第八章光刻与刻蚀工艺

8.1 光刻工艺流程
2.涂胶Spin Coating ①对涂胶的要求：粘附良好，均匀，薄厚适当 胶膜太薄－针孔多，抗蚀性差； 胶膜太厚－分辨率低（分辨率是膜厚的5－8倍） ②涂胶方法：浸涂，喷涂，旋涂√
Photoresist Spin Coater
EBR: Edge bead removal边缘修复
8.6.6 投影式曝光

利用光学系统，将光刻版的图形投影在硅片上。
8.6.6 投影式曝光


优点：光刻版不受损伤， 对准精度高。 缺点：光学系统复杂， 对物镜成像要求高。 用于3μm以下光刻。
分步重复投影光刻机--Stepper
采用折射式光学系统和4X~5X的缩小透镜。 光刻版： 4X~5X； 曝光场：一次曝光只有硅片的一部分； 采用了分步对准聚焦技术。
h 2 2m E
a. E给定：m↑→ΔL↓→R↑，即R离子 > R电子 b. m给定：E↑→ΔL↓→R↑
8.3 光刻胶的 基本属性
1）光刻胶类型：正胶和负胶 ①正胶：显影时，感光部分 溶解，未感光部分不溶解； ②负胶：显影时，感光部分 不溶解，不感光部分溶解。
正胶（重氮萘醌）的光分解机理
负胶（聚乙烯醇肉桂酸脂）的光聚合机理
8.1 光刻工艺流程
③影响显影效果的主要因素： ⅰ）曝光时间； ⅱ）前烘的温度与时间； ⅲ）胶膜的厚度； ⅳ）显影液的浓度； ⅴ）显影液的温度； ④显影时间适当 t太短：可能留下光刻胶薄层→阻挡腐蚀SiO2(金属） →氧化层“小岛”。 t太长：光刻胶软化、膨胀、钻溶、浮胶 →图形边缘破坏。
第八章 光刻与刻蚀工艺
掩模版
掩膜版的质量要求 若每块掩膜版上图形成品率＝90％，则 6块光刻版，其管芯图形成品率＝（90％）6＝53％； 10块光刻版，其管芯图形成品率＝（90％）10＝35％； 15块光刻版，其管芯图形成品率＝（90％）15＝21％； 最后的管芯成品率当然比其图形成品率还要低。 掩膜版尺寸：①接触式和接近式曝光机：1∶1 ②分步重复投影光刻机（Stepper）： 4∶1；5∶1；10∶1
8.7 掩模版（光刻版）Mask
8.7.4 移相掩模（PSM）


PSM：Phase-Shift Mask 作用：消除干涉， 提高分辨率； 原理：在Mask的透明图 形上增加一个透明的介质 层-移相器，使光通过后 产生1800的相位差。
Etch 刻蚀
基本概念


刻蚀：从Si片表面去除不需要的材料，如Si、SiO2，金属、 光刻胶等 化学、物理过程或两者结合：湿法和干法 各向同性与各向异性：选择性或覆盖刻蚀 选择性刻蚀转移光刻胶上的IC设计图形到晶圆表面 其它应用: 制造掩膜, 印制电路板, 艺术品, 等等
10）图形检测 Pattern Inspection
8.2 分辨率

分辨率R－表征光刻精度
光刻时所能得到的光刻图形的最小尺寸。 表示方法：每mm最多可容纳的线条数。（或最细线条尺寸） 若可分辨的最小线宽为L（线条间隔也L），则 R＝1/(2L) (mm-1) 或 R=K1λ/NA（μm）---投影式曝光 K1-系统常数, λ-波长, NA-数值孔径（凸镜收集衍射光的能力） 1.影响R的主要因素： ①曝光系统（光刻机）：如X射线（电子束）的R高于紫外光。 ②光刻胶：正胶的R高于负胶； ③其他：掩模版、衬底、显影、工艺、操作者等。
8.1.4 显影Development ①作用：将未感光的负胶或感光的正胶溶解去除， 显现出所需的图形。 ②显影液：专用 正胶显影液：含水的碱性显影液，如KOH、 TMAH (四甲基氢氧化胺水溶液)，等。 负胶显影液：有机溶剂，如丙酮、甲苯等。 例，KPR（负胶）的显影液： 丁酮－最理想； 甲苯－图形清晰度稍差； 三氯乙烯－毒性大。
Stepper
8.7 掩模版（光刻版）Mask
8.7.1 基版材料：玻璃、石英。 要求：透光度高， 热膨胀系数与掩膜材料匹配。 8.7.2 掩膜材料： ①金属版（Cr版）： Cr2O3抗反射层/金属Cr / Cr2O3基层 特点：针孔少，强度高，分辨率高。 ②乳胶版－卤化银乳胶 特点：分辨率低（2-3 μm），易划伤。
正常坚膜 过坚膜
8.1 光刻工艺流程
8.1.6 刻蚀（腐蚀） ①对腐蚀液（气体）的要求： 既能腐蚀掉裸露的SiO2（金属），又不损伤光刻胶。 ②刻蚀腐蚀的方法 ⅰ）湿法腐蚀：腐蚀剂是化学溶液。 特点：各向同性腐蚀；分辨率低（粗线条）。 ⅱ)干法腐蚀：腐蚀剂是活性气体，如等离子体。 特点：各向异性强；分辨率高（细线条）。
L
① 对光子：p=h/λ，故 。 2 物理含义：光的衍射限制了线宽≥ λ/2。 1 Rmax (mm 1 ) 最高分辨率限制： ②对电子、离子：具有波粒二象性（德布罗意波），则 h h 1 2， p m V 2mE E mV
2最细线宽：
L

使光刻胶在涂到硅片表面之前保持液态 允许采用旋涂的方法获得薄层光刻胶薄膜
溶剂

添加剂

不同的添加剂获得不同的工艺结果 如：染料，降低反射; 增感剂，增大曝光范围。
8.3 光刻胶的基本属性
例如：聚乙烯醇肉桂酸脂系（负胶） ①基体、感光剂－ 聚乙烯醇肉桂酸脂 浓度：5-10% ②溶剂－环己酮 浓度：90－95％ ③增感剂－5-硝基苊 浓度：0.5-1%

Clean Room


洁净等级：尘埃数/m3； （尘埃尺寸为0.5μm） 10万级：≤350万，单晶制备； 1万级：≤35万，封装、测试； 1000级：≤35000，扩散、CVD； 100级：≤3500，光刻、制版； 深亚微米器件（尘埃尺寸为0.1μm） 10级：≤350，光刻、制版； 1级：≤ 35，光刻、制版；
表1 影响光刻工艺效果的一些参数
8.2 分辨率
2.衍射对R的限制 设一任意粒子（光子、电子），根据不确定关系，有 ΔLΔp≥h 粒子束动量的最大变化为Δp=2p，相应地
h L 2p

若ΔL为线宽，即为最细线宽，则 1 p 最高分辨率 R
max
2L
h
Rmax
1 p 2L h
F2 - λ= 157nm， for 100-70nm。
8.6.4 接近式曝光


硅片与光刻版保持5－ 50μm间距。 优点：光刻版寿命长。 缺点：光衍射效应严重— 分辨率低 （线宽>3μm）。
8.6.5 接触式曝光


硅片与光刻版紧密接触。 优点：光衍射效应小， 分辨率高。 缺点：对准困难， 掩膜图形易损伤， 成品率低。
8.3 光刻胶的基本属性
3）光刻胶光敏度S：完成所需图形的最小曝光量； 表征： S=n/E， E-曝光量（lx·s，勒克斯·秒）；n-比例系数； 光敏度S是光刻胶对光的敏感程度的表征； 正胶的S大于负胶
8.3 光刻胶的基本属性
4） 光刻胶抗蚀能力 表征光刻胶耐酸碱（或等离子体）腐蚀的程度。 对湿法腐蚀：抗蚀能力较强； 干法腐蚀：抗蚀能力较差。 负胶抗蚀能力大于正胶； 抗蚀性与分辨率的矛盾：分辨率越高，抗蚀性越差；
4）前烘 Soft Bake
光刻工艺 Photolithography Process
5）对准 Alignment
7）后烘 Post Exposure Bake
6）曝光Exposure
8）显影 Development
光刻工艺 Photolithography Process
9）坚膜 Hard Bake
8.3 光刻胶的基本属性
2）光刻胶的组分：基体（聚合物）材料、 感光材料、溶剂
聚合物材料

固体有机材料 光照下不发生化学反应 作用：保证光刻胶薄膜的附着性和抗腐蚀性
感光材料

当被曝光时发生光化学反应而改变溶解性 正性光刻胶：由不溶变为可溶 负性光刻胶：由可溶变为不溶
2）光刻胶的组分：基体（聚合物）材料、 感光材料、溶剂
8.1 光刻工艺流程
8.1.7 去胶 ①湿法去胶 无机溶液去胶：H2SO4（负胶）； 有机溶液去胶：丙酮（正胶）； ②干法去胶：O2等离子体；
光刻工艺 Photolithography Process
1)清洗硅片 Wafer Clean 3）涂胶 Photoresist Coating
2)预烘和打底胶 Pre-bake and Primer Vapor
集成电路制造技术
第八章 光刻与刻蚀工艺
西安电子科技大学
微电子学院
戴显英 20010年3月
第八章 光刻与刻蚀工艺


IC制造中最重要的工艺：①决定着芯片的最小特征尺寸 ②占芯片制造时间的40-50%③占制造成本的30% 光刻：通过光化学反应，将光刻版（mask）上的图形转 移到光刻胶上。 刻蚀：通过腐蚀，将光刻胶上图形完整地转移到Si片上 光刻三要素：①光刻机②光刻版（掩膜版）③光刻胶 ULSI对光刻的要求： 高分辨率；高灵敏的光刻胶； 低缺陷；精密的套刻对准；
涂胶→ 曝光→显影→刻蚀
显影后剖面
正常显影
不完全显影
欠显影
过显影
8.1 光刻工艺流程
8.1.5 坚膜Hard Bake ①作用：使软化、膨胀的胶膜与硅片粘附更牢； 增加胶膜的抗蚀能力。 ②方法 ⅰ）恒温烘箱：180－200℃，30min； ⅱ）红外灯：照射10min，距离6cm。 ③温度与时间 ⅰ）坚膜不足：腐蚀时易浮胶，易侧蚀； ⅱ）坚膜过度：胶膜热膨胀→翘曲、剥落 →腐蚀时易浮胶或钻蚀。 若T>300℃：光刻胶分解，失去抗蚀能力。
8.6 紫外光曝光
光源： 紫外（UV）、深紫外（DUV）； 方法：接触式、接近式、投影式； 8.6.1 水银弧光灯（高压汞灯） 波长：UV，300－450nm， used for 0.5，0.35μm； g线：λ=436nm， i线：λ=365nm。