第08章 光刻

通常我们所说的0.13µm，0.09µm工艺指的是光刻技术所能达到最小 µ ， 工艺指的是光刻技术所能达到最小 通常我们所说的 µ 工艺 线条的工艺。 线条的工艺。
引言
光刻的定义： 光刻的定义 ： 光刻是一种图形 复印和化学腐蚀相结合的精密
高分辨率
对光刻的基本要求： 对光刻的基本要求：
表面加工技术。 表面加工技术。
一个是要把图形在晶圆表面上准确定位的对准系统（ 一个是要把图形在晶圆表面上准确定位的对准系统（ 不同的对准机类型 的对准系统各不相同） 的对准系统各不相同）；
对准机的性能指标包括
分辨率：机器产生特定尺寸的能力， 分辨率越高，机器的性能越好。 分辨率：机器产生特定尺寸的能力， 分辨率越高，机器的性能越好。 套准能力： 套准能力：图形准确定位的能力
高灵敏度
光刻的目的： 光刻的目的 ： 光刻的目的就是
精密的套刻对准
在二氧化硅或金属薄膜上面刻
大尺寸硅片上的加工
蚀出与掩膜版完全对应的几何
低缺陷
图形， 把掩模版上的图形转换 图形 ， 成晶圆上的器件结构， 成晶圆上的器件结构 ， 从而实 选择性扩散和 现 选择性扩散 和 金属薄膜布线 的目的。 的目的。
§8.1 光刻工艺流程
3.
特点
甩胶之后留在Si片上的不 甩胶之后留在 片上的不 到1%，其余都被甩掉。 ，其余都被甩掉。 膜厚与转速的平方根成反 比。 提升转速越快， 提升转速越快 ， 均匀性越 转速提升慢的话， 好 。 转速提升慢的话 ， 溶 剂挥发， 剂挥发 ， 胶变得粘稠不好 移动。 移动。 转速越快，均匀性越好。 转速越快，均匀性越好。
降低灰尘的沾污。 溶剂吸收光， 降低灰尘的沾污 。 溶剂吸收光 ，
2.
具体工艺 真空热平板烘烤。 真空热平板烘烤。烘烤时间和
干扰了曝光中聚合物的化学反
ห้องสมุดไป่ตู้
温度要精确控制。 温度要精确控制。
应 。 蒸发溶剂增强光刻胶和晶 圆的粘附力。 圆的粘附力。
②
温度在90 － 100℃ 温度在 90－ 100℃ ， 在热板上 90 加热30秒 然后在冷板上降温。 加热30秒，然后在冷板上降温。 30
经过清洁处理后的晶圆表面可能会含有一 定的水分（亲水性表面） 定的水分（亲水性表面），所以必须脱水 烘焙使其达到清洁干燥（憎水性表面） 烘焙使其达到清洁干燥（憎水性表面）， 以便增加光刻胶和晶园表面的黏附能力。 以便增加光刻胶和晶园表面的黏附能力。
涂底胶后，涂液相光刻胶。 涂底胶后，涂液相光刻胶。
§8.1 光刻工艺流程
§8.1 光刻工艺流程
三． 曝光 1.
目的： 对光刻胶进行曝光， 目的 ： 对光刻胶进行曝光 ， 使其某些区域被光 某些区域不被光照， 发生不同的化学反应， 照 ， 某些区域不被光照 ， 发生不同的化学反应 ， 在其中出现隐形的图形，为显影做准备。 在其中出现隐形的图形，为显影做准备。
对准：将掩膜版与涂了胶的硅片上的正确位置对准。 对准：将掩膜版与涂了胶的硅片上的正确位置对准。 曝光是对准以后，将掩膜版和硅片曝光，把掩膜版图 曝光是对准以后，将掩膜版和硅片曝光， 形转移到涂胶的硅片上。 形转移到涂胶的硅片上。
减轻高速旋转形成的薄膜应力， 减轻高速旋转形成的薄膜应力 ， 从而提高光刻胶的黏附性。 从而提高光刻胶的黏附性。
§8.1 光刻工艺流程
3.
注意事项
不完全的烘焙在曝光过程中造成图像形成不完整和在 刻蚀过程中造成多余的光刻胶漂移； 刻蚀过程中造成多余的光刻胶漂移； 过分烘焙会造成光刻胶中的聚合物产生聚合反应，并 过分烘焙会造成光刻胶中的聚合物产生聚合反应， 且不与曝光射线反应，影响曝光。 且不与曝光射线反应，影响曝光。
§8.1 光刻工艺流程
第三步： 第三步：晶片涂底胶 目的：增强光刻胶与晶圆之间的附着力。用六甲基乙硅氮烷（ 目的：增强光刻胶与晶圆之间的附着力。用六甲基乙硅氮烷（HMDS） ） 或三甲基甲硅烷基二乙胺（ 或三甲基甲硅烷基二乙胺（TMSDEA）进行成膜处理。 ）进行成膜处理。 第四步：正式涂胶（旋转涂胶法） 第四步：正式涂胶（旋转涂胶法） 静态涂胶工艺
第08章 光刻-lithography
引言
光刻是IC制造业中最为重要的一道工艺， 光刻是 制造业中最为重要的一道工艺，其构想来源于印刷技术中的 制造业中最为重要的一道工艺 照相制版技术。硅片制造工艺中，光刻占所有成本的35%。 照相制版技术。硅片制造工艺中，光刻占所有成本的 占所有成本的 。 通常可用光刻次数及所需掩模的个数来表示某生产工艺的难易程度， 通常可用光刻次数及所需掩模的个数来表示某生产工艺的难易程度， 用光刻次数及所需掩模的个数来表示某生产工艺的难易程度 一个典型的硅集成电路工艺包括15－ 块掩膜版 块掩膜版。 一个典型的硅集成电路工艺包括 －20块掩膜版。 发明至今的40多年里 的集成度不断提高， 自 1959年IC发明至今的 多年里 ， IC的集成度不断提高， 器件的特 年 发明至今的 多年里， 的集成度不断提高 征尺寸不断减小，这主要归功于光刻技术的进步。 征尺寸不断减小，这主要归功于光刻技术的进步。
脱水烘焙的三个温度范围： 脱水烘焙的三个温度范围：
后尽可能快的进行涂胶。 后尽可能快的进行涂胶。 150℃-200℃，低温蒸发水分； ℃ ℃ 低温蒸发水分； 另一种方法是把晶园存储在用 400℃，中温烘烤； ℃ 中温烘烤； 干燥并且干净的氮气净化过的 750℃，高温烘干。 ℃ 高温烘干。 干燥器中。 干燥器中。
另一个是曝光系统（ 另一个是曝光系统 （ 包括一个曝光光源和一个将辐射光线导向到晶圆表 面上的机械装置） 面上的机械装置）。
曝光后烘烤（ 曝光后烘烤（PEB，Post Exposure Baking，后烘） ， ，后烘）
目的：促进光刻胶的化学反应，提高光刻胶的粘附性并减少驻波。 目的：促进光刻胶的化学反应，提高光刻胶的粘附性并减少驻波。
首先把光刻胶通过管道堆积在晶片的中心堆积量由晶片大小和光刻胶的类型决定堆积量非常关键量少了会导致涂胶不均匀量大了会导致晶园边缘光刻胶的堆积甚至流到背面随着晶园直径越来越大静态涂胶已不能满足要求动态喷洒是晶片500rpm的速度低速旋转其目的是帮助光刻胶最初的扩散用这种方法可以用较少量的光刻胶而达到更均匀的光刻胶膜
高压氮气吹除
2.
①
具体工艺
为确保光刻胶能和晶圆表面很 好粘结， 必须进行表面处理 进行表面处理， 好粘结 ， 必须 进行表面处理 ， 包括三个阶段： 微粒清除、 包括三个阶段 ： 微粒清除 、 脱 水烘焙和涂底胶。 水烘焙和涂底胶。
②
化学湿法清洗：酸清洗和烘干。 化学湿法清洗：酸清洗和烘干。 旋转刷刷洗 高压水流喷洗
4.
注意事项
Si片越大 ， 转速应该越小 。 片越大 涂胶应该是在超净环境中 进行，避免黏附微粒。 进行，避免黏附微粒。 喷洒的光刻胶中不能含有 空气。 空气。
§8.1 光刻工艺流程
二． 前烘
1. ① ③
为显影做准备。 为显影做准备。若光刻胶未经 前烘， 前烘，那么曝光区和非曝光区
目的 在较高温度下进行烘焙， 在较高温度下进行烘焙 ， 可以 的光刻胶的溶剂含量都比较高， 的光刻胶的溶剂含量都比较高， 使溶剂从光刻胶中挥发出来 在显影液中都会溶解。 在显影液中都会溶解。 （ 前 烘 前 含 有 10-30% 的 溶 剂 ， 10-30% 前烘后则降至5 左右） 前烘后则降至5%左右）。
§8.1 光刻工艺流程
涂胶 铺展 旋转
静态涂胶工艺
高转 速
真空
动态涂胶工艺
低转 速 高转 速
真空
§8.1 光刻工艺流程
旋转涂胶的四个步骤
分滴：当硅片静止或者旋转的非常慢时，光刻胶被分滴在硅片上。 分滴： 当硅片静止或者旋转的非常慢时， 光刻胶被分滴在硅片上。 旋转铺开：快速加速硅片使光刻胶伸展到整个硅片表面。 旋转铺开：快速加速硅片使光刻胶伸展到整个硅片表面。 旋转甩掉：甩掉多于的光刻胶，在硅片上得到均匀的光刻胶胶膜 旋转甩掉：甩掉多于的光刻胶， 覆盖层。 覆盖层。 溶剂挥发：以固定转速继续旋转涂胶的硅片，直到溶剂挥发， 溶剂挥发：以固定转速继续旋转涂胶的硅片，直到溶剂挥发，光 刻胶胶膜几乎干燥。 刻胶胶膜几乎干燥。
1.
涂胶
目的：清除掉晶圆在存储、 目的：清除掉晶圆在存储、装载和卸载到 目的： 目的 ： 在 Si片表面形成厚度均 片表面形成厚度均 片匣过程中吸附到的一些颗粒状污染物。 片匣过程中吸附到的一些颗粒状污染物。 附着性强、 匀 、 附着性强 、 没有缺陷的光 清除方法： 清除方法： 刻胶薄膜。 刻胶薄膜。
§8.1 光刻工艺流程
§8.1 光刻工艺流程
§8.1 光刻工艺流程
正版：掩膜板的图形是由不透光区域组成的。 正版：掩膜板的图形是由不透光区域组成的。 负版：掩膜板的图形是由透光区域组成的。 负版：掩膜板的图形是由透光区域组成的。
§8.1 光刻工艺流程
对准和曝光包括两个系统： 对准和曝光包括两个系统：
引言
大尺寸硅片的加工
为了提高效益和Si片利用率，一般采用大尺寸Si片。 为了提高效益和 片利用率，一般采用大尺寸 片 片利用率 但是，随着晶圆尺寸增大，周围环境会引起晶圆片的膨胀和收缩。 但是，随着晶圆尺寸增大，周围环境会引起晶圆片的膨胀和收缩。 因此对周围环境的温度控制要求十分严格，否则会影响光刻质量。 因此对周围环境的温度控制要求十分严格，否则会影响光刻质量。
首先把光刻胶通过管道堆积在晶片的中心， 首先把光刻胶通过管道堆积在晶片的中心， 堆积量由晶片大小和光刻胶 的类型决定，堆积量非常关键，量少了会导致涂胶不均匀， 的类型决定，堆积量非常关键 ， 量少了会导致涂胶不均匀 ， 量大了会导 致晶园边缘光刻胶的堆积甚至流到背面
动态喷洒
随着晶园直径越来越大， 静态涂胶已不能满足要求， 随着晶园直径越来越大 ， 静态涂胶已不能满足要求 ， 动态喷洒是晶片 500rpm的速度低速旋转，其目的是帮助光刻胶最初的扩散，用这种方法 的速度低速旋转，其目的是帮助光刻胶最初的扩散， 的速度低速旋转 可以用较少量的光刻胶而达到更均匀的光刻胶膜。 可以用较少量的光刻胶而达到更均匀的光刻胶膜 。待扩散后旋转器加速 完成最终要求薄而均匀的光刻胶膜。 完成最终要求薄而均匀的光刻胶膜。
低缺陷
缺陷会使电路失效，因此应该尽量减少缺陷。 缺陷会使电路失效，因此应该尽量减少缺陷。
§8.1 光刻工艺流程
完整的工艺流程 涂胶→前烘 曝光 显影→坚膜 刻蚀→去胶 涂胶 前烘→曝光 显影 坚膜 刻蚀 去胶 前烘 曝光→显影 坚膜→刻蚀
§8.1 光刻工艺流程
第一步:微粒清除 第一步 微粒清除 一．
引言
高分辨率
分辨率是将硅片上两个邻近的 特征图形区分开来的能力， 特征图形区分开来的能力 ， 即 对光刻工艺中可以达到的最小 光刻图形尺寸的一种描述， 是 光刻图形尺寸的一种描述 ， 光刻精度和清晰度的标志之一。 光刻精度和清晰度的标志之一 。 随着集成电路的集成度提高， 随着集成电路的集成度提高 ， 加工的线条越来越细， 加工的线条越来越细 ， 对分辨 率的要求也越来越高。 率的要求也越来越高。 分辨率表示每mm内能够刻蚀 内能够刻蚀 分辨率表示每 出可分辨的最多线条数。 出可分辨的最多线条数。 R= 1/2L （L为线条宽度） 为线条宽度） 为线条宽度
通常人们用特征尺寸来评价一个集成电路生产线的技术水平 通常人们用特征尺寸来评价一个集成电路生产线的技术水平。 所谓特征 特征尺寸 来评价一个集成电路生产线的技术水平。 尺寸（ ： 尺寸 （ CD：characteristic dimension）是指设计的多晶硅栅长 ， 它标志 ） 是指设计的多晶硅栅长， 了器件工艺的总体水平，是设计规则的主要部分。 了器件工艺的总体水平，是设计规则的主要部分。
第二步:脱水烘焙 第二步 脱水烘焙 目的： 干燥晶圆表面， 目的 ： 干燥晶圆表面 ， 使基底 两种方法： 两种方法： 表面由亲水性变为憎水性， 表面由亲水性变为憎水性 ， 增
一是保持室内温度在50℃ 以下， 一是保持室内温度在 ℃ 以下 ，
保持憎水性表面通常通过下面
加表面粘附性。 加表面粘附性。
并且在晶园完成前一步工艺之
高灵敏度
灵敏度是指光刻胶感光的速度。 灵敏度是指光刻胶感光的速度 。 为了提高产量要求曝光时间越 短越好，也就要求高灵敏度。 短越好，也就要求高灵敏度。
精密的套刻对准
集成电路制作需要十多次甚至 几十次光刻， 每次光刻都要相 几十次光刻 ， 互套准。 互套准。 由于图形的特征尺寸在亚微米 数量级上， 因此， 数量级上 ， 因此 ， 对套刻要求 很高。 很高 。 要求套刻误差在特征尺 寸的± ％左右。 寸的±10％左右。