chap8光刻与刻蚀工艺课件

一、光刻的定义：光刻是一种图形复印和化学腐蚀相结合的精密表面加工技术。

它是集成电路制造中最关键的一道工序。随着集成电路的集成度越来越高，特征尺寸越来越小，晶圆片面积越来越大，给光刻技术带来了很高的难度。尤其是特征尺寸越来越小，对光刻的要求更加精细。通常人们用特征尺寸来评价集成电路生产线的技术水平。

Chap8光刻工艺1二、光刻的目的：光刻的目的就是在二氧化硅或金属薄膜上面刻蚀出与掩膜版完全对应的几何图形，从而实现选择性扩散和金属薄膜布线的目的。三、在ULSI中对光刻的基本要求：1、高分辨率：分辨率的表示方法：第一种是以每毫米最多能够容纳的线条数来表示。即线宽。条数/mm；第二种是以剥蚀后的二氧化硅尺寸减去光刻掩膜版的图形尺寸除以2表示。22、高灵敏度：为了提高产量要求曝光所需要的时间越短越好，也就是要求灵敏度高。也称感光度，以光刻胶发生化学反应所需要的最小曝光量的倒数来表示。3、精密的套刻对准4、大尺寸硅片的加工5、低缺陷四、光刻三要素：光刻胶、掩膜版和光刻机3一、打底膜（六甲基二硅亚胺HMDS）六甲基二硅亚胺HMDS反应机理SiO2SiO2OHOH＋(CH3)3SiNHSi(CH3)3O-Si(CH3)3O-Si(CH3)3+NH3567三、前烘1.目的：去除胶层内的溶剂，提高光刻胶与衬底的粘附力及胶膜的机械擦伤能力。2.方法：烘箱法，热板式，干燥循环热风，红外线辐射等。3.影响因素：温度和时间9四、曝光1.目的：利用感光与未感光的光刻胶对碱性溶液的不同溶解度，就可以进行掩膜图形的转移。2．曝光质量3.曝光方式：分为光学曝光（接触式，接近式，投影式，直接分步重复曝光，）、X射线曝光、电子束曝光和离子束曝光后面章节将详细介绍。曝光时间、氮气释放、氧气、驻波和光线平行度都是影响曝光质量。10五、显影正胶：图形溶解。负胶：图形保留。六、坚膜也称后烘。经显影以后的胶膜发生了软化、膨胀，胶膜与硅片表面粘附力下降。为了保证下一道光刻工序的顺利进行，必须要经过坚膜。其目的是去除膜中的水分使胶固化，能牢固地与硅片表面粘附好，从而提高了抗蚀能力。11八、去胶

138.2分辨率

用R表示，是对光刻工艺中可以达到的最小光刻图形尺寸的一种描述。表示每mm内能刻蚀出可分辨的最多线条数。

R=1/2L线宽=线条间距=L148.3光刻胶

光刻胶又叫光致抗蚀剂，它是由光敏化合物、基体树脂和有机溶剂等混合而成的胶状液体。光刻胶受到特定波长光线的作用后，导致其化学结构发生变化，使光刻胶在某种特定溶液中的溶解特性改变正胶：分辨率高，在超大规模集成电路工艺中，一般只采用正胶负胶：分辨率差，适于加工线宽≥3m的线条光刻胶的分类和光刻胶的质量要求。15正胶：曝光后可溶负胶：曝光后不可溶17二、光刻胶的感光机理聚乙烯醇肉桂酸酯KPR胶的光交联(聚合)181.负性胶由光产生交联常用负胶有聚肉桂酸酯类、聚酯类和聚烃类,2.正性胶由光产生分解胶衬底胶衬底胶衬底掩膜曝光胶衬底显影负胶正胶19DNQ-酚醛树脂光刻胶的化学反应

(光活泼化合物)O=S=OORO=S=OORN2oo(1)(2)h-N2重新排列O=S=OORO=S=OORcoOHco(4)(3)+H2O21（1）感光度

（2）分辨率（3）抗蚀性（4）粘附性（5）针孔密度（6）留膜率（7）性能稳定三、光刻胶的性能指标22231、硅化学增强工艺2、对比增强层3、硅烷基化光刻胶表面成像工艺258.5抗反射涂层工艺

使用抗反射涂层（ARC）工艺，可以降低驻波效应的影响。驻波效应：曝光光波在进入到光刻胶层之后，如果没有被完全吸收，就会有一部分光波穿过光刻胶膜达到衬底表面，这一部分光波在衬底表面被反射之后，又回到光刻胶中。这样，反射光波与光刻胶中的入射光波发生干涉，从而形成驻波。表现为以λ/2n为间隔，在光刻胶中形成强弱相间的曝光区域。会导致线宽发生变化，减低分辨率。26三种光刻方式29接近式曝光是以牺牲分辨率来延长了掩膜版的寿命。大尺寸和小尺寸器件上同时保持线宽容限还有困难。另外，与接触式曝光相比，接近式曝光的操作比较复杂。一、接近式曝光（装置示意图见书图8.13）30二、接触式曝光系统同接近式曝光，唯一的区别是掩膜版与硅片是紧密接触。曝光由于掩膜版与硅片相接触磨损，使掩膜版的寿命降低。其分辨率优于接近式曝光。容易引入大量的工艺缺陷，成品率低，目前已处于被淘汰的地位。31三、投影式曝光

光源光线经透镜后变成平行光，然后通过掩膜版并由第二个透镜聚焦投影并在硅片上成像，硅片支架和掩膜版间有一个对准系统。32避免了掩膜版与硅片表面的摩擦，延长了掩膜版的寿命。掩膜版的尺寸可以比实际尺寸大得多，克服了小图形制版的困难。消除了由于掩膜版图形线宽过小而产生的光衍射效应，以及掩膜版与硅片表面接触不平整而产生的光散射现象。投影式曝光虽有很多优点，但由于光刻设备中许多镜头需要特制，设备复杂33四、直接分步重复曝光（补充）

三个独特的优点：（1）它是通过缩小投影系统成像的，因而可以提高分辨率。用这种方法曝光，分辨率可达到1～1.5微米；（2）不要1:1精缩掩膜，因而掩膜尺寸大，制作方便。由于使用了缩小透镜，原版上的尘埃、缺陷也相应的缩小，因而减小了原版缺陷的影响；34（3）由于采用了逐步对准技术可补偿硅片尺寸的变化，提高了对准精度。逐步对准的方法也可以降低对硅片表面平整度的要求。35368.7掩膜版的制造

在硅平面器件及集成电路生产过程中，都是采用光刻工艺刻蚀出选择性窗口和布线，以获得硅平面器件及集成电路的功能产品。每次光刻都必须有一块掩膜版，制作一个完整的ULSI芯片需要20到25块不同的掩膜版，每次光刻之间都要严格套准，微小的差异都会影响产品的合格率。37集成电路对掩膜版的要求：版面图形设计要合理，尺寸要准确；图形边缘要光洁，陡直、无毛刺；图形对比度合适；图形内无针孔、小岛等缺陷；底版要耐用、平整、价廉；整套版要互套精确；图形区内有掩蔽作用，图形外完全透过紫外光。388.7掩膜版的制造

一、制版工艺流程版图设计，刻图，初缩，精缩，显影，定影，加厚与减薄，复印（翻版）。二、制备掩膜版1.石英玻璃板2.铬层3.氧化铁板三、掩膜版的保护膜四、移相掩模（PSM）五、计算机辅助制版39超细线条光刻技术甚远紫外线(EUV)电子束光刻X射线离子束光刻40

8.8X射线曝光

（4～20埃）基本要求：一、材料的形变小，这样制成的图形尺寸及其相对位置的变化可以忽略。二、要求掩膜衬底材料透X光能力强，而在它上面制作微细图形的材料透X光能力差，这样在光刻胶上可获得分辨率高的光刻图形。41428.9电子束曝光

电子束曝光的原理：是利用具有一定能量的电子与光刻胶碰撞作用，发生化学反应完成曝光。邻近效应：图形的畸变。43一、电子束曝光的特点：电子束曝光的精度较高。电子束的斑点可以聚焦的很小，而且聚焦的景深很深，可用计算机控制，精度远比肉眼观察要高。电子束曝光改变光刻图形十分简便。电子束曝光机是把各次曝光图形用计算机设计，改变图形就只要重新编程即可。44电子束曝光不要掩膜版。电子束曝光设备复杂，成本较高。4546二、深紫外线曝光

“深紫外光”大致定义为180nm到330nm间的光谱能量。它进一步分为三个光带：200nm到260nm；260nm到285nm以及285nm到315nm。47几种实用的光刻胶配方。PMMA对210nm到260nm的紫外光有感光性，感光性最佳的紫外光光谱约为220nm；PMIK的紫外光感光光谱为220nm到330nm，峰值光谱约为190nm和285nm。48AZ240系列光刻胶的感光光谱为240nm到310nm，峰值光谱约为248nm、300nm、315nm。ODVR系列光刻胶的感光光谱为200nm到315nm，峰值光谱为230nm、280nm、300nm。4950远紫外光作为曝光方法通常有两种：

对准曝光和泛光曝光(不必对准)。泛光曝光：该工艺又被称为“多层抗蚀剂技术”，它同时使用深紫外光和标准紫外光的抗蚀剂