第四章光刻技术

四,光刻蚀工艺流程
②光刻Al的硅片 在丙酮中,水浴15分钟,烘干,再涂胶. ⅱ)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) ⅲ)涂胶方法:浸涂,喷涂,旋涂√ 2.前烘 ①目的: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.
第四章 光刻技术
一,光刻胶
1.光刻胶的组份
例如:聚乙烯醇肉桂酸脂系(负胶) ①感光剂-聚乙烯醇肉桂酸脂 感光波长:230-340nm; 最大吸收峰:320nm; 浓度:5-10%
一,光刻胶
②增感剂-5-硝基苊 感光波长:480nm; 浓度:0.25-1% ③溶剂-环己酮 浓度:90-95% ④交链剂 例如,聚烃类(负胶) 交链剂: N3-R-N3 ,双叠氮化合物
三,光刻机(曝光方式)
②特点 避免了掩膜版与硅片表面的摩擦延长了掩膜版的 寿命. 掩膜版的尺寸可以比实际尺寸大得多,克服了 小图形制版的困难. 消除了由于掩膜版图形线宽过小而产生的光衍 射效应以及掩膜版与硅片表面接触不平整而产生 的光散射现象
三,光刻机(曝光方式)
③基本参数 分辨率R=k1λ/NA 焦深DOF=k2λ/(NA)2 焦深:沿着光通路,硅片可移动并能保持图形聚焦的移 动距离. K1和k2为与系统有关的常数. 提高分辨率方法:λ↓及 NA↑. 但 NA↑,DOF ↓ 例,取λ=365nm,NA=0.4,则DOF=2.3 m NA=0.6,则DOF=1 m,
四,光刻蚀工艺流程
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-胶膜硬化,不易溶于显影液,导致显影 不干净. ③前烘方法 ⅰ)80℃恒温干燥烘箱10-15分钟;ⅱ)红外灯烘焙; ⅲ)√真空热平板烘烤(ULSI):加热均匀(背面加热).
第四章 光刻技术
①定义:通过光化学反应,将光刻版(mask)上的图形转 移到覆盖在Si片上的感光层(光刻胶)上的工艺. ②目的:在SiO2 Si3N4 poly-Si 及金属膜上形成与光刻版 完全对应的图形,实现选择性扩散和金属布线. ③工艺流程:涂胶→前烘→曝光→显影→坚膜→腐蚀→去 胶 ④光刻三要素:光刻胶,光刻版(掩膜版),光刻机.
二,光刻版(掩膜版)
基版材料:玻璃,石英. 要求:在曝光波长下的透光度高,热膨胀系数 与掩膜材料匹配,表面平坦且精细抛光.
二,光刻版(掩膜版)
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 ①图形尺寸准确,符合设计要求; ②整套掩膜版中的各块版应能依次套准,套准误差应尽可能小; ③图形黑白区域之间的反差要高; ④图形边缘要光滑陡直,过渡区小; ⑤图形及整个版面上无针孔,小岛,划痕等缺陷; ⑥固耐用,不易变形.
一,光刻胶
②正胶-感光部分能被适当溶剂溶解去除,而留 下未感光部分.所得图形与光刻版图形相同. 优点:比负胶分辨率高,边缘整齐,反刻易对 准. 缺点:粘附性及抗碱性较负胶差. 应用:VLSI的精细加工. 产品:北京化工厂-201~208胶;上海试剂厂- 701胶;美国--AZ-1350胶,AZ-111胶,日本 -OFPR.
一,光刻胶
光刻胶的分子量越高,分子量分散性越大,则分 辨率越低.正胶分辨率高于负胶; ③粘附性-表征光刻胶与衬底间粘附的牢固程度. 与光刻胶本身及衬底表面都有关. 评价方法:光刻后的钻蚀程度.钻蚀量越小,粘 附性越好. 测量方法:离子徙动(迁移)实验.
一,光刻胶
④抗蚀性-表征光刻胶耐酸碱(或等离子体)腐蚀的程度 评价方法:光刻后的钻蚀量(不能正确评价). 抗蚀性与分辨率的矛盾:分辨率越高,抗蚀性越差. ⑤针孔密度-单位面积上的针孔数. 测定方法: a.MOS法:利用MOS结构中氧化层针孔处产生的穿通现象. ⅰ)生长SiO2;ⅱ)无掩膜光刻;ⅲ)去胶蒸铝,刻方形图 案阵列;ⅳ)通电测量穿通现象. b.化学腐蚀法:腐蚀液(邻苯二酚:乙二胺:水=3g: 17ml:8ml)腐蚀4小时,显微镜下观察特征腐蚀坑数.
二,光刻版(掩膜版)
设计规则是主要解决两个问题:同一层几何图 形之间的关系;不同层之间的相互关系.它是 IC制造厂与IC设计者之间的一个约定,什么能 做,什么不能. 对于每一层版图,版图设计规则将决定允许的 最小特征尺寸,最小间隔,该层图形与其它层 图形的最小覆盖,与它下面层图形的最小间隔 等.如果遵照这些设计规则,那么IC制造厂就 应保证生产出符合设计要求的集成电路芯片.
三,光刻机(曝光方式)
2.接近式光刻机 掩膜版悬浮在硅片表面的氮气气垫上,通过改变 进入的氮气流量控制间隙. 由于掩膜版和光刻胶之间存在一定的距离,经过 掩膜版后的光会发生衍射,从而使光刻的分辨率 降低.
三,光刻机(曝光方式)
3.投影式光刻机 ①原理 采用光学投影的方法,将掩膜版上的图形聚焦于 硅片表面的光刻胶上进行曝光. 系统的数值孔径(NA): NA= nsin(a)--代表着 物镜收集衍射光的能力. a是物镜接收角的一半;n是物镜与硅片间媒介的 折射率,空气中为1
一,光刻胶
产品:聚乙烯醇肉桂酸脂(北京化工厂-103B胶;上海 化学试剂厂-上试1号胶;美国柯达-KRP胶;日本东 京应化-TPR胶)聚乙烯氧乙基肉桂酸脂(日本东京应 化- OSR胶) b.聚烃类: 优点:分辨率较高,粘附性较好(特别是金属衬底), 针孔少,耐腐蚀性较好. 缺点:受氧影响显著, 应用:适用于金属掩膜版大规模IC 产品:上试厂-2号胶,北化-302胶,东京应化- OMR81胶,OMR83胶,OMR85胶,柯达-KTFR胶.
四,光刻蚀工艺流程
工艺流程:涂胶→前烘→曝光→显影→坚膜→腐蚀→去 胶 1.涂胶 ⅰ)对Si片的要求 ①光刻SiO2的硅片 a.高温氧化后立即涂胶; b.放置在180-200℃的恒温干燥箱中; c.若放置太久,Si片必须在高温下干氧10分钟,再涂胶 d.HMDS-涂六甲基乙硅氮烷:去除SiO2表面的-OH基
二,光刻版(掩膜版)
掩膜版上形成图形后,图形可通过与数据库对比检查而 得到确认.任何不希望有的铬可用激光烧化剥离.铬层 的针孔可用额外的淀积来修理.
三,光刻机(曝光方式)
光刻技术的主体是光刻机(曝光机,对准机),它是将 掩膜版上的图形与前次工序中已刻在硅片上的图形对准 后,再对硅片表面的光刻胶进行曝光实现图形复制的设 备. 光刻机的三个主要性能指标: ①分辨率:是可以曝光出来的最小特征尺寸.通常指能分 辩的并能保持一定尺寸容差的最小特征尺寸. ②对准和套刻精度:是描述光刻机加工图形重复性能的一 个指标,是层间套刻精度的度量,主要取决于掩模版和 硅片的支撑平台图形对准和移动控制精度性能. ③产率:指每小时可加工的硅片数,是判断光刻系统性能 的一个重要的指标,直接决定了集成电路芯片的制造成 本.
一,光刻胶
2.性能指标 ①感光度S-表征光刻胶对光的敏感程度. S=n/E,或S=h/(It) E-曝光量(lxs,勒克斯秒);n-比例系数;I-光 强度;t-曝光时间. ②分辨率-表征光刻精度,即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.若可分辨的最 小线宽为W/2(线条间隔也为W/2),则 分辨率=1/W(mm-1)
四,光刻蚀工艺流程
3.曝光
①光学曝光-紫外,深紫外 ⅰ)光源: 高压汞灯:可见光;紫外光(UV):300-450nm. g line- λ=436nm及i line- λ=365nm:used for 0.5,0.35μm. 准分子激光:深紫外(DUV),180nm～330nm. KrF-λ= 248nm,used for 0.25,0.18μm,0.13μm; ArF-λ= 193nm, for <0.13 μm; F2- λ= 157nm, for 100～70nm.
三,光刻机(曝光方式)
④1:1扫描投影光刻机(美国Canon公司)
三,光刻机(曝光方式)
⑤分步重复投影光刻机--Stepper DSW:direct-step-on-wafer ⅰ)原理: 采用折射式光学系统和4X~5X的缩小透镜. 曝光场:一次曝光只有硅片的一部分,可以大大 提高NA(0.7),并避免了许多与高NA有关的聚 焦深度问题,加大了大直径硅片生产可行性. 采用了分步对准聚焦技术.
一,光刻胶
4.感光机理 ①负胶
聚乙烯醇肉桂酸脂-103B,KPR
一,光刻胶
双叠氮系(环化橡胶)-302胶,KTFR
一,光刻胶
②正胶 邻-叠氮萘醌系-701胶,AZ-1350胶
二,光刻版(掩膜版)
掩膜版在集成电路制造中占据非常重要的地位,因为 它包含着欲制造的集成电路特定层的图形信息,决定 了组成集成电路芯片每一层的横向结构与尺寸. 所用掩膜版的数量决定了制造工艺流程中所需的最少 光刻次数. 制作掩膜版首先必须有版图.所谓版图就是根据电路 ,器件参数所需要的几何形状与尺寸,依据生产集成 电路的工艺所确定的设计规则,利用计算机辅助设计 (CAD)通过人机交互的方式设计出的生产上所要求 的掩膜图案.
二,光刻版(掩膜版)
制版程序:绘制版图→数据转换成图形发生器的 专用文件(CIF文件,PG文件)→驱动和控制图 形发生器,以一定的间距和布局,将掩膜图形印 制于掩膜材料上,进而制备出批量生产用的掩膜 版. 根据使用的光刻机,掩膜可以与最后完成的芯片 上的图形有同样的尺寸或是该尺寸的整数倍,后 者在曝光时掩膜上的图形被缩小.通常缩小倍数 为4和5.
三,光刻机(曝光方式)
ⅱ)三个独特的优点 a.它是通过缩小投影系统成像的,因而可以提高分辨率. 用这种方法曝光分辨率可达到1-1.5m. b.不要1:1精缩掩膜,因而掩膜尺寸大,制作方便.由于 b. 1:1 使用了缩小透镜,原版上的尘埃缺陷也相应的缩小,因 而减小了原版缺陷的影响. c.由于采用了逐步对准技术,可补偿硅片尺寸的变化,提 高了对准精度.逐步对准的方法也可以降低对硅片表面 平整度的要求.Stepper采用单色光源(汞-氙放电灯) : 汞发射光谱的g线(465nm)和i线(365nm).
Canon FPA-6000ES5 KrF SCANNER
System Highlights enables patterning 300-mm wafers at the rate of 140wph —and 170wph for200mm. 26mm x 33mm field size 0.80NA (Numerical Aperture) 0.11m Resolution
一,光刻胶
⑥留膜率-曝光显影后的非溶性胶膜厚度与曝光前胶 膜厚度之比.留膜率越高越好. 测量:椭偏仪测量曝光显影前后胶膜的厚度. ⑦性能稳定-不发生暗反应.
一,光刻胶
3.类型 ①负胶-未感光部分能被适当的溶剂溶解去除,而感光 部分不溶留下.所得图形与光刻版图形相反.光刻版 是负版. 优点:针孔少;耐腐蚀;粘附性好;感光度高. 缺点:分辨率低. 类型: a.聚肉桂酸脂类:聚乙烯醇肉桂酸脂,聚乙烯氧乙基肉 桂酸脂. 优点:分辨率高,线条清晰,受氧影响小. 缺点:有针孔,耐腐蚀性较差. 应用:中,大规模IC及平面器件.
二,光刻版(掩膜版)
二,光刻版(掩膜版)
制版工艺:光学制版和电子束制版. 光学制版主要由图形发生器制造10倍的初掩膜,然后以 步进重复曝光的方式制造1:1光刻掩膜.主要用于3 m以上图形的制造. 掩膜材料: ①金属硬面版-主要是铬,氧化铬或氧化铁等金属或金属 氧化物薄膜. 特点:针孔少,强度高,易加工,分辨率高. ②乳胶版-卤化银乳胶 特点:成本低,感光度高,分辨率低(2-3 m),易 划伤.
三,光刻机(曝光方式)
对于指定的光刻机,分辨率,对准和套刻精度,产量都 不是一个固定值.
表1 影响工艺效果的一些参数
XX表示强烈影响,-表示微小影响,操作员针对手动光刻机.
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三,光刻机(曝光方式)
三,光刻机(曝光方式)
1.接触式曝光机 优点:结构简单,成本低,光的衍射效应最小 而分辨率高,特征尺寸小 缺点:容易造成掩膜版和光刻胶的损伤,每一 次接触都有可能在掩膜版和光刻胶上造成缺陷.