光刻技术课件

1、 光刻机简介目录1光刻的基本简介2光刻的一般流程3光刻胶简介4光刻掩模简介5光刻机简介6光刻与我们光刻的基本简介光刻：利用照相复制与化学腐蚀相结合的技术，在工件表面制取精密、微细和复杂薄层图形的化学加工方法。 光刻是生产半导体元器件时的一个工业步骤，该步骤将印在光掩膜上的外形结构转移到基质的表面上。原理：利用光致抗蚀剂(或称光刻胶)感光后因光化学反应而形成对于显影液溶解度变化的特点，将掩模板上的图形刻制到被加工表面上。 Lithography = Transfer the pattern of circuitry from a mask onto a wafer.光刻原理图光刻后基片上的图形自

2、动对准系统投影物镜系统框架减振系统掩模传输系统调平调焦测量系统照明系统工件台系统掩模台系统硅片传输系统环境控制系统整机控制系统整机软件系统光刻机总体结构设备是信息产业的源头： 开发设备、设备制造芯片、芯片构成器件、器件改变世界！底膜处理是光刻工艺的第一步，其主要目的是对底膜表面进行清洁处理，并增强其与光刻胶之间的粘附性。去除沾污去除微粒减少针孔和其他缺陷提高光刻胶黏附性涂胶:在底膜上涂一层粘附良好厚度适当，均匀的光刻胶。一般采用旋转法进行涂胶。增粘层光刻胶膜底膜涂胶硅片自动输送轨道系统；真空卡盘吸住硅片；胶盘排气系统；可控旋转马达；给胶管和给胶泵边缘清洗（去边）低速200rpm，加速升到300

3、0-7000rpm对准：使掩模的图形和硅片上的图形精确套合。曝光：对光刻胶进行选择性光化学反应，使光刻胶改变在显影液中的溶解性。通常采用紫外接触曝光法。掩模板光刻胶膜增粘层底膜曝光光源显影：正胶去曝光部分，负胶去未曝光部分。部分光刻胶需要超声显影。显影后检查光刻质量，不合格的返工。显影后检查：保证光刻工艺到这一步骤能够精确，且在限定的公差范围内。错误或不可接受的工艺偏差仍然可以纠正，因为抗蚀层还没有把图形转移到硅片上。经过这次检查，把不合格的抗蚀剂层剥去或再加工。坚膜也是一个热处理步骤。除去显影时胶膜吸收的显影液和水分，改善粘附性，增强胶膜抗腐蚀能力。时间和温度要适当。时间短，抗蚀性差，容易掉

4、胶；时间过长，容易开裂。刻蚀就是将涂胶前所沉积的薄膜中没有被光刻胶覆盖和保护的那部分去除掉，达到将光刻胶上的图形转移到其下层材料上的目的。刻蚀刻蚀湿法刻蚀湿法刻蚀是将刻蚀材料浸泡在腐蚀液内进行腐蚀的技术。优点：具有优良的选择性。 重复性好、生产效率高。 工艺简单，设备易于建立，成本低。缺点：各向同性的、钻蚀严重、对图形的控制 性较差、安全性、洁净性差（存在气体鼓泡和光刻胶浮渣等问题）SiO2 的腐蚀氟化铵在SiO2 腐蚀液中起缓冲剂的作用。这种加有氟化铵的氢氟酸溶液，习惯上称为HF 缓冲液。常用的配方为：HF:NH4F:H2O = 3ml:6g:10ml刻蚀干法刻蚀干法刻蚀是用等离子体进行薄膜

5、刻蚀的技术。特点：分辨率高，各向异性强。干法刻蚀又分为物理性刻蚀（溅射刻蚀）、化学性刻蚀和物理化学性刻蚀。例如：反应离子刻蚀-RIE。等离子体刻蚀利用气体分子在强电场作用下，产生辉光放电。在放电过程中气体分子被激励并产生活性基，这些活性基可与被腐蚀物质反应，生成挥发性气体而被带走。等离子体刻蚀常用的工作气体是四氟化碳CF4 CF3* + CF2* + CF* + F*F*与硅、SiO2或Si3N4 作用时，则反应生成可挥发的SiF4 等气体铝是活泼金属，和氯很容易起化学反应，可用氯等离子体腐蚀干法刻蚀采用的是气体刻蚀剂，而不是液态化学试剂和清洗法来去除基底材料。优点：刻蚀剖面是各向异性的，具有

6、好的侧壁剖面控制。 好的关键尺寸(CD)控制和重复性。 无化学废液，无污染，洁净度高。缺点：刻蚀选择比一般较差。 等离子体带来的器件损伤。 成本高，设备复杂。去胶刻蚀完成后去除残留的光刻胶膜，此外刻蚀过程中残留的各种试剂也要清除掉。去胶溶剂去胶，去胶剂常用含氯的烃化物（如三氯乙烯等），并含有表面湿润剂。氧化去胶，常用的氧化剂有浓硫酸，H2SO4 : H2O2(3:1)混合液，也可用号洗液(NH4OH : H2O2 : H2O=1:2:5)煮沸，使胶层碳化脱落而除去。等离子体去胶，氧气在强电场作用下电离产生的活性氧，使光刻胶氧化而成为可挥发的CO2、H2O 及其他气体而被带走。光刻胶简介 光刻胶

7、：也称为光致抗蚀剂，它是由基体材料、增感剂和溶剂三部分组成的对光敏感的混合液体。 光刻胶主要用来将光刻掩模板上的图形转移到元件上。光刻胶的主要技术参数分辨率（resolution）：能在光刻胶上再现的最小特征尺寸，用线宽表示。对比度（Contrast）：指光刻胶从曝光区到非曝光区过渡的陡度。对比度越好，形成图形的侧壁越陡峭，分辨率越好。敏感度（Sensitivity）：光刻胶上产生一个良好的图形所需一定波长光的最小能量值（或最小曝光量）。单位：mJ/cm2。粘滞性/黏度 （Viscosity）：衡量光刻胶流动特性的参数。粘滞性随着光刻胶中的溶剂的减少而增加；高的粘滞性会产生厚的光刻胶；越小的粘

8、滞性，就有越均匀的光 刻胶厚度。粘附性（Adherence）：表征光刻胶粘着于衬底的强度。光刻胶的粘附性不足会导致硅片表面的图形变形。光刻胶的粘附性必须经受住后续工艺（刻蚀、离子注入等）。抗蚀性（Anti-etching）：光刻胶必须保持它的抗蚀性，在后续的刻蚀工序中保护衬底表面。表面张力（Surface Tension）：液体中将表面分子拉向液体主体内的分子间吸引力。存储和传送（Storage and Transmission）：能量（光和热）可以激活光刻胶。应该存储在密闭、低温、不透光的盒中。同时必须规定光刻胶的闲置期限和存贮温度环境。一旦超过存储时间或较高的温度范围，负胶会发生交联，正胶

9、会发生感光延迟。根据光刻胶的化学反应机理和显影原理，可将其分为正性胶和负性胶。VLSI一般使用正胶，MEMS一般使用负胶负性光刻胶依曝光时抗蚀剂结构变化的方式，又有两种典型类型。一种是利用抗蚀剂分子本身的感光性官能团，如双健等进行交链反应形成三维的网状结构另一种是利用交链剂(又称架桥剂)进行交联形成三维的网状结构。聚烃类双叠氮系光致抗蚀剂就是属于这一类聚乙烯醇肉桂酸酯利用抗蚀剂分子本身的感光性官能团发生的光聚合反应如式：交链剂双叠氮化合物遇光照射时发生分解反应，放出氮气，变成氮游离基，然后再与树脂上的双健发生反应，而成为网状结构的不溶性物质正型光致抗蚀剂邻叠氮萘醌类化合物 在紫外光照射下发生分

10、解反应，放出氮气，同时分子的结构经过重排形成五元环烯酮化合物，遇水经水解生成羧酸衍生物 DQN：DQ表示感光化合物 (重氮醌，Diazonapthoquinine,DNQ) N表示亲水集体材料 (酚醛树脂，Novolac epoxy)DQN主要用于I线（365nm）和以上G线（436nm）H线（405nm）的曝光特征尺寸0.35mDQN基体材料：酚醛树脂其基本的环结构可以重复5200次，但其易溶于含水溶液中。往树脂里加入溶剂(二甲苯和各种醋酸盐)可以调节其黏度。黏度在涂胶过程中是一个重要参数。DQN的感光材料：重氮醌添加重量比为20%50%的DQ后，与苯酸形成的混合物变得不可溶。感光剂DQ经过

11、光化学反应后，胶重新变得可溶。紫外曝光前，DQ作为抑制剂，以十倍或以上的倍数降低光刻胶在显影剂中的溶解速度。紫外曝光后DQN的光分解反应光反应前后产物反应前：酚醛树脂与DQ以1：1混和，DQ作为抑制剂，光刻胶几乎不溶于显影液。反应后：DQ转化为羧酸，羧酸与酚醛树脂混合物迅速吸收水，反应中放出的氮也使光刻胶起泡沫，两者均促进胶的溶解。溶解过程中羧酸也进一步分裂为水溶的胺。SU-8光刻胶：由一种具有多官能团的、高度分支的聚合物环氧树脂和少量光引发剂溶于有机溶剂构成。SU-8双酚A环氧树脂典型分子结构由三苯基硫盐组成的光引发剂与光子作用发生光化学反应，产物是一种强酸：这种强酸在后烘过程中起到催化作用

12、，促进交联反应的发生。 发生交联反应的两个条件：1.产生强酸催化剂2.合适的后烘温度光刻胶膜的玻璃转化温度（Tg）约为55，室温下呈固态，分子运动被冻结，交联缓慢，故后烘温度需高于Tg。上述每个环氧基预链接有另外7个环氧基，在酸的作用下扩展交联形成之谜的网络结构，这种网络结构不溶于显影液。SU-8交联示意图正胶与负胶性能对比正胶（DQN）优点分辨率高、对比度好缺点粘附性差、抗刻蚀能力差、高成本特征近紫外，365、405、435nm的波长曝光可采用负胶（SU-8）优点良好的粘附能力、抗蚀能力、感光能力以及较好的热稳定性。可得到垂直侧壁外形和高深宽比的厚膜图形缺点显影时发生溶胀现象，分辨率差特征对

13、电子束、近紫外线及350-400nm紫外线敏感安全小贴士取用时安全注意事项：1.小心取用，远离热源，火星，火源。2.避免直接接触皮肤及眼睛，避免吸入蒸汽，建议穿戴合适的防护用品。3.请储存在原密封的存储容器中，并存放在干燥的暗室中。急救措施：1.如果接触皮肤：用肥皂及清水清洗接触部位。2.如果接触眼睛：用清水冲洗至少1 5分钟，并送医。3.如果被吸入：移至空气新鲜处。光刻掩模制版技术:根据器件的参数要求，按照选定的方法制备出生产上所要求的掩模图形，并以一定间距和布局，将图形重复排列于掩模基板上，进而复制批量生产用的掩模版，供光刻工艺使用。掩模是光刻工艺加工的基准，掩模质量的好坏直接影响光刻质量

14、的优劣，从而影响晶体管或集成电路的性能和成品率。在硅平面器件生产中，掩模制造是关键性工艺之一。接触式复印：具有电路图形的掩模版第一次以存在于硅片上的图形为基准精确定位（对准）。再后，掩模版被夹到涂有光刻胶的硅片上（保持对准），再用紫外线曝光。接近式复印：在接近式曝光中，掩模版和硅片放置得很靠近，但不接触。由于掩模版和硅片间留有空隙，接触式印刷中存在的缺陷问题就避免了。但当间隙增大时，分辨率急剧降低。投影式印刷：在投影式印刷中，用镜头和反光镜使得像聚焦到硅平面上，其硅片和掩模版分得很开。三种方法的比较接触曝光：光的衍射效应较小，因而分辨率高；但易损坏掩模图形，同时由于尘埃和基片表面不平等，常常存

15、在不同程度的曝光缝隙而影响成品率。接近式曝光：延长了掩模版的使用寿命，但光的衍射效应更为严重，因而分辨率只能达到24um 左右。投影式曝光：掩模不受损伤，不存在景深问题提高了对准精度，也减弱了灰尘微粒的影响，已成为LSI 和VLSI 中加工小于3um 线条的主要方法。缺点是投影系统光路复杂，对物镜成像能力要求高。掩模材料掩模材料大致可分为两大类：在玻璃基板表面涂布卤化银乳剂的高分辨率干板在玻璃上附着金属或金属氧化物膜的硬面板超分辨率干版就是在玻璃基片表面上涂布一层含颗粒极细的卤化银乳胶乳胶的成分：乳化剂、分散介质和辅助剂等乳化剂：硝酸银和卤化物(溴化钾，碘化钾、氯化钠等)分散介质：明胶。它易溶

16、于热水，冷凝后成固体状态，其分子链的连接是通过链上某些氨基(NH)中的氢和相邻分子链上羰基( =C=O)中的氧所形成的氢健。辅助剂：增感剂、防灰雾剂、稳定剂以及坚膜剂等增感剂的作用是使卤化银的感光范围展宽防灰雾剂的作用是抑制乳胶中灰雾中心的形成，常用的防灰雾剂有苯酚三氮唑、溴化钾等分散介质(或载体)在乳胶中起分散介质和支撑体的作用。硬面板：在玻璃基板上蒸发或溅射一层几十到几百纳米厚的金属或金属氧化物，再在其上用光刻胶作为感光层。一般使用铬、氧化铬和氧化铁等。制铬版的工艺一是在玻璃板上真空蒸铬，获得铬膜；二是光刻铬膜，得出版图，其过程和光刻硅片上的氧化层相同，只是腐蚀对象不是二氧化硅，而是金属铬

17、。彩色版：一种透明或半透明的掩膜（氧化铁版、硅版、氧化铬版、氧化亚铜版）氧化铁板：既解决了乳胶板的不耐用问题，又解决了铬板的不透明和针孔多的问题，而且氧化铁板在光学特牲、致密度等多方面都优于铬板。制版的一般工艺1.玻璃的准备：玻璃内部和表面都必须无缺陷，必须于光刻胶的曝光波长下有高的光透射率。钠钙玻璃，硼硅玻璃，石英玻璃。在检测和掩模之前反复地进行抛光，清洗，烘干。2.玻璃的表面覆盖：以蒸发或溅射的方式沉积到圆片上。3.掩模版成像：将圆片清洗和干燥后，旋转覆盖上过滤后的光刻胶。较厚的膜导致线条尺寸控制和抗针孔能力的增进；但薄光刻膜（0.20.3m）的分辨率更好。铬版掩模版图形制作CADCAM光

18、刻（将处理好的图形数据文件传递给激光光绘机，对匀胶铬版进行曝光） 显影（将曝光处光刻胶层去除，显露铬层）蚀刻（将曝露处的铬层腐蚀去除） 脱模（将光刻胶去除） 切割（按生产工艺要求，将一大片拼版成品切割为各自独立的单个成品）磨边倒角检查（针孔、毛刺、精度修补）打包几种掩膜材料的特性比较特性种类组成材料膜厚表面反射率表面强度分辨率乳胶干板AgBr4-6m低弱2-3m铬板Cr80-200nm50-60%强1-2m氧化铁板Fe2O3150-250nm15-20%强1m特性种类抗化学性耐磨性透明性光密度成像锐度光刻对准乳胶干板弱差不透明1.5-3有散乱边纹困难铬板耐强酸较好不透明2-3锐困难氧化铁板耐强酸不耐碱好选择透明2锐容易玻璃衬底的要求1.平面度好，机械强度高，在白炽灯下观察，无肉眼看得见的气泡、杂质、霉点和划痕2.热膨胀系数小3.透射率高4.化学稳定性好。掩模版的质量检测1.掩模版外观及版面图形一般质量检查小尺寸检查2.间距测定3.套准精度测定4.缺陷检查掩模缺陷的种类掩模缺陷大致可分为以下两类：一类是掩模图形范围内多余的部分，如小岛、凸出和连条等不透明缺陷。另一类是掩模图形范围内缺少的部分，如针孔、凹口，断条