第6章 光刻工藝

第六章光刻工藝6.1概述6.2光刻工藝6.3光刻方式6.4光刻膠與掩膜版6.5光刻工藝設(shè)備6.1概述一、襯底材料對(duì)光刻工藝的影響襯底材料對(duì)光刻工藝的影響，概括說來有三個(gè)方面：表面清潔度、表面性質(zhì)(疏水或親水)和平面度。主要介紹表面清潔度和平面度對(duì)光刻質(zhì)量的影響，以及檢測(cè)和改善的方法。二、增粘處理光刻膠與襯底之間粘附力的大小對(duì)光刻質(zhì)量有極大影響。而對(duì)粘附力影響最大的，是襯底的表面性質(zhì)。SiO2是主要的刻蝕對(duì)象，因此下面主要介紹改善SiO2表面性質(zhì)的處理方法。6.2光刻工藝在硅片上制作器件或電路時(shí)，為進(jìn)行定域摻雜與互連等，需要多次用SiO2進(jìn)行掩蔽加工，因而就需要進(jìn)行多次的光刻。每塊集成電路一般要進(jìn)行6～7次光刻。各次光刻的工藝條件略有差異。一般都要經(jīng)過涂膠，前烘、曝光、顯影、后烘、刻蝕和去膠七個(gè)步驟。

正膠：曝光后可溶負(fù)膠：曝光后不可溶一．涂膠1.涂膠步驟二．前烘涂膠后的膠膜要立即進(jìn)行烘干。一般是在80oC溫度下烘烤10～15分鐘。烘烤的溫度不能過高，時(shí)間不能太長，否則會(huì)造成顯影困難。例如溫度若在100oC以上，由于增感劑揮發(fā)而造成曝光時(shí)間增長，甚至完全顯不出圖形來。另一種烘烤方法是，用紅外光從硅片背面照射，并透過硅片加熱，位于SiO2和膠的界面先開始干燥。這種使溶劑從內(nèi)部向外蒸發(fā)的方法是一種較好的干燥方法。三．曝光曝光就是對(duì)涂有光刻膠且進(jìn)行了前烘之后的硅片進(jìn)行選擇性的光照，曝光部分的光刻膠將改變其在顯影液中的溶解性，經(jīng)顯影后在光刻膠膜上得到和“掩膜”相對(duì)應(yīng)的圖形。四．顯影顯影是把曝光后的硅片放在顯影液里，將應(yīng)去除的光刻膠膜溶除干凈，以獲得腐蝕時(shí)所需要的抗蝕劑膜保護(hù)圖形。顯影液和顯影時(shí)間的選擇對(duì)顯影效果的影響是極為重要的。顯影液的選擇原則是：對(duì)需要去除的那部分膠膜溶解得快，溶解度大，對(duì)需要保留的那部分膠膜的溶解度極小。五．堅(jiān)膜堅(jiān)膜是在一定的溫度下，將顯影后的片子進(jìn)行烘干處理，除去顯影時(shí)膠膜所吸收的顯影液和殘留水分，改善膠膜與基片間的粘附性．增強(qiáng)膠膜的抗蝕能力，以及消除顯影時(shí)所引起的圖形變形。堅(jiān)膜的溫度和時(shí)間要合適。若溫度太低，時(shí)間過短，抗蝕劑膠膜沒有烘透，膠膜就不堅(jiān)固，腐蝕時(shí)易脫膠；若溫度過高，時(shí)間過長，則抗蝕劑膠膜因熱膨脹而翹曲和剝落，腐蝕時(shí)也容易產(chǎn)生鉆蝕或脫膠，還可能引起聚合物分解，產(chǎn)生低分子化合物，影響粘附性能，削弱抗蝕能力。此外，堅(jiān)膜時(shí)最好采用緩慢升溫和自然冷卻降溫的方式，以及從背面烘烤的辦法。六．腐蝕腐蝕就是用適當(dāng)?shù)母g劑，對(duì)未被膠膜覆蓋的二氧化硅或其他性質(zhì)的薄膜進(jìn)行腐蝕，按照光刻膠膜上已經(jīng)顯示出來的圖形，進(jìn)行完整、清晰、準(zhǔn)確的腐蝕，達(dá)到選擇性擴(kuò)散或金屬布線的目的。它是影響光刻精度的重要環(huán)節(jié)。對(duì)腐蝕劑的要求有：(1)只對(duì)需要腐蝕的物質(zhì)進(jìn)行腐蝕。(2)對(duì)抗蝕劑膠膜不腐蝕或腐蝕很小。(3)腐蝕因子要大于一定的數(shù)值。腐蝕因子定義為：當(dāng)腐蝕線條時(shí)，腐蝕的深度與一邊的橫向增加量的比值。它的值大則表明橫向腐蝕速度小，腐蝕效果好，常用來衡量腐蝕的質(zhì)量。(4)腐蝕液毒性小，使用方便，腐蝕圖形邊緣整齊、清晰。七．去膠去膠是常規(guī)光刻工藝的最后一道工序，簡(jiǎn)單地講，是使用特定的方法將經(jīng)過腐蝕之后還留在表面的膠膜去除掉。通常，采用的去膠方式有溶劑去膠、氧化去膠、等離子體去膠等方式。6.3光刻方式一、曝光光源常用的紫外線光源是高壓汞燈。其發(fā)射光譜中有幾條很強(qiáng)的譜線，它們分別是313nm、334.2nm、365nm、404.7nm及435.8nm。對(duì)光刻膠起感光作用的主要是365nm(I線)、404.7nm(H線)、435.8nm(G線)三條譜線。

二、常規(guī)光刻方式

幾種常見的曝光方法接觸式曝光：分辨率較高，但是容易造成掩膜版和光刻膠膜的損傷。接近式曝光：在硅片和掩膜版之間有一個(gè)很小的間隙(10～25

m)，可以大大減小掩膜版的損傷，分辨率較低投影式曝光：利用透鏡或反射鏡將掩膜版上的圖形投影到襯底上的曝光方法，目前用的最多的曝光方式表6.1三種光學(xué)曝光技術(shù)對(duì)比曝光方式特性接觸式接近式1:1全反射系統(tǒng)投影式縮小投影式DSW2:14:1分辨率負(fù)膠2

m4

m5

m3

m2.5

m正膠1

m2.5

m2.5

m1.5

m0.8

m掩膜版壽命短接觸式的5~10倍半永久半永久對(duì)準(zhǔn)精度1~3

m1~3

m0.5~1

m0.1~0.3

m裝置成本便宜中高高優(yōu)點(diǎn)分辨率高;線寬重復(fù)性好;設(shè)備成本低掩膜壽命高;晶片表面不易損傷掩膜壽命半永久;成品率高;無間距誤差掩膜壽命半永久;成品率高;掩膜版制作容易;分辨率高;對(duì)準(zhǔn)精度高缺點(diǎn)掩膜版壽命低,晶片易損壞;成品率低;分辨率低;線寬偏差大分辨率比接近式稍差;線寬偏差大,比接近式稍差每次光刻面積較小,曝光效率低;設(shè)備昂貴遠(yuǎn)紫外線曝光

電子束光刻離子束光刻X射線三、超細(xì)線條曝光技術(shù)光刻三要素：光刻膠、掩膜版和光刻機(jī)一、光刻膠光刻膠又叫光致抗蝕劑，它是由光敏化合物、基體樹脂和有機(jī)溶劑等混合而成的膠狀液體光刻膠受到特定波長光線的作用后，導(dǎo)致其化學(xué)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，使光刻膠在某種特定顯影溶液中的溶解特性改變6.4光刻膠與掩膜版顯影液硅片光刻膠二氧化硅膜曝光后的光刻膠正膠：曝光前不可溶,曝光后可溶負(fù)膠：曝光前可溶,曝光后不可溶正膠：分辨率高，在超大規(guī)模集成電路工藝中，一般只采用正膠負(fù)膠：分辨率差，適于加工線寬≥3

m的線條光刻膠的主要性能(1)靈敏度(2)對(duì)比度(3)分辨能力(4)光吸收度(5)耐刻蝕度(6)純度(7)粘附性二、光刻掩膜版1.掩膜版的制備流程(1)空白版的制備(2)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換(3)刻畫(4)形成圖形(5)檢測(cè)與修補(bǔ)(6)老化與終檢掩膜版上的圖形

①主線路單元②獨(dú)立測(cè)試單元③測(cè)試器件單元④工藝檢測(cè)單元⑤標(biāo)準(zhǔn)定位單元⑥其他單元3.掩膜版質(zhì)量的要求(1)玻璃襯底的選擇用于掩膜版制備的玻璃襯底需滿足以下幾個(gè)條件。①熱膨脹系數(shù)(CTE)②透射率③化學(xué)性質(zhì)④要求玻璃襯底表面平整、光滑、無劃痕、厚度均勻，與遮光膜的粘附性好。(2)掩膜版的質(zhì)量要求

①每個(gè)微小圖形的圖像質(zhì)量要高，圖形尺寸要準(zhǔn)確，盡可能接近設(shè)計(jì)尺寸的要求，間距符合要求，而且圖形不能發(fā)生畸變。②各塊掩膜版間要能夠精確地套準(zhǔn)，對(duì)準(zhǔn)誤差盡可能小。