光刻工艺原理8

8光刻工艺原理光刻的基本概念光刻的本质：光刻处于硅片加工过程的中心，光刻常被认为是IC制造中最关键的步骤。光刻的本质就是把临时电路结构复制到以后要进行刻蚀和离子注入的硅片上。这些结构首先以图形的形式制作在名为掩膜版的石英膜版上。紫外光透过掩膜版把图形转移到硅片表面的光敏薄膜上。即使用光敏光刻胶材料和可控制的曝光在硅片表面形成三维图形。线宽间距厚度衬底光刻胶光刻胶的三维图形硅片的制造流程注入扩散测试/筛选刻蚀抛光光刻完成的硅片无图形硅片r硅片起始t薄膜硅片制造（前端）套准精度：光刻要求硅片表面上存在的图案与掩模版上的图形准确对准，这种特性指标就是套准精度。对准十分关键是因为掩模版上的图形要准确地转移到硅片上。分辨率：指将硅片上特征图形区分开来的能力。两个邻近的特征尺寸：硅片上形成图形的实际尺寸就是特征尺寸。关键尺寸：最小的特征尺寸就是关键尺寸。对于关键尺寸来说，分辨率很重要。几个光刻的重要概念光刻技术的基本要求1、高分辨率随着集成电路集成度的提高，特征尺寸越来越小要求实现掩模图形高水平转移的光学系统分辨率必须越高。2、高灵敏度的光刻胶指光刻胶的感光速度，希望光刻工序的周期越短越好，减小曝光所需的时间就必须使用高灵敏度的光刻胶。3、低缺陷密度如果在器件上产生一个缺陷，即使缺陷很小，也可能使芯片失效。4、套刻对准精度在电路制造过程中要进行多次的光刻，每次光刻都要进行严格的套刻。5、大尺寸硅片的加工为了提高经济效益和硅片的利用率。光刻工艺光刻工艺包括两种基本的工艺类型：负性光刻和正性光刻。这两种基本工艺的主要区别在于所使用的光刻胶的类型不同。负性光刻：所使用的是负性光刻胶，当曝光后，光刻胶会因为交联而变得不可溶解，并会硬化，一旦硬化，交联的光刻胶就不能在溶济中被洗掉，因为光刻胶上的图形与投影掩膜版上的图形相反因此这种光刻胶被称为负性光刻胶。正性光刻：与负性光刻相反负性光刻紫外光岛被曝光的区域发生交联并变成阻止显影的化学物质光刻胶显影后的最终图形光刻胶光刻胶的曝光区光刻胶上的阴影在掩膜版上的铬岛硅衬底光刻胶t氧化硅窗口氧化层硅衬底正性光刻photoresistsiliconsubstrateoxideoxidesiliconsubstratephotoresist紫外光岛使光衰弱的被曝光区光刻胶显影后的最终图形光刻胶上的阴影光刻胶的曝光区在玻璃掩膜版上的铬岛窗口硅衬底光刻胶t氧化层光刻胶t氧化层硅衬底掩膜版与光刻胶之间的关系期望印在硅片上的光刻胶结构窗口衬底光刻胶岛石英铬岛当使用负胶时要求掩膜版上的图形(与想要的结构相反)当使用正胶时要求掩膜版上的图形(与想要的结构想同)光刻的八个步骤8)显影检查5)曝光后烘焙6)显影7)坚膜烘焙紫外光掩膜版4)对准和曝光光刻胶2)旋转涂胶3)软烘1)气相成底膜HMDS1：气相成底膜处理光刻的第一步是清洗:要成功地制造集成电路，硅片在所有的工艺步骤中都要仔细地清洗。在各个工艺步骤间的保存和传送硅片时不可避免地要引入沾污，所以清洗步骤非常必要。硅片清洗是为了增强硅片和光刻胶之间的粘附性，硅片的清洗包括湿法清洗和去离子水冲洗以去除沾污物.成底膜技术烘焙后硅片马上要用六甲基二胺烷(HMDS)成底膜,它起到提高粘附力的作用.HMDS影响硅片表面使之疏离水分子,同时形成对光刻胶的结合力.它的本质是作为硅片和光刻胶的连接剂,所以这些材料具有化学相容性.硅片成底膜处理的一个重要方面在于成底膜后要尽快涂胶,使潮气问题最小化.成底膜技术:HMDS可以用浸泡,喷雾和气相方法来涂.HMDS滴浸润液和旋转滴浸润形成旋转硅片去除多余的液体2：旋转涂胶工艺小结:硅片置于真空吸盘上滴约5ml的光刻胶以约500rpm的慢速旋转加速到约3000至5000rpm质量指标:时间速度厚度均匀性颗粒和缺陷真空吸盘与转动电机连接的转杆至真空泵滴胶头光刻胶涂胶方法旋转涂胶的四个基本步骤1分滴:当硅片静止或旋转的非常缓慢时,光刻胶被分滴在硅片上;2旋转铺开:快速加速硅片的旋转到一高的转速(rpm)使光刻胶伸展到整个硅片表面;3旋转甩掉:甩去多余的光刻胶,在硅片上得到均匀的光刻胶胶膜覆盖层;4以固定的转速继续旋转已涂胶的硅片,直至溶剂挥发,光刻胶胶膜几乎干燥.光刻胶旋转涂胶的两个目的是:1.在硅片表面得到均匀的胶膜的覆盖;2.在长时间内得到硅片间可重复的胶厚;旋转涂布光刻胶的4个步骤3)甩掉多余的胶4)溶剂挥发1)滴胶2)加速旋转旋转涂胶硅片上光刻胶的厚度和均匀性是非常重要的质量参数。厚度并不是由淀积的光刻胶的量来控制的，因为绝大部分光刻胶都飞离了硅片。对于光刻胶厚度最关键的参数是转速和光刻胶粘度。粘度越高转速越低，光刻胶就越厚。不同的参数会影响光刻胶的厚度和均匀性。去除边圈：在硅片旋转过程中，由于离心力光刻胶向硅片边缘流动并流到背面。光刻胶在硅片边缘和背面的隆起叫边圈。当干燥时，光刻胶剥落并产生颗粒。这些颗粒可能落在电路有源区，硅片传送系统和工艺设备里面，导致硅片上缺陷密度增加，甚至硅片背面的光刻胶可能会因为它粘附在硅片托盘上而导致故障。因此要去除边圈。涂胶设备ZYXq光刻胶喷嘴背面EBR真空真空吸盘旋转电机硅片抽气泄漏光刻胶液流不锈钢碗气流气流喷嘴位置可四个方向调整光刻胶光刻胶是一种有机化合物,它受紫外曝光后,在显影溶液中的溶解度会发生变化.硅片制造中所用的光刻胶以液态涂在硅片表面,而后被干燥成膜.硅片制造中光刻胶的目的是:1.将掩膜版图案转移到硅片表面顶层的光刻胶中;2.在后续工艺中,保护下面的材料(例如刻蚀或离子注入阻挡层);随着器件电路密度持续几代缩小了关键尺寸,为了将亚微米线宽图形转移到硅片表面,光刻技术得到了改善,这些改善包括:1.更好的图形清晰度(分辨率);2.对半导体硅片表面更好的粘附性;3.更好的均匀性;4.增加了工艺宽容度(对工艺可变量敏感度降低)光刻胶的种类及对比正性光刻胶和负性光刻胶，基于光刻胶材料是如何响应曝光光源的。正性光刻胶：曝光区域变得易溶解于显影液中，得到和掩膜版相同的图形。负性光刻胶：曝光区域交联硬化，难溶于显影液中，在硅片上形成于掩膜版相反的图形。对比：负性光刻胶在显影时容易变形和膨胀，只适用于大尺寸的电路，而正性光刻胶则更加的优良。光刻胶的成分添加剂:控制光刻胶材料特殊方面的化学物质溶剂:使光刻胶具有流动性感光剂:光刻胶材料的光敏成分树脂:作为粘合剂的聚合物的混合物,给予光刻胶机械和化学性质负性光刻胶交联被曝光的区域发生交联,并变成阻止显影的化学物质未曝光的区域保留可容于显影液的化学物质.曝光前负性光刻胶曝光后负性光刻胶显影后负性光刻胶UV氧化硅光刻胶衬底交联未被曝光曝光可溶正性I线光刻胶其中的感光剂是光敏化合物(PAC),最常见的是重氮萘醌(DNQ),正胶的一大优点是在光刻胶的未曝光区域不受显影液的影响,因为光刻胶最初就不溶解,并保持这种性质。这样在光刻过程中转移到光刻胶上的极细线条的图形会保持线宽和形状,产生良好的线宽分辨率。正胶具有好的分辨率的原因之一是对比度高。正胶可以更好地分辨掩膜版的暗区和亮区,在光刻胶上产生陡直的转移图形.正胶具有良好的对比特性,由于光刻胶侧墙陡直使其产生更好的线宽分辨率。正性I线光刻胶良好的对比特性正性光刻胶:陡直墙无膨胀好的对比度膜光刻胶正性I线光刻胶被曝光的光刻胶溶于显影液未被曝光的光刻胶保持交联和PAG未激活曝光前的正性光刻胶曝光后的光刻胶显影后的光刻胶UV氧化硅光刻胶衬底未改变曝光的未曝光的酸催化反映(在PEB中)PAGPAGPAGPAGH+PAGPAGPAGH+H+PAGPAG光刻胶的物理特性1、分辨率:是区别硅片表面上两个或更多的邻近特征图形的能力.一种解释分辨率的实际方法是通过硅片上形成符合质量规范要求的最小特征图形.形成的关键尺寸越小,光刻胶的分辨能力和光刻系统就越好.2.01.00.50.10.25线宽和间距的尺寸必须相等。随着特征尺寸减小，要将特征图形彼此分开更困难影响曝光分辨率的主要因素光刻掩膜版与光刻胶膜的接触情况曝光光线的平行度光的衍射及反射效应光刻胶膜的质量和光刻胶膜的厚度曝光时间的确定掩膜版的分辨率和质量2、对比度:是光刻胶上从曝光区到非曝光区过渡的陡度。对比度代表着只适于在掩膜板透光区规定范围内曝光的光刻胶的能力。高对比度产生的垂直的光刻胶侧墙是理想的。差的光刻胶对比度斜坡墙膨胀差的对比度光刻胶膜好的光刻胶对比度陡直墙无膨胀好的对比度光刻胶膜3、敏感度：是硅片表面光刻胶中产生一个良好图形所需的一定波长光的最小能量值,提供给光刻胶的光能量值通常称为曝光量。4、粘滞性:指的是对于液体光刻胶来说其流动特性的定量指标.粘滞性与时间相关,因为它会在使用中随着光刻胶中溶剂挥发增加。5、粘附性:光刻胶的粘附性描述了光刻胶粘着于衬底的强度。光刻胶必须粘附于许多不同的表面,包括硅,多晶硅,二氧化硅，氮化硅和不同的金属。光刻胶粘附性的不足会导致硅片表面上的图形变形.光刻胶的粘附性必须经受住曝光,显影和后续工艺。6、抗蚀性:光刻胶胶膜必须保持它的粘附性,并在后续的湿刻和干刻中保护衬底表面,这种性质就被称为抗蚀性.7、表面张力:指的是液体中将表面分子拉向液体主体内的分子间吸引力.光刻胶具有产生相对大的表面张力的分子间力,所以在不同的工艺步骤中光刻胶分子会聚在一起.同时光刻胶的表面张力必须足够小,从而在应用时能提供良好的流动性和硅的覆盖.小分子力引起小大分子力引起大的表面张力的表面张力传统负胶的缺点1、在显影时曝光区域由溶剂引起的泡涨。这种泡涨使硅片表面的光刻胶图形变形,对于具有微米和亚微米关键尺寸的极细小图形线条来说是不能接受的。2、曝光时光刻胶可与氮气反应从而抑止其交联。3：软烘软烘的目标:除去光刻胶中的溶剂。软烘的作用:1.提高了粘附性;2.提升了硅片上光刻胶的均匀性,在刻蚀中得到了更好的线宽控制;典型的软烘条件:先在热板上90度到100度烘30秒,结下来是在冷板上降温的步骤,以得到光刻胶一致特性的硅片温度控制。在真空热板上软烘软烘的目的:光刻胶中溶剂部分挥发改善粘附性改善均匀性改善抗蚀性改善线宽控制优化光刻胶的光吸收特性热板硅片溶剂排出腔盖如果光刻胶胶膜在涂胶后没软烘将出现的问题1.光刻胶膜发黏并易受颗粒沾污;2.光刻胶膜来自于旋转涂胶的内在应力将导致粘附性问题;3.由于溶剂含量过高导致在显影时由于溶解差异,而很难区分曝光和未曝光的光刻胶;4.光刻胶散发的气体(由于曝光时的热量)可能沾污光学系统的透镜;4：对准和曝光工艺小结:将掩膜版上图形转移到涂胶的硅片上激活光刻胶中的激活成分质量指标:线宽分辨率套准精度颗粒和缺陷UV光源掩膜版光刻胶光刻机的三个基本目标1.使硅片表面和石英掩膜版对准并聚焦(包括图形);2.通过对光刻胶曝光,把高分辨率的投影掩膜版的图形复制到硅片上;3.在单位时间内产生出足够多的符合产品质量规格的硅片;版图转移到光刻胶上单视场曝光,包括:聚焦,对准,曝光,步进和重复过程紫外光源投影掩膜版(在投影掩膜版视场内可能包含一个或多个芯片)快门承片台在X,Y,Z,方向控制硅片的位置投影透镜(缩小的投影掩膜版的视场到硅片表面)快门再聚焦和对准过程中闭合,而在曝光过程中打开对准激光曝光光线波长越短能爆出的特征尺寸就越小。在曝光过程中,从光源发出的光通过对准的掩膜版上有不透明和透明的区域,这些区域形成了转移到硅片表面的图形。曝光的目的就是把版上图形精确地复制成光刻胶上。曝光的另一方面是,在所有其它条件相同时,曝光光线波长越短能曝出的特征尺寸就越小。事实上它是缩小硅片特征尺寸的驱动。此外,曝光的光线产生一定的能量,这对光刻胶产生化学反应是必可少的，光线须均匀地分配到曝光区域。光学光刻需要在短波长下进行强曝光以获得当今精细光刻的关键尺寸。光学曝光曝光光源紫外光用于光刻胶的曝光是因为光刻胶材料与这个特定波长的光反应。波长也很重要,因为较短的波长可以获得光刻胶上较小尺寸的分辨率,现今最常用于光学光刻的