光刻技術(shù)原理

光刻技術(shù)原理

1光刻技術(shù)總概2光刻技術(shù)的發(fā)展

3一般的光刻工藝工序4展望著作人：楊廣大吳清新1光刻技術(shù)總概

光刻技術(shù)是指集成電路制造中利用光學(xué)-化學(xué)反應(yīng)原理和化學(xué)、物理刻蝕方法，將電路圖形傳遞到單晶表面或介質(zhì)層上，形成有效圖形窗口或功能圖形的工藝技術(shù)。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，光刻技術(shù)傳遞圖形的尺寸限度縮小了2～3個數(shù)量級（從毫米級到亞微米級），已從常規(guī)光學(xué)技術(shù)發(fā)展到應(yīng)用電子束、X射線、微離子束、激光等新技術(shù)；使用波長已從4000埃擴展到0.1埃數(shù)量級范圍。光刻技術(shù)成為一種精密的微細加工技術(shù)。常規(guī)光刻技術(shù)是采用波長為2000～4500埃的紫外光作為圖像信息載體，以光致抗蝕劑為中間（圖像記錄）媒介實現(xiàn)圖形的變換、轉(zhuǎn)移和處理，最終把圖像信息傳遞到晶片(主要指硅片)或介質(zhì)層上的一種工藝（圖1）。在廣義上，它包括光復(fù)印和刻蝕工藝兩個主要方面。①光復(fù)印工藝：經(jīng)曝光系統(tǒng)將預(yù)制在掩模版上的器件或電路圖形按所要求的位置，精確傳遞到預(yù)涂在晶片表面或介質(zhì)層上的光致抗蝕劑薄層上。②刻蝕工藝：利用化學(xué)或物理方法，將抗蝕劑薄層未掩蔽的晶片表面或介質(zhì)層除去，從而在晶片表面或介質(zhì)層上獲得與抗蝕劑薄層圖形完全一致的圖形。集成電路各功能層是立體重疊的，因而光刻工藝總是多次反復(fù)進行。例如，大規(guī)模集成電路要經(jīng)過約10次光刻才能完成各層圖形的全部傳遞在狹義上，光刻工藝僅指光復(fù)印工藝,即圖1中從④到⑤或從③到⑤的工藝過程。光復(fù)印工藝的主要流程如圖2。曝光方式常用的曝光方式分類如下：接觸式曝光和非接觸式曝光的區(qū)別，在于曝光時掩模與晶片間相對關(guān)系是貼緊還是分開。接觸式曝光具有分辨率高、復(fù)印面積大、復(fù)印精度好、曝光設(shè)備簡單、操作方便和生產(chǎn)效率高等特點。但容易損傷和沾污掩模版和晶片上的感光膠涂層,影響成品率和掩模版壽命,對準(zhǔn)精度的提高也受到較多的限制。一般認為，接觸式曝光只適于分立元件和中、小規(guī)模集成電路的生產(chǎn)。非接觸式曝光主要指投影曝光。在投影曝光系統(tǒng)中，掩膜圖形經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)成像在感光層上，掩模與晶片上的感光膠層不接觸,不會引起損傷和沾污,成品率較高，對準(zhǔn)精度也高，能滿足高集成度器件和電路生產(chǎn)的要求。但投影曝光設(shè)備復(fù)雜，技術(shù)難度高，因而不適于低檔產(chǎn)品的生產(chǎn)?，F(xiàn)代應(yīng)用最廣的是1:1倍的全反射掃描曝光系統(tǒng)和x:1倍的在硅片上直接分步重復(fù)曝光系統(tǒng)。直接分步重復(fù)曝光系統(tǒng)(DSW)超大規(guī)模集成電路需要有高分辨率、高套刻精度和大直徑晶片加工。直接分步重復(fù)曝光系統(tǒng)是為適應(yīng)這些相互制約的要求而發(fā)展起來的光學(xué)曝光系統(tǒng)。主要技術(shù)特點是：①采用像面分割原理，以覆蓋最大芯片面積的單次曝光區(qū)作為最小成像單元，從而為獲得高分辨率的光學(xué)系統(tǒng)創(chuàng)造條件。②采用精密的定位控制技術(shù)和自動對準(zhǔn)技術(shù)進行重復(fù)曝光，以組合方式實現(xiàn)大面積圖像傳遞，從而滿足晶片直徑不斷增大的實際要求。③縮短圖像傳遞鏈，減少工藝上造成的缺陷和誤差，可獲得很高的成品率。④采用精密自動調(diào)焦技術(shù)，避免高溫工藝引起的晶片變形對成像質(zhì)量的影響。⑤采用原版自動選擇機構(gòu)（版庫），不但有利于成品率的提高，而且成為能靈活生產(chǎn)多電路組合的常規(guī)曝光系統(tǒng)。這種系統(tǒng)屬于精密復(fù)雜的光、機、電綜合系統(tǒng)。它在光學(xué)系統(tǒng)上分為兩類。一類是全折射式成像系統(tǒng)，多采用1/5～1/10的縮小倍率,技術(shù)較成熟；一類是1:1倍的折射-反射系統(tǒng)，光路簡單，對使用條件要求較低。光致抗蝕劑簡稱光刻膠或抗蝕劑，指光照后能改變抗蝕能力的高分子化合物。光蝕劑分為兩大類。①正性光致抗蝕劑：受光照部分發(fā)生降解反應(yīng)而能為顯影液所溶解。留下的非曝光部分的圖形與掩模版一致。正性抗蝕劑具有分辨率高、對駐波效應(yīng)不敏感、曝光容限大、針孔密度低和無毒性等優(yōu)點，適合于高集成度器件的生產(chǎn)。②負性光致抗蝕劑：受光照部分產(chǎn)生交鏈反應(yīng)而成為不溶物，非曝光部分被顯影液溶解，獲得的圖形與掩模版圖形互補。負性抗蝕劑的附著力強、靈敏度高、顯影條件要求不嚴(yán)，適于低集成度的器件的生產(chǎn)。半導(dǎo)體器件和集成電路對光刻曝光技術(shù)提出了越來越高的要求，在單位面積上要求完善傳遞圖像的信息量已接近常規(guī)光學(xué)的極限。光刻曝光的常用波長是3650～4358埃，預(yù)計實用分辨率約為1微米。幾何光學(xué)的原理，允許將波長向下延伸至約2000埃的遠紫外波長，此時可達到的實用分辨率約為0.5～0.7微米。微米級圖形的光復(fù)印技術(shù)除要求先進的曝光系統(tǒng)外,對抗蝕劑的特性、成膜技術(shù)、顯影技術(shù)、超凈環(huán)境控制技術(shù)、刻蝕技術(shù)、硅片平整度、變形控制技術(shù)等也有極高的要求。因此，工藝過程的自動化和數(shù)學(xué)模型化是兩個重要的研究方向。光刻工藝也被稱為大家熟知的Photomasking,masking,photolithography,或microlithography。在晶圓的制造過程中，晶體三極管、二極管、電容、電阻和金屬層的各種物理部件在晶圓表面或表層內(nèi)構(gòu)成。這些部件是每次在一個掩膜層上生成的，并且結(jié)合生成薄膜及去除特定部分，通過光刻工藝過程，最終在晶圓上保留特征圖形的部分。光刻生產(chǎn)的目標(biāo)是根據(jù)電路設(shè)計的要求，生成尺寸精確的特征圖形，并且在晶圓表面的位置正確且與其它部件（parts）的關(guān)聯(lián)正確。光刻是所有四個基本工藝中最關(guān)鍵的。光刻確定了器件的關(guān)鍵尺寸。光刻過程中的錯誤可造成圖形歪曲或套準(zhǔn)不好，最終可轉(zhuǎn)化為對器件的電特性產(chǎn)生影響。圖形的錯位也會導(dǎo)致類似的不良結(jié)果。光刻工藝中的另一個問題是缺陷。光刻是高科技版本的照相術(shù)，只不過是在難以置信的微小尺寸下完成。在制程中的污染物會造成缺陷。事實上由于光刻在晶圓生產(chǎn)過程中要完成5層至20層或更多，所以污染問題將會放大。2光刻技術(shù)的發(fā)展

半導(dǎo)體技術(shù)的飛速發(fā)展一直遵循著“摩爾定律”，即每隔約18—24個月，單個芯片上晶體管數(shù)目將增加一倍。集成電路已經(jīng)從60年代的每個芯片上僅幾十個期間法轉(zhuǎn)到現(xiàn)在的每個芯片可包含約上一個器件。Intel公司1993年推出的奔騰芯片共集成了310萬個晶體管，2001年退出的奔騰4芯片則集成了5500萬個晶體管，預(yù)計在2007年推出的芯片則將集成10億個以上的晶體管半導(dǎo)體制造工藝一直以來每兩至三年就跨上一個新的臺階。隨著20世紀(jì)80年代末納米技術(shù)的興起，它的發(fā)展大大拓寬和深化了人們對客觀世界的認識，并帶來新一輪的技術(shù)革命。納米電子學(xué)，納米材料，納米機械共同組成了納米高技術(shù)群體，它的出現(xiàn)標(biāo)志著高新技術(shù)進入一個嶄新的發(fā)展階段。隨著芯片集成度的提高,對光刻技術(shù)提出了越來越高的技術(shù).在80年代,普遍認為光學(xué)光刻技術(shù)所能達到的極限分辨率為0.5μm,隨著一些新技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展,包括光源,成像透鏡,光致抗蝕劑,分布掃描技術(shù)以及光刻分辨率增強技術(shù)的發(fā)展,使其光刻技術(shù)已推進到目前60nm,據(jù)說,Intel公司正在進行45nm技術(shù)的光刻.大半個芯片上晶體管數(shù)目的增長是以光刻技術(shù)所能獲得的特征線寬(CD)不斷減少來實現(xiàn)的，因此，每一代集成電路的出現(xiàn)，總是以光刻所獲得的最小線寬為主要技術(shù)標(biāo)志，半導(dǎo)體技術(shù)之所以能飛速發(fā)展，光刻技術(shù)的支持起到了極為關(guān)鍵的作用，因為它直接決定單個期間的物理尺寸。最早推出的奔騰4芯片采用的是0.18μm,2003年奔騰4芯片采用0.13μm,2004年退出的一部分奔騰4芯片將采用0.09μm工藝.3一般的光刻工藝工序

一般的光刻工藝要經(jīng)歷硅片表面清洗烘干、涂底、旋涂光刻膠、軟烘、對準(zhǔn)曝光、后烘、顯影、硬烘、刻蝕、檢測等工序

3.1、硅片清洗烘干3.2、涂底3.3、旋轉(zhuǎn)涂膠3.4、軟烘3.5、邊緣光刻膠的去除

3.6、對準(zhǔn)

3.7、曝光常用的曝光方式分類3.8、后烘

3.9、顯影3.10、硬烘3.1、硅片清洗烘干方法：濕法清洗＋去離子水沖洗＋脫水烘焙（熱板150～2500C,1～2分鐘，氮氣保護）

目的：a、除去表面的污染物（顆粒、有機物、工藝殘余、可動離子）；b、除去水蒸氣，是基底表面由親水性變?yōu)樵魉?，增強表面的黏附性（對光刻膠或者是HMDS-〉六甲基二硅胺烷）。3.2、涂底方法：a、氣相成底膜的熱板涂底。HMDS蒸氣淀積，200～2500C,30秒鐘；優(yōu)點：涂底均勻、避免顆粒污染；b、旋轉(zhuǎn)涂底。缺點：顆粒污染、涂底不均勻、HMDS用量大。目的：使表面具有疏水性，增強基底表面與光刻膠的黏附性。3.3、旋轉(zhuǎn)涂膠

方法：a、靜態(tài)涂膠（Static）。硅片靜止時，滴膠、加速旋轉(zhuǎn)、甩膠、揮發(fā)溶劑（原光刻膠的溶劑約占65～85%,旋涂后約占10～20%）；b、動態(tài)（Dynamic）。低速旋轉(zhuǎn)（500rpm_rotationperminute）、滴膠、加速旋轉(zhuǎn)（3000rpm）、甩膠、揮發(fā)溶劑。

決定光刻膠涂膠厚度的關(guān)鍵參數(shù)：光刻膠的黏度（Viscosity），黏度越低，光刻膠的厚度越??；旋轉(zhuǎn)速度，速度越快，厚度越薄；影響光刻膠均勻性的參數(shù)：旋轉(zhuǎn)加速度，加速越快越均勻；與旋轉(zhuǎn)加速的時間點有關(guān)。

一般旋涂光刻膠的厚度與曝光的光源波長有關(guān)（因為不同級別的曝光波長對應(yīng)不同的光刻膠種類和分辨率）：I-line最厚，約0.7～3μm；KrF的厚度約0.4～0.9μm；ArF的厚度約0.2～0.5μm3.4、軟烘（SoftBaking）

方法：真空熱板，85～1200C,30～60秒；目的：除去溶劑（4～7%）；增強黏附性；釋放光刻膠膜內(nèi)的應(yīng)力；防止光刻膠玷污設(shè)備；3.5、邊緣光刻膠的去除

光刻膠涂覆后，在硅片邊緣的正反兩面都會有光刻膠的堆積。邊緣的光刻膠一般涂布不均勻，不能得到很好的圖形，而且容易發(fā)生剝離（Peeling）而影響其它部分的圖形。所以需要去除。

方法：a、化學(xué)的方法（ChemicalEBR）。軟烘后，用PGMEA或EGMEA去邊溶劑，噴出少量在正反面邊緣出，并小心控制不要到達光刻膠有效區(qū)域；b、光學(xué)方法（OpticalEBR）。即硅片邊緣曝光（WEE，WaferEdgeExposure）。在完成圖形的曝光后，用激光曝光硅片邊緣，然后在顯影或特殊溶劑中溶解；3.6、對準(zhǔn)（Alignment）

對準(zhǔn)方法：a、預(yù)對準(zhǔn)，通過硅片上的notch或者flat進行激光自動對準(zhǔn)；b、通過對準(zhǔn)標(biāo)志（AlignMark），位于切割槽（ScribeLine）上。另外層間對準(zhǔn)，即套刻精度（Overlay），保證圖形與硅片上已經(jīng)存在的圖形之間的對準(zhǔn)。3.7、曝光常用的曝光方式分類如下：曝光中最重要的兩個參數(shù)是：曝光能量（Energy）和焦距（Focus）。如果能量和焦距調(diào)整不好，就不能得到要求的分辨率和大小的圖形。表現(xiàn)為圖形的關(guān)鍵尺寸超出要求的范圍。接觸式曝光和非接觸式曝光的區(qū)別，在于曝光時掩模與晶片間相對關(guān)系是貼緊還是分開。接觸式曝光具有分辨率高、復(fù)印面積大、復(fù)印精度好、曝光設(shè)備簡單、操作方便和生產(chǎn)效率高等特點。但容易損傷和沾污掩模版和晶片上的感光膠涂層,影響成品率和掩模版壽命,對準(zhǔn)精度的提高也受到較多的限制。一般認為，接觸式曝光只適于分立元件和中、小規(guī)模集成電路的生產(chǎn)曝光方