微细光刻技术.pdf

本发明涉及微细加工技术中精密图形的制作方法，它特别适用于微米及亚微米级精密图形的制作。
    目前，公知的微细加工技术，通常使用光学透镜进行图形投影缩小曝光来加工诸如大规模集成电路的微米级精细图形。据资料（New-man R.，Lin B.J.，1980，Fine Line lithography PP 107-109（North-Holland Publishing Com-Pany Amsterdam，New York）介绍，光学投影曝光系统的分辨率（W）除受光致抗蚀剂和基片的特征限制外，主要由透镜的调制传递函数（MTF）决定，而MTF直接与透镜的数值孔径（NA）相关，用NA大的透镜，投影曝光系统的分辨率高（W＞0.6λ/NA），即能得到更精细的几何图形。然而，NA大必然使焦深（Z）减小（|Z|＜0.8λ/（NA）²），因此，给精细图形线条宽度的控制带来大的困难，出现高分辨率和长焦深的要求的相互矛盾，限制了曝光机的成象性能，因此，对于分辨率和焦深只能进行折衷选择。虽然透镜系统的分辨率只与它的数值孔径有关而与缩小倍率无关，但是缩小倍率越大，容许的数值孔径NA也就越大。然而，用较大的数值孔径来提高分辨率，必然会使图象视场面积减小。

    在投影缩小曝光系统中，为了在高的空间频率下获得所要求的对比度，需要许多性能极高的透镜组成折射镜头。这些透镜引起的光散射、色散和驻波效应使精细图形的线宽变化的控制变得很困难。

    如采用缩短曝光光源的波长（如采用远紫外光）可提高衍射限制透镜的分辨率，但是在较短波长下，光学玻璃吸收能力强，将会带来透镜设计方面的困难。

    另外，投影缩小曝光系统在工作时对环境条件的要求苛刻，加之这种曝光系统采用的掩模版，其各种图形尺寸是按等倍率设计，因此，版面的尺寸大，制作难。

    综上所述，光学投影缩小曝光系统具有高分辨率，高的线宽控制精度。由于依赖于光学透镜组合镜头进行缩小曝光，所以，存在设备复杂、制造难度高，技术条件苛刻，价格昂贵和效率低等缺点。

    如果采用紫外光接近式曝光系统，虽然具有生产效率高，操作简便的优点，但是该系统分辨率低，仅适用于2～4微米线宽图形的加工，它不具有缩小曝光的能力，只能采用1∶1的曝光方式。致使精细图形掩模版的制作困难。另外，该系统的分辨率W＞0.5·λ·Z]]>，分辨率受到紫外光波长λ和掩模版至基片表面的间隙距离Z的限制，即使选用远紫外曝光光源，Z的数值也只有几个微米。因而在基片表面引起高的缺陷密度。

    本发明的任务是为超大规模集成电路、微波半导体器件、激光器、精密传感器等提供一种新的光学衍射缩小曝光方法，用于微米及亚微米线宽的精细图形的加工，而不需要复杂的光学透镜系统。

    发明是以如下方式完成的：光刻掩模版与涂有专用抗蚀剂材料的基片之间，间隙距离控制在0～50微米内，这种基片可以是半导体、金属、绝缘体。其上涂有一种高分辨率、高反差的专用负性光致抗蚀剂NPR-C08（发明人研制），在掩模版的透光区，利用紫外光在掩模版与基片表面之间的间隙内衍射光波场强分布形态的规律改变达到缩小曝光。进行衍射缩小曝光时，曝光光光源强度是恒定不变的，对于不同掩模版的最小线宽图形（透光区），选用合适的间隙距离Z，根据光强分布形态，改变曝光时间，便可进行最小线宽图形的1～5倍的缩小曝光，其线宽控制精度在±10%以内。如果基片表面存在台阶，而图形分辨率是在微米及亚微米范围，宜采用多层抗蚀剂系统，将顶层薄的抗蚀剂上形成的衍射缩小的图形通过隔离层转移到底层厚抗蚀剂上，最后采用湿法或干法进行刻蚀，可得到精细图形。

    使用本发明，不需要采用复杂的光学透镜系统，衍射缩小曝光系统的分辨率和焦深的改变是独立进行的，可各自达到最佳化，不必在两者之间进行折衷。衍射缩小曝光系统，其图形的分辨率可达到0.5微米，同光学投影曝光系统在主要性能保持相同的条件下，设备成本比使用的光学投影曝光系统可降低50%左右，生产效率高于投影曝光，操作简便，对环境条件的要求显著低于投影曝光系统。

    衍射缩小曝光系统，使透光的图形具有等量缩小的特点。掩模版上各种几何尺寸的透光图形，经过衍射缩小曝光后，在基片上对应形成的各种尺寸的抗蚀剂图形，其缩小的数量是相等的（光学投影缩小曝光的各种尺寸的图形按等倍缩小）。在保持管芯或电路芯片面积相同的条件下，等量缩小规则的掩模版面的尺寸显著的小于光学投影缩小按等倍缩小规则的掩模版的版面，这对超大规模集成电路的制版有利，同时还可提高制版精度及制版的成品率。

    衍射缩小曝光可使用常规的1∶1光学接近式光刻机来达到1～5倍的缩小曝光，保持0.5微米的分辨率的情况下，可使间隙距离增大到几十微米，工作效率可同于1∶1接近式光学曝光系统。

    衍射缩小曝光系统的分辨率主要由衍射场强度和光致抗蚀剂的分辨率决定，与紫外光的波长无关。因此，它采用通常的近紫外曝光光源，这比采用远紫外光来提高分辨率的光学投影曝光系统优越，设备成本也可进一步降低。

    下面依据附图进一步说明发明的各细节：

    图1A和1B是衍射缩小曝光的剖面图，指出了与本发明一致的连续制造步骤。图1A中，标号10为基片，11为待加工的薄膜（生长在基片上），12为光致抗蚀剂层，13为掩模版（按等量缩小规则设计）14为近紫外光，15为掩模版上透光的图形，16为间隙距离Z，根据要求的缩小倍率由衍射场强度分布图来确定。透过15的紫外光在16的间隙内产生衍射，在一定的Z值范围内，紫外光集聚在15的中心附近狭窄的范围内，其光能量足够使抗蚀剂曝光，形成图像，这个图像可比15的图形缩小1～5倍。17衍射缩小曝光后在光致抗蚀剂内形成与15透光图形相对应的缩小了的潜像。图1B中的10、11与图1A相同。18经过显影后留下的抗蚀剂图形。

    图2所示为实现衍射缩小曝光的方法。从衍射光场强三维分布图看出，X轴表掩模图形（透光部位）宽度的方位，Y轴表衍射光场强E_y|²，Z轴表光掩模版到基片表面的间隙距离。图中，10表示掩模上最小线宽图形的宽度（掩模版置于Z＝0处），11是衍射缩小曝光后在抗蚀剂上可得到的最小线宽图形的宽度，从10所示的宽度转换到11所示的宽度决定了最小线宽图形的缩小倍率。11所处座标位置由衍射光场强三分维布图中X＝0，即中心零级主峰的｜E_y｜²X＝0与第一级（±X₁处）的｜E_y｜²X＝X₁的比值为最大处的Z来确定，在本发明中Z的范围为0～50微米。当Z确定后，调整｜E_y｜²的大小（当抗蚀剂成像所需要的曝光量确定后，改变曝光时间就可实现）就可精确调整11的宽度（即抗蚀剂层成像的宽度）得到要求的缩小倍率。

    图3以平面图表示任意形状、不同方位的掩模图形进行等量缩小的示意图。20以虚线表示各种尺寸的模版图形，21实线表示经衍射缩小曝光后得到的抗蚀剂图形，22表缩小的数值，各种图形，虽然尺寸不同，但缩小的数值却是相同的。23为掩模版上的最小线宽图形，它的宽度按需要的最小线宽抗蚀剂图形的宽度放大1～5倍，它的长度（两端头）以及其它尺寸的掩模版图形（四周）只是增大了一个缩小量（即22表示的数值）。

    下面的实例用于说明本发明，是本发明的最合适的具体实施：

    图1A-1B是按本发明制作的、最小线宽为1微米的多晶硅栅精细图形的一个实施例。其步骤为，在硅基片（10）上生长一层多晶硅薄膜（11），接着在多晶硅薄膜表面上用NPR-C08抗蚀剂（发明人研制），施涂2000～5000的薄抗蚀剂层（12）并在温度80～90℃，时间15分钟下予烘，然后进行衍射缩小曝光：掩模版按图3说明的等量缩小规则设计，版上最小线宽图形（图1A左侧15所示）的尺寸是芯片上最小线宽图形（18左面图形）尺寸的四倍（即4微米宽）右侧的15表示一个7微米的图形，采用常规接近式曝光机，它应具有恒定发光强度的曝光光源（功率为200瓦），由附图2讲述的方法，考虑的采用4∶1缩小，调节掩模版与抗蚀剂膜间的间隙距离Z（在10～30微米范围内，图1A16所示），对NPR-C80胶用10～30秒的曝光时间，进行衍射缩小曝光后，在丁酮与乙酸丁酯混合液中显影30秒至1分钟，在左侧15的曝光区就得到缩小到1微米的抗蚀剂图形（18），这样，最小线宽图形就缩小了四倍，其缩小量是3微米，而对于7微米的掩模图形不是缩小四倍，只是按等量缩小规则缩小了3微米，得到4微米的抗蚀剂图形。最后，用公知的方法刻蚀多晶硅，得到1微米的多晶硅栅精细图形（如18左侧图形所示）。