光刻技術(shù)及發(fā)展前景講解

1、Photolithography為什么要“重點(diǎn)”研究光刻？半導(dǎo)體工藝的不斷進(jìn)步由光刻工藝決定半導(dǎo)體工藝的不斷進(jìn)步由光刻工藝決定為什么要“重點(diǎn)”研究光刻？業(yè)界之前所預(yù)測的光刻技術(shù)發(fā)展路線圖業(yè)界之前所預(yù)測的光刻技術(shù)發(fā)展路線圖光刻概述 Photolithography 臨時(shí)性地涂覆光刻膠到硅片上臨時(shí)性地涂覆光刻膠到硅片上 轉(zhuǎn)移設(shè)計(jì)圖形到光刻膠上轉(zhuǎn)移設(shè)計(jì)圖形到光刻膠上 IC制造中最重要的工藝制造中最重要的工藝 占用占用40 to 50% 芯片制造時(shí)間芯片制造時(shí)間 決定著芯片的決定著芯片的最小特征尺寸最小特征尺寸光刻技術(shù)的原理光刻的基本原理光刻的基本原理: 是利用光致抗蝕劑（或稱光刻膠）感光后因光化學(xué)是

2、利用光致抗蝕劑（或稱光刻膠）感光后因光化學(xué)反應(yīng)而形成耐蝕性的特點(diǎn)，將掩模板上的圖形刻制到被反應(yīng)而形成耐蝕性的特點(diǎn)，將掩模板上的圖形刻制到被加工表面上。加工表面上。光刻工序1、清洗硅片 Wafer Clean去除污染物去除污染物去除顆粒去除顆粒減少針孔和其它缺減少針孔和其它缺陷陷提高光刻膠黏附性提高光刻膠黏附性基本步驟基本步驟 化學(xué)清洗化學(xué)清洗 漂洗漂洗 烘干烘干清洗硅片 Wafer Clean 化學(xué)清洗 漂洗漂洗 烘干2、預(yù)烘和底膠涂覆 Pre-bake and Primer Vapor預(yù)烘：預(yù)烘：脫水烘焙脫水烘焙去除圓片表面的潮氣去除圓片表面的潮氣增強(qiáng)光刻膠與表面的黏附性增強(qiáng)光刻膠與表面的黏

3、附性通常大約通常大約100 C與底膠涂覆合并進(jìn)行與底膠涂覆合并進(jìn)行底膠涂覆：底膠涂覆：增強(qiáng)光刻膠增強(qiáng)光刻膠(PR)和圓片表面的黏附性和圓片表面的黏附性廣泛使用廣泛使用: (HMDS)六甲基二硅胺六甲基二硅胺在在PR旋轉(zhuǎn)涂覆前旋轉(zhuǎn)涂覆前HMDS蒸氣涂覆蒸氣涂覆PR涂覆前用冷卻板冷卻圓片涂覆前用冷卻板冷卻圓片預(yù)烘和底膠蒸氣涂覆3、光刻膠涂覆 Photoresist Coating圓片放置在真空卡盤上圓片放置在真空卡盤上高速旋轉(zhuǎn)高速旋轉(zhuǎn)液態(tài)光刻膠滴在圓片中心液態(tài)光刻膠滴在圓片中心光刻膠以離心力向外擴(kuò)展光刻膠以離心力向外擴(kuò)展均勻涂覆在圓片表面均勻涂覆在圓片表面實(shí)驗(yàn)室勻膠機(jī)Photoresist Spi

4、n CoaterEBR: Edge bead removal邊緣修復(fù)滴膠光刻膠吸回Photoresist Spin CoatingEdge Bead RemovalReady For Soft Bake4、前烘 Soft Bake蒸發(fā)光刻膠中的溶劑蒸發(fā)光刻膠中的溶劑溶劑能使涂覆的光刻膠更薄溶劑能使涂覆的光刻膠更薄但吸收熱量且影響光刻膠的黏附但吸收熱量且影響光刻膠的黏附性性過多的烘烤使光刻膠聚合，感光過多的烘烤使光刻膠聚合，感光靈敏度變差靈敏度變差烘烤不夠影響?zhàn)じ叫院推毓夂婵静粔蛴绊戰(zhàn)じ叫院推毓釨aking Systems5、對準(zhǔn) Alignment對準(zhǔn)方法：對準(zhǔn)方法：a、預(yù)對準(zhǔn)，通過硅片上的、

5、預(yù)對準(zhǔn)，通過硅片上的notch或者或者flat進(jìn)行激光自動(dòng)對準(zhǔn)進(jìn)行激光自動(dòng)對準(zhǔn)b、通過對準(zhǔn)標(biāo)志，位于切割槽、通過對準(zhǔn)標(biāo)志，位于切割槽上。另外層間對準(zhǔn)，即套刻精度上。另外層間對準(zhǔn)，即套刻精度,保證圖形與硅片上已經(jīng)存在的圖保證圖形與硅片上已經(jīng)存在的圖形之間的對準(zhǔn)。形之間的對準(zhǔn)。 6、曝光Exposure曝光方法：曝光方法：a、接觸式曝光（接觸式曝光（Contact Printing）掩膜掩膜板直接與光刻膠層接觸。板直接與光刻膠層接觸。b、接近式曝光（接近式曝光（Proximity Printing）掩掩膜板與光刻膠層的略微分開，大約為膜板與光刻膠層的略微分開，大約為1050m。 c、投影式曝光（投

6、影式曝光（Projection Printing）。）。在掩膜板與光刻膠之間使用透鏡聚集光在掩膜板與光刻膠之間使用透鏡聚集光實(shí)現(xiàn)曝光。實(shí)現(xiàn)曝光。d、步進(jìn)式曝光、步進(jìn)式曝光(Stepper)曝光中最重要的兩個(gè)參數(shù)是：曝光中最重要的兩個(gè)參數(shù)是：1.曝光能量（曝光能量（Energy）2.焦距（焦距（Focus）如果能量和焦距調(diào)整不好，就不能得到要求如果能量和焦距調(diào)整不好，就不能得到要求的分辨率和大小的圖形。表現(xiàn)為圖形的關(guān)鍵的分辨率和大小的圖形。表現(xiàn)為圖形的關(guān)鍵尺寸超出要求的范圍尺寸超出要求的范圍7、后烘 Post Exposure Bakea、減少駐波效應(yīng)、減少駐波效應(yīng)b、激發(fā)化學(xué)增強(qiáng)光刻膠的、激發(fā)

7、化學(xué)增強(qiáng)光刻膠的PAG產(chǎn)產(chǎn)生的酸與光刻膠上的保護(hù)基團(tuán)發(fā)生的酸與光刻膠上的保護(hù)基團(tuán)發(fā)生反應(yīng)并移除基團(tuán)使之能溶解于生反應(yīng)并移除基團(tuán)使之能溶解于顯影液顯影液8、顯影 Development顯影液溶劑溶解掉光刻膠中軟化顯影液溶劑溶解掉光刻膠中軟化部分部分從掩膜版轉(zhuǎn)移圖形到光刻膠上從掩膜版轉(zhuǎn)移圖形到光刻膠上三個(gè)基本步驟三個(gè)基本步驟: 顯影顯影 漂洗漂洗 干燥干燥Development Profiles9、堅(jiān)膜 Hard Bake1.完全蒸發(fā)掉光刻膠里面的溶劑完全蒸發(fā)掉光刻膠里面的溶劑2.堅(jiān)膜，以提高光刻膠在離子注入或刻蝕堅(jiān)膜，以提高光刻膠在離子注入或刻蝕中保護(hù)下表面的能力中保護(hù)下表面的能力3.進(jìn)一步增強(qiáng)

8、光刻膠與硅片表面之間的黏進(jìn)一步增強(qiáng)光刻膠與硅片表面之間的黏附性附性4.減少駐波效應(yīng)（減少駐波效應(yīng)（Standing Wave Effect) 烘烤不足（烘烤不足（Underbake）減弱光刻膠的強(qiáng)度（抗刻蝕能力和離子注入減弱光刻膠的強(qiáng)度（抗刻蝕能力和離子注入中的阻擋能力）；降低針孔填充能力（中的阻擋能力）；降低針孔填充能力（Gapfill Capability for the needle hole）；）；降低與基底的黏附能力。烘烤過度（降低與基底的黏附能力。烘烤過度（Overbake）引起光刻膠的引起光刻膠的流動(dòng)，使圖形精度降低，分辨率變差。流動(dòng)，使圖形精度降低，分辨率變差。10、圖形檢測

9、Pattern Inspection1.對準(zhǔn)問題：對準(zhǔn)問題：重疊和錯(cuò)位，掩膜旋轉(zhuǎn)，重疊和錯(cuò)位，掩膜旋轉(zhuǎn)，圓片旋轉(zhuǎn)，圓片旋轉(zhuǎn)，X方向錯(cuò)位，方向錯(cuò)位，Y方向錯(cuò)位方向錯(cuò)位2.臨界尺寸臨界尺寸3.表面不規(guī)則：表面不規(guī)則：劃痕、針孔、瑕疵和污劃痕、針孔、瑕疵和污染物染物臨界尺寸Critical Dimension集成電路工藝所采用的光刻技術(shù) 主流光刻技術(shù)主流光刻技術(shù): 248nm DUV技術(shù) （KrF準(zhǔn)分子激光）- 0.10um 特征尺寸193nm DUV技術(shù) （ArF準(zhǔn)分子激光）- 90nm特征尺寸193nm 沉浸式技術(shù) （ArF準(zhǔn)分子激光）- 65nm特征尺寸 新一代的替代光刻技術(shù)新一代的替代光刻技

10、術(shù): 157nm F2 EUV光刻 紫外線光刻 電子束投影光刻 X射線光刻 離子束光刻 納米印制光刻 當(dāng)當(dāng)22nm工藝節(jié)點(diǎn)來臨之時(shí)，工藝節(jié)點(diǎn)來臨之時(shí)，又將要會(huì)采用什么樣的光刻工藝又將要會(huì)采用什么樣的光刻工藝呢？呢？為什么22nm節(jié)點(diǎn)之后光刻就這么難？由上圖可知由上圖可知高頻光的能量較高，低頻光的能量較低高頻光的能量較高，低頻光的能量較低，在在工藝尺寸一再減小工藝尺寸一再減小的基礎(chǔ)上，的基礎(chǔ)上，可見光可見光已經(jīng)不能很已經(jīng)不能很好的完成光刻工作了！好的完成光刻工作了！聽聽來自工業(yè)界的聲音！2011年國際固態(tài)電路會(huì)議(ISSCC2011)上，IBM, 臺積電等廠商均表示將繼續(xù)在22/20nm節(jié)點(diǎn)制程

11、應(yīng)用平面結(jié)構(gòu)的體硅晶體管工藝，光刻技術(shù)方面，22/20nm節(jié)點(diǎn)主要幾家芯片廠商也將繼續(xù)使用基于193nm液浸式光刻系統(tǒng)的雙重成像（double patterning）技術(shù)。不過固態(tài)電路協(xié)會(huì)的另外一位重要成員Intel則繼續(xù)保持沉默。 最為活躍的193nm浸入式光刻浸入式光刻技術(shù)浸入式光刻技術(shù)與傳統(tǒng)光刻技術(shù)的比較與傳統(tǒng)光刻技術(shù)的比較最為活躍的193nm浸入式光刻在傳統(tǒng)的光刻技術(shù)中，其在傳統(tǒng)的光刻技術(shù)中，其鏡頭鏡頭與與光刻膠光刻膠之間的介質(zhì)是空氣，而所謂之間的介質(zhì)是空氣，而所謂浸入式技術(shù)浸入式技術(shù)是將是將空氣介質(zhì)空氣介質(zhì)換成換成液體液體。實(shí)際上，浸入式技術(shù)利。實(shí)際上，浸入式技術(shù)利用光通過液體介質(zhì)后

12、用光通過液體介質(zhì)后光源波長縮短光源波長縮短來來提高分提高分辨率辨率，其，其縮短的倍率即為液體介質(zhì)的折射率縮短的倍率即為液體介質(zhì)的折射率。例如，在例如，在193nm光刻機(jī)中，在光源與硅片光刻機(jī)中，在光源與硅片（光刻膠）之間加入水作為介質(zhì)，而水的折（光刻膠）之間加入水作為介質(zhì)，而水的折射率約為射率約為1.4，則波長可縮短為，則波長可縮短為193/1.4=132nm。（容易知道波長減少，能量（容易知道波長減少，能量增加?。┰黾樱。┣熬肮饷鞯腅UV極端遠(yuǎn)紫外光刻EUV是目前距實(shí)用話最近的一種深亞微米的光刻技術(shù)。是目前距實(shí)用話最近的一種深亞微米的光刻技術(shù)。他仍然采用前面提到的他仍然采用前面提到的分步投影

13、光刻系統(tǒng)分步投影光刻系統(tǒng)，只是改變，只是改變光源的光源的波長波長，即采用波長更短的，即采用波長更短的遠(yuǎn)紫外線遠(yuǎn)紫外線。采用的。采用的EUV進(jìn)行光刻的進(jìn)行光刻的主要難點(diǎn)是主要難點(diǎn)是很難找到合適的制作掩膜版的材料和光學(xué)系統(tǒng)很難找到合適的制作掩膜版的材料和光學(xué)系統(tǒng)。EUV技術(shù)技術(shù)前景光明的EUV極端遠(yuǎn)紫外光刻EUV極端遠(yuǎn)紫外光所處的位置極端遠(yuǎn)紫外光所處的位置上圖中，我們可以明確看到上圖中，我們可以明確看到EUV極端遠(yuǎn)紫外光在光譜中極端遠(yuǎn)紫外光在光譜中的位置，這是一種波長極短的光刻技術(shù)，其曝光波長大約為的位置，這是一種波長極短的光刻技術(shù)，其曝光波長大約為13.5nm。按照目前理論上認(rèn)為的波長與蝕刻精度

14、關(guān)系，。按照目前理論上認(rèn)為的波長與蝕刻精度關(guān)系，EUV技技術(shù)能夠術(shù)能夠蝕刻出蝕刻出5nm以下工藝以下工藝的晶體管的晶體管。前景光明的EUV極端遠(yuǎn)紫外光刻EUV光刻技術(shù)正在飛速發(fā)展光刻技術(shù)正在飛速發(fā)展前景光明的EUV極端遠(yuǎn)紫外光刻 雖然業(yè)界一再強(qiáng)調(diào)EUV的技術(shù),我們有理由相信，EUV（極端遠(yuǎn)紫外光刻）將是未來納米級光刻技術(shù)的主流工藝，而一直沉默不語的Intel是否已經(jīng)使用了這種技術(shù)呢？Intel巨資開發(fā)的巨資開發(fā)的Intels Micro Exposure Tool（MET）其實(shí)各大廠商已經(jīng)開始為EUV布局！IMEC開發(fā)的開發(fā)的EUV alpha demonstration tool臺積電公司訂

15、購臺積電公司訂購ASML公司極紫外光刻系統(tǒng)公司極紫外光刻系統(tǒng)Twinscan NXE3100其實(shí)各大廠商已經(jīng)開始為EUV布局！EUV技術(shù)在技術(shù)在Intel的實(shí)戰(zhàn)中取得成果的實(shí)戰(zhàn)中取得成果光刻技術(shù)面臨的困難與挑戰(zhàn)光刻技術(shù)面臨的困難與挑戰(zhàn)32納米納米內(nèi)容概要光學(xué)掩膜版圖形分辨率加強(qiáng)光學(xué)掩膜版圖形分辨率加強(qiáng)技術(shù)的研發(fā)和后光學(xué)成像技技術(shù)的研發(fā)和后光學(xué)成像技術(shù)掩膜版的制造術(shù)掩膜版的制造控制圖形的對準(zhǔn)，線寬和缺陷，使用亞分辨率輔助圖形技術(shù)；掌握曝光過程中缺陷的產(chǎn)生；制訂193nm工藝平臺上實(shí)現(xiàn)小于45納米半間距線寬工藝圖形所需掩膜版的放大倍率，并研發(fā)基于小像場使用的補(bǔ)償模式；制造用于后光學(xué)成像技術(shù)的1倍五

16、缺陷膜版成本控制和投資回報(bào)成本控制和投資回報(bào)控制設(shè)備、工藝的投入產(chǎn)出比，制造成本可接受且適用的光學(xué)掩膜版和用于后光學(xué)成像技術(shù)的掩膜版；合理調(diào)配資源，杜絕浪費(fèi)，研發(fā)450mm硅片生產(chǎn)設(shè)備工藝控制工藝控制控制柵電極的線寬變化4nm，研發(fā)新的圖形對準(zhǔn)技術(shù)11nm；控制線寬邊緣粗糙度表現(xiàn)；控制測量引入線寬變化和缺陷50nm；采用更精確的光刻膠模型，采用更精確的OPC模型，并基于光學(xué)極化效應(yīng)確認(rèn)其表現(xiàn)；控制并校正光刻設(shè)備的光散射，尤其針對極紫外線光刻設(shè)備；采用利于光刻工藝的設(shè)計(jì)和成產(chǎn)要求優(yōu)化的設(shè)計(jì)方案沉浸式光刻技術(shù)沉浸式光刻技術(shù)控制沉浸式光刻技術(shù)生產(chǎn)中產(chǎn)生的缺陷、研發(fā)、優(yōu)化光刻膠的組成，使之具備和液體以及頂部疏水層良好的兼容性，研發(fā)折射率1.8的光刻膠；折射率1.65的浸沒液體以及折射率1.65的光學(xué)鏡頭材料極紫外線光刻技術(shù)極紫外線光刻技術(shù)制造低缺陷密度的掩膜基板；研發(fā)功率115瓦的光源系統(tǒng)以及長壽命低損耗的光學(xué)部件；研發(fā)線寬邊緣粗糙度3nm，感光靈敏度10ml/cm2 ；分辨率40納米半間距線寬工藝圖形的光刻膠；制造0.01nm均方根誤差和小于10%本征光散射的光學(xué)部件；控制光學(xué)部件的污染，研究不使用有機(jī)保護(hù)薄膜的掩膜版保護(hù)；研究與光學(xué)成像工藝生產(chǎn)設(shè)備的兼容性但一切還遠(yuǎn)沒有結(jié)束! 據(jù)據(jù)Intel表示，表示，