第八章光刻与刻蚀工艺

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 光刻工艺流程
8.1.2 前烘Soft Bake ①作用：促进胶膜内溶剂充分挥发，使胶膜干燥； 增加胶膜与SiO2 （Al膜等）的粘附性及耐磨性。 ②影响因素：温度，时间。 烘焙不足（温度太低或时间太短）－显影时易浮胶， 图形易变形。 烘焙时间过长－增感剂挥发，导致曝光时间增长， 甚至显不出图形。 烘焙温度过高－感光剂反应（胶膜硬化）， 不易溶于显影液，导致显影不干净。
8.1 光刻工艺流程
8.1.3 曝光Exposure 光学曝光、X射线曝光、电子束曝光 ①光学曝光－紫外，深紫外 ⅰ）光源： 高压汞灯：紫外(UV），300－450nm； i线365nm，h线405nm，g线436nm。 准分子激光：深紫外(DUV），180nm～330nm。 KrF：λ= 248nm； ArF：λ= 193nm； F2激光器： λ= 157nm。
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。
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。

8.6 紫外光曝光
8.6.3 准分子激光： 准分子：只在激发态下存在，基态下分离成原子。 波长：DUV，180nm～330nm。 KrF-λ= 248nm， for 0.25，0.18μm，0.13μm； ArF-λ= 193nm， for < 0.13μm（90nm，65nm）；

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
8.1 光刻工艺流程
高压汞灯紫外光谱
8.1 光刻工艺流程
ⅱ）曝光方式（曝光机） a.接触式：硅片与光刻版紧密接触。 b.接近式：硅片与光刻版保持5-50μ m间距。 c.投影式：利用光学系统，将光刻版的图形投影在硅片上
接触式曝光示意图
步进-重复（Stepper）曝光示意图
8.1 光刻工艺流程
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；
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
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。
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；
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
8.1 光刻工艺流程

主要步骤：曝光、显影、刻蚀
8.1 光刻工艺流程
8.1.1 涂胶 1.涂胶前的Si片处理 --例如SiO2光刻 SiO2:亲水性；光刻胶：疏水性； ①脱水烘焙:去除水分 ②HMDS底膜：增强附着力 HMDS：六甲基乙硅氮烷，(CH3)6Si2NH 作用：去掉SiO2表面的-OH
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

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%
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。
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）。
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
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。
ຫໍສະໝຸດ Baidu
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
下一代曝光方法
②电子束曝光：λ＝几十---100Å ； 优点： 分辨率高； 不需光刻版（直写式）； 缺点：产量低（适于制备光刻版）； ③X射线曝光：λ＝2---40Å ，软X射线； X射线曝光的特点：分辨率高，产量大。 ④极短紫外光（EUV）： λ＝10—14nm；
8.1 光刻工艺流程
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
8.1.4 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。
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
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


2m E

最细线宽：
L