光刻工藝光刻膠

1、集成電路工藝光刻光刻1、基本描述和過程2、光刻膠3、顯影4、文獻光刻1、基本描述和過程2、光刻膠3、顯影4、文獻光刻基本介紹l光刻是通過一系列生產(chǎn)步驟，將晶圓表面薄膜的特定部分除去的工藝。在此之后，晶圓表面會留下帶有微圖形結(jié)構(gòu)的薄膜。通過光刻工藝過程，最終在晶圓上保留的是特征圖形部分。光刻三要素Used for preparing the substrate of a wafer for the subsequent processing stage.Elements (三要素）1）Light source light, X-ray, electron or ion beams Ultravi

2、olet (UV) light with a wavelength of 250-450 nm is used for silicon process2）Mask( 掩模板） a chromium pattern on a light transparentsubstrate (glass).3)Resist （光刻膠） sensitive to the light source, about 1m thick, applied on the silicon wafer or another deposition layer positive and negative resist光刻工藝流程

3、1、氣相成底膜l目的：增強硅片與光刻膠的黏附性l底膜處理的步驟 1.硅片清洗 不良的表面沾污會造成： 光刻膠與硅片的黏附性差，可能會浮膠、鉆蝕 顆粒沾污會造成不平坦的涂布，光刻膠針孔 2.脫水烘焙 使硅片表面呈干燥疏水性 3.底膜處理 HMDS作用：影響硅片表面形成疏水表面 增強硅片與膠的結(jié)合力 方法有：沉浸式，旋涂法和蒸汽法2、旋轉(zhuǎn)涂膠l涂膠工藝的目的就是在晶圓表面建立薄的、均勻的、并且沒有缺陷的光刻膠膜。旋轉(zhuǎn)涂膠的四個基本步驟2、旋轉(zhuǎn)涂膠l常用涂膠法：靜態(tài)旋轉(zhuǎn)和動態(tài)噴灑 l靜態(tài)涂膠：首先把光刻膠通過管道堆積在晶圓的中心，然后低速旋轉(zhuǎn)使光刻膠鋪開，再高速旋轉(zhuǎn)甩掉多余的光刻膠，高速旋轉(zhuǎn)時光刻膠

4、中的溶劑會揮發(fā)一部分。2、旋轉(zhuǎn)涂膠 靜態(tài)涂膠時的堆積量非常關(guān)鍵，量少了會導致負膠不均勻，量大了會導致晶圓邊緣光刻膠的堆積甚至流到背面。2、旋轉(zhuǎn)涂膠 動態(tài)噴灑：隨著晶圓直徑越來越大，靜態(tài)涂膠已不能滿足要求，動態(tài)噴灑是以低速旋轉(zhuǎn)，目的是幫助光刻膠最初的擴散，用這種方法可以用較少量的光刻膠而達到更均勻的光刻膠膜，然后高速旋轉(zhuǎn)完成最終要求薄而均勻的光刻膠膜。2、旋轉(zhuǎn)涂膠 涂膠的質(zhì)量要求是：（1）膜厚符合設(shè)計的要求，同時膜厚要均勻，膠面上看不到干涉花紋；（2）膠層內(nèi)無點缺陷（如針孔等）；（3）涂層表面無塵埃和碎屑等顆粒。3、前烘目的：光刻膠中的溶劑部分揮發(fā)增強光刻膠的粘附性，光吸收及抗腐蝕能力緩和涂膠過

5、程中光刻膠膜內(nèi)產(chǎn)生的應(yīng)力如果沒有前烘，可能帶來的問題有：光刻膠發(fā)黏，易受顆粒污染光刻膠來自旋轉(zhuǎn)涂膠的內(nèi)在應(yīng)力將導致粘附性問題溶劑含量過高導致顯影時由于溶解差異，而很難區(qū)分曝光和未曝光的光刻膠光刻膠散發(fā)的氣體可能污染光學系統(tǒng)的透鏡4、對準和曝光l對準是把所需圖形在晶圓表面上定位或?qū)?，而曝光的目的是要是通過汞弧燈或其他輻射源將圖形轉(zhuǎn)移到光刻膠圖層上。用盡可能短的時間使光刻膠充分感光，在顯影后獲得盡可能高的留膜率和近似垂直的光刻膠側(cè)壁和可控的線寬。5、曝光后烘培 在曝光時由于駐波效應(yīng)的存在，光刻膠側(cè)壁會有不平整的現(xiàn)象，曝光后進行烘烤，可使感光與未感光邊界處的高分子化合物重新分布，最后達到平衡，基本

6、可以消除駐波效應(yīng)。6、顯影 顯影就是用顯影液溶解掉不需要的光刻膠，將掩膜版上的圖形轉(zhuǎn)移到光刻膠上。 顯影中可能出現(xiàn)的問題： 顯影不足：比正常線條要寬并且在側(cè)面有斜坡 不完全顯影：在襯底上留下應(yīng)去掉的光刻膠 過顯影：除去了太多的光刻膠，引起圖形變窄和拙劣的外形7、堅膜烘焙l目的是通過溶液的蒸發(fā)來固化光刻膠，此處理提高了光刻膠對襯底的粘附性，為下一步工藝做好準備。正膠的堅膜烘焙溫度約為120到140，這比軟烘溫度要高，但也不能太高，否則光刻膠就會流動從而破壞圖形。8、顯影檢查l目的是查找光刻膠中成形圖形的缺陷l顯影檢查用來檢查光刻工藝的好壞，為光學光刻工藝生產(chǎn)人員提供用于糾正的信息光刻1、基本描述

7、和過程2、光刻膠3、顯影4、文獻光刻膠定義: 光學曝光過程中，為了將掩模上的圖形轉(zhuǎn)移到圓片上，輻照必須作用在光敏物質(zhì)上，該光敏物質(zhì)必須通過光照，改變材料性質(zhì)，使在完成光刻工藝后，達到轉(zhuǎn)移圖形的目的。該光敏物質(zhì)稱為光刻膠。它是一種對光敏感的有機化合物，它受紫外光曝光后，在顯影液中的溶解度會發(fā)生變化。作用： a、將掩膜板上的圖形轉(zhuǎn)移到晶圓表面頂層的光刻膠中； b、在后續(xù)工序中，保護下面的材料（刻蝕或離子注入）。光刻膠的組成l樹脂：光刻膠樹脂是一種惰性的聚合物基質(zhì)，是用來將其它材料聚合在一起的粘合劑。光刻膠的粘附性、膠膜厚度等都是樹脂給的。l感光劑：感光劑是光刻膠的核心部分，它對光形式的輻射能 特別

8、在紫外區(qū)會發(fā)生反應(yīng)。曝光時間、光源所發(fā)射光線的強度都根據(jù)感光劑的特性選擇決定的。l溶劑：光刻膠中容量最大的成分，感光劑和添加劑都是固態(tài)物質(zhì)，為了方便均勻的涂覆，要將它們加入溶劑進行溶解，形成液態(tài)物質(zhì)，且使之具有良好的流動性，可以通過旋轉(zhuǎn)方式涂布在晶圓表面。l添加劑：用以改變光刻膠的某些特性，如改善光刻膠發(fā)生反射而添加染色劑。 光刻膠的組成光刻膠類型l光刻膠根據(jù)其化學反應(yīng)機理和顯影原理，可分負性膠和正性膠兩類。光照后形成不可溶物質(zhì)的是負性膠；反之，原本對某些溶劑是不可溶的，經(jīng)光照后變成可溶物質(zhì)的即為正性膠。利用這種性能，將光刻膠作涂層，就能在硅片表面刻蝕所需的電路圖形。l正膠（Positive

9、Photo Resist）：曝光前對顯影液不可溶，而曝光后變成了可溶的，能得到與掩模板遮光區(qū)相同的圖形。 l負膠（Negative Photo Resist）：反之。waferPR掩模板氧化膜曝光 顯影 正膠 負膠正光刻膠l受光輻射后聚合物發(fā)生變化，被輻射部分溶解，未被輻射部分保持不變。l曝光時切斷樹脂聚合體主鏈和從鏈之間的聯(lián)系，達到削弱聚合體的目的，所以曝光后光刻膠在隨后的顯影處理中溶解度升高，曝光后溶解度幾乎是未曝光時的10倍；更高分辨率（無膨脹現(xiàn)象）在IC制造應(yīng)用更為普遍；正光刻膠正膠正膠IC主導主導負光刻膠l聚合物被輻射后不溶于顯影劑，精度遜于正膠l在負膠曝光時，產(chǎn)生大量的交聯(lián)聚合，成

10、為互相連接的大樹脂分子，很難在顯影液中溶解。從而負膠的曝光部分在顯影后保留。而未曝光部分則在顯影時去除。某種負膠中的加聚反應(yīng)負膠負膠 顯影液不易進入正膠的未曝光部分，正膠光刻后線條不變形。顯影液會使負膠膨脹，線條變寬。雖然烘烤后能收縮，但易變形。所以負膠不適合2.0微米以下工藝使用。正膠是ULSI的主要光刻膠。 正膠的針孔密度低，但對襯低的粘附差，通常用HMDS作增粘處理。負膠對襯底粘附好，針孔密度較高。3.正膠耐化學腐蝕，是良好的掩蔽薄膜。兩種光刻膠的性能兩種光刻膠的性能兩種光刻膠的性能DUV深紫外光刻膠傳統(tǒng)DNQ膠的問題：1、對于1，因此，因此DUV膠的靈敏度有很大提高。膠的靈敏度有很大提

11、高。g線、線、i線光刻膠靈敏度為線光刻膠靈敏度為100 mJ/cm-2，DUV膠為膠為2040 mJ/cm-2化學增強光刻膠化學增強光刻膠PAG (photo-acid generator)DUV膠化學增強的基本原理要求對于環(huán)境和工藝參數(shù)控制嚴格，PEB溫度控制在幾分之一度。PAGINSOL INSOL聚合物長鏈聚合物長鏈酸酸INSOL INSOL聚合物長鏈聚合物長鏈SOLSOL聚合物長鏈聚合物長鏈酸酸SOLINSOL聚合物長鏈聚合物長鏈酸酸酸酸曝光曝光曝光后烘烤曝光后烘烤（PEB）酸酸EUV LithographyThe Successor to Optical Lithography?Ab

12、stractThis paper discusses the basic concepts and current state of development of EUV lithography (EUVL), a relatively new form of lithography that uses extreme ultraviolet (EUV) radiation with a wavelength in the range of 10 to14 nanometer (nm) to carry out projection imaging. Currently, and for th

13、e last several decades, optical projection lithography has been the lithographictechnique used in the high-volume manufacture of integrated circuits. It is widely anticipated that improvements in this technology will allow it to remainthe semiconductor industrys workhorse through the 100 nm generati

14、on of devices. However, some time around the year 2005, so-called Next-Generation Lithographies will be required. EUVL is one such technology vying to become the successor to optical lithography.Why EUVL?In order to keep pace with the demand for the printing of ever smaller features, lithography too

15、l manufacturers have found it necessary to gradually reduce the wavelength of the light used for imaging and to design imaging systems with ever larger numerical apertures. The reasons for these changes can be understood from the following equations that describe two of the most fundamental characte

16、ristics of an imaging system: its resolution (RES) and depth of focus (DOF). These equations are usually expressed as RES = k1 / NA (1a)and DOF = k2 / (NA)2, (1b)where is the wavelength of the radiation used to carry out the imaging, and NA is the numerical aperture of the imaging system (or camera)

17、. These equations show that better resolution can be achieved by reducing and increasing NA.Figure 2: The region between the lines shows the wavelength and numerical aperture of cameras simultaneously having a resolution of 100 nm or better and a DOF of 0.5 m or betterSources of EUV RadiationA numbe

18、r of sources of EUV radiation have been used to date in the development of EUVL. Radiation has been obtained from a variety of laser-produced plasmas and from the bending magnets and the undulators associated with synchrotrons. ResistsThe main problem to be confronted in developing a satisfactory ph

19、otoresist for EUVL is the strong absorption of EUV radiation by all materials. EUV resists will most likely be structured so that printing occurs in a very thin imaging layer at the surface of the resist. 1、靈敏度 靈敏度的定義 單位面積上入射的使光刻膠全部發(fā)生反應(yīng)的最小光能量或最小電荷量（對電子束膠），稱為光刻膠的靈敏度，記為 S ，S 越小，則靈敏度越高。 通常負膠的靈敏度高于正膠。 靈

20、敏度太低會影響生產(chǎn)效率，所以通常希望光刻膠有較高的靈敏度。但靈敏度太高會影響分辨率。 光刻膠的特性 2、分辨率 下面討論分辨率與靈敏度的關(guān)系。當入射電子數(shù)為 N 時，由于隨機漲落，實際入射的電子數(shù)在 范圍內(nèi)。為保證出現(xiàn)最低劑量時不少于規(guī)定劑量的 90%，也即 。由此可得 。因此對于小尺寸曝光區(qū)，必須滿足 光刻工藝中影響分辨率的因素有：光源、曝光方式和光刻膠本身（包括靈敏度、對比度、顆粒的大小、顯影時的溶脹、電子散射等）。通常正膠的分辨率要高于負膠。NN%10NN100min=N2min minminmin( )10S W NqqNqWS S= =式中，Wmin 為最小尺寸，即分辨率?？梢?，若靈

21、敏度越高（即 S 越?。瑒t Wmin 就越大，分辨率就越差。minmin10qNqWS S= = 3、對比度 對比度是圖中對數(shù)坐標下對比度曲線的斜率，表示光刻膠區(qū)分掩模上亮區(qū)和暗區(qū)的能力的大小，即對劑量變化的敏感程度。靈敏度曲線越陡，D0 與 D100 的間距就越小，則 就越大，這樣有助于得到清晰的圖形輪廓和高的分辨率。一般光刻膠的對比度在 0.9 2.0 之間。對于亞微米圖形，要求對比度大于 1。 通常正膠的對比度要高于負膠。D0D100 對比度的定義為11000lgDD= 光進入光刻膠后，其強度按下式衰減 式中， 為光刻膠的光學吸收系數(shù) ,單位為長度的倒數(shù)。設(shè) TR 為光刻膠的厚度 ，則

22、可定義光刻膠的 為 對比度與光刻膠厚度的關(guān)系是 可見減薄膠膜厚度有利于提高對比度和分辨率。但是，光刻膠很薄時，臺階覆蓋會變差，往往在為提高分辨率而降低膠的厚度時，要全面兼顧。 0( )ezI zI=RR000RR( ) d1e1TTII zzAI TT= R1T= 一個與對比度有關(guān)的光刻膠性能指標是 ，代表在光刻膠上獲得能被分辨的圖形所必須的最小調(diào)制傳輸函數(shù)，其定義為 利用對比度的公式，可得 CMTF 的典型值為 0.4 。如果實像的 MTF 小于 CMTF ，則其圖像就不能被分辨；如果實像的 MTF 大于 CMTF，就有可能被分辨。 臨界調(diào)制傳輸函數(shù) 10001000CMTFDDDD=111

23、01CMTF101=感光度： 表征光刻膠對光線敏感程度的性能指標只有某一波長范圍的光才能使光刻膠發(fā)生光化學反應(yīng)。留膜率: 定義：曝光顯影后的非溶性膠膜厚度與曝光前的膠膜厚度之比.影響因素：膠自身性質(zhì)；吸收特性在曝光波長下的吸收率a：a太大: 僅膠頂部被曝光。a太小: 需很長曝光時間。 光化學吸收率即曝光前后吸收率之差。 影響因素:膠自身性質(zhì)光刻膠的性能指標光刻膠的性能指標粘附性：光刻膠與襯底之間粘附的牢固程度。影響因素：膠自身性質(zhì)；襯底的性質(zhì)及其表面狀態(tài)。針孔密度：單位面積上的針孔數(shù)。影響因素： 膠自身性質(zhì)；環(huán)境潔凈度?？刮g性：能較長時間經(jīng)受酸、堿的浸蝕和等離子體的作用。影響因素：膠自身性質(zhì)；

24、光刻工藝條件。性能穩(wěn)定性：暗反應(yīng)和存儲性能退化。影響因素：膠自身性質(zhì)和存儲條件。光刻1、基本描述和過程2、光刻膠3、顯影4、文獻顯影顯影就是用顯影液去除已曝光部分的光刻膠，在硅片上形成所需圖形的過程。曝光部分的光刻膠與顯影液作用并溶解于水，未曝光部分不與顯影液作用并保持原狀。顯影液為堿性溶液，與光刻膠是一一對應(yīng)的。 顯影 將曝光后的硅片放到顯影液中。對于負膠，通過顯影溶解掉未曝光區(qū)的膠膜；對于正膠，通過顯影溶解掉曝光區(qū)的膠膜。幾乎所有的正膠都使用堿性顯影液。 顯影過程中膠膜會發(fā)生膨脹。正膠的膨脹可以忽略，而負膠的膨脹則可能使圖形尺寸發(fā)生變化。 顯影過程對溫度非常敏感。顯影過程可影響膠的對比度，

25、從而影響膠的剖面形狀。顯影缺陷:顯影過度: 光刻膠太薄或者不均勻，顯影時間太長，光刻膠質(zhì)量太差（老化）顯影不足: 光刻膠太厚或者不均勻，顯影時間太短， 顯影劑性能太弱 （老化）顯影中的問題l負光刻膠顯影 當負性光刻膠經(jīng)過曝光后，它會發(fā)生聚合，在聚合與未聚合之間有足夠高的分辨率，從而在顯影過程中聚合的區(qū)域只會失去很小部分光刻膠，而未聚合的區(qū)域則在顯影過程中分解，但由于兩個區(qū)域之間總是存在過渡 區(qū)，過渡區(qū)是部分聚合的 光刻膠，所以，顯影結(jié)束 后必須及時沖洗，使顯影 液很快稀釋，保證過渡區(qū) 不被顯影，使顯影后的圖 形得以完整。掩膜版反光刻膠層晶圓聚合的光刻膠部分聚合的光刻膠未聚合的光刻膠l正光刻膠顯

26、影 對于正性光刻膠，聚合與未聚合區(qū)域的溶解率約為1:4。這意味著在顯影中總會從聚合的區(qū)域失去一些光刻膠。使用過度的顯影液或顯影時間過長都會導致光刻膠太薄而不能使用。 正性光刻膠的顯影工藝比負性光刻膠更為敏感，影響的因素有：軟烘焙時間和溫度、曝光度、顯影液濃度、時間、溫度以及顯影方法。顯影工藝參數(shù)由所有變量的測試來決定。顯影液早期用水稀釋的強堿溶液，如氫氧化鈉，現(xiàn)在用四甲基氫氧化銨 顯影劑溫度和曝光關(guān)系與線寬變化的比較20 s 光曝16 s 光曝 12 s 光曝8 s 光曝光刻膠厚度： mm 1持續(xù)曝光時間：0 s 5（基于8F8 6?s 曝光） 顯影劑濃度：0% 5曝光后烘焙：無線寬變化（mm

27、）顯影劑溫度（?F+1.50+1.40+1.30+1.10+0.90+0.90+0.70+0.50+0.10+0.1068727680顯影方式顯影方式l靜態(tài)浸漬顯影 圓片靜止顯影液噴在圓片表面，依靠圓片表面張力使顯影液停留在圓片上，圓片輕輕的轉(zhuǎn)動，讓顯影液在圓片表面充分浸潤，一段時間后，高速旋轉(zhuǎn)將顯影液甩掉。l旋轉(zhuǎn)噴霧顯影 圓片旋轉(zhuǎn)由高壓氮氣將流經(jīng)噴嘴的顯影液打成微小的液珠噴射在圓片表面，數(shù)秒鐘顯影液就能均勻地覆蓋在整個圓片表面。影響顯影質(zhì)量因素l顯影時間 影響條寬控制精度l顯影液的溫度 影響顯影的速率旋覆浸沒顯影連續(xù)噴霧光刻膠顯影堅 膜在顯影過程中，顯影液溶解掉了需要去除的那部分光刻膠膜，同

28、時也使不需要去除的光刻膠膜軟化，含有過多的水分，并且與基片的附著性變差，降低了后續(xù)刻蝕工藝的耐蝕性，必須經(jīng)過一定溫度和時間的烘烤，以揮發(fā)掉殘留的顯影液和水分，使膠膜致密堅固，進一步提高膠膜與基體表面的附著力和抗化學腐蝕性，減少刻蝕時所出現(xiàn)的鉆蝕和針孔現(xiàn)象。烘焙溫度太低，脫水和聚合不徹底，溫度太高光刻膠容易變軟甚至流動，所以溫度的控制極為嚴格。 任何一次工藝過后都要進行檢驗，經(jīng)檢驗合格的晶園流入下一道工藝，對顯影檢驗不合格的晶園可以返工重新曝光、顯影。工藝流程如圖所示。l顯影檢驗的內(nèi)容 圖形尺寸上的偏差，定位不準的圖形，表面問題（光刻膠的污染、空洞、 或劃傷），以及污點和其他的表面不規(guī)則等。去水

29、合物點膠烘焙定位和曝光顯影檢驗合格晶圓光刻膠去除拒收的晶圓顯影和烘焙顯影檢查光刻1、基本描述和過程2、光刻膠3、顯影4、文獻高分辨率I-line 正性光刻膠的制備及應(yīng)用性能研究摘 要：利用兩種不同重均分子量的改性酚醛樹脂（PF）與一種三個酯化度的四羥基二苯甲酮重氮萘醌磺酸酯光敏劑（PAC）按比例配制，加入適量助劑優(yōu)化感光性能，制備出一種應(yīng)用于電子觸屏加工領(lǐng)域的I-line 正性光刻膠，其具有刻蝕精度高、工藝性能優(yōu)良、單位成本較低等優(yōu)勢特點。試驗方法正性光刻膠的制備將兩種不同重均分子量PF 與PGMEA 溶劑按照質(zhì)量比1 5 進行溶解，同時要求避光攪拌，待樹脂充分溶解后，再加入3%4%比例的4H

30、BP-215DNQ 和助劑（包括EDL、MIBK、HBP）等。持續(xù)避光攪拌一小時以上，無不溶沉淀即可，置于5以下冰箱冷藏，密封保存。結(jié)果與討論酚醛樹脂選型比較實驗采用的是在間、對甲酚樹脂基礎(chǔ)上改性而成不同重均分子量的兩種酚醛樹脂，作為成膜材料。標記為1 號樹脂和2 號樹脂。1 號樹脂是使用普通加成縮合法合成的大分子量酚醛樹脂，2 號樹脂采用兩步法4合成了一種分子量?。∕W2007）且分子量分布系數(shù)窄（D1.4）的酚醛樹脂，分子量表征如圖3由圖4 可見，1 號樹脂樣品刻蝕輪廓明顯，但膜曝光部分沒有被溶解完全，因其分子量較大，阻溶能力太強，弱堿顯影性能不夠理想；2 號樹脂樣品分子量較小，阻溶能力不足，造成非曝光區(qū)域溶解，曝光輪廓邊緣模糊；1、2 號混合樹脂曝光輪廓清晰，顯影效果明顯，不同分子量的樹脂提高了曝光區(qū)與非曝光區(qū)的溶解速率反差，使得分辨率提高。環(huán)保溶劑選型比較為了提高光刻膠的物理性能和安全性，本文篩選出幾種涂料油墨行業(yè)常用的環(huán)保溶劑，如丙二醇甲醚醋酸酯（PGMEA）、乙二醇單乙醚等。此外，還可加入沸點較高的溶劑如N,N-二甲基甲酰胺（DMF）等7。分別用PGMEA 與DMF 作為溶劑，配制樣品，對比前烘烤時間的情況，