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【科普】半导体器件制造的关键技术- 曝光  

2013-08-24 07:41:20|  分类: 默认分类 |  标签: |举报 |字号 订阅

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【科普】半导体器件制造的关键技术- 曝光 - COXEM北京办公室 - --酷塞目[中国]销售及服务中心--
  
编辑:驰奔
     在过去的十几年中,半导体微电子产业已经推进到了亚微米阶段。目前已经推进到纳米阶段。在此期间,与半导体微电子产业相关的微纳加工技术得到飞速发展。在这些相关技术中,图形曝光技术是微电子制造技术发展的主要驱动者。曝光图形分辨率和套刻精度的不断提高,促成了器件集成度的提高和成本的下降。在某种意义上说,图形曝光技术决定了半导体器件和超大规模集成电路的性能和生产成本。在半导体器件的制造中,首先需要在晶片上形成所需要的图形,这些图形就是通过曝光工艺来完成的。图形最小的特征尺寸决定了半导体器件的性能和生产成本。因此,曝光工艺成为半导体器件制造的关键技术。
     
曝光就是指在涂有感光胶的衬底片上形成感光胶图形。这种工艺可以通过将掩模上的图形转移到胶上来完成,也可以由光束、电子束、离子束等直接写到胶上来实现。曝光工艺的特性可以用分辨率、对准精度和生产率来表征。分辨率是指满足精度要求的图形最小特征尺寸;对准精度是指套刻工艺中同一样片本次曝光和上次曝光的图形相对位置的精度;生产率是指单位时间完成曝光的样品数。根据曝光工艺特性的不同,可以分为传统光学曝光、电子束曝光、离子束曝光、射线曝光和极紫外曝光等曝光技术。

 曝光技术分类

1、传统光学曝光编辑:酷塞目[北京办公室] 驰奔 编辑:酷塞目[北京办公室] 驰奔 

传统光学曝光是最早用于半导体集成电路的微细加工技术,是超大规模集成电路生产的主要方法。光学曝光是一种平面工艺,器件的三维结构是从衬底片平面开始一层一层做上去的,而不是传统机械加工的直接三维成型。通常的工艺流程是通过掩模制作工艺将二维图形刻录到掩模版上,再由光学曝光把掩模版上的图形转移到光刻胶上。经过曝光显影之后,光刻胶上就再现了掩模版上的图形。下面一步就是用光刻胶做掩模将图形转移到下一层衬底材料上。传统光学曝光可基本分为接触式曝光、接近式曝光和投影式曝光。

光刻系统包含以下几个部分:辐射源、辐射控制系统、光刻胶、样品,为了得到更小尺寸的光刻图案,对用于光刻的光源,要求其特征光波波长更小,而且光源应有足够的强度,能实现快速曝光,实现大规模生产。汞弧光灯是早期常用的光刻光源。汞弧光灯包含有三条特征谱线:G线(436nm)、H 线(405nm)、I 线(365nm)。通过汞弧光灯能达到的分辨率为400nm 左右。通过在汞弧光灯中加入氙气可以得到250nm 波长的光,但其强度不满足光刻要求。为了解决光刻强度的问题,目前工业界大量采用的光源系统是准分子激光器。准分子激光器在深紫外光谱范围内是最亮的光源。通常通过准分子激光器可以得到的光波波长为248nm、193nm(DUV)和157nm(VUV)。准分子激光以多模形式强烈发射,具有相对弱的空间相干性,光刻精度可以达100nm 以下。光刻精度受到光学衍射的限制,当被曝光的图形特征尺寸小到照明波长时,则该结构有可能经过曝光及显影、定影之后,图形非常模糊甚至光刻不出来。利用深紫外曝光的方法制作光子晶体最大的难度在于修正光学近邻效应的影响。

2、电子束曝光 

在微电子时代,光学曝光即光刻一直是产生微结构图形的主要方式。然而,由于光刻所获得图形的最小线宽受制于光源波长和系统的数值孔径,因此,在纳电子时代,为了获得亚微米甚至纳米量级的图形,需要采用波长更短、数值孔径更大的曝光系统。从缩短波长的角度出发,普通光刻的替代技术主要有深紫外光刻、X 射线光刻等,从增大数值孔径的角度出发,可采用浸没式光刻的方式。然而,在实验研究中,由于不需要考虑生产效率的问题,灵活性大、分辨率高的电子束直写曝光技术应用最为广泛。

电子束曝光是利用电子束在涂有感光胶的衬底片上直接描画图形的技术。该技术是在扫描电子显微镜技术的基础上发展起来的。电子束曝光的最大特点是分辨率很高。电子束曝光系统的加速电压通常在1kV ~ 50kV 之间,相应的电子束波长范围在100 pm ~ 5pm。由于波长很短,使得在曝光时电子束的衍射效应可以忽略不计。它的图形分辨率主要取决于电子束斑尺寸和电子在感光胶材料内的散射效应。电子束曝光的极限分辨率一般在几个纳米左右。目前,采用电子束曝光技术已经成功制作出最小线宽小于10nm 的结构。同传统的光学曝光方式不同,电子束曝光可以通过计算机软件的控制在感光胶上直接产生图形,不需要预先制作掩模。这样的图形制作周期短,且容易修改。缺点是由于图形是按顺序写入,而不是同时曝光,因此生产效率远远低于传统光学曝光。同时,电子束曝光在图形密集的区域还会产生邻近效应,影响图形的分辨率和精度。因此在制作图形时还需要做邻近效应修正。

电子束曝光技术的主要工艺过程为涂胶、前烘、电子束曝光、显影和坚膜. 现代的电子束光刻设备已经能够制作小于10nm的精细线条结构. 电子束光刻设备也是制作光学掩膜版的重要工具. 影响曝光精度的内部工艺因素主要取决于电子束斑尺寸、扫描步长、电子束流剂量和电子散射引起的邻近效应. 电子束的能量越高,束斑的直径就越小,比如10keV的电子束斑直径为4nm, 20keV时就减小到2nm. 电子束的扫描步长由束斑直径所限制. 步长过大,不能实现紧密地平面束扫描;步长过小,电子束扫描区域会受到过多的电子散射作用. 电子束流剂量由电子束电流强度和驻留时间所决定. 电子束流剂量过小,抗蚀剂不能完全感光;电子束流剂量过大,图形边缘的抗蚀剂会受到过多的电子散射作用. 由于高能量的电子波长要比光波长短成百上千倍,因此限制分辨率的不是电子的衍射,而是各种电子像散和电子在抗蚀剂中的散射. 电子散射会使图形边缘内侧的电子能量和剂量降低,产生内邻近效应;同时散射的电子会使图形边缘外侧的抗蚀剂感光,产生外邻近效应. 内邻近效应使垂直的图形拐角圆弧化,而外邻近效应使相邻的图形边缘趋近和模糊. 影响曝光精度的外部工艺因素包括电子抗蚀剂的厚度和显影时间. 电子抗蚀剂越薄,曝光图形的分辨率会越高,但掩蔽作用会降低. 显影时间越长,图形边缘越不清晰甚至扩展. 此外环境温度、电磁干扰、机械振动和电源不稳定都会影响曝光精度. 电子束光刻可以在计算机的控制下直接产生所要求的图形. 由于电子束偏转场(即写场)很小,通常为100~1000m2, 所以电子束曝光图形是由写场拼接而成. 电子束扫描完一个写场,激光控制的工作台将下一个相邻区域按指令移动到电子束扫描范围内. 因此,写场对准是决定图形拼接精度的关键步骤. 现代的电子束光刻设备的写场拼接误差已经达到30~60nm. 曝光的图形尽量放在同一写场内. 对于大于写场的图形,要避免图形关键部位在写场边界. 通常写场越大,电子束偏转就越大,电子散射就越强,曝光精度就越低.

3、离子束曝光

离子束曝光是利用离子束直接在衬底片上描画图形或转印图形的曝光技术。由于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。同时,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。另外,离子束在感光胶内的散射很小,其作用范围也很小,它产生的邻近效应可以忽略不计。离子束还有一个重要应用就是离子束加工。由于最轻的离子如氢离子的质量也是电子质量的1840 倍,它可以直接将固体表面的原子溅射剥离,即不通过掩模在衬底片上直接形成图形。其典型的应用如聚焦离子束(Focus Ion Beam, FIB)技术。但是这种工艺对材料的损伤较大,另外离子束轰击的深度不容易精确控制,因此不适合用来加工有源器件。

4、 X 射线曝光

X射线是指波长范围在0.01nm ~ 10nm内的电磁波谱。X射线曝光技术最早是由美国麻省理工学院的Henry Smith 在20 世纪70 年代初开发的。经过将近40年的发展,已经取得了长足进步。通常X 射线曝光都采用接近式曝光。典型的X 射线掩模版是几个微米厚的碳化硅薄膜。薄膜上的重金属图形作为吸收层。X 射线由等离子体源或者同步辐射源产生。其曝光分辨率取决于菲涅尔衍射和电子在感光胶中的散射。由于X射线的穿透力很强,所以可以用来在厚的感光胶上制作大深宽比的图形。X 射线曝光技术真正用到生产线上仍然有一些关键技术需要解决,如掩模版的制作技术、定位对准技术等,但目前它已经做为一种成熟的技术被应用于微纳米加工的各个领域。

5、 极紫外曝光

极紫外是指真空紫外(VUV)到软X 射线之间那一段波长的辐射线,约在十几纳米附近。极紫外曝光技术通常利用波长为11nm ~ 14nm的辐射线和多层膜反射缩小系统,将反射型掩模图形投影到衬底面上。极紫外曝光由于极紫外的波长很短,可以获得很高的分辨率,而且能保持较长的焦深。反射掩模也比薄膜掩模有更高的强度和稳定性。但这种方法目前仍处于实验室研究阶段,一些关键技术还在研究中。

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