半导体制造技术-第十四章.ppt

半导体制造技术 陈弈星 dreamtower@163.com 对准和曝光 对准是把所需图形在晶园表面上定位或对准。而曝光是通过曝光灯或其他辐射源将图形转移到光刻胶涂层上。如果说光刻胶是光刻工艺的“材料”核心，那么对准和曝光则是该工艺的“设备”核心。图形的准确对准是保证器件和电路正常工作的决定性因素之一。 对准和曝光包括两个系统：一个是要把图形在晶园表面上准确定位（不同的对准机类型的对准系统各不相同）；另一个是曝光系统（包括一个曝光光源和一个将辐射光线导向到晶园表面上的机械装置）。 用于硅片制造的光刻在很大程度上以光学光刻为基础。 曝光光源 汞灯（使用于常规I线步进光刻机上） 准分子激光灯（248nm及以下深紫外波长提供较大光强） 曝光光源的一个重要方面是光的强度，光强定义为单位面积的功率，并且在光刻胶的表面测量。光强的另一种解释是单位面积的光亮或亮度。 能量是功率和时间的乘积。光强乘上曝光时间就表示了光刻胶表面获得的曝光能量，或曝光的剂量。 高压汞灯作为紫外光源用于所有常规I线步进光刻机。为使光刻胶与UV波长相适应，可使用一套滤波器阻挡不需要的波长和红外波长。 曝光控制 剂量均匀的紫外光对光刻胶的曝光是非常重要的。对于硅片上任何一次曝光剂量都必须是可重复的。 曝光控制通过剂量监控器在硅片表面测量紫外光强获得。曝光剂量在曝光场的不同位置测量并进行剂量百分比均匀性的计算。 光刻过程需要把投影掩模板的图形投影到光刻胶上，这个投影必须能做到合适的分辨率、尺寸控制和对准。其中透镜扮演重要的角色。 衍射给光刻带来的问题 投影掩膜板上有小的清晰图形并且间距很窄。曝光时，光必须通过这些图形。衍射图样夺走了曝光能量，并使光发散，导致光刻胶上不需要曝光的地方被曝光。 由衍射引起的干涉图样使小接触孔和小线条很难被光刻。 数值孔径 一个透镜能俘获一些衍射光。透镜收集衍射光的能力被称做透镜的数值孔径（NA）。 可以通过增加镜头半径来增加数值孔径并俘获更多的衍射光，但是这样的光学系统更加复杂更加昂贵。 抗反射涂层使用的原因 光刻胶的下面是最终要被刻蚀形成图案的底层薄膜。如果这个底层是反光的，那么光线将从这个膜层反射并有可能损害临近的光刻胶。这个损害能够对线宽控制产生不利的影响。 两种最主要的光反射问题是反射切口和驻波。 驻波引发的问题 驻波表征入射光波和反射光波之间的干涉，这种干涉引起了随光刻胶厚度变化的不均匀曝光。 驻波的发生对深紫外光刻胶更加显著，因为很多硅片表面在较短的深紫外波长反射更加厉害。 驻波本质上降低了光刻胶成像的分辨率。 减小驻波效应的方法 抗反射涂层 染料 曝光后烘 底部抗反射涂层 有机抗反射涂层（吸收光以减少反射） 无机反射涂层（通过特定波长相移相消起作用） 选择抗反射涂层的一个因素是在完成光刻工艺后抗反射涂层能被除去的能力。有些有机抗反射涂层是水溶的，通过显影步骤很容易去除。无机反射涂层较难被去除，有时留在硅片上成为器件的一部分。 顶部抗反射涂层 顶部抗反射涂层在光刻胶和空气的交界面上减少反射。顶部抗反射涂层不吸收光，而是作为一个透明的薄膜干涉层，通过光线间的相干相消来消除反射。 分辨率 光刻中，分辨率被定义为清晰分辨出硅片上间隔很近的特征图形对的能力。分辨率对于任何光学系统都是一个重要的参数。 影响分辨率的三个参数 波长 数值孔径NA 工艺因子k 焦深 焦点周围有个范围，在这个范围内图像连续地保持清晰，这个范围被称做焦深或DOF。 光刻工艺中，焦深应穿越光刻胶层上下表面。 焦深、分辨率和宽容度 焦深方程式的含义是如果分辨率提高了焦深就会减小。然而焦深的减小严重缩减了光学系统的工艺宽容度。 CMP对光刻的意义在于，它使减少焦深获得较高的图形分辨率成为可能。 五代光刻设备 接触式光刻机 接近式光刻机 扫描投影光刻机 分步重复光刻机 步进扫描光刻机 接触式光刻机 5um及以上 手动对准 易被沾污 当硅片尺寸增加就有套准精度问题 接近式光刻机 2-4um 紫外光发散，减小了分辨能力 扫描投影光刻机 1um以上 1:1掩膜板 分步重复光刻机 0.35um, 0.25um 只投影一个曝光场 具有使用缩小透镜的能力，制造投影掩膜板更容易 对平整度和几何形状变化的补偿更容易 步进扫描光刻机 优点： 增大了曝光场，可以获得较大的芯片尺寸 每次曝光可以曝光多个图形 在整个扫描过程有调节聚焦的能力，使透镜缺陷和硅片平整度变化能够得到补偿 挑战：增加了机械容许偏差控制的要求 步进扫描光刻机的三个目标 使硅片表面和石英掩膜板对准并聚焦 通过对光刻胶曝光，把高分辨率的投影掩膜板上得