光刻技术及发展前景讲解

1、Photolithography为什么要“重点”研究光刻？半导体工艺的不断进步由光刻工艺决定半导体工艺的不断进步由光刻工艺决定为什么要“重点”研究光刻？业界之前所预测的光刻技术发展路线图业界之前所预测的光刻技术发展路线图光刻概述 Photolithography 临时性地涂覆光刻胶到硅片上临时性地涂覆光刻胶到硅片上 转移设计图形到光刻胶上转移设计图形到光刻胶上 IC制造中最重要的工艺制造中最重要的工艺 占用占用40 to 50% 芯片制造时间芯片制造时间 决定着芯片的决定着芯片的最小特征尺寸最小特征尺寸光刻技术的原理光刻的基本原理光刻的基本原理: 是利用光致抗蚀剂（或称光刻胶）感光后因光化学是

2、利用光致抗蚀剂（或称光刻胶）感光后因光化学反应而形成耐蚀性的特点，将掩模板上的图形刻制到被反应而形成耐蚀性的特点，将掩模板上的图形刻制到被加工表面上。加工表面上。光刻工序1、清洗硅片 Wafer Clean去除污染物去除污染物去除颗粒去除颗粒减少针孔和其它缺减少针孔和其它缺陷陷提高光刻胶黏附性提高光刻胶黏附性基本步骤基本步骤 化学清洗化学清洗 漂洗漂洗 烘干烘干清洗硅片 Wafer Clean 化学清洗 漂洗漂洗 烘干2、预烘和底胶涂覆 Pre-bake and Primer Vapor预烘：预烘：脱水烘焙脱水烘焙去除圆片表面的潮气去除圆片表面的潮气增强光刻胶与表面的黏附性增强光刻胶与表面的黏

3、附性通常大约通常大约100 C与底胶涂覆合并进行与底胶涂覆合并进行底胶涂覆：底胶涂覆：增强光刻胶增强光刻胶(PR)和圆片表面的黏附性和圆片表面的黏附性广泛使用广泛使用: (HMDS)六甲基二硅胺六甲基二硅胺在在PR旋转涂覆前旋转涂覆前HMDS蒸气涂覆蒸气涂覆PR涂覆前用冷却板冷却圆片涂覆前用冷却板冷却圆片预烘和底胶蒸气涂覆3、光刻胶涂覆 Photoresist Coating圆片放置在真空卡盘上圆片放置在真空卡盘上高速旋转高速旋转液态光刻胶滴在圆片中心液态光刻胶滴在圆片中心光刻胶以离心力向外扩展光刻胶以离心力向外扩展均匀涂覆在圆片表面均匀涂覆在圆片表面实验室匀胶机Photoresist Spi

4、n CoaterEBR: Edge bead removal边缘修复滴胶光刻胶吸回Photoresist Spin CoatingEdge Bead RemovalReady For Soft Bake4、前烘 Soft Bake蒸发光刻胶中的溶剂蒸发光刻胶中的溶剂溶剂能使涂覆的光刻胶更薄溶剂能使涂覆的光刻胶更薄但吸收热量且影响光刻胶的黏附但吸收热量且影响光刻胶的黏附性性过多的烘烤使光刻胶聚合，感光过多的烘烤使光刻胶聚合，感光灵敏度变差灵敏度变差烘烤不够影响黏附性和曝光烘烤不够影响黏附性和曝光Baking Systems5、对准 Alignment对准方法：对准方法：a、预对准，通过硅片上的、

5、预对准，通过硅片上的notch或者或者flat进行激光自动对准进行激光自动对准b、通过对准标志，位于切割槽、通过对准标志，位于切割槽上。另外层间对准，即套刻精度上。另外层间对准，即套刻精度,保证图形与硅片上已经存在的图保证图形与硅片上已经存在的图形之间的对准。形之间的对准。 6、曝光Exposure曝光方法：曝光方法：a、接触式曝光（接触式曝光（Contact Printing）掩膜掩膜板直接与光刻胶层接触。板直接与光刻胶层接触。b、接近式曝光（接近式曝光（Proximity Printing）掩掩膜板与光刻胶层的略微分开，大约为膜板与光刻胶层的略微分开，大约为1050m。 c、投影式曝光（投

6、影式曝光（Projection Printing）。）。在掩膜板与光刻胶之间使用透镜聚集光在掩膜板与光刻胶之间使用透镜聚集光实现曝光。实现曝光。d、步进式曝光、步进式曝光(Stepper)曝光中最重要的两个参数是：曝光中最重要的两个参数是：1.曝光能量（曝光能量（Energy）2.焦距（焦距（Focus）如果能量和焦距调整不好，就不能得到要求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尺寸超出要求的范围7、后烘 Post Exposure Bakea、减少驻波效应、减少驻波效应b、激发化学增强光刻胶的、激发

7、化学增强光刻胶的PAG产产生的酸与光刻胶上的保护基团发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生反应并移除基团使之能溶解于显影液显影液8、显影 Development显影液溶剂溶解掉光刻胶中软化显影液溶剂溶解掉光刻胶中软化部分部分从掩膜版转移图形到光刻胶上从掩膜版转移图形到光刻胶上三个基本步骤三个基本步骤: 显影显影 漂洗漂洗 干燥干燥Development Profiles9、坚膜 Hard Bake1.完全蒸发掉光刻胶里面的溶剂完全蒸发掉光刻胶里面的溶剂2.坚膜，以提高光刻胶在离子注入或刻蚀坚膜，以提高光刻胶在离子注入或刻蚀中保护下表面的能力中保护下表面的能力3.进一步增强

8、光刻胶与硅片表面之间的黏进一步增强光刻胶与硅片表面之间的黏附性附性4.减少驻波效应（减少驻波效应（Standing Wave Effect) 烘烤不足（烘烤不足（Underbake）减弱光刻胶的强度（抗刻蚀能力和离子注入减弱光刻胶的强度（抗刻蚀能力和离子注入中的阻挡能力）；降低针孔填充能力（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。烘烤过度（降低与基底的黏附能力。烘烤过度（Overbake）引起光刻胶的引起光刻胶的流动，使图形精度降低，分辨率变差。流动，使图形精度降低，分辨率变差。10、图形检测

9、Pattern Inspection1.对准问题：对准问题：重叠和错位，掩膜旋转，重叠和错位，掩膜旋转，圆片旋转，圆片旋转，X方向错位，方向错位，Y方向错位方向错位2.临界尺寸临界尺寸3.表面不规则：表面不规则：划痕、针孔、瑕疵和污划痕、针孔、瑕疵和污染物染物临界尺寸Critical Dimension集成电路工艺所采用的光刻技术 主流光刻技术主流光刻技术: 248nm DUV技术 （KrF准分子激光）- 0.10um 特征尺寸193nm DUV技术 （ArF准分子激光）- 90nm特征尺寸193nm 沉浸式技术 （ArF准分子激光）- 65nm特征尺寸 新一代的替代光刻技术新一代的替代光刻技

10、术: 157nm F2 EUV光刻 紫外线光刻 电子束投影光刻 X射线光刻 离子束光刻 纳米印制光刻 当当22nm工艺节点来临之时，工艺节点来临之时，又将要会采用什么样的光刻工艺又将要会采用什么样的光刻工艺呢？呢？为什么22nm节点之后光刻就这么难？由上图可知由上图可知高频光的能量较高，低频光的能量较低高频光的能量较高，低频光的能量较低，在在工艺尺寸一再减小工艺尺寸一再减小的基础上，的基础上，可见光可见光已经不能很已经不能很好的完成光刻工作了！好的完成光刻工作了！听听来自工业界的声音！2011年国际固态电路会议(ISSCC2011)上，IBM, 台积电等厂商均表示将继续在22/20nm节点制程

11、应用平面结构的体硅晶体管工艺，光刻技术方面，22/20nm节点主要几家芯片厂商也将继续使用基于193nm液浸式光刻系统的双重成像（double patterning）技术。不过固态电路协会的另外一位重要成员Intel则继续保持沉默。 最为活跃的193nm浸入式光刻浸入式光刻技术浸入式光刻技术与传统光刻技术的比较与传统光刻技术的比较最为活跃的193nm浸入式光刻在传统的光刻技术中，其在传统的光刻技术中，其镜头镜头与与光刻胶光刻胶之间的介质是空气，而所谓之间的介质是空气，而所谓浸入式技术浸入式技术是将是将空气介质空气介质换成换成液体液体。实际上，浸入式技术利。实际上，浸入式技术利用光通过液体介质后

12、用光通过液体介质后光源波长缩短光源波长缩短来来提高分提高分辨率辨率，其，其缩短的倍率即为液体介质的折射率缩短的倍率即为液体介质的折射率。例如，在例如，在193nm光刻机中，在光源与硅片光刻机中，在光源与硅片（光刻胶）之间加入水作为介质，而水的折（光刻胶）之间加入水作为介质，而水的折射率约为射率约为1.4，则波长可缩短为，则波长可缩短为193/1.4=132nm。（容易知道波长减少，能量（容易知道波长减少，能量增加！）增加！）前景光明的EUV极端远紫外光刻EUV是目前距实用话最近的一种深亚微米的光刻技术。是目前距实用话最近的一种深亚微米的光刻技术。他仍然采用前面提到的他仍然采用前面提到的分步投影

13、光刻系统分步投影光刻系统，只是改变，只是改变光源的光源的波长波长，即采用波长更短的，即采用波长更短的远紫外线远紫外线。采用的。采用的EUV进行光刻的进行光刻的主要难点是主要难点是很难找到合适的制作掩膜版的材料和光学系统很难找到合适的制作掩膜版的材料和光学系统。EUV技术技术前景光明的EUV极端远紫外光刻EUV极端远紫外光所处的位置极端远紫外光所处的位置上图中，我们可以明确看到上图中，我们可以明确看到EUV极端远紫外光在光谱中极端远紫外光在光谱中的位置，这是一种波长极短的光刻技术，其曝光波长大约为的位置，这是一种波长极短的光刻技术，其曝光波长大约为13.5nm。按照目前理论上认为的波长与蚀刻精度

14、关系，。按照目前理论上认为的波长与蚀刻精度关系，EUV技技术能够术能够蚀刻出蚀刻出5nm以下工艺以下工艺的晶体管的晶体管。前景光明的EUV极端远紫外光刻EUV光刻技术正在飞速发展光刻技术正在飞速发展前景光明的EUV极端远紫外光刻 虽然业界一再强调EUV的技术,我们有理由相信，EUV（极端远紫外光刻）将是未来纳米级光刻技术的主流工艺，而一直沉默不语的Intel是否已经使用了这种技术呢？Intel巨资开发的巨资开发的Intels Micro Exposure Tool（MET）其实各大厂商已经开始为EUV布局！IMEC开发的开发的EUV alpha demonstration tool台积电公司订

15、购台积电公司订购ASML公司极紫外光刻系统公司极紫外光刻系统Twinscan NXE3100其实各大厂商已经开始为EUV布局！EUV技术在技术在Intel的实战中取得成果的实战中取得成果光刻技术面临的困难与挑战光刻技术面临的困难与挑战32纳米纳米内容概要光学掩膜版图形分辨率加强光学掩膜版图形分辨率加强技术的研发和后光学成像技技术的研发和后光学成像技术掩膜版的制造术掩膜版的制造控制图形的对准，线宽和缺陷，使用亚分辨率辅助图形技术；掌握曝光过程中缺陷的产生；制订193nm工艺平台上实现小于45纳米半间距线宽工艺图形所需掩膜版的放大倍率，并研发基于小像场使用的补偿模式；制造用于后光学成像技术的1倍五

16、缺陷膜版成本控制和投资回报成本控制和投资回报控制设备、工艺的投入产出比，制造成本可接受且适用的光学掩膜版和用于后光学成像技术的掩膜版；合理调配资源，杜绝浪费，研发450mm硅片生产设备工艺控制工艺控制控制栅电极的线宽变化4nm，研发新的图形对准技术11nm；控制线宽边缘粗糙度表现；控制测量引入线宽变化和缺陷50nm；采用更精确的光刻胶模型，采用更精确的OPC模型，并基于光学极化效应确认其表现；控制并校正光刻设备的光散射，尤其针对极紫外线光刻设备；采用利于光刻工艺的设计和成产要求优化的设计方案沉浸式光刻技术沉浸式光刻技术控制沉浸式光刻技术生产中产生的缺陷、研发、优化光刻胶的组成，使之具备和液体以及顶部疏水层良好的兼容性，研发折射率1.8的光刻胶；折射率1.65的浸没液体以及折射率1.65的光学镜头材料极紫外线光刻技术极紫外线光刻技术制造低缺陷密度的掩膜基板；研发功率115瓦的光源系统以及长寿命低损耗的光学部件；研发线宽边缘粗糙度3nm，感光灵敏度10ml/cm2 ；分辨率40纳米半间距线宽工艺图形的光刻胶；制造0.01nm均方根误差和小于10%本征光散射的光学部件；控制光学部件的污染，研究不使用有机保护薄膜的掩膜版保护；研究与光学成像工艺生产设备的兼容性但一切还远没有结束! 据据Intel表示，表示，