素，实用焦深有个 最低限度（一般0.5 um左右），不能无限减小。 原因是：
相移掩模种类较多，如弱衰减型、周边 相移型、周期交替Levenson型、多位相值 台阶型、带辅助图形型等等。
相移层的厚度可表示成 d=λ /2(n-1)
式中n为相移层的折射率。
25
(5)
2.2 Levenson型相移掩模
Levenson提出的型相移掩模是等间隔分布的 光栅型条纹，间隔地加上相移层，如图30所示。
基片不平度的限制 光刻胶的不均匀性的限制 系统的调焦、调平等限制 在传统掩模光刻技术中，继续增大NA和 减小λ ，不可能进一步改善实际分辨率。 22
2．相移掩模技术
1982年IBM的Levenson等人提出了有关
相移掩模技术的理论，1990年以来，相移掩
模研究一直成为热门课题，并不断取得进展，
是化学反应，物理溅射次之。
特点：基本各项同性
刻蚀线宽1m左右
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2.2 反应离子刻蚀（RIE----Reactive Ion Etching）
为了减小侧向刻蚀，在垂直于样品表面方向上加一电场，使反应气体的离子 在电场中作定向运动，使之只有纵向刻蚀，这是反应离子刻蚀的基本原理。 射频电压加在两电极上，样品放在阴极上，阳极及反应室壁接地。阴极面积 小，阳极面积大，这是非对称性的辉光放电系统。 离子对刻蚀起主要作用，即以物理溅射为主，中性游离基的化学反应为辅。
15
图32. “临近效应”
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4. 激光直写法
激光直写系统(Laser Direct Write System) 是由计算机控制的高精度聚焦激光束，按照设
计在光刻胶上扫描曝光出图形。
17
激光直写系统是90年代国际上制作光刻掩 模版的新型专用设备。成都光电所1996年从加 拿大进口的ISI-2802型激光直写系统主要由HeCd激光器、声光调制、气轴转镜扫描、CCD 显微摄像、气浮精密工作台、激光干涉仪精密 定位、自动调焦、计算机控制和数据处理等部 分构成。 系统的主要性能： 可写范围 150mm150mm 可写最小线宽 1um 线条均匀性 0.1um
特点：各向异性 刻蚀速率快
刻蚀最小线宽可达0.2m
பைடு நூலகம்40
41
2.3 离子束刻蚀 (IBE----Ion Beam Etching) 离子铣（IM---Ion Milling）
具有一定能量的离子束轰击样品表面，把离子束 动能传给样品原子，使样品表面的原子挣脱原子间的
束缚力而溅射出来，从而实现刻蚀目的。
阳极形成阳极电流，而氩离子由多孔栅极引出，
在加速系统作用下，形成一个大面积的、束流密 度均匀的离子束。为减少束中空间电荷静电斥力
的影响，减少正离子轰击基片时，造成正电荷堆
积，离子束离开加速电极后，被中和器发出的电 子中和，使正离子束变成中性束，打到基片上，
进行刻蚀。
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特点：
刻蚀过程是纯物理溅射，可以刻蚀任何 固体材料；
平行离子束刻蚀，高各向异性;
无钻蚀； 精度高，分辨率<0.1um。
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2.4 反应离子束刻蚀 (RIBE----Reactive Ion Beam Etching)
在离子束刻蚀机中，若将惰性 工作气体改用化学反应性气体，那 么刻蚀过程除了直接溅射外，反应 气体离子对刻蚀材料还起化学反应， 形成的刻蚀产物不单有固体，还有 可以被真空系统抽走的可挥发性气 体。 对不同的刻蚀材料，需要选择 合适的反应气体。常用的反应气体 有含F和Cl的CF4、SF6、 Cl2、 BC13、 CCl4等。
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这些气体分裂物形成的离子是极具活性的， 可以和材料化学反应形成气体化合物。例如， CF4 在等离子体中形成CF3+ 、CF2+ 、CF+ 、F+ 和 C+离子族，其中前四种都可以和硅类材料形成气 态的氟化硅。
特点：较高的各向异性 刻蚀速率快
48
2.5 化学辅助离子束刻蚀（或离子束辅助刻蚀） (CAIBE----Chemical Assistant Ion Beam Etching) 或(IBAE----Ion Beam Assistant Etching)
这是纯粹的物理溅射过程。
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离 子 束 刻 蚀 机 工 作 原 理 图
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离子束刻蚀机的工作原理：
通入工作气体氩气，气压10-2-10-4Torr之间， 阴极放射出的电子向阳极运动，在运动过程中， 电子将工作气体分子电离，在样品室内产生辉光 放电形成等离子体。其中电子在损失能量后到达 惰性气体
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离子刻蚀技术
32
离子刻蚀技术是高精度图形转移的有效
手段。由离子源产生的带有一定能量的离子
，轰击被加工材料表面，引起材料溅射，达
到去除材料的目的。因此离子源的工作原理 和性能决定了刻蚀的工艺过程和应用范围。
33
紫外光束
离子刻蚀 去除剩余的光刻胶
图1.离子束刻蚀示意图
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分
类
湿法刻蚀----化学腐蚀 刻蚀 干法刻蚀 等离子刻蚀(PE) 反应离子刻蚀(RIE) 常规离子束刻蚀(IBE或IM) 反应离子束刻蚀(RIBE) 化学辅助离子束刻蚀(CAIBE） 感应耦合等离子体刻蚀(ICP）
现已从当初的单一研究相移技术发展到研究
相移掩模与其他技术相结合，达到提高分辨
率同时也增大焦深的目的。
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2.1 相移掩模原理
相移掩模的基本原理是在高度集成的光掩 模中所有相邻的透明区域上间隔地增加（或减 少）一层透明介质（相移层），使透过这些相 移层的光与相邻透明区透过的光产生1800位相 差，利用光的相干性，抵消部分衍射扩展效应， 改变空间光强分布，使更多的能量从低频分配 到高频上，弥补投影物镜的通低频阻高频的缺 点，增大空间图像的反差，改变像质，使分辨 率和焦深增大。 24
三．光刻工艺流程（以正胶为例）