第3章_5_光刻

按光源分：
光学曝光、软X射线曝光、电子束曝光和离子束曝 光。
按掩摸的位置分：
接触式曝光、接近式曝光和投影式曝光
按曝光方式分：
投影式，扫描式
（1）接触式曝光
投影式曝光
（2）投影式曝光
Optical Stepper步进式光刻机
Wafer Stepper
相移掩模(phase 相移掩模(phase shift mask)
3、前烘（软烤）
曝光前将涂好胶的硅片放置于70℃左右，烘烤 （或称软烤）10分钟，使光刻胶中的溶剂充分挥发， 保持光刻胶干燥，从而使胶膜成固态的薄膜。 方法：
–（1）利用空气对流 –（2）利用红外线辐射 –（3）利用热垫板传导
4、曝光
将光刻版（掩膜版）放在光刻层上，然后用一 定波 长的紫外线照射，使光刻胶发生化学反应。 光刻版是一种采用玻璃制作的照相底版，光刻版上 的图形就是集成电路的版图图形。（版图图形） 确定了图案的精确形状和尺寸，而且要完成顺序两 次光刻图案的正确套制。
如2001年Intel公司的PentiumⅢ微处理器(CPU)的特 征尺寸是 0.13 µ m，也就是最细线条是0.13 µ m。 在设计集成电路板图时，必须要考虑光刻工艺能够刻 蚀出的最细线条尺寸以及不同层次图形之间的套刻精 度。
3.5.2 光刻工艺流程
光刻工艺的基本原理是利用光敏的抗蚀涂层发生光 化学反应，结合刻蚀方法在各种薄膜上生成合乎要 求的图形，以实现选择掺杂、形成金属电极和布线 或表面钝化的目的。 光刻重要由涂胶，曝光，显影等步骤组成。
(3)、金属衬底的湿法去胶
硫酸去胶对铝，铬等金属有较强的腐蚀作用， 因此要用专门的有机类去胶剂，如J-100等，这 类去胶剂有润湿、渗透、胀泡等作用，在 120°左右有很强的剥离能力，且对铝等金属 无腐蚀作用。 此外，还有等离子去胶和紫外线去胶法。
曝光系统
集成电路的集成度主要由光刻工艺到底能形成多 么精细的图形(分辨率，清晰度)，以及与其它层 的图形有多高的位置吻合精度(套刻精度)来决定 的。因此，为提高光刻工艺的精度，除利用性能 优良的光刻胶外，还需要有性能良好的曝光系统。
ASML选择Cymer公司EUV光源 伴随着大量的新闻发布，Cymer公司在SEMICON West 2007期间宣布其在极紫外线（EUV）光刻 光源上的成功。
资料2 资料2
国内首台具有世界领先水平、拥有自主知识产权 的直写式光刻机即将于2007年12月底在合肥面世， 的直写式光刻机即将于2007年12月底在合肥面世， 标志着我国亚微米级光刻机完全依赖进口的局面 将被打破。 据悉，由芯硕半导体（合肥）有限公司生产的两 台直写式光刻机样机已进入最后的总装调试阶段， 其分辨率达到亚微米级，从两个主要的性能指标 分辨率和产能考虑，与目前在此领域先进的日本 和德国同类产品相比，芯硕的产品处于世界领先 水平。
1.22 ×10 −9 对电子： ∆L ≥ E 1/ 2 2.738 × 10−11 对离子： ∆L ≥ [ E ( M / M )]1 / 2 P
M是离子的质量，MP是质子的质量
3.5.3 紫外线曝光
通常使用汞弧光灯所产生的紫外光作为步进曝 光机的光源。考虑光刻胶及光学系统的影响： K1λ ∆L = NA K1是与光刻胶材料及工艺相关的常数，NA是曝 光机光学系统的光圈值。 聚焦深度： K 2λ DOF = NA K2是另一个与光刻胶有关的常数，要在硅晶片 上获得良好的图形，要有小的最小线宽，一定 的聚焦深度。两者要兼顾。
刻蚀工艺——干法刻蚀
干法刻蚀：主要指利用低压放电产生的等离子体 中的离子或游离基(处于激发态的分子、原子及各 种原子基团等)与材料发生化学反应或通过轰击等 物理作用而达到刻蚀的目的。 优点：各项异性好，可以高保真的转移光刻图 形； 主要有溅射与离子束铣蚀、等离子刻蚀、反应 离子刻蚀等。
–溅射与离子束铣蚀：通过高能惰性气体离子的物 理轰击作用刻蚀，各向异性性好，但选择性较差。 –等离子刻蚀(Plasma Etching)：利用放电产生的游 离基与材料发生化学反应，形成挥发物，实现刻 蚀。选择性好、对衬底损伤较小，但各向异性较 差。 –反应离子刻蚀(Reactive Ion Etching：简称为RIE)： 通过活性离子对衬底的物理轰击和化学反应双重 作用刻蚀。具有溅射刻蚀和等离子刻蚀两者的优 点，同时兼有各向异性和选择性好的优点。目前， RIE已成为VLSI工艺中应用最广泛的主流刻蚀技术。
资料
针对38nm存储器和32nm逻辑芯片产品的量产化 针对38nm存储器和32nm逻辑芯片产品的量产化 制造，荷兰光刻巨头ASML日前展示了其 制造，荷兰光刻巨头ASML日前展示了其 Twinscan XT:1950i光刻系统，采用1.35NA（数 XT:1950i光刻系统，采用1.35NA（数 值孔径）的镜头，通过提高套刻精度、分辨率和 值孔径）的镜头，通过提高套刻精度、分辨率和 生产能力，该浸没式光刻系统的整体性能提升了 生产能力，该浸没式光刻系统的整体性能提升了 25%。 25%。 采用特殊照明方式的高/超高数值孔径（NA）的 采用特殊照明方式的高/超高数值孔径（NA）的 193nm光刻机和相位移掩膜版（PSM），使得光 193nm光刻机和相位移掩膜版（PSM），使得光 刻分辨率的极限达到了32nm节点。 刻分辨率的极限达到了32nm节点。
常见的光刻曝光方法
接触式曝光： 分辨率<0.5um; 掩模版容易损坏；容易累积缺陷； 接近式曝光； 硅片和掩模版之间的间隙在10~25um； 对于可见光，分辨率约1um；对X-ray，分辨率可以 很高； 投影式曝光（目前最常用的）
6、坚膜
光刻在显影时被泡软，为了去除显影后胶残留的溶 剂使显影后胶膜进一步变硬，并使其与SiO2更好的 粘附，必须经再一次烘烤，150~200 ℃温度下烘 烤20~40分钟，也称硬烤。
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7 刻蚀
刻蚀的主要作用是把经曝光、显影后光刻胶微图形 中下层材料的裸露部分去掉。
8 去胶
当刻蚀后，起刻蚀屏蔽作用的光刻胶的使命已 完成，必须把光刻胶去除干净。 （1）去胶原则： A. 去胶后硅片表面无残胶、残迹。 B. 去胶工艺可靠，不伤及下层的衬底表面。 C. 操作安全、简便 D. 无公害及生产成本低。
3.5.4 X射线曝光与电子束曝光
1 X射线曝光 X射线的波长远比紫外光要短，因此在理论上 可以提供更好的最小线宽，但因X射线不易被 聚焦，投影式系统很难应用，X射线曝光的光 刻采用接近式。 点光源尺寸引起的半阴影，在光刻胶不同位置 引起的几何偏差
2 电子束曝光
电子束曝光是利用聚焦后的电子束在感光膜上正确 扫描出图案的方法。 优点： （1）电子束的波长很小，衍射现象可以忽略不计。 （2）能在计算机的控制下，不用掩摸在晶硅片上生 成亚微米级的图案。 （3）可用计算机进行不同图案套刻，精度很高。 缺点： 效率太低，同时电子在光刻胶中的散射也降低了分 辨率
光刻需要的掩模
版图 Layout 掩模 Mask
CMOS电路版图和断 面构造
CMOS工艺中使用的掩模 （与左图对应）
5 显影
把已曝光的硅晶片浸入显影液中，使胶膜中的潜 影显示出来。 经过曝光后的光刻胶中受到光照的部分因发生化 学反应，大大改变了这部分光刻胶在显影液中的 溶解度。 对于正胶来说，受到光照部分的光刻胶在显影液 中被溶解掉。 对于负胶来说，未受到光照部分的光刻胶在显影 液中被溶解掉。
3.5.1 光刻工艺的特征尺寸—工艺水平的标志
光刻是集成电路微图形结构的关键工艺技术。 光刻工艺能够刻出的最细线条称为特征尺寸。 集成电路的特征尺寸反映了光刻水平的高低，同时 也是集成电路生产线水平的重要标志。 通常直接用特征尺寸表示生产线的工艺水平。特征 尺寸能否进一步缩小，与光刻技术有重要关系。 超大规模集成电路对光刻的基本要求：
–1.高分辨率 –2.高灵敏度 –3.紧密的套刻技术 –4.大尺寸硅片上的加工 –5.低缺陷
光刻水平进展情况及对未来发展趋势的预测：
年份 1990 1995 2000 2001 2004 2007 2010 2016 特征 0.25 1µ m µm 尺寸
0.15 µm 0.13 µm 90nm 65nm 45nm 23nm
3.5 光刻工艺（Photolithography)
—将电路图形转移到晶片上
IC由不同层次的材料组成的。每一层上的图形 各不相同。在每一层上形成不同图形的过程叫 光刻。 版图由代表不同类型“层”的多边形组成。 在IC工艺中制作每一层时，都需要用掩模板来 确定在什么位置进行掺杂、腐蚀、氧化等。光 刻是定域半导体面积的一种手段。在此确定的 面积上，进行工艺加工。 光刻的目的就是在二氧化硅或金属薄膜上面刻 蚀出与Mask上完全对应的几何图形，从而实现 选择性掺杂、腐蚀、氧化等目的。 。
展望：
在亚0.1µm加工技术中，有两种光刻技术前景最 好，即：甚远紫外线（EUV）和电子束分步投影 光刻。除此之外，软X射线和离子束光刻技术也 是比较有发展前景的亚0.1µm的光刻技术。 甚远紫外线（EUV）光刻是距实用最近的一种深 亚微米光刻技术。它仍采用分步投影光刻系统。 目前已采用248nm,193nm的准分子激光光源， 13nm也在研究之中。
目前常用的光源波长为： 436nm（G线）和365nm（I线）。 当使用I线时，NA≈0.5,K1≈0.65, K2≈1.0。 曝光机能提供的最佳线宽为0.47µm，聚焦深 度为：1.46 µm 目前采用248nm、 193nm的准分子激光已刻出 65nm，45nm的线 EUV（甚远紫外线） 采用13nm的甚远紫外线将进入亚0.1um时代 EUV联盟
（2）非金属衬底的湿法去胶 SiO2、氮化硅、多晶硅等衬底一般用硫酸去胶， 由于用浓硫酸去胶时碳被还原析出，微小的碳 粒会污染衬底表面，因此，必须在硫酸中添加 过氧化氢等强氧化剂，使碳氧化成CO2逸出。 典型的去胶液是硫酸与过氧化氢的3：1混合液， 有如下优点： A 去胶效果好，可以反复使用 B 处理温度低 C 安全可靠，使用方便
提高光刻分辨率
3.5.2 分辨率
分辨率是对光刻工艺加工可以达到的最细线条 精度的一种描述方式。设光刻加工的线条宽度 为L，其分辨率为R，则有： ，其分辨率为R R=1/L(mm-1) R表示每毫米中线宽为L的线条数目。在分辨率 表示每毫米中线宽为L 的描述中常用线宽与线条间距相等的情况： R=1/（2L） R=1/（2L）(mm-1) 光刻的分辨率受到光源、光刻系统、光刻胶和 工艺等各方面的限制。 光刻的分辨率受受光源衍射的限制
3.5.5 刻蚀工艺（Etching) ——去除无保护层的表面材料的工艺
用光刻方法制成的微图形，只给出了电路的行貌，并 不是真正的器件结构。因此需将光刻胶上的微图形转 移到胶下面的各层材料上去，这个工艺叫做刻蚀。 下面的各层材料上去，这个工艺叫做刻蚀。通 常是用光刻工艺形成的光刻胶作掩模对下层材料进行 腐蚀，去掉不要的部分，保留需要的部分。 需要刻蚀的物质：SiO 需要刻蚀的物质：SiO2 、Si3N4、Polysilicon和铝合金 Polysilicon和铝合金 及Si 要求：图形的保真度高、选择比好、均匀性好、清洁。 刻蚀技术可分成两大类：
–温法腐蚀：进行腐蚀的化学物质是溶液； –干法腐蚀(一般称为刻蚀)：进行刻蚀的化学物质是气体。
刻蚀工艺——湿法刻蚀
湿法刻蚀：利用液态化学试剂或溶液通过 化学反应进行刻蚀的方法，用在线条较大 的IC(≥3mm)；
优点：选择性好；重复性好；生产效率高；设 备简单；成本低； 缺点：钻蚀严重；各向同性，对图形控制性差， 并且要使用大量有毒与腐蚀的化学药品。 广泛应用在半导体工艺中：磨片、抛光、清洗、 腐蚀；
由测不准原理可得： 误差为： △L≧λ/2 则最高分辨率： Rmax≦1/λ(mm-1) 对于其他粒子： 粒子动能： 1 E = mV 2 2 动量：p=mv 则： h = λ
2 mE
h 粒子的德波罗意波长： λ = 2mE
h ∆L = 最细线条： 2 2mE
对光子：
1.23 × 10−6 ∆L ≥ E
光刻系统示意图
Design
=>
Mask
=>
Wafer
光刻工序：光刻胶的涂覆→曝光→显影→刻蚀→去胶
光刻的基本要素是掩模板和光刻胶。
2、涂胶
将光刻胶滴在硅片上，然后使硅片高速旋转，在离 心力和胶表面张力的共同作用下，在表面形成一层 厚度一定而且均匀的胶层。
光刻胶
光刻胶主要由树脂、感光剂、溶剂等不同的材料混 合而成。分为正胶和负胶。 正胶是指 典型的正性光刻胶材料是邻位醌叠氮基化合物。 典型的负性光刻胶材料是聚乙烯醇肉桂酸脂。(图)