电子科大《集成电路工艺》第十五章汇编

1、1第十五章 光刻光刻胶显影和先进的光刻技术微固学院微固学院 张金平张金平215.1 引言引言本章主要内容：本章主要内容：p光刻胶显影技术光刻胶显影技术p先进的光刻技术先进的光刻技术本章知识要点：本章知识要点：l掌握光刻胶的显影方法；l掌握光刻胶曝光后烘焙意义；l了解先进的光刻技术。38)显影后检查5) 曝光后烘焙6)显影7)坚膜UV LightMask4) 对准和曝光Resist2) 涂胶3)前烘1) 气相成底膜HMDS光刻的八个步骤15.1 引引 言言415.2 曝光后烘焙曝光后烘焙515.2 曝光后烘焙曝光后烘焙 DUV曝光后烘焙曝光后烘焙 促进化学反应促进化学反应温度温度均匀性均匀性 典

2、型的后烘温度在典型的后烘温度在90至至130之间，时间约为之间，时间约为1到到2分钟，通常比软供温度高分钟，通常比软供温度高10到到15。 曝光后烘焙延迟（表层不溶的阻止层）曝光后烘焙延迟（表层不溶的阻止层） I-Line曝光后烘焙曝光后烘焙 提高光刻胶的粘附性并减少驻波提高光刻胶的粘附性并减少驻波6 PAGPAGPAGPAGPAGPAGPAGPAGH+H+H+H+H+H+H+H+H+H+ 未被曝光的光刻胶区中性化的光刻胶区被曝光的光刻胶的酸催化反应 (PEB后)显影光刻胶的T型15.2.1 胺染污引起的胺染污引起的“T-top”T-top”7(d) PEB的结果PACPACPACPACPAC

3、PACPACPACPACPACPACPACPACPACPACPACPAC(c) PEB 引起 PAC 扩散 PACPACPACPACPACPACPACPACPACPACPACPACPACPACPACPACPAC未被曝光的光刻胶曝光的光刻胶(b) 光刻胶中的条纹PACPACPACPACPACPACPACPACPACPACPACPACPACPACPACPACPACPACPACPACPACPACPAC驻波(a) UV光曝光15.2.2 后烘引起驻波减少后烘引起驻波减少815.3 显影显影915.3 显显 影影显影显影是将是将未感光未感光的的负胶负胶或已经或已经感光感光的的正胶溶解正胶溶解的的工艺。显

4、影速率受显影液温度和浓度的影响。工艺。显影速率受显影液温度和浓度的影响。显影依赖于所用光刻胶，亚微米光刻常用正胶，显影依赖于所用光刻胶，亚微米光刻常用正胶，非关键层一般用非关键层一般用I线胶，关键层和线胶，关键层和0.25m以下用以下用DUV光刻胶。光刻胶。负胶显影时不与显影液反应，留下的胶易膨胀和负胶显影时不与显影液反应，留下的胶易膨胀和变形，分辨率低。变形，分辨率低。正胶显影需要与显影液反应，留下的胶未曝光，正胶显影需要与显影液反应，留下的胶未曝光，不膨胀和变形，分辨率高，所以用于亚微米光刻。不膨胀和变形，分辨率高，所以用于亚微米光刻。显影方法分为显影方法分为浸泡法浸泡法和和喷雾法喷雾法两

5、种。喷雾法的分两种。喷雾法的分辨率和重复性好，广泛采用。辨率和重复性好，广泛采用。1015.3 显影问题胶显影出现的各种现象显影不足XX不完全显影X过显影正确显影光刻胶衬底显影不足：线条比正常线条要宽并且在侧面有斜坡；不完全显影：衬底上留下应该在显影过程中去掉的剩余光刻胶；过显影：除去了太多的光刻胶，引起图形变窄和拙劣的外形。1115.3 显显 影影l 负胶负胶l 正胶正胶l 显影方法显影方法l 胶显影参数胶显影参数1215.3.1 负胶交联UV交联未曝光的光刻胶曝光的光刻胶负胶显影时不发生化学反应，主要是未曝光的光刻胶的溶剂清洗。留下的胶易膨胀和变形，分辨率低。1315.3.2 正胶显影曝光

6、的胶溶解在显影液中未曝光的正胶交联光刻胶正胶显影包含显影液和光刻胶之间的化学反应；显影液和正胶的化学反应与溶解负胶的溶剂清洗有很大差别。正胶显影液是一种用水稀释的强碱溶液。1415.3.3 显影方法 连续喷雾显影连续喷雾显影 旋覆浸没显影旋覆浸没显影1515.3.3 连续喷雾光刻胶显影真空吸盘连接旋转电机的转杆至真空泵(a) 硅片轨道系统(b) 喷雾式显影硅片传送系统装片台传送台气相成底膜涂胶显影和清洗去边软烘冷板冷板坚膜1615.3.3 旋覆浸没光刻胶显影(d) 甩干(c) DI H2O 清洗(b) 甩掉多余的显影液(a) 旋覆浸没式滴显影液浸没式1715.3.3 光刻胶显影参数p 显影温度

7、显影温度1525p 显影时间显影时间p 显影液用量显影液用量p 当量浓度当量浓度p 清洗清洗p 排风排风p 硅片吸盘硅片吸盘1815.4 坚膜坚膜1915.4 坚 膜坚膜：坚膜：显影后的热烘焙称为坚膜烘焙显影后的热烘焙称为坚膜烘焙n 蒸发掉剩余的溶剂蒸发掉剩余的溶剂n 使光刻胶变硬使光刻胶变硬n 增加光刻胶与硅片的粘附性增加光刻胶与硅片的粘附性n 为下一步工艺准备为下一步工艺准备n 比软烘的温度高，但不能使光刻胶变形比软烘的温度高，但不能使光刻胶变形用用 Deep UV坚膜坚膜2015.4 高温下变软的光刻胶流动光刻胶正胶130，负胶150。2115.5 显影检查显影检查2215.5 显影后检

8、查 查找缺陷查找缺陷 在腐蚀或离子注入前检查在腐蚀或离子注入前检查 检查光刻工艺的好坏检查光刻工艺的好坏 硅片返工硅片返工2315.5 自动显影检查设备2415.5 光刻、显影检查及返工流程1. 气相成底膜HMDS2. 旋转涂胶3. 软烘4. 对准和曝光UV lightMask5. 曝光后烘焙6. 显影7. 坚膜烘焙8. 显影检查不合格硅片合格硅片离子注入刻蚀O2等离子去胶清洗返工2515.6 先进的光刻技术先进的光刻技术2615.6 光刻技术的改进2715.6 先进的光刻技术p 下一代光刻技术下一代光刻技术极紫外极紫外 (EUV)角度限制投影电子束光刻角度限制投影电子束光刻SCALPEL离子

9、束投影离子束投影Ion Projection Lithography (IPL)X-Rayp 先进的光刻胶工艺先进的光刻胶工艺发展的方向（正胶、化学放大发展的方向（正胶、化学放大DUV）扩散增强甲硅烷基光刻胶工艺扩散增强甲硅烷基光刻胶工艺DESIRE 2815.6.1 下一代光刻技术极紫外光刻技术示意图步进扫描承片台步进扫描4倍反射投影掩膜版大功率激光靶材料EUV等离子多层涂层镜投影掩膜版的1/4图形真空腔2915.6.1 SCALPEL示意图电子束步进扫描承片台静电透镜系统（4:1缩小）步进扫描投影掩膜版承台真空腔角度限制投影电子束光刻(SCALPEL)；l 使用的多层薄膜掩膜版几乎不吸收电

10、子；l 电子束通过一个掩膜版中的高原子数目层时，该层散射出电子在硅片平面形成一个高对比度的图形；l SCALPEL为线性复制，用步进扫描直写方式产生曝光光刻胶条纹。3015.6.1 离子束投影光刻技术离子束投影光刻技术(IPL)；l 用离子束进行光刻胶曝光，或者通过掩膜，或者用精确聚焦的离子束连续在光刻胶上直写。l 离子质量比电子大，因而能更有效地将能量转换到光刻胶上。l 离子束投影光刻技术能获得非常高的分辨率。离子束步进扫描承片台静电透镜系统（4:1缩小）真空腔离子源Mask参考平面3115.6.1 X射线光刻技术X-ray 光谱10 nm0.1 nm1 nm100 nmMUVDUVHg灯同

11、步加速器UV 光谱EUV软X-rays硬 X-rays准分子激光器X射线光刻技术：l 系统组件包括:(1) 掩膜版 (2) x射线源(3) x射线光刻胶。3215.6.1 X射线光刻技术X-ray 光掩膜示意图X-raysSilicon wafer薄膜玻璃架刻到下层薄膜的窗口镀金的铬图形吸收 X-ray扫描 X-rays 通过类似这种光掩膜版被指向生产硅片.波长很短，掩膜版上没有衍射干涉效应产生，工艺宽容度很大。X射线版图用的是与硅片关键尺寸相同的1倍掩膜版。3315.6.1 MOS器件中的辐射损伤3415.6.1 MOS器件中的辐射损伤3515.6.2 先进的光刻胶工艺光刻胶及光刻的发展负性

12、光刻胶正性光刻胶 (DNQ-酚醛树脂)化学放大胶先进的光刻胶顶层表面成像接触式曝光机G线分步重复光刻机I线分步重复光刻机扫描式光刻机DUV步进扫描光刻机DUV分步重复光刻机EUV步进扫描光刻机SCALPELIPL, X-rayPSM, OAI1970s 10 m mm 1.2 m mm 0.35 m mm 0.40 m mm 0.18 m mm 2010 0. 1 m mm 2000s 0. 13 m mm 1 m mm 1980s 1990s 3615.6.2 顶层表面成像曝光的光刻胶未曝光的光刻胶UV(a)正常曝光过程(d) 最终被显影的图形O2 plasma develop(b) 曝光后烘焙交联曝光曝光的光刻胶(c) 气相甲硅烷基化