電子科大《集成電路工藝》第十五章

1、1第十五章 光刻光刻膠顯影和先進(jìn)的光刻技術(shù)微固學(xué)院微固學(xué)院 張金平張金平215.1 引言引言本章主要內(nèi)容：本章主要內(nèi)容：p光刻膠顯影技術(shù)光刻膠顯影技術(shù)p先進(jìn)的光刻技術(shù)先進(jìn)的光刻技術(shù)本章知識(shí)要點(diǎn)：本章知識(shí)要點(diǎn)：l掌握光刻膠的顯影方法；l掌握光刻膠曝光后烘焙意義；l了解先進(jìn)的光刻技術(shù)。38)顯影后檢查5) 曝光后烘焙6)顯影7)堅(jiān)膜UV LightMask4) 對(duì)準(zhǔn)和曝光Resist2) 涂膠3)前烘1) 氣相成底膜HMDS光刻的八個(gè)步驟15.1 引引 言言415.2 曝光后烘焙曝光后烘焙515.2 曝光后烘焙曝光后烘焙 DUV曝光后烘焙曝光后烘焙 促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)溫度溫度均勻性均勻性 典

2、型的后烘溫度在典型的后烘溫度在90至至130之間，時(shí)間約為之間，時(shí)間約為1到到2分鐘，通常比軟供溫度高分鐘，通常比軟供溫度高10到到15。 曝光后烘焙延遲（表層不溶的阻止層）曝光后烘焙延遲（表層不溶的阻止層） I-Line曝光后烘焙曝光后烘焙 提高光刻膠的粘附性并減少駐波提高光刻膠的粘附性并減少駐波6 PAGPAGPAGPAGPAGPAGPAGPAGH+H+H+H+H+H+H+H+H+H+ 未被曝光的光刻膠區(qū)中性化的光刻膠區(qū)被曝光的光刻膠的酸催化反應(yīng) (PEB后)顯影光刻膠的T型15.2.1 胺染污引起的胺染污引起的“T-top”T-top”7(d) PEB的結(jié)果PACPACPACPACPAC

3、PACPACPACPACPACPACPACPACPACPACPACPAC(c) PEB 引起 PAC 擴(kuò)散 PACPACPACPACPACPACPACPACPACPACPACPACPACPACPACPACPAC未被曝光的光刻膠曝光的光刻膠(b) 光刻膠中的條紋PACPACPACPACPACPACPACPACPACPACPACPACPACPACPACPACPACPACPACPACPACPACPAC駐波(a) UV光曝光15.2.2 后烘引起駐波減少后烘引起駐波減少815.3 顯影顯影915.3 顯顯 影影 顯影顯影是將是將未感光未感光的的負(fù)膠負(fù)膠或已經(jīng)或已經(jīng)感光感光的的正膠溶解正膠溶解的的工藝。

4、顯影速率受顯影液溫度和濃度的影響。工藝。顯影速率受顯影液溫度和濃度的影響。 顯影依賴于所用光刻膠，亞微米光刻常用正膠，顯影依賴于所用光刻膠，亞微米光刻常用正膠，非關(guān)鍵層一般用非關(guān)鍵層一般用I線膠，關(guān)鍵層和線膠，關(guān)鍵層和0.25m以下用以下用DUV光刻膠。光刻膠。 負(fù)膠顯影時(shí)不與顯影液反應(yīng)，留下的膠易膨脹和負(fù)膠顯影時(shí)不與顯影液反應(yīng)，留下的膠易膨脹和變形，分辨率低。變形，分辨率低。 正膠顯影需要與顯影液反應(yīng)，留下的膠未曝光，正膠顯影需要與顯影液反應(yīng)，留下的膠未曝光，不膨脹和變形，分辨率高，所以用于亞微米光刻。不膨脹和變形，分辨率高，所以用于亞微米光刻。 顯影方法分為顯影方法分為浸泡法浸泡法和和噴霧

5、法噴霧法兩種。噴霧法的分兩種。噴霧法的分辨率和重復(fù)性好，廣泛采用。辨率和重復(fù)性好，廣泛采用。1015.3 顯影問題膠顯影出現(xiàn)的各種現(xiàn)象顯影不足XX不完全顯影X過顯影正確顯影光刻膠襯底 顯影不足：線條比正常線條要寬并且在側(cè)面有斜坡； 不完全顯影：襯底上留下應(yīng)該在顯影過程中去掉的剩余光刻膠； 過顯影：除去了太多的光刻膠，引起圖形變窄和拙劣的外形。1115.3 顯顯 影影l(fā) 負(fù)膠負(fù)膠l 正膠正膠l 顯影方法顯影方法l 膠顯影參數(shù)膠顯影參數(shù)1215.3.1 負(fù)膠交聯(lián)UV交聯(lián)未曝光的光刻膠曝光的光刻膠負(fù)膠顯影時(shí)不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，主要是未曝光的光刻膠的溶劑清洗。留下的膠易膨脹和變形，分辨率低。1315.3.

6、2 正膠顯影曝光的膠溶解在顯影液中未曝光的正膠交聯(lián)光刻膠 正膠顯影包含顯影液和光刻膠之間的化學(xué)反應(yīng)； 顯影液和正膠的化學(xué)反應(yīng)與溶解負(fù)膠的溶劑清洗有很大差別。正膠顯影液是一種用水稀釋的強(qiáng)堿溶液。1415.3.3 顯影方法 連續(xù)噴霧顯影連續(xù)噴霧顯影 旋覆浸沒顯影旋覆浸沒顯影1515.3.3 連續(xù)噴霧光刻膠顯影真空吸盤連接旋轉(zhuǎn)電機(jī)的轉(zhuǎn)桿至真空泵(a) 硅片軌道系統(tǒng)(b) 噴霧式顯影硅片傳送系統(tǒng)裝片臺(tái)傳送臺(tái)氣相成底膜涂膠顯影和清洗去邊軟烘冷板冷板堅(jiān)膜1615.3.3 旋覆浸沒光刻膠顯影(d) 甩干(c) DI H2O 清洗(b) 甩掉多余的顯影液(a) 旋覆浸沒式滴顯影液浸沒式1715.3.3 光刻膠

7、顯影參數(shù)p 顯影溫度顯影溫度1525p 顯影時(shí)間顯影時(shí)間p 顯影液用量顯影液用量p 當(dāng)量濃度當(dāng)量濃度p 清洗清洗p 排風(fēng)排風(fēng)p 硅片吸盤硅片吸盤1815.4 堅(jiān)膜堅(jiān)膜1915.4 堅(jiān) 膜堅(jiān)膜：堅(jiān)膜：顯影后的熱烘焙稱為堅(jiān)膜烘焙顯影后的熱烘焙稱為堅(jiān)膜烘焙n 蒸發(fā)掉剩余的溶劑蒸發(fā)掉剩余的溶劑n 使光刻膠變硬使光刻膠變硬n 增加光刻膠與硅片的粘附性增加光刻膠與硅片的粘附性n 為下一步工藝準(zhǔn)備為下一步工藝準(zhǔn)備n 比軟烘的溫度高，但不能使光刻膠變形比軟烘的溫度高，但不能使光刻膠變形用用 Deep UV堅(jiān)膜堅(jiān)膜2015.4 高溫下變軟的光刻膠流動(dòng)光刻膠正膠130，負(fù)膠150。2115.5 顯影檢查顯影檢查2

8、215.5 顯影后檢查 查找缺陷查找缺陷 在腐蝕或離子注入前檢查在腐蝕或離子注入前檢查 檢查光刻工藝的好壞檢查光刻工藝的好壞 硅片返工硅片返工2315.5 自動(dòng)顯影檢查設(shè)備2415.5 光刻、顯影檢查及返工流程1. 氣相成底膜HMDS2. 旋轉(zhuǎn)涂膠3. 軟烘4. 對(duì)準(zhǔn)和曝光UV lightMask5. 曝光后烘焙6. 顯影7. 堅(jiān)膜烘焙8. 顯影檢查不合格硅片合格硅片離子注入刻蝕O2等離子去膠清洗返工2515.6 先進(jìn)的光刻技術(shù)先進(jìn)的光刻技術(shù)2615.6 光刻技術(shù)的改進(jìn)2715.6 先進(jìn)的光刻技術(shù)p 下一代光刻技術(shù)下一代光刻技術(shù)極紫外極紫外 (EUV)角度限制投影電子束光刻角度限制投影電子束光

9、刻SCALPEL離子束投影離子束投影Ion Projection Lithography (IPL)X-Rayp 先進(jìn)的光刻膠工藝先進(jìn)的光刻膠工藝發(fā)展的方向（正膠、化學(xué)放大發(fā)展的方向（正膠、化學(xué)放大DUV）擴(kuò)散增強(qiáng)甲硅烷基光刻膠工藝擴(kuò)散增強(qiáng)甲硅烷基光刻膠工藝DESIRE 2815.6.1 下一代光刻技術(shù)極紫外光刻技術(shù)示意圖步進(jìn)掃描承片臺(tái)步進(jìn)掃描4倍反射投影掩膜版大功率激光靶材料EUV等離子多層涂層鏡投影掩膜版的1/4圖形真空腔2915.6.1 SCALPEL示意圖電子束步進(jìn)掃描承片臺(tái)靜電透鏡系統(tǒng)（4:1縮小）步進(jìn)掃描投影掩膜版承臺(tái)真空腔角度限制投影電子束光刻(SCALPEL)；l 使用的多層薄

10、膜掩膜版幾乎不吸收電子；l 電子束通過一個(gè)掩膜版中的高原子數(shù)目層時(shí)，該層散射出電子在硅片平面形成一個(gè)高對(duì)比度的圖形；l SCALPEL為線性復(fù)制，用步進(jìn)掃描直寫方式產(chǎn)生曝光光刻膠條紋。3015.6.1 離子束投影光刻技術(shù)離子束投影光刻技術(shù)(IPL)；l 用離子束進(jìn)行光刻膠曝光，或者通過掩膜，或者用精確聚焦的離子束連續(xù)在光刻膠上直寫。l 離子質(zhì)量比電子大，因而能更有效地將能量轉(zhuǎn)換到光刻膠上。l 離子束投影光刻技術(shù)能獲得非常高的分辨率。離子束步進(jìn)掃描承片臺(tái)靜電透鏡系統(tǒng)（4:1縮?。┱婵涨浑x子源Mask參考平面3115.6.1 X射線光刻技術(shù)X-ray 光譜10 nm0.1 nm1 nm100 nm

11、MUVDUVHg燈同步加速器UV 光譜EUV軟X-rays硬 X-rays準(zhǔn)分子激光器X射線光刻技術(shù)：l 系統(tǒng)組件包括:(1) 掩膜版 (2) x射線源(3) x射線光刻膠。3215.6.1 X射線光刻技術(shù)X-ray 光掩膜示意圖X-raysSilicon wafer薄膜玻璃架刻到下層薄膜的窗口鍍金的鉻圖形吸收 X-ray掃描 X-rays 通過類似這種光掩膜版被指向生產(chǎn)硅片. 波長很短，掩膜版上沒有衍射干涉效應(yīng)產(chǎn)生，工藝寬容度很大。 X射線版圖用的是與硅片關(guān)鍵尺寸相同的1倍掩膜版。3315.6.1 MOS器件中的輻射損傷3415.6.1 MOS器件中的輻射損傷3515.6.2 先進(jìn)的光刻膠工

12、藝光刻膠及光刻的發(fā)展負(fù)性光刻膠正性光刻膠 (DNQ-酚醛樹脂)化學(xué)放大膠先進(jìn)的光刻膠頂層表面成像接觸式曝光機(jī)G線分步重復(fù)光刻機(jī)I線分步重復(fù)光刻機(jī)掃描式光刻機(jī)DUV步進(jìn)掃描光刻機(jī)DUV分步重復(fù)光刻機(jī)EUV步進(jìn)掃描光刻機(jī)SCALPELIPL, X-rayPSM, OAI1970s 10 m mm 1.2 m mm 0.35 m mm 0.40 m mm 0.18 m mm 2010 0. 1 m mm 2000s 0. 13 m mm 1 m mm 1980s 1990s 3615.6.2 頂層表面成像曝光的光刻膠未曝光的光刻膠UV(a)正常曝光過程(d) 最終被顯影的圖形O2 plasma develop(b) 曝光后烘焙交聯(lián)曝光曝光的光刻膠(c) 氣相甲硅烷基