(第五章)光刻工藝

1、第五章第五章 光刻光刻l光刻基本概念l負性和正性光刻膠差別l光刻的8個基本步驟l光刻光學系統(tǒng)l光刻中對準和曝光的目的l光刻特征參數的定義及計算方法l五代光刻設備5.1 引言引言是把掩膜版上的電路圖形超精確地轉移到涂覆在硅片上的光刻膠膜上，為后續(xù)刻蝕或離子注入提供掩蔽膜，以完成圖形的最終轉移的工藝過程。l光刻是集成電路制造的一、光刻技術的特點一、光刻技術的特點l產生特征尺寸的關鍵工藝；l復印圖像和化學作用相結合的綜合性技術；l光刻與芯片的價格和性能密切相關，光刻成本占整個芯片制造成本的1/3。二、光刻三個基本條件二、光刻三個基本條件l掩膜版l光刻膠l光刻機MaskReticle傳統(tǒng)相機底片傳統(tǒng)相

2、機底片光刻三個基本條件光刻三個基本條件光刻膠光刻膠PR(PhotoResist)l正性光刻膠正性光刻膠 硅片上圖形與掩膜版一樣硅片上圖形與掩膜版一樣 曝光區(qū)域發(fā)生光學分解反應，在顯影液中軟化曝光區(qū)域發(fā)生光學分解反應，在顯影液中軟化溶解而去除掉溶解而去除掉 未曝光區(qū)域顯影后保留未曝光區(qū)域顯影后保留l負性光刻膠負性光刻膠 硅片上圖形與掩膜版相反硅片上圖形與掩膜版相反 曝光區(qū)域發(fā)生光學交聯反應硬化，在顯影液中曝光區(qū)域發(fā)生光學交聯反應硬化，在顯影液中不可溶解而保留不可溶解而保留 未曝光區(qū)域顯影后溶解未曝光區(qū)域顯影后溶解傳統(tǒng)膠片相機負片傳統(tǒng)膠片相機負片傳統(tǒng)膠片相機正片傳統(tǒng)膠片相機正片正性光刻膠正性光刻膠

3、負性光刻膠負性光刻膠光刻三個基本條件光刻三個基本條件光刻機光刻機光刻機光刻機傳統(tǒng)相片放大機傳統(tǒng)相片放大機三、光刻技術要求三、光刻技術要求l光源，是將硅片上兩個相鄰的特征尺寸圖形，是將硅片上兩個相鄰的特征尺寸圖形區(qū)分開的能力。區(qū)分開的能力。，掩膜版上的圖形與硅片上的圖形的，掩膜版上的圖形與硅片上的圖形的對準程度。按照光刻的要求版上的圖形與片上對準程度。按照光刻的要求版上的圖形與片上圖形要精確對準。圖形要精確對準。，工藝發(fā)生一定變化時，在規(guī)定范，工藝發(fā)生一定變化時，在規(guī)定范圍內仍能達到關鍵尺寸要求的能力。圍內仍能達到關鍵尺寸要求的能力。5.2 光刻工藝步驟及原理光刻工藝步驟及原理一、氣相成底膜二、

4、旋轉涂膠三、軟烘四、對準和曝光五、曝光后烘培（PEB）六、顯影七、堅膜烘培八、顯影檢查涂膠涂膠曝光曝光顯影顯影檢查檢查l工藝目的：增加光刻膠與硅片的粘附性。l工藝過程： 1. 在氣相成底膜之前，硅片要進行化學清洗、甩干以保證硅片表面潔凈。 2. 用N2攜帶六甲基二硅胺烷（HMDS）進入具有熱板的真空腔中，硅片放在熱板上，形成底膜。 脫水烘干脫水烘干HMDS成膜成膜l工藝目的：工藝目的：在硅片表面涂上液體光刻膠來得到一層均勻覆蓋層。l工藝過程：工藝過程： 1.分滴 2.旋轉鋪開 3.旋轉甩掉 4.溶劑揮發(fā) 5.去除邊圈PR dispensernozzleWaferChuckSpindleTo v

5、acuumpumpnozzlePR suck backWaferChuckSpindleTo vacuumpumpnozzlePR suck backWaferChuckSpindleTo vacuumpumpnozzlePR suck backWaferChuckSpindleTo vacuumpumpnozzlePR suck backWaferChuckSpindleTo vacuumpumpnozzlePR suck backWaferChuckSpindleTo vacuumpumpnozzlePR suck backWaferChuckSpindleTo vacuumpumpnoz

6、zlePR suck backWaferChuckSpindleTo vacuumpumpnozzlePR suck backWaferChuckSpindleTo vacuumpumpnozzlePR suck backWaferChuckSpindleTo vacuumpumpnozzlePR suck backWaferChuckSpindleTo vacuumpumpSpindleTo vacuumpumpWaferChuckSolventSpindleTo vacuumpumpWaferChuckSolventWaferChuckSpindleTo vacuumpumpEBRWafe

7、rVacuumPRChuckDrainExhaust丙烯乙二醇一甲胺以太醋酸鹽丙烯乙二醇一甲胺以太醋酸鹽PGMEA乙烯乙二醇一甲胺以太醋酸鹽乙烯乙二醇一甲胺以太醋酸鹽EGMEA 1. 將掩膜版圖案轉移到硅片表面頂層的光刻膠中；將掩膜版圖案轉移到硅片表面頂層的光刻膠中； 2. 在后續(xù)工藝中，保護下面的材料（例如刻蝕或在后續(xù)工藝中，保護下面的材料（例如刻蝕或離子注入阻擋層）離子注入阻擋層） 1. 樹脂（是一種有機聚合物材料，提供光刻樹脂（是一種有機聚合物材料，提供光刻 膠的機械和化學特性）膠的機械和化學特性） 2. 感光劑（光刻膠材料的光敏成分）感光劑（光刻膠材料的光敏成分） 3. 溶劑（使光刻膠

8、具有流動性）溶劑（使光刻膠具有流動性） 4. 添加劑（控制光刻膠特殊方面的化學物質，添加劑（控制光刻膠特殊方面的化學物質，備選）備選） 1.分辨率高（區(qū)分硅片上兩個相鄰的最小特征尺分辨率高（區(qū)分硅片上兩個相鄰的最小特征尺寸圖形的能力強）寸圖形的能力強） 2.對比度好（指曝光區(qū)和非曝光區(qū)過渡的陡度）對比度好（指曝光區(qū)和非曝光區(qū)過渡的陡度） （a）對比度差）對比度差 （b）對比度好）對比度好PR FilmSubstratePR FilmSubstrate 3.敏感度好（是指硅片表面光刻膠中產生良好敏感度好（是指硅片表面光刻膠中產生良好圖形所需要的一定波長光的最小能量值，以圖形所需要的一定波長光的最

9、小能量值，以mJ/cm2為單位）為單位） 4.粘滯性好（表征液體光刻膠流動性的一個指粘滯性好（表征液體光刻膠流動性的一個指標，即粘度，單位用標，即粘度，單位用cps表示）表示） 5.粘附性好（指光刻膠與襯底表面的粘附性好）粘附性好（指光刻膠與襯底表面的粘附性好） 6.抗蝕性好（在后續(xù)刻蝕工藝中，光刻膠很好抗蝕性好（在后續(xù)刻蝕工藝中，光刻膠很好地保護襯底表面，膠的這種性質稱為抗蝕性）地保護襯底表面，膠的這種性質稱為抗蝕性） 7.顆粒少顆粒少 光刻膠厚度光刻膠厚度1/(rpm)1/21. 樹脂是懸浮于溶劑中的酚醛甲醛聚合物樹脂是懸浮于溶劑中的酚醛甲醛聚合物2. 感光劑化合物作為強的溶解抑制劑（不溶

10、解于顯影液）被加到線性酚感光劑化合物作為強的溶解抑制劑（不溶解于顯影液）被加到線性酚醛樹脂中醛樹脂中3. 在曝光過程中，感光劑（通常為在曝光過程中，感光劑（通常為DNQ）發(fā)生光化學分解產生羥酸）發(fā)生光化學分解產生羥酸4. 羥酸提高光刻膠曝光區(qū)域的線性酚醛樹脂的溶解度羥酸提高光刻膠曝光區(qū)域的線性酚醛樹脂的溶解度1. 樹脂是懸浮于溶劑中的聚異戊二烯橡膠聚合物樹脂是懸浮于溶劑中的聚異戊二烯橡膠聚合物2. 曝光使光敏感光劑釋放出氮氣曝光使光敏感光劑釋放出氮氣3. 釋放出的氮氣產生自由基釋放出的氮氣產生自由基4. 自由基通過交聯橡膠聚合物（不溶于顯影液）使光刻膠聚合自由基通過交聯橡膠聚合物（不溶于顯影液

11、）使光刻膠聚合1. 具有保護團的酚醛樹脂使之不溶于顯影液具有保護團的酚醛樹脂使之不溶于顯影液2. 光酸產生劑在曝光時產生酸光酸產生劑在曝光時產生酸3. 曝光區(qū)域產生的酸作為催化劑，在曝光后熱烘過程中移除樹脂保護團曝光區(qū)域產生的酸作為催化劑，在曝光后熱烘過程中移除樹脂保護團4. 不含保護團的光刻膠曝光區(qū)域溶解于以水為主要成分的顯影液不含保護團的光刻膠曝光區(qū)域溶解于以水為主要成分的顯影液l工藝目的：工藝目的：1.將光刻膠中溶劑揮發(fā)去除將光刻膠中溶劑揮發(fā)去除2.改善粘附性、均勻性、抗蝕性改善粘附性、均勻性、抗蝕性3.優(yōu)化光刻膠光吸收特性優(yōu)化光刻膠光吸收特性4.緩和在旋轉過程中膠膜內產生的應力緩和在旋

12、轉過程中膠膜內產生的應力HeaterVacuumWaferHeated N 2WafersHeaterMW SourceWaferPhotoresistChuckVacuum熱熱 板板對流烘箱對流烘箱微波烘箱微波烘箱l工藝目的： 對準和曝光是將掩膜板上的圖形通過鏡頭由紫外光傳遞到涂有光刻膠的硅片上, 形成光敏感物質的空間精確分布，從而實現精確的圖形轉移。對準對準同軸和離軸對準系統(tǒng)同軸和離軸對準系統(tǒng)曝光曝光 1. 投影掩膜版的對位標記(RA) ：在版的左右兩側， RA與步進光刻機上的基準標記對準 2. 整場對準標記(GA):第一次曝光時被光刻在硅片左右兩邊，用于每個硅片的粗對準 3. 精對準標記

13、(FA)：每個場曝光時被光刻的，用于每個硅片曝光場和投影掩膜版的對準1.上掩膜版、硅片傳送2. 掩膜版對準（ RA ）（掩膜版標記與光刻機基準進行激光自動對準）3. 硅片粗對準（ GA ）（掩膜版與硅片兩邊的標記進行激光自動對準）4. 硅片精對準（ FA ）（掩膜版與硅片圖形區(qū)域的標記進行激光自動對準）五、曝光后烘培（五、曝光后烘培（PEB）使得曝光后的光敏感物質在光刻膠內部進行一定的擴散，可以有效地防止產生駐波效應。 對DUV深紫外光刻膠，曝光后烘焙提供了酸擴散和放大的熱量，烘焙后由于酸致催化顯著的化學變化使曝光區(qū)域圖形呈現。l入射光和反射光發(fā)生干涉并引起光刻膠在厚度方向上的不均勻曝光，這種

14、現象稱為駐波效應。駐波效應降低了光刻膠成像的分辨率。深紫外光刻膠由于反射嚴重駐波效應嚴重。干涉增強過曝光/nPR平均曝光強度干涉相消欠曝光襯底表面光刻膠表面/nPRPhotoresistSubstrateOverexposureUnderexposurePhotoresistSubstrate六、顯影六、顯影 溶解硅片上光刻膠可溶解區(qū)域，形成精密的光刻膠圖形。DeveloperpuddleWaferForm puddleSpin spraySpin rinseand dry正性光刻膠正性光刻膠負性光刻膠負性光刻膠顯影液四甲基氫氧化銨 TMAH二甲苯Xylene漂洗液去離子水DI water醋酸

15、正丁酯n-Butylacetate 經曝光的正膠逐層溶解，中和反應只在光刻膠表面進行。 非曝光區(qū)的負膠在顯影液中首先形成凝膠體，然后再分解，這就使整個負膠層被顯影液浸透而膨脹變形。七、堅膜烘培七、堅膜烘培 使存留的光刻膠溶劑徹底揮發(fā)，提高光刻膠的粘附性和抗蝕性。這一步是穩(wěn)固光刻膠，對下一步的刻蝕或離子注入過程非常重要。八、顯影檢查八、顯影檢查1.找出光刻膠有質量問題的硅片2.描述光刻膠工藝性能以滿足規(guī)范要求PRSubstrate 正確顯影PRSubstrate 顯影不足PRSubstrate 不完全顯影PRSubstrate 過顯影pExample Viper defect clipsArra

16、y Misplacement on first layerWrong Reticle (RV option)Litho process-Auto ADIHot PlateDeveloperdispenserTrackHot PlateSpin Station光刻機Track Robotl思考題： 如果使用了不正確型號的光刻膠進行光刻會出現什么情況？ 5.3 光學光刻光學光刻 光的能量能滿足激活光刻膠，成功實現圖形轉移的要求。光刻典型的曝光光源是紫外（UV ultraviolet）光源以及深紫外（DUV）光源、極紫外（EUV）光源。 1.高壓汞燈 2.準分子激光Intensity (a.u)G-

17、line(436)I-line(365)300400500600Wavelength (nm) H-line (405)Deep UV(260)典型高壓汞燈的發(fā)射光譜典型高壓汞燈的發(fā)射光譜名稱名稱波長波長 (nm) CD分辨率分辨率 (um)汞燈汞燈G-line4360.50H-line 405I-line 3650.35 to 0.25準分子激光準分子激光XeF 351XeCl308KrF (DUV) 2480.25 to 0.15ArF 1930.18 to 0.13氟激光氟激光F21570.13 to 0.1光刻光源光刻光源準直透鏡準直透鏡汞燈汞燈燈位置調節(jié)鈕燈位置調節(jié)鈕燈監(jiān)視器燈監(jiān)視器

18、橢圓形反光鏡橢圓形反光鏡快門快門目鏡目鏡平面反光鏡平面反光鏡掩蔽組件掩蔽組件反光鏡反光鏡反光鏡反光鏡聚光透鏡聚光透鏡聚光透鏡聚光透鏡濾光片濾光片Fiber optics投影掩膜版投影掩膜版承投影掩膜版臺承投影掩膜版臺(X, Y, q q)投影投影光學聚焦傳感器光學聚焦傳感器干涉儀反光鏡干涉儀反光鏡X-drive motorY-drive motorq q-Z drive stage真空卡盤真空卡盤載片臺裝置載片臺裝置照明裝置照明裝置光源置于反光鏡的第一焦點光源置于反光鏡的第一焦點F1處，發(fā)出的處，發(fā)出的光線經反光鏡反射后，只有低溫的紫外光光線經反光鏡反射后，只有低溫的紫外光會聚在第二焦點會聚在

19、第二焦點F2處。處。 橢球冷反光鏡橢球冷反光鏡光學介質鏡光學介質鏡 第一排復眼透鏡第一排復眼透鏡將光源形成多個光將光源形成多個光源像進行照明；源像進行照明； 第二排復眼透第二排復眼透鏡的每個小透鏡將鏡的每個小透鏡將第一排復眼透鏡對第一排復眼透鏡對應的小透鏡重疊成應的小透鏡重疊成像于照明面上。像于照明面上。復眼透鏡均勻照明系統(tǒng)復眼透鏡均勻照明系統(tǒng) 透鏡能夠把一些衍射光會聚到一點成像，把透鏡收集衍射光的能力稱為透鏡的數值孔徑。透鏡焦長透鏡半徑)()(nSinnNAmq數值孔徑在成像中的作用數值孔徑在成像中的作用 將硅片上兩個相鄰的關鍵尺寸圖形區(qū)分開的能力。 k為工藝因子，范圍是0.60.8， 為光

20、源的波長，NA為曝光系統(tǒng)的數值孔徑 要提高曝光系統(tǒng)的分辨率即減小關鍵尺寸，就要要提高曝光系統(tǒng)的分辨率即減小關鍵尺寸，就要降低光源的波長降低光源的波長 。NAkR 是焦點上下的一個范圍，在這個范圍內圖像連續(xù)保持清晰。焦深也就是景深，集成電路光刻中的景深很小，一般在1.0m左右或更小。2)(2 NADOF 掩膜版上的圖形與硅片上的圖形的對準程度。按照光刻的要求版上的圖形與片上圖形要精確對準。套準精度也是光刻中一個重要的性能指標。套準精度一般是關鍵尺寸的1/4 1/3。 通過對不同層次之間的千分尺結構套刻記號的位置誤差或來測定套準精度。放大放大縮小縮小旋轉旋轉X軸方向偏移軸方向偏移Y軸方向偏移軸方向

21、偏移底部抗反射涂層底部抗反射涂層(BARC)頂部抗反射涂層頂部抗反射涂層(TARC)5.4 光刻設備光刻設備l按照曝光進行方式分為：按照曝光進行方式分為： 掩蔽式掩蔽式(shadow printing)：接觸式(Contact)，接近式(Proximity) 投影式投影式(projection printing)：掃描式(Scan)，步進式(Stepping)，步進-掃描式(Step and Scan)l按照工作波長分為：按照工作波長分為： g-line(435 nm), i-line(365 nm), KrF(248nm), g-line(435 nm), i-line(365 nm), K

22、rF(248nm), ArF(193nm),ArF(193nm), 和EUV(13.5nm)EUV(13.5nm)一、光刻機分類一、光刻機分類l按照工作平臺的個數分為：按照工作平臺的個數分為： 單平臺，雙平臺(ASML Twinscan)，串列平臺(Nikon NSR-S610C)l按照一次曝光的區(qū)域按照一次曝光的區(qū)域(Exposure Field)大小分為：大小分為：迷你(Mini)，全尺寸(Full Field, 26mm x 33mm)l按照縮小比例按照縮小比例(Reduction Ratio)分為：分為： 10倍，5倍，4倍，和1倍l1. 接觸式光刻機接觸式光刻機l2. 接近式光刻機接

23、近式光刻機l3. 掃描投影光刻機掃描投影光刻機l4. 分步重復光刻機分步重復光刻機l5. 步進掃描光刻機步進掃描光刻機二、五代光刻設備二、五代光刻設備 70年代的光刻只能加工年代的光刻只能加工35m線寬，線寬，4 “ 5 ”wafer。如：。如：canon，采用紫外線光源。，采用紫外線光源。l分辨率較低分辨率較低l掩膜版和硅片表面光刻膠間距掩膜版和硅片表面光刻膠間距2.5到到25uml緩解顆粒污染和損傷緩解顆粒污染和損傷l紫外光受空氣間隙發(fā)散影響，分辨率受限，紫外光受空氣間隙發(fā)散影響，分辨率受限，2到到4umUVMask接近式光刻機上的邊緣衍射和表面反射接近式光刻機上的邊緣衍射和表面反射UV

24、exposure lightSubstrateResistDiffracted and reflected lightGapMaskSubstrate掃描投影光刻機掃描投影光刻機l80年代發(fā)明了年代發(fā)明了1：1投影式光刻機投影式光刻機l紫外光通過狹縫聚焦在硅片上獲得均勻光源紫外光通過狹縫聚焦在硅片上獲得均勻光源l可加工可加工12m線寬，線寬，5 6waferwaferl代表產品有美國的代表產品有美國的UltrotecUltrotec4. 分步重復光刻機分步重復光刻機l80年代后期出現了年代后期出現了Wafer Stepper，10:1或或5:1，使芯片，使芯片加工進入了加工進入了0.8m的時代

25、。的時代。l光刻精度高，對硅片光刻精度高，對硅片的平整的平整度和幾何形狀變化的補償較度和幾何形狀變化的補償較容易容易l為提高硅片處理速度，鏡頭為提高硅片處理速度，鏡頭尺寸大、曝光區(qū)域大，造成尺寸大、曝光區(qū)域大，造成像差大，圖像畸變像差大，圖像畸變l代表產品有：美國的代表產品有：美國的GCA，日本的日本的Canon，Nikon及荷蘭及荷蘭的的ASML5. 步進掃描光刻機步進掃描光刻機l版上圖形與片上圖形版上圖形與片上圖形4：1，掩膜版制造更容易和精確，掩膜版制造更容易和精確l用較小的透鏡尺寸獲得較大的曝光場從而獲得較大的芯片用較小的透鏡尺寸獲得較大的曝光場從而獲得較大的芯片尺寸尺寸l掃描過程調節(jié)

26、聚焦，透鏡缺陷、硅片平整度變化自動補償掃描過程調節(jié)聚焦，透鏡缺陷、硅片平整度變化自動補償步進掃描光刻機系統(tǒng)工作過程步進掃描光刻機系統(tǒng)工作過程l接觸式光刻機接觸式光刻機BG401lNSR2005 i9c 型型NIKON光刻機（步進式）光刻機（步進式）序號序號性能參數性能參數參數要求參數要求1分辨率分辨率 0.45m 2焦深焦深 0.7m 3套刻精度套刻精度 110nm 4最大曝光面積最大曝光面積 20 X 20 mm2 5曝光光強曝光光強600mw/cm2NSR2005 i9c 型型NIKON光刻機主要性能指標光刻機主要性能指標lNSR2005 i9c 型型NIKON光刻機光刻關鍵尺寸光刻機光刻

27、關鍵尺寸SEM照片照片1lNSR2005 i9c 型型NIKON光刻機光刻關鍵尺寸光刻機光刻關鍵尺寸SEM照片照片25.5 先進光刻技術先進光刻技術光刻技術的改進光刻技術的改進b) 改進的掩膜版改進的掩膜版a) 常規(guī)掩膜版常規(guī)掩膜版c) 先進的掩膜版先進的掩膜版鉻鉻吸收型相吸收型相移層移層顯出邊緣顯出邊緣的相移層的相移層阻擋層阻擋層-1+10-1+10+10硅片上硅片上光強光強掩膜版掩膜版上電場上電場硅片上硅片上電場電場相移掩膜技術（相移掩膜技術（PSM）光學鄰近修正光學鄰近修正AB-A+B+A-B離軸照明離軸照明(b)常規(guī)照明常規(guī)照明 (軸上軸上)- 級次級次衍射衍射+ 級次級次衍射衍射(a)針孔掩膜針孔掩膜投影光投影光學系統(tǒng)學系統(tǒng)Wafer離軸照明離軸照明極紫外光刻技術示意圖極紫外光刻技術示意圖步進掃描承步進掃描承片臺片臺步進掃描步進掃描4倍反倍反射投影掩膜版射投影掩膜版大功率激光大功率激光靶材料靶材料EUV等離子等離子多層涂層鏡多層涂層鏡投影掩膜版投影掩膜版的的1/4圖形圖形真空腔真空腔電子束電子束步進掃描步進掃描承片臺承片臺靜電透鏡系統(tǒng)靜電透鏡系統(tǒng)（4:1縮?。┛s?。┎竭M掃描承投步進掃描承投影掩膜版臺影掩膜版臺真空腔真空腔角度限制投影電子束