半導(dǎo)體器件與工藝-光刻

第八章光刻哈爾濱工程大學(xué)微電子學(xué)半導(dǎo)體器件與工藝光刻工藝是半導(dǎo)體工藝過(guò)程中非常重要的一道工序，它是用來(lái)在晶圓表面建立圖形的工藝過(guò)程。這個(gè)工藝過(guò)程的目標(biāo)有兩個(gè)。首先是在晶圓表面建立盡可能接近設(shè)計(jì)規(guī)則中所要求尺寸的圖形；第二個(gè)目標(biāo)是在晶圓表面正確定位圖形。整個(gè)電路圖形必須被正確地定位于晶圓表面，電路圖形上單獨(dú)的每一部分之間的相對(duì)位置也必須是正確的。最終的圖形是用多個(gè)掩膜版按照特定的順序在晶圓表面一層一層疊加建立起來(lái)的。因?yàn)樵诠饪坦に囘^(guò)程中的每一步都會(huì)有變化，所以對(duì)特征圖形尺寸和缺陷水平的控制是很難的。光刻操作步驟的數(shù)目之多和光刻工藝層的數(shù)量之大，可看出光刻工藝在半導(dǎo)體工藝過(guò)程中是一個(gè)主要的缺陷來(lái)源。

引言引言光刻工藝是一種多步驟的圖形轉(zhuǎn)移過(guò)程。首先是在掩膜版上形成所需要的圖形，之后通過(guò)光刻工藝把所需要的圖形轉(zhuǎn)移到晶圓表面的每一層。圖形轉(zhuǎn)移是通過(guò)兩步來(lái)完成的。首先，圖形被轉(zhuǎn)移到光刻膠層。光刻膠是一種感光物質(zhì)。曝光后會(huì)導(dǎo)致它自身性質(zhì)和結(jié)構(gòu)的變化。光刻膠被曝光的部分由可溶性物質(zhì)變成了非溶性物質(zhì)。這種光刻膠類型被稱為負(fù)膠，這種化學(xué)變化稱為聚合。通過(guò)化學(xué)溶劑（顯影劑）把可以溶解的部分去掉，在光刻膠層就會(huì)留下一個(gè)孔，這個(gè)孔就是和掩膜版不透光的部分相對(duì)應(yīng)的。

光刻工藝概述

第二次圖形轉(zhuǎn)移是從光刻膠層到晶圓層。當(dāng)刻蝕劑把晶圓表面沒(méi)有被光刻膠蓋住的部分去掉的時(shí)候，圖形轉(zhuǎn)移就發(fā)生了。光刻蝕工藝概述

對(duì)光有負(fù)效應(yīng)的光刻膠，稱為負(fù)膠。同樣還有對(duì)光有正效應(yīng)的光刻膠，稱為正膠。光可以改變正膠的化學(xué)結(jié)構(gòu)從不可溶到可溶。

光刻蝕工藝概述

對(duì)準(zhǔn)容差、晶圓表面情況和光刻層數(shù)都會(huì)影響到特定光刻工藝的難易程度和每一步驟的工藝。許多光刻工藝都被定制成特定的工藝條件。然而，大部分都是基本光刻10步法的變化。我們所舉例的這個(gè)工藝過(guò)程是一個(gè)亮場(chǎng)掩膜版和負(fù)膠相作用的過(guò)程。

光刻10步法

基本的光刻膠化學(xué)

光刻膠的組成

光刻膠會(huì)根據(jù)不同的光的波長(zhǎng)和不同的曝光源而進(jìn)行調(diào)試。光刻膠具有特定的熱流程特點(diǎn)，用特定的方法配制而成，與特定的表面結(jié)合。在光刻膠里面有4種基本的成分：聚合物、溶劑、感光劑和添加劑。

基本的光刻膠化學(xué)

■光敏性和對(duì)能量敏感的聚合物對(duì)光刻膠光敏性有影響的成分是一些對(duì)光和能量敏感的特殊聚合物。普通應(yīng)用的光刻膠被設(shè)計(jì)成與紫外線和激光反應(yīng),稱為光學(xué)光刻膠。還有其他光刻膠可以與X射線或者電子束反應(yīng)。當(dāng)負(fù)膠被正常光照射也會(huì)發(fā)生聚合反應(yīng)。為了防止意外曝光，負(fù)膠的生產(chǎn)是在黃光的條件下進(jìn)行的。在正膠中，聚合物是相對(duì)不可溶的。在用適當(dāng)?shù)墓饽芰科毓夂?，光刻膠轉(zhuǎn)變成可溶狀態(tài)。這種反應(yīng)稱為光溶解反應(yīng)。光刻膠中光溶解部分會(huì)在顯影工藝中用溶劑去掉。

基本的光刻膠化學(xué)

■溶劑

光刻膠中容量最大的成分是溶劑。溶劑使光刻膠處于液態(tài)，并且使光刻膠能夠通過(guò)旋轉(zhuǎn)的方法涂在晶圓表面?！龉饷魟┗瘜W(xué)光敏劑被添加到光刻膠中用來(lái)產(chǎn)生或者控制聚合物的特定反應(yīng)。光敏劑被加到光刻膠中用來(lái)限制反應(yīng)光的波譜范圍或者把反應(yīng)光限制到某一特定波長(zhǎng)的光。■添加劑

不同類型的添加劑和光刻膠混合在一起來(lái)達(dá)到特定的結(jié)果。一些負(fù)膠包含有染色劑，它在光刻膠薄膜中用來(lái)吸收和控制光線。正膠可能會(huì)有化學(xué)的抗溶解系統(tǒng)。這些添加劑可以阻止光刻膠沒(méi)有被曝光的部分在顯影過(guò)程被溶解。

基本的光刻膠化學(xué)

光刻膠的表現(xiàn)要素

光刻膠的選擇是一個(gè)復(fù)雜的程序。主要的決定因素是晶圓表面對(duì)尺寸的要求。光刻膠首先必須具有產(chǎn)生所要求尺寸的能力，必須有在刻蝕過(guò)程中阻隔刻蝕的功能。在阻隔刻蝕的作用中，保持有特定厚度的光刻膠層中一定不能存在針孔。另外，光刻膠必須能和晶圓表面很好地黏結(jié)，否則刻蝕后的圖形就會(huì)發(fā)生扭曲。以上連同階梯覆蓋度，都是光刻膠的表現(xiàn)要素。正膠和負(fù)膠的比較

用掩膜版和兩種不同光刻膠結(jié)合而在晶圓表面光刻得到的尺寸是不一樣的。由于光在圖形周圍會(huì)有衍射，用負(fù)膠和亮場(chǎng)掩膜版組合在光刻膠層上得到的圖形尺寸要比掩膜版上的圖形尺寸小。用正膠和暗場(chǎng)掩膜版組合會(huì)使光刻膠層上的圖形尺寸變大。這些變化必須在掩膜版的制作和光刻工藝的設(shè)計(jì)過(guò)程中考慮到。換句話說(shuō)，光刻膠類型的轉(zhuǎn)變需要一個(gè)全新的光刻工藝。

正膠和負(fù)膠的比較

負(fù)膠的另一個(gè)問(wèn)題是氧化。這是光刻膠和空氣中氧氣的反應(yīng)，它能使光刻膠膜厚變薄20％。而正膠沒(méi)有這種屬性。正膠比負(fù)膠的成本要高，但這種高成本可以通過(guò)高良品率來(lái)抵消。

兩種類型的光刻膠的顯影屬性也是不同的。負(fù)膠所用的顯影劑非常容易得到，聚合和非聚合區(qū)域的可溶性有很大的不同。在顯影過(guò)程中，圖形尺寸相對(duì)保持恒定。相對(duì)于正膠來(lái)講，聚合區(qū)域和非聚合區(qū)域的可溶性區(qū)別較小，它需要用仔細(xì)準(zhǔn)備過(guò)的顯影劑來(lái)顯影，并且在顯影過(guò)程中要進(jìn)行溫度控制。光刻工藝

一、表面準(zhǔn)備為確保光刻膠能和晶圓表面很好粘貼，必須要進(jìn)行表面準(zhǔn)備。這一步驟是由三個(gè)階段來(lái)完成的：微粒清除、脫水和涂底膠。

■微粒清除

晶圓幾乎總是從一個(gè)清潔的區(qū)域來(lái)到光刻蝕區(qū)域的，例如氧化、摻雜、化學(xué)氣相淀積。然而，晶圓在存儲(chǔ)，裝載和卸載到片匣過(guò)程中，可能會(huì)吸附到一些顆粒狀污染物，而這些污染物是必須要清除掉。根據(jù)污染的等級(jí)和工藝的需要，可以用幾種不同的微粒清除方法。

光刻工藝

■脫水烘焙

干燥的表面稱做憎水性表面，在憎水性表面上液體會(huì)形成小滴。憎水性表面有益于光刻膠的粘貼。有兩個(gè)重要的方法來(lái)保持憎水性表面。一是把室內(nèi)濕度保持在50％以下，并且在晶圓完成前一步工藝之后盡可能快地對(duì)晶圓進(jìn)行涂膠。另一種方法是把晶圓存儲(chǔ)在干燥器中。在大多數(shù)光刻蝕工藝中，只用低溫烘焙。通過(guò)熱板，箱式對(duì)流傳導(dǎo)或者真空烤箱很容易完成?！鼍A涂底膠除了脫水烘焙外，晶圓還可以通過(guò)涂底膠步驟來(lái)保證它能和光刻膠粘貼得很好。在半導(dǎo)體光刻蝕工藝中，底膠的作用是從化學(xué)上把晶圓表面的水分子系在一起，因此增加了表面的附著能力。光刻工藝

二、涂光刻膠涂膠工藝的目的就是在晶圓表面建立薄的、均勻的、并且沒(méi)有缺陷的光刻膠膜。一般來(lái)說(shuō)，光刻膠膜厚從0.5微米到1.5微米不等，而且它的均勻性必須要達(dá)到只有正負(fù)0.01微米的誤差。也就是說(shuō)，對(duì)于1.0微米厚的光刻膠膜只有1％的變化。涂膠工藝需防止或是降低晶圓外邊緣部分光刻膠的堆起，這種堆起會(huì)在曝光和刻蝕過(guò)程中造成圖形的變形。光刻工藝

■靜態(tài)涂膠工藝晶圓在涂完底膠之后會(huì)停在針孔吸盤上面，光刻膠被堆積在晶圓的中心。所涂光刻膠總量的大小是非常關(guān)鍵的，它是由晶圓的大小和所用光刻膠的類型決定的。如果量少了會(huì)導(dǎo)致晶圓表面涂膠不均，如果量大了會(huì)導(dǎo)致晶圓邊緣光刻膠的堆積或光刻膠流到晶圓背面。當(dāng)膠液達(dá)到規(guī)定的直徑，吸盤會(huì)很快地加速到一個(gè)事先設(shè)定好的速度。在加速過(guò)程中，離心力會(huì)使光刻膠向晶圓邊緣部擴(kuò)散并且甩走多余的光刻膠，只把平整均勻的光刻膠薄膜留在晶圓表面。在光刻膠被分散開之后，高速旋轉(zhuǎn)還會(huì)維持一段時(shí)間以便使光刻膠干燥。光刻工藝

光刻工藝

■動(dòng)態(tài)噴灑大直徑晶圓對(duì)均勻膠膜的需求促成了動(dòng)態(tài)旋轉(zhuǎn)噴灑技術(shù)的研發(fā)。對(duì)于這種技術(shù)，晶圓在以500rpm低速旋轉(zhuǎn)的時(shí)候，光刻膠被噴灑在晶圓表面。低速旋轉(zhuǎn)的作用是幫助光刻膠最初的擴(kuò)散。用這種方法我們可以用較少量的光刻膠而達(dá)到更均勻的光刻膠膜。光刻膠擴(kuò)展開之后，旋轉(zhuǎn)器加速至高速來(lái)完成最終的光刻膠擴(kuò)展并得到薄而且均勻的光刻膠膜。

光刻工藝

■背面涂膠在某些器件的工藝中，需要在光刻過(guò)程中保持晶圓背面氧化物的存在。一種方法是通過(guò)在晶圓背面涂光刻膠來(lái)完成的。這種背面涂膠的要求僅僅是一個(gè)足夠厚的光刻膠膜來(lái)阻隔刻蝕。通常晶圓是在正面涂膠完成之后通過(guò)一個(gè)滾動(dòng)機(jī)在晶圓背面進(jìn)行涂膠的。另外還有一種背面刻蝕保護(hù)系統(tǒng)，它是通過(guò)在晶圓背面附加上一種塑料薄片來(lái)達(dá)到的。

軟烘焙是一種以蒸發(fā)掉光刻膠中一部分溶劑為目的的加熱過(guò)程。軟烘焙完成之后，光刻膠還保持一定軟度。蒸發(fā)溶劑有兩個(gè)原因。溶劑的主要作用是能夠讓光刻膠在晶圓表面涂一薄層，在這個(gè)作用完成以后，溶劑的存在干擾余下的工藝過(guò)程。第一個(gè)干擾是在曝光的過(guò)程中發(fā)生的。光刻膠里面的溶劑會(huì)吸收光，進(jìn)而干擾光敏感聚合物中正常的化學(xué)變化。第二個(gè)問(wèn)題是和光刻膠黏結(jié)有聯(lián)系的。軟烘焙

軟烘焙

在光刻過(guò)程中，兩大主要目標(biāo)是正確的圖形定義和在刻蝕過(guò)程中光刻膠和晶圓表面良好的黏結(jié)。這兩個(gè)目標(biāo)都會(huì)受軟烘溫度的影響。不完全烘焙會(huì)在曝光過(guò)程中造成圖像成形不完整和在刻蝕過(guò)程中造成多余的光刻膠漂移。過(guò)分烘焙會(huì)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)。光刻膠供應(yīng)商會(huì)提供軟烘溫度和時(shí)間的范圍，之后光刻工藝師再把這些參數(shù)優(yōu)化。負(fù)膠必須要在氮?dú)庵羞M(jìn)行烘焙，而正膠可以在空氣中烘焙。軟烘焙

■對(duì)流烘箱

對(duì)流烘箱是非自動(dòng)化生產(chǎn)線的主要烘焙設(shè)備。它是一個(gè)在隔熱封閉環(huán)境中的不銹鋼反應(yīng)室。環(huán)繞反應(yīng)室的管道提供氮?dú)饣蚩諝?，氣體在被導(dǎo)入反應(yīng)室前先經(jīng)過(guò)一個(gè)加熱器加熱。反應(yīng)室內(nèi)配有放置晶圓承片器的擱架。承片器要在烘箱中停留預(yù)先設(shè)定的一段時(shí)間，這時(shí)加熱氣體會(huì)把它們的溫度升高。軟烘焙

■移動(dòng)帶式熱板

在集成系統(tǒng)中，使用單片晶圓熱板在生產(chǎn)率上的局限在于回轉(zhuǎn)工步的總體時(shí)間。典型的回轉(zhuǎn)時(shí)間為20－40秒，這就意味著要想使晶圓連續(xù)不停地“流動(dòng)”，軟烘焙就必須在這個(gè)時(shí)間范圍內(nèi)完成。這個(gè)時(shí)間長(zhǎng)度對(duì)某些光刻膠和某些工藝來(lái)說(shuō)太短了。把晶圓放到加熱過(guò)的移動(dòng)帶上，設(shè)定溫度和鋼帶速度以滿足軟烘焙的要求。這樣就可以使晶圓連續(xù)不斷地“流動(dòng)”。

軟烘焙

■移動(dòng)帶式紅外烘箱

對(duì)快速、均勻和不結(jié)殼的軟烘焙方法的渴望，使得紅外輻射源得以發(fā)展。紅外烘焙比傳導(dǎo)式烘焙要快得多，而且是“由內(nèi)至外”加熱的。紅外波穿過(guò)光刻膠涂層，但并不將其加熱。晶圓吸收了能量，變熱，繼而從底部加熱光刻膠涂層。對(duì)準(zhǔn)和曝光

對(duì)準(zhǔn)和曝光的第一步是把所需圖形在晶圓表面上定位或?qū)?zhǔn)。第二步是通過(guò)曝光燈或其他輻射源將圖形轉(zhuǎn)移到光刻膠涂層上。光刻膠是此工藝的“材料”核心，而對(duì)準(zhǔn)和曝光則是該工藝的“設(shè)備”核心。圖形的準(zhǔn)確對(duì)準(zhǔn)，以及光刻膠上精確的圖形尺寸的形成是器件和電路正常工作的決定性因素。此外，晶圓加工時(shí)間的60％都在光刻區(qū)域中?！鰧?duì)準(zhǔn)系統(tǒng)的性能表現(xiàn)一個(gè)對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)包括兩個(gè)主要的子系統(tǒng)。一個(gè)子系統(tǒng)是要把圖形在晶圓表面上準(zhǔn)確定位。另一個(gè)是曝光子系統(tǒng)，該子系統(tǒng)包括一個(gè)曝光光源和一個(gè)將輻射光線導(dǎo)向到晶圓表面上的機(jī)械裝置。最重要的參數(shù)要算分辨力（機(jī)器產(chǎn)生特定尺寸圖形的能力）。除所需圖形尺寸的分辨率以外，對(duì)準(zhǔn)機(jī)還必須具有將圖形準(zhǔn)確定位的能力。這一性能參數(shù)叫做對(duì)準(zhǔn)機(jī)的套準(zhǔn)能力。這兩項(xiàng)指標(biāo)都必須在整個(gè)晶圓上體現(xiàn)，這就是尺寸控制。對(duì)準(zhǔn)和曝光

■對(duì)準(zhǔn)與曝光系統(tǒng)直到20世紀(jì)70年代中期，可供選擇的光刻和曝光設(shè)備只有兩種：接觸式光刻機(jī)和接近式光刻機(jī)。而今，光刻機(jī)已發(fā)展到包括光學(xué)和非光學(xué)兩種類型。光學(xué)光刻機(jī)采用紫外光作為光源，而非光學(xué)光刻機(jī)的光源則來(lái)自電磁光譜的其他部分。為滿足減小特征圖形尺寸，增加電路密度，以及ULSI時(shí)代對(duì)產(chǎn)品缺陷的要求，光刻設(shè)備不斷得以發(fā)展。對(duì)準(zhǔn)和曝光

光刻設(shè)備■接觸式光刻機(jī)接觸式光刻機(jī)的掩膜版包括了要復(fù)制到硅片表面的所有芯片陣列圖形。硅片被涂上光刻膠，并被裝到一個(gè)由手動(dòng)按鈕控制左右和旋轉(zhuǎn)的臺(tái)子上（臺(tái)子有X、Y方向和旋轉(zhuǎn)的定位功能）。掩膜版和硅片通過(guò)分立視場(chǎng)顯微鏡同時(shí)觀察。于是操作者用手動(dòng)控制臺(tái)子定位就把掩膜版圖形和硅片上的圖形對(duì)準(zhǔn)了。一旦掩膜版和硅片對(duì)準(zhǔn)，掩膜版就開始和硅片表面的光刻膠涂層直接接觸，這就是稱這種設(shè)備為接觸式光刻機(jī)的原因。此時(shí)硅片和掩膜版經(jīng)紫外（UV）光曝光。紫外光通過(guò)掩膜版透明部分，掩膜版的圖形就被轉(zhuǎn)移到光刻膠上。接觸式光刻系統(tǒng)依賴人操作，并且容易被沾污，因?yàn)檠谀ぐ婧凸饪棠z是直接接觸的。顆粒沾污損壞了光刻膠層、掩膜版或兩者都損壞了，每5次到25次操作就需更換掩膜版。顆粒周圍的區(qū)域都存在分辨率問(wèn)題。由于接觸式光刻中一塊掩膜版在整個(gè)硅片上形成圖形，對(duì)準(zhǔn)時(shí)整個(gè)硅片的偏差又必須在所需容差之內(nèi)，因此當(dāng)硅片尺寸增加就有套準(zhǔn)精度問(wèn)題。接觸光刻確實(shí)能夠在硅片表面形成高分辨率的圖形，因?yàn)檠谀ぐ鎴D形和硅片非常接近。這種接近減少了圖像失真。然而，接觸光刻非常依賴于操作者，這就引人了重復(fù)性和控制問(wèn)題。

光刻機(jī)的分類光刻機(jī)的分類■接近式光刻機(jī)在接近式光刻中，連續(xù)復(fù)制整個(gè)硅片圖形，掩膜版不與光刻膠直接接觸。它與光刻膠表面接近，在掩膜版和硅片表面光刻膠之間有大致2.5到25微米的間距。光源產(chǎn)生的光是被準(zhǔn)直的，這意味著光束彼此平行。接近式光刻企圖緩解接觸式光刻機(jī)的沾污問(wèn)題，它是通過(guò)在光刻膠表面和掩膜版之間形成可以避免顆粒的間隙實(shí)現(xiàn)的。盡管間距大小被控制，接近光刻機(jī)的工作能力還是被減小了，因?yàn)楫?dāng)紫外光線通過(guò)掩膜版透明區(qū)域和空氣時(shí)就會(huì)發(fā)散。這種情況減小了系統(tǒng)的分辨能力，減小線寬關(guān)鍵尺寸就成了主要問(wèn)題。光刻機(jī)的分類■掃描投影光刻機(jī)掃描投影光刻機(jī)的概念是利用反射鏡系統(tǒng)把有1:1圖像的整個(gè)掩膜圖形投影到硅片表面。由于掩膜版是1倍的，圖像就沒(méi)有放大和縮小，并且掩膜版圖形和硅片上的圖形尺寸相同。紫外光線通過(guò)一個(gè)狹縫聚焦在硅片上，能夠獲得均勻的光源。掩膜版和帶膠硅片被放置在掃描架上，并且一致地通過(guò)窄紫外光束對(duì)硅片上的光刻膠曝光。由于發(fā)生掃描運(yùn)動(dòng)，掩膜版圖像最終被光刻在硅片表面。掃描投影光刻機(jī)的一個(gè)主要挑戰(zhàn)是制造良好的包括硅片上所有芯片的1倍掩膜版。如果芯片中有亞微米特征尺寸，那么掩膜版上也有亞微米尺寸。由于亞微米特征尺寸的引入，這種光刻方法很困難，因?yàn)檠谀げ荒茏龅綗o(wú)缺陷。光刻機(jī)的分類■分步重復(fù)光刻機(jī)

這種設(shè)備只投影一個(gè)曝光場(chǎng)（這可能是硅片上的一個(gè)或多個(gè)芯片），然后步進(jìn)到硅片上另一個(gè)位置重復(fù)曝光。步進(jìn)光刻機(jī)使用投影掩膜版，上面包含了一個(gè)曝光場(chǎng)內(nèi)對(duì)應(yīng)一個(gè)或多個(gè)芯片的圖形。光學(xué)步進(jìn)光刻機(jī)的一大優(yōu)勢(shì)在于它具有使用縮小透鏡的能力。步進(jìn)光刻機(jī)的投影掩膜版圖形尺寸是實(shí)際像的4倍、5倍或10倍。這個(gè)縮小的比例使得制造投影掩膜版更容易，因?yàn)橥队把谀ぐ嫔系奶卣鲌D形是硅片上最終圖形的幾倍。不縮小的投影光刻機(jī)的好處是成本低并可用于非關(guān)鍵層圖形制造。

光刻機(jī)的分類步進(jìn)光刻機(jī)都會(huì)把投影掩膜版通過(guò)投影透鏡聚焦到硅片表面，使硅片和掩膜版對(duì)準(zhǔn)。穿過(guò)投影掩膜版上透明區(qū)域的紫外光對(duì)光刻膠曝光，然后步進(jìn)到硅片下一個(gè)位置重復(fù)全部過(guò)程。通過(guò)繼續(xù)這個(gè)過(guò)程，步進(jìn)光刻機(jī)最終會(huì)通過(guò)連續(xù)的曝光步驟把所有芯片陣列復(fù)制到硅片表面。由于步進(jìn)光刻機(jī)一次只曝光硅片的一小部分，所以對(duì)硅片平整度和幾何形狀變化的補(bǔ)償變得容易。

光刻機(jī)的分類■步進(jìn)掃描光刻機(jī)步進(jìn)掃描光學(xué)光刻系統(tǒng)是一種混合設(shè)備，融合了掃描投影光刻機(jī)和分步重復(fù)光刻機(jī)技術(shù)，是通過(guò)使用縮小透鏡掃描一個(gè)大曝光場(chǎng)圖像到硅片上一部分實(shí)現(xiàn)的。一束聚焦的狹長(zhǎng)光帶同時(shí)掃過(guò)掩膜版和硅片。一旦掃描和圖形轉(zhuǎn)印過(guò)程結(jié)束，硅片就會(huì)步進(jìn)到下一個(gè)曝光區(qū)域重復(fù)這個(gè)過(guò)程。使用步進(jìn)掃描光刻機(jī)曝光硅片的優(yōu)點(diǎn)是增大了曝光場(chǎng)，可以獲得較大的芯片尺寸。大視場(chǎng)的主要優(yōu)點(diǎn)是有機(jī)會(huì)在投影掩膜版上多放幾個(gè)圖形，因而一次可以多曝光些芯片。步進(jìn)掃描光刻機(jī)的另一個(gè)重要優(yōu)點(diǎn)是具有在整個(gè)掃描過(guò)程調(diào)節(jié)聚焦的能力，使透鏡缺陷和硅片平整度變化能夠得到補(bǔ)償。這種掃描過(guò)程中改進(jìn)的聚焦控制產(chǎn)生了整個(gè)曝光場(chǎng)內(nèi)改善的CD均勻性控制。光刻機(jī)的分類■X射線光刻機(jī)X射線系統(tǒng)與UV和DUV系統(tǒng)在功能上相似，但它的曝光光源是X射線。這種高能光束的波長(zhǎng)小，能夠形成很小的圖形。它的一個(gè)缺點(diǎn)是，為擋住高能光線，掩膜版必須用黃金或其他材料制造。另外，開發(fā)適合X射線的高性能光刻膠的過(guò)程相當(dāng)緩慢。挑戰(zhàn)在于如何平衡X射線的高靈敏度的同時(shí)保持很好的刻蝕阻擋。

光刻機(jī)的分類■電子束光刻機(jī)所需圖形從計(jì)算機(jī)中生成，因此沒(méi)有掩膜版。束流通過(guò)偏轉(zhuǎn)子系統(tǒng)對(duì)準(zhǔn)表面特定位置，然后在將要曝光的光刻膠上開啟電子束。較大的襯底被放置在X-Y承片臺(tái)上，并在電子束下移動(dòng)，從而得到整個(gè)表面的曝光。這種對(duì)準(zhǔn)和曝光的技術(shù)叫做直寫技術(shù)。

對(duì)準(zhǔn)

套準(zhǔn)精度（也稱做套準(zhǔn)）是測(cè)量對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)把版圖套準(zhǔn)到硅片上圖形的能力。套準(zhǔn)容差描述要形成的圖形層和前層的最大相對(duì)位移。一般而言，套準(zhǔn)容差大約是關(guān)鍵尺寸的三分之一。對(duì)于0.15微米的設(shè)計(jì)規(guī)則，套準(zhǔn)容差預(yù)計(jì)為50納米。步進(jìn)光刻機(jī)和步進(jìn)掃描光刻機(jī)都有一個(gè)精密復(fù)雜的自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)，它測(cè)定硅片和投影掩膜版的位置和方向，然后在曝光前把硅片和投影掩膜版對(duì)準(zhǔn)。設(shè)備對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)很快確定不同對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記在曝光設(shè)備坐標(biāo)系統(tǒng)中的位置。設(shè)備程序控制中的對(duì)準(zhǔn)軟件用來(lái)計(jì)算偏差量和承片臺(tái)需要移動(dòng)的方向，以便把硅片送到設(shè)備規(guī)定的套準(zhǔn)容差內(nèi)。對(duì)準(zhǔn)

對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記是置于投影掩膜版和硅片上用來(lái)確定它們的位置和方向的可見(jiàn)圖形。

偏差

光刻偏差是掩膜版上的特征尺寸與復(fù)印在硅片上的尺寸的差距。對(duì)于不同尺寸的結(jié)構(gòu)，復(fù)制偏差量是不同的。一個(gè)光刻偏差的例子是方形接觸孔的尺寸接近光學(xué)系統(tǒng)的分辨率就會(huì)光刻出圓形的角。解決這個(gè)問(wèn)題可能通過(guò)在版圖結(jié)構(gòu)上加上襯線，這在光刻硅片時(shí)能夠幫助保持如接觸孔正方形的特征。為得到所需的圖像，使用狹波或單一波長(zhǎng)曝光光源，準(zhǔn)直平行光，以及對(duì)上述距離嚴(yán)格控制的方法都被運(yùn)用到光刻機(jī)中。使用最廣泛的曝光光源是高壓汞燈，它所產(chǎn)生的光為紫外光（UV〕。為減小特征圖形尺寸，起初使用的燈泡和光刻膠不斷地發(fā)展和改進(jìn)。為獲得更高的清晰度，光刻膠被設(shè)計(jì)成只與汞燈光譜中很窄一段波長(zhǎng)的光反應(yīng)。這種需求使得在光譜更短波長(zhǎng)中使用的燈泡和光刻膠得以發(fā)展。光譜中的這一部分稱為深紫外區(qū)或DUV。其他可以提供波長(zhǎng)較短，曝光能量較高的光源還有：準(zhǔn)分子激光器，X射線以及電子束。

曝光光源曝光光源掩膜版

在硅片制造中經(jīng)常使用兩個(gè)術(shù)語(yǔ)：投影掩膜版和掩膜版。投影掩膜版只包括硅片上一部分圖形（例如4個(gè)芯片）。這個(gè)圖形必須通過(guò)分步重復(fù)來(lái)覆蓋整個(gè)襯底。在硅片制造中投影掩膜版用于分步重復(fù)光刻機(jī)和步進(jìn)掃描光刻機(jī)、光掩膜版或掩膜版包含了整個(gè)硅片的芯片陣列并且通過(guò)單一曝光轉(zhuǎn)印圖形(1:1圖像轉(zhuǎn)印、掩膜版用于較老的接近式光刻和掃描對(duì)準(zhǔn)投影機(jī)中)。

掩膜版必須制造得非常完美。所有硅片上的電路元件都來(lái)自版圖，因此投影掩膜版的質(zhì)量在亞微米光刻獲得高質(zhì)量圖形中扮演著關(guān)鍵角色。如果版圖缺陷（如變形和不正確圖形位置）沒(méi)有被發(fā)現(xiàn)，它們就會(huì)被復(fù)制到硅片表面的光刻膠上。投影掩膜版在它們剛制造完畢，就要進(jìn)行大量的自動(dòng)測(cè)試來(lái)檢查缺陷和顆粒。

顯影

晶圓完成定位和曝光后，器件或電路的圖案被以曝光和未曝光區(qū)域的形式記錄在光刻膠上。通過(guò)對(duì)未聚合光刻膠的化學(xué)分解來(lái)使圖案顯影。顯影技術(shù)被設(shè)計(jì)成使之把完全一樣的掩膜版圖案復(fù)制到光刻膠上。不良的顯影工藝造成的問(wèn)題是不完全顯影，它會(huì)導(dǎo)致開孔的不正確尺寸，或使開孔的側(cè)面內(nèi)凹。在某些情況下，顯影不夠深而在開孔內(nèi)留下一層光刻膠。第三個(gè)問(wèn)題是過(guò)顯影會(huì)過(guò)多地從圖形邊緣或表面上去除光刻膠。

顯影■負(fù)光刻膠顯影在光刻膠上成功地使圖案顯影要依靠光刻膠的曝光機(jī)理。負(fù)光刻膠暴露在光線下，會(huì)有一個(gè)聚合的過(guò)程，它會(huì)導(dǎo)致光刻膠聚合。在兩個(gè)區(qū)域間有足夠高的分解率以使聚合的區(qū)域只失去很小部分光刻膠。顯影完成后還要進(jìn)行沖洗，沖洗的作用是雙重的。第一，快速地稀釋顯影液。雖然聚合的光刻膠不會(huì)被顯影液分解，但在曝光的邊緣總會(huì)有一個(gè)過(guò)渡區(qū)，其中包含部分聚合的分子。如果顯影液留在表面上便會(huì)溶解這部分區(qū)域而改變圖案尺寸。第二，沖洗可去除在開孔區(qū)少量部分聚合的光刻膠。顯影■正光刻膠顯影正光刻膠有不同的顯影條件。兩個(gè)區(qū)域（聚合的和未聚合的區(qū)域）有不同的溶解率，約為1:4。這意味著在顯影中總會(huì)從聚合的區(qū)域失去一些光刻膠。使用過(guò)度的顯影液或顯影時(shí)間過(guò)長(zhǎng)可以導(dǎo)致光刻膠太薄而不能使用。結(jié)果有可能導(dǎo)致在刻蝕中翹起或斷裂。大多數(shù)用正光刻膠的制造廠使用四甲基氫氧化氨溶液（TMAH）。有時(shí)要添加表面活性劑來(lái)去除表面張力使溶液更易親合晶圓表面。正光刻膠的性質(zhì)使它們?cè)诃h(huán)保上比有機(jī)溶液的負(fù)光刻膠更具吸引力。正光刻膠的顯影工藝比負(fù)光刻膠更為敏感。

濕法顯影

■沉浸沉浸是在耐化學(xué)腐蝕的傳輸器中的晶圓被放進(jìn)盛有顯影液的池中放置一定的時(shí)間然后再被放入加有化學(xué)沖洗液的池中進(jìn)行沖洗?！鰢娚滹@影噴射工藝可在單一或批量系統(tǒng)中完成。在單一晶圓配置中，晶圓被真空吸在吸盤上并旋轉(zhuǎn)，同時(shí)顯影液和沖洗液依次噴射到晶圓表面。沖洗之后晶圓吸盤高速旋轉(zhuǎn)使晶圓被甩干。在外觀和設(shè)計(jì)上，單晶圓噴射系統(tǒng)和點(diǎn)膠機(jī)一樣只是通入不同的化學(xué)品。單晶圓噴射系統(tǒng)具有可集成顯影和硬烘焙工藝而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的優(yōu)點(diǎn)。這個(gè)工藝的一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)是均勻性的提高。

■混凝顯影混凝顯影是用以獲得正光刻膠噴射顯影工藝優(yōu)點(diǎn)的一種工藝。工藝開始時(shí)，在靜止的晶圓表面上覆蓋一層顯影液。表面張力使顯影液在晶圓表面上不會(huì)流散到晶圓外。要求顯影液在晶圓表面上停留一定的時(shí)間，通常是以吸盤加熱的晶圓，這時(shí)絕大部分的顯影會(huì)發(fā)生?；炷@影實(shí)際上是單晶圓且只有晶圓單面沉浸的工藝。在要求的時(shí)間過(guò)后，更多的顯影液被噴到晶圓表面上并沖洗、干燥，然后送下一道工序。

■等離子體去除浮渣不完全顯影會(huì)造成浮渣，浮渣可以是留在晶圓表面上的未溶解的光刻膠塊或是干燥后的顯影液。在微米和微米以下的ULSI生產(chǎn)線中，在化學(xué)顯影后用氧等離子體來(lái)去除浮渣。

濕法顯影

干法等離子體刻蝕對(duì)于刻蝕晶圓表面層已經(jīng)是完善的工藝了。在等離子體刻蝕中，離子由等離子體場(chǎng)得到能量，以化學(xué)形式分解暴露的晶圓表面層。干法光刻膠顯影要求光刻膠化學(xué)物的曝光或未曝光的部分易于被氧等離子體去除，即圖案的部分從晶圓表面上氧化掉。干法（等離子）顯影

硬烘焙通過(guò)溶液的蒸發(fā)來(lái)固化光刻膠，使光刻膠和晶圓表面有良好的粘貼。硬烘焙的時(shí)間和溫度的決定與在軟烘焙工藝是一樣的。起始點(diǎn)是由光刻膠制造商推薦的工藝。之后，工藝被精確調(diào)整，以達(dá)到粘貼和尺寸控制的要求。硬烘焙是立即在顯影后或是馬上在開始刻蝕前來(lái)進(jìn)行的。熱烘焙增強(qiáng)粘貼的機(jī)理是脫水和聚合。加熱使水份脫離光刻膠，同時(shí)使之進(jìn)一步聚合，從而增強(qiáng)了其耐刻蝕性。硬烘焙溫度的上限以光刻膠流動(dòng)點(diǎn)而定。當(dāng)光刻膠流動(dòng)時(shí)，圖案尺寸便會(huì)改變。硬烘焙

在顯影和烘焙之后就是要完成光刻掩膜工藝的第一次質(zhì)檢。檢驗(yàn)的目的是區(qū)分那些有很低可能性通過(guò)最終掩膜檢驗(yàn)的晶圓，提供工藝性能和工藝控制數(shù)據(jù)；以及分揀出需要重做的晶圓。

顯影檢驗(yàn)

■人工檢驗(yàn)直觀檢驗(yàn)晶圓表面。檢驗(yàn)可在正常的室內(nèi)光線下進(jìn)行，但是更多時(shí)候晶圓要在直射的白光或高密度紫外光下進(jìn)行。檢驗(yàn)時(shí)晶圓與光線成一定的角度。用這種方法可以非常有效地檢查出膜厚的不規(guī)則、粗顯影問(wèn)題、劃傷及污染，特別是污點(diǎn)。

顯影檢驗(yàn)的方法

隨著芯片密度的增大每個(gè)芯片上的器件也在減小。這就要用倍數(shù)更大的顯微鏡來(lái)檢查。放大倍數(shù)的增加會(huì)使視景減小，這又會(huì)造成操作員用更多的時(shí)間來(lái)檢查晶圓。通常的規(guī)程是選擇一些具體的區(qū)域來(lái)檢查。在每個(gè)掩膜級(jí)別，有一些圖案的尺寸對(duì)于整個(gè)電路是非常關(guān)鍵的。對(duì)每個(gè)級(jí)別有一個(gè)代表性的圖案被選出來(lái)作為關(guān)鍵尺寸（CriticalDimension，CD）。■自動(dòng)檢驗(yàn)隨著芯片尺寸增大和元件尺寸的減小，工藝變得更加繁多并精細(xì)，人工檢驗(yàn)的效力也到了極限。自動(dòng)檢驗(yàn)系統(tǒng)提供了更多數(shù)據(jù)。顯影檢驗(yàn)的方法

刻蝕

在完成顯影檢驗(yàn)步驟后，掩膜版的圖案就被固定在光刻膠膜上并準(zhǔn)備刻蝕。在刻蝕后圖案就會(huì)被永久地轉(zhuǎn)移到晶圓的表層?？涛g就是通過(guò)光刻膠暴露區(qū)域來(lái)去掉晶圓最表層的工藝?？涛g工藝主要有兩大類：濕法和干法刻蝕。兩種方法的主要目標(biāo)是將光刻掩膜版上的圖案精確地轉(zhuǎn)移到晶圓的表面?？涛g參數(shù)

■刻蝕速率在刻蝕過(guò)程中去除硅片表面材料的速度，通常用?/min表示?？涛g窗口的深度稱為臺(tái)階高度。

■刻蝕剖面

指的是被刻蝕圖形的側(cè)壁形狀。有兩種基本的刻蝕剖面:各向同性和各向異性刻蝕剖面。對(duì)于亞微米尺寸的圖形來(lái)說(shuō)，希望刻蝕剖面是各向異性的，即刻蝕只在垂直于硅片表面的方向進(jìn)行，只有很少的橫向刻蝕。這種垂直的側(cè)壁使得在芯片上可制作高密度的刻蝕圖形各向異性刻蝕對(duì)于小線寬圖形亞微米器件的制作來(lái)說(shuō)非常關(guān)鍵。先進(jìn)集成電路應(yīng)用上通常需要88到89垂直度的側(cè)壁。各向異性刻蝕大部分是通過(guò)干法等離子體刻蝕來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

刻蝕參數(shù)

■刻蝕偏差指刻蝕以后線寬或關(guān)鍵尺寸間距的變化。它通常是由于橫向鉆蝕引起的，但也能由刻蝕剖面引起。當(dāng)刻蝕中要去除掩膜下過(guò)量的材料時(shí)，會(huì)引起被刻蝕材料的上表面向光刻膠邊緣凹進(jìn)去，這樣就會(huì)產(chǎn)生橫向鉆蝕。

刻蝕參數(shù)

■選擇比定義為被刻蝕材料的刻蝕速率與另一種材料的刻蝕速率的比。高選擇比意味著只刻除想要刻去的那一層材料。一個(gè)高選擇比的刻蝕工藝不刻蝕下面一層材料（刻蝕到恰當(dāng)?shù)纳疃葧r(shí)停止）并且保護(hù)的光刻膠也未被刻蝕。干法刻蝕通常不能提供對(duì)下一層材料足夠高的刻蝕選擇比。在這種情況下，一個(gè)等離子體刻蝕機(jī)應(yīng)裝上一個(gè)終點(diǎn)檢測(cè)系統(tǒng)，使得在造成最小的過(guò)刻蝕時(shí)停止刻蝕過(guò)程。當(dāng)下一層材料正好露出來(lái)時(shí)，終點(diǎn)檢測(cè)器會(huì)觸發(fā)刻蝕機(jī)控制器而停止刻蝕。

刻蝕參數(shù)

■均勻性刻蝕均勻性是一種衡量刻蝕工藝在整個(gè)硅片上，或整個(gè)一批，或批與批之間刻蝕能力的參數(shù)。均勻性與選擇比有密切的關(guān)系，因?yàn)榉蔷鶆蛐钥涛g會(huì)產(chǎn)生額外的過(guò)刻蝕。均勻性的一些問(wèn)題是因?yàn)榭涛g速率和刻蝕剖面與圖形尺寸和密度有關(guān)而產(chǎn)生的?？涛g速率在小窗口圖形中較慢，甚至在具有高深寬比的小尺寸圖形上刻蝕會(huì)停止。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)象被稱為深寬比相關(guān)刻蝕（ARDE），也被稱為微負(fù)載效應(yīng)。

刻蝕參數(shù)

■殘留物刻蝕殘留物是刻蝕以后留在硅片表面不想要的材料。它常常覆蓋在腔體內(nèi)壁或被刻蝕圖形的底部?？涛g殘留物是IC制造過(guò)程中的硅片污染源，并能在去除光刻膠過(guò)程中帶來(lái)一些問(wèn)題。為了去除刻蝕殘留物，有時(shí)在刻蝕完成后會(huì)進(jìn)行過(guò)刻蝕。在一些情況下，刻蝕殘留物可以在去除光刻膠的過(guò)程中或用濕法化學(xué)腐蝕去掉。

■聚合物聚合物的形成有時(shí)是有意的，是為了在刻蝕圖形的側(cè)壁上形成抗腐蝕膜從而防止橫向刻蝕，這樣做能形成高的各向異性圖形，因?yàn)榫酆衔锬茏钃鯇?duì)側(cè)壁的刻蝕，增強(qiáng)刻蝕的方向性，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)圖形關(guān)鍵尺寸的良好控制。然而，這些聚合物又必須在刻蝕完成以后去除，否則器件的成品率和可靠性都會(huì)受到影響。

刻蝕參數(shù)

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二氧化硅濕法刻蝕基本的刻蝕劑