第七章光刻课件

第七章光刻７.１光刻概述光刻是加工微图形结构的关键工艺技术,对光刻的基本要求有下述几个方面：1.高分辨率(只考虑衍射效应的纯理论结果)

光学曝光可以达到的最细线条

∆L≥/2

光学曝光的最高分辨率

Rmax

≤1/(mm-1)

一般粒子束的最细线条∆L≥h/2(2mE)1/2

2.高灵敏度；光刻胶的感光速度3.精密的套刻对准；4.加工大尺寸硅片的效率；5.低缺陷。７.２接触式曝光接近式曝光光的衍射接触式曝光时，掩膜与硅片表面是彼此接触的，曝光后，胶膜中的潜影和掩膜上的图案完全相同，比例为1比1，分辨率好(可达1微米)。但掩膜与硅片接触会产生摩擦和小微粒，影响转移图案的质量，因此已不在大生产中使用。接近式曝光虽不产生颗粒，但分辨率差(~3微米)，也基本不再使用。７.３步进投影曝光系统--stepper投影曝光的掩膜与硅片不接触，且分辨率很高，掩膜上的图案要比硅片上的图案大许多倍，掩膜的图案按比例缩小后，投影到硅片上面，使其曝光。曝光不能一次完成，须经过数十次重复性曝光才能完成。这样的曝光系统称为步进机（stepper）。投影曝光的分辨率R＝k/N·A

为入射光的波长数值孔径（N·A）为描述透镜性能的参数通常N·A=0.4-0.6k为和工艺有关的常数(=o.61)系统组成：

紫外光源：通常使用的光源是汞灯，和准分子激光器.汞灯光谱中有几个光强峰值，有些用字母命名，如365nm的光强峰值被命名为I。准分子激光器主要用于深紫外DUV暴光，汞灯在这个波段的发射功率低不能满足生产的要求。光学系统：将汞灯光谱会聚,变换成平行光,并垂直引向硅片投影掩膜版：制成5倍(十倍)的图形置于光路中对准系统：光照亮对准标记，光探测器被用来从光学上探测投影掩膜版和硅片目标。对准照明系统可以使用步进光刻机的主投影光学系统照亮标记（被称做同轴或通过透镜），或使用其它的光学系统（被称做离轴）。带胶的硅片：投影式曝光提高光学系统的分辨能力可以减小波长（改进光源）,提高感光胶的灵敏度和设备的精度。增加投影透镜的数值孔径（NA）。增加NA就需要更大的透镜半径，这将大大增加设备的成本，另外增加NA会减小焦深。有一些可行的分辨率增强技术，如相移掩膜版（PSM）和光学接近修正（OPC），对减少k值改善图象分辨率有重要作用。如何提高分辨能力移相掩膜

在光掩膜的某些透明图形上，增加或减少一个透明的介质层（移相层），使光通过这个介质层后有180度的相位差，与临近区域的透过光产生干涉，抵消图形边缘的衍射效应，从而提高图形的曝光分辨率。焦深焦深是焦点周围的一个范围，在这个范围内图象连续地保持清晰，这个范围被称作焦深或DOF。焦深正比于波长，反比于NA的平方。焦深减小的结果是严重缩减了光学系统的工艺宽容度。由于硅片表面结构不平，严重限制了分辨率，人们采用许有许多技术来尽量减少表面不平，其中最主要的是机械化学平坦化（CMP）。平坦化减少了焦深，获得较高的图形分辨率。焦深计算:７.４光刻工艺流程光刻主要由涂胶、曝光、显影等主要步骤组成。为了增强精确性和可靠性，还包括去水烘烤、涂底、软烤和硬烤等步骤。下面简述各步的过程。７.４.１粘着剂HMDS光刻胶需要疏水性的表面才能获得良好的接触。干净的硅片表面是疏水的，但由于经过大多数工艺过程或和空气反应形成一层薄氧化层，硅片表面就变成亲水性的了。六甲基二硅胺烷（HMDS）钝化了亲水性的表面状态使之变成疏水性的，从而提高了硅片表面和光刻胶之间的黏附性。HMDS的涂法有两种：一种是旋转法，与涂胶类似；一种是气相法，气相法是把气态的HMDS送进放有硅片的容器，在硅片表面形成一层HMDS膜，这种方法效率高，受微粒影响小。脱水烘烤和HMDS成膜７.４.２涂胶硅片经过清洗，烘焙，成底膜后就该涂胶了。涂胶是在洁净干燥的硅片表面均匀的涂一层光刻胶。滴在硅片上的胶是通过硅片的高速旋转来均匀分布在硅片表面的。胶膜的厚度与胶的粘度和旋转速度有关，转速越大，胶膜越薄，厚度均匀性越理想。影响涂胶质量的参数是胶的厚度和均匀性，光刻胶厚度正比于1/（转速）1/2。涂胶后硅片边缘形成边胶，烘烤过程中或进行其它工艺时边胶就有可能掉到硅片内部图形中，形成缺陷，因此在涂胶后要把边胶去除（EBR）。光刻胶光刻胶主要由树脂、感光剂及溶剂等不同材料混合而成的，光刻胶是一种能和暴光波长（紫外）发生光化学反应从而改变在显影液中的溶解度的有机化合物。光刻胶分为正性胶和负性胶两种，负光刻胶在遇光以后会产生链接，使其结构加强而不溶于显影剂。正光刻胶本身难溶于显影剂，但遇光之后会离解成一种溶于显影剂的结构。７.４.３前烘在涂胶后要进行暴光前烘烤，曝光前烘烤是使光刻胶中的溶剂挥发，并使光刻胶与硅片附着力增强、增加胶的黏附性、缓解胶膜应力，避免同设备粘连。前烘的温度与时间非常重要，温度太高或时间过长，光刻胶变脆从而使附着力降低，而且对光的灵敏度变差，显影困难。温度太低或时间不够，除了影响附着力外，曝光精度会因为溶剂含量过高而变差。前烘的方法利用热空气对流；利用红外线辐射；利用热垫板传导。７.４.４光学曝光曝光是受光照射的光刻胶膜起光化学反应，由于曝光的光源不同，曝光可分为光学曝光、X射线曝光、电子束曝光和离子束曝光。在光学曝光中，由于掩膜位置的不同，又可分为接触式曝光、接近式曝光和投影式曝光。光刻设备可以被分为五代：接触式光刻机接近式光刻机扫描投影光刻机（scanner）分步重复光刻机（stepper）步进扫描光刻机关于抗反射涂层在光刻胶的下面是最终要被刻蚀形成图案的底层薄膜。如果这个底层膜是反光的，例如金属和多晶硅层，那麽光线将从这个膜层反射并有可能损害临近的光刻胶。这个损害能够对线宽控制产生不利的影响。两种最主要的光反射问题是反射切口和驻波。在刻蚀形成的垂直侧墙表面，光反射到不需暴光的光刻胶中就会形成反射切口。驻波表征入射光波和反射光波之间的干涉，这种干涉引起了随光刻胶厚度变化的不均匀暴光。由于驻波，暴光后光刻胶侧面是由过暴光和欠暴光而形成条痕。ARC是抗反射涂层（Anti-ReflectiveCoating)的缩写，能够有效地解决反射问题。ARC有涂在胶膜上表面或下表面的区别，其中最有效的是底部抗反射涂层。ARC有金属和介质的区别，它们是通过特定波长相移相消起作用，是以折射率，膜层厚度，和其它参数为基础的。成功的光波相位相消需要非常严格的工艺参数控制，底部抗反射涂层的厚度偏差容限是15A。TiN被用作和金属连接的扩散势垒区的衬垫层，也是一种较好的抗反射涂层。然而，对于较短的波长以及材料的反射率变化使干涉效应很难控制。另外，还可以在光刻胶中加吸收紫外光的染料来减少反射。７.４.５烘烤曝光时，可能产生一种驻波现象，这是由于入射光干涉引起的。如图所示。显影后光刻胶的侧面成为波纹状，为了减小驻波影响，要进行曝光后烘烤，可以使光刻胶结构重新排列，驻波影响减轻。驻波现象７.４.６显影把已曝光的硅片浸入显影液中，通过溶解部分光刻胶的方法使胶膜的潜影显现出来的过程叫做显影。负胶显影是将没暴光的胶膜溶解掉；正胶显影是将已暴光的胶膜溶解掉。感光和未感光的光刻胶在显影液中都被不同程度的溶解，为了得到好的显影图像，溶解速率差越大越好。显影是产生图形的关键步骤。要控制显影的稳定就要保持环境温度的稳定和显影液浓度的稳定。因为化学显影剂溶解过程受温度和浓度影响很大。暴光不足和显影条件不当会影响显影图像的完好（显不净或掉胶）７.４.７显影后检查显影形成图形后要进行检查，可以避免由于光刻工艺而造成产品质量或成品率问题。检查出有问题的硅片可以返工或做相应的处理从而提高了成品率。因此，显影检查在光刻工艺中也占有重要地位。７.４.８坚膜烘焙光刻胶在显影后，要再经过一次烘烤，进一步将胶内残留的溶剂含量蒸发而降到最低，使其硬化，即坚膜。坚膜温度越高，光刻胶内溶剂含量越少，但最后去胶时，难度也会增加，温度过高，附着力也会因拉伸压力积累而降低。烘焙挥发掉存留的光刻胶溶剂，提高光刻胶对硅片表面的粘附性。这一步对下面的刻蚀和离子注入工艺非常关键。正胶的坚膜烘焙温度约为120℃到140℃，如果温度太高，光刻胶就会流动从而破坏图形。最好的坚膜方法是紫外光照射烘焙它能够在增加光刻胶坚固性的同时又能保持线宽的稳定。７.５X射线暴光X射线的波长比紫外光低2-3个数量级（软紫外线的波长在0.2-4nm),可极大地提高分辨率，０.１－１微米的暴光可以忽略衍射效应．X射线不易被聚光，X射线的暴光采用接近式．要考虑胶和掩膜材料对X射线的吸收效应．７.５.１X射线的光源１.同步辐射Ｘ射线暴光光源：在高能粒子加速器上的电子以接近光速做回旋运动，可以产生很强的电磁辐射．将特定波长的高强度Ｘ射引出可以作为Ｘ射线暴光光源．目前大多数ＸＲＬ的成果都是采用该方法得到的．特点是准直性好，半阴影效应和几何畸变在亚微米线宽光刻中可以忽略．２.Ｘ射线的点光源：有激光等离子体源和高密度等离子体源．７.５.２X射线光刻掩膜一倍X射线光刻掩膜一般由低原子序数的轻元素材料组成的约2微米厚的透光薄膜衬基和高原子序数的重元素材料组成的吸收体图形组成。薄膜衬基要有良好的透光性和较高强度和稳定性。薄膜衬基材料有：硅，氮化硅，铍,碳化硅，金刚石等；吸收体应有高的X射线吸收系数和足够的厚度，吸收体图形应有足够的高宽比。材料有金，钨，钽，钨-钛等。X射线光刻掩膜制备：衬基材料如氮化硅多采用LPCVD技术，吸收体层常采用物理蒸镀。吸收体图形的加工要使用电子束直写和干法刻蚀等图形能够转换技术来实现。铍7.5.3图形畸变X射线的极短波长，使得衍射对分辨率的影响极小。点光源的X射线暴光，影响分辨率和图形的主要原因是半阴影和几何畸变。几何偏差:x=S(W/D)

W是样品暴光位置偏离X光轴心的距离（最大为片径的一半）D是光源到样品的距离（50cm)，S是掩膜到样品的间距。对4英寸硅片，简单的计算可以看出，如果要求硅片不平引起的图形畸变dx小于o.1微米，则硅片的不平整度ds小于2微米，这是个非常高的要求。7.5.4X射线光刻胶常规的紫外暴光的光刻胶在X射线波段灵敏度非常差,通常针对特定的波长在胶中残入特定的杂质,这样可以大幅度提高灵敏度.衡量胶的质量通常有分辨率、灵敏度、和抗腐蚀三个参量。要同时满足三个指标是非常高的要求,为此产生了多层胶技术.即把分辨率和灵敏度高的胶放在上面,抗腐性好的胶放在下层.7.6电子束光刻电子束暴光是指具有一定能量的电子进入到光刻胶中与胶分子相互作用,产生光化学反应.一般也和可分为投影式(通过掩膜)和直写.邻近效应:电子束暴光中,由于电子在胶中的散射和胶层与衬底的交界面的背散射,使得图形有的地方因增强暴光而突起,有的地方因减弱暴光而缺损,于是引起图形畸变.电子束可以聚焦成很小的尺寸的束斑(nm),但是邻近效应是影响电子束暴光的重要因素.克服图形畸变可以选择适当的暴光能量、计量和胶膜厚度—计算机自动修正.7.7极紫外(EUV)光刻技术波长11-14nm的极紫外(EUV)光波经反射镜入