第14章光刻对准和曝光综述
光刻机对曝光光源光斑形状的要求与控制
光刻机对曝光光源光斑形状的要求与控制1500字文章：光刻机对曝光光源光斑形状的要求与控制光刻技术是现代微电子制造中不可缺少的一项核心技术。
在光刻过程中，曝光光源的光斑形状对于芯片的制造过程和性能有着至关重要的影响。
本文将介绍光刻机对曝光光源光斑形状的要求以及相应的控制方法。
一、光刻机曝光光源光斑形状的要求光刻机所使用的光源主要有激光光源和光波辐射光源两种。
不同的光源对曝光光斑形状的要求有所不同，但总体来说，曝光光源光斑形状必须满足以下要求：1. 均匀性要求：光斑应具有均匀的能量分布，避免出现中心亮度过高或过低的情况。
不均匀的光斑将导致芯片制造过程中曝光不均匀，影响芯片的性能和稳定性。
2. 尺寸要求：光斑的尺寸需与芯片制造的工艺要求相匹配。
过大的光斑会导致曝光过量，过小的光斑则会导致曝光不足，影响芯片的图形精度和细节。
3. 准直性要求：光斑的准直性决定了曝光能否精确地对准芯片上的目标区域。
准直性好的光斑能够提高芯片的制造精度和一致性。
二、光刻机对曝光光源光斑形状的控制为了满足光刻机对曝光光源光斑形状的要求，需要进行相应的控制。
以下是常见的控制方法：1. 光学系统的优化：通过对光学系统中镜面的选择和调整，可以优化曝光光斑的形状和能量分布。
例如，可以使用聚焦透镜来控制光斑的尺寸和准直性。
2. 激光功率的调节：对于激光光源，通过调节激光器的功率可以控制光斑的能量分布和均匀性。
一般来说，激光功率越稳定，光斑形状的控制效果越好。
3. 光刻机对光斑的监测与反馈：光刻机通常配备了光斑监测系统，通过监测光斑形状和能量分布的变化，及时反馈给光源系统进行调整，保持光斑的稳定性。
4. 光刻工艺参数的优化：除了光源本身的控制外，光刻工艺的其他参数也会影响光斑形状的控制效果。
例如，曝光光源到光刻胶之间的曝光距离、胶膜的厚度等都需要进行合理的优化。
三、光刻机对曝光光源光斑形状的重要性光刻技术在芯片制造过程中起到了至关重要的作用。
光刻——精选推荐
光刻光刻技术应⽤于微加⼯领域，可以实现⾼效精确的模板复印，是半导体集成电路制作的重要过程。
光刻技术的发展直接影响着微电⼦⼯艺的纳⽶尺度，是精密的微细加⼯技术。
利⽤光刻可以在衬底上形成⽴体结构或者在薄膜上刻蚀出凹槽，通常光刻使⽤UV光，对光刻胶进⾏变性处理，然后经过显影得到成品。
针对不同的衬底或薄膜，不同的样品，光刻所⽤到的光刻胶，光刻过程中的⼀些参数、所⽤到的化学物品都不尽相同，但是整体⼯艺流程却是⼀样的。
以硅衬底，AZ1518光刻胶为例，光刻技术主要有以下步骤：* Preparation *预备⼯作阶段，⾸先是对衬底进⾏清洗。
对硅衬底的清洗通常⽤丙酮(Acetone)清除污迹，再⽤酒精处理掉丙酮，最后⽤去离⼦⽔(DI water)清洗⼲净，⽤氮⽓吹⼲样品。
为了让光刻胶和衬底可以较为牢固的附着，通常的光刻技术中会使⽤粘着剂HMDS，它可以使得光刻胶有效的吸附在硅样品表⾯，不⾄于让光刻胶在刻蚀过程中脱落，导致⼯艺精密度变差。
* Photoresist *甩胶阶段要先对甩胶机(Spincoat)进⾏速度测试，保证在设定转速下正常运转。
为了先使得光刻胶均匀涂满样品，先设定Spincoat在低速下运⾏⼏秒钟，使光刻胶均匀涂在样品表⾯。
通常甩胶机在转速1200到4800rpm下持续30到60秒。
甩过胶后需要进⾏烘烤(softbake)，在烘烤机(hotplate)上烘烤1分钟，通常设定温度为90到110度之间。
Softbake的⽬的是为了烘⼲光刻胶，使之成型。
* Exposure *曝光阶段最重要的是对版，对版的好坏决定了最终样品的结果。
对于制作不同类型的样品，有时需要多次对版，这要求每次对版的位置⼗分精准，才能使得多次光刻不会互相影响。
曝光分为接触式曝光和⾮接触式曝光，区别在于模板和样品是否接触。
接触式曝光分辨率⾼，但容易影响衬底上的光刻胶和模板，通常适⽤于⼩规模的实验处理或⽣产。
⾮接触式曝光设备复杂，精度很⾼，适合⾼精度器件⽣产。
光刻总结
光刻：1光学曝光：最早用于半导体电路微加工。
70s ：4-6um 80s ：1um90s ：0.5um （X 射线引入） Now ：65/45/32nm 2原理和照相相同：硅片—底片，光刻胶—感光涂层，二维图形，光学掩膜 光学曝光方式原理：掩膜对准式曝光：接触式和临近式 原理图投影式曝光：1:1和4:1/5:1 原理图掩膜对准式曝光：掩膜与光刻胶表面完全接触，包括硬接处（压力大）和软接触（压力小）两种。
图像质量满足方程：w=k(λz)-2式中，w 为模糊区域宽度，w 越小图像质量越好；λ为照明光源波长；z 为平面与掩膜间隙；k 为工艺参数。
可以通过计算机模拟光刻胶的成像质量曲线临近时曝光特点是可以延长掩膜寿命，但影响了曝光分辨率与均匀性。
投影式曝光：3光学成像质量取决于成像系统。
杨氏干涉：sin (1,2,3)mm aλϕ==λ为波长，a 为缝宽，m 为条纹级数数值孔径：sin NA n θ=⋅ n 为传播空间折射率，θ为透镜会聚焦角 投影式曝光分辨率为：1R k NAλ= （k 1因子独立于光学成像因子，与曝光工艺有关）焦深（depth of focus ）：22DOF ()k NA λ=4光学曝光工艺过程：1硅片表面处理：150-200℃烘烤15-30min ，表面涂覆HMDS （化学增附剂），用于保持光刻胶不脱落 2涂胶（甩胶）：光刻胶滴在中间，旋涂 3前烘（pre-bake ）：蒸掉胶中有机成分，硅片表面胶固化（热板/烘箱） 4曝光：曝光机（目前自己搭建光路手动操作曝光） 5后烘（post explosure bake ）：消除表面反射与入射波作用效应（驻波效应），也可靠添加抗反剂消除（效果好） 6显影（development ）：浸没式，喷淋式，搅拌式7去残胶：氧气等离子体轰击30s （防止转移过程出现问题） 8坚膜（hard bake ）：不是必要过程，会增加去胶难度 9图形转移10去胶：常用试剂是丙酮5光刻胶（又名抗蚀剂，resist ）的特性：有光敏作用的高分子聚合物材料 正胶：长链分子，曝光中分解为短链分子，短链分子可以被显影液洗掉负胶：短链分子，曝光中结合成长链分子成分：1树脂聚合物：具有抗刻蚀性；2溶剂：保持液态；3光活性物质（PAC）：对特定波长敏感；4添加剂：控制光吸收率和溶解度特性：1灵敏度：衡量曝光速度（灵敏度高，曝光剂量（=光强*时间，单位是mJ/cm2）就小）。
第12章 光刻：掩膜,光刻胶和光刻机
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.
光学光刻
缺点：掩模版与晶片易损伤，成品率低
接近式 优点：掩模版寿命长，成本低 缺点：衍射效应严重，影响分辨率 全反射 优点：无像差，无驻波效应影响 缺点：数值孔径小，分辨率低 优点：数值孔径大，分辨率高， 对硅片平整度要求低， 掩模制造方便 缺点：曝光效率低，设备昂贵
非 接 触 式 投影式
折射
在步进光刻机上通常有自动对准系统。为了提高对准效率，
可以先作一次人工对准。
掩模的热膨胀也会产生对准误差。为避免 8 英寸掩模产生
0.1 m 的膨胀，掩模的温度变化必须控制在 0.75C 左右。
10 小结
限制光学曝光方式的分辨率的主要因素是衍射效应。最早 使用的接触式光刻机，分辨率可到 1 m以下，但容易损伤掩模 和硅片。解决的办法是使用接近式光刻机，但要影响分辨率。 介绍了具有亚微米分辨率的投影曝光系统。为了解决分辨率和
衬底处的光对制版技术提出了新的要求，如相移材料的 选择、制备与加工，制版软件中对相移层图形的设计等。
边缘相移掩模技术
四、光学邻近效应修正技术（OPC） 把掩模设想为一个曝光矩阵 M，由许多 0 和 1 的像素组成，
0 代表透明区，1 代表不透明区。当用这块掩模对硅片曝光后，
NA
式中，k1 是与光刻胶的光强响应特性有关的常数，约为 0.75 。 NA 为镜头的数值孔径，
NA n sin
n 为折射率， 为半接收角。NA 的典型值是 0.16 到 0.8。 增大 NA 可以提高分辨率，但受到焦深的限制。
焦深 代表当硅片沿光路方向移动时能保持良好聚焦的移动 距离。投影式光刻机的焦深由 雷利第二公式 给出，即
最小可分辨的线宽为
Wmin k g g
式中，k 是与光刻胶处理工艺有关的常数，通常接近于 1。
光刻及刻蚀讲解
1.光刻胶的分辨率（Resolution）
• 在光刻胶层能够产生的最小图形通常被作为 对光刻胶的分辨率。
• 产生的线条越小，分辨率越高。分辨率不仅 与光刻胶本身的结构、性质有关，还与特定 的工艺有关，比如：曝光光源、显影工艺等。
• 正胶的分辨率较负胶好，一般2μm以下工艺 用正胶
2.灵敏度S（Sensitivity）
光刻的要求
• 对光刻的要求
（1）高分辨率 （2）高灵敏度 （3）精密的套刻对准 （4）大尺寸硅片上的加工 （5）低缺陷
• 1.高分辨率
• 分辨率是将硅片上两个邻近的特征图形 区分开来的能力，即对光刻工艺中可以 达到的最小光刻图形尺寸的一种描述， 是光刻精度和清晰度的标志之一。随着 集成电路的集成度提高，加工的线条越 来越细，对分辨率的要求也越来越高。
与硅片表面接触不平整而产生的光散射现象。 • 为了提高分辨率，减少图形畸变，一次曝光的象场较小，采用扫描
式曝光。 • Fraunhofer diffraction 夫琅禾费衍射 • 投影式曝光虽有很多优点，但由于光刻设备中许多镜头需要特制设
备复杂
光学曝光的各种曝光方式及其利弊
接 优点：设备简单，分辨率高。 触 式 缺点：掩膜版与晶片易损伤，成品率低。
• 由于光刻胶顶层平面不平，所以该曝光方式中间隔并不严格为0
接近式曝光- proximity printing
• 最小宽带：Wm=（dλ）½ • d:间隔； λ：光源波长 • 分辨率取决于间隙的大小，一般分辨率较差，
为2-4μm，d=10μm，I-line（365nm）
→W≈2μm • 优点：接近式曝光是以牺牲分辨率来延长了掩
正胶和负胶的比较
• 正胶 a)分辨率高 小于1μm b)抗干法刻蚀能力强 c)较好的热稳定性
光刻
前烘
晶圆
刻蚀
晶圆
晶圆
曝光
去胶
涂光刻胶
目的：在晶圆表面涂薄的、 均匀的，并且没有缺陷的光 刻胶膜。
涂胶的质量要求 胶膜均匀 胶层内无点缺陷 厚度符合要求，一般在0.5-1.5μm 胶层表面没有尘埃、碎屑等颗粒
晶圆
晶圆
基片前处理
晶圆
显影
涂光刻胶
晶圆
后烘（坚膜）
晶圆
前烘
晶圆
刻蚀
晶圆
特点： §选择性高 §生产量大 §装置成本低
干法刻蚀
干法刻蚀：指利用低压放电产生的等离子体中的离子 或游离基(处于激发态的分子、原子及各种原子基团 等)与材料发生化学反应或通过轰击等物理作用而达 到刻蚀的目的。
特点： §可控性好 §加工精度高 目前，湿法工艺一般被用于工艺流程前面的硅片准备阶段 §可加工设计形状
光刻技术类似于照片的印相技术，所 不同的是，相纸上有感光材料，而硅片上 的感光材料--光刻胶是通过旋涂技术在工艺 中后加工的。光刻掩模相当于照相底片， 一定的波长的光线通过这个“底片”，在 光刻胶上形成与掩模版（光罩）图形相反 的感光区，然后进行显影、定影、坚膜等 步骤，在光刻胶膜上有的区域被溶解掉， 有的区域保留下来，形成了版图图形。
二、光刻工艺的目标
在晶圆表面建立图形 在晶圆表面正确定位图形
在晶圆表面建立图形
光刻工艺过程的首要目标是在晶圆表面建立 尽可能接近设计规则中所要求尺寸（指feature size 特征图形尺寸）的图形。该目标称为晶圆的 分辨率（resolution)。
在晶圆表面正确定位图形
晶圆上形成的最终图形是用多个掩模版按照特 定的顺序在晶圆表面叠加建立起来的。该过程称 为对准（Alignment）。 要求：1、整个电路图形必须被正确地定位于晶 圆表面； 2、电路图形上每一部分之间的相对位置 也必须是准确无误的。
光刻工艺中的曝光技术比较
传统光 学 曝 光 是 指 以 紫 外 光 (波 长 为 012 ～ 014μm )或者远紫外光来实现的曝光工艺 。传统光学 曝光有两种基本方式 :阴影式曝光 ( shadow p rinting)和 投影式曝光 (p rojection p rinting) 。
光刻据其使用感光胶的特性分为正性光刻和负 性光刻两种基本工艺类型 。正性光刻采用正感光胶 , 曝光后的区域变得很易在显影液里融化 ,在显影过程 中被从基片上除去 ,把与掩膜上相同的图形复制到硅
片上 ;反之 ,负性光刻是把掩膜上相反的图形复制到
硅片表面 。它们的曝光过程如图 1所示 。
无论哪种光刻类型 ,光刻技术的工艺流程一般都
132
综 述
现代制造工程 2008年第 12期
明 ,掩膜是在低原子序数材料膜上覆盖高原子序数材 料层组成 ,图形制作在高原子序数材料上 ,掩膜是 4 倍放大 ,用格栅 支撑 。低 原子 序数 的 膜 , 电 子 散 射 弱 ,散射角度小 ; 高原子序数的图形层 ,电子散射 强 ,散射角度大 ,在投影光学装置的背焦面上有光 阑 ,小散射角度电子通过光阑 ,在片子上形成缩小 4倍的图像 ,再经过工作台步进实现大面积曝光 。 SCAL PEL 的优点是分辨率高 、焦深长 、不 需要邻 近 效应校正和生产率高 ,它没有极紫外光系统中昂贵 的光学系统 ,也不需要 X光的高成本光源 ,而且掩 膜成本比其 他方 法要 低 。随着 器 件 和 集 成 电 路 的 尺寸缩小 ,器件尺寸小于 100 nm 时 ,电子束就会成 为较成熟的 曝光 技术 。在 超大 规 模 集 成 电 路 生 产 中 ,采用电子束曝光和关系曝光相结合的混合曝光 技术是一种经济高效的方法 ,采用电子束曝光制作 集成电路的关键部分 ,而用关系曝光技术制作其余 部分 ,就可以制作超大规模的集成电路 。
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集成电路工艺
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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
光学滤光器
• 滤光器利用光的干涉阻止不需要的入射光， 通过反射或干涉来获得一个特定波长。
• 滤光器通常由玻璃制成，玻璃上面有一层 或多层薄涂层。 • 涂层的类型和厚度决定了什么波长的光会 相消干涉而阻止进入玻璃。
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集成电路工艺
第14章光刻：对准和曝光
集成电路工艺 第14章光刻：对准和曝光
第14章光刻：对准和曝光
目标
• 解释光刻中对准和曝光的目的
• 描述光学光刻中光的特性及光源的重要性 • 解释分辨率，描述它的重要参数并讨论计算方法
• 论述五代用于对准和曝光的设备
• 描述投影掩膜版，如果制造，及在精细光刻中的 应用 • 论述用于短波长光刻的光学增强技术 • 解释光刻中对准是怎样获得的
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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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集成电路工艺
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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
集成电路工艺ຫໍສະໝຸດ 14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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集成电路工艺
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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
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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
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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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集成电路工艺
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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
光
• 在光学光刻中，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
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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集成电路工艺
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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
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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• 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。
KrF ArF F2
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集成电路工艺
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第14章光刻：对准和曝光
透镜材料
• 透镜传统上由玻璃制成。
• 对于波长248nm的深紫外光，一种合适的 透镜材料是熔融石英，它在深紫外波长范 围有较少的光吸收 • 在193nm深紫外和157nm深紫外波长，可 采用氟化钙(CaF2)
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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：对准和曝光
曝光光源
• 汞灯
• 准分子激光
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集成电路工艺
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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。
• 准分子是不稳定分子，由惰性气体原子和 卤素构成，如ArF，这里分子只存在于准稳 定激发态。
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集成电路工艺
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第14章光刻：对准和曝光
常用准分子激光器
材料 脉冲长度 CD分辨率 (nm) （毫焦每脉冲）（脉冲每秒） （ns） （μm ） 248 193 157 300~1500 175~300 6 500 400 10 25 15 20 ≤0.25 ≤0.18 ≤0.15 波长 最大输出 频率