光刻工藝流程

1、光刻工藝流程Lithography Process摘要：光刻技術(shù)（lithography technology)是指集成電路制造中利用光學(xué)化學(xué)反應(yīng)原理和化學(xué)，物理刻蝕法，將電路圖形傳遞到單晶表面或介質(zhì)層上，形成有效圖形窗口或功能圖形的工藝技術(shù)。光刻是集成電路工藝中的關(guān)鍵性技術(shù)，其構(gòu)想源自于印刷技術(shù)中的照相制版技術(shù)。光刻技術(shù)的發(fā)展使得圖形線寬不斷縮小，集成度不斷提高，從而使得器件不斷縮小，性能也不斷提利用高。還有大面積的均勻曝光，提高了產(chǎn)量，質(zhì)量，降低了成本。我們所知的光刻工藝的流程為：涂膠前烘曝光顯影堅(jiān)膜刻蝕去膠。Abstract:Lithography technology is the m

2、anufacture of integrated circuits using optical - chemical reaction principle and chemical, physical etching method, the circuit pattern is transferred to the single crystal surface or the dielectric layer to form an effective graphics window or function graphics technology.Lithography is the key te

3、chnology in integrated circuit technology, the idea originated in printing technology in the photo lithographic process. Development of lithography technology makes graphics width shrinking, integration continues to improve, so that the devices continue to shrink, the performance is also rising.Ther

4、e are even a large area of exposure, improve the yield, quality and reduce costs. We know lithography process flow is: Photoresist Coating Soft bake exposure development hard bake etching Strip Photoresist.關(guān)鍵詞：光刻，涂膠，前烘，曝光，顯影，堅(jiān)膜，刻蝕，去膠。Key Words:lithography,Photoresist Coating,Soft bake,exposure,devel

5、opment,hard bake ,etching, Strip Photoresist.引言： 光刻有三要素：光刻機(jī)；光刻版（掩模版）；光刻膠。光刻機(jī)是IC晶圓中最昂貴的設(shè)備，也決定了集成電路最小的特征尺寸。光刻機(jī)的種類有接觸式光刻機(jī)、接近式光刻機(jī)、投影式光刻機(jī)和步進(jìn)式光刻機(jī)。接觸式光刻機(jī)設(shè)備簡(jiǎn)單，70年代中期前使用，分辨率只有微米級(jí)，掩模板和硅片直接接觸，使得掩膜版壽命短。接近式光刻機(jī)距硅片表面約10微米，掩膜版擁有更長(zhǎng)的壽命，分辨率大于3m.投影光刻機(jī)類似于投影儀，掩模與硅片之間增加一透鏡，掩模與硅片1：1，分辨率大約在1微米左右。步進(jìn)光刻機(jī)在IC中是最流行的，它具有高分辨率（0.25微

6、米或以下），掩膜圖形尺寸5X：10X能夠得到更好的分辨率，但他的曝光時(shí)間是5X的四倍；步進(jìn)光刻機(jī)的價(jià)格是最昂貴的。掩模版包含了對(duì)于整個(gè)硅片來(lái)說(shuō)確定一工藝層所需的完整管芯陣列。其中的光刻膠主要由基體（樹(shù)脂）、感光劑（聚乙烯醇肉桂酸脂）、溶劑（環(huán)己酮）、增感劑（5-硝基苊）等不同的材料按一定比例配制而成。其中樹(shù)脂是粘合劑(Binder)，感光劑是一種光活性(Photoactivity)極強(qiáng)的化合物，它在光刻膠內(nèi)的含量與樹(shù)脂相當(dāng)，兩者同時(shí)溶解在溶劑中，以液態(tài)形式保存，以便于使用。光刻膠分為正膠和負(fù)膠；正膠在顯影時(shí)，感光部分溶解，未感光部分不溶解；負(fù)膠顯影時(shí)感光部分不溶解，不感光部分溶解。正膠的光敏度

7、和抗腐蝕能力都大于負(fù)膠。而光刻膠的作用是在刻蝕（腐蝕）或離子注入過(guò)程中，保護(hù)被光刻膠覆蓋的材料。 高分辨率，高靈敏的光刻膠，低缺陷和精密的套刻對(duì)準(zhǔn)是ULSI對(duì)光刻的要求。要達(dá)到這樣的要求就必須在光刻的每一個(gè)流程都嚴(yán)格把關(guān)，這里分別簡(jiǎn)單講講光刻工藝的各個(gè)流程。1.涂膠（Photoresist Coating） 涂膠的目的是在硅片表面形成厚度均勻，附著性強(qiáng)，并且沒(méi)有缺陷的光刻膠薄膜。涂膠作為光刻工藝的第一步，涂膠的好壞直接決定了之后光刻能否正常進(jìn)行。涂膠前的Si片是需要處理的以便于光刻膠能更好的附著在上面。由于光刻膠的疏水性，所以Si片首先需要脫水烘培去除水分。然后使用HMDS(六甲基乙硅氮烷)或

8、TMSDEA(三甲基甲硅烷基二乙胺)作增粘處理。對(duì)涂膠的要求：粘附良好，均勻，薄厚適當(dāng)。若膠膜太薄，則會(huì)導(dǎo)致針孔多，抗腐蝕性差；若太厚，則分辨率低。涂膠的方式有：浸涂，噴涂，旋涂。其中旋膠工藝步驟：將光刻膠溶液噴灑到硅片表面上；加速旋轉(zhuǎn)托盤（硅片），直至達(dá)到需要的旋轉(zhuǎn)速度；達(dá)到所需的旋轉(zhuǎn)速度后，保持一定時(shí)間的旋轉(zhuǎn)（甩膠）。光刻工藝中一般采用旋膠，旋轉(zhuǎn)涂膠工藝的示意圖如下：2.前烘（Soft bake） 由于在液態(tài)的光刻膠溶劑的成份占65%85%，甩膠后光刻膠變成固態(tài)薄膜但仍含有10%30%的溶劑，容易粘污灰塵。所以涂膠以后的硅片，需要在一定的溫度下進(jìn)行烘烤，一步驟稱為前烘。而前烘的目的是促進(jìn)膠

9、膜內(nèi)溶劑充分揮發(fā)，使膠膜干燥；增加膠膜與SiO2(Al膜等)的粘附性及耐磨性。另外光刻膠的顯影速度受光刻膠中溶劑含量的影響。如果溶劑含量過(guò)高，顯影時(shí)光刻膠的溶解速度就比較快，容易導(dǎo)致浮膠，圖形也易變形；但是，并不是要去除光刻膠中的所有溶劑，光刻膠中需要剩余一定的溶劑，以便于使感光劑重氮醌轉(zhuǎn)變?yōu)轸人帷＿@就要求前烘的時(shí)間和溫度都需要嚴(yán)格地控制。 如果前烘溫度太低，或時(shí)間過(guò)短，除了光刻膠層與硅片表面的黏附性變差之外，曝光的精確度也會(huì)因?yàn)楣饪棠z中的溶劑的含量過(guò)高而變差。另外，顯影時(shí)也易浮膠，圖形易變形。如果溫度過(guò)高，時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，光刻膠層黏附性也會(huì)因?yàn)楣饪棠z變脆而降低。而且，過(guò)高的烘培溫度會(huì)使光刻膠中的感

10、光劑發(fā)反應(yīng)，這會(huì)使光刻膠在曝光時(shí)的敏感度變差，增感劑揮發(fā)，導(dǎo)致顯不出圖形。前烘的方式一般有：烘箱對(duì)流加熱，紅外線輻射加熱，熱板傳導(dǎo)加熱。在ULSI工藝中，常用的前烘方法是真空熱平板烘烤。這種方法方便控制溫度，還可以保證加熱均勻。平板烘烤還可以解決光刻膠表面粗糙的問(wèn)題。3.曝光（Exposure）光刻膠在經(jīng)過(guò)前烘之后，原來(lái)為液態(tài)的光刻膠在硅片表面上固化，這樣就可以進(jìn)行曝光。曝光方式有接觸式，接近式和投影式。接觸式硅片與光刻版緊密接觸，光衍射效應(yīng)小，分辨率高，但對(duì)準(zhǔn)困難，易摩擦，是光刻版圖形變形，光刻版壽命短且成品率低。接近式硅片與光刻版保持550m間距，光刻版不易損壞，光衍射效應(yīng)嚴(yán)重，分辨率低，

11、線寬大于3m。投影式曝光利用光學(xué)系統(tǒng)，將光刻版的圖形投影在硅片上，光刻版不受損傷，對(duì)準(zhǔn)精度也高，但光學(xué)系統(tǒng)復(fù)雜，對(duì)物鏡成像要求高，一般用于3m以下光刻。目前常見(jiàn)的曝光有光學(xué)曝光（紫外、深紫外），X射線曝光，電子束直寫式曝光。 投影式曝光分類： 掃描投影曝光（Scanning projection exposure）,70年代末80年代初，大于1m工藝；掩膜版1：1全尺寸。步進(jìn)重復(fù)投影曝光（Stepping-repeating projection exposure）,80年代末90年代，0.35m0.25m（DUV）。掩膜版縮小比例（4：1），棱鏡系統(tǒng)的制作難度增加。掃描步進(jìn)投影曝光（Scan

12、ning stepper projection exposure），90年代末至今，用于小于0.18m工藝，增大了每次曝光的視場(chǎng)，提供硅片表面不平整的補(bǔ)償，提高了整個(gè)硅片的尺寸均勻性；但同時(shí)需要反向運(yùn)動(dòng)，增加了機(jī)械系統(tǒng)的精度要求。需要注意的是在進(jìn)行曝光時(shí)會(huì)發(fā)生駐波效應(yīng)，導(dǎo)致曝光的線寬發(fā)生變化。為了減弱駐波效應(yīng)往往在光刻工藝中使用抗反射涂層（ARC）工藝。利用ARC吸收折射進(jìn)入ARC的光線，以及根據(jù)曝光所使用的波長(zhǎng)使ARC與折射進(jìn)入ARC的光波相匹配，可以降低ARC反射到光刻膠中的光線強(qiáng)度。ARC的制作方法一般有物理氣相淀積（PVD）和化學(xué)氣相淀積（CVD）.4.顯影（Development）

13、曝光之后需要進(jìn)行后烘，短時(shí)間的后烘可以促進(jìn)光刻膠的關(guān)鍵化學(xué)反應(yīng)，提高光刻膠的粘附性并減少駐波，然后就可以進(jìn)行顯影。顯影是將未感光的負(fù)膠或感光的正膠溶解去除，顯現(xiàn)出所需的圖形。正膠顯影液是含水的堿性顯影液，如KOH、TMAH（四甲基氫氧化胺水溶液）等。負(fù)膠顯影液是一種有機(jī)溶劑，如丙酮、甲苯等。進(jìn)行顯影的方式有很多種，如：浸入式顯影，混凝顯影，噴灑顯影等。目前應(yīng)用最廣泛的是噴灑方法。這種顯影可分為三步：硅片被置于旋轉(zhuǎn)臺(tái)上，并且在硅片表面上噴灑顯影液；然后硅片將在靜止的狀態(tài)下進(jìn)行顯影；顯影完成后，需要經(jīng)過(guò)漂洗，之后在旋干。漂洗和旋干是為了去除殘留在硅片上的顯影液。噴灑顯影的優(yōu)點(diǎn)是它可以滿足工藝流水線

14、的要求，提高生產(chǎn)效率。顯影之后，一般要通過(guò)光學(xué)顯微鏡，掃描電子顯微鏡或者激光系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行顯影檢驗(yàn)；目的是區(qū)分哪些有很低可能性通過(guò)最終掩膜檢驗(yàn)的晶圓，提供工藝性能和工藝控制數(shù)據(jù)，以及分揀出需要重做的晶圓。而影響顯影效果的因素主要有：曝光時(shí)間，前烘的溫度與時(shí)間，膠膜的厚度，顯影液的濃度以及顯影液的溫度等。顯影時(shí)間太短，可能留下光刻膠薄膜層，從而阻擋腐蝕二氧化硅或金屬，形成氧化層“小島”。時(shí)間太短，光刻膠軟化、膨脹、鉆溶、浮膠，導(dǎo)致圖形邊緣破壞。5.堅(jiān)膜（Hard Bake） 硅片在經(jīng)過(guò)顯影之后，需要經(jīng)歷一個(gè)高溫處理過(guò)程，簡(jiǎn)稱堅(jiān)膜。堅(jiān)膜的主要作用是去除光刻膠中剩余的溶劑，增強(qiáng)光刻膠對(duì)硅片表面的附著力，

15、同時(shí)提高光刻膠在刻蝕和離子注入過(guò)程中的抗蝕性和保護(hù)能力。通常堅(jiān)膜的溫度要高于前烘和曝光后烘烤溫度，也稱為光刻膠的玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變溫度。堅(jiān)膜的方法有：（1）恒溫烘箱法（180200，30min左右）；（2）紅外燈照射（照射10min，距離6cm）。如果堅(jiān)膜不足，則腐蝕時(shí)易浮膠，易側(cè)蝕；如果堅(jiān)膜過(guò)度，則膠膜熱膨脹導(dǎo)致翹曲，剝落，腐蝕時(shí)易浮膠或鉆蝕。若溫度超過(guò)300，則光刻膠分解，失去抗腐蝕能力。在堅(jiān)膜之后還需要對(duì)光刻膠進(jìn)行光學(xué)穩(wěn)定，光刻膠的光學(xué)穩(wěn)定是通過(guò)紫外光輻照和加熱來(lái)完成的。通過(guò)光學(xué)穩(wěn)定，使光刻膠在干法刻蝕過(guò)程中的抗腐蝕性得到增強(qiáng)，進(jìn)而提高刻蝕工藝的選擇性；而且還可以減少在注入過(guò)程中從光刻膠中逸出的

16、氣體，防止在光刻膠層中形成氣泡。6.刻蝕(Etching) 在微電子制造工藝中，光刻圖形必須最終轉(zhuǎn)移到光刻膠下面組成器件的各薄膜層上，這種圖形的轉(zhuǎn)移是采用刻蝕工藝完成的，經(jīng)過(guò)刻蝕的圖形就永久留在晶圓的表層?？涛g工藝分為兩大類：濕法和干法刻蝕。無(wú)論哪一種方法，其目的都是將光刻掩模版上的圖形精確地轉(zhuǎn)移到晶圓表面。同時(shí)要求一致性、邊緣輪廓控制、選擇性、潔凈度都符合要求。 濕法刻蝕具有各向同性腐蝕的特點(diǎn)，工藝簡(jiǎn)單，腐蝕選擇性好；但鉆蝕嚴(yán)重（各向異性差），難于獲得精細(xì)圖形，且刻蝕3m以上的線條，所以現(xiàn)在一般不采用濕法刻蝕。Si的濕法刻蝕：Si+HNO3+HFH2SiF6+HNO2+H2O+H2 現(xiàn)代光刻

17、技術(shù)最常用的刻蝕工藝為干法刻蝕，其各向異性腐蝕強(qiáng)，分辨率高，能刻蝕3m以下線條。干法刻蝕有三種類型，分別為：（1） 等離子體刻蝕：化學(xué)性刻蝕；刻蝕氣體經(jīng)輝光放電后，成為具有強(qiáng)化學(xué)活性的離子及游離基等離子體。等離子體活性基團(tuán)與被刻蝕材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。選擇性好，各向異性差。所用的刻蝕氣體有：CF4、BCl3、CCl4、CHCl3、SF6等。（2） 濺射刻蝕：純物理刻蝕；等離子體轟擊被刻蝕的材料，使其被撞原子飛濺出來(lái)，形成刻蝕。其各向異性好，選擇性差；刻蝕氣體為惰性氣體。（3） 反應(yīng)離子刻蝕（RIE）:結(jié)合（1）、（2）；各向異性和選擇性兼顧；刻蝕氣體與等離子體刻蝕相同。Si的干法刻蝕：Si+FSi

18、F4SiO2的干法刻蝕:SiO2+FSiF4+O2 CF3+SiO2SiF4+CO+CO2SiN4的干法刻蝕：SiN4+FSiF4+N27. 去膠(Strip Photoresist) 經(jīng)過(guò)刻蝕或離子注入之后，已經(jīng)不再需要光刻膠做保護(hù)層，因此可以將光刻膠從硅表面除去，這一步驟稱為去膠。去膠的方法包括濕法去膠和干法去膠。在濕法去膠中又分為有機(jī)溶液去膠和無(wú)機(jī)溶液去膠。有機(jī)溶液去膠是使用與光刻膠互溶的丙酮和芳香族的有機(jī)溶劑，達(dá)到去膠目的。無(wú)極溶液去膠的原理是利用光刻膠本身也是有機(jī)物的特點(diǎn)，通過(guò)可以把光刻膠從硅片的表面除去。不過(guò)由于無(wú)機(jī)溶液會(huì)腐蝕Al，因此去除Al上的光刻膠必須使用有機(jī)溶劑。干法去膠則是用等離子體將光刻膠去除。相對(duì)而言，干法去膠的效果要好于濕法去膠，但干法去膠存在反應(yīng)殘留物的玷污問(wèn)題，因此干法、濕法去膠經(jīng)常搭配使用。光刻是通過(guò)化學(xué)反應(yīng)，將光刻版上的圖形轉(zhuǎn)移到光刻膠上，在經(jīng)刻蝕將光刻膠上的圖形轉(zhuǎn)移到硅表面的薄膜上。光刻要求硅片表面上存在的