光刻二

曝光、显影、刻蚀(或淀积)是光刻过程中的三个主要步骤。8.2光刻工艺基本流程第八章光刻8.1光刻概述8.2光刻工艺基本流程8.3光刻系统主要指标8.4光刻掩膜板8.5光刻胶8.6光刻工艺8.7光学分辨率增强技术8.8曝光28.3光刻系统主要指标分辨率（Resolution）光刻分辨率，是指由光刻工艺得到的光刻胶图形能分辨线条的最小线宽，即单位尺寸能分辨的线条数:LR21存在物理极限，由衍射决定：2L1max1mmR光刻中能得到的最细线条最高分辨率8.3光刻系统主要指标分辨率（Resolution）根据量子理论的海森堡不确定性关系有其中h是普朗克常数，Δp是粒子动量的不确定值。对于曝光所用的粒子束，Δp=2p，则有因而最高的分辨率hpLphL2hpLR21max任何粒子束都具有波动性，即德布罗意物质波，粒子束的动能E为其动量p粒子束的波长由此，用粒子束可得到的最细线条为mEmVhp2mEhL22mEh2221mVE任意粒子曝光的最高的分辨率8.3光刻系统主要指标分辨率（Resolution）E一定，则粒子的质量m愈大，ΔL愈小，分辨率愈高。m一定，其动能愈高，ΔL愈小，分辨率愈高。这是仅考虑光的衍射效应而得到的结果，没有涉及光学系统的误差以及光刻胶和工艺的误差等，因此这是纯理论的分辨率。1max1mmR2L光子曝光的最高的分辨率8.3光刻系统主要指标分辨率（Resolution）不同的粒子束，因其能量、动量不同，则ΔL亦不同。焦深：焦点深度，当焦点对准某一物体时，不仅位于该点平面上的各点都可以看清楚，而且在此平面的上下一定厚度内，也能看得清楚，这个清楚部分的厚度就是焦深。焦深大,可以看到物体的全层，焦深小，则只能看到物体的一薄层，焦深与其它技术参数有以下关系：1．焦深与物镜的数值孔镜成反比，2．焦深大，分辨率降低。8.3光刻系统主要指标焦深（DOF）22)(NADOFk8.3光刻系统主要指标焦深（DOF）焦深，是表示一定工艺条件下，能刻出最小线宽时像面偏离理想焦面的范围。焦深越大，对光刻图形的制作越有利。22)(NADOFk对比度（CON）nmaxnmaxmimiIIIICON对比度，评价成像图形质量。对比度越高，光刻出来的微细图形越好。8.4光刻掩膜板掩膜板的制作制版就是将器件与电路结构（如掺杂、互连方式等）设计图形转移到掩膜版上。先制作母板，再由母版翻印多套工作版，工作板也叫作光刻板。一种产品生产时光刻几次就有几块版，这几块彼此联系的版组合成一套版。制版技术是光刻工艺的关键技术。8.4光刻掩膜板实际光刻版8.4光刻掩膜板(A)电路图(B)版图版图绘制：放大100-1000倍，画出版图总图；刻分层图：刻红膜；初缩：缩小为最终图形的十倍的初缩版；精缩兼分布重复：得到母版；复印：掩膜板使用一定次数要换用新掩膜板，因此复印复制出多块工作掩膜板。8.4光刻掩膜板制版工艺流程光学制版8.4光刻掩膜板制版工艺流程电子束制版采用计算机绘图，将图形X-Y数据化，用图形发生器按这些数据由电子束在空白版上扫描，直接制备出母版。制版用专用版图设计软件，如Cadence、L-edit8.4光刻掩膜板石英玻璃板低热膨胀系数、低钠含量、高化学稳定性及高光穿透性的石英玻璃；热扩散系数小，使石英玻璃板在掩模版刻写过程中受温度变化的影响较小。石英玻璃对248nm和193nm波长的通透效果是最好的。掩膜板的玻璃基片选取在石英玻璃片上淀积一层100nm的铬膜(Cr)作为工作层，掩膜图形最终就是在铬膜上形成的；选择铬膜是因为铬膜的淀积和刻蚀都比较容易，而且对光线完全不透明。在铬膜的下方还要有一层由铬的氮化物或氧化物形成的薄膜，增加铬膜与石英玻璃之间黏附力。在铬膜的上方需要有一层的20nm厚的Cr2O3抗反射层。这些薄膜都是通过溅射法制备的。8.4光刻掩膜板铬层为了防止在掩模版上形成缺陷，需要用保护膜将掩模版的表面密封起来，这样就可以避免掩模版遭到空气中微粒以及其他形式的污染。保护膜的厚度需要足够薄，以保证透光性，同时又要耐清洗，还要求保护膜长时间暴露在UV射线的辐照下，仍然能保持它的形状。目前所使用的材料包括硝化纤维素醋酸盐和碳氟化合物．形成的保护薄膜厚度为l～2μm。用去离子水清洗，可以去掉保护膜上大多数的微粒，再通过弱表面活性剂和手工擦洗，完成对掩模版的清洁。8.4光刻掩膜板掩膜板的保护层8.4光刻掩膜板移相掩膜（phase-shiftmasks,PSM）图形尺寸缩小到深亚微米，使用移相掩膜技术。原理：在掩膜版上的某些透明图形上增加或减少一个透明的介质层，称移相器，使光波通过介质层后产生180°的相位差，与邻近透明区域透过的光波产生干涉，从而抵消图形边缘的光衍射效应，提高曝光分辨率。d8.4光刻掩膜板移相掩膜（phase-shiftmasks,PSM）移相层材料有两类：①有机膜，光刻胶，如聚甲基丙烯酸甲脂(PMMA胶)；②无机膜，如二氧化硅。相位差：Q=2πd/λ(n-1)d8.5光刻胶光刻胶光刻胶：光刻时接收图像的介质。光刻胶的目的：1.将掩膜板图案转移到光刻胶中；2.后续工艺中保护下面的材料（刻蚀和离子注入）。光刻胶通常含三种成分：1.聚合物材料(树脂)：附着性和抗腐蚀性；2.感光材料：感光剂；3.溶剂：使光刻胶保持为液态。8.5光刻胶光刻胶的划分光刻胶按曝光区显影中保留或去除划分：正(性)胶：感光区在显影时溶掉，光刻胶图形是掩模版图形的正影像。负(性)胶：曝光区在显影中保留，显影后光刻胶层上形成的是掩模版的负性图形。光刻胶按其用途分：光学光刻胶电子抗蚀剂X-射线抗蚀剂21负胶正胶IC主导8.5光刻胶正胶和负胶光刻示意图曝光区在显影时溶掉正版光刻曝光区在显影中保留负版光刻基底：酚醛树脂(apolymer)，本身溶于显影液，溶解速率为15nm/s。光敏材料（PAC－photoactivecompounds)：重氮醌(DQ)DQ不溶于显影液，光刻胶在显影液中的溶解速率为1－2nm/sec；光照后，DQ退化成为溶于显影液的羧酸。光照后光刻胶在显影液中的溶解速度为100－200nm/sec。溶剂是醋酸丁脂、二甲苯、乙酸溶纤剂的混合物，调节光刻胶的粘度。8.5光刻胶正胶--positivephotoresist,DQN响应波长330-430nm胶膜厚1-3μm，显影液：TMAH四甲基氢氧化铵；氢氧化钠等碱性物质用得最多负胶显影液8.5光刻胶负胶--Negativephotoresist用得最早基底：合成环化橡胶树脂对光照不敏感，但在有机溶剂如甲苯和二甲苯中溶解很快光敏材料（PAC)：重双芳化基(bis-arylazide)交联剂：光照后产生交联的三维分子网络，使光刻胶在显影液中具有不溶性。溶剂：芳香族化合物(aromatic)响应波长330-430nm胶膜厚0.3-1μm，交联剂是指一类分子两端各有一个相同或者不同的活性基团,它们可与其他分子上的氨基、巯基、羟基等发生共价结合而产生交联作用的试剂。当VLSI电路需分辨率达2mm之前，基本上是采用负胶。正胶显影容易，图形边缘齐，无溶胀现象，光刻的分辨率高，去胶也较容易。但在分辨率要求不太高的情况，负胶也有其优点：对衬底表面粘附性好抗刻蚀能力强曝光时间短，产量高工艺宽容度较高（显影液稀释度、温度等）价格较低（约正胶的三分之一）8.5光刻胶正胶和负胶比较对比度光敏度8.5光刻胶光刻胶的主要特性光学性质对比度会直接影响到曝光后光刻胶层的倾角和线宽。将一定厚度的光刻胶膜在不同的辐照剂量下曝光，然后测量显影之后剩余光刻胶的膜厚，利用得到的光刻胶膜厚-曝光剂量响应曲线进行计算就可以得到对比度。1212XXYY8.5光刻胶光刻胶的对比度光刻胶的对比度：不同的光刻胶膜厚-曝光剂量响应曲线的外推斜率。γ影响曝光后胶膜倾角和线宽。γ越高，光刻胶的侧壁越陡。正胶的膜厚随着曝光剂量的增加而减小，直到在显影的过程中被完全除去，曝光区域剩余的正胶膜厚与曝光剂量的关系如图所示。其中，Y2＝0，Y1=1.0，X2＝log10Dc，X1＝log10Do。)(log110ocpDDDc为完全除去正胶膜所需要的最小曝光剂量，Do为对正胶不产生曝光效果所允许的最大曝光剂量。8.5光刻胶正胶的对比度其中，Y2＝1.0，Y1=0，X2＝log10Dog，X1＝log10Dig。)/(log110igognDD对于负胶，只有达到临界曝光剂量后，才形成胶体的交叉链接，临界曝光剂量以下的负胶中不会形成图形，如图所示。达到临界曝光剂量后，随曝光剂量的增加，负胶膜上形成的胶化图像厚度逐渐加大，最终使胶化图像的薄膜厚度等于初始时负胶的膜厚。Dig为负胶的临界曝光剂量，Dog为负胶的胶化薄膜厚度与曝光开始时负胶膜厚度相等时的曝光剂量。8.5光刻胶负胶的对比度1212XXYY负胶----临界曝光剂量Dgi；正胶----曝光剂量↑膜厚↓8.5光刻胶光刻胶的对比度8.5光刻胶光刻胶的侧墙倾斜光刻胶的对比度越高，光刻胶层的侧面越陡。由于线宽是通过测量光刻胶/衬底之上特定高度的线条间距得到的，光刻胶侧面的陡度越好，线宽描述掩模尺寸的准确度就越高。最终的图形转移是经过刻蚀完成的，而干法刻蚀在一定程度上对光刻胶也有侵蚀作用，所以陡峭的光刻胶可以减小刻蚀过程中的钻蚀效应，从而提高分辨率。侧墙倾斜对分辨率的影响8.5光刻胶光刻胶的侧墙倾斜对比度与CMTF之间的关系为可以计算这一系统可以形成的最小图形尺寸。minmaxminmaxIIIIMTFococDDDDCMTF光刻胶11011011光刻胶ococDDDDCMTF调制转移函数（MTF)8.5光刻胶光刻胶的对比度光刻胶的临界调制转移函数描述曝光图形的质量，Imax为曝光图形上的最大辐照强度，Imin为最小辐照强度。为了使曝光系统得到要求的线条尺寸，需要MTF≥CMTF。光敏度是由曝光效率（参与光刻胶曝光的光子能量与进入光刻胶中的光子能量的比值）决定的。通常正胶比负胶有更高的曝光效率，因此正胶的光敏度也就比较大。提高光敏度可以减小曝光时间。实际工艺中对光刻胶光敏度是有限制的。如果光刻胶的光敏度过高，室温下就可能发生热反应，这将使光刻胶的存储时间减少。此外，对光敏度高的正胶曝光时，每个像素点只需要得到少量的光子就可以完成曝光。而每个像素点上接收到的光子数受统计涨落影响，这就将对均匀曝光产生影响。8.5光刻胶光刻胶的光敏度光敏度是指完成所需图形曝光的最小曝光剂量。膨胀抗蚀性热稳定性黏着力溶解度和黏滞度8.5光刻胶光刻胶的主要特性力学和化学性质负胶在显影过程中，如果显影液渗透到光刻胶中，光刻胶的体积就会膨胀，这将导致图形尺寸发生变化，此即膨胀现象。由于负胶存在膨胀现象，对光刻小于3μm图形的情况，使用正胶来代替负胶。正胶在显影液中的溶解机制与负胶不同，不会发生膨胀，所以正胶的分辨率比负胶高。8.5光刻胶光刻胶的膨胀通常干法刻蚀的工作温度比湿法腐蚀要高，这就要求光刻胶能够保证在工作温度下的热稳定。一般光刻胶需要能够经受200℃以上的工作温度。光刻胶的热稳定性湿法刻蚀：通常光刻胶对湿法刻蚀有比较好的抗刻蚀能力。干法刻蚀：对于大部分的干法刻蚀，光刻胶的抗刻蚀能力比较差。DQN正胶对干法刻蚀有比较好的抗刻蚀能力，但光敏度会降低。可以针对刻蚀中使用的刻蚀剂来改进光刻胶的抗刻蚀能力，对于氯化物的刻蚀剂可以在光刻胶中添加氟化物来加强抗蚀能力。大部分X射线和电子束光刻胶抗干法刻蚀的能力比光学光刻胶还差。8.5光刻胶光刻胶的抗刻蚀能力光刻胶抵抗刻蚀的能力在刻蚀的过程中，如果光刻胶黏附不牢就会发生钻蚀和浮胶，直