芯片制造工藝：光學光刻-掩膜、光刻膠

光刻就是將掩膜上的幾何圖形轉移到涂在半導體晶圓表面的光敏薄層材料（光刻膠）上的工藝過程。為了產生電路圖形，還需要再一次把光刻膠上的圖形轉移到光刻膠下面的組成集成電路器件的各層上去（刻蝕）。

1.光學光刻-掩膜、光刻膠

1.1 潔凈室? ? ?

由于空氣中的塵埃粒子會落到半導體晶圓和光刻掩模上，致使器件中產生缺陷，導致集成電路失效，因此潔凈室是必需的。?制造集成電路的大多數工藝區域要求100級（空氣中每立方米內直徑大于等于0.5μm的塵埃粒子總數不超過約3500）潔凈室，在光刻區域，潔凈室要求10級或更高。

1.2 光刻膠? ??

光刻這個步驟中，首先是涂光刻膠：

涂光刻膠的過程：

將光刻膠涂在晶圓上，并讓晶圓高速旋轉，使光刻膠均勻分布

圖源：Sanken Electric

光刻膠是一種對輻射敏感的化合物，分為正膠和負膠。正膠的曝光部分在顯影時更易溶于溶劑而被去掉，所得的圖圖像與掩模上的相同。負膠的曝光部分在顯影時更不易被溶解，因此所得圖形與掩模上的相反。

圖(a)給出了典型的曝光反應曲線與正膠圖像的截面圖。光刻膠即使沒有曝光，在顯影液中也有一定的可溶性。隨著曝光能量的增加，可溶性逐漸增加，達到閾值能量Er后，光刻膠完全可溶。圖(b)負膠同理。

由于存在衍射，光刻膠圖像邊緣一般不在掩膜圖像邊緣的垂直投影位置上，而是在吸收的光能總量等于閾值能量Er的位置上。

1.3?掩膜

集成電路制造所用的掩膜通常是縮小倍數的掩膜。制作掩膜是用電子束曝光系統將圖形直接轉移到對電子束敏感的掩膜上。掩模由鍍鉻玻璃板組成。電路圖形首先被轉移到對電子敏感的掩模上，再被轉移到下面的鍍鉻層上，最終得到需要的掩模。

一塊掩膜上的圖形代表了集成電路設計中的一層。綜合的布局布線圖按照集成電路制造對應的工序分成若干塊掩模層，例如隔離區是一層，柵極區是另一層等。一般一個完整的集成電路工藝流程需要15~20層不同的掩膜。

2.光學光刻-曝光(設備、原理)

2.1?遮蔽式曝光（接觸式曝光、接近式曝光）：

有兩種基本的光學曝光方法：遮蔽式(shadow)曝光與投影式(projection)曝光。遮蔽式曝光可分為兩種：掩模和晶圓直接接觸，稱為接觸式曝光；掩模和晶圓非常靠近但不接觸，稱為接近式曝光。

圖(a)為接觸式曝光。涂了光刻膠的晶圓與掩模直接接觸，分辨率可達1μm。但是，當掩模與晶圓接觸時，晶圓上的塵埃粒子或硅渣會嵌入掩模，對掩模造成永久性損傷，使隨后使用它曝光的每個晶圓上都留下缺陷。

要把掩模的受損程度減至最小，可采用接近式曝光，如圖(b)所示：曝光時在掩模與晶圓之間有一個小的間隙(10~50μm)。這個小間隙使掩模圖形邊緣處形成光學衍射，即在光通過不透明掩模圖形邊緣時，形成一些干涉條紋，有一些光進入陰影區，使分辨率降到2~5μm范圍.

在遮蔽式曝光中，可以達到的最小線寬CD(critical dimension，也稱臨界尺寸）約為

因此，減小λ(曝光所用的光波波長)與g(掩模與晶圓之間的距離，包括光刻膠的厚度)都是有利的。?當λ＝0.4 μm,g=50 μm時，臨界尺寸CD為4.5 um。若λ降到0.25μm（波長為0.2~0.3μm的光屬于紫外光譜區）,g減小到15μm，則CD降為2μm。然而，在距離g給定后，直徑大于g的塵埃粒子仍能造成掩模的損傷。

2.2 投影式曝光

為了克服遮蔽式曝光的掩模損傷問題，出現了投影式曝光設備：

此類設備可將掩模上的圖形投影到距離掩模幾厘米遠的涂有光刻膠的晶圓上。每次只曝光掩模的一小部分，然后移至下一個芯片位置曝光，用掃描或分步重復的方法使小面積圖形布滿整個晶圓。

圖源：Sanken Electric

重點：分辨率的影響因素有哪些：

投影時，當掩膜上的尺寸比光的粒子性質大，效果就很好。但在較小的尺寸下，即掩模上的尺寸與光的波長相當，衍射效應占主導地位，即光的波動性。

艾里斑(Airy disk)是點光源通過衍射受限成像時，由于衍射而在焦點處形成的光斑。

艾里斑(Airy disk)

最中心的圓的直徑為1.22λf/d。那么掩膜上2個很緊鄰的特征會發生什么？

圖源：https://slideplayer.com/slide/5732688/

成像面上的A'和B'是否可分辨呢？這就引出了瑞利判據：

考慮衍射情況下的艾里斑，當2個物點過于靠近，則不可分辨；當一個物點正處在另一個物點的艾里斑的第一個暗環位置時，稱為剛剛好可分辨的狀態：

圖源：www.edinst.com

依據瑞利判據，有了投影系統分辨率(線寬)的公式：

lm=k1?·?λ / NA

λ為曝光波長。

k1為工藝參數，包含光學鄰近效應、光刻膠的化學成分、光刻系統的溫度等多個參數。

NA為數值孔徑，由下式給出：

NA=nsinθ

其中，n為成像介質的折射率，θ為光線在晶圓處匯聚成點像時的錐體頂角的一半

從分辨率公式?lm=k1?·?λ / NA?可知，要提高分辨率，可以減小λ?、減小k1或增大NA。從上圖也可以看到，θ的增大雖然會增大NA，但是也會讓焦深DOF減小。

瑞利判據還有第二個限制條件是針對焦深DOF(δ)做出的，即：

所以，在優化過程中，需要綜合考慮多方面因素。

3.光學光刻-提高分辨率：

3.1 減小λ：從436nm到13.5nm

圖源：整理自《半導體制造工藝基礎》、《極紫外光刻》

3.2?增大NA

根據公式?NA=nsinθ 可知，NA由透鏡的接收角和透鏡周圍介質的折射率決定。所以，有兩個方向可以增大NA：

(1)優化鏡片(改變sinθ)

在曝光波長縮短的同時，鏡頭設計的改進也導致曝光系統鏡頭的數值孔徑(NA)得到改善，見圖。在八十年代中期，NA 值約為 0.4 ，后來248nm 曝光系統的 NA 大于 0.8。使用空氣作為透鏡和晶圓之間介質的曝光系統的 NA 物理極限為 1，實際極限約為 0.9.

(2)改變介質(折射率)--浸沒式光刻

NA 由透鏡的接收角和透鏡周圍介質的折射率決定。基于空氣的系統的物理限制是明確的，但如果用具有更高折射率的介質代替空氣呢？多年來，顯微鏡一直在鏡頭和所觀察的樣品之間使用油來提高分辨率，令人驚訝的是，半導體行業花了很長時間才考慮用替代品替代空氣。

圖源：www.nikon.com

3.3?減小K1：相移掩膜、光學鄰近效應矯正、離軸照明、雙重曝光

(1)相移掩膜 PSM

相移掩模(phase-shifting mask)原理如圖:

傳統的掩模，每個縫隙處電場的相位都相同，如圖(a）所示。光學系統的衍射與分辨率的限制使得晶圓上的電場分布散開，如圖中虛線所示。相鄰縫隙處的衍射波相互干涉，增強了兩者之間的電場。由于光強度I與電場的平方成正比，因此，若兩個圖形靠得很近，經過投影后就很難分辨了。將相移層覆蓋在相鄰縫隙處，則可以使其電場方向相反，如圖(b）所示。因為掩模上的光強度未改變，晶圓上圖形的電場可被抵消，所以兩個靠得很近的圖形也可以清晰地分辨。180°的相位變化可以通過在縫隙處添加一個厚度為d＝λ／2(n-1)的透明層得到，其中n是折射系數，λ是波長。

(2)光學鄰近效應矯正 OPC

光學鄰近效應校正(optical proximity correction)是通過采用對鄰近區域修正過的圖形來提高圖像的質量，可用于在一定程度上補償衍射效應。

例如，若接近分辨率極限的方形接觸孔刻出來像一個圓孔，則可在掩模方形接觸孔的拐角處對圖形進行修正，使它刻出來成為一個準確的方孔。

OPC還分為基于規則和基于模型兩種：

圖源：https://slideplayer.com/slide/5732688/

(3)離軸照明

離軸照明即光源不在軸上：

圖源：https://slideplayer.com/slide/5732688/

“離軸照明”允許捕獲一些高階衍射光，從信息光學的觀點看，掩模圖形經投影物鏡成像時，由于投影物鏡的數值孔徑有限，高頻部分不能進入光瞳對成像無貢獻，使硅片面上的掩模像的對比度降低，影響成像質量。由于0級衍射光不包含掩模圖形的任何空間調制信息，所以要對掩模圖形成像至少要包含1級衍射光。在投影曝光系統中掩模圖形的空間像的對比度依賴于投影物鏡中參與成像的1級衍射光的比例。離軸照明技術通過降低成像光束中的低頻成分來提高高頻成分在總光強中的比例從而提高了空間像的對比度，同時還可以提高焦深。