2.4-2.5 光刻、光刻胶和刻蚀解析

2.4光刻技术2.4.1光刻工艺概述2.4.2光刻胶2.4.3涂胶2.4.4对位和曝光2.4.5显影2.4.1光刻工艺概述2.4.2光刻胶凡是在能量束（光束、电子束、离子束等）的照射下，以交联反应为主的光刻胶称为负性光刻胶，简称负胶。凡是在能量束（光束、电子束、离子束等）的照射下，以降解反应为主的光刻胶称为正性光刻胶，简称正胶。1、光刻胶的类型光刻胶也称为光致抗蚀剂（Photoresist，PR）。最常用的有AZ–1350系列。正胶的主要优点是分辨率高，缺点是灵敏度、耐刻蚀性和附着性等较差。2、光刻胶的组成成分功能聚合物当被曝光时，聚合物结构由可溶变为聚合（或反之）溶剂稀释感光剂调节化学反应添加剂工艺效果（如染色剂等）（1）灵敏度单位面积上入射的使光刻胶全部发生反应的最小光能量或最小电荷量（对电子束胶），称为光刻胶的灵敏度，记为S，也就是D100。S越小，则灵敏度越高。通常负胶的灵敏度高于正胶。灵敏度太低会影响生产效率，所以通常希望光刻胶有较高的灵敏度。但灵敏度太高会影响分辨率。3光刻胶的特性1.00.50D0入射剂量（C/cm2）未反应的归一化膜厚D100灵敏度曲线(2)分辨率光刻工艺中影响分辨率的因素有：光源、曝光方式和光刻胶本身（包括灵敏度、对比度、颗粒的大小、显影时的溶胀、电子散射等）。通常正胶的分辨率要高于负胶。(3)对比度对比度是图中对数坐标下对比度曲线的斜率，表示光刻胶区分掩模上亮区和暗区的能力的大小，即对剂量变化的敏感程度。灵敏度曲线越陡，D0与D100的间距就越小，则就越大，这样有助于得到清晰的图形轮廓和高的分辨率。一般光刻胶的对比度在0.9~2.0之间。对于亚微米图形，要求对比度大于1。通常正胶的对比度要高于负胶。11000lgDDD0D100对比度的定义为正胶和负胶比较光刻胶对比度斜坡膨胀分辨率粘附性图形的分辩率还要受光刻胶对光强的响应特性的影响。理想光刻胶：光强不到临界光强Dcr时不发生反应，光强超过Dcr时完全反应，衍射只造成线宽和间距的少量变化。DcrD100D0实际光刻胶：光强不到D0时不发生反应，光强介于D0和D100之间时发生部分反应，光强超过D100时完全反应，使线条边缘出现模糊区。在通常的光刻胶中，当MTF0.5时，图形不再能被复制。2.4.3涂胶一般采用旋涂法。涂胶的关键是控制胶膜的厚度与膜厚的均匀性。胶膜的厚度决定于光刻胶的粘度和旋转速度。3)甩掉多余的胶4)溶剂挥发1)滴胶2)加速旋转2.4.4对位和曝光光刻曝光刻蚀光源曝光方式评价光刻工艺可用三项主要的标准：分辨率、对准精度和生产效率。1、基本光学问题衍射但是当掩膜版上的特征尺寸接近光源的波长时，就应该把光的传输作为电磁波来处理，必须考虑衍射和干涉。由于衍射的作用，掩模版透光区下方的光强减弱，非透光区下方的光强增加，从而影响光刻的分辩率。掩膜版是用石英玻璃做成的均匀平坦的薄片，表面上涂一层600800Å厚的Cr层，使其表面光洁度更高。称之为铬板，Crmask。调制传输函数和光学曝光无衍射效应有衍射效应光强定义图形的调制传输函数MTF为maxminmaxminMTFIIII无衍射效应时，MTF=1；有衍射效应时，MTF1。光栅的周期（或图形的尺寸）越小，则MTF越小；光的波长越短，则MTF越大。2、光源对光源系统的要求1、有适当的波长。波长越短，可曝光的特征尺寸就越小；2、有足够的能量。能量越大，曝光时间就越短；3、曝光能量必须均匀地分布在曝光区。常用的紫外光光源是高压弧光灯（高压汞灯），高压汞灯有许多尖锐的光谱线，经过滤光后使用其中的g线（436nm）或i线（365nm）。高压汞灯的光谱线120100806040200200300400500600RelativeIntensity(%)h-line405nmg-line436nmi-line365nmDUV248nmEmissionspectrumofhigh-intensitymercurylamp由于衍射效应是光学曝光技术中限制分辨率的主要因素，所以要提高分辨率就应使用波长更短的光源如深紫外光。实际使用的深紫外光源有KrF准分子激光（248nm）、ArF准分子激光（193nm）和F2准分子激光（157nm）等。光源紫外光（UV）深紫外光（DUV）g线：436nmi线：365nmKrF准分子激光：248nmArF准分子激光：193nm极紫外光（EUV），10~15nmX射线，0.2~4nm电子束离子束有掩模方式无掩模方式（聚焦扫描方式）接触式非接触式接近式投影式反射折射全场投影步进投影扫描步进投影矢量扫描光栅扫描混合扫描3、曝光方式掩模板制造（1）接触式光刻机SiU.V.MaskP.R.SiO2优点：设备简单；理论上MTF可达到1，因此分辨率比较高，约0.5m。缺点：掩模版寿命短（10~20次），硅片上图形缺陷多，光刻成品率低。（2）接近式光刻机g=10~50m优点：掩模寿命长（可提高10倍以上），图形缺陷少。缺点：衍射效应严重，使分辨率下降。minWkggmin0.436μm(g),20μm2.95μmgW例：当线时，最小可分辨的线宽为式中，k是与光刻胶处理工艺有关的常数，通常接近于1。接触/接近式曝光的光学系统投影式光刻机式中，k1是与光刻胶的光强响应特性有关的常数，约为0.75。NA为镜头的数值孔径，投影式光刻机的分辨率由瑞利第一公式给出，即min1WkNA分辨率与焦深n为折射率，为半接收角。NA的典型值是0.16到0.8。sinNAn增大NA可以提高分辨率，但却受到焦深的限制。2NA分辨率与焦深对波长和数值孔径有相互矛盾的要求，需要折中考虑。增加NA线性地提高分辨率，平方关系地减小焦深，所以一般选取较小的NA。为了提高分辨率，可以缩短波长。焦深代表当基片沿光路方向移动时能保持良好聚焦的移动距离。投影式光刻机的焦深由瑞利第二公式给出，即（3）1:1扫描反射投影光刻机掩模硅片反射凹镜反射凸镜光源优点1、掩模寿命长，图形缺陷少。2、无色散，可以使用连续波长光源，无驻波效应。无折射系统中的象差、弥散等的影响。3、曝光效率较高。缺点数值孔径NA太小，是限制分辨率的主要因素。（4）分步重复缩小投影光刻机随着线宽的不断减小和基板直径的增大，分辨率与焦深的矛盾、线宽与视场的矛盾越来越严重。为解决这些问题，开发出了分步重复缩小投影曝光机（DirectStepontheWafer，简称DSW，Stepper）。常用的是5:1或4:1。光源聚光透镜投影器掩模基片UVlightReticlefieldsize20mm×15mm,4dieperfield5:1reductionlens基片曲折的步进图形缺点1、曝光效率低；2、设备复杂、昂贵。优点1、掩模版寿命长，图形缺陷少；2、可以使用高数值孔径的透镜来提高分辨率，通过分步聚焦来解决焦深问题，可以在大基片上获得高分辨率的图形；3、由于掩模尺寸远大于芯片尺寸，使掩模制造简单，可减少掩模上的缺陷对芯片成品率的影响。小结限制光学曝光方式的分辨率的主要因素是衍射效应。最早使用的接触式光刻机，分辨率可到1m以下，但容易损伤掩模和硅片。解决的办法是使用接近式光刻机，但要影响分辨率。介绍了具有亚微米分辨率的投影曝光系统。为了解决分辨率和焦深之间的矛盾，可以采用分步重复的方式。光学曝光的各种曝光方式及其利弊小结接触式非接触式优点：设备简单，分辨率较高缺点：掩模版与晶片易损伤，成品率低接近式优点：掩模版寿命长，成本低缺点：衍射效应严重，影响分辨率投影式全反射折射优点：无像差，无驻波效应影响缺点：数值孔径小，分辨率低优点：数值孔径大，分辨率高，对硅片平整度要求低，掩模制造方便缺点：曝光效率低，设备昂贵将曝光后的基片用显影液浸泡或喷雾处理。对负胶，显影液将溶解掉未曝光区的胶膜；对正胶，显影液将溶解曝光区的胶膜。几乎所有的正胶都使用碱性显影液，如KOH水溶液。显影过程中光刻胶膜会发生膨胀。正胶的膨胀可以忽略，而负胶的膨胀则可能使图形尺寸发生变化。显影过程对温度非常敏感。显影过程有可能影响光刻胶的对比度，从而影响光刻胶的剖面形状。显影后必须进行严格的检查，如有缺陷则必须返工。2.4.5光刻胶的显影自动显影检查设备2.5刻蚀(Eching)•定义:–由預先定义好的图形把不要的区域去除，保留要留下的区域，将图形转移到所选定的举出上其过程称之为刻蚀。•刻蚀的作用–制作不同的器件结构，如线条、接触孔、栅等。•被刻蚀的材料–半导体，绝缘体，金属等。•刻蚀方法–可以是物理性(离子碰撞)，也可以是化学性(与薄膜发生化学反应)，也可以是两者的混合方式。1、认识刻蚀2、刻蚀失败的例子(1)获得满意的剖面（倾斜或垂直）(2)钻刻最小(3)选择比大(4)刻蚀均匀性好，重复性高(5)对表面和电路的损伤最小(6)清洁、经济、安全。3、对图形转移的要求4、刻蚀工艺的分类(1)湿法刻蚀与干法刻蚀(2)各向同性刻蚀与各向异性刻蚀a.湿法刻蚀：采用液态化学试剂进行薄膜刻蚀b.干法刻蚀：采用气态的化学气体进行薄膜刻蚀a.各向同性刻蚀：薄膜在各个方向上都受到同样的刻蚀b.各向异性刻蚀：薄膜在各个方向上所受刻蚀不等a.横向刻蚀速度RLb.纵向刻蚀速度RV(2)选择比：不同材料的刻蚀速率比.(3)钻刻：掩膜材料下的侧向刻蚀。各向异性度：A=0,各向同性刻蚀A=1,理想的各向异性刻蚀1A0，实际的各向异性刻蚀5、刻蚀工艺的品质因数(1)刻蚀速率：单位时间刻蚀的厚度。——决定了刻蚀工艺的产率——决定了刻蚀后剖面形貌和“钻蚀”程度膜层厚度的不均匀+刻蚀速率的不均匀→图形转移尺寸的不均匀（4）均匀性：二、湿法刻蚀1）反应物扩散到被刻蚀的材料表面；2）反应物与被刻蚀薄膜反应；3）反应后的产物从刻蚀表面扩散到溶液中，并随溶液被排出。1、湿法刻蚀:利用溶液与预刻蚀材料之间的化学反应来去除未被掩蔽膜材料掩蔽的部分而达到刻蚀目的。2、三个步骤：a.刻蚀溶液的种类b.溶液的浓度c.反应温度d.搅拌速率控制方法：各相同性的，钻蚀严重，对图形的控制性较差。安全性、洁净性差。I.刻蚀液的选用：选择比大。II.掩蔽膜的选用：粘附性；稳定性；抗蚀性好；III.主要优点：设备简单，成本底，产量高，并且具有很好的刻蚀选择比，重复性好。IV.主要缺点湿刻的工艺过程（例）transparentglassCrpatternedfilmMaskSiphotoresistSiO2filmAlfilmSiUVexposureSiDevelopsolutionSiPatterntransfertophotoresistSiEtchingofAlfilmIsotropicetchingundercutFilmetchingundercutLayer2Layer1湿法刻蚀中的侧向腐蚀SiO2腐蚀断面三、干法刻蚀c.分类：1、特点:利用气体在外加的交流电场中所形成的等离子与选定材料在真空室內发生反应的机制，将未受保护区域的材料从表面上移除的过程。a.优点:各向异性好，选择比高，可控性、灵活性、重复性好，细线条操作安全，易实现自动化，无化学废液，处理过程未引入污染，洁净度高。b.缺点：成本高，设备复杂。物理性、化学性、物理化学性刻蚀。2、物理性刻蚀(2)设备：a.纯粹的机械过程，对所有材料都可实现强的各向异性刻蚀。b.选择比差；c.刻出物易再淀积；d.易对下面结构造成损伤；e.单片刻蚀。(1)机理：利用辉光放电将惰性气体解离成带正电的离子，再利用偏压将离子加速，轰击被刻蚀物的表面，并将被刻蚀物材料的原子击出。离子铣（真空度10-3～10-5Torr）(3)特点：离子束刻蚀Neutralizedionbeam:goodforconductor&insulator3、化学性刻蚀(1)机理：a.主要依靠化学反应进行刻蚀，选择性好；b.离子的能量很小，各向异性差；c.对基底的损伤小；d.刻蚀速度低。(2)设备：高压等离子体刻蚀机（真空度102～10-1Torr）(3)特点：4、物理化学