光刻工艺过程

光刻工艺过程
一般的光刻工艺要经历硅片表面清洗烘干、涂底、旋涂光刻胶、软烘、对准曝光、后烘、显影、硬烘、刻蚀、检测等工序。

1、硅片清洗烘干（Cleaning and Pre-Baking）
方法：湿法清洗＋去离子水冲洗＋脱水烘焙（热板150～2500C,1～2分钟，氮气保护）目的：a、除去表面的污染物（颗粒、有机物、工艺残余、可动离子）；b、除去水蒸气，是基底表面由亲水性变为憎水性，增强表面的黏附性（对光刻胶或者是HMDS-〉六甲基二硅胺烷）。

2、涂底（Priming）
方法：a、气相成底膜的热板涂底。

HMDS蒸气淀积，200～2500C,30秒钟；优点：涂底均匀、避免颗粒污染；b、旋转涂底。

缺点：颗粒污染、涂底不均匀、HMDS用量大。

目的：使表面具有疏水性，增强基底表面与光刻胶的黏附性。

3、旋转涂胶（Spin-on PR Coating）
方法：a、静态涂胶（Static）。

硅片静止时，滴胶、加速旋转、甩胶、挥发溶剂（原光刻胶的溶剂约占65～85%,旋涂后约占10～20%）；
b、动态（Dynamic）。

低速旋转（500rpm_rotation per minute）、滴胶、加速旋转（3000rpm）、甩胶、挥发溶剂。

决定光刻胶涂胶厚度的关键参数：光刻胶的黏度（Viscosity），黏度越低，光刻胶的厚度越薄；旋转速度，速度越快，厚度越薄；
影响光刻胶厚度均运性的参数：旋转加速度，加速越快越均匀；与旋转加速的时间点有关。

一般旋涂光刻胶的厚度与曝光的光源波长有关（因为不同级别的曝光波长对应不同的光刻胶种类和分辨率）：I-line最厚，约0.7～3μm；KrF的厚度约0.4～0.9μm；ArF的厚度约0.2～0.5μm。

4、软烘（Soft Baking）
方法：真空热板，85～1200C,30～60秒；
目的：除去溶剂（4～7%）；增强黏附性；释放光刻胶膜内的应力；防止光刻胶玷污设备；
边缘光刻胶的去除（EBR，Edge Bead Removal）。

光刻胶涂覆后，在硅片边缘的正反两面都会有光刻胶的堆积。

边缘的光刻胶一般涂布不均匀，不能得到很好的图形，而且容易发生剥离（Peeling）而影响其它部分的图形。

所以需要去除。

方法：a、化学的方法（Chemical EBR）。

软烘后，用PGMEA或EGMEA去边溶剂，喷出少量在正反面边缘出，并小心控制不要到达光刻胶有效区域；
b、光学方法（Optical EBR）。

即硅片边缘曝光（WEE，Wafer Edge Exposure）。

在完成图形的曝光后，用激光曝光硅片边缘，然后在显影或特殊溶剂中溶解；
5、对准并曝光（Alignment and Exposure）
对准方法：a、预对准，通过硅片上的notch或者flat进行激光自动对准；b、通过对准标志（Align Mark），位于切割槽（Scribe Line）上。

另外层间对准，即套刻精度（Overlay），保证图形与硅片上已经存在的图形之间的对准。

曝光中最重要的两个参数是：曝光能量（Energy）和焦距（Focus）。

如果能量和焦距调整不好，就不能得到要求的分辨率和大小的图形。

表现为图形的关键尺寸超出要求的范围。

曝光方法：
a、接触式曝光（Contact Printing）。

掩膜板直接与光刻胶层接触。

曝光出来的图形与掩
膜板上的图形分辨率相当，设备简单。

缺点：光刻胶污染掩膜板；掩膜板的磨损，寿命很低（只能使用5～25次）；1970前使用，分辨率〉0.5μm。

b、接近式曝光（Proximity Printing）。

掩膜板与光刻胶层的略微分开，大约为10～50μm。

可以避免与光刻胶直接接触而引起的掩膜板损伤。

但是同时引入了衍射效应，降低了分辨率。

1970后适用，但是其最大分辨率仅为2～4μm。

c、投影式曝光（Projection Printing）。

在掩膜板与光刻胶之间使用透镜聚集光实现曝光。

一般掩膜板的尺寸会以需要转移图形的4倍制作。

优点：提高了分辨率；掩膜板的制作更加容易；掩膜板上的缺陷影响减小。

投影式曝光分类：
扫描投影曝光（Scanning Project Printing）。

70年代末～80年代初，〉1μm工艺；掩膜板1：1，全尺寸；
步进重复投影曝光（Stepping-repeating Project Printing或称作Stepper）。

80年代末～90年代，0.35μm（I line）～0.25μm（DUV）。

掩膜板缩小比例（4：1），曝光区域（Exposure Field）22×22mm（一次曝光所能覆盖的区域）。

增加了棱镜系统的制作难度。

扫描步进投影曝光（Scanning-Stepping Project Printing）。

90年代末～至今，用于≤0.18μm工艺。

采用6英寸的掩膜板按照4：1的比例曝光，曝光区域（Exposure Field）26×33mm。

优点：增大了每次曝光的视场；提供硅片表面不平整的补偿；提高整个硅片的尺寸均匀性。

但是，同时因为需要反向运动，增加了机械系统的精度要求。

在曝光过程中，需要对不同的参数和可能缺陷进行跟踪和控制，会用到检测控制芯片/控片（Monitor Chip）。

根据不同的检测控制对象，可以分为以下几种：a、颗粒控片（Particle MC）：用于芯片上微小颗粒的监控，使用前其颗粒数应小于10颗；b、卡盘颗粒控片（Chuck Particle MC）：测试光刻机上的卡盘平坦度的专用芯片，其平坦度要求非常高；c、焦距控片（Focus MC）：作为光刻机监控焦距监控；d、关键尺寸控片（Critical Dimension MC）：用于光刻区关键尺寸稳定性的监控；e、光刻胶厚度控片（PhotoResist Thickness MC）：光刻胶厚度测量；f、光刻缺陷控片（PDM，Photo Defect Monitor）：光刻胶缺陷监控。

举例：0.18μm的CMOS扫描步进光刻工艺。

光源：KrF氟化氪DUV光源（248nm）；
数值孔径NA：0.6～0.7；
焦深DOF：0.7μm；
分辨率Resolution：0.18～0.25μm（一般采用了偏轴照明OAI_Off-Axis Illumination和相移掩膜板技术PSM_Phase Shift Mask增强）；
套刻精度Overlay：65nm；
产能Throughput：30～60wafers/hour（200mm）；
视场尺寸Field Size：25×32mm；
6、后烘（PEB，Post Exposure Baking）
方法：热板，110～1300C,1分钟。

目的：a、减少驻波效应；b、激发化学增强光刻胶的PAG产生的酸与光刻胶上的保护基团发生反应并移除基团使之能溶解于显影液。

7、显影（Development）
方法：a、整盒硅片浸没式显影（Batch Development）。

缺点：显影液消耗很大；显影的均匀性差；b、连续喷雾显影（Continuous Spray Development）/自动旋转显影（Auto-rotation Development）。

一个或多个喷嘴喷洒显影液在硅片表面，同时硅片低速旋转（100～500rpm）。

喷嘴喷雾模式和硅片旋转速度是实现硅片间溶解率和均匀性的可重复性的关键调节参数。

c、水坑（旋覆浸没）式显影（Puddle Development）。

喷覆足够（不能太多，最小化背面湿度）
的显影液到硅片表面，并形成水坑形状（显影液的流动保持较低，以减少边缘显影速率的变化）。

硅片固定或慢慢旋转。

一般采用多次旋覆显影液：第一次涂覆、保持10～30秒、去除；第二次涂覆、保持、去除。

然后用去离子水冲洗（去除硅片两面的所有化学品）并旋转甩干。

优点：显影液用量少；硅片显影均匀；最小化了温度梯度。

显影液：a、正性光刻胶的显影液。

正胶的显影液位碱性水溶液。

KOH和NaOH因为会带来可动离子污染（MIC，Movable Ion Contamination），所以在IC制造中一般不用。

最普通的正胶显影液是四甲基氢氧化铵（TMAH）（标准当量浓度为0.26，温度15～250C）。

在I线光刻胶曝光中会生成羧酸，TMAH显影液中的碱与酸中和使曝光的光刻胶溶解于显影液，而未曝光的光刻胶没有影响；在化学放大光刻胶（CAR，Chemical Amplified Resist）中包含的酚醛树脂以PHS形式存在。

CAR中的PAG产生的酸会去除PHS中的保护基团（t-BOC），从而使PHS快速溶解于TMAH显影液中。

整个显影过程中，TMAH没有同PHS发生反应。

b、负性光刻胶的显影液。

二甲苯。

清洗液为乙酸丁脂或乙醇、三氯乙烯。

显影中的常见问题：a、显影不完全（Incomplete Development）。

表面还残留有光刻胶。

显影液不足造成；b、显影不够（Under Development）。

显影的侧壁不垂直，由显影时间不足造成；c、过度显影（Over Development）。

靠近表面的光刻胶被显影液过度溶解，形成台阶。

显影时间太长。

8、硬烘（Hard Baking）
方法：热板，100～1300C（略高于玻璃化温度Tg），1～2分钟。

目的：a、完全蒸发掉光刻胶里面的溶剂（以免在污染后续的离子注入环境，例如DNQ酚醛树脂光刻胶中的氮会引起光刻胶局部爆裂）；b、坚膜，以提高光刻胶在离子注入或刻蚀中保护下表面的能力；c、进一步增强光刻胶与硅片表面之间的黏附性；d、进一步减少驻波效应（Standing Wave Effect）。

常见问题：a、烘烤不足（Underbake）。

减弱光刻胶的强度（抗刻蚀能力和离子注入中的阻挡能力）；降低针孔填充能力（Gapfill Capability for the needle hole）；降低与基底的黏附能力。

b、烘烤过度（Overbake）。

引起光刻胶的流动，使图形精度降低，分辨率变差。

另外还可以用深紫外线（DUV，Deep Ultra-Violet）坚膜。

使正性光刻胶树脂发生交联形成一层薄的表面硬壳，增加光刻胶的热稳定性。

在后面的等离子刻蚀和离子注入（125～2000C）工艺中减少因光刻胶高温流动而引起分辨率的降低。

光刻中常见的效应和概念
1、驻波效应（Standing Wave Effect）
现象：在光刻胶曝光的过程中，透射光与反射光（在基底或者表面）之间会发生干涉。

这种相同频率的光波之间的干涉，在光刻胶的曝光区域内出现相长相消的条纹。

光刻胶在显影后，在侧壁会产生波浪状的不平整。

解决方案：a、在光刻胶内加入染色剂，降低干涉现象；b、在光刻胶的上下表面增加抗反射涂层（ARC，Anti-Reflective Coating）；c、后烘（PEB，Post Exposure Baking）和硬烘（HB，Hard Baking）。

2、摆线效应（Swing Curve Effect）
现象：在光刻胶曝光时，以相同的曝光剂量对不同厚度的光刻胶曝光，从而引起关键尺寸（CD，Critical dimension）的误差。

3、反射切口效应（Notching Effect）
现象：在光刻胶曝光时，由于接触孔尺寸的偏移等原因使入射光线直接照射到金属或多晶硅上发生发射，使不希望曝光的光刻胶被曝光，显影后，在光刻胶的底部出现缺口。

解决方案：a、提高套刻精度，防止接触孔打偏；b、涂覆抗反射涂层。

4、脚状图形（Footing Profiles）
现象：在光刻胶的底部，出现曝光不足。

使显影后，底部有明显的光刻胶残留。

解决方案：a、妥善保管光刻胶，不要让其存放于碱性环境中；b、在涂覆光刻胶之前，硅片表面要清洗干净，防止硅基底上有碱性物质的残余。

5、T型图形（T-Top Profiles）
现象：由于表面的感光剂不足而造成表层光刻胶的图形尺寸变窄。

解决方案：注意腔室中保持清洁，排除腔室中的碱性气体污染。

6、分辨率增强技术（RET，Resolution Enhanced Technology）
包括偏轴曝光（OAI，Off Axis Illumination）、相移掩膜板技术（PSM，Phase Shift Mask）、光学近似修正（OPC，Optical Proximity Correction）以及光刻胶技术等。

a、偏轴曝光（OAI，Off Axis Illumination）
改变光源入射光方向使之与掩膜板保持一定角度，可以改善光强分布的均匀性。

但同时，光强有所削弱。

b、相移掩膜板技术（PSM，Phase Shift Mask）
在掩膜板上，周期性地在相邻的图形中，每隔一个图形特征对掩膜板的结构（减薄或者加厚）进行改变，使相邻图形的相位相差180度，从而可以达到提升分辨率的目的。

相移掩膜板技术使掩膜板的制作难度和成本大幅增加。

c、光学近似修正（OPC，Optical Proximity Correction）
在曝光过程中，往往会因为光学临近效应使最后的图形质量下降：线宽的变化；转角的圆化；线长的缩短等。

需要采用“智能型掩膜板工程（Clever Mask Engineering）” 来补偿这种尺寸变化。

7、显影后检测（ADI，After Development Inspection）
主要是检查硅片表面的缺陷。

通常将一个无缺陷得标准图形存于电脑中，然后用每个芯片的图形与标准相比较，出现多少不同的点，就会在硅片的defect map中显示多少个缺陷。

8、抗反射涂层（ARC，Anti-Reflective Coating）
光刻胶照射到光刻胶上时，使光刻胶曝光。

但同时，在光刻胶层的上下表面也会产生反射而产生切口效应和驻波效应。

a、底部抗反射涂层（BARC，Bottom Anti-Reflective Coating）。

将抗反射涂层涂覆在光刻胶的底部来减少底部光的反射。

有两种涂层材料：有机抗反射涂层（Organic），在硅片表面旋涂，依靠有机层直接接收掉入射光线；无机抗反射涂层（Inorganic），在硅片表面利用等离子增强化学气相沉积（PECVD，Plasma Enhanced Chemical Vapour Deposition）形成。

一般材料为：TiN或SiN。

通过特定波长相位相消而起作用，最重要的参数有：材料折射率、薄膜厚度等。

b、顶部抗反射涂层（TARC，Top Anti-Reflective Coating）。

不会吸收光，而是通过光线之间相位相消来消除反射。

为一层透明的薄膜。