第08章 光刻.ppt

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1、第08章 光刻-lithography引言p光刻是光刻是IC制造業(yè)中最為重要的一道工藝，其構(gòu)想來源于印刷技術(shù)中的制造業(yè)中最為重要的一道工藝，其構(gòu)想來源于印刷技術(shù)中的照相制版技術(shù)。照相制版技術(shù)。硅片制造工藝中，光刻硅片制造工藝中，光刻占所有成本的占所有成本的35%。p通常可通?？捎霉饪檀螖?shù)用光刻次數(shù)及所需及所需掩模的個(gè)數(shù)掩模的個(gè)數(shù)來表示某生產(chǎn)工藝的難易程度，來表示某生產(chǎn)工藝的難易程度，一個(gè)典型的硅集成電路工藝包括一個(gè)典型的硅集成電路工藝包括1520塊掩膜版。塊掩膜版。p自自1959年年IC發(fā)明至今的發(fā)明至今的40多年里，多年里，IC的集成度不斷提高，器件的特的集成度不斷提高，器件的特征尺寸不斷減

2、小，這主要?dú)w功于光刻技術(shù)的進(jìn)步。征尺寸不斷減小，這主要?dú)w功于光刻技術(shù)的進(jìn)步。n通常人們用通常人們用特征尺寸特征尺寸來評價(jià)一個(gè)集成電路生產(chǎn)線的技術(shù)水平。所謂特征來評價(jià)一個(gè)集成電路生產(chǎn)線的技術(shù)水平。所謂特征尺寸（尺寸（CD：characteristic dimension）是指設(shè)計(jì)的多晶硅柵長，它標(biāo)志）是指設(shè)計(jì)的多晶硅柵長，它標(biāo)志了器件工藝的總體水平，是設(shè)計(jì)規(guī)則的主要部分。了器件工藝的總體水平，是設(shè)計(jì)規(guī)則的主要部分。p通常我們所說的通常我們所說的0.13 m，0.09 m工藝工藝指的是光刻技術(shù)所能達(dá)到最小指的是光刻技術(shù)所能達(dá)到最小線條的工藝。線條的工藝。引言p光刻的定義：光刻的定義：光刻是一種圖形

3、光刻是一種圖形復(fù)印和化學(xué)腐蝕相結(jié)合的精密復(fù)印和化學(xué)腐蝕相結(jié)合的精密表面加工技術(shù)。表面加工技術(shù)。p光刻的目的：光刻的目的：光刻的目的就是光刻的目的就是在二氧化硅或金屬薄膜上面刻在二氧化硅或金屬薄膜上面刻蝕出與掩膜版完全對應(yīng)的幾何蝕出與掩膜版完全對應(yīng)的幾何圖形，圖形，把掩模版上的圖形轉(zhuǎn)換把掩模版上的圖形轉(zhuǎn)換成晶圓上的器件結(jié)構(gòu)，成晶圓上的器件結(jié)構(gòu)，從而實(shí)從而實(shí)現(xiàn)現(xiàn)選擇性擴(kuò)散選擇性擴(kuò)散和和金屬薄膜布線金屬薄膜布線的目的。的目的。p對光刻的基本要求：對光刻的基本要求： n高分辨率高分辨率 n高靈敏度高靈敏度 n精密的套刻對準(zhǔn)精密的套刻對準(zhǔn) n大尺寸硅片上的加工大尺寸硅片上的加工 n低缺陷低缺陷引言p高分

4、辨率高分辨率n分辨率是將硅片上兩個(gè)鄰近的分辨率是將硅片上兩個(gè)鄰近的特征圖形區(qū)分開來的能力，即特征圖形區(qū)分開來的能力，即對光刻工藝中可以達(dá)到的最小對光刻工藝中可以達(dá)到的最小光刻圖形尺寸的一種描述，是光刻圖形尺寸的一種描述，是光刻精度和清晰度的標(biāo)志之一。光刻精度和清晰度的標(biāo)志之一。隨著集成電路的集成度提高，隨著集成電路的集成度提高，加工的線條越來越細(xì)，對分辨加工的線條越來越細(xì)，對分辨率的要求也越來越高。率的要求也越來越高。n分辨率表示每分辨率表示每mm內(nèi)能夠刻蝕內(nèi)能夠刻蝕出可分辨的最多線條數(shù)。出可分辨的最多線條數(shù)。R= 1/2L （L為線條寬度）為線條寬度）p高靈敏度高靈敏度n靈敏度是指光刻膠感光

5、的速度。靈敏度是指光刻膠感光的速度。為了提高產(chǎn)量要求曝光時(shí)間越為了提高產(chǎn)量要求曝光時(shí)間越短越好，也就要求高靈敏度。短越好，也就要求高靈敏度。p精密的套刻對準(zhǔn)精密的套刻對準(zhǔn)n集成電路制作需要十多次甚至集成電路制作需要十多次甚至幾十次光刻，每次光刻都要相幾十次光刻，每次光刻都要相互套準(zhǔn)。互套準(zhǔn)。n由于圖形的特征尺寸在亞微米由于圖形的特征尺寸在亞微米數(shù)量級上，因此，對套刻要求數(shù)量級上，因此，對套刻要求很高。要求套刻誤差在特征尺很高。要求套刻誤差在特征尺寸的寸的10左右。左右。引言p大尺寸硅片的加工大尺寸硅片的加工n為了提高效益和為了提高效益和Si片利用率，一般采用大尺寸片利用率，一般采用大尺寸Si片

6、。片。n但是，隨著晶圓尺寸增大，周圍環(huán)境會引起晶圓片的膨脹和收縮。但是，隨著晶圓尺寸增大，周圍環(huán)境會引起晶圓片的膨脹和收縮。因此對周圍環(huán)境的溫度控制要求十分嚴(yán)格，因此對周圍環(huán)境的溫度控制要求十分嚴(yán)格，否則會影響光刻質(zhì)量。否則會影響光刻質(zhì)量。p低缺陷低缺陷n缺陷會使電路失效，因此應(yīng)該盡量減少缺陷。缺陷會使電路失效，因此應(yīng)該盡量減少缺陷。8.1 光刻工藝流程p完整的工藝流程完整的工藝流程p涂膠涂膠前烘前烘曝光曝光顯影顯影堅(jiān)膜堅(jiān)膜刻蝕刻蝕去膠去膠8.1 光刻工藝流程一一涂膠涂膠1.目的：目的：在在Si片表面形成厚度均片表面形成厚度均勻、附著性強(qiáng)、沒有缺陷的光勻、附著性強(qiáng)、沒有缺陷的光刻膠薄膜?？棠z薄

7、膜。2.具體工藝具體工藝為確保光刻膠能和晶圓表面很為確保光刻膠能和晶圓表面很好粘結(jié)，必須好粘結(jié)，必須進(jìn)行表面處理進(jìn)行表面處理，包括三個(gè)階段：包括三個(gè)階段：微粒清除、脫微粒清除、脫水烘焙和涂底膠。水烘焙和涂底膠。涂底膠后，涂底膠后，涂液相光刻膠涂液相光刻膠。p第一步第一步:微粒清除微粒清除p目的：目的：清除掉晶圓在存儲、裝載和卸載到清除掉晶圓在存儲、裝載和卸載到片匣過程中吸附到的一些顆粒狀污染物。片匣過程中吸附到的一些顆粒狀污染物。p清除方法：清除方法：n高壓氮?dú)獯党邏旱獨(dú)獯党齨化學(xué)濕法清洗：酸清洗和烘干?；瘜W(xué)濕法清洗：酸清洗和烘干。n旋轉(zhuǎn)刷刷洗旋轉(zhuǎn)刷刷洗n高壓水流噴洗高壓水流噴洗p經(jīng)過清潔處

8、理后的晶圓表面可能會含有一經(jīng)過清潔處理后的晶圓表面可能會含有一定的水分定的水分（親水性表面）（親水性表面），所以必須脫水，所以必須脫水烘焙使其達(dá)到清潔干燥烘焙使其達(dá)到清潔干燥（憎水性表面）（憎水性表面），以便增加光刻膠和晶園表面的黏附能力。以便增加光刻膠和晶園表面的黏附能力。8.1 光刻工藝流程p第二步第二步:脫水烘焙脫水烘焙p目的：目的：干燥晶圓表面，使基底干燥晶圓表面，使基底表面由親水性變?yōu)樵魉裕霰砻嬗捎H水性變?yōu)樵魉?，增加表面粘附性。加表面粘附性。p脫水烘焙的三個(gè)溫度范圍：脫水烘焙的三個(gè)溫度范圍：n150-200，低溫蒸發(fā)水分；，低溫蒸發(fā)水分；n400，中溫烘烤；，中溫烘烤；n750

9、，高溫烘干。，高溫烘干。p保持憎水性表面通常通過下面保持憎水性表面通常通過下面兩種方法：兩種方法：n一是保持室內(nèi)溫度在一是保持室內(nèi)溫度在50以下，以下，并且在晶園完成前一步工藝之并且在晶園完成前一步工藝之后盡可能快的進(jìn)行涂膠。后盡可能快的進(jìn)行涂膠。n另一種方法是把晶園存儲在用另一種方法是把晶園存儲在用干燥并且干凈的氮?dú)鈨艋^的干燥并且干凈的氮?dú)鈨艋^的干燥器中。干燥器中。8.1 光刻工藝流程p第三步：晶片涂底膠第三步：晶片涂底膠p目的：目的：增強(qiáng)光刻膠與晶圓之間的附著力。用六甲基乙硅氮烷（增強(qiáng)光刻膠與晶圓之間的附著力。用六甲基乙硅氮烷（HMDS）或三甲基甲硅烷基二乙胺（或三甲基甲硅烷基二乙胺（

10、TMSDEA）進(jìn)行成膜處理。）進(jìn)行成膜處理。p第四步：正式涂膠（旋轉(zhuǎn)涂膠法）第四步：正式涂膠（旋轉(zhuǎn)涂膠法）p靜態(tài)涂膠工藝靜態(tài)涂膠工藝n首先把光刻膠通過管道堆積在晶片的中心，堆積量由晶片大小和光刻膠首先把光刻膠通過管道堆積在晶片的中心，堆積量由晶片大小和光刻膠的類型決定，堆積量非常關(guān)鍵，量少了會導(dǎo)致涂膠不均勻，量大了會導(dǎo)的類型決定，堆積量非常關(guān)鍵，量少了會導(dǎo)致涂膠不均勻，量大了會導(dǎo)致晶園邊緣光刻膠的堆積甚至流到背面致晶園邊緣光刻膠的堆積甚至流到背面p動態(tài)噴灑動態(tài)噴灑n隨著晶園直徑越來越大，靜態(tài)涂膠已不能滿足要求，動態(tài)噴灑是晶片隨著晶園直徑越來越大，靜態(tài)涂膠已不能滿足要求，動態(tài)噴灑是晶片500rp

11、m的速度低速旋轉(zhuǎn)，其目的是幫助光刻膠最初的擴(kuò)散，用這種方法的速度低速旋轉(zhuǎn)，其目的是幫助光刻膠最初的擴(kuò)散，用這種方法可以用較少量的光刻膠而達(dá)到更均勻的光刻膠膜。待擴(kuò)散后旋轉(zhuǎn)器加速可以用較少量的光刻膠而達(dá)到更均勻的光刻膠膜。待擴(kuò)散后旋轉(zhuǎn)器加速完成最終要求薄而均勻的光刻膠膜。完成最終要求薄而均勻的光刻膠膜。8.1 光刻工藝流程涂膠鋪展旋轉(zhuǎn)真空高轉(zhuǎn)速靜態(tài)涂膠工藝低轉(zhuǎn)速真空高轉(zhuǎn)速動態(tài)涂膠工藝8.1 光刻工藝流程p旋轉(zhuǎn)涂膠的四個(gè)步驟旋轉(zhuǎn)涂膠的四個(gè)步驟n分滴：分滴：當(dāng)硅片靜止或者旋轉(zhuǎn)的非常慢時(shí)，光刻膠被分滴在硅片上。當(dāng)硅片靜止或者旋轉(zhuǎn)的非常慢時(shí)，光刻膠被分滴在硅片上。n旋轉(zhuǎn)鋪開：旋轉(zhuǎn)鋪開：快速加速硅片使光刻

12、膠伸展到整個(gè)硅片表面。快速加速硅片使光刻膠伸展到整個(gè)硅片表面。n旋轉(zhuǎn)甩掉：旋轉(zhuǎn)甩掉：甩掉多于的光刻膠，在硅片上得到均勻的光刻膠膠膜甩掉多于的光刻膠，在硅片上得到均勻的光刻膠膠膜覆蓋層。覆蓋層。n溶劑揮發(fā)：溶劑揮發(fā)：以固定轉(zhuǎn)速繼續(xù)旋轉(zhuǎn)涂膠的硅片，直到溶劑揮發(fā)，光以固定轉(zhuǎn)速繼續(xù)旋轉(zhuǎn)涂膠的硅片，直到溶劑揮發(fā)，光刻膠膠膜幾乎干燥。刻膠膠膜幾乎干燥。8.1 光刻工藝流程3.特點(diǎn)特點(diǎn)n甩膠之后留在甩膠之后留在Si片上的不片上的不到到1%，其余都被甩掉。，其余都被甩掉。n膜厚與轉(zhuǎn)速的平方根成反膜厚與轉(zhuǎn)速的平方根成反比。比。n提升轉(zhuǎn)速越快，均勻性越提升轉(zhuǎn)速越快，均勻性越好。轉(zhuǎn)速提升慢的話，溶好。轉(zhuǎn)速提升慢的話

13、，溶劑揮發(fā)，膠變得粘稠不好劑揮發(fā)，膠變得粘稠不好移動。移動。n轉(zhuǎn)速越快，均勻性越好。轉(zhuǎn)速越快，均勻性越好。4.注意事項(xiàng)注意事項(xiàng)nSi片越大，轉(zhuǎn)速應(yīng)該越小。片越大，轉(zhuǎn)速應(yīng)該越小。n涂膠應(yīng)該是在超凈環(huán)境中涂膠應(yīng)該是在超凈環(huán)境中進(jìn)行，避免黏附微粒。進(jìn)行，避免黏附微粒。n噴灑的光刻膠中不能含有噴灑的光刻膠中不能含有空氣?？諝?。8.1 光刻工藝流程二二前烘前烘1.1.目的目的在較高溫度下進(jìn)行烘焙，可以使在較高溫度下進(jìn)行烘焙，可以使溶劑從光刻膠中揮發(fā)出來溶劑從光刻膠中揮發(fā)出來（前烘（前烘前含有前含有10-30%10-30%的溶劑，前烘后的溶劑，前烘后則降至則降至5%5%左右）。左右）。n降低灰塵的沾污。溶

14、劑吸收光，降低灰塵的沾污。溶劑吸收光，干擾了曝光中聚合物的化學(xué)反干擾了曝光中聚合物的化學(xué)反應(yīng)。蒸發(fā)溶劑增強(qiáng)光刻膠和晶應(yīng)。蒸發(fā)溶劑增強(qiáng)光刻膠和晶圓的粘附力。圓的粘附力。減輕高速旋轉(zhuǎn)形成的薄膜應(yīng)力，減輕高速旋轉(zhuǎn)形成的薄膜應(yīng)力，從而提高光刻膠的黏附性。從而提高光刻膠的黏附性。為顯影做準(zhǔn)備。為顯影做準(zhǔn)備。若光刻膠未經(jīng)若光刻膠未經(jīng)前烘，那么曝光區(qū)和非曝光區(qū)前烘，那么曝光區(qū)和非曝光區(qū)的光刻膠的溶劑含量都比較高，的光刻膠的溶劑含量都比較高，在顯影液中都會溶解。在顯影液中都會溶解。2.2.具體工藝具體工藝p真空熱平板烘烤。烘烤時(shí)間和真空熱平板烘烤。烘烤時(shí)間和溫度要精確控制。溫度要精確控制。p溫度在溫度在909

15、0100100，在熱板上，在熱板上加熱加熱3030秒，然后在冷板上降溫。秒，然后在冷板上降溫。8.1 光刻工藝流程3.注意事項(xiàng)注意事項(xiàng)n不完全的烘焙在曝光過程中造成圖像形成不完整和在不完全的烘焙在曝光過程中造成圖像形成不完整和在刻蝕過程中造成多余的光刻膠漂移；刻蝕過程中造成多余的光刻膠漂移；n過分烘焙會造成光刻膠中的聚合物產(chǎn)生聚合反應(yīng)，并過分烘焙會造成光刻膠中的聚合物產(chǎn)生聚合反應(yīng)，并且不與曝光射線反應(yīng)，影響曝光。且不與曝光射線反應(yīng)，影響曝光。8.1 光刻工藝流程三三曝光曝光1.目的：目的：對光刻膠進(jìn)行曝光，使其某些區(qū)域被光對光刻膠進(jìn)行曝光，使其某些區(qū)域被光照，某些區(qū)域不被光照，發(fā)生不同的化學(xué)反

16、應(yīng)，照，某些區(qū)域不被光照，發(fā)生不同的化學(xué)反應(yīng)，在其中出現(xiàn)隱形的圖形，為顯影做準(zhǔn)備。在其中出現(xiàn)隱形的圖形，為顯影做準(zhǔn)備。n對準(zhǔn)：對準(zhǔn)：將掩膜版與涂了膠的硅片上的正確位置對準(zhǔn)。將掩膜版與涂了膠的硅片上的正確位置對準(zhǔn)。曝光是對準(zhǔn)以后，將掩膜版和硅片曝光，曝光是對準(zhǔn)以后，將掩膜版和硅片曝光，把掩膜版圖把掩膜版圖形轉(zhuǎn)移到涂膠的硅片上。形轉(zhuǎn)移到涂膠的硅片上。8.1 光刻工藝流程8.1 光刻工藝流程8.1 光刻工藝流程p正版：掩膜板的圖形是由不透光區(qū)域組成的。正版：掩膜板的圖形是由不透光區(qū)域組成的。p負(fù)版：掩膜板的圖形是由透光區(qū)域組成的。負(fù)版：掩膜板的圖形是由透光區(qū)域組成的。8.1 光刻工藝流程p對準(zhǔn)和曝光

17、包括兩個(gè)系統(tǒng)：對準(zhǔn)和曝光包括兩個(gè)系統(tǒng)：n一個(gè)是要把圖形在晶圓表面上準(zhǔn)確定位的對準(zhǔn)系統(tǒng)（不同的對準(zhǔn)機(jī)類型一個(gè)是要把圖形在晶圓表面上準(zhǔn)確定位的對準(zhǔn)系統(tǒng)（不同的對準(zhǔn)機(jī)類型的對準(zhǔn)系統(tǒng)各不相同）；的對準(zhǔn)系統(tǒng)各不相同）；p對準(zhǔn)機(jī)的性能指標(biāo)包括對準(zhǔn)機(jī)的性能指標(biāo)包括分辨率：機(jī)器產(chǎn)生特定尺寸的能力，分辨率：機(jī)器產(chǎn)生特定尺寸的能力， 分辨率越高，機(jī)器的性能越好。分辨率越高，機(jī)器的性能越好。套準(zhǔn)能力：圖形準(zhǔn)確定位的能力套準(zhǔn)能力：圖形準(zhǔn)確定位的能力n另一個(gè)是曝光系統(tǒng)（包括一個(gè)曝光光源和一個(gè)將輻射光線導(dǎo)向到晶圓表另一個(gè)是曝光系統(tǒng)（包括一個(gè)曝光光源和一個(gè)將輻射光線導(dǎo)向到晶圓表面上的機(jī)械裝置）。面上的機(jī)械裝置）。p曝光后烘

18、烤（曝光后烘烤（PEB，Post Exposure Baking，后烘），后烘）n目的：目的：促進(jìn)光刻膠的化學(xué)反應(yīng)，提高光刻膠的粘附性并減少駐波。促進(jìn)光刻膠的化學(xué)反應(yīng)，提高光刻膠的粘附性并減少駐波。8.1 光刻工藝流程四四顯影顯影1.目的：目的：利用感光與未感光的光刻膠對堿性溶液的不同溶利用感光與未感光的光刻膠對堿性溶液的不同溶解度，進(jìn)行掩模圖形的轉(zhuǎn)移，讓曝光后在光刻膠中形成解度，進(jìn)行掩模圖形的轉(zhuǎn)移，讓曝光后在光刻膠中形成的潛在圖形顯現(xiàn)出來，在光刻膠上形成三維圖形。的潛在圖形顯現(xiàn)出來，在光刻膠上形成三維圖形。n在顯影過程中，正膠的曝光區(qū)，或負(fù)膠的非曝光區(qū)的光刻膠在在顯影過程中，正膠的曝光區(qū)，或

19、負(fù)膠的非曝光區(qū)的光刻膠在顯影液中溶解，而相反的區(qū)域則不溶解。顯影液中溶解，而相反的區(qū)域則不溶解。n顯影后留下的光刻膠將在后續(xù)的刻蝕和離子注入工藝中充當(dāng)掩顯影后留下的光刻膠將在后續(xù)的刻蝕和離子注入工藝中充當(dāng)掩膜。膜。8.1 光刻工藝流程2.具體工藝具體工藝三個(gè)基本步驟三個(gè)基本步驟: 顯影清洗干顯影清洗干燥燥顯影方式分為：顯影方式分為：濕法顯影，干濕法顯影，干法（等離子）顯影法（等離子）顯影n濕法顯影濕法顯影p沉浸顯影沉浸顯影p連續(xù)噴霧（連續(xù)噴霧（continuous spray）顯影；顯影；p旋覆浸沒（旋覆浸沒（puddle）顯影）顯影n干法顯影干法顯影p沉浸顯影沉浸顯影n最原始的方法。就是將待

20、顯影的晶圓放最原始的方法。就是將待顯影的晶圓放入盛有顯影液的容器中，經(jīng)過一定的時(shí)入盛有顯影液的容器中，經(jīng)過一定的時(shí)間再放入加有化學(xué)沖洗液的池中進(jìn)行沖間再放入加有化學(xué)沖洗液的池中進(jìn)行沖洗。洗。n比較簡單，但存在的比較簡單，但存在的問題較多問題較多：p液體表面張力會阻止顯影液進(jìn)入微小開液體表面張力會阻止顯影液進(jìn)入微小開孔區(qū)；孔區(qū)；p溶解的光刻膠粘在晶圓表面影響顯影質(zhì)溶解的光刻膠粘在晶圓表面影響顯影質(zhì)量；量；p隨著顯影次數(shù)增加顯影液的稀釋和污染；隨著顯影次數(shù)增加顯影液的稀釋和污染；p顯影溫度對顯影率的影響等。顯影溫度對顯影率的影響等。n在大規(guī)模生產(chǎn)的在大規(guī)模生產(chǎn)的今天，此方法不再適用。今天，此方法不

21、再適用。8.1 光刻工藝流程p連續(xù)噴霧顯影連續(xù)噴霧顯影n自動旋轉(zhuǎn)顯影（自動旋轉(zhuǎn)顯影（Auto-rotation Development）n顯影系統(tǒng)如圖所示。顯影系統(tǒng)如圖所示。顯影劑和沖洗液顯影劑和沖洗液都是都是在在一個(gè)系統(tǒng)內(nèi)完成，一個(gè)系統(tǒng)內(nèi)完成，每次用的顯影液和沖洗液每次用的顯影液和沖洗液都是新的，所以都是新的，所以較沉浸系統(tǒng)清潔較沉浸系統(tǒng)清潔。n一個(gè)或多個(gè)噴嘴噴灑顯影液在硅片表面，同一個(gè)或多個(gè)噴嘴噴灑顯影液在硅片表面，同時(shí)硅片低速旋轉(zhuǎn)（時(shí)硅片低速旋轉(zhuǎn)（100500rpm）。）。n噴嘴噴嘴噴霧模式噴霧模式和硅片和硅片旋轉(zhuǎn)速度旋轉(zhuǎn)速度是實(shí)現(xiàn)硅片間是實(shí)現(xiàn)硅片間溶解率和均勻性的可重復(fù)性的關(guān)鍵調(diào)節(jié)參數(shù)

22、。溶解率和均勻性的可重復(fù)性的關(guān)鍵調(diào)節(jié)參數(shù)。n近年來，噴霧顯影已大部分被浸沒顯影代替，近年來，噴霧顯影已大部分被浸沒顯影代替，因?yàn)楹笳邽樯厦娴囊蛩靥峁┝烁蟮墓に嚧耙驗(yàn)楹笳邽樯厦娴囊蛩靥峁┝烁蟮墓に嚧翱??？?。沖洗顯影劑真空8.1 光刻工藝流程p水坑（旋覆浸沒）式顯影（水坑（旋覆浸沒）式顯影（Puddle Development）n噴覆足夠（不能太多，最小化背面濕度）的顯影液到硅片表面，噴覆足夠（不能太多，最小化背面濕度）的顯影液到硅片表面，并形成水坑形狀硅片固定或慢慢旋轉(zhuǎn)。并形成水坑形狀硅片固定或慢慢旋轉(zhuǎn)。n一般采用多次旋覆顯影液：一般采用多次旋覆顯影液：n第一次涂覆、保持第一次涂覆、保持10

23、30秒、去除；第二次涂覆、保持、去除。秒、去除；第二次涂覆、保持、去除。（多次旋覆浸沒補(bǔ)充了顯影液的化學(xué)藥品，更新顯影液和光刻膠（多次旋覆浸沒補(bǔ)充了顯影液的化學(xué)藥品，更新顯影液和光刻膠之間的化學(xué)反應(yīng)）之間的化學(xué)反應(yīng)）n然后甩掉多余的顯影液，用去離子水沖洗（去除硅片兩面的所有然后甩掉多余的顯影液，用去離子水沖洗（去除硅片兩面的所有化學(xué)品）并旋轉(zhuǎn)甩干?；瘜W(xué)品）并旋轉(zhuǎn)甩干。n優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：顯影液用量少；硅片顯影均勻；最小化了溫度顯影液用量少；硅片顯影均勻；最小化了溫度 梯度。梯度。8.1 光刻工藝流程8.1 光刻工藝流程p干法顯影干法顯影n液體工藝的自動化程度不高，并且化學(xué)品的采購、存液體工藝的自動化

24、程度不高，并且化學(xué)品的采購、存儲、控制和處理費(fèi)用昂貴，取代液體化學(xué)顯影的途徑儲、控制和處理費(fèi)用昂貴，取代液體化學(xué)顯影的途徑是使用是使用等離子體刻蝕工藝，等離子體刻蝕工藝，該工藝現(xiàn)已非常成熟。該工藝現(xiàn)已非常成熟。n干法光刻顯影要求光刻膠化學(xué)物的曝光或未曝光的之干法光刻顯影要求光刻膠化學(xué)物的曝光或未曝光的之一易于被氧等離子體去除。一易于被氧等離子體去除。8.1 光刻工藝流程3.正膠和負(fù)膠的顯影正膠和負(fù)膠的顯影正膠正膠（Positive PR）顯影顯影p顯影劑：堿水溶液，氫氧化鈉或氫氧顯影劑：堿水溶液，氫氧化鈉或氫氧化鉀；化鉀；p沖洗劑：水沖洗劑：水p具體過程具體過程n光刻膠（光照）光刻膠（光照）乙

25、烯酮乙烯酮曝光曝光n乙烯酮（乙烯酮（+水）水）羧酸羧酸水解水解n羧酸（羧酸（+OH-）鹽鹽+H2O顯影顯影p曝光后的正膠是逐層溶解的，中和反曝光后的正膠是逐層溶解的，中和反應(yīng)只在光刻膠表面進(jìn)行，受顯影液影應(yīng)只在光刻膠表面進(jìn)行，受顯影液影響小。響小。p正膠可以得到更高的分辨率。正膠可以得到更高的分辨率。負(fù)膠負(fù)膠（Negative PR）顯影）顯影p顯影劑（顯影劑（developer solution）：二甲）：二甲苯苯p沖洗化學(xué)品（沖洗化學(xué)品（rinse）：）：n-丁基醋酸鹽。丁基醋酸鹽?？焖傧♂岋@影液，沖洗光刻膠快速稀釋顯影液，沖洗光刻膠p具體過程具體過程n未光照的光刻膠（在顯影液中）未光照的

26、光刻膠（在顯影液中）凝凝膠體膠體n凝膠體被沖洗劑溶解沖掉。凝膠體被沖洗劑溶解沖掉。p未曝光的負(fù)膠是整個(gè)層都先在顯影液未曝光的負(fù)膠是整個(gè)層都先在顯影液中變?yōu)槟z體，然后再分解掉，這樣中變?yōu)槟z體，然后再分解掉，這樣整個(gè)負(fù)膠層都被浸透，導(dǎo)致曝光區(qū)的整個(gè)負(fù)膠層都被浸透，導(dǎo)致曝光區(qū)的負(fù)膠膨脹變形，使分辨率下降。負(fù)膠膨脹變形，使分辨率下降。8.1 光刻工藝流程4.顯影后檢查顯影后檢查p顯影檢驗(yàn)顯影檢驗(yàn)n光刻工藝的第一次質(zhì)檢，任何光刻工藝的第一次質(zhì)檢，任何一次工藝過后都要進(jìn)行檢驗(yàn)，一次工藝過后都要進(jìn)行檢驗(yàn)，經(jīng)檢驗(yàn)合格的晶圓流入下一道經(jīng)檢驗(yàn)合格的晶圓流入下一道工藝。工藝。n光刻膠的圖形是臨時(shí)性的，光刻膠的圖

27、形是臨時(shí)性的，合格的硅片將被去除光刻膠返合格的硅片將被去除光刻膠返工，刻蝕和注入后的圖形是永工，刻蝕和注入后的圖形是永久的，刻蝕和注入后久的，刻蝕和注入后能返工。能返工。p顯影檢驗(yàn)的內(nèi)容顯影檢驗(yàn)的內(nèi)容n使用光學(xué)顯微鏡，掃描電子顯使用光學(xué)顯微鏡，掃描電子顯微鏡檢查。微鏡檢查。n掩模板是否選用正確掩模板是否選用正確n光刻膠層的質(zhì)量是否滿足要求，光刻膠層的質(zhì)量是否滿足要求，包括光刻膠的污染、空洞或劃包括光刻膠的污染、空洞或劃傷等。傷等。n圖形的質(zhì)量，如圖形尺寸上的圖形的質(zhì)量，如圖形尺寸上的偏差。偏差。n套準(zhǔn)精度是否滿足。套準(zhǔn)精度是否滿足。8.1 光刻工藝流程5.顯影的三個(gè)主要問題顯影的三個(gè)主要問題p

28、顯影不完全顯影不完全（Incomplete Development）n表面還殘留有光刻膠。顯影液不足造成；表面還殘留有光刻膠。顯影液不足造成；p顯影不夠（顯影不夠（Under Development）n顯影的側(cè)壁不垂直，由顯影時(shí)間不足造成；顯影的側(cè)壁不垂直，由顯影時(shí)間不足造成；p過度顯影（過度顯影（Over Development）n靠近表面的光刻膠被顯影液過度溶解，形成臺階。顯靠近表面的光刻膠被顯影液過度溶解，形成臺階。顯影時(shí)間太長影時(shí)間太長8.1 光刻工藝流程8.1 光刻工藝流程8.1 光刻工藝流程6.影響顯影效果的主要因素影響顯影效果的主要因素n曝光時(shí)間曝光時(shí)間n前烘的溫度和時(shí)間前烘的溫

29、度和時(shí)間n光刻膠的厚度光刻膠的厚度n顯影液的濃度顯影液的濃度n顯影液的溫度顯影液的溫度n顯影液的攪拌情況顯影液的攪拌情況8.1 光刻工藝流程五五堅(jiān)膜堅(jiān)膜1.目的：目的：高溫去掉光刻膠中剩余的溶劑，以免污染后續(xù)的高溫去掉光刻膠中剩余的溶劑，以免污染后續(xù)的離子注入環(huán)境（例如離子注入環(huán)境（例如DNQ酚醛樹脂光刻膠中的氮會引起酚醛樹脂光刻膠中的氮會引起光刻膠局部爆裂），增強(qiáng)光刻膠對光刻膠局部爆裂），增強(qiáng)光刻膠對Si片表面的附著力，片表面的附著力，同時(shí)提高光刻膠在刻蝕和離子注入過程中的抗蝕性和保同時(shí)提高光刻膠在刻蝕和離子注入過程中的抗蝕性和保護(hù)能力，進(jìn)一步減少駐波效應(yīng)（護(hù)能力，進(jìn)一步減少駐波效應(yīng)（Sta

30、nding Wave Effect）。）。8.1 光刻工藝流程2.具體工藝具體工藝熱板，溫度在熱板，溫度在120到到140，烘，烘烤烤12分鐘。分鐘。n在方法和設(shè)備上與前面介紹的在方法和設(shè)備上與前面介紹的軟烘焙相似。軟烘焙相似。n比前烘溫度高，但是不能超過比前烘溫度高，但是不能超過170-180，否則光刻膠就會，否則光刻膠就會流動從而破壞圖形，而且光刻流動從而破壞圖形，而且光刻膠內(nèi)部拉伸應(yīng)力的增加會使光膠內(nèi)部拉伸應(yīng)力的增加會使光刻膠的附著性下降?？棠z的附著性下降。堅(jiān)膜后對膠進(jìn)行光學(xué)穩(wěn)定堅(jiān)膜后對膠進(jìn)行光學(xué)穩(wěn)定n用紫外光（用紫外光（UV）輻照并加熱。）輻照并加熱。n目的是使光刻膠在干法刻蝕過目的是

31、使光刻膠在干法刻蝕過程中的抗蝕性得到增強(qiáng)，而且程中的抗蝕性得到增強(qiáng)，而且還可以減少在注入過程中從光還可以減少在注入過程中從光刻膠中逸出的氣體，防止在光刻膠中逸出的氣體，防止在光刻膠中形成氣泡?？棠z中形成氣泡。8.1 光刻工藝流程3.常見問題常見問題n烘焙工藝中時(shí)間和溫度仍然是主要的工藝參數(shù)烘焙工藝中時(shí)間和溫度仍然是主要的工藝參數(shù)，一般是制造商推一般是制造商推薦，工藝工程師精確調(diào)整。薦，工藝工程師精確調(diào)整。n烘烤不足（烘烤不足（Underbake）。）。減弱光刻膠的強(qiáng)度（抗刻蝕能力和離減弱光刻膠的強(qiáng)度（抗刻蝕能力和離子注入中的阻擋能力）；降低針孔填充能力（子注入中的阻擋能力）；降低針孔填充能力（

32、Gapfill Capability for the needle hole）；降低與基底的黏附能力。）；降低與基底的黏附能力。n烘烤過度（烘烤過度（Overbake）。）。引起光刻膠的流動，使圖形精度降低，引起光刻膠的流動，使圖形精度降低，分辨率變差。分辨率變差。 光刻膠在高溫下的流動光刻膠在高溫下的流動8.1 光刻工藝流程六六刻蝕刻蝕n在在8.11和和8.12中講述中講述七七去膠去膠p經(jīng)過刻蝕或離子注入后，不再經(jīng)過刻蝕或離子注入后，不再需要光刻膠做保護(hù)層，因此可需要光刻膠做保護(hù)層，因此可以去除。以去除。p具體工藝具體工藝p濕法去膠濕法去膠n有機(jī)溶液去膠，使用丙酮和芳有機(jī)溶液去膠，使用丙酮和

33、芳香族有機(jī)溶劑。香族有機(jī)溶劑。n無機(jī)溶液去膠，使用無機(jī)溶液去膠，使用H2SO4或或H2O2將膠中的將膠中的C氧化為氧化為CO2，若膠下為若膠下為Al，則不能用無機(jī)溶，則不能用無機(jī)溶液。液。p干法去膠干法去膠n用等離子體剝除光刻膠，但會用等離子體剝除光刻膠，但會有反應(yīng)殘留物，故經(jīng)常干法、有反應(yīng)殘留物，故經(jīng)常干法、濕法搭配使用。濕法搭配使用。8.2 分辨率一一定義定義n分辨率分辨率R指線條和間隔清晰可辨時(shí)每指線條和間隔清晰可辨時(shí)每mm中的線對數(shù)。中的線對數(shù)。二二描述描述n在分辨率的描述中常用線寬和線條間距相等的情況在分辨率的描述中常用線寬和線條間距相等的情況標(biāo)志水平，標(biāo)志水平，R定義為定義為R=1

34、/2L（/mm）n當(dāng)要加工的線條超過分辨率時(shí)，實(shí)際得到的線條和當(dāng)要加工的線條超過分辨率時(shí)，實(shí)際得到的線條和間隔分辨不清，即相鄰的兩個(gè)線條是模糊的。間隔分辨不清，即相鄰的兩個(gè)線條是模糊的。8.2 分辨率三三影響分辨率的因素影響分辨率的因素p受到光刻系統(tǒng)、光刻膠、工藝等各種因素的影響。受到光刻系統(tǒng)、光刻膠、工藝等各種因素的影響。p所使用的曝光光源為光、電子、離子、所使用的曝光光源為光、電子、離子、x射線等粒子束，限制分辨射線等粒子束，限制分辨率的根本原因是衍射。率的根本原因是衍射。p可以推導(dǎo)出用粒子束曝光，可得到的最細(xì)線條?？梢酝茖?dǎo)出用粒子束曝光，可得到的最細(xì)線條。p粒子束能量粒子束能量E一定的話

35、，離子質(zhì)量一定的話，離子質(zhì)量mLR，但有一定的限，但有一定的限制，因?yàn)殡x子本身的線度一般大于制，因?yàn)殡x子本身的線度一般大于1，所以用其加工的尺寸不可，所以用其加工的尺寸不可能小于他本身的尺度。能小于他本身的尺度。pm一定，一定，ELR。p下面各節(jié)介紹的內(nèi)容，都是討論其是如何影響分辨率的。下面各節(jié)介紹的內(nèi)容，都是討論其是如何影響分辨率的。2 2hLmE 8.3 光刻膠的基本屬性p光刻膠光刻膠又稱又稱光致抗蝕劑光致抗蝕劑(Photo-Resist) ，是光刻工是光刻工藝的核心，光刻過程中的藝的核心，光刻過程中的所有操作都會根據(jù)特定的所有操作都會根據(jù)特定的光刻膠性質(zhì)和想達(dá)到的預(yù)光刻膠性質(zhì)和想達(dá)到的預(yù)

36、期結(jié)果而進(jìn)行微調(diào)。光刻期結(jié)果而進(jìn)行微調(diào)。光刻膠的選擇和光刻工藝的研膠的選擇和光刻工藝的研發(fā)是一個(gè)非常漫長的過程。發(fā)是一個(gè)非常漫長的過程。一一光刻膠的分類光刻膠的分類p根據(jù)光刻膠在曝光前后溶解特根據(jù)光刻膠在曝光前后溶解特性的變化，分為性的變化，分為1.正光刻膠正光刻膠(Positive optical resist)n感光區(qū)域在顯影時(shí)可以溶解，感光區(qū)域在顯影時(shí)可以溶解，而未感光區(qū)域在顯影時(shí)不溶解，而未感光區(qū)域在顯影時(shí)不溶解，因此，所形成的光刻膠圖形是因此，所形成的光刻膠圖形是掩模板圖形的正映像。掩模板圖形的正映像。2.負(fù)光刻膠負(fù)光刻膠(Negative optical resist)n同正膠相反

37、。同正膠相反。8.3 光刻膠的基本屬性p正膠正膠n分辨率高分辨率高 小于小于1微米微米n抗干法刻蝕能力強(qiáng)抗干法刻蝕能力強(qiáng)n較好的熱穩(wěn)定性較好的熱穩(wěn)定性n小的聚合物尺寸，有小的聚合物尺寸，有高高的分辨的分辨n大大應(yīng)用于應(yīng)用于IC fabsp負(fù)膠負(fù)膠n對某些襯底表面粘附性好對某些襯底表面粘附性好n曝光時(shí)間短，產(chǎn)量高曝光時(shí)間短，產(chǎn)量高n工藝寬容度較高工藝寬容度較高 （顯影液（顯影液稀釋度、溫度等）稀釋度、溫度等）n價(jià)格較低價(jià)格較低 （約正膠的三分（約正膠的三分之一）之一）n分辨率較低分辨率較低n含二甲苯，對環(huán)境、身體有含二甲苯，對環(huán)境、身體有害害8.3 光刻膠的基本屬性二二光刻膠使用的目的光刻膠使用

38、的目的n將掩膜版的圖形轉(zhuǎn)移到將掩膜版的圖形轉(zhuǎn)移到Si片表面的片表面的SiO2層中。層中。n在后續(xù)工藝（刻蝕、離子注入）中保護(hù)下面的材料。在后續(xù)工藝（刻蝕、離子注入）中保護(hù)下面的材料。三三光刻膠的成分光刻膠的成分1.聚合物材料（也稱樹脂）聚合物材料（也稱樹脂）n在光的輻照下不發(fā)生在光的輻照下不發(fā)生 化學(xué)反應(yīng)，其主要作用是保證光刻膠薄膜的附著化學(xué)反應(yīng)，其主要作用是保證光刻膠薄膜的附著性和抗蝕性，同時(shí)也決定了光刻膠薄膜的膜厚、彈性和熱穩(wěn)定性等性性和抗蝕性，同時(shí)也決定了光刻膠薄膜的膜厚、彈性和熱穩(wěn)定性等性質(zhì)。質(zhì)。2.感光材料（感光劑、感光材料（感光劑、PAC）n一般為復(fù)合物，在受光照后會發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。

39、一般為復(fù)合物，在受光照后會發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。在在g線和線和i線光刻中使用線光刻中使用的正膠是重氮醌感光劑和酚醛樹脂構(gòu)成的。的正膠是重氮醌感光劑和酚醛樹脂構(gòu)成的。3.溶劑溶劑n溶解樹脂和感光劑。使光刻膠在涂到溶解樹脂和感光劑。使光刻膠在涂到Si片表面之前保持為液態(tài)。片表面之前保持為液態(tài)。8.3 光刻膠的基本屬性p樹脂樹脂是一種惰性的是一種惰性的聚合物聚合物，包括，包括碳、氫、氧碳、氫、氧的有機(jī)高分子。用于把光的有機(jī)高分子。用于把光刻膠中的不同材料聚在一起的粘合劑。膠膜的主體，刻膠中的不同材料聚在一起的粘合劑。膠膜的主體，UV曝光后發(fā)生曝光后發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)，溶解性質(zhì)發(fā)生改變。正膠從不可溶到可溶，負(fù)膠從

40、可溶光化學(xué)反應(yīng)，溶解性質(zhì)發(fā)生改變。正膠從不可溶到可溶，負(fù)膠從可溶到不可溶。到不可溶。p對負(fù)性膠，聚合物曝光后會由非聚合狀態(tài)變?yōu)榫酆蠣顟B(tài)。對負(fù)性膠，聚合物曝光后會由非聚合狀態(tài)變?yōu)榫酆蠣顟B(tài)。在大多數(shù)負(fù)在大多數(shù)負(fù)性膠里面，聚合物是性膠里面，聚合物是聚異戊二烯聚異戊二烯類型。是一種相互粘結(jié)的物質(zhì)類型。是一種相互粘結(jié)的物質(zhì)抗抗刻蝕的物質(zhì)刻蝕的物質(zhì)，如圖所示。，如圖所示。雙鍵未聚合的聚合的能量CHCHCHCH(a)(b) 8.3 光刻膠的基本屬性p正性膠正性膠的基本聚合物是的基本聚合物是苯酚甲醛苯酚甲醛聚合物，也稱為聚合物，也稱為苯酚苯酚甲醛樹脂甲醛樹脂。如圖所示。如圖所示。p在光刻膠中聚合物是相對不可溶

41、的，用適當(dāng)能量的光照后在光刻膠中聚合物是相對不可溶的，用適當(dāng)能量的光照后變成可溶狀態(tài)。這種反應(yīng)稱為變成可溶狀態(tài)。這種反應(yīng)稱為光溶解反應(yīng)光溶解反應(yīng)鄰位（和）26間位（和）34間甲酚甲醛對位（）48.3 光刻膠的基本屬性p光刻膠中的光刻膠中的感光劑感光劑是光刻膠材料中的光敏成分。在紫外區(qū)，是光刻膠材料中的光敏成分。在紫外區(qū)，會發(fā)生反應(yīng)。即對光能發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。會發(fā)生反應(yīng)。即對光能發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。p如果聚合物中不添加感光劑，那么它對光的敏感性差，而如果聚合物中不添加感光劑，那么它對光的敏感性差，而且光譜范圍較寬，添加特定的感光劑后，可以增加感光靈且光譜范圍較寬，添加特定的感光劑后，可以增加感光靈敏度，而

42、且限制反應(yīng)光的光譜范圍，或者把反應(yīng)光限制在敏度，而且限制反應(yīng)光的光譜范圍，或者把反應(yīng)光限制在某一波長的光。某一波長的光。p控制和或改變光化學(xué)反應(yīng)控制和或改變光化學(xué)反應(yīng)p決定曝光時(shí)間和強(qiáng)度決定曝光時(shí)間和強(qiáng)度8.3 光刻膠的基本屬性8.3 光刻膠的基本屬性p光刻膠中容量最大的成分是光刻膠中容量最大的成分是溶劑溶劑。添加溶劑的目的是光刻添加溶劑的目的是光刻膠處于液態(tài)，膠處于液態(tài)，以便使光刻膠能夠通過旋轉(zhuǎn)的方法涂在晶園以便使光刻膠能夠通過旋轉(zhuǎn)的方法涂在晶園表面。表面。p絕大多數(shù)的溶劑在曝光前揮發(fā)，對于光刻膠的光化學(xué)性質(zhì)絕大多數(shù)的溶劑在曝光前揮發(fā)，對于光刻膠的光化學(xué)性質(zhì)幾乎沒有影響。幾乎沒有影響。p作用

43、是，溶解聚合物，經(jīng)過旋轉(zhuǎn)涂布可得到薄光刻膠膜作用是，溶解聚合物，經(jīng)過旋轉(zhuǎn)涂布可得到薄光刻膠膜8.3 光刻膠的基本屬性p光刻膠中的光刻膠中的添加劑添加劑通常是專有化學(xué)品，成份由制造商開發(fā)，通常是專有化學(xué)品，成份由制造商開發(fā)，但是但是由于競爭原因不對外公布由于競爭原因不對外公布。p主要在光刻膠薄膜中主要在光刻膠薄膜中用來改變光刻膠的特定化學(xué)性質(zhì)或光用來改變光刻膠的特定化學(xué)性質(zhì)或光響應(yīng)特性。如添加染色劑以減少反射。響應(yīng)特性。如添加染色劑以減少反射。8.3 光刻膠的基本屬性四四光刻膠的性質(zhì)光刻膠的性質(zhì)1.對比度對比度n定義：光刻膠從曝光區(qū)到非曝光區(qū)過渡的陡峭程度。定義：光刻膠從曝光區(qū)到非曝光區(qū)過渡的陡

44、峭程度。對比度越好，形成的圖形的側(cè)壁越陡峭，分辨率越好。對比度越好，形成的圖形的側(cè)壁越陡峭，分辨率越好。n對比度高的光刻膠造成更好的分辨率。對比度高的光刻膠造成更好的分辨率。n測量方法：對一定厚度的光刻膠，改變曝光劑量，在測量方法：對一定厚度的光刻膠，改變曝光劑量，在固定時(shí)間內(nèi)顯影，看顯影后留下的光刻膠厚度。固定時(shí)間內(nèi)顯影，看顯影后留下的光刻膠厚度。8.3 光刻膠的基本屬性p理想情況理想情況p實(shí)際情況實(shí)際情況pDf:完全溶解光刻膠所需的曝光完全溶解光刻膠所需的曝光劑量劑量pD0:溶解光刻膠所需的閾值曝光溶解光刻膠所需的閾值曝光劑量劑量p這是因?yàn)?，在?shí)際的曝光過程這是因?yàn)?，在?shí)際的曝光過程中，由

45、于衍射和散射的影響，中，由于衍射和散射的影響，光刻膠所受到的輻照有一定的光刻膠所受到的輻照有一定的分布。分布。101logofDD8.3 光刻膠的基本屬性2.光刻膠的膨脹光刻膠的膨脹n主要發(fā)生在負(fù)膠中。在顯影過程中，若顯影液滲透到主要發(fā)生在負(fù)膠中。在顯影過程中，若顯影液滲透到光刻膠中，光刻膠的體積會膨脹，導(dǎo)致圖形尺寸發(fā)生光刻膠中，光刻膠的體積會膨脹，導(dǎo)致圖形尺寸發(fā)生變化。變化。n正膠不發(fā)生膨脹，故分辨率高于負(fù)膠。在相同分辨率正膠不發(fā)生膨脹，故分辨率高于負(fù)膠。在相同分辨率的情況下，正膠可以涂地厚一些，從而得到更好的平的情況下，正膠可以涂地厚一些，從而得到更好的平臺覆蓋，并能降低缺陷的產(chǎn)生。臺覆蓋

46、，并能降低缺陷的產(chǎn)生。8.3 光刻膠的基本屬性3.光敏度光敏度n光刻膠的光敏度是指完成所需圖形曝光的最小曝光劑量。光刻膠的光敏度是指完成所需圖形曝光的最小曝光劑量。n對于光化學(xué)反應(yīng)，光敏度是由曝光效率決定的。對于光化學(xué)反應(yīng)，光敏度是由曝光效率決定的。n曝光效率可以定義為參與光刻膠曝光的光子能量與進(jìn)入光刻膠中曝光效率可以定義為參與光刻膠曝光的光子能量與進(jìn)入光刻膠中的光子能量的比值。的光子能量的比值。n正膠比負(fù)膠的光敏度好，因?yàn)榍罢哂懈叩钠毓庑剩毓庑Чz比負(fù)膠的光敏度好，因?yàn)榍罢哂懈叩钠毓庑?，曝光效果好。好。n提高光敏度可以縮短曝光時(shí)間。提高光敏度可以縮短曝光時(shí)間。n但是光敏度也不能太

47、高，否則室溫下就可能發(fā)生熱反應(yīng)，使光刻但是光敏度也不能太高，否則室溫下就可能發(fā)生熱反應(yīng)，使光刻膠的儲存時(shí)間減少。膠的儲存時(shí)間減少。8.3 光刻膠的基本屬性4.抗刻蝕能力抗刻蝕能力n指在圖形轉(zhuǎn)移過程中，光刻膠抵抗刻蝕（腐蝕）的能指在圖形轉(zhuǎn)移過程中，光刻膠抵抗刻蝕（腐蝕）的能力。力。n通常光刻膠對濕法腐蝕有比較好的抗腐蝕能力，對大通常光刻膠對濕法腐蝕有比較好的抗腐蝕能力，對大部分的干法刻蝕，光刻膠的抗刻蝕能力較差。部分的干法刻蝕，光刻膠的抗刻蝕能力較差。8.3 光刻膠的基本屬性5.黏著力黏著力n光刻膠通常是涂在金屬層、光刻膠通常是涂在金屬層、SiO2、PSG、Si3N4和和Si襯底上，在光襯底上，

48、在光刻和腐蝕（刻蝕）的過程中，光刻膠要牢固的附著在這些物質(zhì)表刻和腐蝕（刻蝕）的過程中，光刻膠要牢固的附著在這些物質(zhì)表面。否則在刻蝕過程中會發(fā)生鉆蝕和浮膠。面。否則在刻蝕過程中會發(fā)生鉆蝕和浮膠。n增強(qiáng)黏附性的方法有增強(qiáng)黏附性的方法有p在涂膠之前在涂膠之前Si片進(jìn)行脫水處理片進(jìn)行脫水處理p使用使用HDMS、TMSDEA增粘劑增粘劑p提高堅(jiān)膜的循環(huán)溫度提高堅(jiān)膜的循環(huán)溫度p使用干法刻蝕，可以降低對黏著力的要求。使用干法刻蝕，可以降低對黏著力的要求。8.3 光刻膠的基本屬性6.溶解度和黏滯度溶解度和黏滯度n光刻膠由溶劑溶解了固態(tài)光刻膠由溶劑溶解了固態(tài)物質(zhì)（如樹脂）所形成的物質(zhì)（如樹脂）所形成的液體，其中

49、溶解的固態(tài)物液體，其中溶解的固態(tài)物質(zhì)所占的比重稱為溶解度。質(zhì)所占的比重稱為溶解度。黏滯度由溶解度控制。二黏滯度由溶解度控制。二者都和環(huán)境溫度有關(guān)系。者都和環(huán)境溫度有關(guān)系。n嚴(yán)格控制涂膠和甩膠時(shí)的嚴(yán)格控制涂膠和甩膠時(shí)的溶解度以及工作溫度，才溶解度以及工作溫度，才可能得到可重復(fù)的膠膜厚可能得到可重復(fù)的膠膜厚度。度。7.微粒數(shù)量和金屬含量微粒數(shù)量和金屬含量n為了控制微粒數(shù)量，光刻為了控制微粒數(shù)量，光刻膠在生產(chǎn)過程中要經(jīng)過嚴(yán)膠在生產(chǎn)過程中要經(jīng)過嚴(yán)格的過濾和包裝。格的過濾和包裝。n在使用前仍要進(jìn)行過濾。在使用前仍要進(jìn)行過濾。n金屬含量主要指金屬含量主要指Na和和K的的含量。含量。8.儲存壽命儲存壽命n光

50、刻膠的成分會隨著時(shí)間光刻膠的成分會隨著時(shí)間和溫度而發(fā)生變化。和溫度而發(fā)生變化。n通常負(fù)膠比正膠的壽命短。通常負(fù)膠比正膠的壽命短。8.4 提高光刻分辨率的方法一一采用多層光刻膠工藝采用多層光刻膠工藝n減小光刻膠層的厚度可以提高分辨率，但又需要有減小光刻膠層的厚度可以提高分辨率，但又需要有足夠的厚度保護(hù)下面的圖形，同時(shí)還需要克服由于足夠的厚度保護(hù)下面的圖形，同時(shí)還需要克服由于各處光刻膠厚度不均勻所引起的線寬差異。各處光刻膠厚度不均勻所引起的線寬差異。n為了得到既薄又致密的光刻膠層，在成像工藝中采為了得到既薄又致密的光刻膠層，在成像工藝中采用了多層光刻膠（用了多層光刻膠（MLR）技術(shù)。采用性質(zhì)不同的

51、多）技術(shù)。采用性質(zhì)不同的多層光刻膠，分別利用其抗蝕性，平面平坦化等方面層光刻膠，分別利用其抗蝕性，平面平坦化等方面的不同特性完成圖形的轉(zhuǎn)移。的不同特性完成圖形的轉(zhuǎn)移。nMLR工藝在增加工藝復(fù)雜性的同時(shí)，提高了分辨率工藝在增加工藝復(fù)雜性的同時(shí)，提高了分辨率和聚焦深度。和聚焦深度。8.4 提高光刻分辨率的方法二二采用抗反射圖層工藝（采用抗反射圖層工藝（ARC）n在光刻膠層的頂部或底部使用抗反射涂層，以改善駐波效應(yīng)，在光刻膠層的頂部或底部使用抗反射涂層，以改善駐波效應(yīng)，光刻膠中光強(qiáng)的周期性變化引起光刻膠層中光能吸收的不均勻，光刻膠中光強(qiáng)的周期性變化引起光刻膠層中光能吸收的不均勻，最終導(dǎo)致線寬發(fā)生變化

52、，降低分辨率的不利影響。最終導(dǎo)致線寬發(fā)生變化，降低分辨率的不利影響。n駐波效應(yīng)駐波效應(yīng)(standing wave):p曝光光波在進(jìn)入到光刻膠層之后，若沒有完全吸收，就會有一部分曝光光波在進(jìn)入到光刻膠層之后，若沒有完全吸收，就會有一部分光波穿過光刻膠層到達(dá)襯底表面，這一部分光波在襯底表面被反射光波穿過光刻膠層到達(dá)襯底表面，這一部分光波在襯底表面被反射之后，又回到光刻膠中，反射光波和入射光波發(fā)生干涉，形成駐波。之后，又回到光刻膠中，反射光波和入射光波發(fā)生干涉，形成駐波。p表現(xiàn)為以表現(xiàn)為以/2n （為曝光波長，為曝光波長，n為光刻膠的折射率）為間隔，在為光刻膠的折射率）為間隔，在光刻膠中形成強(qiáng)弱相

53、間的曝光區(qū)域。光刻膠中形成強(qiáng)弱相間的曝光區(qū)域。p周期性的過曝光和曝光周期性的過曝光和曝光足，影響光刻膠的分辨足，影響光刻膠的分辨。8.4 提高光刻分辨率的方法三三移相掩膜技術(shù)移相掩膜技術(shù)n在光掩模版的某些透明圖形上增加或減少一個(gè)透明在光掩模版的某些透明圖形上增加或減少一個(gè)透明的介質(zhì)層，使光在通過這個(gè)介質(zhì)層厚產(chǎn)生的介質(zhì)層，使光在通過這個(gè)介質(zhì)層厚產(chǎn)生180度的相度的相位差，與鄰近區(qū)域的光波產(chǎn)生干涉效應(yīng)，從而抵消位差，與鄰近區(qū)域的光波產(chǎn)生干涉效應(yīng)，從而抵消圖形邊緣的光衍射效應(yīng)，提高曝光的分辨率。圖形邊緣的光衍射效應(yīng)，提高曝光的分辨率。n移相層材料移相層材料p有機(jī)膜，即光刻膠、有機(jī)膜，即光刻膠、PMM

54、A膠膠p無機(jī)膜，無機(jī)膜，SiO28.4 提高光刻分辨率的方法8.4 提高光刻分辨率的方法p減少駐波效應(yīng)的減少駐波效應(yīng)的2個(gè)途徑個(gè)途徑n抗反射層抗反射層n曝光后烘烤曝光后烘烤8.5 曝光技術(shù)簡介一一紫外光曝光紫外光曝光p紫外（紫外（UV）光源和深紫外（）光源和深紫外（DUV）光源是目）光源是目前工業(yè)上普遍采用的曝光光源。前工業(yè)上普遍采用的曝光光源。p以前常采用高壓汞燈產(chǎn)生以前常采用高壓汞燈產(chǎn)生UV、DUV光線，現(xiàn)光線，現(xiàn)在多采用在多采用KrF準(zhǔn)分子激光器產(chǎn)生準(zhǔn)分子激光器產(chǎn)生DUV光線。光線。8.5 曝光技術(shù)簡介1.接近式曝光接近式曝光n掩膜版與掩膜版與Si片之間有一小的間隙，通常約片之間有一小的

55、間隙，通常約5m。n衍射比較嚴(yán)重，只能用于衍射比較嚴(yán)重，只能用于3m以上的工藝。以上的工藝。n最小線寬最小線寬: Wm= (d)1/2，d:間隔；間隔；：光源波：光源波長。長。n分辨率取決于間隙的大小，一般分辨率較差，分辨率取決于間隙的大小，一般分辨率較差，為為2-4m，d=10um, I-line (365nm) W 2umn優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：接近式曝光是以犧牲分辨率來延長了接近式曝光是以犧牲分辨率來延長了掩膜版的壽命，掩膜壽命長（可提高掩膜版的壽命，掩膜壽命長（可提高10 倍以倍以上），圖形缺陷少。上），圖形缺陷少。n缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：分辨率低，圖形模糊，操作比較復(fù)雜分辨率低，圖形模糊，操作比較復(fù)雜8

56、.5 曝光技術(shù)簡介2.接觸式曝光接觸式曝光n與接近式相似，只是掩膜版與與接近式相似，只是掩膜版與Si片時(shí)緊片時(shí)緊密接觸的。由于光刻膠頂層平面不平，密接觸的。由于光刻膠頂層平面不平，所以該曝光方式中間隔并不嚴(yán)格為所以該曝光方式中間隔并不嚴(yán)格為0。n由于掩膜版與硅片相接觸磨損，使得掩由于掩膜版與硅片相接觸磨損，使得掩膜版的壽命降低。膜版的壽命降低。 nMask Image: Resist Image = 1:1, 設(shè)備簡設(shè)備簡單，分辨率高，可達(dá)到單，分辨率高，可達(dá)到0.5 m 。主要用。主要用于于SSI和和MSI電路中電路中n必須加壓力，會使膠膜剝離；必須加壓力，會使膠膜剝離； 易沾污，易沾污，掩

57、膜版易損壞，成品率下降。目前在生掩膜版易損壞，成品率下降。目前在生產(chǎn)中很少使用。產(chǎn)中很少使用。8.5 曝光技術(shù)簡介3.投影式曝光投影式曝光n已成為已成為3m以下光刻的主要手段。以下光刻的主要手段。n利用透鏡或反射鏡將掩膜版上的圖形投影到襯底上的曝光方法利用透鏡或反射鏡將掩膜版上的圖形投影到襯底上的曝光方法n避免了掩膜版與硅片表面的摩擦，延長了掩膜版的壽命。避免了掩膜版與硅片表面的摩擦，延長了掩膜版的壽命。n掩膜版的尺寸可以比實(shí)際尺寸大得多，克服了小圖形制版的困難。掩膜版的尺寸可以比實(shí)際尺寸大得多，克服了小圖形制版的困難。n消除了由于掩膜版圖形線寬過小而產(chǎn)生的光衍射效應(yīng)，以及掩膜版消除了由于掩膜

58、版圖形線寬過小而產(chǎn)生的光衍射效應(yīng)，以及掩膜版與硅片表面接觸不平整而產(chǎn)生的光散射現(xiàn)象。與硅片表面接觸不平整而產(chǎn)生的光散射現(xiàn)象。n為了提高分辨率，減少圖形畸變，為了提高分辨率，減少圖形畸變，一次曝光的象場較小一次曝光的象場較小，采用掃描采用掃描式曝光。式曝光。 n投影式曝光雖有很多優(yōu)點(diǎn)，但由于光刻設(shè)備中許多鏡頭需要特制，投影式曝光雖有很多優(yōu)點(diǎn)，但由于光刻設(shè)備中許多鏡頭需要特制，設(shè)備復(fù)雜。設(shè)備復(fù)雜。8.5 曝光技術(shù)簡介8.5 曝光技術(shù)簡介接接觸觸式式非非接接觸觸式式優(yōu)點(diǎn)：設(shè)備簡單，分辨率較高。優(yōu)點(diǎn)：設(shè)備簡單，分辨率較高。缺點(diǎn)：掩模版與晶片易損傷，成品率低。缺點(diǎn)：掩模版與晶片易損傷，成品率低。接近式接

59、近式優(yōu)點(diǎn)：掩模版壽命長，成本低。優(yōu)點(diǎn)：掩模版壽命長，成本低。缺點(diǎn)：衍射效應(yīng)嚴(yán)重，影響分辨率。缺點(diǎn)：衍射效應(yīng)嚴(yán)重，影響分辨率。投影式投影式全反射全反射折射折射優(yōu)點(diǎn)：無像差，無駐波效應(yīng)影響。優(yōu)點(diǎn)：無像差，無駐波效應(yīng)影響。缺點(diǎn)：光學(xué)系統(tǒng)復(fù)雜，對準(zhǔn)困難。缺點(diǎn)：光學(xué)系統(tǒng)復(fù)雜，對準(zhǔn)困難。優(yōu)點(diǎn)：對片子平整度要求低，可采用優(yōu)點(diǎn)：對片子平整度要求低，可采用較大孔徑的透鏡以提高分辨率，較大孔徑的透鏡以提高分辨率，掩模制造方便。掩模制造方便。缺點(diǎn)：設(shè)備昂貴，曝光效率低。缺點(diǎn)：設(shè)備昂貴，曝光效率低。8.5 曝光技術(shù)簡介8.5 曝光技術(shù)簡介二二x射線曝光射線曝光p目前光學(xué)光刻技術(shù)已達(dá)到目前光學(xué)光刻技術(shù)已達(dá)到0.13m，

60、這已經(jīng)接近光學(xué)光刻技術(shù)的極限，這已經(jīng)接近光學(xué)光刻技術(shù)的極限，替代光學(xué)光刻技術(shù)的主要有替代光學(xué)光刻技術(shù)的主要有x射線光射線光刻和電子束光刻。刻和電子束光刻。p曝光光源：曝光光源：X射線，這是一種用于射線，這是一種用于深亞微米（可達(dá)深亞微米（可達(dá)0.1微米）工藝的光微米）工藝的光刻技術(shù)刻技術(shù)p掩膜版：黃金或其他能擋住掩膜版：黃金或其他能擋住X射線射線的材料。的材料。p一種一種1：1的接近式光刻方法的接近式光刻方法pX 射線光源有二種射線光源有二種nX 射線點(diǎn)光源射線點(diǎn)光源 p用電子束轟擊靶發(fā)射的用電子束轟擊靶發(fā)射的X光光n同步輻射光源同步輻射光源p電子在磁場沿曲線軌道運(yùn)動發(fā)出電電子在磁場沿曲線軌道

61、運(yùn)動發(fā)出電磁輻射磁輻射p機(jī)械裝置對準(zhǔn)，用機(jī)械裝置對準(zhǔn)，用X射線光源使射線光源使含有對含有對X線透明和不透明區(qū)的掩線透明和不透明區(qū)的掩膜圖形成像到涂有對膜圖形成像到涂有對X射線敏感射線敏感的光刻膠的硅片表面，最終形成的光刻膠的硅片表面，最終形成器件制作所需的圖形。器件制作所需的圖形。p優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)n波長應(yīng)用范圍波長應(yīng)用范圍0.52nm，分辨率，分辨率高高n焦深大，工藝寬容度大焦深大，工藝寬容度大n有機(jī)塵粒缺陷不敏感有機(jī)塵粒缺陷不敏感8.5 曝光技術(shù)簡介光譜光譜波長（波長（nm)掩模材料掩模材料分辨率分辨率紫外光紫外光UV365 436玻璃玻璃/Cr0.5 m 深紫外光深紫外光DUV193 248石英

62、石英/Cr、Al0.2 m 極紫外光極紫外光EUV10 15多涂層反射層多涂層反射層/金屬吸收層金屬吸收層0.1 m X 射線射線0.2 4Si、Si3N4、Al2O3/ Au、Pt、Os 等等0.1 m 8.5 曝光技術(shù)簡介三三電子束直寫曝光電子束直寫曝光n利用具有一定能量的電子與光刻膠碰撞作用，發(fā)生化利用具有一定能量的電子與光刻膠碰撞作用，發(fā)生化學(xué)反應(yīng)完成曝光。學(xué)反應(yīng)完成曝光。n電子束曝光的精度較高。電子束的斑點(diǎn)可以聚焦的很電子束曝光的精度較高。電子束的斑點(diǎn)可以聚焦的很小，可用計(jì)算機(jī)控制，精度遠(yuǎn)比肉眼觀察要高。小，可用計(jì)算機(jī)控制，精度遠(yuǎn)比肉眼觀察要高。n電子束曝光改變光刻圖形十分簡便。各次

63、曝光圖形用電子束曝光改變光刻圖形十分簡便。各次曝光圖形用計(jì)算機(jī)來完成。計(jì)算機(jī)來完成。n掃描電子束曝光不要掩膜版。掃描電子束曝光不要掩膜版。n電子束曝光設(shè)備復(fù)雜，成本較高。電子束曝光設(shè)備復(fù)雜，成本較高。真空中進(jìn)行，清潔真空中進(jìn)行，清潔度高。缺點(diǎn)是產(chǎn)量小，會產(chǎn)生鄰近效應(yīng)。度高。缺點(diǎn)是產(chǎn)量小，會產(chǎn)生鄰近效應(yīng)。8.5 曝光技術(shù)簡介p鄰近效應(yīng)鄰近效應(yīng)n電子在光刻膠中會發(fā)生散射，電子在光刻膠中會發(fā)生散射，而且電子一旦到達(dá)襯底與光刻而且電子一旦到達(dá)襯底與光刻膠層的界面處，還會發(fā)生背散膠層的界面處，還會發(fā)生背散射。將散射分為前向散射和背射。將散射分為前向散射和背散射，前向散射的散射方向與散射，前向散射的散射方

64、向與電子束入射方向的夾角很小，電子束入射方向的夾角很小，知道值曝光圖像的輕微展寬。知道值曝光圖像的輕微展寬。背散射將使大面積的光刻膠層背散射將使大面積的光刻膠層發(fā)生程度不同的曝光，最終使發(fā)生程度不同的曝光，最終使大面積的圖形模糊，因此造成大面積的圖形模糊，因此造成電子束曝光形成的圖形出現(xiàn)畸電子束曝光形成的圖形出現(xiàn)畸變，這種效應(yīng)稱為鄰近效應(yīng)。變，這種效應(yīng)稱為鄰近效應(yīng)。p鄰近效應(yīng)導(dǎo)致兩種情況鄰近效應(yīng)導(dǎo)致兩種情況n因增強(qiáng)曝光引起圖形的凸起。因增強(qiáng)曝光引起圖形的凸起。n因減弱曝光引起圖形的缺損。因減弱曝光引起圖形的缺損。p為了減弱電子散射引起的圖像為了減弱電子散射引起的圖像畸變，在電子束曝光中，通過畸

65、變，在電子束曝光中，通過選擇電子束能量、光刻膠膜厚選擇電子束能量、光刻膠膜厚和曝光劑量，可以在一定程度和曝光劑量，可以在一定程度上克服電子散射引起的圖形畸上克服電子散射引起的圖形畸變問題。變問題。8.6 ULSI對圖形轉(zhuǎn)移的要求p光刻工藝結(jié)束之后，為了獲得光刻工藝結(jié)束之后，為了獲得器件的結(jié)構(gòu)，必須把光刻膠層器件的結(jié)構(gòu)，必須把光刻膠層上的圖形轉(zhuǎn)移到膠層下方的材上的圖形轉(zhuǎn)移到膠層下方的材料中去。這就需要對其進(jìn)行腐料中去。這就需要對其進(jìn)行腐（刻）蝕，目前常用的有液態(tài)（刻）蝕，目前常用的有液態(tài)的濕法腐蝕和氣態(tài)干法腐蝕。的濕法腐蝕和氣態(tài)干法腐蝕。p先介紹介個(gè)概念先介紹介個(gè)概念p圖形轉(zhuǎn)移的保真度圖形轉(zhuǎn)移的

66、保真度n各向異性腐蝕：方向不同，腐各向異性腐蝕：方向不同，腐蝕特性不同。蝕特性不同。n各向同性腐蝕：方向不同，腐各向同性腐蝕：方向不同，腐蝕特性相同。蝕特性相同。p選擇比選擇比n兩種不同材料在腐蝕的過程中兩種不同材料在腐蝕的過程中被腐蝕的速率比。被腐蝕的速率比。p均勻性均勻性n希望希望Si片表面各處能夠被均勻片表面各處能夠被均勻腐蝕。腐蝕。p刻蝕的清潔刻蝕的清潔n防止在腐蝕的過程中引入玷污。防止在腐蝕的過程中引入玷污。8.7 濕法腐蝕p定義：定義：使用特定的溶液與需要被腐蝕的薄膜材料進(jìn)行化學(xué)使用特定的溶液與需要被腐蝕的薄膜材料進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，進(jìn)而除去沒有被光刻膠覆蓋區(qū)域的薄膜。反應(yīng)，進(jìn)而除去沒有被光刻膠覆蓋區(qū)域的薄膜。p優(yōu)點(diǎn)是工藝簡單，缺點(diǎn)是各向同性腐蝕。優(yōu)點(diǎn)是工藝簡單，缺點(diǎn)是各向同性腐蝕。p通常伴有放熱放氣，若不及時(shí)散熱會影響腐蝕效果。散熱通常伴有放熱放氣，若不及時(shí)散熱會影響腐蝕效果。散熱不及時(shí)，升溫和加速反應(yīng)會惡性循環(huán)，導(dǎo)致無法控制；散不及時(shí)，升溫和加速反應(yīng)會惡性循環(huán)，導(dǎo)致無法控制；散氣不及時(shí)，氣泡會隔絕腐蝕液和襯底使局部反應(yīng)停止。所氣不及時(shí)，氣泡會隔絕腐蝕液和襯底使局部反應(yīng)停止。所