1、第2章 光學曝光技術2.1 引言金屬（如鉬、銅、低碳鋼等）；半導體（如硅）；介質（如玻璃）等材料。光刻加工技術是一種圖形復印和腐蝕相結合的表面微細加工技術。加工的對象1（a）負極性光致抗蝕劑： 光照后，不溶解于顯影液，光照處 抗蝕劑留下。（b）正極性光致抗蝕劑： 光照后，能溶解于顯影液，不照處抗蝕劑留下。襯底準備 涂膠 前烘 曝光 顯影 堅膜 腐蝕 去膠從光刻加工工藝的基本過程可以看出，光刻加工的基本過程包括襯底準備、涂膠、前烘、曝光、顯影、堅膜、腐蝕、去膠等工藝，其中曝光工藝是光刻加工中最為關鍵的技術。光刻加工工藝的基本過程2光學曝光方式基本上可以劃分為掩模對準式曝光與投影式曝光2類。 掩模

2、對準式曝光包括接觸式曝光與接近式曝光。投影式曝光包括1：1投影和縮小投影(如5：1縮小)。 縮小投影曝光系統又稱為步進投影曝光機。光學曝光方式掩模對準式曝光投影式曝光接觸式曝光接近式曝光1:1投影式曝光縮小投影式曝光2.2 光學曝光方式與原理3圖2.2 接觸式、接近式與投影式3種曝光方式的示意圖 光學曝光方式接觸式、接近式與投影式3種曝光方式的示意圖：掩模對準式曝光4掩模對準式曝光可以真實地再現掩模圖形，但是它要求掩模必須與光刻膠表面完全接觸。掩模對準式曝光又可分為接觸式曝光和接近式曝光（非接觸式光學曝光）。 掩模對準式曝光2.2.1掩模對準式曝光51接觸式曝光 所謂硬接觸就是掩模版與涂膠的硅

3、片通過施加壓力的方式來實現完全接觸。接觸式曝光具有高分辨率、設備簡單、操作方便、生產效率高和成本低等優點。接觸式曝光又可分為硬接觸與軟接觸曝光。當然，通過調整壓力的大小也可以實現軟接觸。接觸式曝光的缺點是因機械接觸容易損傷掩模版，因而使用壽命短，多次使用嚴重影響芯片成品率。6也可以使掩模與膠表面保持一定間隙，成為接近式曝光。這一間隙可以控制在幾微米到幾十微米(典型值為550m)。但必須注意，該間隙會影響到光學成像的質量。2接近式曝光（非接觸式光學曝光）7優點：接近式曝光可以避免掩模的玷污和損傷。接近式曝光及其優缺點缺點：隨著集成電路集成度不斷提高，特征線寬愈來愈小，當特征線寬減小到可與曝光所用

4、的波長相比擬時，則光通過掩模窗口產生的衍射效應會使分辨率變壞，成為提高光刻分辨率的主要限制因素。 8可以看出掩模與膠表面的間隙g會造成光強分布的失真，因此理想的接觸式曝光應當是硬接觸曝光。但硬接觸曝光的致命缺點是掩模的損傷，這種損傷可能是接觸摩擦對鉻層的破壞，也可能是部分光刻膠由于硬接觸而黏附到掩模版上。總之，早期采用接觸式曝光時，光學掩模版的使用壽命極低。如果是光刻膠黏附污染，則可以通過清洗使掩模版再度可用，但這大大降低了生產率。 圖2.3 掩模對準式曝光中掩模與膠表面間隙對膠表面光強分布的影響 (計算機模擬結果) 掩模對準式曝光中間隙g對曝光質量的影響 9掩模間隙與曝光圖形保真度之間的關系

5、可以由下式表示：影響接近式曝光分辨率的因素W：模糊區寬度，或者說是膠平面實際成像尺寸與掩模圖形設計尺寸之差；：照明光波長； z：掩模與膠平面的間隙； k：一個與工藝條件有關的參數。由式可見，若要曝光成像與掩模設計圖形盡可能一致，只有減小間隙和縮短照明波長。10投影式曝光既有接觸式曝光的高分辨率，而又避免了接觸式曝光容易產生缺陷的弊端。光學投影成像曝光技術是用光學投影的方法將掩模版圖形的影像(以等倍方式或縮小的方式)投影在半導體基片表面上，這時掩模版作為光學成像系統的物方，基片表面上的光致抗蝕劑層為像方。2.2.2投影式曝光按照投影成像倍數的不同，投影曝光可分為1：1投影曝光和縮小投影曝光兩種方

6、式。111：1投影曝光是將含有芯片圖形陣列的掩模片的整個版面，通過投影成像方式，等倍地復制到基片上，實現非接觸式投影復印曝光。1. 1：1投影曝光但1：1成像要求掩模的圖形與硅片上做出的圖形一樣大小。隨著集成電路最小圖形尺寸的減小，使1：1投影曝光的掩模版制作越來越困難。1：1投影通過光學成像的方法將掩模圖形投影到硅片表面，圖像質量完全取決于光學成像系統，與掩模- 硅片之間的距離無關，這樣就徹底克服了前面提到的接近式曝光中光學成像不一致的缺點。優點缺點12縮小投影曝光就是在1：1投影曝光結構原理的基礎上，把中間掩模圖形加以縮小投影到片子上進行曝光。例如，縮小率有1/10、 1/7 、 1/4等

7、。2. 縮小投影曝光隨著IC集成度的提高，芯片面積的增大，電路圖形線寬的縮小，使得一幅IC的圖形既復雜精細，又所占面積很大。照射光線既沒有如此大的視場，也不可能在大視場里處處精確清晰地投影曝光出微細的圖形。為了解決這個矛盾，出現了所謂分布重復縮小投影曝光。分布重復縮小投影曝光13在縮小投影曝光中，采用把大視場分割成很多小視場的方法，即圖所示的1，2，3，分割區域。精密定位的機械系統將中間掩模和片子同步移到某個小視場里，光學系統對這個小視場進行縮小投影曝光。如圖(b)所示。當前一個視場曝光完畢后，機械系統又將中間掩模和片子移動到下一個小視場里進行縮小投影曝光，直到中間掩模的圖象全部一對一地復印到

8、整個基片表面為止。分布重復縮小投影曝光的原理分布重復縮小投影曝光示意圖14分布重復縮小投影曝光的優點是顯著的。對于一塊并不“十分平整”(如不平整度在微米量級)的片子，如果將其分割成很多小單元，那么，在這個小單元里，相對來說，就可認為“比較平整”了。這樣，在小視場內就可以采用較大數值孔徑的投影系統，提高圖形分辨率。因此，光學分步重復投影系統能夠在襯底有形變和不十分平整的情況下，以較高的分辨率復印圖形。縮小投影曝光中，因為掩模的尺寸比曝光的片子尺寸大很多倍，所以，掩模尺寸及掩模圖形線條可做得較大，使得掩模制造方便，精度也高。分布重復縮小投影曝光的優缺點與1：1全反射投影曝光系統比較，分布重復縮小投

9、影曝光系統的不足之處是設備比較昂貴，約為前者的23倍(但與電子束曝光設備相比，成本就降低一個數量級了)，且曝光效率較低，約為前者的一半左右。優點缺點15光源經透鏡變換成平行光，然后透過掩模并由第二個透鏡聚焦投影成像到硅片上。投影曝光系統的分辨率主要是受衍射限制。如圖(b)，數值孔徑NA的定義為：(a)投影光刻系統示意圖（b）數值孔徑NAn ：透鏡到硅片間的介質折射率。3. 投影式曝光的光學分辨率16投影式曝光的光學分辨率(R)取決于照明光波長()、光學透鏡的數值孔徑(NA)和工藝條件，如下式所示：從光學成像的角度分析，提高分辨率可以通過減小照明光波長和增加透鏡數值孔徑來實現。投影式曝光的光學分

10、辨率：照明光波長；NA：光學透鏡的數值孔徑；K1：與工藝條件有關的參數。17（a）曝光波長對分辨率的影響（b）透鏡數值孔徑對分辨率的影響圖2.8是一條035m的細線在不同波長和不同數值孔徑條件下，成像表面的光強分布。可見短波長光源、大數值孔徑透鏡是提高曝光分辨率的最有效的方法。波長與數值孔徑對單線曝光光強分布的影響圖2.8 波長與數值孔徑對035m單線曝光的光強分布的影響18光學技術中的景深與焦深景深與焦深示意圖分辨率只是評價曝光質量的一個方面，另一個重要參數是焦深(depth of focus，DOF)，它相當于照相機的景深。19景深不足大景深效果照相攝影中的景深效果20焦深與分辨率的關系單

11、純地追求分辨率會使焦深大大減低。焦深（DOF）也與照明波長和透鏡數值孔徑有關，如下式所示：由上式可見，焦深與數值孔徑的平方成反比。：照明光波長；NA：光學透鏡的數值孔徑；K2：一個與具體的曝光系統及光刻膠工藝特性 有關的常數。21圖2.9 不同散焦量對曝光光強分布的影響(波長365 nm，數值孔徑05) 圖2.9顯示的是在不同散焦情況下一條035m單線曝光的光強變化。大規模集成電路的硅晶圓直徑都是在68in，甚至是12in。大的晶圓本身就不可能做到絕對的平整，加之每一道曝光工序都是在前面已經加工過的晶圓上進行，前道工序已在晶圓表面形成了高低起伏的電路結構形貌。如果曝光系統的焦深很小，則掩模成像

12、只能在很小的高度起伏范圍內才能保證聚焦，超出這一范圍就散焦了。散焦的結果，使得分辨率下降。焦深甚至比分辨率更為重要2220世紀90年代初I 線光源(波長為365nm)引入光學曝光時，其主要目的并不是為了進一步提高分辨率，而是為了增加焦深。例如，若透鏡的數值孔徑為NA=054，G線光源（436nm）能夠實現065m分辨率的話，焦深為07m。而采用I 線光源后，若仍然采用065m分辨率的曝光工藝（即k1、k2不變），數值孔徑可以降低到045，而焦深上升為09m。分析：采用I 線光源后，雖然波長和數值孔徑都減小了，但是分辨率可以是不變的。但由于焦深與數值孔徑的平方成反比，故NA減小后，焦深可以增加。焦深甚至比