2.42.5光刻、光刻胶和刻蚀解析课件

1、2.4 光刻技术 2.4.1 光刻工艺概述2.4.2 光刻胶2.4.3 涂胶2.4.4 对位和曝光2.4.5 显影第1页，共63页。2.4.1 光刻工艺概述第2页，共63页。2.4.2 光刻胶 凡是在能量束（光束、电子束、离子束等）的照射下，以交联反应为主的光刻胶称为 负性光刻胶，简称 负胶。 凡是在能量束（光束、电子束、离子束等）的照射下，以降解反应为主的光刻胶称为 正性光刻胶，简称 正胶。1、光刻胶的类型 光刻胶也称为 光致抗蚀剂（Photoresist，P R）。最常用的有 AZ 1350 系列。正胶的主要优点是分辨率高，缺点是灵敏度、耐刻蚀性和附着性等较差。第3页，共63页。2、光刻胶

2、的组成成分功能聚合物当被曝光时，聚合物结构由可溶变为聚合（或反之）溶剂稀释感光剂调节化学反应添加剂工艺效果（如染色剂等）第4页，共63页。（1）灵敏度 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 ，也就是D100 。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。 3 光刻胶的特性1.00.50D0入射剂量（C/cm2）未反应的归一化膜厚D100灵敏度曲线第5页，共63页。 (2) 分辨率 光刻工艺中影响分辨率的因素有：光源、曝光方式 和 光

3、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。第6页，共63页。(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 对比度的定义为第7页，共63页。正胶和负胶比较光刻胶对比度斜坡膨胀分辨率粘附性第8页，共63页。 图形的分辩率还要受光刻胶对光强的响

4、应特性的影响。 理想光刻胶：光强不到临界光强 Dcr 时不发生反应，光强超过 Dcr 时完全反应，衍射只造成线宽和间距的少量变化。 DcrD100D0 实际光刻胶：光强不到 D0 时不发生反应，光强介于 D0 和 D100 之间时发生部分反应，光强超过 D100 时完全反应，使线条边缘出现模糊区。在通常的光刻胶中，当 MTF 0.5 时，图形不再能被复制。第9页，共63页。2.4.3 涂胶一般采用旋涂法。涂胶的关键是控制胶膜的厚度与膜厚的均匀性。胶膜的厚度决定于光刻胶的粘度和旋转速度。3) 甩掉多余的胶4) 溶剂挥发1) 滴胶2) 加速旋转第10页，共63页。2.4.4 对位和曝光光刻曝光刻蚀

5、光源曝光方式 评价光刻工艺可用三项主要的标准：分辨率、对准精度 和生产效率。第11页，共63页。1、基本光学问题第12页，共63页。衍射 但是当掩膜版上的特征尺寸接近光源的波长时，就应该把光的传输作为电磁波来处理，必须考虑衍射和干涉。由于衍射的作用，掩模版透光区下方的光强减弱，非透光区下方的光强增加，从而影响光刻的分辩率。掩膜版是用石英玻璃做成的均匀平坦的薄片，表面上涂一层600800厚的Cr层，使其表面光洁度更高。称之为铬板，Cr mask。第13页，共63页。调制传输函数和光学曝光无衍射效应有衍射效应光强第14页，共63页。 定义图形的 调制传输函数 MTF 为 无衍射效应时，MTF =

6、1 ；有衍射效应时 ，MTF A0 ，实际的各向异性刻蚀5、刻蚀工艺的品质因数(1) 刻蚀速率：单位时间刻蚀的厚度。决定了刻蚀工艺的产率决定了刻蚀后剖面形貌和“钻蚀”程度第43页，共63页。膜层厚度的不均匀+刻蚀速率的不均匀图形转移尺寸的不均匀（4）均匀性：第44页，共63页。二、湿法刻蚀1）反应物扩散到被刻蚀的材料表面；2）反应物与被刻蚀薄膜反应；3）反应后的产物从刻蚀表面扩散到溶液中， 并随溶液被排出。1、湿法刻蚀:利用溶液与预刻蚀材料之间的化学反应来去除未被掩蔽膜材料掩蔽的部分而达到刻蚀目的。2、三个步骤：a. 刻蚀溶液的种类b. 溶液的浓度c. 反应温度d. 搅拌速率控制方法：第45页

7、，共63页。各相同性的，钻蚀严重，对图形的控制性较差。安全性、洁净性差。I. 刻蚀液的选用：选择比大。II. 掩蔽膜的选用：粘附性；稳定性；抗蚀性好；III. 主要优点：设备简单，成本底，产量高，并且具有很好的刻蚀选择比，重复性好。IV. 主要缺点第46页，共63页。湿刻的工艺过程（例）transparent glassCr patterned filmMaskSi photoresistSiO2 filmAl filmSi UV exposureSi Develop solutionSi Pattern transferto photoresistSi Etching of Al film第

8、47页，共63页。Isotropic etching undercutFilm etching undercutLayer 2Layer 1湿法刻蚀中的侧向腐蚀SiO2腐蚀断面第48页，共63页。三、干法刻蚀c. 分类：1、特点:利用气体在外加的交流电场中所形成的等离子与选定材料在真空室內发生反应的机制，将未受保护区域的材料从表面上移除的过程。a. 优点:各向异性好，选择比高，可控性、灵活性、重复性好，细线条操作安全，易实现自动化，无化学废液，处理过程未引入污染，洁净度高。b. 缺点：成本高，设备复杂。物理性、化学性、物理化学性刻蚀。第49页，共63页。2、物理性刻蚀(2) 设备：a. 纯粹的

9、机械过程，对所有材料都可实现强的各向异性刻蚀。b.选择比差；c.刻出物易再淀积；d.易对下面结构造成损伤；e. 单片刻蚀。(1) 机理：利用辉光放电将惰性气体解离成带正电的离子，再利用偏压将离子加速，轰击被刻蚀物的表面，并将被刻蚀物材料的原子击出。离子铣（真空度10-310-5 Torr）(3) 特点：第50页，共63页。离子束刻蚀Neutralized ion beam: good for conductor & insulator第51页，共63页。3、化学性刻蚀(1) 机理：第52页，共63页。a. 主要依靠化学反应进行刻蚀，选择性好；b. 离子的能量很小，各向异性差；c. 对基底的损伤

10、小；d. 刻蚀速度低。(2) 设备：高压等离子体刻蚀机（真空度10210-1 Torr）(3) 特点：第53页，共63页。4、物理化学性刻蚀a. 选择比较高；b. 各向异性较好，c. 刻蚀速度较快(1) 机理：物理性的离子轰击和化学反应相结合实现的刻蚀。(2) 设备：反应离子刻蚀机（RIE)（真空度10-110-2 Torr）传统的RIE设备结构简单、价格较低廉。通过适当选择反应气体、气压、流量和射频功率，可以得到较快的刻蚀速率和良好的各向异性。(3) 特点：第54页，共63页。a. 将被刻蚀材料表面的原子键破坏；b. 将再淀积于被刻蚀表面的产物或聚合物打掉,使被刻蚀表面能再与刻蚀气体接触；(

11、4) 离子轰击的作用：第55页，共63页。(5) 反应离子刻蚀机RIE可达100 1000ev比 0 100a. 在RIE设备中，使用非对称腔体。b. 为了保持电流连续性，小电极处应有更高的电场 (更高的RF电流密度）。V1/V2 A2/A14c.d. 自由基反应各向同性， 高能离子轰击各向异性刻蚀。RIE的基板是带负电的。正离子受带负电的基板吸引，最终以近乎垂直的方向射入晶体，从而使刻蚀具有良好的方向性。第56页，共63页。(6) RIE的不足：d. 工作气压较高，离子沾污较大。a. 射频等离子体的离化率较低.b. 刻蚀速度 等离子体密度， 但同时离子轰击的能量 ，轰击损伤;c. 随着线条尺

12、寸，刻蚀图形的深宽比,要求气压 离子的自由程确保刻蚀的垂直度， 但在此气压下，等离子体密度，刻蚀效率。第57页，共63页。(7) 高密度低压等离子体(HDP)刻蚀机真空度102104Torra. 包括电子回旋共振式ECR、感应耦合式ICP、螺旋波式HWPb. 共同特点： 利用交叉的电场和磁场电子在等离子体中的行程 电 子和原子间碰撞 等离子体中自由基和离子的密度 。 使用额外的RF电源给硅片提供衬底偏压。第58页，共63页。(8) HDP的优缺点高的离子流量容易对浮空结构（尤其是MOS管中的栅）充电，可能会在栅绝缘中导致过多的漏电。a. 优点：刻蚀速度高；损伤小；选择比好；各向异性强；b. 缺点：第59页，共63页。5、影响干法刻蚀的因素(1) 刻蚀气体的种类、流量及其配比(2) 射频功率(3) 温度(4) 负载效应第60页，共63页。6、干法刻蚀的终点检测技术 光发射谱分析仪。各种等离子体都发出某些特定波长的光，通过分析它们的强弱变化，来达到终点检测的目的。第61页，共63页。 光线强度与刻蚀速率成正比，刻蚀 小时则难以观测。 刻蚀面积小时，强度太低。第62页，共63页。1、在投影式曝光技术中，分辩率与焦深之间存在什么矛盾？如何协调这个矛盾？步进扫描技术有什