基本光刻工藝全息解析

第九章基本光刻工藝------從曝光到最終檢驗－1－概述

在本章中，將介紹從顯影到最終檢驗所使用的基本方法。還涉及掩膜版工藝的使用和定位錯誤的討論。9.1顯影

晶園經(jīng)過曝光后,器件或電路的圖形被以曝光和未曝光區(qū)域的形式記錄在光刻膠上。通過對未聚合光刻膠的化學分解來使圖形顯影。通過顯影完成掩膜版圖形到光刻膠上的轉(zhuǎn)移（如圖所示）。

不良顯影：不完全顯影

顯影不足

嚴重過顯影。

第九章基本光刻工藝------從曝光到最終檢驗－2－第九章基本光刻工藝------從曝光到最終檢驗－3－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。第九章基本光刻工藝------從曝光到最終檢驗－4－正光刻膠顯影

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。使用過渡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。通常要求不高的正光刻膠顯影使用減－水溶液和非離子溶液，對制造敏感電路使用疊氮化四甲基銨氫氧化物的溶液。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。圖9.4顯示了一個特定的工藝參數(shù)對線寬的影響。第九章基本光刻工藝------從曝光到最終檢驗－5－

圖9.4顯影劑溫度和曝光關系與線寬變化的比較第九章基本光刻工藝------從曝光到最終檢驗－6－顯影方式

顯影方式分為：濕法顯影干法（等離子）顯影濕法顯影

沉浸噴射混凝沉浸顯影

最原始的方法。就是將待顯影的晶園放入盛有顯影液的容器中，經(jīng)過一定的時間再放入加有化學沖洗液的池中進行沖洗。比較簡單，但存在的問題較多，比如：液體表面張力會阻止顯影液進入微小開孔區(qū)；溶解的光刻膠粘在晶園表面影響顯影質(zhì)量；隨著顯影次數(shù)增加顯影液的稀釋和污染；顯影溫度對顯影率的影響等。噴射顯影

顯影系統(tǒng)如圖9.7所示。由此可見，顯影劑和沖洗液都是在一個系統(tǒng)內(nèi)完成，每次用的顯影液第九章基本光刻工藝------從曝光到最終檢驗－7－

和沖洗液都是新的，所以較沉浸系統(tǒng)清潔，由于采用噴射系統(tǒng)也可大大節(jié)約化學品的使用。所以此工藝很受歡迎，特別是對負性光刻膠工藝。

對正性光刻膠工藝來說因為溫度的敏感性，當液體在壓力下從噴嘴噴出后很快冷卻，要保證溫度必須加熱晶園吸盤。從而增加了設備的復查性和工藝難度。

第九章基本光刻工藝------從曝光到最終檢驗－2－混凝顯影

雖然噴射顯影有很多有點，但對正性光刻膠顯影還存在一些問題，混凝顯影就是針對所存在地問題而改進的一種針對正性膠的光刻工藝，差別在于顯影化學品的不同。如圖所示，首先在靜止的晶園表面上覆蓋一層顯影液，停留一段時間（吸盤加熱過程），在此過程中，大部分顯影會發(fā)生，然后旋轉(zhuǎn)并有更多的顯影液噴到晶園表面并沖洗、干燥。第九章基本光刻工藝------從曝光到最終檢驗－9－干法顯影液體工藝的自動化程度不高，并且化學品的采購、存儲、控制和處理費用昂貴，取代液體化學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物的曝光或未曝光的之一易于被氧等離子體去除。具體內(nèi)容在第十章中介紹。9.2硬烘焙

硬烘焙的作用是蒸發(fā)濕法顯影過程中吸收在光刻膠中溶液，增加光刻膠和晶園表面的粘結(jié)能力，保證下一步的刻蝕工藝得以順利進行。第九章基本光刻工藝------從曝光到最終檢驗－10－硬烘焙方法在方法和設備上與前面介紹的軟烘焙相似。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。對一般使用的對流爐，溫度：130～200℃，時間：30分鐘。對其他方法溫度和時間各不相同。熱烘焙增加粘度的機理是光刻膠的脫水和聚合，從而增加光刻膠的耐蝕性。

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（如圖9.9所示），所以溫度的控制極為嚴格。硬烘焙是在顯影后立即進行，或者在刻蝕前進行，工藝流程如圖9.10

所示。第九章基基本本光刻工工藝------從曝光到到最終檢檢驗－－11－圖9.9光刻膠在在高溫下下的流動動第九章基基本本光刻工工藝------從曝光到到最終檢檢驗－－12－顯影檢驗驗任何一次次工藝過過后都要要進行檢檢驗，經(jīng)經(jīng)檢驗合合格的晶晶園流入入下一道道工藝，，對顯影影檢驗不不合格的的晶園可可以返工工重新曝曝光、顯顯影。工工藝流程程如圖所所示。顯影檢驗驗的內(nèi)容容圖形尺寸寸上的偏偏差，定定位不準準的圖形形，表面面問題（（光刻膠膠的污染染、空洞洞或劃第九章基基本本光刻工工藝------從曝光到到最終檢檢驗－－13－第九章基基本本光刻工工藝------從曝光到到最終檢檢驗－－14－傷），以以及污點點和其他他的表面面不規(guī)則則等。檢驗方法法人工檢驗驗自自動檢檢驗人工檢驗驗下圖是一一個典型型的人工工檢驗次次序和內(nèi)內(nèi)容第九章基基本本光刻工工藝------從曝光到到最終檢檢驗－－15－自動檢驗驗隨著晶園園尺寸增增大和元元件尺寸寸的減小小，制造造工藝變變得更加加繁多和和精細，，人工檢檢驗的效效力也到到了極限限?？商教綔y表面面和圖形形失真的的自動檢檢驗系統(tǒng)統(tǒng)成了在在線和非非在線檢檢驗的選選擇。詳詳細內(nèi)容容在第14章中介紹紹。9.4刻蝕在完成顯顯影檢驗驗后，掩掩膜版的的圖形就就被固定定在光刻刻膠膜上上并準備備刻蝕。。經(jīng)過刻刻蝕圖形形就永久久留在晶晶園的表表層。刻蝕工藝藝分為兩兩大類：：濕法和干法刻蝕。無論那一一種方法法，其目目的都是是將光刻刻掩膜版版上的圖圖形精確確地轉(zhuǎn)移移到晶園園表面。。同時要要求一致致性、邊邊緣輪廓廓控制、、選擇性性、潔凈凈度都符符合要求求。第九章基基本本光刻工工藝------從曝光到到最終檢檢驗－－16－光刻膠被刻蝕材料(a)有光刻膠圖形的襯底(b)刻蝕后的襯底光刻膠被保護層第九章基基本本光刻工工藝------從曝光到到最終檢檢驗－－17－濕法各向向同性化化學腐蝕蝕層（各向同同性刻蝕蝕是在各各個方向向上以同同樣的速速度進行行刻蝕））襯底膜膠第九章基基本本光刻工工藝------從曝光光到最最終檢檢驗－－18－具有垂垂直刻刻蝕剖剖面的的各向向異性性刻蝕蝕（各向向異性性刻蝕蝕是僅僅在一一個方方向刻刻蝕））ResistSubstrateFilm第九章章基基本本光刻刻工藝藝------從曝光光到最最終檢檢驗－－19－濕法刻刻蝕最原始始的刻刻蝕工工藝，，就是是將晶晶園沉沉浸于于裝有有刻蝕蝕液的的槽中中經(jīng)過過一定定的時時間，，再傳傳送到到?jīng)_洗洗設備備中除除去殘殘余的的酸（（刻蝕蝕液））在進進行最最終的的沖洗洗和甩甩干。。此工藝藝只能能用于于特征征尺寸寸大于于3μm的產(chǎn)品品，小小于3μm的產(chǎn)品品由于于控制制和精精度的的需要要一般般使用用干法法刻蝕蝕了。?？涛g的的一致致性和和工藝藝控制制由附附加的的加熱熱和攪攪動設設備來來提高高，常用的的是帶帶有超超聲波波的刻刻蝕槽槽?？涛g液液的選選擇要要求具具有良好的的選擇擇性，即在在刻蝕蝕時要要有均均勻去去掉晶晶園表表層而而又不不傷及及下一一層的的材料料?？涛g時時間是是一個個重要要的工工藝參參數(shù)，，最短時時間是是保證證徹底底、干干凈的的均勻勻刻蝕蝕；而而最長長時間間受限限于光光刻膠膠在晶晶園表表面的的粘結(jié)結(jié)時間間。第九章章基基本本光刻刻工藝藝------從曝光光到最最終檢檢驗－－20－刻蝕工工藝中中容易易出現(xiàn)現(xiàn)的問問題：：過刻蝕蝕、內(nèi)內(nèi)切、、選擇擇性和和側(cè)邊邊的各各向異異性/各向同同性刻刻蝕。。不完全全刻蝕蝕是指表表面層層刻蝕蝕不徹底，，如圖圖所示示。產(chǎn)生的的原因因：太短的的刻蝕蝕時間間；薄薄厚不不均勻勻的待待刻蝕蝕層；；過低低的刻刻蝕溫溫度。。過刻蝕蝕和底底切與不完完全刻刻蝕相相反，不過通通常是是有意意識的的過刻刻蝕，，因為為恰到到好處處是很很難做做到的的。理理想的的刻蝕蝕應該該是形形成垂垂直的的側(cè)邊邊（如如圖所所示）），產(chǎn)生生這種種理想想結(jié)果果的刻刻蝕技技術叫叫做各各向異異性刻刻蝕。。然而，，刻蝕蝕總是是在各各個方方向同同時進進行的的，這這樣就就避免免不第九章章基基本本光刻刻工藝藝------從曝光光到最最終檢檢驗－－21－了在側(cè)側(cè)面形形成一一個斜斜面，，這種種現(xiàn)象象稱為為底切切（如如圖所所示））?？炭涛g的的目標標是把把這種種底切切控制制在一一個可可以接接受的的范圍圍內(nèi)。。由于于這種種底切切的存存在，，在電電路設設計時時必須須考慮慮（即即各器器件之之間留留有余余量以以防止止電路路短路路）。。徹底解解決底切的方法法是采采用等等離子子體刻刻蝕。。第九章章基基本本光刻刻工藝藝------從曝光光到最最終檢檢驗－－22－產(chǎn)生底底切的的原因因除了各各向同同性刻刻蝕以以外，產(chǎn)生生底切切的原原因有有：時間過過長、、溫度度過高高、刻刻蝕液液濃度度太高高、光光刻膠膠和晶晶園表表面的的粘結(jié)結(jié)力較較弱、、開孔孔邊緣緣粘結(jié)結(jié)力失失效等等。選擇性性理想的的刻蝕蝕特性性是：：既要要把該該刻蝕蝕的徹徹底、、干凈凈地刻刻蝕掉掉，又又要把把不該該刻蝕蝕的原原樣保保留。。這就就是刻刻蝕的的選擇擇性。。盡管管不能能完全全做到到，但但在刻刻蝕液液的選選擇上上盡量量保證證。同同一種種刻蝕蝕液對對不同同的材材料刻刻蝕速速度是是不同同的，，通常常用刻刻蝕速速率來來描寫寫。比比如：：SiO2/Si的選擇擇性從從20～40。高選選擇性性意味味著下下表層層很少少或沒沒有被被刻蝕蝕。第九章章基基本本光刻刻工藝藝------從曝光光到最最終檢檢驗－－23－不同材材料的的刻蝕蝕其工工藝略略有不不同，，不同同材料料的不不同刻刻蝕工工藝見見9.54～9.510節(jié)。9.6干法刻刻蝕對于小小尺寸寸濕法法刻蝕蝕的局局限性性前面面已經(jīng)經(jīng)提到到，主主要包包括：：局限于于3μm以上的的圖形形尺寸寸；各各向同同性刻刻蝕導導致邊邊側(cè)形形成斜斜坡；；要求求沖洗洗和干干燥步步驟；；潛在在地污污染；；光刻刻膠粘粘結(jié)力力失效效導致致底切切?；谶@這些原原因，，干法法刻蝕蝕主要要用于于先進進電路路的小小尺寸寸精細細刻蝕蝕中。。干法刻刻蝕是是指以以氣體體為主主要媒媒體的的刻蝕蝕技術術，晶晶園不不需要要液體體化學學品或或沖洗洗，刻刻蝕過過程在在干燥燥的狀狀態(tài)進進出系系統(tǒng)。?？涛g蝕方法法見下下圖。。第九章章基基本本光刻刻工藝藝------從曝光光到最最終檢檢驗－－24－干法刻刻蝕與與濕法法刻蝕蝕相比比的優(yōu)優(yōu)點：：刻蝕剖面是是各向異性性，具有非非常好的惻惻壁剖面控控制；好的CD控制；最小的光刻刻膠脫落或或黏附問題題；好的片內(nèi)、、片間、批批次間的刻刻蝕均勻性性；較低的化學學制品使用用和處理費費用。第九章基基本光刻刻工藝------從曝光到最最終檢驗－－25－等離子體等離子體是是一種中性性、高能量量、離子化化的氣體，，包括中性性原子或分分子、帶電電離子和自自由電子。。當從中性性原子中去去除一個價價電子時，，形成正離離子和自由由電子。例例如，當原原子結(jié)構內(nèi)內(nèi)的原子和和電子數(shù)目目相等時氟氟是中性的的，當一個個電子從它它的核內(nèi)分分離出去后后氟就離子子化了（見見下圖）。。在一個有有限的工藝藝腔內(nèi)，利利用強直流流或交流磁磁場或用某某些電子源源轟擊氣體體原子都會會導致氣體體原子的離離子化。第九章基基本光刻刻工藝------從曝光到最最終檢驗－－26－等離子體刻刻蝕離子的形成成

F+9離子是質(zhì)子（＋）與電子（－）數(shù)不等地原子電子從主原子中分離出來.少一個電子的氟原子到原子失去一個電子時產(chǎn)生一個正離子

F+9具有質(zhì)子（＋9）和電子（－9）數(shù)目相等地中性粒子是原子氟原子總共有7個價電子價層環(huán)最多能有8個電子價層電子（－）內(nèi)層電子（－）在原子核中的質(zhì)子（未顯示電子）第九章基基本光刻刻工藝------從曝光到最最終檢驗－－27－硅片的等離離子體刻蝕蝕過程

8) 副產(chǎn)物去除

1) 刻蝕氣體進入反應室襯底刻蝕反應室

2)

電場使反應物分解

5) 反應離子吸附在表面

4) 反應正離子轟擊表面

6) 原子團和表面膜的表面反應排氣氣體傳送RF發(fā)生器副產(chǎn)物

3) 電子和原子結(jié)合產(chǎn)生等離子體

7) 副產(chǎn)物解吸附陰極陽極電場ll各向異性刻蝕各向同性刻蝕第九章基基本光刻刻工藝------從曝光到最最終檢驗－－28－等離子體刻刻蝕反應器器園桶式等離離子體刻蝕蝕機早期的離子子體系統(tǒng)被被設計成圓圓柱形的（（如圖），，在0.1～1托的壓力下下具有幾乎乎完全的化化學各向同同性刻蝕，，硅片垂直直、小間距距地裝在一一個石英舟舟上。射頻頻功率加在在圓柱兩邊邊的電極上上。第九章基基本光刻刻工藝------從曝光到最最終檢驗－－29－平板（平面面）等離子子體刻蝕機機平板（平面面）等離子子體刻蝕機機有兩個大大小和位置置對稱的平平行金屬板板，一個硅硅片背面朝朝下放置于于接地的陰陰極上面，，RF信號加在反反應器的上上電極。由由于等離子子體電勢總總是高于地地電勢，因因而是一種種帶能離子子進行轟擊擊的等離子子體刻蝕模模式。相對對于桶形刻刻蝕系統(tǒng)，，具有各向向異性刻蝕蝕的特點，，從而可得得幾乎垂直直的側(cè)邊。。另外，旋旋轉(zhuǎn)晶園盤盤可增加刻刻蝕的均勻勻性。該系系統(tǒng)可設計計成批量和和單個晶園園反應室設設置。單個個晶園系統(tǒng)統(tǒng)因其可對對刻蝕參數(shù)數(shù)精密控制制，以得到到均勻刻蝕蝕而受到歡歡迎。第九章基基本光刻刻工藝------從曝光到最最終檢驗－－30－平板等離子子體刻蝕粒子束刻蝕蝕粒子束刻蝕蝕也是干法法刻蝕的一一種，與化化學等離子子體刻蝕不不同的是粒粒子束刻蝕蝕是一個物理工藝。如圖所示示，晶園在在真空反應應室內(nèi)被置置于固定器器上，并且且向反應室室導入氬氣氣流。氬氣氣進入反應應室便受到到從一對陰陰陽極來的的高能電子子束流的影影響。電子子將氬原子子離子化成成帶正電荷荷的高能狀狀態(tài)。由于于晶園位于于接負極的的固定器上上，從而氬氬離子便被被吸向固定定器。在移移動的同時時被加速以以提高能量量。在晶園園表面上它它們轟擊進進入暴露的的晶園層并并從晶園表表面炸掉一一小部分從從而達到刻刻蝕的目的的。第九章基基本光刻刻工藝------從曝光到最最終檢驗－－31－第九章基基本光刻刻工藝------從曝光到最最終檢驗－－32－優(yōu)點：刻蝕的方方向性非常好（（屬于各向異性），，非常適合高精度的的小開口區(qū)域刻蝕缺點：選擇性差，存在離子化化形成的輻射損害。。粒子束轟擊擊示意圖第九章基基本光刻刻工藝------從曝光到最最終檢驗－－33－干法刻蝕中中光刻膠的的影響對于濕法和和干法刻蝕蝕兩種工藝藝，圖形保保護層是光光刻膠層。。在濕法刻刻蝕中對光光刻膠層幾幾乎沒有來來自刻蝕劑劑的刻蝕。。然而在干干法刻蝕中中，殘余的的氧氣會刻刻蝕光刻膠膠層。因此此光刻膠層層必須保證證足夠的厚厚度以應付付刻蝕劑的的刻蝕而不不至于變薄薄出現(xiàn)空洞洞。另一個與光光刻膠相關關的干法刻刻蝕問題是是光刻膠烘烘焙。在干干法刻蝕反反應室內(nèi)，，溫度可升升到200℃，這樣的溫溫度可把光光刻膠烘焙焙到一個難難于從晶園園表面去除除的狀態(tài)，，還有就是是高溫下光光刻膠的流流動傾向會會使圖形變變差。第九章基基本光刻刻工藝------從曝光到最最終檢驗－－34－9.7光刻膠的去去除刻蝕工藝完完成后，作作為刻蝕阻阻擋層的光光刻膠已經(jīng)經(jīng)完成任務務，必須從從表面去掉掉。傳統(tǒng)的的方法是用用濕法化學工工藝去除，盡管有一一些問題，，濕法去除除在前線工藝還是經(jīng)常采采用的一種種方法（特特別是硅片片表面和MOS柵極暴露并并易于受到到等離子體體中氧氣離離子的損傷傷）。另一種是干法的等離離子體去除除，在后線工工藝中經(jīng)常常采用（此此時硅片和和MOS柵極已經(jīng)被被絕緣和金金屬層覆蓋蓋）。濕法去除有有許多不同同的化學品品被由于去去除工藝，，其選擇依依據(jù)是晶園園表層、產(chǎn)產(chǎn)品考慮、、光刻膠極極性和光刻刻膠的狀態(tài)態(tài)（見下圖圖）。第九章基基本光刻刻工藝------從曝光到最最終檢驗－－35－濕法光刻膠膠去除表優(yōu)點：成本有效性性好；可有有效去除金金屬離子；；低溫工藝并且且不會將晶晶園暴露于于可能的損損傷性輻射。第九章基基本光刻刻工藝------從曝光到最最終檢驗－－36－無金屬表面面的濕法化化學去除硫酸和氧化化劑溶液是最常用的的去除無金金屬表面光光刻膠的去去除劑。無無金屬表面面是指二氧氧化硅、氮氮化硅或多多晶硅。此此溶液可去去除負光刻刻膠和正光光刻膠。有金屬表面面的濕法化化學去除因為金屬會會受到侵蝕蝕和氧化，，所以有金金屬表面去去除光刻膠膠相對比較較困難。有有三種類型型的液體化化學品可供供使用：酚有機去除除劑溶溶液/胺去除劑特特殊濕濕法去除劑劑干法去膠同刻蝕一樣樣，等離子子體工藝也也可用于光光刻膠去除除。將晶園園放置于反反應室中并并通入氧氣氣，等離子子場把氧氣氣激發(fā)到高高能狀態(tài)，，從而將光光刻膠成分分第九章基基本光刻刻工藝------從曝光到最最終檢驗－－38－9.9光刻版制作作這一節(jié)簡單單介紹光刻刻版的制作作過程。最最初的光刻刻版是由涂涂上感光乳劑的的玻璃板制成，但由由于感光乳乳劑容易劃劃傷，在使使用中變質(zhì)質(zhì)且不能分分辯3μμm以下下的的圖圖形形，，現(xiàn)現(xiàn)在在最最常常用用的的感感光光版版使使用用玻璃璃涂涂敷敷鉻鉻技技術術。制制做做過過程程如如圖圖所所示示。。最受受歡歡迎迎的的光光刻刻版版制制作作材材料料是是硼硅硅酸酸鹽鹽玻玻璃璃或或石石英英，，它們們有有良良好好的的尺尺寸寸穩(wěn)穩(wěn)定定性性和和曝曝光光波波長長的的傳傳輸輸性性能能。。9、靜夜四無無鄰，荒居居舊業(yè)貧。。。12月-2212月-22Wednesday,December28,202210、雨雨中中黃黃葉葉樹樹，，燈燈下下白白頭頭人人。。。。20:43:4220:43:4220:4312/28/20228:43:42PM11、以我我獨沈沈久，，愧君君相見見頻。。。12月月-2220:43:4220:43Dec-2228-Dec-2212、故人人江海海別，，幾度度隔山山川。。。20:43:4220:43:4220:43Wednesday,December28,202213、乍見翻翻疑夢，，相悲各各問年。。。12月-2212月-2220:43:4220:43:42December28,202214、他鄉(xiāng)生白發(fā)發(fā)，舊國見青青山。。28十二月月20228:43:42下午20:43:4212月-2215、比不了得得就不比，，得不到的的就不要。。。。十二月228:43下下午12月-2220:43December28,202216、行行動動出出成成果果，，工工作作出出財財富富。。。。2022/12/2820:43:4220:43:4228December202217、做做前前，，能能夠夠環(huán)環(huán)視視四四周周；；做做時時，，你你只只能能或或者者最最好好沿沿著著以以腳腳為為起起點點的的射射線線向向前前。。。。8:43:42下下午午8:43下下午午20:43:4212月月-229、沒有失敗，，只有暫時停停止成功！。。12月-2212月-22Wednesday,December28,202210、很多事情努努力了未必有有結(jié)果，但是是不努力卻什什么改變也沒沒有。。20:43:4220:43:4220:4312/28/20228:43:42PM11、成功就是是日復一日日那一點點點小小努力力的積累。。。12月-2220:43:4220:43Dec-2228-Dec-2212、世間成事事，不求其其絕對圓滿滿，留一份份不足，可可得無限完完美。。20:43:4220:43:4220:43Wednesday,December28,202213、不知香香積寺，，數(shù)里入入云峰。。。12月-2212月-2220:43:42