光刻刻蝕課件

1、第七章 光刻Photolithography1 光刻是IC制造業(yè)中最為重要的一道工藝,占據(jù)了芯片制造中大約一半的步驟.光刻占所有成本的35% 通常可用光刻次數(shù)及所需掩模的個數(shù)來表示某生產(chǎn)工藝的難易程度。 一個典型的硅集成電路工藝包括1520塊掩膜版2 集成電路的特征尺寸是否能夠進一步減小，也與光刻技術(shù)的進一步發(fā)展有密切的關(guān)系。 通常人們用特征尺寸來評價一個集成電路生產(chǎn)線的技術(shù)水平。 所謂特征尺寸（CD：characteristic dimension）是指設(shè)計的多晶硅柵長，它標志了器件工藝的總體水平，是設(shè)計規(guī)則的主要部分。通常我們所說的0.13m,0.09m工藝就是 指的光刻技術(shù)所能達到最小線

2、條的工藝。3 光刻的定義光刻是一種圖形復(fù)印和化學(xué)腐蝕相結(jié)合的精密表面加工技術(shù)。用照相復(fù)印的方法將掩模版上的圖案轉(zhuǎn)移到硅片表面的光刻膠上，以實現(xiàn)后續(xù)的有選擇刻蝕或注入摻雜 光刻的目的：光刻的目的就是在二氧化硅或金屬薄膜上面刻蝕出與掩膜版完全對應(yīng)的幾何圖形，把掩模版上的圖形轉(zhuǎn)換成晶圓上的器件結(jié)構(gòu),從而實現(xiàn)選擇性擴散和金屬薄膜布線的目的。4兩次圖形轉(zhuǎn)移：掩模板圖形轉(zhuǎn)移到光刻膠層（光刻）光刻膠層到晶圓層（刻蝕）5光刻的要求對光刻的基本要求： （1）高分辨率 （2）高靈敏度 （3）精密的套刻對準 （4）大尺寸硅片上的加工 （5）低缺陷 61. 高分辨率分辨率是將硅片上兩個鄰近的特征圖形區(qū)分開來的能力，即

3、對光刻工藝中可以達到的最小光刻圖形尺寸的一種描述，是光刻精度和清晰度的標志之一。隨著集成電路的集成度提高，加工的線條越來越細，對分辨率的要求也越來越高。通常以每毫米內(nèi)能刻蝕出可分辨的最多線條數(shù)目來表示。R= 1/2L（線寬和線與線間空白寬度均為L）72.高靈敏度靈敏度是指光刻膠感光的速度。為了提高產(chǎn)量,要求光刻周期越短越好，這就要求曝光時間越短越好，也就要求高靈敏度。3.精密的套刻對準集成電路制作需要十多次甚至幾十次光刻，每次光刻都要相互套準。由于圖形的特征尺寸在亞微米數(shù)量級上，因此，對套刻要求很高。要求套刻誤差在特征尺寸的10左右。84.大尺寸硅片的加工提高了經(jīng)濟效益但是要在大面積的晶圓上實

4、現(xiàn)均勻的膠膜涂覆，均勻感光，均勻顯影，比較困難高溫會引起晶圓的形變，需要對周圍環(huán)境的溫度控制要求十分嚴格，否則會影響光刻質(zhì)量5.低缺陷缺陷會使電路失效，因此應(yīng)該盡量減少缺陷9正光刻膠(Positive optical resist)負光刻膠(Negative optical resist)Resists are organic polymers that are spun onto wafersand prebaked to produce a film 0.5 - 1 mm thick.光刻膠又稱光致抗蝕劑(Photo-Resist) ，根據(jù)光刻膠在曝光前后溶解特性的變化，有7.1 關(guān)于光致

5、抗蝕劑10正性光刻膠Positive Optical Resist正膠的光化學(xué)性質(zhì)是從抗溶解到可溶性。正膠曝光后顯影時感光的膠層溶解了?，F(xiàn)有VLSI工藝都采用正膠 11正膠機制曝光使感光材料(PAC)中分子裂解，被裂解的分子在顯影液中很易溶解，從而與未曝光部分形成強烈反差。12負性光刻膠 Negative Optical resist負膠的光學(xué)性能是從可溶解性到不溶解性。負膠在曝光后發(fā)生交鏈作用形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，在顯影液中很少被溶解，而未被曝光的部分充分溶解。13 小結(jié)：正性和負性光刻膠 正性光刻膠受光或紫外線照射后感光的部分發(fā)生光分解反應(yīng)，可溶于顯影液，未感光的部分顯影后仍然留在晶圓的表面 負性

6、光刻膠的未感光部分溶于顯影液中，而感光部分顯影后仍然留在基片表面。正膠：曝光前不可溶，曝光后 可溶負膠：曝光前 可溶，曝光后不可溶 光刻膠對大部分可見光敏感，對黃光不敏感。因此光刻通常在黃光室（Yellow Room）內(nèi)進行。14負光阻正光阻15負膠正膠IC主導(dǎo)正膠分辨率高于負膠16光刻膠由4種成分組成：樹脂（聚合物材料）感光劑溶劑添加劑（備選）光刻膠的組成材料17樹脂 樹脂是一種惰性的聚合物，包括碳、氫、氧的有機高分子。用于把光刻膠中的不同材料聚在一起的粘合劑。 對負性膠，聚合物曝光后會由非聚合狀態(tài)變?yōu)榫酆蠣顟B(tài)。在大多數(shù)負性膠里面，聚合物是聚異戊二烯類型。是一種相互粘結(jié)的物質(zhì)抗刻蝕的物質(zhì)，如

7、圖所示。18 正性膠的基本聚合物是苯酚甲醛聚合物，也稱為苯酚甲醛樹脂。如圖所示。 在光刻膠中聚合物是相對不可溶的，用適當(dāng)能量的光照后變成可溶狀態(tài)。這種反應(yīng)稱為光溶解反應(yīng)19固體有機材料（膠膜的主體）UV曝光后發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)，溶解性質(zhì)發(fā)生改變正膠從不可溶到可溶負膠從可溶到不可溶樹脂20光刻膠中的感光劑是光刻膠材料中的光敏成分。即對光能發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。如果聚合物中不添加感光劑，那么它對光的敏感性差，而且光譜范圍較寬，添加特定的感光劑后，可以增加感光靈敏度，而且限制反應(yīng)光的光譜范圍，或者把反應(yīng)光限制在某一波長的光。2122溶劑 光刻膠中容量最大的成分是溶劑。添加溶劑的目的是光刻膠處于液態(tài)，以便使光刻膠

8、能夠通過旋轉(zhuǎn)的方法涂在晶園表面。 絕大多數(shù)的溶劑在曝光前揮發(fā)，對于光刻膠的光化學(xué)性質(zhì)幾乎沒有影響。 溶解聚合物 經(jīng)過旋轉(zhuǎn)涂布可得到薄光刻膠膜23添加劑 光刻膠中的添加劑通常是專有化學(xué)品，成份由制造商開發(fā)，但是由于競爭原因不對外公布。 主要在光刻膠薄膜中用來改變光刻膠的特定化學(xué)性質(zhì)或光響應(yīng)特性。如添加染色劑以減少反射。247.2 光刻工藝2526 為確保光刻膠能和晶園表面很好粘結(jié)，必須進行表面處理，包括三個階段：微粒清除、脫水和涂底膠。1 氣相成底膜處理27第一步:微粒清除 目的：清除掉晶圓在存儲、裝載和卸載到片匣過程中吸附到的一些顆粒狀污染物。 清除方法： 1）高壓氮氣吹除 2）化學(xué)濕法清洗：

9、酸清洗和烘干。 3）旋轉(zhuǎn)刷刷洗 4）高壓水流噴洗28第二步:脫水烘焙 目的：干燥晶圓表面，增加表面粘附性。 經(jīng)過清潔處理后的晶園表面可能會含有一定的水分（親水性表面），所以必須脫水烘焙使其達到清潔干燥（憎水性表面），以便增加光刻膠和晶園表面的黏附能力。 29第三步 晶圓涂底膠1.增強光刻膠和晶圓的粘附力的方法：A：脫水烘焙 B：涂底膠2.用hexamethyldisilazane（HMDS）進行成膜處理 (HMDS:六甲基乙硅烷)3.要求： 在晶圓表面建立薄的、均勻的、并且沒有缺陷的光刻膠膜30四個步驟1.分滴：當(dāng)硅片靜止或者旋轉(zhuǎn)的非常慢時，光刻膠被分滴在硅片上2.旋轉(zhuǎn)鋪開：快速加速硅片使光刻

10、膠伸展到整個硅片表面 3.旋轉(zhuǎn)甩掉：甩掉多于的光刻膠，在硅片上得到均勻的光刻膠膠膜覆蓋層。4.溶劑揮發(fā)：以固定轉(zhuǎn)速繼續(xù)旋轉(zhuǎn)涂膠的硅片，直到溶劑揮發(fā)，光刻膠膠膜幾乎干燥2.旋轉(zhuǎn)涂膠（Spin-on PR Coating）313. 軟烘（soft baking）因為光刻膠是一種粘稠體，所以涂膠結(jié)束后并不能直接進行曝光，必須經(jīng)過烘焙，使光刻膠中的溶劑蒸發(fā)。烘焙后的光刻膠仍然保持“軟”狀態(tài)。但和晶園的粘結(jié)更加牢固。目的:去除光刻膠中的溶劑。 蒸發(fā)溶劑的原因： 1）溶劑吸收光，干擾了曝光中聚合物的化學(xué)反應(yīng)。 2）蒸發(fā)溶劑增強光刻膠和晶圓的粘附力。32 時間和溫度是軟烘焙的參數(shù)， 不完全的烘焙在曝光過程中

11、造成圖像形成不完整和在刻蝕過程中造成多余的光刻膠漂移； 過分烘焙會造成光刻膠中的聚合物產(chǎn)生聚合反應(yīng)，并且不與曝光射線反應(yīng)，影響曝光。334.對準和曝光（Alignment） （Exposure ）對準是將掩膜版與與前道工序中已刻在硅片上的圖形對準曝光是對準以后，將掩膜版和硅片曝光，把掩膜版圖形轉(zhuǎn)移到涂膠的硅片上,實現(xiàn)圖形復(fù)制。345. 曝光后烘烤（PEB）（PEB，Post Exposure Baking） 目的：促進光刻膠的化學(xué)反應(yīng)，提高光刻膠的粘附性并減少駐波。35 顯影液溶解部分光刻膠 將掩膜上的圖形轉(zhuǎn)移到光刻膠上6. 顯影（Development）三個基本步驟: 顯影清洗干燥36a、顯

12、影不完全（Incomplete Development）。表面還殘留有光刻膠。顯影液不足造成；b、顯影不夠（Under Development）。 顯影的側(cè)壁不垂直，由顯影時間不足造成；c、過度顯影（Over Development）。 靠近表面的光刻膠被顯影液過度溶解，形成臺階。顯影時間太長 顯影的三個主要類型的問題： 不完全顯影 顯影不足 嚴重過顯影。373839負光刻膠（Negative PR）顯影 1）顯影劑（developer solution）：二甲苯 2）沖洗化學(xué)品（rinse）：n-丁基醋酸鹽 作用：快速稀釋顯影液，沖洗光刻膠 正光刻膠（Positive PR）顯影 1）顯影劑

13、：堿水溶液，氫氧化鈉或氫氧化鉀； 2）沖洗劑：水 正膠的顯影工藝更加敏感，分辨率更高。正膠和負膠的顯影40顯影方法顯影方式分為：濕法顯影 干法（等離子）顯影干法顯影：液體工藝的自動化程度不高，并且化學(xué)品的采購、存儲、控制和處理費用昂貴，取代液體化學(xué)顯影的途徑是使用等離子體刻蝕工藝，該工藝現(xiàn)已非常成熟。在此工藝中，離子從等離子體場得到能量，以化學(xué)形式分解暴露的晶園表面層。干法光刻顯影要求光刻膠化學(xué)物的曝光或未曝光的之一易于被氧等離子體去除。41方法：熱板，溫度在120到150 ，烘烤12分鐘 （比軟烘溫度高，但是也不能太高，否則光刻膠就會流動從而破壞圖形）目的：a、完全蒸發(fā)掉光刻膠里面的溶劑，以

14、免污染后續(xù)的離子注入環(huán)境（例如DNQ酚醛樹脂光刻膠中的氮會引起光刻膠局部爆裂，使光刻膠顆粒分散到硅片表面）b、堅膜，以提高光刻膠在離子注入或刻蝕中保護下表面的能力；c、進一步增強光刻膠與硅片表面之間的黏附性；堅膜烘焙（后烘，硬烘） 后烘Postbaking；硬烘（Hard Baking） 42烘焙工藝 時間和溫度仍然是主要的工藝參數(shù)，一般是制造商推薦，工藝工程師精確調(diào)整 常見問題：a、烘烤不足（Underbake）。減弱光刻膠的強度（抗刻蝕能力和離子注入中的阻擋能力）；降低與基底的黏附能力。b、烘烤過度（Overbake）。引起光刻膠的流動，使圖形精度降低，分辨率變差。 光刻膠在高溫下的流動4

15、3顯影檢驗 光刻工藝的第一次質(zhì)檢，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。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。8. 顯影后檢查44圖形檢查 合格的硅片將被去除光刻膠返工 光刻膠的圖形是臨時性的 刻蝕和注入后的圖形是永久的. 光刻是可以返工的 刻蝕和注入后能返工45光刻技術(shù)的主體是光刻機（曝光機、對準機），它是將掩模版上的圖形與前道工序中已刻在硅片上的圖形對準后，再對硅片表面的光刻膠進行曝光實現(xiàn)圖形復(fù)制的設(shè)備。光刻機的三個主要性能指標: 1.分辨率

16、：是可以曝光出來的最小特征尺寸。通常指能分辨的并能保持一定尺寸容差的最小特征尺寸物理上的極限分辨率為/2。 2.套刻精度：是層間圖形對準偏差的統(tǒng)計性度量，主要取決于光刻系統(tǒng)的圖形定位和（掩模版和硅片的）支撐平臺的移動控制精度。要求套刻精度的上限不超過分辨率的1/51/3。 3.產(chǎn)率：指每小時可加工的硅片數(shù)，是判斷光刻系統(tǒng)性能的一個重要的指標，直接決定了集成電路芯片的制造成本。光刻機46光刻機的兩大類型，即光學(xué)光刻機和非光學(xué)光刻機， 如圖所示。光學(xué) 光刻機采用紫外 線作為光源，而 非光學(xué)光刻機的 光源則來自電磁 光譜的其他成分。 光刻機的主要組成：曝光光源、光學(xué)系統(tǒng)和支撐定位平臺47曝光光源一般

17、要求： 短波長（波長越短，可曝光的特征尺寸越?。└邚?（為了保持合適的曝光時間）高穩(wěn)定性光源的產(chǎn)生： 高壓汞燈 準分子激光器 X射線 電子束48汞燈光源在可見光和近紫外是有效的輻照源曝光光源從最初的紫外光波段的多波長汞燈光源，發(fā)展到G線光源、90年代中期，采用I線光源的光刻機成為主流機型。常見光源有：汞燈和準分子激光。另外，在先進或某些特殊場合也會用到其他曝光手段，如X射線、電子束和離子束等。 49為獲得更高的清晰度，光刻膠被設(shè)計成只與汞燈光譜中很窄一段波長的光（稱為深紫外區(qū)或DUV）反應(yīng)。在深紫外（DUV，波長范圍180nm330nm）波段范圍內(nèi)，準分子激光是最亮的光源。主要優(yōu)點：輸出的光波

18、波長短，強度高，數(shù)個脈沖就可以完成圖形的曝光要求目前的主流技術(shù)中采用的是深紫外波段的KrF準分子激光光源和ArF準分子激光光源157nm的F2準分子激光光源和極紫外光（EUV，波長在100nm以下）光源50超UV光刻 (EUV:extreme ultraviolet)真空UV光刻 （VUV:vacuum ultraviolet）5152非光學(xué)光刻技術(shù)X-Ray光刻電子束(Ebeam)光刻離子束(Ionbeam)53曝光方法由于曝光光源的不同,曝光分為光學(xué)曝光,X射線曝光,電子束曝光和離子束曝光在光學(xué)曝光中,由于掩膜版的位置不同,又分為接觸式曝光,接近式曝光和投影式曝光.曝光方式:一類是光源發(fā)出

19、的光線通過掩膜版把圖案轉(zhuǎn)移到光刻膠膜上,如投影式曝光另一類是把光源聚集成很細的射束,直接在光刻膠上掃描出圖案(可以不用掩膜版),如電子束曝光54光學(xué)曝光方式：接觸式曝光 Contact printing接近式曝光 Proximity printing投影式曝光 projection printing5556從早期的硅片制造以來光刻設(shè)備可以分為5代。接觸式光刻機接近式光刻機掃描投影光刻機分步重復(fù)投影光刻機步進掃描投影光刻機57接觸式曝光 Contact printingSiMaskP. R.SiO2優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單、產(chǎn)量高、成本低，光的衍射效應(yīng)最小而分辨率高，特征尺寸小。主要缺點：掩膜與圓片直接接

20、觸，掩膜壽命短 微粒污染58接近式曝光proximity printingd= 10 25 m 最小線寬: W= (d)1/2 d:間隔； ：光源波長分辨率取決于間隙的大小，一般分辨率較差，為24m59掩模版懸浮在硅片表面的氮氣氣墊上，通過改變進入的氮氣流量控制間隙.由于掩模版和光刻膠之間存在一定的距離，經(jīng)過掩模版后的光會發(fā)生衍射，從而使光刻的分辨率降低。優(yōu)點：接近式曝光是以犧牲分辨率來延長了掩膜版的壽命，掩膜壽命長（可提高10 倍以上），圖形缺陷少。缺點：分辨率低，圖形模糊，操作比較復(fù)雜d= 10 25 m 60投影式光刻機61利用透鏡將掩膜版上的圖形投影到襯底上避免了掩膜版與硅片表面的摩擦

21、，延長了掩膜版的壽命。掩膜版的尺寸可以比實際尺寸大得多，一般掩膜板的尺寸會以需要轉(zhuǎn)移圖形的4倍制作，克服了小圖形制版的困難。消除了由于掩膜版圖形線寬過小而產(chǎn)生的光衍射效應(yīng)投影式曝光雖有很多優(yōu)點，但由于光刻設(shè)備中許多鏡頭需要特制，設(shè)備復(fù)雜為了提高分辨率，一次曝光的象場較小，采用掃描式曝光。 投影式曝光projection printing現(xiàn)在的工藝普遍采用投影式光刻機，投影式光刻具有下列特點62掃描投影曝光（Scanning Project Printing）步進重復(fù)投影曝光（stepper）（Stepping-repeating Project Printing或 Stepper）。步進掃描投

22、影曝光（scanner）（ Stepping Scanning ProjecPrinting）投影式曝光分類63掃描投影曝光（Scanning Project Printing）。70 年代末80 年代初，1m 工藝；掩膜板1：1，全尺寸；步進重復(fù)投影曝光（Stepping-repeating Project Printing 或稱作Stepper）。80年代末90 年代，0.35m（I line）0.25m（DUV）。掩膜板縮小比例（4：1），曝光區(qū)域（Exposure Field）2222mm（一次曝光所能覆蓋的區(qū)域）。增加了棱鏡系統(tǒng)的制作難度。64掃描步進投影曝光（Scanning-St

23、epping Project Printing）。90 年代末至今，用于0.18m 工藝。采用6 英寸的掩膜板按照4：1 的比例曝光，曝光區(qū)域（Exposure Field）2633mm。優(yōu)點：增大了每次曝光的視場；提供硅片表面不平整的補償；提高整個硅片的尺寸均勻性。65 光學(xué)曝光的各種曝光方式及其利弊接觸式非接觸式優(yōu)點：設(shè)備簡單，分辨率較高。缺點：掩模版與晶片易損傷，成品率低。接近式優(yōu)點：掩模版壽命長，成本低。缺點：衍射效應(yīng)嚴重，影響分辨率。投影式全反射折射優(yōu)點：無像差，無駐波效應(yīng)影響。缺點：光學(xué)系統(tǒng)復(fù)雜，對準困難。優(yōu)點：對片子平整度要求低，可采用較大孔徑的透鏡以提高分辨率，掩模制造方便。缺

24、點：設(shè)備昂貴，曝光效率低。66X射線曝光電子束曝光離子束曝光先進的曝光技術(shù)674.電子束曝光分為投影式和掃描式 電子束曝光的特點：電子束曝光的精度較高。電子束的斑點可以聚焦的很小，可用計算機控制，精度遠比肉眼觀察要高。電子束曝光改變光刻圖形十分簡便。電子束曝光機是把各次曝光圖形用計算機來完成掃描電子束曝光不要掩膜版。電子束曝光設(shè)備復(fù)雜，成本較高。真空中進行，清潔度高缺點是產(chǎn)量小681）曝光光源：X射線2）掩膜版：黃金或其他能擋住X射線的材料3）優(yōu)點波長應(yīng)用范圍0.52nm，分辨率高焦深大，工藝寬容度大4）一般原理一種1：1的接近式光刻方法機械裝置對準，用X射線光源使含有對X線透明和不透明區(qū)的掩

25、膜圖形成像到涂有對X射線敏感的光刻膠的硅片表面，最終形成器件制作所需的圖形。5.X射線曝光69 各種光源的比較 光譜 波長（nm) 掩模材料分辨率 紫外光UV365 436 玻璃/Cr0.5 m 深紫外光DUV193 248 石英/Cr、Al0.2 m 極紫外光EUV 10 15多涂層反射層/金屬吸收層0.1 m X 射線 0.2 4Si、Si3N4、Al2O3/ Au、Pt、Os 等0.1 m 70 影響曝光質(zhì)量的一些因素1.光刻膠厚度的不均勻 Resist thickness may vary across the wafer. This can lead to under or over

26、 exposure in some regions and hence linewidth variations.71 駐波的產(chǎn)生 振幅、頻率、傳播速度都相同的兩列相干波，在同一直線上沿相反方向傳播時疊加而形成的一種特殊的干涉現(xiàn)象.2.駐波效應(yīng)(standing wave):72駐 波 的 形 成73 Reflective surfaces below the resist can set up reflections and standing waves and degrade resolution.74影響光刻質(zhì)量在光刻膠曝光的過程中，入射光與反射光（在基底或者表面）之間會發(fā)生干涉。這種相

27、同頻率的光波之間的干涉，在光刻膠的曝光區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)相長相消的條紋。光刻膠在顯影后，在側(cè)壁會產(chǎn)生波浪狀的不平整的現(xiàn)象叫駐波效應(yīng)75駐波效應(yīng)入射光和反射光的干涉，是干涉的特例周期性的過曝光和曝光足影響光刻膠的分辨76 In some cases an anti reflection coating (ARC) can helpto minimize these effects. Baking the resist afterexposure, but before development can also help.抗反射層(Anti Reflection Coating, ARC)曝光后烘烤（PE

28、B）減少駐波效應(yīng)的2個途徑77PEB： Post Exposure Bake也叫曝后烤 PEB的溫度一般要比Soft bake的溫度高1520度。PEB的主要目的是降低stand wave,因為photo-resist在被曝光后，高分子長鏈斷裂成短鏈，形成光酸，由于光學(xué)特性，光酸的分布將不會那樣均勻，在入射光與反射光相干加強的區(qū)域濃度高，而在相消的區(qū)域濃度低，PEB就是借助適當(dāng)?shù)臒崽幚碜尮馑釢舛葦U散均勻分布。比較典型的溫度是110度左右。 7879 光刻光學(xué) (optics of lithography)基本光學(xué)概念數(shù)值孔徑分辨率焦深801.數(shù)值孔徑(Numerical Aperture NA

29、)光學(xué)系統(tǒng)的數(shù)值孔徑描述透鏡收集衍射光以及 把它投影到硅片上的能力n是透鏡到硅片間的介質(zhì)折射率空氣為181增加數(shù)值孔徑，可以把更多的衍射光匯聚到一點成像，數(shù)值孔徑越大，圖像越清晰。822.分辨率-Resolution一般來說，最小線寬R K1,表示特殊應(yīng)用的因子，取決光刻系統(tǒng)和光刻膠的性質(zhì)K10.60.883提高分辨率，減小最小線寬的方法：減小波長 需要改進光源 UV到DUV, 到EUV, 到X-Ray采用高數(shù)值孔徑的光學(xué)系統(tǒng)(大透鏡） 大的透鏡, 可能太貴實用84853.焦深DOF （Depth of focus ）焦點周圍的一個范圍，在這個范圍內(nèi)圖像連續(xù)的保持清晰，這個范圍稱做焦深或DOF

30、。投影光學(xué)系統(tǒng)可清晰成象的尺度范圍 焦點是沿透鏡中心出現(xiàn)最佳圖像的點。焦深是焦點上面和下面的范圍，焦深應(yīng)該穿越光刻膠的上下表面86描述焦深的方程是 若采用高數(shù)值孔徑的光學(xué)系統(tǒng)(大透鏡），會使焦深變差，但是分辨率會提高，因此分辨率和焦深是一對矛盾，它們是對圖像起關(guān)鍵作用的兩個因素。RNA越小，焦深越大，差的分辨為提高分辨，減少波長的方法比增加NA好871.光刻的定義，目的是什么？對光刻工藝的基本要求是什么？2.光刻膠的分類？區(qū)別（每種光刻膠的優(yōu)缺點）？4.光刻膠的組成材料？各部分的作用？5.光刻的基本步驟6.曝光光源？下一代曝光光源？7.影響曝光質(zhì)量的因素？8.什么是駐波效應(yīng)？如何減少駐波效應(yīng)？

31、9.曝光方式都有哪些？10.顯影的三個主要類型的問題？顯影的方法？11.基本光學(xué)概念？12.如何提高分辨率？焦深和分辨率之間的關(guān)系？第七章 光刻88特征尺寸 CD光刻膠，光致抗蝕劑，光阻(PR:Photo Resist)對準 Alignment 曝光 Exposure顯影 Development烘烤 bake駐波效應(yīng)(standing wave)抗反射層 ARC負光刻膠（Negative PR）正光刻膠（Positive PR）數(shù)值孔徑 NA分辨率-Resolution焦深 DOF英漢互譯89刻 蝕 Etch 90 定義：為獲得器件的結(jié)構(gòu)必須把光刻膠的圖形轉(zhuǎn)移到光刻膠下面的各層材料上面去。 目

32、的：刻蝕的主要內(nèi)容就是把經(jīng)曝光、顯影后光刻膠微圖形中下層材料的裸露部分去掉，即在下層材料上重現(xiàn)與光刻膠相同的圖形。 刻蝕刻蝕是用物理或者化學(xué)的方法有選擇的從硅片表面除去不需要的材料的過程9192VLSI對刻蝕的要求93刻蝕偏差保真度選擇比均勻性刻蝕速率刻蝕剖面清潔度941.刻蝕偏差95刻蝕的方向性(etch directionality)衡量不同方向上的相對刻蝕速率橫向(lateral), 縱向(vertical)各向同性刻蝕(Isotropic etch)在所有方向刻蝕速率相同(一般針對化學(xué)反應(yīng)）各向異性刻蝕(Anisotropic etch)在不同方向刻蝕速率不同。（一般針對物理刻蝕，如濺

33、射等）刻蝕的方向性(directionality)9697dmdmdfdfdfdmA=|dfdm| / 2h 1A 0橫向速率越小，保真度越高，即掩膜版上的圖形可以不失真的轉(zhuǎn)移到硅片表面2.保真度9899(a) 各向異性腐蝕的極端情況，無橫向腐蝕(b) 垂直腐蝕和橫向腐蝕相等，腐蝕圖形的邊緣 形狀為1/4圓弧 一般是介于(a) (b)之間鉆蝕：掩膜材料下的側(cè)向腐蝕1003.選擇比掩膜選擇性襯底選擇性101 高選擇比意味著只刻除想要刻去的那一層材料。所以選擇比要求越高越好！ 如SiO2的刻蝕中對光刻膠和硅的腐蝕速率很低對SiO2的腐蝕速率很高102刻蝕的選擇比Rf : 對薄膜(film)的刻蝕速

34、率Rm：對掩膜版(mask)或襯底的刻蝕速率一般要求Sfm25-50之間比較合理。S值的大小和工藝參數(shù)相關(guān)：濕法刻蝕過程：和腐蝕劑濃度、溫度等 有關(guān)干法刻蝕過程：和等離子體參數(shù)、氣壓、氣體流量等有關(guān)103Usually highly anisotropic (almost vertical profiles) and highly selective etching (ratios of 25-50) are desired, but these can be difficult to achieve simultaneously.通常希望有高異性度 ( 幾乎垂直的剖面 )和高選擇性 ( 刻蝕

35、比為25-50 ), 當(dāng)然很難同時做到104Illustration of undercutting (directionality) and selectivity issues.最重要的問題是選擇性和方向性Usually selectivity, and directionality are the first order issues.2幅圖各說明什么問題？105刻蝕在橫向(lateral)和縱向(Vertical)同時發(fā)生。會出現(xiàn)光刻膠的鉆蝕(undercutting)刻蝕劑會腐蝕襯底從而改變襯底形貌Actual etch profiles. A.Lateral etching und

36、er mask. B. Rounded photoresist which is further eroded during etching, leading to even more lateral etching. B also illustrates etch selectivity.方向性選擇性1064.1075.刻蝕速率是指在刻蝕過程中去除硅片表面材料的速度，通常用埃/分鐘表示（刻蝕窗口的深度稱為臺階高度）108刻蝕速率正比于刻蝕劑的濃度。硅片表面幾何形狀等因素都能影響硅片與硅片之間的刻蝕速率。負載效應(yīng)：當(dāng)被刻蝕材質(zhì)裸露在反應(yīng)氣體、等離子體或溶液時，面積較大者刻蝕速率比面積較小者慢的

37、情形。即：刻蝕速率隨著被刻蝕薄膜暴露的面積而下降。Why？原因：反應(yīng)物質(zhì)在面積較大的區(qū)域中被消耗掉的程度較為嚴重，導(dǎo)致反應(yīng)物質(zhì)濃度降低，而刻蝕速率與濃度成正比。一般具有高深寬比硅槽的刻蝕速率要比具有低深寬比硅槽的刻蝕速率慢，這一現(xiàn)象為深寬比相關(guān)刻蝕(ARDE)1096.刻蝕剖面指被刻蝕圖形的側(cè)壁形狀兩種刻蝕剖面：各向同性和各向異性刻蝕剖面各向同性刻蝕剖面：所有方向上以相同的刻蝕速率進行刻蝕，導(dǎo)致被刻蝕材料在掩膜材料下面產(chǎn)生鉆蝕而形成。（濕法刻蝕）（會產(chǎn)生線寬損失）110各向同性刻蝕剖面：刻蝕只在垂直于硅片表面的方向進行，只有很少的橫向刻蝕1117.潔凈度 超大規(guī)模集成電路的圖形非常精細，在刻蝕

38、過程中任何人為引入的污染，既影響圖形轉(zhuǎn)移的精度，也會增加刻蝕后清洗的復(fù)雜性。因此需要防止沾污問題。112ULSI對刻蝕的要求得到滿意的剖面(desired profile)最小的過腐蝕(undercut) 或偏差 (bias)選擇性好（Selectivity)均勻性好，可重復(fù)性好 (Uniform and reproducible)對表面和電路損傷最小(Minimal damage to surface and circuit)干凈、安全、經(jīng)濟 (Clean, safe and economical)要兼顧選擇性和方向性,優(yōu)化刻蝕工藝113兩種刻蝕技術(shù)114Wet Etching-substr

39、ates are immersed in a reactive solution.The layer to be etched is removed by chemical reaction .The reaction products must be soluble and are carried away by the etchant solutionDry etching-Substrates are immersed in a reactive gas (plasma).The layer to be etched is removed by chemical reactions an

40、d/or physical means (ion bombardment).The reaction products must be volatile and are carried away in the gas stream.115濕法刻蝕： 利用液態(tài)化學(xué)試劑或溶液通過化學(xué)反應(yīng)進行刻蝕的方法（濕化學(xué)腐蝕法）干法刻蝕： 主要指利用低壓放電產(chǎn)生的等離子體中的離子或游離基(處于激發(fā)態(tài)的分子、原子及各種原子基團等)與材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)或通過轟擊等物理作用來進行圖案轉(zhuǎn)移（pattern transfer）而達到刻蝕的目的116（1）濕法刻蝕 濕法刻蝕是將被刻蝕材料浸泡在腐蝕液內(nèi)進行腐蝕的技術(shù)， 這是

41、各向同性的刻蝕方法，利用化學(xué)反應(yīng)過程去除待刻蝕區(qū)域的薄膜材料。117濕法刻蝕，又稱濕化學(xué)腐蝕法。半導(dǎo)體制造業(yè)一開始，濕法腐蝕就與硅片制造聯(lián)系在一起?，F(xiàn)在濕法腐蝕大部分被干法刻蝕代替，但在漂去氧化硅、除去殘留物、表層剝離以及大尺寸的圖形腐蝕應(yīng)用方面起著重要作用。尤其適合將多晶硅、氧化物、氮化物、金屬與族化合物等作整片的腐蝕。118 優(yōu)點：1、應(yīng)用范圍廣，適用于幾乎所有材料。 2、選擇性強 3、設(shè)備簡單成本低，重復(fù)性好，適于大批量加工，效率高。 4、對器件不會帶來等離子體損傷濕法刻蝕 缺點：1、一般為各向同性腐蝕，容易出現(xiàn)側(cè)向鉆蝕。 2、由于液體存在表面張力，不適宜于腐蝕極細的線條。 3、化學(xué)反應(yīng)

42、時往往伴隨放熱與放氣，導(dǎo)致腐蝕不均勻。 4、需花費較高成本的反應(yīng)溶液及去離子水； 5、化學(xué)藥品處理時人員所遭遇的安全問題；119（2）干法刻蝕120何謂等離子體？121等離子體作用過程裂解：e*+AB=A+B+e原子離子化：e*+A=A+e+e分子離子化：e*+AB=AB+e+e原子激發(fā)：e*+A=A*+e分子激發(fā)：e*+AB=AB*+e122干法刻蝕:利用等離子體與硅片發(fā)生物理或化學(xué)反應(yīng)（或兩種反應(yīng)）除去暴露的表面材料。123124PE刻蝕125126127128各種干法刻蝕的比較129常用材料的濕法刻蝕1301.二氧化硅濕法刻蝕采用氫氟酸溶液加以進行。因為二氧化硅可與室溫的氫氟酸溶液進行反

43、應(yīng)，但卻不會蝕刻硅基材及多晶硅。反應(yīng)式如下： SiO2 + 6HF H2SiF6 + 2H2O由于氫氟酸對二氧化硅的蝕刻速率相當(dāng)高，在制程上很難控制，因此在實際應(yīng)用上都是使用稀釋后的氫氟酸溶液，或是添加氟化銨（NH4F）作為緩沖劑的混合液，來進行二氧化硅的蝕刻。131132影響二氧化硅腐蝕速率的因素1.溫度一定，SiO2的腐蝕速率取決于腐蝕液的配比及二氧化硅的摻雜濃度（二氧化硅除了純二氧化硅外，尚有含有雜質(zhì)的二氧化硅如BPSG等 ）摻磷濃度越高，腐蝕速率越快；摻硼濃度越高，腐蝕速率越慢2.溫度越高，腐蝕速率越快3.攪拌可以加速腐蝕速率4.高溫?zé)岢砷L的氧化層較以化學(xué)氣相沉積方式的氧化層蝕刻速率慢

44、，因其組成結(jié)構(gòu)較為致密。1332.鋁刻蝕鋁或鋁合金的濕式蝕刻主要是利用加熱的磷酸、硝酸、醋酸及水的混合溶液加以進行 典型的比例為80%的磷酸、5%的硝酸（提高腐蝕速率，但是不能太多，否則影響光刻膠的抗蝕能力）、 5% 的醋酸（提高腐蝕的均勻性）及10%的水。加熱的溫度約在35C-45C左右溫度越高蝕刻速率越快，一般而言蝕刻速率約為1000-3000 /min，而溶液的組成比例、不同的溫度及蝕刻過程中攪拌與否都會影響到蝕刻的速率。在刻蝕AL的過程中有氫氣泡產(chǎn)生，這些氣泡會附著在鋁的表面而局部的抑制刻蝕的進行，造成刻蝕不均勻。可以通過攪拌和添加催化劑來降低界面張力以避免這種問題的發(fā)生1343.硅和

45、多晶硅的刻蝕135上述反應(yīng)中可添加醋酸作為緩沖劑(Buffer Agent)，以抑制硝酸的電離。蝕刻速率的調(diào)整可改變硝酸與氫氟酸的比例，并配合醋酸添加與水的稀釋加以控制蝕刻溶液對于不同硅晶面的蝕刻速率不同 （111）晶面比（110）與（100）每單位面積擁有更多的化學(xué)鍵，因此（111）晶面腐蝕的速率較慢1364.氮化硅刻蝕137其刻蝕速率與氮化硅的生長方式有關(guān)以PECVD方式形成的氮化硅，由于組成結(jié)構(gòu)(SixNyHz相較于Si3N4) 較以高溫LPCVD方式形成的氮化硅為松散，因此蝕刻速率快許多。但在高溫?zé)崃姿崛芤褐泄庾枰讋兟?，因此在作氮化硅圖案蝕刻時，通常利用二氧化硅作為屏蔽。一般來說，氮化

46、硅的濕式蝕刻大多應(yīng)用于整面氮化硅的剝除。對于有圖案的氮化硅蝕刻，最好還是采用干式蝕刻為宜。138常見濕法刻蝕技術(shù) 腐蝕液被腐蝕物H3PO4(85%):HNO3(65%):CH3COOH(100%):H2O:NH4F(40%）=76：3：15：5：0.01AlNH4(40%):HF(40%)=7:1SiO2,PSGH3PO4(85%)Si3N4HF(49%):HNO3(65%):CH3COOH(100%)=2:15:5 SiKOH(3%50%)各向異向SiNH4OH:H2O2(30%):H2O=1:1:5HF(49%):H2O=1:100Ti ,CoHF(49%):NH4F(40%)=1:10TiSi2139常用材料的干法刻蝕140氧化物的等離子體刻蝕通常采用氟碳化合物化學(xué)氣體。常用的有CF4，CHF3,C2F6,C3F8以CF4為例， CF4被等離子體內(nèi)的高能電子轟擊，產(chǎn)生各種離子、原子團或原子化學(xué)反應(yīng)后，SiO2的Si原子和F原子生成具有揮發(fā)性的SiF4 (反應(yīng)見課本)反應(yīng)中會加入少量的氧氣或者H2二氧化硅的干法刻蝕1411.反應(yīng)中氧氣的作用在等離子體中加入少量氧氣，氧被離解成各種粒子其中氧原子與CF4反應(yīng)生成CO,CO2,COF2（氟光氣），生成物消耗碳，使氟原子對碳原子之比上升SiO2的刻蝕速率與F原子數(shù)目有關(guān)，因此加入少量的氧氣后使