光刻系统及其关键参数在线视频

同学们好

这一节我们继续学习光刻工艺

我们将着重介绍

光刻系统里面的光刻机

掩膜板和光刻胶

同时我们也讨论一下

光刻工艺里面的关键参数

比如说分辨率 景深等等

这张图我们在上一节

用来解释这个光刻系统

那么可以看到

平行光束经过掩膜板之后

掩膜板这有很多开孔和图形 对吧

那么这个光 经过这些开孔

会进行衍射 那衍射后的光束呢

照在光刻胶上面

这里平行光经过开孔产生衍射

这是光刻机系统里面的

关键的这个光学过程

那在物理课上面我们学过

光的衍射 有近场衍射

也就是菲涅尔衍射

还有一种远场衍射

就是夫琅禾费衍射

正是基于光的衍射原理

人们公司设计了光刻机

典型的光刻机有三类

一类叫接触式光刻机

一类叫接近式光刻机

还有一类叫投影式光刻机

那这张图

显示了一个接触式的光刻系统

里面的光这个衍射的过程

在这种情况下

掩膜板是直接和光刻胶层接触的

那这是一个典型的

接触式光刻机的图片

那接触式光刻它的优点是什么呢

结构简单 成本低

那光的衍射效应小

因为这个掩膜板

和这个光刻胶是接触的

那曝光出来的图形

与掩膜板上的图形分辨率是相当的

是这么一个情况

它缺点是什么呢

因为光刻胶和这个掩膜板是接触的

所以光刻胶会污染这个掩膜板

那掩膜板会磨损

那掩膜板的寿命就比较低

只能使用5到25次左右

同时 因为它产能低

每一次只能说一片硅片一片硅片

分辨率也不是很高

所以目前在工业中用到的很少了

但在实验室里面

同学们做你的研究生工作的时候

会经常用到接触式光刻的这个设备

我们来看一段录像

看看如何使用接触式光刻机

这是清华大学微纳技术支撑平台的3英寸接触式曝光机

下面我们将以此设备为例说明接触式光刻机的使用方法

光刻前需准备好光刻用的掩膜版和已经涂好光刻胶并前烘的硅片

首先 来到光刻机气盘

打开3寸光刻机的氮气阀门和真空阀门

回到操作台

开启汞灯进行预热

在板架上放好掩膜版

并按下“板”键启动吸版使掩膜版吸附在板架上

触碰掩膜版边缘确认掩膜版已经吸附牢固

上翻板架

将硅片放置于承片台上

并进行手动的预定位

定位完后按下“片”键启动吸片

并用镊子触碰硅片确认吸附牢固

翻下板架

按下“板”键吸附版架

尝试抬起板架确认板架吸附牢固

旋转顶板螺旋将硅片上顶使其非常靠近光刻版

转动光学头

使显微镜对准承片台

调节显微镜焦距和微动台

使得光刻版与硅片完全对准

移开光学头

左手按下找平按钮

右手旋动顶版螺旋

使得硅片与掩膜版完全贴合

选择曝光方式和曝光时间

具体时间由光刻胶的性质和旋涂厚度决定

移动曝光头进行曝光

等待曝光完毕

曝光完毕后

移开曝光头

旋动顶版螺旋降下硅片

按下“板”键解除板架吸附

上翻板架

按下“片”键解除硅片吸附

将硅片取下

光刻机上的步骤进行完毕

可以进行后续的中烘和显影步骤

当然

光刻完成后记得取下光刻版并将设备电源和气阀关闭

好的 看完接触式光刻系统后

让我们学习一下接近式光刻系统

那这张图显示了

在接近式光刻系统下光的衍射情况

那接近式曝光

叫Proximity Printing

在这种情况下

掩膜板与光刻胶层是有略微分开的

大约是2到20微米左右

2个微米到20微米左右

在这种情况下

可以避免光刻胶

与掩膜板的直接接触

而导致引起的掩膜板的损伤

但是呢

因为它分开之后就会引入衍射效应

就会降低分辨率

掩膜板分开的距离越大

衍射效应越强

那分辨率就越低

好 那么这张图片呢

显示了一个典型的

接近式光刻机的图片

现代的微纳加工中

用的最多的还是投影式光刻机

那这张图显示了在投影机

投影式曝光情况下光的衍射情况

那投影式曝光

我们也叫Projection Printing

是在掩膜板与光刻胶之间

使用透镜聚焦这个光

透镜的聚焦光的方式来实现曝光

那一般掩膜板的尺寸会需要转移

是需要转移的图形的4到10倍来制作

那么掩膜板上的尺寸

是比我们在硅片上尺寸大的

是硅片的尺寸的4到10倍

这样子呢

我们通过这个透镜聚焦

能够实现更高的分辨率

那它的优点就是一提高分辨率

掩膜板的制作更加容易了

因为掩膜板上的尺寸变大了

那掩膜板上的缺陷影响减小

因为掩膜板上的一个缺陷

做到了硅片上

就要除以它的这个倍数它就会变小

那它缺点

就是整个光刻机的成本非常高

它的维护成本也很高

操作光刻机也不是一件简单的事情

那投影式光刻系统呢 又包含两类

第一类叫扫描投影曝光

叫Scanning Project Printing

那这种情况下掩膜板是1比1的

是全尺寸的

那这张图呢

显示了一个扫描式的投影曝光系统

那第二类呢 是叫步进重复投影曝光

叫Stepper

那这种情况下掩膜板是缩小比例的

可能是4比1 或者5比1 或者10比1

那它曝光的区域叫Exposure Field

可能是22×22毫米

对吧 那么这个所谓的曝光区域

就讲一次曝光

所能覆盖的区域在硅片上面

当然 不同的光刻机

不同的精度下面有不同的曝光区域

那么这张图呢

我们显示了一个

步进重复投影曝光系统

好 上面介绍了三种类型的光刻机

总的来说

光刻机就是将掩膜板上的图形

与前次工序中

已经刻在硅片上的图形对准

对准之后呢

再将硅片表面的光刻胶进行曝光

实现图形复制的设备

那么我们来看光刻机

它的三个主要的形成指标是什么

第一个分辨率 这是最主要的指标

也就是说这台光刻机

可以曝光出来的最小特征尺寸

第二个是对准和套刻精度

这是描述光刻机

加工图形重复性的那个指标

是层间套刻精度的度量

就是一层一层之间套刻精度的度量

主要取决于

掩膜板和硅片的支撑平台

图形对准和移动控制的精度的性能

那第三个呢 光刻机的产率

那指的是每个小时

可以加工的硅片数目

在尤其在生产过程中

你希望产率越高越好

不然你的成本就很高

好 我们前面讲了很多

提到很多光刻机的这个分辨率

那么光刻过程

分辨率是非常重要的

可以说是最重要的指标

那光刻的分辨率又是怎么计算的呢

好 让我们回头

再去看看这个光学物理这一块

看看这个夫琅禾费衍射过程

那这张图显示了一个小孔

直径是d 半径是a

在距离R的地方呢

去观察这个衍射图形

那这个R呢

一般是在聚焦面f处

在这种情况下R就等于f

那从光学课程上

我们学习到在R的地方

可以观察到光的衍射的这个图案

那第一个光最弱的地方

它的距离我们定义为q1的话

那q1是多少呢

那夫琅禾费衍射定律告诉我们

这个q1就等于1.22乘以这个R

这个R乘以lamda

lamda是这个光波长

除以2a 就它的直径

也就是q1等于1.22×f乘以lamda

除以2a

这个时候呢

如果远处有两个很接近的点

经过这个直径为d的小孔

这两个点在聚焦面上

都会形成衍射图案

在聚焦面上可以分辨出来这两个点的最小距离是多少呢

这时候瑞利判据

Rayleigh's criteria告诉我们

如果在聚焦面上想区分这两个点

那么一个点的衍射中心

正好要在另外一个点的衍射的

它的图斑里面的第一个最弱的地方

也就是说聚焦面上的分辨率

R就等于1.22乘以f乘以lamda除以d

好 那这张图很好的解释了

分辨率的问题

大家可以看看

左图显示如果两个衍射图斑的

最高峰相距很远

这时候肯定是没问题的

可以分得很清楚 是吧

那右图呢

如果两个衍生图斑很近的时候

当最高峰很近 两个光一叠加

就变吃只有一个峰了

当然就没有办法分辨清楚两个点了

那中间图显示了

就恰好可以把它区分开

那这个恰好就是我一个最高峰

正好落在另一个衍射图案的第一个最弱处

叫first minimum

那最后加和的图案

还是可以看出来两个峰的

那把这两个峰给区分开 就是两个点

这也就是我们定义的分辨率

好 下一步让我们来定义

光刻系统里面的数值孔径

那数值孔径呢

也叫Numerical Aperture 简称NA

那么我们定义这个NA呢

就等于n0乘以sin(alpha)

这个n0呢 是指中间介质的折射常数

如果在空气中 n0就等于1

如果在其它液体中

那n0就等于对应的

那个液体的这个折射常数

如图所示

我们看这个图sin(alpha)呢

就是聚光镜的半径

除以镜头和硅片的距离

当这个alpha角度很小的时候呢

sin(alpha)就等于tan(alpha)

也就是1/2d除以a了

在这种情况下NA

就是这个数值控径就等于d/2f了

那么光刻系统的数值孔径NA

它是什么含义呢

它代表了这个光刻系统

收集光的能力

也就是说当镜头越大d越大 NA越大

当f越小 就硅片和镜头距离越近

NA也越大

这和我们直观的理解是一致的

好了 回到分辨率的计算

我们刚刚说了

这个R等于1.22乘以f*lamda除以d

那NA又等于d除以2f

所以说我们替代过来

R就等于0.61倍乘以lamda除以NA

考虑到光刻系统

还有其他的一些影响因素

我们用R等于k1乘lamda除以NA

这个公式来代表分辨率的计算

那这个k1呢

是综合反映了整个光刻系统的参数

一般在0.6到0.8之间

和照相过程有个景深的概念一样

大家照相会知道景深的概念

那光刻过程也有一个景深的概念

那光刻过程中景深的计算

在课堂上我们就不展开讨论了

请同学们课后自学

整个推导过程

和前面的分辨率推导是一样的

那景深我们英文叫Depth of Focus

那么它这个地方呢

就delta(z)=k2*(lamda)/(NA)2 (NA的平方)

这里k2呢

也是一个针对不同光刻系统的

一个参数

那k1 k2都是针对不同的光刻机

它有不同的数值的

那么一般都是这个厂家

他在出厂的时候

会把这个数值提供给你

好 让我们用一张图

这张图来说明一下景深的重要性

这张图显示了我们来的硅片

它是不平整的

有高有低 对吧

那当我们需要在硅片的光刻胶上面

定义两条线的时候

如果高低两个平面的高度差

超过了景深的情况下

那么高处如果聚焦了

那低处就失焦了

反之 如果低处聚焦了

高处就失焦了

这很麻烦

这就是说当硅片表面不平整

会导致在一次光刻下面

只有部分图形是聚焦的

部分图形是失焦的

那这在微纳加工中

是没有办法接受的

那这个问题如何解决呢

这在我们后续的课程里面

我们会介绍这个化学机械抛光

叫CMP的工艺 来解决这个问题

就是对硅片进行平整化

平整化之后

我们就不存在这个景深的问题

好了

我们下面介绍两个非常重要的参数

一个是分辨率 就是R

一个呢 是景深 就DOF

希望大家能够记住这两个公式

大家看一下这两个公式 再看一遍

从公式中我们可以看出 这个NA

就光刻系统的数值孔径NA

对于R分辨率和这个DOF

景深的影响是相反的

就NA对于R和DOF的影响是相反的

当这个数值孔径NA大的时候呢

分辨率提高了 但是景深就变小了

就变差了

但是呢

因为我们可以通过CMP平坦化的工艺

来解决景深的问题

所以说分辨率就成为光刻系统里面唯一的最为重要的目标了

所以我们希望光刻系统的lamda

也就是入射光的光波长越小越好

希望光刻系统的数值孔径

NA越大越好

光刻那么我们讲完这个光刻机

光刻过程之后呢

下面呢

我们再来讲一讲光刻工艺中的掩膜板

这张图显示了一张掩膜板

这是掩膜板的截面图

可以看到 掩膜板呢

是由石英或者玻璃作为基座

在其表面

有一层50到500纳米的

这个铬层或者乳胶层

那这一层是带图形的

那么这层图形呢

就是在光刻过程中

转移给光刻胶的图形

好 讲完了这个掩膜板

我们再看一看光刻胶

光刻胶分三种

一种叫正性的光刻胶

正性光刻胶呢 就表示呢

曝光区域呢 更容易在显影液中溶解

就是说当正性的

这个光刻胶被曝光了

那当你在显影液里面

它就容易被溶解了

这部分就会被去除了

另外一种叫负性光刻胶

叫negtive photoresist

那就是说曝光区域呢

不容易在显影液中溶解

就是说当这个光刻胶

被光照了之后呢

它变得很难溶解了

相反那些没有被照的就容易溶解

所以这是相反的

那么现在还有一种

叫化学放大光刻胶

这是由于光敏的这个产酸物PAG

酸敏树脂和溶剂组成的

这个化学放大光刻胶

那么这一个光子呢

可以触发许多化学反应

灵敏度大大提高

总的来说

由于光刻胶对光线是敏感的

所以需要在黄光下面操作

这是为什么大家看到

光刻都是在黄光区域进行的

因为如果说直射阳光的话

它里面这个光

会对这个光刻胶有影响

好的 这一节我们着重学习了

光刻系统 包括光刻机

包括掩膜板和光刻胶

另外我们重点讨论了

光刻的重要参数

包括分辨率和景深

希望同学们课后呢

可以仔细阅读相关的章节

将内容呢 学懂学透

光刻是微纳加工里面一个核心工艺

好 谢谢大家