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光刻的要求
35％的成 本来自于 光刻工艺
图形转移技术组成： •掩膜版/电路设计 •掩膜版制作 •光刻
光源 曝光系统 光刻胶
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集成电路工艺原理
第三讲 光刻原理 1
空间图像
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潜在图像
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集成电路工艺原理
第三讲 光刻原理 1 掩膜版制作
CAD设计、模拟、验证后由图形发生器产生数字图形 ×1掩膜版 （mask）制作
集成电路工艺原理
第三讲 光刻原理 1
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接触式光刻机原理图
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集成电路工艺原理
第三讲 光刻原理 1 接近式光刻机原理图
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CD:2~5um
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集成电路工艺原理
第三讲 光刻原理 1 扫描投影式光刻机原理图
1:1曝光系统 CD>1um
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集成电路工艺原理
第三讲 光刻原理 1
步进投影式光刻机原理图
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投影掩模版称为“reticle”— —与mask之间有一定放大比 例 步进扫描光刻机
10:1 5:1 1:1
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集成电路工艺原理
第三讲 光刻原理 1
DSW－direct step on wafer
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集成电路工艺原理
第三讲 光刻原理 1
1、Using light source with shorter
光源 汞灯 汞灯 KrF(激光) ArF (激光) F2 (激光) 波长(nm) 436 365 248 193 157 术语 g线 i线 DUV 193DUV VUV 技术节点 >0.5mm 0.5/0.35mm 0.25/0.13mm 90/65…32nm CaF2 lenses
/ 4 cos
很小时， / 4 [1 (1 2 / 2)] 2 / 2
sin d NA
2f
焦深
DOF k2

(NA)
2
NA，焦深
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集成电路工艺原理
第三讲 光刻原理 1
作业3
强氧化
HF:DI H2O
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集成电路工艺原理
第三讲 光刻原理 1
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第一讲 第二讲 第三讲 第四讲 第五讲 第六讲 第七讲 第八讲
前言 实验室净化及硅片清洗 光刻原理 1 光刻原理 2 热氧化原理 1 热氧化原理 2 扩散原理 1 扩散原理 2
第九讲 第十讲 第十一讲 第十二讲 第十三讲 第十四讲 第十五讲 第十六讲 第十七讲
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集成电路工艺原理
第三讲 光刻原理 1
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两类曝光系统的空间图像比较
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集成电路工艺原理
第三讲 光刻原理 1 光刻胶
光刻胶的作用：对于入射光 子有化学变化，保持潜像至 显影，从而实现图形转移， 即空间图像潜像。 灵敏度：单位面积的胶曝光 所需的光能量：mJ/cm2 正胶 烃基高分子材料 正胶分辨率高于负胶 抗蚀性：刻蚀和离子注入 IC主导 负胶
集成电路工艺原理
第三讲 光刻原理 1
两个爱里斑之间的分辨率（瑞利判据）：
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1.22f 1.22f 0.61 R＝ d n(2 f sin ) n sin
数值孔径：收集衍射 光的能力。n为折射率
NA n sin
分辨率
R k1 NA
k1=0.6-0.8
f
提高分辨率： NA，，k1
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＝436 nm时，0＝NA/0.61＝0.35/(0.61×0.436)＝ 1.32/mm
即分辨率为每mm的0.686对（=0.520 ） 最小线条的分辨尺寸为0.73 mm或pitch＝1.46 mm 若＝365 nm（i-line），则分辨尺寸可减小为0.61 mm。 DOFg-line＝3.56 mm， DOFi-line＝2.98 mm（假定k2＝1）
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集成电路工艺原理
第三讲 光刻原理 1
1
集成电路工艺原理
仇志军
zjqiu@ ftp://10.12.241.99 (username & password: vlsi) 邯郸路校区物理楼435室
助教：沈臻魁 072052045@ 杨荣 072052028@ 邯郸路校区计算中心B204
离子注入原理 1 离子注入原理 2 薄膜淀积原理 1 薄膜淀积原理 2 薄膜淀积原理 3 刻蚀原理 接触和互连 工艺集成 前瞻性工艺研究
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集成电路工艺原理
第三讲 光刻原理 1
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光刻的作用和目的
图形的产生和布局
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集成电路工艺原理
第三讲 光刻原理 1
分辨率（高） 曝光视场（大） 图形对准精度（高）——1/3最小特征尺寸 产率（throughput）（大） 缺陷密度（低）
2
Wmin g
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集成电路工艺原理
第三讲 光刻原理 1
投影式——远场衍 射（Fraunhofer） 像平面远离孔径， 在孔径和像之间设 置镜头 Nhomakorabea18
1.22f d
爱里斑
1.22f 中心极大半径＝ d
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集成电路工艺原理
第三讲 光刻原理 1
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投影式
集成电路工艺原理
第三讲 光刻原理 1
3、Increasing NA
Lens fabrication Immersion Lithography Numerical Aperture: NA=nsin
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[nm]
436 365 248 193
NA 0.15-0.45 0.35-0.60 0.35-0.82 0.60-0.93
集成电路工艺原理
第三讲 光刻原理 1
2、Reducing resolution factor k1
Normal Mask
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Phase Shift Mask
R k1 NA
I EE
*
Pattern dependent • k1 can be reduced by up to 40
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The bottom line is chip yield. “Bad” die manufactured alongside “good” die. Increasing yield leads to better profitability in manufacturing chips.
本征吸杂和非本征吸杂
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集成电路工艺原理
第三讲 光刻原理 1
例题：假定某种光刻胶可以MTF＝0.4分辨图形，如果曝光系 统的NA＝0.35，＝436 nm（g-line），S＝0.5。则光刻分辨的 最小尺寸为多少？如果采用i线光源呢？ 解：从图中可以知道：S＝0.5 ，MTF＝0.4，对应于=0.520。
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接触式、接近式光刻
数字图形
×4或×5投影光 刻版（reticle） 投影式光刻
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集成电路工艺原理
第三讲 光刻原理 1
×4或×5投影光刻版在 制版时容易检查缺陷 版上缺陷可以修补 蒙膜(pellicle)保护防止颗 粒玷污 光刻胶 10～15nmARC（antireflection coating） 80nmCr 熔融石英玻璃片
集成电路工艺原理
第三讲 光刻原理 1 曝光系统
接触式和接近 式——近场衍 射（Fresnel） 像平面靠近孔 径，二者之间 无镜头系统
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集成电路工艺原理
第三讲 光刻原理 1
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接触和接近式
利用Fresnel衍射理论 计算的间隔范围：
gW
最小分辨尺寸 g＝10 mm， ＝365 nm（i线）时， Wmin2 mm
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集成电路工艺原理
第三讲 光刻原理 1 g线和i线光刻胶的组成
（正胶－positive photoresist, DNQ） a) 基底：树脂 是一种低分子量的酚醛树脂 (novolac, a polymer) 本身溶于显影液，溶解速率为15 nm/s。
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b)光敏材料（PAC－photoactive compounds) 二氮醌 (diazoquinone, DQ) DQ不溶于显影液，光刻胶在显影液中的溶解速率为 1－2 nm/sec 光照后，DQ可以自我稳定（Wolff重排列），成为溶于显影液的 烃基酸（TMAH四甲基氢氧化铵——典型显影液） 光照后，光刻胶在显影液中的溶解速度为100－200nm/s
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集成电路工艺原理
第三讲 光刻原理 1
瑞利给出恰可分辨两个物点的判据：
点物S1的爱里斑中心恰好与另一个点物S2的爱里斑 边缘（第一衍射极小）相重合时，恰可分辨两物点。 S1 S2 S1 S2 S1 S2
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分辨率
可分辨
100% 73.6%
恰可分辨
不可分辨
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集成电路工艺原理
第三讲 光刻原理 1
2、Reducing resolution factor k1
Resist chemistry
436,365 nm: Photo-Active-Component (PAC) 248,193 nm: Photo-Acid-Generator (PAG)