08微电子工艺基础光刻工艺

微电子工艺基础第8章光刻工艺微电子工业基础第8章光刻工艺本章目标：1、熟悉光刻工艺的流程2、能够区别正胶和负胶3、了解对准和曝光的光学方法4、解释湿法刻蚀和干法刻蚀的方法和优缺点微电子工业基础第8章光刻工艺一、概述二、光刻胶三、曝光、显影阶段四、刻蚀、去胶阶段微电子工业基础第8章光刻工艺一、概述1、光刻的定义2、光刻的目的3、光刻的目标4、光刻工艺步骤概述微电子工业基础第8章光刻工艺一、概述1、光刻的定义光刻是图形复印与腐蚀作用相结合，在晶片表面薄膜上制备图形的精密表面工艺技术。英文术语是Photolithography(照相平板)，Photomasking（光掩模）等。微电子工业基础第8章光刻工艺一、概述2、光刻的目的光刻的目的就是：在介质薄膜（二氧化硅、氮化硅、多晶硅等）、金属薄膜或金属合金薄膜上面刻蚀出与掩膜版完全对应的几何图形，从而实现选择性扩散和金属薄膜布线的目的。微电子工业基础第8章光刻工艺一、概述3、光刻的目标（教材P130最上部分）（1）尽可能接近特征图形尺寸。（2）在晶圆表面正确定位图形（称为Alignment或者Registration），包括套刻准确。微电子工业基础第8章光刻工艺一、概述4、光刻工艺步骤概述（**）光刻蚀工艺:首先是在掩膜版上形成所需的图形；之后通过光刻工艺把所需要的图形转移到晶圆表面的每一层。（P130倒数第二段）微电子工业基础第8章光刻工艺一、概述4、光刻工艺步骤概述（**）（1）图形转移的两个阶段①图形转移到光刻胶层微电子工业基础第8章光刻工艺一、概述4、光刻工艺步骤概述（**）（1）图形转移的两个阶段②图形从光刻胶层转移到晶圆层微电子工业基础第8章光刻工艺一、概述4、光刻工艺步骤概述（**）（2）十步法微电子工业基础第8章光刻工艺二、光刻胶1、光刻胶的组成、分类2、光刻胶的参数3、正负胶比较4、电子抗蚀剂5、X-射线抗蚀剂微电子工业基础第8章光刻工艺二、光刻胶1、光刻胶的组成、分类光刻时接受图像的介质称为光刻胶，以光刻胶构成的图形作为掩膜对薄膜进行腐蚀，图形就转移到晶片表面的薄膜上了，所以也将光刻胶称为抗蚀剂。（1）光刻胶的分类①根据曝光源和用途A.光学光刻胶（主要是紫外线）B.电子抗蚀剂C.X-射线抗蚀剂微电子工业基础第8章光刻工艺二、光刻胶1、光刻胶的组成、分类（1）光刻胶的分类②根据胶的极性A.正胶B.负胶正胶：胶的曝光区在显影中除去。正胶曝光时发生光分解反应变成可溶的。使用这种光刻胶时，能够得到与掩膜版遮光图案相同的图形，故称之为正胶。负胶：胶的曝光区在显影中保留，用的较多。具体说来负胶在曝光前对某些有机溶剂（丙酮、丁酮、环己酮）是可溶的，而曝光后发生光聚合反应变成不可溶的。使用这种光刻胶时，能够得到与掩膜版遮光图案相反的图形，故称之为负胶。微电子工业基础第8章光刻工艺二、光刻胶1、光刻胶的组成、分类（2）光刻胶的组成光刻胶里面有4种基本成分：（参见教材P135）①聚合物光刻胶中对光和能量敏感的物质；②溶剂其作用是使胶具有一定的粘度，能均匀涂覆；③光敏剂有时也称为增感剂；④添加剂达到特定效果；微电子工业基础第8章光刻工艺二、光刻胶2、光刻胶的参数（1）感光度用于表征光刻胶感光性能的。微电子工业基础第8章光刻工艺二、光刻胶2、光刻胶的参数（2）分辨率指用某种光刻胶光刻时所能得到的光刻图形的最小尺寸。它是表征光刻精度或清晰度能力的标志之一。分辨率通常以每毫米内能刻蚀出可分辨的最多线条数目来表示。通常正胶的分辨率高于负胶。微电子工业基础第8章光刻工艺二、光刻胶2、光刻胶的参数（3）抗蚀性在湿法刻蚀中，要求光刻胶能较长时间的经受酸、碱的浸蚀；在干法刻蚀中，要求光刻胶能较长时间的经受等离子体的作用。微电子工业基础第8章光刻工艺二、光刻胶2、光刻胶的参数（4）粘附性光刻胶与衬底（二氧化硅、金属等）之间粘附的牢固程度直接影响到光刻的质量。微电子工业基础第8章光刻工艺二、光刻胶2、光刻胶的参数（5）针孔密度单位面积上针孔数目称为针孔密度。光刻胶膜上的针孔在刻蚀过程中会传递到衬底上，危害极大。光刻胶层越薄，针孔越多，但太厚了又降低光刻胶的分辨率。微电子工业基础第8章光刻工艺二、光刻胶2、光刻胶的参数（6）留膜率留膜率是指曝光显影后的非溶性胶膜厚度与曝光前的胶膜厚度之比。刻蚀时起掩蔽作用的是显影后非溶性的胶膜，所以希望光刻胶的留膜率越高越好。微电子工业基础第8章光刻工艺二、光刻胶3、正、负胶的比较（1）正、负胶和掩膜版极性的结合（参见教材P131和P132）掩模板的图形是由不透光的区域决定的在掩膜板上的图形是用相反的方式编码的微电子工业基础第8章光刻工艺二、光刻胶3、正、负胶的比较（2）负胶负胶大多数由长链高分子有机物组成。例如：由顺聚异戊二烯、对辐照敏感的交联剂以及溶剂组成的负胶，响应波长330-430nm，胶膜厚度0.3-1μm，显影液是有机溶剂如二甲苯等。曝光的顺聚异戊二烯在交联剂作用下交联，成为体形高分子并固化，不再溶于有机溶剂构成的显影液，而未曝光的长链高分子溶于显影液，显影时被去掉。微电子工业基础第8章光刻工艺二、光刻胶1、光刻胶的组成、分类（3）正胶当前常用的正胶由以下物质组成的：酚醛树脂、光敏剂邻重氮醌和溶剂二甲氧基乙醛等。响应波长330-430nm，胶膜厚1-3μm，显影液是氢氧化钠等碱性物质。曝光的光刻胶光分解后易溶于显影液，未曝光的胶膜难溶于碱性显影液。微电子工业基础第8章光刻工艺二、光刻胶3、正胶、负胶的比较（*）正胶负胶①不易氧化易氧化而使光刻胶膜变薄②成本高成本低③图形边缘整齐、陡直，无溶胀现象易吸收显影液而溶涨④分辨率更高⑤去胶较容易⑥抗蚀性强于正胶微电子工艺基础微电子工业基础第8章光刻工艺二、光刻胶4、电子抗蚀剂正性抗蚀剂在电子束辐射下发生胶联反应，由于胶联，分子变大变复杂，平均分子量增加。负性抗蚀剂在电子束辐射下发生降解反应。由于降解，分子链剪断、变短，成为小分子。电子抗蚀剂对10-30kV的电子束灵敏，常用的正性抗蚀剂有PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯），分辨率可达10nm；还有EBR-9（丙烯酸盐基类），灵敏度比PMMA高但最小分辨率只有0.2μm。微电子工业基础第8章光刻工艺二、光刻胶5、X-射线抗蚀剂在电子抗蚀剂如PMMA中加入铯、铊等，能增加抗蚀剂对X-射线的吸收能力，可以使之作为X-射线抗蚀剂。微电子工业基础第8章光刻工艺三、曝光、显影阶段1、表面准备2、涂光刻胶3、前烘4、对准和曝光5、显影微电子工业基础第8章光刻工艺三、曝光显影阶段1、表面准备（1）微粒清除（2）保持衬底表面的憎水性（P144最下部分）①室内湿度保持在50%以下，并尽可能快地进行光刻②把晶圆存储在干净的氮气净化过的干燥器③采用HF结尾的清洗工艺④脱水烘培⑤涂底胶（六甲基乙硅烷HMDS）（沉浸式或旋转式）微电子工艺基础WaferCleanProcess（新方法）微电子工业基础第8章光刻工艺二、光刻胶2、涂光刻胶要求：①胶膜均匀（均匀性达到正负0.01微米的误差）②达到预期的厚度③与衬底薄膜粘附性好④无灰尘和夹杂物⑤使用黄光或红光照明，防止光刻胶失效微电子工业基础第8章光刻工艺二、光刻胶2、涂光刻胶（1）静态涂胶工艺在光刻胶被分散开之后，高速旋转还要持续一段时间以便使光刻胶干燥。微电子工业基础第8章光刻工艺二、光刻胶2、涂光刻胶（1）静态涂胶工艺微电子工业基础第8章光刻工艺二、光刻胶2、涂光刻胶（1）静态涂胶工艺微电子工业基础第8章光刻工艺二、光刻胶2、涂光刻胶（2）动态喷洒微电子工艺基础光刻胶旋涂机光刻胶在旋转的圆片表面向外扩展圆片吸在真空卡盘上低速旋转~500rpm缓变上升至~3000-7000rpm微电子工艺基础实验室匀胶机微电子工艺基础光刻胶旋涂机EBR:Edgebeadremoval边缘修复微电子工艺基础硅片自动输送轨道系统；真空卡盘吸住硅片；胶盘排气系统；可控旋转马达；给胶管和给胶泵边缘清洗（去边）微电子工艺基础滴胶微电子工艺基础光刻胶吸回微电子工艺基础光刻胶旋涂微电子工艺基础PhotoresistSpinCoating微电子工艺基础PhotoresistSpinCoating微电子工艺基础EdgeBeadRemoval（边缘修复）微电子工艺基础EdgeBeadRemoval微电子工艺基础ReadyForSoftBake（软烘焙）微电子工艺基础OpticalEdgeBeadRemoval（光学边缘修复）微电子工艺基础DeveloperSpinOff（甩掉显影剂）微电子工艺基础微电子工业基础第8章光刻工艺二、光刻胶3、前烘（1）目的①使胶膜体内的溶剂充分挥发使胶膜干燥②增加胶膜和衬底的粘附性以及胶膜的耐磨性微电子工业基础第8章光刻工艺二、光刻胶3、前烘（2）方法（根据热传递的三种方式）①烘箱烘烤②热板处理③红外光照射微电子工艺基础光刻2－预烘脱水烘焙去除圆片表面的潮气增强光刻胶与表面的黏附性通常大约100°C与底胶涂覆合并进行微电子工艺基础光刻2－底胶涂覆增强光刻胶(PR)和圆片表面的黏附性广泛使用:Hexamethyldisilazane(HMDS)在PR旋转涂覆前HMDS蒸气涂覆Usuallyperformedin-situwithpre-bakePR涂覆前用冷却板冷却圆片微电子工艺基础预烘和底胶蒸气涂覆脱水烘培微电子工业基础第8章光刻工艺二、光刻胶4、对准和曝光（1）概述对准和曝光(A&E)：（教材P153最下）①把所需图形在晶圆表面上定位或对准②通过曝光灯或其他辐射源将图形转移到光刻胶涂层上光刻胶是光刻工艺的材料核心A&E则是光刻工艺的设备核心。微电子工业基础第8章光刻工艺二、光刻胶4、对准和曝光（2）对准对准原则：（教材P155最下面）①第一个掩膜版的对准是把掩膜版上的y轴与晶圆上的平边成90度放置；②后续的掩膜版都用对准标记与上一层带有图形的掩膜对准。微电子工业基础第8章光刻工艺二、光刻胶4、对准和曝光（2）对准对准误差：（教材P155最下面）①X或Y方向的平移；②转动微电子工业基础第8章光刻工艺二、光刻胶4、对准和曝光（3）曝光光源对图像的改进方法：（见教材P155）①使用狭波或单一波长的曝光光源②准直平行光③控制掩膜版和光刻胶之间的距离常见曝光源：（见教材P155）①高压汞灯产生紫外光（UV）②准分子激光器③电子束④X射线微电子工业基础第8章光刻工艺二、光刻胶4、对准和曝光（4）曝光方法参见教材P154图8.43①光学曝光A：接触式B：接近式C：投影式D：步进式②非光学曝光A：电子束B：X射线微电子工业基础第8章光刻工艺二、光刻胶4、对准和曝光（4）曝光方法由于衍射极限的限制，在超大规模集成电路的生产上光学光刻已逐渐被电子束光刻，X-射线光刻等新技术代替。但是光学光刻在对分辨率要求不高的器件和电路上仍被普遍采用。微电子工业基础第8章光刻工艺二、光刻胶4、对准和曝光（4）曝光方法①光学曝光A：接触式（教材P156）接触式曝光需要人工在显微镜下观察和套准图形并使硅片与掩膜版紧贴，光刻精度受到光学和机械系统以及操作者的熟练程度的限制。微电子工业基础第8章光刻工艺二、光刻胶4、对准和曝光（4）曝光方法①光学曝光A：接触式（教材P156）缺点：接触会损坏掩膜版和较软的光刻胶层；掩膜版寿命低。接触式光刻机用于分立器件，低集成度和中度集成度的电路。微电子工艺基础接触式光刻机设备简单70年代中期前使用分辨率:有微米级的能力掩膜版和硅片直接接触,掩膜版寿命短微电子工艺基础接触式光刻机微电子工业基础第8章光刻工艺二、光刻胶4、对准和曝光（4）曝光方法①光学曝光B：接近式（教材P157）接近式光刻是分辨率和缺陷密度的权衡。它以牺牲分辨率来延长了掩膜版的寿命。只有采用高度平行的光束曝光来减少散射带来的影响。接近式光刻是接触式光刻机的自然演变。有时也称软接触式。微电子工艺基础接近式光刻机距硅片表面10微米无直接接触更长的掩膜寿命分辨率:3μm微电子工艺基础接近式光刻机微电子工业基础第8章光刻工艺二、光刻胶4、对准和曝光