半导体光刻工艺培训资料

光刻工艺技术基础加工平台王逸群光刻的本质是把制作在掩膜版上的图形复制到以后要进行刻蚀和离子注入的晶圆上。其原理与照相相似，不同的是半导体晶圆与光刻胶代替了照相底片与感光涂层。光刻简介从半导体制造的初期，光刻就被认为是集成电路制造工艺发展的驱动力。表面处理涂胶前烘坚膜显影后烘对准&曝光核心工艺检查去胶清洗注入刻蚀否通过黄光室较高的环境要求前道工艺光刻流程图衬底光刻胶光刻版光源基本工艺流程•旋转涂胶•对准和曝光•显影光刻胶光刻胶是一种有机化合物，受紫外曝光后，在显影溶液中的溶解度会发生变化。晶片制造中所用的光刻胶通常以液态临时涂覆在表面，而后被干燥成胶膜。通过曝光来传递设计图案正性光刻胶正性光刻胶曝光后软化变得可溶负性光刻胶　负性光刻胶在曝光后硬化变得不能溶解。衬底UV衬底衬底resister显影负性胶正性胶光刻版光刻胶光敏剂光刻胶材料的光敏成分树脂惰性聚合物基质，用于把光刻胶中的不同材料聚在一起的粘合剂。给予胶机械和化学性质。溶剂使光刻胶具有流动性添加剂控制光刻胶材料特殊方面的化学物质光刻胶的主要成分光化学反应机理（以（常规I线）DNQ正胶为例）：1.树脂是悬浮于溶剂中的酚醛甲醛聚合物；2.感光剂化合物作为强的溶解抑制剂被加到线性酚醛甲醛树脂中；3.曝光过程中，DNQ发生光化学分解产生羧酸；4.羧酸提高光刻胶曝光区域的线性酚醛树脂溶解度；•分辨率•敏感度•对比度•粘滞性•粘附力（表面特性）•热流动性•颗粒及可动离子污染•稳定性•抗蚀性光刻胶的物理特性及性能评价表面处理跟空气的界面：跟衬底的界面：如果表面活性不恰当，会形成涂花等光刻胶表面缺陷，一般的解决办法是添加表面活性剂，或改变涂胶条件（e.g.闭盖）。如果表面活性不恰当，会引起脱膜或图形移位等问题。解决办法包括提高胶的粘附性、HMDS预处理和使用BARC。•表面处理•涂胶•前烘•对准和曝光•显影•图形检查•坚膜光刻胶的表面特性•表面处理•涂胶•前烘•对准和曝光•显影•图形检查•坚膜表面处理晶元容易吸附潮气到它的表面。光刻胶黏附要求要严格的干燥表面，所以在涂胶之前要进行脱水烘焙和黏附剂的涂覆。脱水烘焙的温度通常在140度到200度之间。有时还要用到黏附剂，黏附剂通常使用HMDS（六甲基二硅胺脘）。表面处理的主要作用是提高光刻胶与衬底之间的粘附力，使之在显影过程中光刻胶不会被液态显影液渗透。（如下图）显影液光刻胶衬底渗透AttractiveinteractionHMDS可以用浸泡、喷雾和气相方法来涂覆。粘附力好表面粘附力差的表面气相成底模高温烘焙WaferWaferHotPlateHotPlateHMDSVaporHMDS（六甲基二硅氮甲烷）把它涂到硅片表面后，通过加温可反应生成以硅氧烷为主题的化合物，这实际上是一种表面活性剂，它成功地将硅片表面由亲水变为疏水，其疏水基可很好地与光刻胶结合，起到耦合的作用，再者，在显影的过程中，由于它增强了光刻胶与基底的粘附力，从而有效地抑制图形移位。•表面处理•涂胶•前烘•对准和曝光•显影•图形检查•坚膜表面处理涂胶1.滴胶（静态、动态）2.旋转铺开3.甩掉多余的胶4.溶剂挥发1234•表面处理•涂胶•前烘•对准和曝光•显影•图形检查•坚膜500rpm3s3000rpm30s加速预涂涂覆SpindlePRdispensernozzleChuckWaferTovacuumpump涂胶SpindleTovacuumpumpPRdispensernozzleChuckPRsuckbackWafer涂胶SpindleTovacuumpumpPRdispensernozzleChuckPRsuckbackWafer涂胶SpindleTovacuumpumpPRdispensernozzleChuckPRsuckbackWafer涂胶SpindleTovacuumpumpPRdispensernozzleChuckPRsuckbackWafer涂胶SpindleTovacuumpumpPRdispensernozzleChuckPRsuckbackWafer涂胶SpindleTovacuumpumpPRdispensernozzleChuckPRsuckbackWafer涂胶SpindleTovacuumpumpPRdispensernozzleChuckPRsuckbackWaferSpindleTovacuumpumpPRdispensernozzleChuckPRsuckbackWafer涂胶SpindleTovacuumpumpPRdispensernozzleChuckPRsuckbackWafer涂胶SpindleTovacuumpumpPRdispensernozzleChuckPRsuckbackWafer涂胶厚边匀胶后在衬底边缘处会形成较厚的边（边珠效应，这会影响到光刻的图形精度）。可在涂胶过程中加入去边及背喷工艺（PGMEA、EGMEA为常用去边液）•表面处理•涂胶•前烘•对准和曝光•显影•图形检查•坚膜SpindleTovacuumpumpChuckWaferSolvent去边SpindleTovacuumpumpChuckWaferSolvent去边SpindleChuckWaferPhotoresistLightsourceLightbeamExposedPhotoresist去边表面出现气泡•滴胶时胶中带有气泡•喷嘴尖端切口有问题或带刺放射状条纹•胶液喷射速度过高•设备排气速度过高•胶涂覆前静止时间过长•匀胶机转速或加速度设置过高•片子表片留有小颗粒•胶中有颗粒中心漩涡图案•设备排气速度过高•喷胶时胶液偏离衬底中心•旋图时间过长ProcessTroubleshooting中心圆晕•不合适的托盘•喷嘴偏离衬底中心胶液未涂满衬底•给胶量不足•不合适的匀胶加速度针孔•光刻胶内存在颗粒或气泡•衬底上存在颗粒前烘（软烘）前烘:目的是蒸发掉胶中的有机溶剂成分，使晶圆表面的胶固化；缓和在旋转过程中光刻胶膜内产生的应力；防止沾污设备；增强光刻胶的粘附性；这个过程中胶中的溶剂基本被蒸发掉(10%)，因而通常情况下胶的厚度会变薄•表面处理•涂胶•前烘•对准和曝光•显影•图形检查•坚膜烘箱：90度30分钟前烘可在热板或烘箱中进行。每一种胶都有其特定的前烘温度和时间,更厚的胶可能需要更长的时间热板：95度1分钟•烘烤过度:减小光刻胶中感光成分的活性•前烘不足:光刻胶中的溶剂不能完全被蒸发掉，这将阻碍光对胶的作用并且影响到其在显影液中的溶解度（如下图）•肌肤效应主流曝光工具:•步进重复式曝光系统；•接触、接近式曝光系统；•电子束、离子束曝光系统；•......步进重复式曝光系统——（苏州纳米所加工平台Nikon-i7）接触接近式曝光系统——（苏州纳米所加工平台SUSS-MA6）电子束曝光系统——(苏州纳米所加工平台Jeol-5500)•表面处理•涂胶•前烘•对准和曝光•显影•图形检查•坚膜对准和曝光常用曝光工具:步进重复式曝光系统；接触、接近式曝光系统；电子束、离子束曝光系统；曝光精度：500纳米；对位精度：100纳米；对衬底材料，规格要求严格。曝光精度2微米对位精度2微米最好的基片适应性，可夹持不同厚度不规则形状基片曝光精度10纳米；对位精度40纳米；曝光效率非常低，曝光1cm*1cm样品需要数天。现有设备介绍Moore’sLawandRayleigh’sLawRayleigh’sLaw：CD=k1λNADOF=k2λNA2Moore’sLaw（经验）：芯片上的晶体管数目大约每两年增长一倍K1λNA光学光刻的波长选择VisibleRadiowavesMicro-wavesInfraredGammaraysUVX-raysf(Hz)1010101010101010101046810121416221820(m)420-2-4-6-8-14-10-1210101010101010101010365436405248193157ghiDUVDUVVUV(nm)CD=k1λNA光刻技术---特征线宽CD=k1λNA工艺因子（K1）分辨率增强技术—K1离轴照明技术（光源）相移掩膜技术（掩膜）邻近效应修正技术（掩膜）多重曝光技术（工艺）抗反射层技术（工艺）CD=k1λNA数值孔径（NA）浸没式光刻技术光的衍射：若光孔线度越小，光束受限制得越厉害，则衍射范围越加弥漫影响光场分布因素----衍射MaskPhotoresistWafer0~20m套准精度问题依赖操作者引入重复性和控制问题掩膜污染问题（接触式）接近式缓解了沾污问题，但分辨率受到限制Wafer接触(近)式光刻机通过透镜收集衍射光（NA）衍射光缩小透镜理想光强分布掩膜roD光源Rayleigh’sLaw：CD=k1λNADOF=k2λNA2投影式光刻机接触式光刻机的晶片的对准方式：XθZY光刻版上的标记基片上的标记接触式光刻机对准方式接触式光刻机对准方式5*5mm210微米45微米十字长150微米30微米40微米2微米胖瘦标记的线宽和间距均为5微米5微米十字标号：高35微米，宽20微米左右版图设计注意事项常规标记基本形式：1.操作者通过选择5倍、10倍两组倍率的显微镜来观察对准标记，所以切忌将标记设计过大或过小。2.如套刻层次较多，要选择相关性较强的标记套刻，做好标记保护最好能在每个层次都引入新标记。不合适的工艺条件后次版为大面积不透光，十字不透光，需设计大面积的透光区前次版十字后次版为大面积透光，十字不透光的情况4.大面积透光和大面积不透光版上的对准标记形式：版图设计注意事项3.如对套刻要求较高建议采用游标形式标记如：后烘（Post-exposureback）光线照射到光刻胶与晶圆的界面上会产生部分反射。反射光与入射光会叠加形成驻波。后烘会部分消除这种效应DUV（化学放大）曝光后烘焙改变曝光后光刻胶化学性质主要步骤，是该类光刻胶工艺中重要的一步。常规I线胶曝光后烘焙（可选）涂覆抗反射涂层解决表面反射问题无BARC有BARCBARC(BottomAntiReflectiveCoating)底部抗反射图层TARC(TopAntiReflectiveCoating)顶部抗反射图层显影•表面处理•涂胶•前烘•对准和曝光•显影•图形检查•坚膜用化学显影液将曝光造成的光刻胶的可溶解区域溶解就是光刻胶的显影，其主要目的就是把掩膜版的图形准确复制到光刻胶中。常见的显影液有NaOH(Shipley351),KOH(Shipley606),TMAH(ShipleyCD-26,MF-321,OCG945)等。需要注意的是：所有的这些显影液都会刻蚀铝甩干甩干显影定影坚膜好处：•能够改善光刻胶的抗刻蚀、注入能力。•改善光刻胶与晶圆表面的黏附性，有利于后续湿法腐蚀工艺。•改善光刻胶中存在的针孔。SubstrateSubstratePRPRPRPinholeFillbyThermalFlow坚膜就是通过加温烘烤使胶膜更牢固地黏附在晶圆表面，并可以增加胶层的抗刻蚀能力，坚膜温度通常略高于前烘温度。•表面处理•涂胶•前烘•对准和曝光•显影•图形检查•坚膜弊端：•可能导致光刻胶流动，使图形精度减低。•通常会增加将来去胶的难度。图形转移加工后，光刻胶已完成它的使命，需要清除掉。去胶有湿法与干法两种。湿法：是用各种酸碱类溶液或有机溶剂将胶层腐蚀掉，最普通的腐蚀溶剂是丙酮，它可以溶解绝大多数光刻胶。干法：用氧气等离子体刻蚀去胶（强氧化去胶）去胶Reference•HandbookofMicrolithographymicromachiningandMicrofabrication.volume1P.rai-Choudhury,Editor•PrinciplesofLithography.EditedbyHarryJ.Levinson••photolithography.Dr.C