光刻工艺光刻胶

1、集成电路工艺光刻 光刻 1、基本描述和过程 2、光刻胶 3、显影 4、文献 光刻 1、基本描述和过程 2、光刻胶 3、显影 4、文献 光刻基本介绍 l光刻是通过一系列生产步骤，将晶圆表面薄膜的特定部分 除去的工艺。在此之后，晶圆表面会留下带有微图形结构 的薄膜。通过光刻工艺过程，最终在晶圆上保留的是特征 图形部分。 光刻三要素 Used for preparing the substrate of a wafer for the subsequent processing stage. Elements (三要素） 1）Light source light, X-ray, electron o

2、r ion beams Ultraviolet (UV) light with a wavelength of 250-450 nm is used for silicon process 2）Mask( 掩模板） a chromium pattern on a light transparent substrate (glass). 3)Resist （光刻胶） sensitive to the light source, about 1m thick, applied on the silicon wafer or another deposition layer positive and

3、 negative resist 光刻工艺流程 1、气相成底膜 l目的：增强硅片与光刻胶的黏附性 l底膜处理的步骤 1.硅片清洗 不良的表面沾污会造成： 光刻胶与硅片的黏附性差，可能会浮胶、钻蚀 颗粒沾污会造成不平坦的涂布，光刻胶针孔 2.脱水烘焙 使硅片表面呈干燥疏水性 3.底膜处理 HMDS作用：影响硅片表面形成疏水表面 增强硅片与胶的结合力 方法有：沉浸式，旋涂法和蒸汽法 2、旋转涂胶 l涂胶工艺的目的就是在晶圆表面建立薄的、均匀的、并且 没有缺陷的光刻胶膜。 旋转涂胶的四个基本步骤 2、旋转涂胶 l常用涂胶法：静态旋转和动态喷洒 l静态涂胶：首先把光刻胶通过管道堆积在晶圆的中心，然 后

4、低速旋转使光刻胶铺开，再高速旋转甩掉多余的光刻胶， 高速旋转时光刻胶中的溶剂会挥发一部分。 2、旋转涂胶 静态涂胶时的堆积量非常关键，量少了会导致负胶不均匀， 量大了会导致晶圆边缘光刻胶的堆积甚至流到背面。 2、旋转涂胶 动态喷洒：随着晶圆直径越来越大，静态涂胶已不能满足 要求，动态喷洒是以低速旋转，目的是帮助光刻胶最初的 扩散，用这种方法可以用较少量的光刻胶而达到更均匀的 光刻胶膜，然后高速旋转完成最终要求薄而均匀的光刻胶 膜。 2、旋转涂胶 涂胶的质量要求是：（1）膜厚符合设计的要求，同时膜 厚要均匀，胶面上看不到干涉花纹；（2）胶层内无点缺 陷（如针孔等）；（3）涂层表面无尘埃和碎屑等颗

5、粒。 3、前烘 目的： 光刻胶中的溶剂部分挥发 增强光刻胶的粘附性，光吸收及抗腐蚀能力 缓和涂胶过程中光刻胶膜内产生的应力 如果没有前烘，可能带来的问题有： 光刻胶发黏，易受颗粒污染 光刻胶来自旋转涂胶的内在应力将导致粘附性问题 溶剂含量过高导致显影时由于溶解差异，而很难区分曝光和 未曝光的光刻胶 光刻胶散发的气体可能污染光学系统的透镜 4、对准和曝光 l对准是把所需图形在晶圆表面上定位或对准，而曝光的目 的是要是通过汞弧灯或其他辐射源将图形转移到光刻胶图 层上。用尽可能短的时间使光刻胶充分感光，在显影后获 得尽可能高的留膜率和近似垂直的光刻胶侧壁和可控的线 宽。 5、曝光后烘培 在曝光时由于

6、驻波效应的存在，光刻胶侧壁会有不平整的 现象，曝光后进行烘烤，可使感光与未感光边界处的高分 子化合物重新分布，最后达到平衡，基本可以消除驻波效 应。 6、显影 显影就是用显影液溶解掉不需要的光刻胶，将掩膜版上的 图形转移到光刻胶上。 显影中可能出现的问题： 显影不足：比正常线条要宽并且在侧面有斜坡 不完全显影：在衬底上留下应去掉的光刻胶 过显影：除去了太多的光刻胶，引起图形变窄和拙劣的外 形 7、坚膜烘焙 l目的是通过溶液的蒸发来固化光刻胶，此处理提高了光刻 胶对衬底的粘附性，为下一步工艺做好准备。正胶的坚膜 烘焙温度约为120到140，这比软烘温度要高，但也 不能太高，否则光刻胶就会流动从而

7、破坏图形。 8、显影检查 l目的是查找光刻胶中成形图形的缺陷 l显影检查用来检查光刻工艺的好坏，为光学光刻工艺生产 人员提供用于纠正的信息 光刻 1、基本描述和过程 2、光刻胶 3、显影 4、文献 光刻胶 定义: 光学曝光过程中，为了将掩模上的图形转移到圆片 上，辐照必须作用在光敏物质上，该光敏物质必须通过 光照，改变材料性质，使在完成光刻工艺后，达到转移 图形的目的。该光敏物质称为光刻胶。它是一种对光敏 感的有机化合物，它受紫外光曝光后，在显影液中的溶 解度会发生变化。 作用： a、将掩膜板上的图形转移到晶圆表面顶层的光刻 胶中； b、在后续工序中，保护下面的材料（刻蚀或离子 注入）。 光刻

8、胶的组成 l树脂：光刻胶树脂是一种惰性的聚合物基质，是用来将其 它材料聚合在一起的粘合剂。光刻胶的粘附性、胶膜厚度 等都是树脂给的。 l感光剂：感光剂是光刻胶的核心部分，它对光形式的辐射 能 特别在紫外区会发生反应。曝光时间、光源所发射光 线的强度都根据感光剂的特性选择决定的。 l溶剂：光刻胶中容量最大的成分，感光剂和添加剂都是固 态物质，为了方便均匀的涂覆，要将它们加入溶剂进行溶 解，形成液态物质，且使之具有良好的流动性，可以通过 旋转方式涂布在晶圆表面。 l添加剂：用以改变光刻胶的某些特性，如改善光刻胶发生 反射而添加染色剂。 光刻胶的组成 光刻胶类型 l光刻胶根据其化学反应机理和显影原理

9、，可分负性胶和 正性胶两类。光照后形成不可溶物质的是负性胶；反之， 原本对某些溶剂是不可溶的，经光照后变成可溶物质的 即为正性胶。利用这种性能，将光刻胶作涂层，就能在 硅片表面刻蚀所需的电路图形。 l正胶（Positive Photo Resist）：曝光前对显影液不可 溶，而曝光后变成了可溶的，能得到与掩模板遮光区相 同的图形。 l负胶（Negative Photo Resist）：反之。 wafer PR 掩模板 氧化膜 曝光 显影 正胶 负胶 正光刻胶 l受光辐射后聚合物发生变化，被辐射部分溶解，未被辐射 部分保持不变。 l曝光时切断树脂聚合体主链和从链之间的联系，达到削弱 聚合体的目的

10、，所以曝光后光刻胶在随后的显影处理中溶 解度升高，曝光后溶解度几乎是未曝光时的10倍；更高分 辨率（无膨胀现象）在IC制造应用更为普遍； 正光刻胶 正胶正胶 IC主导主导 负光刻胶 l聚合物被辐射后不溶于显影剂，精度逊于正胶 l在负胶曝光时，产生大量的交联聚合，成为互相连接的大 树脂分子，很难在显影液中溶解。从而负胶的曝光部分在 显影后保留。而未曝光部分则在显影时去除。 某种负胶中的加聚反应 负胶负胶 显影液不易进入正胶的未曝光部分，正胶光刻后线条不变 形。显影液会使负胶膨胀，线条变宽。虽然烘烤后能收缩， 但易变形。所以负胶不适合2.0微米以下工艺使用。正胶 是ULSI的主要光刻胶。 正胶的针

11、孔密度低，但对衬低的粘附差，通常用HMDS作增 粘处理。负胶对衬底粘附好，针孔密度较高。 3.正胶耐化学腐蚀，是良好的掩蔽薄膜。 两种光刻胶的性能 两种光刻胶的性能 两种光刻胶的性能 DUV深紫外光刻胶 传统DNQ胶的问题： 1、对于1，因此，因此DUV胶的灵敏度有很大提高。胶的灵敏度有很大提高。 g线、线、i线光刻胶灵敏度为线光刻胶灵敏度为100 mJ/cm-2，DUV胶为胶为2040 mJ/cm-2 化学增强光刻胶化学增强光刻胶 PAG (photo-acid generator) DUV胶化学增强的基本原理 要求对于环境和工艺参数控制严格，PEB 温度控制在几分之一度。 PAG INSO

12、L INSOL 聚合物长链聚合物长链 酸酸 INSOL INSOL 聚合物长链聚合物长链 SOLSOL 聚合物长链聚合物长链 酸酸 SOLINSOL 聚合物长链聚合物长链 酸酸 酸酸 曝光曝光 曝光后烘烤曝光后烘烤 （PEB） 酸酸 EUV LithographyThe Successor to Optical Lithography? Abstract This paper discusses the basic concepts and current state of development of EUV lithography (EUVL), a relatively new form

13、 of lithography that uses extreme ultraviolet (EUV) radiation with a wavelength in the range of 10 to 14 nanometer (nm) to carry out projection imaging. Currently, and for the last several decades, optical projection lithography has been the lithographic technique used in the high-volume manufacture

14、 of integrated circuits. It is widely anticipated that improvements in this technology will allow it to remain the semiconductor industrys workhorse through the 100 nm generation of devices. However, some time around the year 2005, so-called Next- Generation Lithographies will be required. EUVL is o

15、ne such technology vying to become the successor to optical lithography. Why EUVL? In order to keep pace with the demand for the printing of ever smaller features, lithography tool manufacturers have found it necessary to gradually reduce the wavelength of the light used for imaging and to design im

16、aging systems with ever larger numerical apertures. The reasons for these changes can be understood from the following equations that describe two of the most fundamental characteristics of an imaging system: its resolution (RES) and depth of focus (DOF). These equations are usually expressed as RES

17、 = k1 / NA (1a) and DOF = k2 / (NA)2, (1b) where is the wavelength of the radiation used to carry out the imaging, and NA is the numerical aperture of the imaging system (or camera). These equations show that better resolution can be achieved by reducing and increasing NA. Figure 2: The region betwe

18、en the lines shows the wavelength and numerical aperture of cameras simultaneously having a resolution of 100 nm or better and a DOF of 0.5 m or better Sources of EUV Radiation A number of sources of EUV radiation have been used to date in the development of EUVL. Radiation has been obtained from a

19、variety of laser-produced plasmas and from the bending magnets and the undulators associated with synchrotrons. Resists The main problem to be confronted in developing a satisfactory photoresist for EUVL is the strong absorption of EUV radiation by all materials. EUV resists will most likely be stru

20、ctured so that printing occurs in a very thin imaging layer at the surface of the resist. 1、灵敏度 灵敏度的定义 单位面积上入射的使光刻胶全部发生反应的最小光能量或 最小电荷量（对电子束胶），称为光刻胶的灵敏度，记为 S ， S 越小，则灵敏度越高。 通常负胶的灵敏度高于正胶。 灵敏度太低会影响生产效率，所以通常希望光刻胶有较高 的灵敏度。但灵敏度太高会影响分辨率。 光刻胶的特性 2、分辨率 下面讨论分辨率与灵敏度的关系。当入射电子数为 N 时， 由于随机涨落，实际入射的电子数在 范围内。为保证 出现最

21、低剂量时不少于规定剂量的 90%，也即 。 由此可得 。因此对于小尺寸曝光区，必须满足 光刻工艺中影响分辨率的因素有：光源、曝光方式和光刻 胶本身（包括灵敏度、对比度、颗粒的大小、显影时的溶胀、 电子散射等）。通常正胶的分辨率要高于负胶。 NN %10NN 100 min =N 2 min min min min ( ) 10 S W N q qNq W S S = = = 式中，Wmin 为最小尺寸，即分辨率。可见，若灵敏度越高（即 S 越小），则 Wmin 就越大，分辨率就越差。 min min 10 qNq W S S = = 3、对比度 对比度是图中对数坐标下对比度曲线的斜率，表示光刻

22、胶 区分掩模上亮区和暗区的能力的大小，即对剂量变化的敏感程 度。灵敏度曲线越陡，D0 与 D100 的间距就越小，则 就越大， 这样有助于得到清晰的图形轮廓和高的分辨率。一般光刻胶的 对比度在 0.9 2.0 之间。对于亚微米图形，要求对比度大于 1。 通常正胶的对比度要高于负胶。 D0D100 对比度的定义为 1 100 0 lg D D = 光进入光刻胶后，其强度按下式衰减 式中， 为光刻胶的光学吸收系数 ,单位为长度的倒数。设 TR 为光刻胶的厚度 ，则可定义光刻胶的 为 对比度与光刻胶厚度的关系是 可见减薄胶膜厚度有利于提高对比度和分辨率。但是，光刻胶 很薄时，台阶覆盖会变差，往往在为

23、提高分辨率而降低胶的厚 度时，要全面兼顾。 0 ( )e z I zI = R R 0 0 0RR ( ) d 1e 1 T T II zz A I TT = R 1 T = 一个与对比度有关的光刻胶性能指标是 ，代表在光刻胶上获得能被分辨的图形所必须的最 小调制传输函数，其定义为 利用对比度的公式，可得 CMTF 的典型值为 0.4 。如果实像的 MTF 小于 CMTF ， 则其图像就不能被分辨；如果实像的 MTF 大于 CMTF，就有可 能被分辨。 临界调制传输函数 1000 1000 CMTF DD DD = 1 1 101 CMTF 101 = 感光度： 表征光刻胶对光线敏感程度的性能

24、指标 只有某一波长范围的光才能使光刻胶发生光化学反应。 留膜率: 定义：曝光显影后的非溶性胶膜厚度与曝光前的胶膜厚度 之比. 影响因素：胶自身性质； 吸收特性 在曝光波长下的吸收率a：a太大: 仅胶顶部被曝光。a太小: 需很长曝光时间。 光化学吸收率即曝光前后吸收率之差。 影响因素:胶自身性质 光刻胶的性能指标 光刻胶的性能指标 粘附性：光刻胶与衬底之间粘附的牢固程度。 影响因素：胶自身性质；衬底的性质及其表面状态。 针孔密度：单位面积上的针孔数。 影响因素： 胶自身性质；环境洁净度。 抗蚀性：能较长时间经受酸、碱的浸蚀和等离子体的作用。 影响因素：胶自身性质；光刻工艺条件。 性能稳定性：暗反

25、应和存储性能退化。 影响因素：胶自身性质和存储条件。 光刻 1、基本描述和过程 2、光刻胶 3、显影 4、文献 显影 显影就是用显影液去除已曝光部分的光刻胶，在硅片上形 成所需图形的过程。曝光部分的光刻胶与显影液作用并溶 解于水，未曝光部分不与显影液作用并保持原状。显影液 为碱性溶液，与光刻胶是一一对应的。 显影 将曝光后的硅片放到显影液中。对于负胶，通过显影溶解 掉未曝光区的胶膜；对于正胶，通过显影溶解掉曝光区的胶膜。 几乎所有的正胶都使用碱性显影液。 显影过程中胶膜会发生膨胀。正胶的膨胀可以忽略，而负 胶的膨胀则可能使图形尺寸发生变化。 显影过程对温度非常敏感。显影过程可影响胶的对比度，

26、从而影响胶的剖面形状。 显影缺陷: 显影过度: 光刻胶太薄或者不均匀，显影时间太长， 光刻胶质量太差（老化） 显影不足: 光刻胶太厚或者不均匀，显影时间太短， 显影剂性能太弱 （老化） 显影中的问题 l负光刻胶显影 当负性光刻胶经过曝光后，它会发生聚合，在聚合与 未聚合之间有足够高的分辨率，从而在显影过程中聚合的 区域只会失去很小部分光刻胶，而未聚合的区域则在显影 过程中分解，但由于两个区域之间总是存在过渡 区，过渡区是部分聚合的 光刻胶，所以，显影结束 后必须及时冲洗，使显影 液很快稀释，保证过渡区 不被显影，使显影后的图 形得以完整。 掩膜版 反光刻胶层 晶圆 聚合的光刻胶 部分聚合的光刻

27、胶 未聚合的光刻胶 l正光刻胶显影 对于正性光刻胶，聚合与未聚合区域的溶解率约为 1:4。这意味着在显影中总会从聚合的区域失去一些光刻 胶。使用过度的显影液或显影时间过长都会导致光刻胶太 薄而不能使用。 正性光刻胶的显影工艺比负性光刻胶更为敏感，影响 的因素有：软烘焙时间和温度、曝光度、显影液浓度、时 间、温度以及显影方法。显影工艺参数由所有变量的测试 来决定。显影液早期用水稀释的强碱溶液，如氢氧化钠， 现在用四甲基氢氧化铵 显影剂温度和曝光关系与线宽变化的比较 20 s 光曝 16 s 光曝 12 s 光曝 8 s 光曝 光刻胶厚度： mm 1 持续曝光时间：0 s 5 （基于8F8 6?s

28、 曝光） 显影剂浓度：0% 5 曝光后烘焙：无 线宽变化（mm） 显影剂温度（?F +1.50 +1.40 +1.30 +1.10 +0.90 +0.90 +0.70 +0.50 +0.10 +0.10 687276 80 显影方式 显影方式 l静态浸渍显影 圆片静止显影液喷在圆片表面，依靠圆 片表面张力使显影液停留在圆片上，圆片轻轻的转动，让 显影液在圆片表面充分浸润，一段时间后，高速旋转将显 影液甩掉。 l旋转喷雾显影 圆片旋转由高压氮气将流经喷嘴的显影液 打成微小的液珠喷射在圆片表面，数秒钟显影液就能均匀 地覆盖在整个圆片表面。 影响显影质量因素 l显影时间 影响条宽控制精度 l显影液的

29、温度 影响显影的速率 旋覆浸没显影 连续喷雾光刻胶显影 坚 膜 在显影过程中，显影液溶解掉了需要去除的那部分光刻胶膜， 同时也使不需要去除的光刻胶膜软化，含有过多的水分，并且 与基片的附着性变差，降低了后续刻蚀工艺的耐蚀性，必须经 过一定温度和时间的烘烤，以挥发掉残留的显影液和水分，使 胶膜致密坚固，进一步提高胶膜与基体表面的附着力和抗化学 腐蚀性，减少刻蚀时所出现的钻蚀和针孔现象。 烘焙温度太低，脱水和聚合不彻底，温度太高光刻胶容易 变软甚至流动，所以温度的控制极为严格。 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。 工

30、艺流程如图所示。 l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。 去水合物 点胶 烘焙 定位和曝光 显影检验 合格晶圆 光刻胶去除 拒收 的晶圆 显影和烘焙 显影检查 光刻 1、基本描述和过程 2、光刻胶 3、显影 4、文献 高分辨率I-line 正性光刻胶的制备及应用性 能研究 摘 要：利用两种不同重均分子量的改性酚醛树脂（PF）与一种三个酯化 度的四羟基二苯甲酮重氮萘醌磺酸酯光敏剂（PAC）按比例配制，加 入适量助剂优化感光性能，制备出一种应用于电子触屏加工领域的I-line 正性光刻胶，其具有刻蚀精度高、

31、工艺性能优良、单位成本较低等优势 特点。 试验方法 正性光刻胶的制备 将两种不同重均分子量PF 与PGMEA 溶剂按照质量比1 5 进行溶解，同 时要求避光搅拌，待树脂充分溶解后，再加入3%4%比例的4HBP- 215DNQ 和助剂（包括EDL、MIBK、HBP）等。持续避光搅拌一小时以 上，无不溶沉淀即可，置于5以下冰箱冷藏，密封保存。 结果与讨论 酚醛树脂选型比较 实验采用的是在间、对甲酚树脂 基础上改性而成不同重均分子量 的两种酚醛树脂，作为成膜材料。 标记为1 号树脂和2 号树脂。1 号树脂是使用普通加成缩合法合 成的大分子量酚醛树脂，2 号树 脂采用两步法4合成了一种分子 量小（MW

32、2007）且分子量分 布系数窄（D1.4）的酚醛树脂， 分子量表征如图3 由图4 可见，1 号树脂样品刻蚀轮廓明显，但膜曝光部分没有被溶 解完全，因其分子量较大，阻溶能力太强，弱碱显影性能不够理 想；2 号树脂样品分子量较小，阻溶能力不足，造成非曝光区域 溶解，曝光轮廓边缘模糊；1、2 号混合树脂曝光轮廓清晰，显影 效果明显，不同分子量的树脂提高了曝光区与非曝光区的溶解速 率反差，使得分辨率提高。 环保溶剂选型比较 为了提高光刻胶的物理性能和安全性，本文筛选出几种涂料油墨行业 常用的环保溶剂，如丙二醇甲醚醋酸酯（PGMEA）、乙二醇单乙醚 等。此外，还可加入沸点较高的溶剂如N,N-二甲基甲酰胺（DMF）等 7。分别用PGMEA 与DMF 作为溶剂，配制样品，对比前烘烤时