第5章 光刻技术

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2.光刻胶的物理特性 光刻胶的物理特性 (1)分辨率,是指光刻胶可再现图形的最小尺寸; )分辨率,是指光刻胶可再现图形的最小尺寸; (2)对比度,是指光刻胶对光照区与非光照区间的过渡; )对比度,是指光刻胶对光照区与非光照区间的过渡; (3)灵敏度,是光刻胶要形成良好的图形所需入射光的最 )灵敏度, 低能量; 低能量; (4)粘滞性,与时间有关,光刻胶中的溶剂挥发会使粘滞 )粘滞性,与时间有关, 性增加; 性增加; (5)粘附性,粘附性是指光刻胶与基片之间的粘着强度; )粘附性,粘附性是指光刻胶与基片之间的粘着强度; (6)抗蚀性,化学稳定性一定要很高,能抵抗各种腐蚀. )抗蚀性,化学稳定性一定要很高,能抵抗各种腐蚀.
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光刻掩膜版
掩膜版质量的优劣直接影响光刻图形的质量. 掩膜版质量的优劣直接影响光刻图形的质量.在IC制造 制造 中需要经过多次光刻,每次光刻都需要一块掩膜版,每块掩 中需要经过多次光刻,每次光刻都需要一块掩膜版, 膜版都会影响光刻质量,光刻次数越多,成品率就越低. 膜版都会影响光刻质量,光刻次数越多,成品率就越低.所 以,要有高的成品率,就必须制作出品质优良的掩膜版,而 要有高的成品率,就必须制作出品质优良的掩膜版, 且一套掩膜版中的各快掩膜版之间要能够相互精确的套准. 且一套掩膜版中的各快掩膜版之间要能够相互精确的套准.
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ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
3.几种掩膜版 几种掩膜版 常见的传统掩膜版有乳胶掩膜版, 常见的传统掩膜版有乳胶掩膜版,硬面铬膜掩膜版以及 抗反射铬膜掩膜版三种. 抗反射铬膜掩膜版三种. 乳胶掩膜版是在玻璃衬底上涂覆一层光 敏乳胶,再经过图形转移而成; 敏乳胶,再经过图形转移而成; 硬面铬膜掩膜版是在石英玻璃上溅射 一层厚约60nm左右的铬膜,再经过图形 左右的铬膜, 一层厚约 左右的铬膜 转移而成; 转移而成;
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2.掩膜版的质量要求 掩膜版的质量要求 (1)图形尺寸要精确,间距符合要求,而且不能发生畸变; )图形尺寸要精确,间距符合要求,而且不能发生畸变; (2)各块掩膜版间要能够精确地套准,对准误差尽可能小; )各块掩膜版间要能够精确地套准,对准误差尽可能小; (3)图形边缘清晰,过渡小,无毛刺,透光区与遮光区的 )图形边缘清晰,过渡小,无毛刺, 反差要大; 反差要大; (4)掩膜版的表面光洁度要达到一定的要求,无划痕,针 )掩膜版的表面光洁度要达到一定的要求,无划痕, 孔,小岛等缺陷,掩膜版还要坚固耐磨,不易变形. 小岛等缺陷,掩膜版还要坚固耐磨,不易变形.
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底膜处理包括以下步骤: 底膜处理包括以下步骤: (1)清洗 ) 洁净,干燥的表面才能与光刻胶良好接触.wafer表面 洁净,干燥的表面才能与光刻胶良好接触. 表面 的杂质会影响光刻胶的粘附,进入曝光区之前, 的杂质会影响光刻胶的粘附,进入曝光区之前,要清洗掉表 面的杂质颗粒,表面沾污以及自然氧化层等. 面的杂质颗粒,表面沾污以及自然氧化层等. (2)烘干 ) Wafer表面的水汽会影响光刻胶的粘附性,所以需将 表面的水汽会影响光刻胶的粘附性, 表面的水汽会影响光刻胶的粘附性 其表面烘烤干燥. 其表面烘烤干燥.通常是在真空或充满氮气温度高达 200℃ ℃ 的烘箱内干燥以除掉水汽. 的烘箱内干燥以除掉水汽.
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光刻对准曝光方式
光刻对准曝光的发展经历了五个阶段,接触式曝光, 光刻对准曝光的发展经历了五个阶段,接触式曝光,接 近式曝光,投影式曝光, 近式曝光,投影式曝光,扫描投影式曝光以及步进扫描投影 曝光. 曝光. 接触式曝光是最早期的光刻机,结构简单, 接触式曝光是最早期的光刻机,结构简单,生产效率 上的光刻胶直接接触. 高,曝光时掩膜版和wafer上的光刻胶直接接触.接近式曝 曝光时掩膜版和 上的光刻胶直接接触 之间约有2.5 ~25m 的距离.投影 的距离. 光,掩膜版与wafer之间约有 掩膜版与 之间约有 式曝光,接触式和接近式曝光由于污染,衍射, 式曝光,接触式和接近式曝光由于污染,衍射,分辨率等问 题都已不再使用,投影式曝光仍然广泛使用. 题都已不再使用,投影式曝光仍然广泛使用.投影式曝光又 分为扫描投影曝光和步进扫描曝光. 分为扫描投影曝光和步进扫描曝光.
第5章 光刻技术 章
一,光刻材料及设备 二,光刻工艺 三,刻蚀工艺 四,光刻质量检测
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光刻是一种将图像复印同刻蚀相结合的综合性技术. 光刻是一种将图像复印同刻蚀相结合的综合性技术.先 用照像复印的方法, 用照像复印的方法,将光刻掩膜的图形精确的复印到涂覆在 介质(多晶硅,氮化硅,二氧化硅,铝等介质薄层) 介质(多晶硅,氮化硅,二氧化硅,铝等介质薄层)表面上 的光致抗蚀剂(光刻胶)上面.然后,在光致抗蚀剂的保护 的光致抗蚀剂(光刻胶)上面.然后, 下对待刻材料进行选择性刻蚀, 下对待刻材料进行选择性刻蚀,从而在待刻蚀材料上得到所 需的图形.集成电路的制造过程中需要经过许多次的光刻, 需的图形.集成电路的制造过程中需要经过许多次的光刻, 所以,光刻环节的质量是影响集成电路性能, 所以,光刻环节的质量是影响集成电路性能,成品率以及可 靠性的关键因素之一. 靠性的关键因素之一.
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光刻胶
光刻胶( 光刻胶(PR)也叫光致抗蚀剂,受到光照后其特性会 )也叫光致抗蚀剂, 发生改变.可用来将掩膜版上的图形转移到基片上, 发生改变.可用来将掩膜版上的图形转移到基片上,也可作 为后序工艺时的保护膜.光刻胶有正胶和负胶之分, 为后序工艺时的保护膜.光刻胶有正胶和负胶之分,正胶经 过曝光后,受到光照的部分会变得容易溶解, 过曝光后,受到光照的部分会变得容易溶解,经过显影处理 之后被溶解,只留下光未照射的部分形成图形; 之后被溶解,只留下光未照射的部分形成图形;而负胶和正 胶恰恰相反. 胶恰恰相反.
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2.X射线曝光 射线曝光 X射线曝光选用的是特殊材质的 射线掩膜版.X射线 射线曝光选用的是特殊材质的X射线掩膜版 射线曝光选用的是特殊材质的 射线掩膜版. 射线 经过专用掩膜版投射到wafer上,与光刻胶作用达到曝光的 上 经过专用掩膜版投射到 效果. 射线的衍射 反射,折射以及散射都很小, 射线的衍射, 效果.X射线的衍射,反射,折射以及散射都很小,很适合 亚微米尺寸的曝光.其优点有:分辨率高, 亚微米尺寸的曝光.其优点有:分辨率高,可实现纳米工 艺;对于小尺寸工艺,其衍射现象可以忽略;穿透力强,不 对于小尺寸工艺,其衍射现象可以忽略;穿透力强, 会污染wafer等.缺点是光刻机以及掩膜版制作麻烦; 等 缺点是光刻机以及掩膜版制作麻烦; 会污染 wafer对准比较困难;X射线能量太高,会使掩膜版热膨胀 对准比较困难; 射线能量太高 射线能量太高, 对准比较困难 变形等. 射线曝光的发展空间也很大 射线曝光的发展空间也很大. 变形等.X射线曝光的发展空间也很大.
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(4)形成图形,对铬膜,氧化铁膜或明胶等进行刻蚀,形 )形成图形,对铬膜,氧化铁膜或明胶等进行刻蚀, 成图形,最后除去残胶; 成图形,最后除去残胶; (5)检测与修补,测量关键尺寸,检测针孔或残余遮光膜 )检测与修补,测量关键尺寸, 等缺陷并对其进行修补; 等缺陷并对其进行修补; (6)老化与终检,在200～300℃的温度下烘烤几个小 )老化与终检, ～ ℃ 时,对其进行老化. 对其进行老化.
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1.掩膜版的制备流程 掩膜版的制备流程 掩膜版有铬版(chrome),超微粒干版,氧化铁版等, ,超微粒干版,氧化铁版等, 掩膜版有铬版 主要为基板和不透光材料.以下是基本的制造流程: 主要为基板和不透光材料.以下是基本的制造流程: (1)制备空白版,常见的空白版有铬版,氧化铁版,超微 )制备空白版,常见的空白版有铬版,氧化铁版, 粒干版三种; 粒干版三种; 版图经过分层, (2)数据转换,将IC版图经过分层,运算,格式等步骤转 )数据转换, 版图经过分层 运算, 换为制版设备所知的数据形式; 换为制版设备所知的数据形式; (3)刻画,利用电子束或激光等通过原版对空白版进行曝 )刻画, 光,将图形转移到光刻胶上,即刻画; 将图形转移到光刻胶上,即刻画;
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非光学曝光
1.电子束曝光 电子束曝光 由于电子束在电磁场的作用 下可以聚焦,偏转一定的角度, 下可以聚焦,偏转一定的角度, 所以, 所以,电子束曝光是很重要的曝 光方法.目前, 光方法.目前,最有应用前途的 是限角度投影式电子束光刻. 是限角度投影式电子束光刻.限 角度投影式电子束光刻利用散射 式掩膜版通过步进扫描光刻机进 行缩小投影式曝光. 行缩小投影式曝光.
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光刻工艺
光刻工艺的过程非常复杂,整个过程包括底膜处理, 光刻工艺的过程非常复杂,整个过程包括底膜处理,涂 胶,前烘,曝光,显影,坚膜,刻蚀以及去胶七个步骤. 前烘,曝光,显影,坚膜,刻蚀以及去胶七个步骤. 1.底膜处理 底膜处理 底膜处理是光刻工艺的第一步,主要目的处理 底膜处理是光刻工艺的第一步,主要目的处理wafer表 表 与光刻胶之间的粘附性. 面,以增强wafer与光刻胶之间的粘附性.Wafer制造过 以增强 与光刻胶之间的粘附性 制造过 程中许多问题都是由于表面污染和缺陷造成的, 程中许多问题都是由于表面污染和缺陷造成的,wafer表面 表面 的处理对于成品率是相对重要的. 的处理对于成品率是相对重要的.
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为了提高掩膜版的分辨率, 为了提高掩膜版的分辨率,降低掩膜 版对光的反射, 版对光的反射,在硬面铬膜掩膜版的铬膜 上增加了一层厚约20nm的氧化铬膜,这 的氧化铬膜, 上增加了一层厚约 的氧化铬膜 种就是抗反射铬膜掩膜版. 种就是抗反射铬膜掩膜版. 此外,还有将掩膜版与 合二为一的复合掩膜版, 此外,还有将掩膜版与wafer合二为一的复合掩膜版, 合二为一的复合掩膜版 也叫原位掩膜版; 也叫原位掩膜版;在传统掩膜版的基础上增加了相移层的相 移掩膜版; 射线掩膜版等不同类型的掩膜版 移掩膜版;X射线掩膜版等不同类型的掩膜版 .
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3.离子束曝光 离子束曝光 离子束曝光是将聚焦后的离子束投影到光刻胶上达到曝 光的目的.离子束和电子束同样具有很高的分辨率,而且因 光的目的.离子束和电子束同样具有很高的分辨率, 为离子的质量比电子大, 为离子的质量比电子大,所以在光刻胶中的散射要比电子束 弱的多,可达到 的高分辨率. 弱的多,可达到50nm的高分辨率. 的高分辨率
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1.光刻胶组成 光刻胶组成 (1)感光剂,感光剂是光刻胶的核心部分,曝光时间,光 )感光剂,感光剂是光刻胶的核心部分,曝光时间, 源所发射光线的强度都根据感光剂的特性选择决定的; 源所发射光线的强度都根据感光剂的特性选择决定的; (2)增感剂,感光剂的感光速度都较慢,生产上效率太 )增感剂,感光剂的感光速度都较慢, 低,因此向光刻胶中添加了提高感光速度的增感剂; 因此向光刻胶中添加了提高感光速度的增感剂; (3)聚合树脂,聚合树脂用来将其它材料聚合在一起的粘 )聚合树脂, 合剂,光刻胶的粘附性,胶膜厚度等都是树脂给的; 合剂,光刻胶的粘附性,胶膜厚度等都是树脂给的; (4)溶剂,感光剂和增感剂都是固态物质,为了方便均匀 )溶剂,感光剂和增感剂都是固态物质, 的涂覆,要将它们加入溶剂进行溶解,形成液态物质. 的涂覆,要将它们加入溶剂进行溶解,形成液态物质.
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步进投影曝光方式有很多优点,掩模版寿命加长, 步进投影曝光方式有很多优点,掩模版寿命加长,掩 模制造简单,分辨率高,但对环境的要求非常高,微小的 模制造简单,分辨率高,但对环境的要求非常高, 振动都会影响曝光精度;而且光路复杂,设备昂贵. 振动都会影响曝光精度;而且光路复杂,设备昂贵.
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这种曝光方式分辨率高,掩膜版制作容易, 这种曝光方式分辨率高,掩膜版制作容易,工艺容限 大,而且生产效率高,但由于电子束在光刻胶膜内的散射, 而且生产效率高,但由于电子束在光刻胶膜内的散射, 使得图案的曝光剂量会受到临近图案曝光剂量的影响(即临 使得图案的曝光剂量会受到临近图案曝光剂量的影响( 近效应),造成的结果是,显影后, 近效应),造成的结果是,显影后,线宽有所变化或图形畸 ),造成的结果是 变.虽然如此,限角度投影式电子束光刻仍是目前最具前景 虽然如此, 的非光学光刻 .