基本光刻工艺全息解析

第九章基本光刻工艺------从曝光到最终检验－1－概述

在本章中，将介绍从显影到最终检验所使用的基本方法。还涉及掩膜版工艺的使用和定位错误的讨论。9.1显影

晶园经过曝光后,器件或电路的图形被以曝光和未曝光区域的形式记录在光刻胶上。通过对未聚合光刻胶的化学分解来使图形显影。通过显影完成掩膜版图形到光刻胶上的转移（如图所示）。

不良显影：不完全显影

显影不足

严重过显影。

第九章基本光刻工艺------从曝光到最终检验－2－第九章基本光刻工艺------从曝光到最终检验－3－负光刻胶显影

当负性光刻胶经过曝光后，它会发生聚合，在聚合与未聚合之间有足够高的分辨率，从而在显影过程中聚合的区域只会失去很小部分光刻胶，而未聚合的区域则在显影过程中分解，但由于两个区域之间总是存在过渡区，过渡区是部分聚合的光刻胶，所以，显影结束后必须及时冲洗，使显影液很快稀释，保证过渡区不被显影，使显影后的图形得以完整。第九章基本光刻工艺------从曝光到最终检验－4－正光刻胶显影

对于正性光刻胶，聚合与未聚合区域的溶解率约为1:4。这意味着在显影中总会从聚合的区域失去一些光刻胶。使用过渡的显影液或显影时间过长都会导致光刻胶太薄而不能使用。通常要求不高的正光刻胶显影使用减－水溶液和非离子溶液，对制造敏感电路使用叠氮化四甲基铵氢氧化物的溶液。正性光刻胶的显影工艺比负性光刻胶更为敏感，影响的因素有：软烘焙时间和温度、曝光度、显影液浓度、时间、温度以及显影方法。显影工艺参数由所有变量的测试来决定。图9.4显示了一个特定的工艺参数对线宽的影响。第九章基本光刻工艺------从曝光到最终检验－5－

图9.4显影剂温度和曝光关系与线宽变化的比较第九章基本光刻工艺------从曝光到最终检验－6－显影方式

显影方式分为：湿法显影干法（等离子）显影湿法显影

沉浸喷射混凝沉浸显影

最原始的方法。就是将待显影的晶园放入盛有显影液的容器中，经过一定的时间再放入加有化学冲洗液的池中进行冲洗。比较简单，但存在的问题较多，比如：液体表面张力会阻止显影液进入微小开孔区；溶解的光刻胶粘在晶园表面影响显影质量；随着显影次数增加显影液的稀释和污染；显影温度对显影率的影响等。喷射显影

显影系统如图9.7所示。由此可见，显影剂和冲洗液都是在一个系统内完成，每次用的显影液第九章基本光刻工艺------从曝光到最终检验－7－

和冲洗液都是新的，所以较沉浸系统清洁，由于采用喷射系统也可大大节约化学品的使用。所以此工艺很受欢迎，特别是对负性光刻胶工艺。

对正性光刻胶工艺来说因为温度的敏感性，当液体在压力下从喷嘴喷出后很快冷却，要保证温度必须加热晶园吸盘。从而增加了设备的复查性和工艺难度。

第九章基本光刻工艺------从曝光到最终检验－2－混凝显影

虽然喷射显影有很多有点，但对正性光刻胶显影还存在一些问题，混凝显影就是针对所存在地问题而改进的一种针对正性胶的光刻工艺，差别在于显影化学品的不同。如图所示，首先在静止的晶园表面上覆盖一层显影液，停留一段时间（吸盘加热过程），在此过程中，大部分显影会发生，然后旋转并有更多的显影液喷到晶园表面并冲洗、干燥。第九章基本光刻工艺------从曝光到最终检验－9－干法显影液体工艺的自动化程度不高，并且化学品的采购、存储、控制和处理费用昂贵，取代液体化学显影的途径是使用等离子体刻蚀工艺，该工艺现已非常成熟。在此工艺中，离子从等离子体场得到能量，以化学形式分解暴露的晶园表面层。干法光刻显影要求光刻胶化学物的曝光或未曝光的之一易于被氧等离子体去除。具体内容在第十章中介绍。9.2硬烘焙

硬烘焙的作用是蒸发湿法显影过程中吸收在光刻胶中溶液，增加光刻胶和晶园表面的粘结能力，保证下一步的刻蚀工艺得以顺利进行。第九章基本光刻工艺------从曝光到最终检验－10－硬烘焙方法在方法和设备上与前面介绍的软烘焙相似。烘焙工艺

时间和温度仍然是主要的工艺参数，一般是制造商推荐，工艺工程师精确调整。对一般使用的对流炉，温度：130～200℃，时间：30分钟。对其他方法温度和时间各不相同。热烘焙增加粘度的机理是光刻胶的脱水和聚合，从而增加光刻胶的耐蚀性。

烘焙温度太低，脱水和聚合不彻底，温度太高光刻胶容易变软甚至流动（如图9.9所示），所以温度的控制极为严格。硬烘焙是在显影后立即进行，或者在刻蚀前进行，工艺流程如图9.10

所示。第九章基基本本光刻工工艺------从曝光到到最终检检验－－11－图9.9光刻胶在在高温下下的流动动第九章基基本本光刻工工艺------从曝光到到最终检检验－－12－显影检验验任何一次次工艺过过后都要要进行检检验，经经检验合合格的晶晶园流入入下一道道工艺，，对显影影检验不不合格的的晶园可可以返工工重新曝曝光、显显影。工工艺流程程如图所所示。显影检验验的内容容图形尺寸寸上的偏偏差，定定位不准准的图形形，表面面问题（（光刻胶胶的污染染、空洞洞或划第九章基基本本光刻工工艺------从曝光到到最终检检验－－13－第九章基基本本光刻工工艺------从曝光到到最终检检验－－14－伤），以以及污点点和其他他的表面面不规则则等。检验方法法人工检验验自自动检检验人工检验验下图是一一个典型型的人工工检验次次序和内内容第九章基基本本光刻工工艺------从曝光到到最终检检验－－15－自动检验验随着晶园园尺寸增增大和元元件尺寸寸的减小小，制造造工艺变变得更加加繁多和和精细，，人工检检验的效效力也到到了极限限。可探探测表面面和图形形失真的的自动检检验系统统成了在在线和非非在线检检验的选选择。详详细内容容在第14章中介绍绍。9.4刻蚀在完成显显影检验验后，掩掩膜版的的图形就就被固定定在光刻刻胶膜上上并准备备刻蚀。。经过刻刻蚀图形形就永久久留在晶晶园的表表层。刻蚀工艺艺分为两两大类：：湿法和干法刻蚀。无论那一一种方法法，其目目的都是是将光刻刻掩膜版版上的图图形精确确地转移移到晶园园表面。。同时要要求一致致性、边边缘轮廓廓控制、、选择性性、洁净净度都符符合要求求。第九章基基本本光刻工工艺------从曝光到到最终检检验－－16－光刻胶被刻蚀材料(a)有光刻胶图形的衬底(b)刻蚀后的衬底光刻胶被保护层第九章基基本本光刻工工艺------从曝光到到最终检检验－－17－湿法各向向同性化化学腐蚀蚀层（各向同同性刻蚀蚀是在各各个方向向上以同同样的速速度进行行刻蚀））衬底膜胶第九章基基本本光刻工工艺------从曝光光到最最终检检验－－18－具有垂垂直刻刻蚀剖剖面的的各向向异性性刻蚀蚀（各向向异性性刻蚀蚀是仅仅在一一个方方向刻刻蚀））ResistSubstrateFilm第九章章基基本本光刻刻工艺艺------从曝光光到最最终检检验－－19－湿法刻刻蚀最原始始的刻刻蚀工工艺，，就是是将晶晶园沉沉浸于于装有有刻蚀蚀液的的槽中中经过过一定定的时时间，，再传传送到到冲洗洗设备备中除除去残残余的的酸（（刻蚀蚀液））在进进行最最终的的冲洗洗和甩甩干。。此工艺艺只能能用于于特征征尺寸寸大于于3µm的产品品，小小于3µm的产品品由于于控制制和精精度的的需要要一般般使用用干法法刻蚀蚀了。。刻蚀的的一致致性和和工艺艺控制制由附附加的的加热热和搅搅动设设备来来提高高，常用的的是带带有超超声波波的刻刻蚀槽槽。刻蚀液液的选选择要要求具具有良好的的选择择性，即在在刻蚀蚀时要要有均均匀去去掉晶晶园表表层而而又不不伤及及下一一层的的材料料。刻蚀时时间是是一个个重要要的工工艺参参数，，最短时时间是是保证证彻底底、干干净的的均匀匀刻蚀蚀；而而最长长时间间受限限于光光刻胶胶在晶晶园表表面的的粘结结时间间。第九章章基基本本光刻刻工艺艺------从曝光光到最最终检检验－－20－刻蚀工工艺中中容易易出现现的问问题：：过刻蚀蚀、内内切、、选择择性和和侧边边的各各向异异性/各向同同性刻刻蚀。。不完全全刻蚀蚀是指表表面层层刻蚀蚀不彻底，，如图图所示示。产生的的原因因：太短的的刻蚀蚀时间间；薄薄厚不不均匀匀的待待刻蚀蚀层；；过低低的刻刻蚀温温度。。过刻蚀蚀和底底切与不完完全刻刻蚀相相反，不过通通常是是有意意识的的过刻刻蚀，，因为为恰到到好处处是很很难做做到的的。理理想的的刻蚀蚀应该该是形形成垂垂直的的侧边边（如如图所所示）），产生生这种种理想想结果果的刻刻蚀技技术叫叫做各各向异异性刻刻蚀。。然而，，刻蚀蚀总是是在各各个方方向同同时进进行的的，这这样就就避免免不第九章章基基本本光刻刻工艺艺------从曝光光到最最终检检验－－21－了在侧侧面形形成一一个斜斜面，，这种种现象象称为为底切切（如如图所所示））。刻刻蚀的的目标标是把把这种种底切切控制制在一一个可可以接接受的的范围围内。。由于于这种种底切切的存存在，，在电电路设设计时时必须须考虑虑（即即各器器件之之间留留有余余量以以防止止电路路短路路）。。彻底解解决底切的方法法是采采用等等离子子体刻刻蚀。。第九章章基基本本光刻刻工艺艺------从曝光光到最最终检检验－－22－产生底底切的的原因因除了各各向同同性刻刻蚀以以外，产生生底切切的原原因有有：时间过过长、、温度度过高高、刻刻蚀液液浓度度太高高、光光刻胶胶和晶晶园表表面的的粘结结力较较弱、、开孔孔边缘缘粘结结力失失效等等。选择性性理想的的刻蚀蚀特性性是：：既要要把该该刻蚀蚀的彻彻底、、干净净地刻刻蚀掉掉，又又要把把不该该刻蚀蚀的原原样保保留。。这就就是刻刻蚀的的选择择性。。尽管管不能能完全全做到到，但但在刻刻蚀液液的选选择上上尽量量保证证。同同一种种刻蚀蚀液对对不同同的材材料刻刻蚀速速度是是不同同的，，通常常用刻刻蚀速速率来来描写写。比比如：：SiO2/Si的选择择性从从20～40。高选选择性性意味味着下下表层层很少少或没没有被被刻蚀蚀。第九章章基基本本光刻刻工艺艺------从曝光光到最最终检检验－－23－不同材材料的的刻蚀蚀其工工艺略略有不不同，，不同同材料料的不不同刻刻蚀工工艺见见9.54～9.510节。9.6干法刻刻蚀对于小小尺寸寸湿法法刻蚀蚀的局局限性性前面面已经经提到到，主主要包包括：：局限于于3µm以上的的图形形尺寸寸；各各向同同性刻刻蚀导导致边边侧形形成斜斜坡；；要求求冲洗洗和干干燥步步骤；；潜在在地污污染；；光刻刻胶粘粘结力力失效效导致致底切切。基于这这些原原因，，干法法刻蚀蚀主要要用于于先进进电路路的小小尺寸寸精细细刻蚀蚀中。。干法刻刻蚀是是指以以气体体为主主要媒媒体的的刻蚀蚀技术术，晶晶园不不需要要液体体化学学品或或冲洗洗，刻刻蚀过过程在在干燥燥的状状态进进出系系统。。刻蚀蚀方法法见下下图。。第九章章基基本本光刻刻工艺艺------从曝光光到最最终检检验－－24－干法刻刻蚀与与湿法法刻蚀蚀相比比的优优点：：刻蚀剖面是是各向异性性，具有非非常好的恻恻壁剖面控控制；好的CD控制；最小的光刻刻胶脱落或或黏附问题题；好的片内、、片间、批批次间的刻刻蚀均匀性性；较低的化学学制品使用用和处理费费用。第九章基基本光刻刻工艺------从曝光到最最终检验－－25－等离子体等离子体是是一种中性性、高能量量、离子化化的气体，，包括中性性原子或分分子、带电电离子和自自由电子。。当从中性性原子中去去除一个价价电子时，，形成正离离子和自由由电子。例例如，当原原子结构内内的原子和和电子数目目相等时氟氟是中性的的，当一个个电子从它它的核内分分离出去后后氟就离子子化了（见见下图）。。在一个有有限的工艺艺腔内，利利用强直流流或交流磁磁场或用某某些电子源源轰击气体体原子都会会导致气体体原子的离离子化。第九章基基本光刻刻工艺------从曝光到最最终检验－－26－等离子体刻刻蚀离子的形成成

F+9离子是质子（＋）与电子（－）数不等地原子电子从主原子中分离出来.少一个电子的氟原子到原子失去一个电子时产生一个正离子

F+9具有质子（＋9）和电子（－9）数目相等地中性粒子是原子氟原子总共有7个价电子价层环最多能有8个电子价层电子（－）内层电子（－）在原子核中的质子（未显示电子）第九章基基本光刻刻工艺------从曝光到最最终检验－－27－硅片的等离离子体刻蚀蚀过程

8) 副产物去除

1) 刻蚀气体进入反应室衬底刻蚀反应室

2)

电场使反应物分解

5) 反应离子吸附在表面

4) 反应正离子轰击表面

6) 原子团和表面膜的表面反应排气气体传送RF发生器副产物

3) 电子和原子结合产生等离子体

7) 副产物解吸附阴极阳极电场ll各向异性刻蚀各向同性刻蚀第九章基基本光刻刻工艺------从曝光到最最终检验－－28－等离子体刻刻蚀反应器器园桶式等离离子体刻蚀蚀机早期的离子子体系统被被设计成圆圆柱形的（（如图），，在0.1～1托的压力下下具有几乎乎完全的化化学各向同同性刻蚀，，硅片垂直直、小间距距地装在一一个石英舟舟上。射频频功率加在在圆柱两边边的电极上上。第九章基基本光刻刻工艺------从曝光到最最终检验－－29－平板（平面面）等离子子体刻蚀机机平板（平面面）等离子子体刻蚀机机有两个大大小和位置置对称的平平行金属板板，一个硅硅片背面朝朝下放置于于接地的阴阴极上面，，RF信号加在反反应器的上上电极。由由于等离子子体电势总总是高于地地电势，因因而是一种种带能离子子进行轰击击的等离子子体刻蚀模模式。相对对于桶形刻刻蚀系统，，具有各向向异性刻蚀蚀的特点，，从而可得得几乎垂直直的侧边。。另外，旋旋转晶园盘盘可增加刻刻蚀的均匀匀性。该系系统可设计计成批量和和单个晶园园反应室设设置。单个个晶园系统统因其可对对刻蚀参数数精密控制制，以得到到均匀刻蚀蚀而受到欢欢迎。第九章基基本光刻刻工艺------从曝光到最最终检验－－30－平板等离子子体刻蚀粒子束刻蚀蚀粒子束刻蚀蚀也是干法法刻蚀的一一种，与化化学等离子子体刻蚀不不同的是粒粒子束刻蚀蚀是一个物理工艺。如图所示示，晶园在在真空反应应室内被置置于固定器器上，并且且向反应室室导入氩气气流。氩气气进入反应应室便受到到从一对阴阴阳极来的的高能电子子束流的影影响。电子子将氩原子子离子化成成带正电荷荷的高能状状态。由于于晶园位于于接负极的的固定器上上，从而氩氩离子便被被吸向固定定器。在移移动的同时时被加速以以提高能量量。在晶园园表面上它它们轰击进进入暴露的的晶园层并并从晶园表表面炸掉一一小部分从从而达到刻刻蚀的目的的。第九章基基本光刻刻工艺------从曝光到最最终检验－－31－第九章基基本光刻刻工艺------从曝光到最最终检验－－32－优点：刻蚀的方方向性非常好（（属于各向异性），，非常适合高精度的的小开口区域刻蚀缺点：选择性差，存在离子化化形成的辐射损害。。粒子束轰击击示意图第九章基基本光刻刻工艺------从曝光到最最终检验－－33－干法刻蚀中中光刻胶的的影响对于湿法和和干法刻蚀蚀两种工艺艺，图形保保护层是光光刻胶层。。在湿法刻刻蚀中对光光刻胶层几几乎没有来来自刻蚀剂剂的刻蚀。。然而在干干法刻蚀中中，残余的的氧气会刻刻蚀光刻胶胶层。因此此光刻胶层层必须保证证足够的厚厚度以应付付刻蚀剂的的刻蚀而不不至于变薄薄出现空洞洞。另一个与光光刻胶相关关的干法刻刻蚀问题是是光刻胶烘烘焙。在干干法刻蚀反反应室内，，温度可升升到200℃，这样的温温度可把光光刻胶烘焙焙到一个难难于从晶园园表面去除除的状态，，还有就是是高温下光光刻胶的流流动倾向会会使图形变变差。第九章基基本光刻刻工艺------从曝光到最最终检验－－34－9.7光刻胶的去去除刻蚀工艺完完成后，作作为刻蚀阻阻挡层的光光刻胶已经经完成任务务，必须从从表面去掉掉。传统的的方法是用用湿法化学工工艺去除，尽管有一一些问题，，湿法去除除在前线工艺还是经常采采用的一种种方法（特特别是硅片片表面和MOS栅极暴露并并易于受到到等离子体体中氧气离离子的损伤伤）。另一种是干法的等离离子体去除除，在后线工工艺中经常常采用（此此时硅片和和MOS栅极已经被被绝缘和金金属层覆盖盖）。湿法去除有有许多不同同的化学品品被由于去去除工艺，，其选择依依据是晶园园表层、产产品考虑、、光刻胶极极性和光刻刻胶的状态态（见下图图）。第九章基基本光刻刻工艺------从曝光到最最终检验－－35－湿法光刻胶胶去除表优点：成本有效性性好；可有有效去除金金属离子；；低温工艺并且且不会将晶晶园暴露于于可能的损损伤性辐射。第九章基基本光刻刻工艺------从曝光到最最终检验－－36－无金属表面面的湿法化化学去除硫酸和氧化化剂溶液是最常用的的去除无金金属表面光光刻胶的去去除剂。无无金属表面面是指二氧氧化硅、氮氮化硅或多多晶硅。此此溶液可去去除负光刻刻胶和正光光刻胶。有金属表面面的湿法化化学去除因为金属会会受到侵蚀蚀和氧化，，所以有金金属表面去去除光刻胶胶相对比较较困难。有有三种类型型的液体化化学品可供供使用：酚有机去除除剂溶溶液/胺去除剂特特殊湿湿法去除剂剂干法去胶同刻蚀一样样，等离子子体工艺也也可用于光光刻胶去除除。将晶园园放置于反反应室中并并通入氧气气，等离子子场把氧气气激发到高高能状态，，从而将光光刻胶成分分第九章基基本光刻刻工艺------从曝光到最最终检验－－38－9.9光刻版制作作这一节简单单介绍光刻刻版的制作作过程。最最初的光刻刻版是由涂涂上感光乳剂的的玻璃板制成，但由由于感光乳乳剂容易划划伤，在使使用中变质质且不能分分辩3µµm以下下的的图图形形，，现现在在最最常常用用的的感感光光版版使使用用玻璃璃涂涂敷敷铬铬技技术术。制制做做过过程程如如图图所所示示。。最受受欢欢迎迎的的光光刻刻版版制制作作材材料料是是硼硅硅酸酸盐盐玻玻璃璃或或石石英英，，它们们有有良良好好的的尺尺寸寸稳稳定定性性和和曝曝光光波波长长的的传传输输性性能能。。9、静夜四无无邻，荒居居旧业贫。。。12月-2212月-22Wednesday,December28,202210、雨雨中中黄黄叶叶树树，，灯灯下下白白头头人人。。。。20:43:4220:43:4220:4312/28/20228:43:42PM11、以我我独沈沈久，，愧君君相见见频。。。12月月-2220:43:4220:43Dec-2228-Dec-2212、故人人江海海别，，几度度隔山山川。。。20:43:4220:43:4220:43Wednesday,December28,202213、乍见翻翻疑梦，，相悲各各问年。。。12月-2212月-2220:43:4220:43:42December28,202214、他乡生白发发，旧国见青青山。。28十二月月20228:43:42下午20:43:4212月-2215、比不了得得就不比，，得不到的的就不要。。。。十二月228:43下下午12月-2220:43December28,202216、行行动动出出成成果果，，工工作作出出财财富富。。。。2022/12/2820:43:4220:43:4228December202217、做做前前，，能能够够环环视视四四周周；；做做时时，，你你只只能能或或者者最最好好沿沿着着以以脚脚为为起起点点的的射射线线向向前前。。。。8:43:42下下午午8:43下下午午20:43:4212月月-229、没有失败，，只有暂时停停止成功！。。12月-2212月-22Wednesday,December28,202210、很多事情努努力了未必有有结果，但是是不努力却什什么改变也没没有。。20:43:4220:43:4220:4312/28/20228:43:42PM11、成功就是是日复一日日那一点点点小小努力力的积累。。。12月-2220:43:4220:43Dec-2228-Dec-2212、世间成事事，不求其其绝对圆满满，留一份份不足，可可得无限完完美。。20:43:4220:43:4220:43Wednesday,December28,202213、不知香香积寺，，数里入入云峰。。。12月-2212月-2220:43:42