光刻工艺基础知识

光刻工艺基础知识PHOTO
光刻工艺基础知识PHOTO (注：引用资料）光刻工艺基础知识
PHOTO
PHOTO 流程？
答：上光阻→曝光→显影→显影后检查→CD量测→Overlay量测
何为光阻？其功能为何?其分为哪两种?
搭:Photoresist（光阻)。

是一种感光的物质，其作用是将Pattern从光罩(Reticle）上传递到Wafer上的一种介质。

其分为正光阻和负光阻。

何为正光阻?
答：正光阻,是光阻的一种，这种光阻的特性是将其曝光之后，感光部分的性质会改变，并在之后的显影过程中被曝光的部分被去除。

何为负光阻?
答：负光阻也是光阻的一种类型，将其曝光之后，感光部分的性质被改变，但是这种光阻的特性与正光阻的特性刚好相反，其感光部分在将来的显影过程中会被留下，而没有被感光的部分则被显影过程去除。

何谓Photo？
答：Photo=Photolithgraphy，光刻，将图形从光罩上成象到光阻上的过程。

Photo主要流程为何？
答：Photo的流程分为前处理,上光阻，Soft Bake，曝光，PEB，显影，Hard Bake 等。

何谓PHOTO区之前处理？
答:在Wafer上涂布光阻之前，需要先对Wafer表面进行一系列的处理工作,以使光阻能在后面的涂布过程中能够被更可靠的涂布。

前处理主要包括Bake，HDMS 等过程.其中通过Bake将Wafer表面吸收的水分去除，然后进行HDMS(六甲基乙硅氮烷,以增加光阻与晶体表面附着的能力）工作，以使Wafer表面更容易与光阻结合。

何谓上光阻？
答：上光阻是为了在Wafer表面得到厚度均匀的光阻薄膜.光阻通过喷嘴（Nozzle）被喷涂在高速旋转的Wafer表面,并在离心力的作用下被均匀的涂布在
Wafer的表面。

何谓Soft Bake？
答:上完光阻之后，要进行Soft Bake，其主要目的是通过Soft Bake将光阻中的溶剂蒸发，并控制光阻的敏感度和将来的线宽，同时也将光阻中的残余内应力释放.
何谓曝光？
答:曝光是将涂布在Wafer表面的光阻感光的过程，同时将光罩上的图形传递到Wafer上的过程.
何谓PEB(Post Exposure Bake）?
答:PEB是在曝光结束后对光阻进行控制精密的Bake的过程.其目的在于使被曝光的光阻进行充分的化学反应，以使被曝光的图形均匀化。

何谓显影?
答:显影类似于洗照片,是将曝光完成的Wafer进行成象的过程，通过这个过程,成象在光阻上的图形被显现出来。

何谓Hard Bake?
答：Hard Bake是通过烘烤使显影完成后残留在Wafer上的显影液蒸发，并且固化显影完成之后的光阻的图形的过程.
何为BARC？何为TARC?它们分别的作用是什幺？
答：BARC=Bottom Anti Reflective Coating, TARC=Top Anti Reflective Coating.
BARC是被涂布在光阻下面的一层减少光的反射的物质，TARC则是被涂布在光阻上表面的一层减少光的反射的物质。

他们的作用分别是减少曝光过程中光在光阻的上下表面的反射，以使曝光的大部分能量都被光阻吸收。

何谓I—line？
答：曝光过程中用到的光，由Mercury Lamp（汞灯)产生，其波长为365nm,其波长较长,因此曝光完成后图形的分辨率较差,可应用在次重要的层次.
何谓DUV？
答：曝光过程中用到的光,其波长为248nm，其波长较短，因此曝光完成后的图形分辨率较好,用于较为重要的制程中。

I-line与DUV主要不同处为何？
答：光源不同，波长不同，因此应用的场合也不同。

I—Line主要用在较落后的制程（0。

35微米以上）或者较先进制程（0.35微米以下）的Non—Critical layer。

DUV则用在先进制程的Critical layer上。

何为Exposure Field?
答：曝光区域，一次曝光所能覆盖的区域
何谓Stepper？其功能为何?
答：一种曝光机，其曝光动作为Step by step形式,一次曝整个exposure field，一个一个曝过去
何谓Scanner？其功能为何？
答：一种曝光机，其曝光动作为Scanning and step形式, 在一个exposure field曝光时, 先Scan完整个field，Scan完后再移到下一个field。

何为象差?
答:代表透镜成象的能力，越小越好.
Scanner比Stepper优点为何？
答：Exposure Field大，象差较小
曝光最重要的两个参数是什幺？
答：Energy(曝光量）, Focus（焦距）。

如果能量和焦距调整的不好,就不能得到要求的分辨率和要求大小的图形，主要表现在图形的CD值超出要求的范围.因此要求在生产时要时刻维持最佳的能量和焦距,这两个参数对于不同的产品会有不同.
何为Reticle？
答:Reticle也称为Mask，翻译做光掩模板或者光罩,曝光过程中的原始图形的载体，通过曝光过程，这些图形的信息将被传递到芯片上.
何为Pellicle？
答：Pellicle是Reticle上为了防止灰尘（dust）或者微尘粒子(Particle）落在光罩的图形面上的一层保护膜.
何为OPC光罩？
答：OPC （Optical Proximity Correction）为了增加曝光图案的真实性，做了一些修正的光罩，例如，0。

18微米以下的Poly，Metal layer就是OPC光罩。

何为PSM光罩？
答：PSM (Phase Shift Mask)不同于Cr mask，利用相位干涉原理成象，目前大都应用在contact layer以及较小CD的Critical layer（如AA,POLY，METAL1）以增加图形的分辨率。

何为CR Mask？
答：传统的铬膜光罩，只是利用光讯0与1干涉成像,主要应用在较不Critical 的layer
光罩编号各位代码都代表什幺?
答：例如003700-156AA-1DA, 0037代表产品号，00代表Special code,156代表layer，
A代表客户版本,后一个A代表SMIC版本,1代表FAB1,D代表DUV(如果是J，则代表I—line），
A代表ASML机台（如果是C,则代表Canon机台)
光罩室同时不能超过多少人在其中?
答:2人,为了避免产生更多的Particle和静电而损坏光罩.
存取光罩的基本原则是什幺？
答:
（1) 光罩盒打开的情况下，不准进出Mask Room,最多只准保持2个人
（2) 戴上手套
（3) 轻拿轻放
如何避免静电破坏Mask？
答：光罩夹子上连一导线到金属桌面，可以将产生的静电导出。

光罩POD和FOUP能放在一起吗？它们之间至少应该保持多远距离?
答：不能放在一起,之间至少要有30公分的距离，防止搬动FOUP时碰撞光罩Pod而损坏
光罩。

何谓Track?
答：Photo制程中一系列步骤的组合,其包括:Wafer的前、后处理，Coating （上光阻)，和Develop（显影）等过程。

In-line Track机台有几个Coater槽，几个Developer槽?
答：均为4个
机台上亮红灯的处理流程？
答：机台上红灯亮起的时候表明机台处于异常状态，此时已经不能RUN货，因此应该及时Call E.E进行处理。

若EE现在无法立即解决,则将机台挂DOWN。

何谓WEE? 其功能为何？
答：Wafer Edge Exposure.由于Wafer边缘的光阻通常会涂布的不均匀,因此一般不能得到较好的图形，而且有时还会因此造成光阻peeling而影响其它部分的图形,因此将Wafer Edge的光阻曝光,进而在显影的时候将其去除，这样便可以消除影响。

何为PEB?其功能为何?
答:Post Exposure Bake，其功能在于可以得到质量较好的图形。

(消除standing waves）
PHOTO POLYIMIDE所用的光阻是正光阻还是负光阻
答:目前正负光阻都有，SMIC FAB内用的为负光阻。

RUN货结束后如何判断是否有wafer被reject？
答：查看RUN之前lot里有多少Wafer,再看Run之后lot里的WAFER是否
有少掉，如果有少
,则进一步查看机台是否有Reject记录。

何谓Overlay？其功能为何?
答：迭对测量仪。

由于集成电路是由很多层电路重迭组成的，因此必须保证每一层与前面或者后面的层的对准精度，如果对准精度超出要求范围内，则可能造成整个电路不能完成设计的工作。

因此在每一层的制作的过程中，要对其与前层的对准精度进行测量,如果测量值超出要求,则必须采取相应措施调整process condition.
何谓ADI CD？
答:Critical Dimension，光罩图案中最小的线宽。

曝光过后，它的图形也被复制在Wafer上，通常如果这些最小的线宽能够成功的成象,同时曝光的其它的图形也能够成功的成象。

因此通常测量CD的值来确定process的条件是否合适。

何谓CD-SEM? 其功能为何?
答：扫描电子显微镜。

是一种测量用的仪器，通常可以用于测量CD以及观察图案。

PRS的制程目的为何？
答:PRS （Process Release Standard)通过选择不同的条件（能量和焦距）对Wafer曝光，以选择最佳的process condition.
何为ADI？ADI需检查的项目有哪些?
答：After Develop Inspection，曝光和显影完成之后，通过ADI机台对所产生的图形的定性检查，看其是否正常,其检查项目包括:Layer ID,Locking Corner,Vernier，Photo Macro Defect
何为OOC，OOS，OCAP？
答：OOC=out of control, OOS=Out of Spec, OCAP=out of control action plan
当需要追货的时候，是否需要将ETCH没有下机台的货追回来？
答:需要。

因为通常是process出现了异常，而且影响到了一些货，因此为了减少损失,必须把还没有ETCH的货追回来，否则ETCH之后就无法挽回损失。

PHOTO ADI检查的SITE是每片几个点？
答：5点，Wafer中间一点，周围四点。

PHOTO OVERLAY检查的SITE是每片几个点？
答：20
PHOTO ADI检查的片数一般是哪几片？
答：#1，#6，＃15,＃24；统计随机的考虑
何谓RTMS,其主要功能是什幺？
答：RTMS (Reticle Management System) 光罩管理系统用于trace光罩的History,Status，Location,and Information以便于光罩管理
PHOTO区的主机台进行PM的周期？
答：一周一次
PHOTO区的控片主要有几种类型
答：
（1) Particle ：作为Particle monitor用的芯片,使用前测前需小于10颗
（2) Chuck Particle ：作为Scanner测试Chuck平坦度的专用芯片,其平坦度要求非常高
（3）Focus ：作为Scanner Daily monitor best 的wafer
(4）CD :做为photo区daily monitor CD稳定度的wafer
（5）PR thickness ：做为光阻厚度测量的wafer
（6）PDM :做为photo defect monitor的wafer
当TRACK刚显示光阻用完时,其实机台中还有光阻吗？
答：有少量光阻
WAFER SORTER有读WAFER刻号的功能吗?
答：有
光刻部的主要机台是什幺? 它们的作用是什幺？
答：光刻部的主要机台是：TRACK（涂胶显影机), Sanner（扫描曝光机）
为什幺说光刻技术最象日常生活中的照相技术
答：Track 把光刻胶涂附到芯片上就等同于底片，而曝光机就是一台最高级的照相机.
光罩上的电路图形就是”人物". 通过对准,对焦,打开快门，让一定量的光照过光罩, 其图像呈现在芯片的光刻胶上, 曝光后的芯片被送回Track 的显影槽，被显影液浸泡, 曝光的光刻胶被洗掉, 图形就显现出来了
.
光刻技术的英文是什幺
答：Photo Lithography
常听说的。

18 或点13 技术是指什幺?
答:它是指某个产品，它的最小”CD” 的大小为0。

18um or 0。

13um. 越小集成度可以越高, 每个芯片上可做的芯片数量越多，难度也越大.它是代表工艺水平的重要参数。

从点18工艺到点13 工艺到点零9。

难度在哪里？
答:难度在光刻部，因为图形越来越小, 曝光机分辨率有限.
曝光机的NA 是什幺？
答:NA是曝光机的透镜的数值孔径;是光罩对透镜张开的角度的正玹值。

最大是1; 先进的曝光机的NA 在0.5 -——0.85之间.
曝光机分辨率是由哪些参数决定的?
答：分辨率=k1*Lamda/NA. Lamda是用于曝光的光波长;NA是曝光机的透镜的数值孔径;k1是标志工艺水准的参数，通常在0.4—-0。

7之间。

如何提高曝光机的分辨率呢?
答：减短曝光的光波长，选择新的光源; 把透镜做大，提高NA。

现在的生产线上, 曝光机的光源有几种, 波长多少?
答：有三种: 高压汞灯光谱中的365nm 谱线, 我们也称其为I—line；KrF 激光器，产生248 nm 的光; ArF 激光器, 产生193 nm 的光;
下一代曝光机光源是什幺?
答：F2 激光器. 波长157nm
我们可否一直把波长缩短，以提高分辨率？困难在哪里?
答：不可以。

困难在透镜材料。

能透过157nm 的材料是CaF2，其晶体很难生长. 还未发现能透过更短波长的材料。

为什幺光刻区采用黄光照明？
答：因为白光中包含365nm成份会使光阻曝光，所以采用黄光; 就象洗像的暗房采用暗红光照明.
什幺是SEM
答：扫描电子显微镜(Scan Electronic Microscope）光刻部常用的也称道CD SEM。

用它来测量CD
如何做Overlay 测量呢?
答：芯片（Wafer)被送进Overlay 机台中. 先确定Wafer的位置从而找到Overlay MARK。

这个MARK 是一个方块IN 方块的结构.大方块是前层，小方块是当层；通过小方块是否在大方块中心来确定Overlay的好坏.
生产线上最贵的机器是什幺
答：曝光机;5-15 百万美金/台
曝光机贵在哪里？
答：曝光机贵在它的光学成像系统（它的成像系统由15 到20 个直径在200 300MM 的透镜组成。

波面相位差只有最好象机的5%. 它有精密的定位系统(使用激光工作台)
激光工作台的定位精度有多高？
答：现用的曝光机的激光工作台定位的重复精度小于10nm
曝光机是如何保证Overlay<50nm
答：曝光机要保证每层的图形之间对准精度〈50nm. 它首先要有一个精准的激光工作台，它把wafer移动到准确的位置. 再就是成像系统,它带来的图像变形〈35nm。

在WAFER 上, 什幺叫一个Field？
答：光罩上图形成象在WAFER上, 最大只有26X33mm一块（这一块就叫一个Field),激光工作台把WAFER 移动一个Field的位置，再曝一次光，再移动再曝光。

直到覆盖整片WAFER。

所以，一片WAFER 上有约100左右Field。

什幺叫一个Die?
答：一个Die也叫一个Chip；它是一个功能完整的芯片。

一个Field可包含多个Die；
为什幺曝光机的绰号是“印钞机”
答:曝光机很贵；一天的折旧有3万-9万人民币之多；所以必须充份利用它的产能，它一天可产出1600片WAFER。

Track和Scanner内主要使用什幺手段传递Wafer：
答：机器人手臂（robot), Scanner 的ROBOT 有真空（VACCUM)来吸住WAFER. TRACK的ROBOT 设计独特, 用边缘HOLD WAFER。

可否用肉眼直接观察测量Scanner曝光光源输出的光
答：绝对禁止;强光对眼睛会有伤害
为什幺黄光区内只有Scanner应用Foundation(底座)
答：Scanner曝光对稳定性有极高要求（减震)
近代光刻技术分哪几个阶段？
答：从80’S 至今可分4阶段：它是由曝光光源波长划分的;高压水银灯的G—line（438n
m），I—line（365nm)；excimer laser KrF（248nm)，ArF laser(193nm）
I-line scanner 的工作范围是多少?
答：CD 〉0。

35um 以上的图层（LAYER）
KrF scanner 的工作范围是多少？
答：CD 〉0.13um 以上的图层（LAYER）
ArF scanner 的工作范围是多少？
答：CD 〉0。

08um 以上的图层（LAYER）
什幺是DUV SCANNER
答:DUV SCANNER是指所用光源为Ｄeep Ultra Voliet，超紫外线．即现用的248nm,193nm Scanner
Scanner在曝光中可以达到精确度宏观理解:
答:Scanner 是一个集机,光，电为一体的高精密机器；为控制iverlay〈40nm,在曝光过程中,光罩和Wafer的运动要保持很高的同步性．在250nm/秒的扫描曝光时，两者同步位置<10nm．相当于两架时速1000公里／小时的波音747飞机前后飞行，相距小于10微米
光罩的结构如何？
答：光罩是一块石英玻璃,它的一面镀有一层铬膜(不透光）．在制造光罩时，用电子束或激光在铬膜上写上电路图形（把部分铬膜刻掉，透光)．在距铬膜5mm 的地方覆盖一极薄的透明膜（叫pellicle），保护铬膜不受外界污染.
在超净室（cleanroom)为什幺不能携带普通纸
答:普通纸张是由大量短纤维压制而成,磨擦或撕割都会产生大量微小尘埃(particle）．进cleanroom 要带专用的Cleanroom Paper。

如何做CD 测量呢？
答：芯片(Wafer）被送进CD SEM 中。

电子束扫过光阻图形（Pattern）.有光阻的地方和无光阻的地方产生的二次电子数量不同；处理此信号可的图像。

对图像进行测量得CD。

什幺是DOF
答：DOF 也叫Depth Of Focus，与照相中所说的景深相似。

光罩上图形会在透镜的另一侧的某个平面成像, 我们称之为像平面（Image Plan)，只有将像平面与光阻平面重合(In Focus)才能印出清晰图形. 当离开一段距离后, 图像模糊. 这一可清晰成像的距离叫DOF
曝光显影后产生的光阻图形（Pattern）的作用是什幺？
答：曝光显影后产生的光阻图形有两个作用：一是作刻蚀的模板，未盖有光阻的地方与刻蚀气体反应，被吃掉．去除光阻后，就会有电路图形留在芯片上．另一作用是充当例子注入的模板．
光阻种类有多少?
答：光阻种类有很多．可根据它所适用的曝光波长分为I-line光阻，KrF光阻和ArF光阻
光阻层的厚度大约为多少？
答:光阻层的厚度与光阻种类有关．I—line光阻最厚，0.7um to 3um。

KrF 光阻0.4—0.9um. ArF光阻0.2-0。

5um。

哪些因素影响光阻厚度?
答：光阻厚度与芯片（ＷＡＦＥＲ）的旋转速度有关，越快越薄，与光阻粘稠度有关
．
哪些因素影响光阻厚度的均匀度？
答：光阻厚度均匀度与芯片(ＷＡＦＥＲ）的旋转加速度有关，越快越均匀，与旋转加减速的时间点有关．
当显影液或光阻不慎溅入眼睛中如何处理
答:大量清水冲洗眼睛,并查阅显影液的ＣＳＤＳ（Chemical Safety Data Sheet）,把它提供给医生，以协助治疗
随着科技的进步,微电子工业的制造技术一日千里,其中微影技术扮演着最重要的角色之一。

只要关于图形上的定义（patterning），皆需要使用微影技术，本文将对一般最常使用的光学微影技术（Optical Lithography)作一简单的介绍。

所谓的光微影术，简单的说就是希望将设计好的线路图形,完整且精确地复制到晶圆上。

如图一所示，半导体厂首先需将设计好的图形制作成光罩（photo mask）,应用光学成像的原理，将图形投影至晶圆上。

由光源发出的光，只有经过光罩透明区域的部分可以继续通过透镜,而呈像在晶圆表面.
晶圆表面事先需经清洁处理，再涂抹上类似底片功能的感光化学物质,称为光阻剂(photo resist）。

通过光罩及透镜的光线会与光阻剂产生反应, 通常我们称此步骤为曝光.
图一：为标准光微影制程，曝光源通过光罩、透镜，最后将光罩图形成像于晶圆上。

(取自Ref。

1)
曝光后的晶圆需再经显影( development ）步骤，以化学方式处理晶圆
上曝光与未曝光的光阻剂，即可将光罩上的图形完整地转移到芯片上,然后接续其它的制程。

因此在光微影技术中,光罩、光阻剂、光阻涂布显影设备、对准曝光系统等，皆是在不同的制程中,可以视需要选择使用不同的光阻剂,以移除或保留选定的图形，类似雕刻中的阴刻或阳刻技巧。

如图二所示，右边使用的是正光阻，经光罩阻挡而未曝光的部份可以保护底下的晶圆，曝光的部份最后则经蚀刻移除；图左使用的是负光阻，移除的是曝光的部份.
图二：选择使用不同的光阻剂的制程;右下图使用的是正光阻，左下图使用的是负光阻. (取自Ref. 2）
一般来说, IC的密
度越高,操作速度越快、平均成本也越低，因此半导体厂商无不绞尽脑汁要将半导体的线宽缩小,以便在晶圆上塞入更多晶体管。

然而,光微影术所能制作的最小线宽与光源的波长成正比(稍后解释），因此要得到更小的线宽,半导体制程不得不改采波长更短的光源。

如图三所示，随着光源波段的不同，制程技术已经由G—line （436nm）、I-line （365nm）的0。

35~0。

5微米,进展到目前的KrF (248nm）及ArF（193nm）的0。

25~0.1微米的制程技术，虽然原则上可以制造出更微小的电子组件，但伴随而来的是成本的增加及制程上的困难. 因此,随着组件尺寸持续缩小，光微影技术已成为半导体制程的最大瓶颈，若是无法加以突破，半导体工业的发展势将受到阻碍。

图三:不同波长的光源,适用于不同的线宽尺寸.光源的能量越高,波长越短，可制作的线宽越小。

(取自Ref. 3)
根据雷利准则（Rayleigh criterion），光学系统所能够分辨出的最小宽度（相当于分辨率 )，与光的波长(λ)成正比，而与数值孔径（NA）成反比，亦即
这就是所谓的「绕射极限」(diffraction limit）.根据这个关系式,若使用较短波长的曝光源，或是数值孔径（NA)较大的透镜,理论上可以提高解析能力,换言之可以获得较小的线宽。

然而，还有其它因素也必须纳入考虑。

根据雷利准则的另一关系式，
我们发现不论使用波长较短的光源，或数值孔径较大的透镜，都会使得聚焦深度（Depth of Focus，DOF)变小。

不幸的是，通常聚焦深度越大,越适合量产，所以如何妥善搭配光源与透镜, 既使线宽缩小，又能维持产量，向来是半导体业者最大的挑战。

一般来说，半导体业者会先尝试调整NA来改善解析度，待聚焦深度无法符合量产条件时，才会想要转换波长更短的光源.这是因为每换一种曝光源，相关的设备如曝光机台、光阻剂等皆需做相应的调整，会牵涉到大量的人力、物力及时间,困难度很高.有鉴于此，在进入更小线宽的微影技术领域前，如
何善用目前的微影技术(含设备及材料），又能进入奈米尺度，成为一个相当重要的议题。

此处我们简单介绍几种可以改善目前分辨率的方法,包括离轴照明(off—axis illumination ) 、相偏移光罩（phase shift mask ）以及邻近效应修正（optical proximity correction ）。

离轴照明（off—axis illumination):
经由光罩而散射出来的光束，绕射角度相当大，透镜的数值孔径必须够大，才能充分收集这些带有光罩图形数据的光束，然而根据(2）式,数值孔径增加会使聚焦深度减少，反而不利于量产。

如果我们能适当地安排使入射光与光罩平面夹一角度,第零阶绕射光不再成垂直入射，聚焦深度便可增加，相当于在相同的数值孔径下提高分辨率。

图四：左图为使用传统光罩的三光束成像系统;右图为利用环形光罩产生的离轴照
图五：(a）为单一光点的绕射图形，(b)为两光点彼此互相干射的结果,（c）当两光点的距离太小时，则无法分辨光点位置. （取自Ref. 5)
相偏移光罩（phase shift mask)：
此方法主要由IBM的M。

D。

Levenson等人在1982年提出，特色是只需稍微修改一般的光罩，就能使曝光图形的线宽缩小。

其概念很简单，就是在传统光罩的图形上，选择性地在透光区加上透明但能使光束相位反转180∘的反向层，用此光罩来进行微影制程，可使曝光系统之解析能力大增,原因如下：
根据绕射原理，行经不同相邻透光区之光线，其影像会因绕射效应而互相干涉，当两个影像重迭超过一定程度时，观察者就无法解析，如图五所示。

由于光是电磁波的一种，我们观察到的光强度变化，其实是电场的平方。

如图六左侧所示，当图形线宽过小时,若使用传统光罩，则强度变化将弱至无法解析.
若能利用某种透明且可使光的相位改变180度的特殊物质,将它选择性置于透光区中，则如图六右侧所示，迭加后的电场在正负号变化处为零,这些零电场点亦为零强度点,如此强度的相对变化加大，分辨率因而提高。

图六：左侧为使用传统光罩；当线宽太小时，电场强度将无法分辨。

右侧为使用相偏移光罩，电场强度变得清析可辨.(取自Ref. 6)。