第五章光刻

第五章光刻 Photolithography

光刻是IC制造业中最为重要的一道工艺,占据了芯片制造中大约一半的步骤.光刻占所有成本的35%光刻是IC制造业中最为重要的一道工艺,占据了芯片制造中大约一半的步骤.光刻占所有成本的35% 通常可用光刻次数及所需掩模的个数来表示某生产工艺的难易程度。一个典型的硅集成电路工艺包括15－20块掩膜版

集成电路的特征尺寸是否能够进一步减小，也与光刻技术的进一步发展有密切的关系。集成电路的特征尺寸是否能够进一步减小，也与光刻技术的进一步发展有密切的关系。通常人们用特征尺寸来评价一个集成电路生产线的技术水平。所谓特征尺寸（CD：characteristic dimension）是指设计的多晶硅栅长，它标志了器件工艺的总体水平，是设计规则的主要部分。 • 通常我们所说的0.13m,0.09m工艺就是 • 指的光刻技术所能达到最小线条的工艺。

光刻的定义光刻是一种图形复印和化学腐蚀相结合的精密表面加工技术。用照相复印的方法将掩模版上的图案转移到硅片表面的光刻胶上，以实现后续的有选择刻蚀或注入掺杂光刻的定义光刻是一种图形复印和化学腐蚀相结合的精密表面加工技术。用照相复印的方法将掩模版上的图案转移到硅片表面的光刻胶上，以实现后续的有选择刻蚀或注入掺杂。光刻的目的：光刻的目的就是在二氧化硅或金属薄膜上面刻蚀出与掩膜版完全对应的几何图形，把掩模版上的图形转换成晶圆上的器件结构,从而实现选择性扩散和金属薄膜布线的目的。

两次图形转移： 掩模板图形转移到光刻胶层（光刻）光刻胶层到晶圆层（刻蚀）

光刻的要求 • 对光刻的基本要求：（1）高分辨率（2）高灵敏度（3）精密的套刻对准（4）大尺寸硅片上的加工（5）低缺陷

1. 高分辨率 • 分辨率是将硅片上两个邻近的特征图形区分开来的能力，即对光刻工艺中可以达到的最小光刻图形尺寸的一种描述，是光刻精度和清晰度的标志之一。 • 随着集成电路的集成度提高，加工的线条越来越细，对分辨率的要求也越来越高。 • 通常以每毫米内能刻蚀出可分辨的最多线条数目来表示。 • R= 1/2L（线宽和线与线间空白宽度均为L）

2.高灵敏度 • 灵敏度是指光刻胶感光的速度。为了提高产量,要求光刻周期越短越好，这就要求曝光时间越短越好，也就要求高灵敏度。 • 3.精密的套刻对准 • 集成电路制作需要十多次甚至几十次光刻，每次光刻都要相互套准。 • 由于图形的特征尺寸在亚微米数量级上，因此，对套刻要求很高。要求套刻误差在特征尺寸的10％左右。

4.大尺寸硅片的加工 • 提高了经济效益 • 但是要在大面积的晶圆上实现均匀的胶膜涂覆，均匀感光，均匀显影，比较困难 • 高温会引起晶圆的形变，需要对周围环境的温度控制要求十分严格，否则会影响光刻质量 • 5.低缺陷 • 缺陷会使电路失效，因此应该尽量减少缺陷

7.1 关于光致抗蚀剂 • 正光刻胶(Positive optical resist) • 负光刻胶(Negative optical resist) • 光刻胶又称光致抗蚀剂(Photo-Resist)，根据光刻胶在曝光前后溶解特性的变化，有 Resists are organic polymers that are spun onto wafers and prebaked to produce a film » 0.5 - 1 mm thick.

正性光刻胶－Positive Optical Resist • 正胶的光化学性质是从抗溶解到可溶性。 • 正胶曝光后显影时感光的胶层溶解了。 • 现有VLSI工艺都采用正胶

正胶机制 曝光使感光材料(PAC)中分子裂解，被裂解的分子在显影液中很易溶解，从而与未曝光部分形成强烈反差。

负性光刻胶 Negative Optical resist • 负胶的光学性能是从可溶解性到不溶解性。 • 负胶在曝光后发生交链作用形成网络结构，在显影液中很少被溶解，而未被曝光的部分充分溶解。

小结：正性和负性光刻胶 正性光刻胶受光或紫外线照射后感光的部分发生光分解反应，可溶于显影液，未感光的部分显影后仍然留在晶圆的表面负性光刻胶的未感光部分溶于显影液中，而感光部分显影后仍然留在基片表面。 • 正胶：曝光前不可溶，曝光后可溶 • 负胶：曝光前可溶，曝光后不可溶光刻胶对大部分可见光敏感，对黄光不敏感。因此光刻通常在黄光室（Yellow Room））内进行。

正光阻 負光阻

负胶正胶 IC主导正胶分辨率高于负胶

光刻胶的组成材料 光刻胶由4种成分组成：树脂（聚合物材料）感光剂溶剂添加剂（备选）

树脂树脂是一种惰性的聚合物，包括碳、氢、氧的有机高分子。用于把光刻胶中的不同材料聚在一起的粘合剂。对负性胶，聚合物曝光后会由非聚合状态变为聚合状态。在大多数负性胶里面，聚合物是聚异戊二烯类型。是一种相互粘结的物质－－抗刻蚀的物质，如图所示。

正性胶的基本聚合物是苯酚－甲醛聚合物，也称为苯酚－甲醛树脂。如图所示。正性胶的基本聚合物是苯酚－甲醛聚合物，也称为苯酚－甲醛树脂。如图所示。在光刻胶中聚合物是相对不可溶的，用适当能量的光照后变成可溶状态。这种反应称为光溶解反应

树脂 • 固体有机材料（胶膜的主体） • UV曝光后发生光化学反应，溶解性质发生改变 • 正胶从不可溶到可溶 • 负胶从可溶到不可溶

光刻胶中的感光剂是光刻胶材料中的光敏成分。即对光能发生化学反应。光刻胶中的感光剂是光刻胶材料中的光敏成分。即对光能发生化学反应。 • 如果聚合物中不添加感光剂，那么它对光的敏感性差，而且光谱范围较宽，添加特定的感光剂后，可以增加感光灵敏度，而且限制反应光的光谱范围，或者把反应光限制在某一波长的光。

溶剂光刻胶中容量最大的成分是溶剂。添加溶剂的目的是光刻胶处于液态，以便使光刻胶能够通过旋转的方法涂在晶园表面。绝大多数的溶剂在曝光前挥发，对于光刻胶的光化学性质几乎没有影响。 •溶解聚合物 •经过旋转涂布可得到薄光刻胶膜

添加剂 光刻胶中的添加剂通常是专有化学品，成份由制造商开发，但是由于竞争原因不对外公布。主要在光刻胶薄膜中用来改变光刻胶的特定化学性质或光响应特性。如添加染色剂以减少反射。

7.2 光刻工艺

1 气相成底膜处理 • 为确保光刻胶能和晶园表面很好粘结，必须进行表面处理，包括三个阶段：微粒清除、脱水和涂底胶。

第一步:微粒清除 目的：清除掉晶圆在存储、装载和卸载到片匣过程中吸附到的一些颗粒状污染物。清除方法： 1）高压氮气吹除 2）化学湿法清洗：酸清洗和烘干。 3）旋转刷刷洗 4）高压水流喷洗

第二步:脱水烘焙 目的：干燥晶圆表面，增加表面粘附性。经过清洁处理后的晶园表面可能会含有一定的水分（亲水性表面），所以必须脱水烘焙使其达到清洁干燥（憎水性表面），以便增加光刻胶和晶园表面的黏附能力。

第三步晶圆涂底胶 • 1.增强光刻胶和晶圆的粘附力的方法： • A：脱水烘焙 B：涂底胶 • 2.用hexamethyldisilazane（HMDS）进行成膜处理 (HMDS:六甲基乙硅烷) • 3.要求：在晶圆表面建立薄的、均匀的、并且没有缺陷的光刻胶膜

2.旋转涂胶（Spin-on PR Coating） 四个步骤 • 1.分滴：当硅片静止或者旋转的非常慢时，光刻胶被分滴在硅片上 • 2.旋转铺开：快速加速硅片使光刻胶伸展到整个硅片表面 • 3.旋转甩掉：甩掉多于的光刻胶，在硅片上得到均匀的光刻胶胶膜覆盖层。 • 4.溶剂挥发：以固定转速继续旋转涂胶的硅片，直到溶剂挥发，光刻胶胶膜几乎干燥

3. 软烘（soft baking） • 因为光刻胶是一种粘稠体，所以涂胶结束后并不能直接进行曝光，必须经过烘焙，使光刻胶中的溶剂蒸发。烘焙后的光刻胶仍然保持“软”状态。但和晶园的粘结更加牢固。 • 目的:去除光刻胶中的溶剂。蒸发溶剂的原因： 1）溶剂吸收光，干扰了曝光中聚合物的化学反应。 2）蒸发溶剂增强光刻胶和晶圆的粘附力。

时间和温度是软烘焙的参数， 不完全的烘焙在曝光过程中造成图像形成不完整和在刻蚀过程中造成多余的光刻胶漂移；过分烘焙会造成光刻胶中的聚合物产生聚合反应，并且不与曝光射线反应，影响曝光。

4.对准和曝光（Alignment） （Exposure ） • 对准是将掩膜版与与前道工序中已刻在硅片上的图形对准 • 曝光是对准以后，将掩膜版和硅片曝光，把掩膜版图形转移到涂胶的硅片上,实现图形复制。

5. 曝光后烘烤（PEB）（PEB，Post Exposure Baking） • 目的：促进光刻胶的化学反应，提高光刻胶的粘附性并减少驻波。

6. 显影（Development） • •显影液溶解部分光刻胶 • •将掩膜上的图形转移到光刻胶上 • 三个基本步骤: 显影－清洗－干燥

显影的三个主要类型的问题： • 不完全显影显影不足严重过显影。 • •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

正胶和负胶的显影 负光刻胶（Negative PR）显影 1）显影剂（developer solution）：二甲苯 2）冲洗化学品（rinse）：n-丁基醋酸盐作用：快速稀释显影液，冲洗光刻胶正光刻胶（Positive PR）显影 1）显影剂：碱水溶液，氢氧化钠或氢氧化钾； 2）冲洗剂：水正胶的显影工艺更加敏感，分辨率更高。

显影方法 显影方式分为：湿法显影干法（等离子）显影 • 干法显影：液体工艺的自动化程度不高，并且化学品的采购、存储、控制和处理费用昂贵，取代液体化学显影的途径是使用等离子体刻蚀工艺，该工艺现已非常成熟。在此工艺中，离子从等离子体场得到能量，以化学形式分解暴露的晶园表面层。干法光刻显影要求光刻胶化学物的曝光或未曝光的之一易于被氧等离子体去除。

坚膜烘焙（后烘，硬烘） • 后烘Post－baking；硬烘（Hard Baking） • 方法：热板，温度在120℃到150 ℃，烘烤1～2分钟（比软烘温度高，但是也不能太高，否则光刻胶就会流动从而破坏图形） • 目的： • a、完全蒸发掉光刻胶里面的溶剂，以免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，使光刻胶颗粒分散到硅片表面） • 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；

烘焙工艺 时间和温度仍然是主要的工艺参数，一般是制造商推荐，工艺工程师精确调整 • 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。光刻胶在高温下的流动

8. 显影后检查 • 显影检验光刻工艺的第一次质检，任何一次工艺过后都要进行检验，经检验合格的晶园流入下一道工艺，对显影检验不合格的晶园可以返工重新曝光、显影。 • 显影检验的内容图形尺寸上的偏差，定位不准的图形，表面问题（光刻胶的污染、空洞或划伤），以及污点和其他的表面不规则等。

图形检查 • •不合格的硅片将被去除光刻胶返工 • –光刻胶的图形是临时性的 • –刻蚀和注入后的图形是永久的. • •光刻是可以返工的 • •刻蚀和注入后不能返工

光刻机 • 光刻技术的主体是光刻机（曝光机、对准机），它是将掩模版上的图形与前道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。通常指能分辨的并能保持一定尺寸容差的最小特征尺寸物理上的极限分辨率为λ/2。 2.套刻精度：是层间图形对准偏差的统计性度量，主要取决于光刻系统的图形定位和（掩模版和硅片的）支撑平台的移动控制精度。要求套刻精度的上限不超过分辨率的1/5~1/3。 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。

光刻机的两大类型，即光学光刻机和非光学光刻机，光刻机的两大类型，即光学光刻机和非光学光刻机，如图所示。光学光刻机采用紫外线作为光源，而非光学光刻机的光源则来自电磁光谱的其他成分。光刻机的主要组成：曝光光源、光学系统和支撑定位平台

曝光光源一般要求： •短波长（波长越短，可曝光的特征尺寸越小） •高强度（为了保持合适的曝光时间） •高稳定性光源的产生： •高压汞灯 •准分子激光器 • X射线 •电子束

汞灯光源在可见光和近紫外波长是有效的辐照源汞灯光源在可见光和近紫外波长是有效的辐照源 • 曝光光源从最初的紫外光波段的多波长汞灯光源，发展到G线光源、90年代中期，采用I线光源的光刻机成为主流机型。

为获得更高的清晰度，光刻胶被设计成只与汞灯光谱中很窄一段波长的光（称为深紫外区或DUV）反应。为获得更高的清晰度，光刻胶被设计成只与汞灯光谱中很窄一段波长的光（称为深紫外区或DUV）反应。 • 在深紫外（DUV，波长范围180nm～330nm）波段范围内，准分子激光是最亮的光源。 • 主要优点：输出的光波波长短，强度高，数个脉冲就可以完成图形的曝光要求 • 目前的主流技术中采用的是深紫外波段的KrF准分子激光光源和ArF准分子激光光源 • 正在研发波长为157nm的F2准分子激光光源和极紫外光（EUV，波长在100nm以下）光源

第五章 光刻