光刻

光刻的质量分析----小岛 光刻的质量分析 小岛
含义： 它是指残留在光刻窗口上细小的二氧化硅。这些小岛阻挡 了杂质的扩散，使得PN结不平坦，影响器件的性能。 原因 1）在光刻版上不透光区域中存在小孔或者透光点，因而在 硅片上会有小岛。 2）在光刻胶中有颗粒状不溶性物质残留在硅片的表面，使 得局部小区域的二氧化硅腐蚀不掉，形成小岛 3）曝光过度，使得局部区域显影不干净，残留在胶膜底部， 腐蚀以后形成小岛。 解决方法 掩模版的质量要好，涂胶要均匀，曝光要合适。
时间：时间越长，光刻膜与片基粘贴越好
时间过长：增感剂挥发过多，大大减少了光刻胶 的感光度 时间过短：光刻胶中的溶剂尚未充分挥发 ，降低 显影质量，引起图形变形
速度：对于较厚的胶膜，前烘的速度要慢
表面干燥的过快，内部溶剂来不及挥发，造成胶 膜发泡而产生针孔，导致产生浮胶。
对位曝光 目的：将硅片表面的图形与掩膜版的图形对 准，采用一定的光源激活光刻胶中的光敏成 分，实现图形的转移。 对位：曝光时各大掩膜版之间要严格套准
掩膜版 衬底材料为熔融石英 淀积在衬底材料上的一般为铬，通过溅射淀 积得到 另外也有氧化铁的掩膜版
光刻胶
光刻胶的作用：利用光敏特性，实现临时图 形的转移，并在后续工艺中，保护其下方材 料，具有抗蚀性 光刻胶的种类
正胶—曝光部分被溶解，非曝光部分保留 负胶—非曝光部分被溶解，曝光部分保留
光刻胶的配制
λ ~ 0.004 nm 已得到的最小几何尺寸: 0.014 µm 已得到的最小几何尺寸 可直接复制图形, œ需要掩膜 可直接复制图形 œ 需要掩膜 低产出
离子束（ 离子束（IBL）光刻 ）
λ小于 小于0.0001纳米 小于 纳米 能得到更高的分辨 能得到更
直接曝光（ 类似） 直接曝光（与EBL类似） 类似 直接离子注入和离子轰击刻蚀， 直接离子注入和离子轰击刻蚀，减少工艺步骤
光刻的基本参数
特征尺寸—一般指MOS管的最小栅长 分辨率—区分晶圆上两个邻近的图形的能力 套准精度—掩膜版上的图形要与晶圆上已经存在 的图形对准 工艺宽容度—光刻工艺不容易受设备，材料，操 作等的影响，生产符合要求的产品。
光刻的工艺要求
高图形分辨率：分辨率是光刻精度和清晰度的标 志之一，表示能够辨识硅片表面两相邻特征图形 的最小尺寸 高灵敏度：灵敏度又称感光度，指光刻胶感光的 速度。 精密的套刻对准：大的套刻容差会降低电路密度， 限制了器件的特征尺寸，从而降低IC的性能，一 般设为特征尺寸的10%左右 低缺陷：尽可能避免缺陷的产生 高工艺宽容度：高的工艺宽容度意味着，在生产 中，即使遭遇到所有的工艺发生变化，在规定的 范围内也能达到关键尺寸的要求。
扫描步进
特点： •集扫描，缩小步进 两者优点，对透镜 要求低，有更大的 曝光视场。 •分辨率0.25um或以 下。但曝光时间长。
深亚微米及纳米光刻技术
下一代曝光技术（NGL）
电子束曝光：λ< 0.004 纳米 离子束曝光：λ< 0.0001 纳米 极短紫外光图形曝光：λ=10~14 纳米 X射线曝光：λ< 4 纳米
三、准分子激光
概念：一般由惰性气体和卤素构成，如：氟化氩 （ArF），氟化氪（KrF）等，分子受激发而处于 高能状态，很不稳定易衰变，在恢复到稳定状态 过程中以光子的形式释放出多余的能量。 优点：可以产生248nm深紫外线以下的波长且具 有很强的光强。 其中，ArF——193nm，KrF——248mn
光 刻 的 基 本 流 程
硅片 表面处理
硅片 涂胶
硅片 软烘（前烘）
硅片 光
硅片
硅片 （ 烘）
硅片 刻
硅片 胶
表面处理
平面度：有平整的表面（硅上氧化层）
慢进慢出，严格控制光刻工艺中的环境温度
清洁度：有清洁、干燥的硅片表面
刷片，化学清洗
表面性质：提高表面与光刻胶的粘附性
高温烘焙，增粘处理
涂胶—要在硅片表面获得一定厚度、均匀、无 点缺陷、无杂质的光刻胶。 滴涂法（旋转涂胶法）
曝光光源
光源的能量要能使光刻胶感光反应发生变化 光源波长越短就越能实现小尺寸图形的制作 目前常用的光源是紫外光
目前常用的产生光源的设备是汞灯和准分子 激光
一 、电磁光谱
白光中含有紫外 光，光刻生产线 采用黄光
二、高压汞灯
不同峰值的光，对应不同的光刻胶 G——0.5um(500nm)，H——0.4um，I——0.35um， DUV（248）——0.25um
显影方法：多数采用喷射法，采用计算机控 制系统，可大规模进行生产，且具有良好的 均匀性、重复性。
操作过程为：喷淋——显影——甩干
显影时间不足：会在留有残胶，影响后续加 工，造成器件性能变坏； 若时间过长：会造成胶软化、膨胀，使得显 影液从边缘溶蚀，边缘变差。
坚膜（后烘）--温度略高于前烘 目的：
EUV
λ = 10 -14 nm，更高的分辨 ， 材料的强烈吸收，其光学系统必须采用反射形式 材料的强烈吸收， 适用于22 适用于 nm 和以下工艺
X-ray 光刻
λ < 4 nm 近似于接近式光刻 很难发现纯的X-ray源 很难发现纯的 源 光掩模制造困难 太可能用于生产中
电子束光刻（ 电子束光刻（EBL） ）
滴胶——低速旋转——高速甩匀——溶剂挥发 喷涂法：硅片自动进入涂胶盘进行喷涂
膜厚是涂胶的一个重要参数
膜厚对分辨率的影响：胶层越厚，分辨率越低 膜厚对针孔密度的影响：胶层越薄，针孔密度越大 膜厚对光刻胶粘附性的影响
前烘：加热去除光刻胶中的溶剂，使其固化， 提高光刻胶与衬底的黏附能力以及胶膜的机 械擦伤能力 常用方法：
正胶和负胶的比较
曝光后溶解性的变化 优缺点 正胶
不溶——可溶 分辨率高，对比度高，线条 边缘清晰，抗湿法腐蚀能力 差，成本高 和硅片有良好的粘附性和抗 蚀性，针孔少，感光度高， 成本低，但显影后会变形和 膨胀，分辨率较低
图形与掩模版相同 负胶
可溶——不溶 图形与掩模版相反
光刻的工艺流程
光刻胶 SiO2
效 低,几乎 可能用于大生产 几乎 可用于掩膜的修复, 可用于掩膜的修复 IC 器件缺陷的检查和修复
显影 目的：对曝光后的晶圆进行处理，即用显影 剂把光刻胶上不需要的地方溶解掉，从而获 得光刻胶上所需要的图形。 显影剂：
正胶：（碱性溶液）甲基异丁基酮和异丙醇IPA 的混合液，混合比例为1 : 1 负胶：丁酮 丁酮、甲苯、丙酮、三氯乙烯。 丁酮
掩模版—光刻胶 掩模版 光刻胶— 光刻胶 硅圆片
光刻的目的 实现图形的转移，在硅片表面建立尽可能接 近设计规则所要求的尺寸图形。 光刻三要素
① 掩模版：主体为石英玻璃，透光性高，热膨胀
系数小 ② 光刻胶：又称光致抗蚀剂，采用适当的有选择 性的光刻胶，使表面上得到所需的图像。 ③ 曝光机：用于曝光显影的仪器，利用光源的波 长对于光刻胶的感光度不同，对光刻的图形进 行曝光。
① 蒸发光刻胶中的溶液，固化和稳定光刻胶性质； ② 提高光刻胶的抗蚀能力和抗注入能力； ③ 提高光刻胶与硅片表面的粘附性；
方法：同前烘 刻蚀—实现图形从光刻胶向硅片的转移
去胶 常用的去胶方法有：溶剂去胶、氧化去胶、 等离子体去胶等。 溶剂去胶 ：把带有光刻胶的硅片浸在适当的 溶剂中，使聚合物膨胀，然后把胶擦去
套刻精度：
① 光刻机自身的设计精度等 ② 硅片的加工精度及在加工过程中的形变 ③ 设备和周围环境的振动 ④ 环境温度波动 ⑤ 版与版间的套准精度 ⑥ 操作水平
曝光方式: 一、接触式
70年代中前期，设备简 单 掩膜版和硅片直接接触， 图形失真小，但人为操 作，套刻精度差，掩膜 版寿命短，图形缺陷多， 颗粒沾污大。 分辨率：>5um，一般 应用于分立器件，SSI。
常用试剂：氯的烃化物，如三氯乙烯 优点：该法是在常温下进行，不会使铝层发生变 化。 缺点：化合物中含有的杂质会留在衬底表面上； 洗涤周期长，操作比较麻烦。很少使用。
氧化（湿法）去胶：利用氧化剂去除光刻胶
常用的氧化剂：H2SO4 : H2O2 = 3 : 1 优点：洗涤过程简单。 缺点：氧化剂对衬底表面有腐蚀作用。
三、投影式 1:1扫描投影式
特点： • 类似于投影仪，掩膜版和硅片之间加一透镜，可以聚集 一定量的衍射光，提高光刻质量。 • 扫描曝光：紫外光通过一狭缝照射与硅片，可获得均匀 的光源。 • 分辨率1um
缩小步进
特点： • 将掩膜版上的图形缩小 4X,5X,10X倍后投影到硅 片表面的光刻胶上。掩膜 图形更精确和更易制作， 实现更小图形 •采用投影式掩膜版（1或 几个芯片图形）以步进方 式多次重复曝光 •分辨率：0.35um或以下， 目前亚微米以下最主要的 曝光方式。
二、接近式
•
掩膜版距硅片表面 2~20um，无直接接触， 损伤小，沾污少，更 长的掩膜寿命，但间 隙的存在会使光穿越 掩膜版图形后发生衍 射，降低了分辨率。 分辨率2~5um，主 要应用：分立器件， SSI,MSI
•
存在的问题 1。芯片关键线宽尺寸缩小——衍射问题？ ——使用更短的紫外光 2。硅片尺寸越来越大，芯片数目越来越多，尺寸 越来越小，1：1掩膜版制作困难？ ——投影式掩膜版 3。掩膜版尺寸的增大，曝光视野的光源的均匀性？ ——扫描 4。套刻精度 ——机械自动化
烘箱法：生产效率高；成本低；烘箱内温度变化 大且不均匀 热板法：溶剂由内向外蒸发，残留少 ；传热快； 温度均匀 红外线加热：溶剂由内向外蒸发，残留少 ；时间 短；温度均匀；
（a）烘箱对流加热 （b）红外线辐射加热 （c）热板传导加热
基本参数：
温度：温度越高，光刻膜与片基粘贴越好。
温度过高：光刻胶翅曲硬化，造成显影不干净， 分辨率下降 ，图形破坏 温度过低：光刻胶中的溶剂无法充分挥发 ，降低 显影质量，引起图形变形
正胶：重氮萘醌磺酸脂 负胶：聚乙烯醇肉桂酸脂，聚烃类双叠氮系列