第5章光刻工艺

第5章光刻工艺5.1光刻工艺与光刻胶5.2曝光原理5.4掩膜版制造5.5光刻技术的发展本章内容5.3影响光刻质量的因素刻蚀Lithography：石（平，金属）版印刷术光刻匀胶、曝光、显影、坚膜光刻的确切含义是图形转移：PatternTransfer——把（掩膜版上的）图形转移到硅片上5.1光刻工艺与光刻胶5.1.1光刻工艺简介图形转移掩模版硅圆片图形转移工艺衬底淀积薄膜匀胶、前烘曝光掩模版紫外光显影、坚膜腐蚀去胶IC技术水平常常以器件的“特征尺寸”为标志的，所谓“特征尺寸”就是集成电路所能加工的器件的昀小尺寸。特征尺寸不断缩小的关键就是光刻技术不断进步和发展的结果。光刻技术是涉及到曝光设备、感光材料、刻蚀设备以及其它各种工艺的综合技术。国际半导体工业技术协会公布的光刻技术要求0.0200.05950～1580256Gb20120.0250.07670～112064Gb20090.0350.10480～79016Gb20060.0450.13340～5604Gb20030.070.18240～4001Gb19990.100.25170～280256Mb1997套刻精度（μm）昀小特征尺寸（μm）DRAM芯片面积（mm2）DRAM规模年份光刻工艺是影响成品率的关键。因此，光刻环境是IC生产中洁净标准要求昀高的，集成度越高，对温度、湿度、洁净度和微振等要求越高。对于制造256MDRAM的光刻房间，要求温度控制在22±0.1℃；灰尘数量（颗粒直径≥0.12μm）≤1/呎3；相对湿度控制在43±3%；振动（8-100HZ），＜3μm/sec。光刻工艺的环境要求●图形完整性好。图形内没有针孔、更不能断路；图形外没有小岛、更不能短路。针孔断路小岛短路光刻工艺的质量要求●线条尺寸正确。●图形套刻正确。●显影干净，不留底膜。●线条边缘清晰，无锯齿状；侧壁陡直，无变形。●光刻胶厚度要满足后续工艺要求。正胶和负胶●光刻胶曝光部分能溶于显影液的叫做正胶●光刻胶未曝光部分能溶于显影液的叫做负胶液体胶和干胶IC制造工艺中使用的都是液体。干胶的分辨率低，主要用于印刷线路板制造等，也可以用于MEMS制造。厚胶和薄胶5.1.2光刻胶的种类和特性●正胶主要是邻-叠氮醌类光刻胶，它在紫外光的作用下能发生分解反应，所以曝光部分能溶于显影液。●负胶主要是聚肉硅酸酯类光刻胶和环化橡胶系光刻胶，它们在紫外光的作用下能引起聚合物分子间的交联，成为不溶于显影液的物质，但未曝光部分仍能溶于显影液。正胶负胶匀胶正胶和负胶曝光↓↓↓↓↓↓↓↓↓↓↓↓↓↓↓↓↓↓↓↓掩膜版紫外光显影正胶感光区域溶于显影液负胶未感光区域溶于显影液φ10μmL/S=10/40μmFilmThickness:FilmThickness:130130μμmmExposuredose:Exposuredose:400mJ/cm400mJ/cm22(CanonPLA501F)(CanonPLA501F)PatterningconditionSubstrate:5inchSiwaferPre-bake:120deg.C-2hr.(Oven)P.E.B:90deg.C-5min.(D.H.P.)Development:PMThinner,23deg.C-45min.,dipTMMRS2000(Liquidtype)TMMRS2000(Liquidtype)（资料摘自：TOKYOOHKAKOGYOCO.,LTD.）Exposuredose:400mJ/cm2(CanonPLA501F)L/S=20/20μmFilmThickness:FilmThickness:200200μμmmL/S=30/10μmTMMRS2000(Liquidtype)PatterningconditionSubstrate:5inchSiwaferPre-bake:120deg.C-2hr.(Oven)P.E.B:90deg.C-5min.(D.H.P.)Development:PMThinner,23deg.C-45min.,dip（资料摘自：TOKYOOHKAKOGYOCO.,LTD.）4/164/16μμmmTMMFDryFilmRollTMMFDryFilmRollLaminatecoatingLaminatecoating2/82/8μμmmTMMFS2030TMMFS2045TMMFS2000Line-up(DryFilmType)TMMFS20054/164/16μμmm（资料摘自：TOKYOOHKAKOGYOCO.,LTD.）光刻胶（光致抗蚀剂）：Photoresist●树脂或基体材料●感光化合物●可控制光刻胶机械性能并使其保持液体状态的溶剂通常含三种成分：光刻胶的成分光刻胶的基本性能要求●同衬底有很好的粘附性，胶膜表面沾性小；●灵敏度高；●胶膜致密性好，无针孔；●分辨率高；●显影后留膜率高，不留底膜或其它颗粒物质；●在显影液和其它腐蚀剂里抗蚀性强、抗溶涨性好；●去胶容易，不留残渣；●图形边缘陡直，无锯齿状；光刻胶的留膜率光刻胶的留膜率是光刻胶的重要指标之一。从理论上讲，正胶的未曝光部分（负胶则是曝光部分）是不溶于显影液的（以下统称为“非溶性胶膜”），实际上也被显影液溶解，只是困难些。所以光刻胶的“留膜率”就是曝光显影后非溶性胶膜厚度（如正胶的未曝光部分）与曝光前胶膜厚度之比。要求光刻胶具有较高的留膜率。光刻胶的留膜率示意图曝光显影曝光部分未曝光部分（此处用的是正胶）d1d2留膜率=d1d2×100%侧壁陡直度间距35um/线宽5um正胶（AZ1350）负胶（SU-8）5.1.3匀胶匀胶前的硅片表面必须干净、干燥。一般在真空或干燥氮气中烘干，温度为150～200℃。有时需要在匀胶前先打底膜，即在硅片表面涂上一层增粘剂，典型的是HMDS（六甲基二硅亚胺），特别是对于掺磷工艺后的硅片和CVD生长的SiO2表面。打底膜的目的是让SiO2表面带有羟基的硅烷醇结构转变为疏水的硅氧烷结构，以便让光刻胶粘附得更好。在硅片上匀胶主要采用旋涂法，根据不同的光刻工艺控制胶的厚度。匀胶的厚度同胶的粘稠度、溶剂蒸汽压和沸点、匀胶机的转速以及环境的温度和气氛等因素有关。匀胶的厚度要重复一致，整个硅圆片内中间与边缘的厚度一致，误差小于2%。要获得好的均匀性，硅片旋转的加速是至关重要的。胶的厚度同分辨率成反比，胶越薄，分辨率越高，但抗蚀能力越差，腐蚀时产生的针孔密度也越大；胶越厚，抗腐蚀能力越强，但分辨率越低，而且胶越厚，曝光时下面的光刻胶容易产生曝光不足，这会造成曝光不足的正胶在显影时显影不干净、曝光不足的负胶被溶解的后果。因此，胶的厚度一定要根据工艺要求，选择一个昀佳值。匀胶的示意图简易匀胶机厚胶匀胶机硅圆片厚胶匀胶机原理光刻胶自由转动外罩转盘抽真空充满光刻胶的溶剂蒸汽前烘的目的是去除胶中的有机溶剂，提高光刻胶与衬底的粘附力及胶膜的抗机械摩擦能力，前烘的好坏也影响线宽控制，不同光刻胶的烘烤温度和时间不同，（每种光刻胶的说明书上都有详细说明）。前烘的方式有烘箱烘烤、红外线加热和热板烘烤。5.1.4前烘匀胶、前烘一体机5.1.5曝光接触式光刻机掩模版曝光就是把掩模版上的图形成像到硅片上硅圆片1:1曝光硅圆片投影（缩小）曝光投影式光刻机掩模版显影是把曝光后的硅片放在显影液里进行处理。对于负胶，未曝光部分被溶解在显影液里；对于正胶，曝光部分被溶解在显影液里。要正确地控制曝光量和合适的显影条件（温度、浓度、时间），既不能曝光、显影不足，也不能曝光、显影过度。坚膜是把显影后的硅片在规定的温度下进行烘烤，以进一步提高光刻胶的粘附性和提高胶膜的强度。5.1.6显影和坚膜显影、坚膜机根据光源的波长分为：光学曝光电子束曝光X射线曝光离子束曝光紫外光（UV）深紫外光（DUV）极深紫外光（EUV）5.2曝光原理各种光刻胶的感光光谱灵敏度曲线是不同的，但它们都只对紫外光感光，常用的紫外线光源是高压汞灯。对光刻胶起感光作用和常用的是：g-line（436nm）i-line（365nm）紫外光光源对于深紫外光，将采用准分子激光：KrF准分子光源（248nm）ArF准分子光源（193nm）F2准分子光源（157nm）光学曝光的三种曝光方式接触式曝光接近式曝光投影式曝光接触式曝光接触式曝光是掩膜板直接同光刻胶接触，它具有设备简单、分辨率高的优点。它分成真空接触、硬接触和软接触三种方式，其中真空接触具有接触力均匀、掩膜变形小和可以消除氧气对光刻胶的影响等优点。掩膜版同光刻胶直接接触，所以接触式曝光的掩膜版容易损伤，因此图形缺陷多、管芯成品率低、不适合VLSI生产。接近式曝光接近式曝光是掩膜版同光刻胶离开10～50μm，所以掩膜版不容易被损伤，掩膜版的使用寿命长，图形的缺陷少，管芯的成品率高，但是缺点是分辨率低，同时机器操作比接触式曝光机复杂、价格也稍贵。几种不同曝光方式的比较2.55.010.0μm（使用Shipley220光刻胶，胶厚7.4μm）真空接触硬接触软接触20μm接近式20μm接近式（胶中加了增强对比度材料）接触式曝光机接近式曝光机接近式曝光机原理掩膜版间隙调整杆硅片正面图形对准掩膜版硅片图形背面图形对准图形有些工艺需要在没有对准记号的硅片背面进行加工，这就需要利用正面图像上的对准记号进行对准，对背面的光刻胶曝光。十字对准法掩膜版上的标记硅片上上的标记背面对准方式投影式曝光用于硅片上光刻工艺的投影式曝光分1:1、4:1、5:1等几种。它需要把掩模版上的图形缩小、聚焦并同硅片上已有的图形对准后曝光，曝完一个图形后，硅片移动到下一个曝光位置继续对准、曝光，直到结束。原来英文全名：stepandrepeatlithographyaligner，所以称作“分步重复光刻对准机”。现在英文名字为STEPPER。投影曝光机STEPPER的对准曝光示意图5.3影响光刻质量的因素硅片的表面状况对光刻工艺的影响有三个方面：5.3.1硅片表面状况对光刻工艺的影响表面清洁度表面平面度表面粘附性5.3.2硅片平面度对光刻工艺的影响描述平面度的方法之一是用“峰谷间距（PV）”来表示，即：圆片表面上昀高点与昀低点之间的高度差。为了保证分辨率，曝光时必须要保证衬底上所有各点都处于成像透镜的焦深范围之内。铝布线多晶硅■硅片制备过程中的机械加工误差，通常为5μm左右。影响峰谷间距的因素■工艺过程中形成的台阶。■硅片在热处理过程中的热应力及硅片上的氧化膜等与硅片之间由于热失配不良引起的形变，这是昀严重的。5.3.3光刻胶及其匀胶、前烘对光刻工艺的影响■光刻胶的种类、光刻胶的质量（如：附着性好、不留底膜等）。■匀胶时的加速度和转速、硅片周围的气氛、胶的厚度。■前烘的方式、温度和时间。5.3.4曝光对光刻工艺的影响除了曝光设备的类型和性能（如套刻精度等）、光源的种类、曝光量的设置会影响光刻工艺的质量外，还有一些其它因素，如：■环化橡胶系光刻胶在曝光时，氧气对双叠氮交联剂的光化学反应器阻抑作用，使光刻胶的感光灵敏度大大下降。■驻波效应对光刻工艺的影响。光垂直射向胶膜和衬底，如果胶下为铝膜，入射光会在铝与光刻胶的界面上反射，由于入射光与反射光是相干光，在界面反射时又存在180°的相移，光刻胶膜内就形成驻波。驻波效应形成的光刻胶侧壁形状示意图（注：图中的光刻胶是正胶。如果波峰处曝光强度合适，显影干净。波谷处就是曝光不足，显影时就显不干净。于是形成不平整的光刻胶侧壁）掩膜版↓↓↓↓↓↓↓↓↓↓↓↓↓↓↓↓↓↓↓↓Al光刻胶SinNZ4)12(maxλ+=nNZ2minλ=波峰、波谷位置分别为：（5-1）（5-2）式中：n是光刻胶的折射率，λ是入射光的波长，N=0，1，2……实验表明，负胶的驻波效应比正胶严重。如果光源中包含几种不同波长的紫外光，或使入射光倾斜一定角度，可以减小驻波效应。5.4掩膜版制造在硅片上得到所需的图形，除了利用电子束在硅片上直接“写”图形外，其它的光学曝光方式都是先把图形做在掩膜版上，然后把掩膜版上的图形转移到硅圆片上，即：PatternTransfer。掩膜版上的图形有两种。一种