(第五章)光刻工艺

1、第五章第五章 光刻光刻l光刻基本概念l负性和正性光刻胶差别l光刻的8个基本步骤l光刻光学系统l光刻中对准和曝光的目的l光刻特征参数的定义及计算方法l五代光刻设备5.1 引言引言是把掩膜版上的电路图形超精确地转移到涂覆在硅片上的光刻胶膜上，为后续刻蚀或离子注入提供掩蔽膜，以完成图形的最终转移的工艺过程。l光刻是集成电路制造的一、光刻技术的特点一、光刻技术的特点l产生特征尺寸的关键工艺；l复印图像和化学作用相结合的综合性技术；l光刻与芯片的价格和性能密切相关，光刻成本占整个芯片制造成本的1/3。二、光刻三个基本条件二、光刻三个基本条件l掩膜版l光刻胶l光刻机MaskReticle传统相机底片传统相

2、机底片光刻三个基本条件光刻三个基本条件光刻胶光刻胶PR(PhotoResist)l正性光刻胶正性光刻胶 硅片上图形与掩膜版一样硅片上图形与掩膜版一样 曝光区域发生光学分解反应，在显影液中软化曝光区域发生光学分解反应，在显影液中软化溶解而去除掉溶解而去除掉 未曝光区域显影后保留未曝光区域显影后保留l负性光刻胶负性光刻胶 硅片上图形与掩膜版相反硅片上图形与掩膜版相反 曝光区域发生光学交联反应硬化，在显影液中曝光区域发生光学交联反应硬化，在显影液中不可溶解而保留不可溶解而保留 未曝光区域显影后溶解未曝光区域显影后溶解传统胶片相机负片传统胶片相机负片传统胶片相机正片传统胶片相机正片正性光刻胶正性光刻胶

3、负性光刻胶负性光刻胶光刻三个基本条件光刻三个基本条件光刻机光刻机光刻机光刻机传统相片放大机传统相片放大机三、光刻技术要求三、光刻技术要求l光源，是将硅片上两个相邻的特征尺寸图形，是将硅片上两个相邻的特征尺寸图形区分开的能力。区分开的能力。，掩膜版上的图形与硅片上的图形的，掩膜版上的图形与硅片上的图形的对准程度。按照光刻的要求版上的图形与片上对准程度。按照光刻的要求版上的图形与片上图形要精确对准。图形要精确对准。，工艺发生一定变化时，在规定范，工艺发生一定变化时，在规定范围内仍能达到关键尺寸要求的能力。围内仍能达到关键尺寸要求的能力。5.2 光刻工艺步骤及原理光刻工艺步骤及原理一、气相成底膜二、

4、旋转涂胶三、软烘四、对准和曝光五、曝光后烘培（PEB）六、显影七、坚膜烘培八、显影检查涂胶涂胶曝光曝光显影显影检查检查l工艺目的：增加光刻胶与硅片的粘附性。l工艺过程： 1. 在气相成底膜之前，硅片要进行化学清洗、甩干以保证硅片表面洁净。 2. 用N2携带六甲基二硅胺烷（HMDS）进入具有热板的真空腔中，硅片放在热板上，形成底膜。 脱水烘干脱水烘干HMDS成膜成膜l工艺目的：工艺目的：在硅片表面涂上液体光刻胶来得到一层均匀覆盖层。l工艺过程：工艺过程： 1.分滴 2.旋转铺开 3.旋转甩掉 4.溶剂挥发 5.去除边圈PR dispensernozzleWaferChuckSpindleTo v

5、acuumpumpnozzlePR suck backWaferChuckSpindleTo vacuumpumpnozzlePR suck backWaferChuckSpindleTo vacuumpumpnozzlePR suck backWaferChuckSpindleTo vacuumpumpnozzlePR suck backWaferChuckSpindleTo vacuumpumpnozzlePR suck backWaferChuckSpindleTo vacuumpumpnozzlePR suck backWaferChuckSpindleTo vacuumpumpnoz

6、zlePR suck backWaferChuckSpindleTo vacuumpumpnozzlePR suck backWaferChuckSpindleTo vacuumpumpnozzlePR suck backWaferChuckSpindleTo vacuumpumpnozzlePR suck backWaferChuckSpindleTo vacuumpumpSpindleTo vacuumpumpWaferChuckSolventSpindleTo vacuumpumpWaferChuckSolventWaferChuckSpindleTo vacuumpumpEBRWafe

7、rVacuumPRChuckDrainExhaust丙烯乙二醇一甲胺以太醋酸盐丙烯乙二醇一甲胺以太醋酸盐PGMEA乙烯乙二醇一甲胺以太醋酸盐乙烯乙二醇一甲胺以太醋酸盐EGMEA 1. 将掩膜版图案转移到硅片表面顶层的光刻胶中；将掩膜版图案转移到硅片表面顶层的光刻胶中； 2. 在后续工艺中，保护下面的材料（例如刻蚀或在后续工艺中，保护下面的材料（例如刻蚀或离子注入阻挡层）离子注入阻挡层） 1. 树脂（是一种有机聚合物材料，提供光刻树脂（是一种有机聚合物材料，提供光刻 胶的机械和化学特性）胶的机械和化学特性） 2. 感光剂（光刻胶材料的光敏成分）感光剂（光刻胶材料的光敏成分） 3. 溶剂（使光刻胶

8、具有流动性）溶剂（使光刻胶具有流动性） 4. 添加剂（控制光刻胶特殊方面的化学物质，添加剂（控制光刻胶特殊方面的化学物质，备选）备选） 1.分辨率高（区分硅片上两个相邻的最小特征尺分辨率高（区分硅片上两个相邻的最小特征尺寸图形的能力强）寸图形的能力强） 2.对比度好（指曝光区和非曝光区过渡的陡度）对比度好（指曝光区和非曝光区过渡的陡度） （a）对比度差）对比度差 （b）对比度好）对比度好PR FilmSubstratePR FilmSubstrate 3.敏感度好（是指硅片表面光刻胶中产生良好敏感度好（是指硅片表面光刻胶中产生良好图形所需要的一定波长光的最小能量值，以图形所需要的一定波长光的最

9、小能量值，以mJ/cm2为单位）为单位） 4.粘滞性好（表征液体光刻胶流动性的一个指粘滞性好（表征液体光刻胶流动性的一个指标，即粘度，单位用标，即粘度，单位用cps表示）表示） 5.粘附性好（指光刻胶与衬底表面的粘附性好）粘附性好（指光刻胶与衬底表面的粘附性好） 6.抗蚀性好（在后续刻蚀工艺中，光刻胶很好抗蚀性好（在后续刻蚀工艺中，光刻胶很好地保护衬底表面，胶的这种性质称为抗蚀性）地保护衬底表面，胶的这种性质称为抗蚀性） 7.颗粒少颗粒少 光刻胶厚度光刻胶厚度1/(rpm)1/21. 树脂是悬浮于溶剂中的酚醛甲醛聚合物树脂是悬浮于溶剂中的酚醛甲醛聚合物2. 感光剂化合物作为强的溶解抑制剂（不溶

10、解于显影液）被加到线性酚感光剂化合物作为强的溶解抑制剂（不溶解于显影液）被加到线性酚醛树脂中醛树脂中3. 在曝光过程中，感光剂（通常为在曝光过程中，感光剂（通常为DNQ）发生光化学分解产生羟酸）发生光化学分解产生羟酸4. 羟酸提高光刻胶曝光区域的线性酚醛树脂的溶解度羟酸提高光刻胶曝光区域的线性酚醛树脂的溶解度1. 树脂是悬浮于溶剂中的聚异戊二烯橡胶聚合物树脂是悬浮于溶剂中的聚异戊二烯橡胶聚合物2. 曝光使光敏感光剂释放出氮气曝光使光敏感光剂释放出氮气3. 释放出的氮气产生自由基释放出的氮气产生自由基4. 自由基通过交联橡胶聚合物（不溶于显影液）使光刻胶聚合自由基通过交联橡胶聚合物（不溶于显影液

11、）使光刻胶聚合1. 具有保护团的酚醛树脂使之不溶于显影液具有保护团的酚醛树脂使之不溶于显影液2. 光酸产生剂在曝光时产生酸光酸产生剂在曝光时产生酸3. 曝光区域产生的酸作为催化剂，在曝光后热烘过程中移除树脂保护团曝光区域产生的酸作为催化剂，在曝光后热烘过程中移除树脂保护团4. 不含保护团的光刻胶曝光区域溶解于以水为主要成分的显影液不含保护团的光刻胶曝光区域溶解于以水为主要成分的显影液l工艺目的：工艺目的：1.将光刻胶中溶剂挥发去除将光刻胶中溶剂挥发去除2.改善粘附性、均匀性、抗蚀性改善粘附性、均匀性、抗蚀性3.优化光刻胶光吸收特性优化光刻胶光吸收特性4.缓和在旋转过程中胶膜内产生的应力缓和在旋

12、转过程中胶膜内产生的应力HeaterVacuumWaferHeated N 2WafersHeaterMW SourceWaferPhotoresistChuckVacuum热热 板板对流烘箱对流烘箱微波烘箱微波烘箱l工艺目的： 对准和曝光是将掩膜板上的图形通过镜头由紫外光传递到涂有光刻胶的硅片上, 形成光敏感物质的空间精确分布，从而实现精确的图形转移。对准对准同轴和离轴对准系统同轴和离轴对准系统曝光曝光 1. 投影掩膜版的对位标记(RA) ：在版的左右两侧， RA与步进光刻机上的基准标记对准 2. 整场对准标记(GA):第一次曝光时被光刻在硅片左右两边，用于每个硅片的粗对准 3. 精对准标记

13、(FA)：每个场曝光时被光刻的，用于每个硅片曝光场和投影掩膜版的对准1.上掩膜版、硅片传送2. 掩膜版对准（ RA ）（掩膜版标记与光刻机基准进行激光自动对准）3. 硅片粗对准（ GA ）（掩膜版与硅片两边的标记进行激光自动对准）4. 硅片精对准（ FA ）（掩膜版与硅片图形区域的标记进行激光自动对准）五、曝光后烘培（五、曝光后烘培（PEB）使得曝光后的光敏感物质在光刻胶内部进行一定的扩散，可以有效地防止产生驻波效应。 对DUV深紫外光刻胶，曝光后烘焙提供了酸扩散和放大的热量，烘焙后由于酸致催化显著的化学变化使曝光区域图形呈现。l入射光和反射光发生干涉并引起光刻胶在厚度方向上的不均匀曝光，这种

14、现象称为驻波效应。驻波效应降低了光刻胶成像的分辨率。深紫外光刻胶由于反射严重驻波效应严重。干涉增强过曝光/nPR平均曝光强度干涉相消欠曝光衬底表面光刻胶表面/nPRPhotoresistSubstrateOverexposureUnderexposurePhotoresistSubstrate六、显影六、显影 溶解硅片上光刻胶可溶解区域，形成精密的光刻胶图形。DeveloperpuddleWaferForm puddleSpin spraySpin rinseand dry正性光刻胶正性光刻胶负性光刻胶负性光刻胶显影液四甲基氢氧化铵 TMAH二甲苯Xylene漂洗液去离子水DI water醋酸

15、正丁酯n-Butylacetate 经曝光的正胶逐层溶解，中和反应只在光刻胶表面进行。 非曝光区的负胶在显影液中首先形成凝胶体，然后再分解，这就使整个负胶层被显影液浸透而膨胀变形。七、坚膜烘培七、坚膜烘培 使存留的光刻胶溶剂彻底挥发，提高光刻胶的粘附性和抗蚀性。这一步是稳固光刻胶，对下一步的刻蚀或离子注入过程非常重要。八、显影检查八、显影检查1.找出光刻胶有质量问题的硅片2.描述光刻胶工艺性能以满足规范要求PRSubstrate 正确显影PRSubstrate 显影不足PRSubstrate 不完全显影PRSubstrate 过显影pExample Viper defect clipsArra

16、y Misplacement on first layerWrong Reticle (RV option)Litho process-Auto ADIHot PlateDeveloperdispenserTrackHot PlateSpin Station光刻机Track Robotl思考题： 如果使用了不正确型号的光刻胶进行光刻会出现什么情况？ 5.3 光学光刻光学光刻 光的能量能满足激活光刻胶，成功实现图形转移的要求。光刻典型的曝光光源是紫外（UV ultraviolet）光源以及深紫外（DUV）光源、极紫外（EUV）光源。 1.高压汞灯 2.准分子激光Intensity (a.u)G-

17、line(436)I-line(365)300400500600Wavelength (nm) H-line (405)Deep UV(260)典型高压汞灯的发射光谱典型高压汞灯的发射光谱名称名称波长波长 (nm) CD分辨率分辨率 (um)汞灯汞灯G-line4360.50H-line 405I-line 3650.35 to 0.25准分子激光准分子激光XeF 351XeCl308KrF (DUV) 2480.25 to 0.15ArF 1930.18 to 0.13氟激光氟激光F21570.13 to 0.1光刻光源光刻光源准直透镜准直透镜汞灯汞灯灯位置调节钮灯位置调节钮灯监视器灯监视器

18、椭圆形反光镜椭圆形反光镜快门快门目镜目镜平面反光镜平面反光镜掩蔽组件掩蔽组件反光镜反光镜反光镜反光镜聚光透镜聚光透镜聚光透镜聚光透镜滤光片滤光片Fiber optics投影掩膜版投影掩膜版承投影掩膜版台承投影掩膜版台(X, Y, q q)投影投影光学聚焦传感器光学聚焦传感器干涉仪反光镜干涉仪反光镜X-drive motorY-drive motorq q-Z drive stage真空卡盘真空卡盘载片台装置载片台装置照明装置照明装置光源置于反光镜的第一焦点光源置于反光镜的第一焦点F1处，发出的处，发出的光线经反光镜反射后，只有低温的紫外光光线经反光镜反射后，只有低温的紫外光会聚在第二焦点会聚在

19、第二焦点F2处。处。 椭球冷反光镜椭球冷反光镜光学介质镜光学介质镜 第一排复眼透镜第一排复眼透镜将光源形成多个光将光源形成多个光源像进行照明；源像进行照明； 第二排复眼透第二排复眼透镜的每个小透镜将镜的每个小透镜将第一排复眼透镜对第一排复眼透镜对应的小透镜重叠成应的小透镜重叠成像于照明面上。像于照明面上。复眼透镜均匀照明系统复眼透镜均匀照明系统 透镜能够把一些衍射光会聚到一点成像，把透镜收集衍射光的能力称为透镜的数值孔径。透镜焦长透镜半径)()(nSinnNAmq数值孔径在成像中的作用数值孔径在成像中的作用 将硅片上两个相邻的关键尺寸图形区分开的能力。 k为工艺因子，范围是0.60.8， 为光

20、源的波长，NA为曝光系统的数值孔径 要提高曝光系统的分辨率即减小关键尺寸，就要要提高曝光系统的分辨率即减小关键尺寸，就要降低光源的波长降低光源的波长 。NAkR 是焦点上下的一个范围，在这个范围内图像连续保持清晰。焦深也就是景深，集成电路光刻中的景深很小，一般在1.0m左右或更小。2)(2 NADOF 掩膜版上的图形与硅片上的图形的对准程度。按照光刻的要求版上的图形与片上图形要精确对准。套准精度也是光刻中一个重要的性能指标。套准精度一般是关键尺寸的1/4 1/3。 通过对不同层次之间的千分尺结构套刻记号的位置误差或来测定套准精度。放大放大缩小缩小旋转旋转X轴方向偏移轴方向偏移Y轴方向偏移轴方向

21、偏移底部抗反射涂层底部抗反射涂层(BARC)顶部抗反射涂层顶部抗反射涂层(TARC)5.4 光刻设备光刻设备l按照曝光进行方式分为：按照曝光进行方式分为： 掩蔽式掩蔽式(shadow printing)：接触式(Contact)，接近式(Proximity) 投影式投影式(projection printing)：扫描式(Scan)，步进式(Stepping)，步进-扫描式(Step and Scan)l按照工作波长分为：按照工作波长分为： g-line(435 nm), i-line(365 nm), KrF(248nm), g-line(435 nm), i-line(365 nm), K

22、rF(248nm), ArF(193nm),ArF(193nm), 和EUV(13.5nm)EUV(13.5nm)一、光刻机分类一、光刻机分类l按照工作平台的个数分为：按照工作平台的个数分为： 单平台，双平台(ASML Twinscan)，串列平台(Nikon NSR-S610C)l按照一次曝光的区域按照一次曝光的区域(Exposure Field)大小分为：大小分为：迷你(Mini)，全尺寸(Full Field, 26mm x 33mm)l按照缩小比例按照缩小比例(Reduction Ratio)分为：分为： 10倍，5倍，4倍，和1倍l1. 接触式光刻机接触式光刻机l2. 接近式光刻机接

23、近式光刻机l3. 扫描投影光刻机扫描投影光刻机l4. 分步重复光刻机分步重复光刻机l5. 步进扫描光刻机步进扫描光刻机二、五代光刻设备二、五代光刻设备 70年代的光刻只能加工年代的光刻只能加工35m线宽，线宽，4 “ 5 ”wafer。如：。如：canon，采用紫外线光源。，采用紫外线光源。l分辨率较低分辨率较低l掩膜版和硅片表面光刻胶间距掩膜版和硅片表面光刻胶间距2.5到到25uml缓解颗粒污染和损伤缓解颗粒污染和损伤l紫外光受空气间隙发散影响，分辨率受限，紫外光受空气间隙发散影响，分辨率受限，2到到4umUVMask接近式光刻机上的边缘衍射和表面反射接近式光刻机上的边缘衍射和表面反射UV

24、exposure lightSubstrateResistDiffracted and reflected lightGapMaskSubstrate扫描投影光刻机扫描投影光刻机l80年代发明了年代发明了1：1投影式光刻机投影式光刻机l紫外光通过狭缝聚焦在硅片上获得均匀光源紫外光通过狭缝聚焦在硅片上获得均匀光源l可加工可加工12m线宽，线宽，5 6waferwaferl代表产品有美国的代表产品有美国的UltrotecUltrotec4. 分步重复光刻机分步重复光刻机l80年代后期出现了年代后期出现了Wafer Stepper，10:1或或5:1，使芯片，使芯片加工进入了加工进入了0.8m的时代

25、。的时代。l光刻精度高，对硅片光刻精度高，对硅片的平整的平整度和几何形状变化的补偿较度和几何形状变化的补偿较容易容易l为提高硅片处理速度，镜头为提高硅片处理速度，镜头尺寸大、曝光区域大，造成尺寸大、曝光区域大，造成像差大，图像畸变像差大，图像畸变l代表产品有：美国的代表产品有：美国的GCA，日本的日本的Canon，Nikon及荷兰及荷兰的的ASML5. 步进扫描光刻机步进扫描光刻机l版上图形与片上图形版上图形与片上图形4：1，掩膜版制造更容易和精确，掩膜版制造更容易和精确l用较小的透镜尺寸获得较大的曝光场从而获得较大的芯片用较小的透镜尺寸获得较大的曝光场从而获得较大的芯片尺寸尺寸l扫描过程调节

26、聚焦，透镜缺陷、硅片平整度变化自动补偿扫描过程调节聚焦，透镜缺陷、硅片平整度变化自动补偿步进扫描光刻机系统工作过程步进扫描光刻机系统工作过程l接触式光刻机接触式光刻机BG401lNSR2005 i9c 型型NIKON光刻机（步进式）光刻机（步进式）序号序号性能参数性能参数参数要求参数要求1分辨率分辨率 0.45m 2焦深焦深 0.7m 3套刻精度套刻精度 110nm 4最大曝光面积最大曝光面积 20 X 20 mm2 5曝光光强曝光光强600mw/cm2NSR2005 i9c 型型NIKON光刻机主要性能指标光刻机主要性能指标lNSR2005 i9c 型型NIKON光刻机光刻关键尺寸光刻机光刻

27、关键尺寸SEM照片照片1lNSR2005 i9c 型型NIKON光刻机光刻关键尺寸光刻机光刻关键尺寸SEM照片照片25.5 先进光刻技术先进光刻技术光刻技术的改进光刻技术的改进b) 改进的掩膜版改进的掩膜版a) 常规掩膜版常规掩膜版c) 先进的掩膜版先进的掩膜版铬铬吸收型相吸收型相移层移层显出边缘显出边缘的相移层的相移层阻挡层阻挡层-1+10-1+10+10硅片上硅片上光强光强掩膜版掩膜版上电场上电场硅片上硅片上电场电场相移掩膜技术（相移掩膜技术（PSM）光学邻近修正光学邻近修正AB-A+B+A-B离轴照明离轴照明(b)常规照明常规照明 (轴上轴上)- 级次级次衍射衍射+ 级次级次衍射衍射(a)针孔掩膜针孔掩膜投影光投影光学系统学系统Wafer离轴照明离轴照明极紫外光刻技术示意图极紫外光刻技术示意图步进扫描承步进扫描承片台片台步进扫描步进扫描4倍反倍反射投影掩膜版射投影掩膜版大功率激光大功率激光靶材料靶材料EUV等离子等离子多层涂层镜多层涂层镜投影掩膜版投影掩膜版的的1/4图形图形真空腔真空腔电子束电子束步进扫描步进扫描承片台承片台静电透镜系统静电透镜系统（4:1缩小）缩小）步进扫描承投步进扫描承投影掩膜版台影掩膜版台真空腔真空腔角度限制投影电子束