第八章 光刻工艺

第5章本章主要内容光刻光刻工艺的过程简介光刻工艺的特点光刻要素光刻技术光刻方法光刻工艺过程实际生产过程中的光刻工艺当前光刻工艺的二个研究领域光刻工艺中的刻蚀光刻工艺简介和特点光刻工艺过程：利计算机辅助发生图形-用照相、复印和腐蚀的方法在掩模和半导体晶片上形成图形-实现选择扩散或离子注入、金属膜布线或表面钝化光刻工艺的特点现代IC制造业的基石决定最终芯片成品率的重要因素之一占到硅片制造成本的1/3占用40到50%芯片制造时间决定着芯片的最小特征尺寸光刻要素光刻三要素光刻胶掩膜版光刻机光刻胶定义：由光敏化合物、基体树脂和有机溶剂组成的胶状液体；受特定波长光线作用，导致化学结构变化，使其的溶解特性改变分类：正胶：曝光后可溶，显影时，曝光处溶解正影，光刻胶图形与掩膜图形相同

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：曝光后不可溶，显影时，未曝光处溶解

聚合物吸收显影液中的溶剂，其主溶剂会引起环境和安全问题

分辨率差，适于加工线宽≥3

m的线条光刻胶的组成1，感光剂,也是碳氢化合物2，不起反应的树脂，某种碳氢化合物，构成材料的基础3，溶剂,调节光刻胶粘度，是决定膜厚的因素，用烘烤的方法去除g线和i线正型光刻胶(二氮萘醌或DNQ材料)感光化合物：二氮醌(diazoquinone,DQ)，曝光前不溶于显影液基底：酚醛树脂，易溶于显影液曝光前，溶解速度约1-2nms-1曝光后，溶解速度约100~200nms-1DNQ分子式1，2，5-diazonapthoquinoneg线和i线的光刻胶的问题g线和i线光刻胶，随着胶的曝光，材料逐渐转化，变得越来越透明，传递更多光至深层，使曝光均匀胶的厚度可能不均匀，厚的地方－曝光不足；薄的地方－过曝光；引起线宽变化标准的DNQ胶的量子率为0.3，最多可能提高大约3倍（

光化学反应中光量子的利用率，定义为进行光化学反应的光子与吸收总光子数之比）远紫外光(DUV)刻胶的机理和特点机理：用感光酸生成剂代替感光化合物,起化学增强或催化剂的作用；为了使光刻胶稳定,也会添加其他成分不同的曝光过程，入射光子与感光酸生成剂分子反应，产生酸分子，酸分子在后续的光刻胶烘烤过程中起到催化作用，使得曝光区域光刻胶的特性改变特点：基于全新的化学原理，用到了化学增强DUV波段输出的光强比i线要低许多，要提高光刻胶的灵敏度，以维持制造产率胶是全透明的，在曝光时，光会从胶的下表面反射；使用防反射涂层以及胶层添加染料解决远紫外光刻胶(多羟基苯乙烯)关键的一点——得到催化:

酸分子在每步化学反应后重新产生，从而可参与成百上千次的反应；化学增强胶的总量子效率，是起始的光反应效率乘以后续催化反应的次数，乘积远大于1酸分子对空气中很小浓度的污染物敏感，需添加额外成分和保护性的表面层对烘烤的温度敏感：控制在几分之一的量级4-羟基苯乙烯电子束抗蚀剂名称聚甲基丙烯酸甲酯PMMACOPPBSCMSOEBR100OEBR1000OEBR1030极型+-+--++灵敏度/μC·cm-1(电子能量20kV)40~800.2~0.40.8~1.60.3~0.60.8~1503对比度2~30.9~1.21.3~21.41.61.60.4分辨率/μm0.110.50.50.50.30.3通常的厚度/μm10.30.40.50.30.3衡量光刻胶好坏的标准分辨率：光刻胶图形的质量受限于曝光系统，不是光刻胶抗蚀性：光刻胶需经历刻蚀和离子注入，即应当具有合理的牢固度，能分辩细小的特征黏附能力稳定性感光度粘度及固态含有率针孔密度对比度临界调制传递函数灵敏度

衡量的是需要多少光才能曝光胶，灵敏度高可以提高生产率；过高的灵敏度使材料不稳定，对温度敏感；低灵敏度可以得到更高的对比度和更大的工艺容差对比度

区分亮区和暗区的能力，对特征边缘的灰区,光刻胶会怎样的响应；对比度并不是一个常数，依赖于工艺参数典型的g线和i线，对比度可达2~3DUV胶，典型值可达5~10临界调制传递函数是某光强，亮和暗的一种对比性亮度g线和i线光刻胶，典型值为0.4左右DUV胶，典型值为0.1~0.2掩模是光刻工艺加工的基准，质量的好坏直接影响光刻质量，从而影响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掩模版包含着预制造的集成电路特定层的图形信息，决定了组成集成电路芯片每一层图形的横向结构与尺寸掩膜版是光刻工艺复制图形的模板掩膜版是IC设计与IC制造之间的接口与桥梁所用掩膜版的数量决定了制造工艺流程中所需的最少光刻次数一个典型的CMOS工艺所需的掩膜版层数大约在15-20块，而某些BiCMOS工艺的掩膜版层数则可增加到28块掩膜版的重要性制版程序：绘制版图→数据转换成图形发生器的专用文件（CIF文件，PG文件等）→驱动和控制图形发生器，以一定的间距和布局，将掩膜图形印制于掩膜材料上，进而制备出批量生产用的掩膜版掩膜版发展历程和分类制版技术的发展历程：人工绘图和刻图计算机控制大型刻图机刻图光学图形发生器制造初缩版（中间掩模版）；电子束图形发生器（扫描电子束曝光）直接制作精缩版掩膜版分类：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石英衬底玻璃衬底要求：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，热膨胀系数小，透射率高，化学稳定性好熔融的石英衬底优点：很好的抛光表面，不会产生光散射，热膨胀小，温度变化较小时，图形尺寸是稳定的缺点：当曝光波长更短，玻璃中的痕量杂质会吸收短波长光，造成光学透明度下降（氧化硅的带隙是9ev）超高分辨率干版定义：在玻璃基片表面上涂布一层含颗粒极细的卤化银乳胶，然后经过光刻，得到掩模版乳胶的成分：乳化剂：硝酸银和卤化物（KBr，KI，NaCl等）分散介质：明胶，易溶于热水，冷凝后成固体状态，其分子链的连接通过链上某些氨基中的氢和相邻分子中羰基（=C=O）中的氧形成的氢键辅助剂：增感剂、防灰雾剂、稳定剂以及坚膜剂辅助剂：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：在乳胶中起分散介质和支撑体的作用。定义：在玻璃基板上蒸发或溅射一层几十到几百nm厚的金属或金属氧化物在其上用光刻胶作为感光层在玻璃板上真空蒸铬，获得铬膜，进行光刻，得到版图；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。※使用铬、氧化亚铜版，硅版，氧化铬和氧化铁（氧化铁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，而且在光学特牲、致密度等多方面都优于铬板）彩色版：后四种的另一称谓硬面板制铬版过程：光刻版是一块熔融石英板，上面覆盖一层（～80nm）铬和一层光刻胶铬和光刻胶层间还使用一层薄的（10～15nm）防反射涂层，阻止铬层的光线反射每块版的图形由电子束或激光束逐个写到空白光刻版上现在图形刻蚀常用湿法；随尺寸的减小，多用干法对掩膜版的质量要求：图形尺寸准确，符合设计要求整套掩膜版中的各块版应能依次套准，套准误差尽可能小图形黑白区域之间的反差要高图形边缘要光滑陡直，过渡区小图形及整个版面上无针孔，小岛，划痕等缺陷坚固耐用，不易变形掩模版的质量检测：掩模版外观及版面图形一般质量检查小尺寸检查间距测定套准精度测定缺陷检查掩膜版的质量要求和检测掩模缺陷的种类掩模缺陷大致可分为以下两类：一类是多余的部分，如小岛、凸出和连条等另一类是缺少的部分，如针孔、凹口，断条等光刻版缺陷的危害和处理造成成品率下降缺陷是可以修补的，可用激光束或粒子束除去不想要的有铬区域，也可以淀积额外的铬膜，填补针孔为了防止灰尘颗粒的沾污，使用透明膜保护，将蒙膜（由硝化纤维制作，只有几微米厚）拉平并覆盖在铬层那一面的金属框上几种掩膜版的特性比较特征类型组成材料膜厚表面反射率表面强度分辨率μm抗化学性耐磨性透明性光密度成像锐度光刻对准乳胶干版AgBr4~6μm低弱2～3弱差不透明1.5～3有散乱边纹困难铬版Cr80~200nm50～60％强1～2耐强酸较好不透明2～3锐困难氧化铁版Fe2O3150~250nm15～20％强1耐强酸，不耐碱好选择透明2锐容易光刻机-曝光光源及要求曝光光源：汞灯产生的紫外光波段多波长光源，436nm(g线)和90年代中期，365nm（i线），分辨率在0.35um以上准分子激光产生的248nm(KrF)和193nm(ArF)甚远紫外线(EUV)（用分子激光，DUX光刻胶）电子束；离子束；X射线要求：曝光光源的波长是光刻工艺的关键参数，其他条件相同时，波长越短，可曝光的特征尺寸越小曝光要求有一定的能量，且必须均匀的加在硅片上为了保持合适的曝光时间，光源必须有足够的亮度光刻机-曝光光源弧光灯作为主要光源；一个密封玻璃管；汞蒸汽大约一个大气压；施加几千伏电压，气体放电；灯内的压强达到20-40个大气压；功耗大约1千瓦汞气电离后的二种光源电子具有40000K的等效温度，辐射波长处在很深的紫外波段，超过了熔融石英的带隙，大部分被灯壳吸收汞原子自身，气体自由电子和汞原子间的碰撞，使汞原子的某些电子获得能量，处于较高的能级；这些电子跃迁到低能级态时，辐射出特定能量的光子光刻常用的光波长20世纪90年代初，多使用g线；随线宽减小，i线的使用成为主流；0.35μm技术主宰是i线步进光刻机0.35μm以后的光源是准分子激光典型的DUV准分子激光波长：157nm、193nm、248nm、308nm、351-353nm半导体工艺中，常用的准分子激光二种源：氟化氪KrF(248nm)和氟化氩ArF(193nm)准分子激光中有二种物质（一种惰性气体和一种含卤化合物），如Kr和NF3，受激后会发生反应形成KrF混合气体分子，向基态跃迁时发出的激光248nm用于0.25μm和0.18μm工艺，193nm用于0.13μm，0.1um和0.09μm工艺准分子激光DUV准分子激光的主要优点：输出的光波波长短，强度高，数个脉冲就可以完成图形的曝光要求在视场范围，光束截面上的光强分布非常好谱线宽度窄，色差小输出模式众多，光路设计上可以省去滤波部分光源存在的问题：激光的可靠性，寿命，镜头系统中光学元件对于曝光波长的透明度，须寻找合适的光刻胶等光刻机-投影系统投影光刻机的性能决定于：分辨率，焦深，视场，调制传递函数，套刻精度，产率前四项与光学系统的基本特性直接相关后二项与系统的机械设计有关分辨率R：每个象点的中心极大位于其相邻点象的第一极小处，R=0.61λ/nsinαn是物和镜头之间的材料的折射率α是能够进入镜头的衍射光的最大半角，可能受限于镜头本身的物理尺寸，也可能受限于镜头前的孔径短的曝光波长好的图像分辨率，高数值孔径（nsinα）得到更强的分辨率分辨率使用高数值孔径（nsinα）的透镜，制造大透镜很困难，镜头的焦深也太小调制传递系数MTF＝(IMAX-IMIN)/(IMAX+IMIN)MTF是曝光系统产生地空间图像的对比度度量，一般要达到0.5或更高，深紫外光胶可以工作于更小的MTF值MTF依赖于成像特征尺寸，对于大的特征尺寸，曝光系统生成的空间图像，具有极佳的对比度；随特征尺寸缩小，衍射效应导致MTF下降，最终成为零，特征相距很近，空间图像已没有什么对比度i线光刻机汞灯压缩空气做动力自动接近式曝光手动取片，装片光刻机-扫描光刻机美国珀金埃尔默(Perkin-Elmer)公司率先研制了最早的系统，其名称是Microlign，是扫描投影对准机，采用1:1，对光刻版和硅片同时扫描随尺寸缩小，光刻版线宽控制困难，芯片复杂且硅片开始变大，要生产完美的全硅片光刻版以及要制造按所需分辨率扫描整个硅片的光学系统较困难采用步进机代替扫描系统，只曝光硅片上一个有限的区域就解决了硅片尺寸这一问题，靠步进机将图像缩4X或5X倍，也解决了光刻版反方向的问题一种既使用步进又使用扫描的系统得到应用光刻机-步进重复光刻机高亮度的光源，准直并通过光刻版光刻版上的每个透明区域允许光线透过，透过的光线随即被第二个镜头系统收集并聚焦第二个透镜系统同时也将图像缩小至4X~5X倍系统的视场，边长只有几厘米，每次曝光少量几个芯片，硅片移动到下一个曝光场，然后曝光和步进的过程重复有些系统由光源系统产生透光狭缝，版和硅片同时进行机械扫描，从而使得光刻板的象在硅片上扫描通过，版的扫描比硅片快，是其4X或5X倍，与光学系统的缩小倍率相适应数字微镜DMD空间光调制器DMD是一个阵列，由m×n个可偏转微平面镜组成各微镜是否偏转受图形发生器传过来的信号控制不偏转的微镜组合实现所需的掩模图形步进扫描光刻机中国科学院光电技术研究所与南昌航空大学研制提高扫描光刻机曝光性能的方法－柯勒照明和偏轴照明柯勒照明源：通过光刻版的光，聚焦于投影透镜的入瞳，对于光刻版上各处特征所发出的衍射光，投影透镜都会等同地收集偏轴照明：相干光源的光线以一定地角度入射光刻版，改变了光通过版的角度，也改变了衍射光的角度，分辨率有所提高提高扫描光刻机曝光性能的方法－掩膜版工程：近邻效应纠正和相移掩膜近邻效应纠正投影系统的有限孔径，造成一部分衍射光损失投影系统中的孔径和镜头还是圆形的，而不是方形的或长方形的，衍射图案中的高频就损失掉了，使产生的空间图像，具有圆的而不是方形的角，其孤立和成组的线宽不相等，以及窄线条特征终端被缩短通过调整光刻版上特征的尺寸和形状可以补偿相移掩膜对光刻版上的选定区域，改变其透光特性1982年，利文生(Levenson)等使用相移技术，提高空间图像的分辨率。在光刻版上使用一材料，选择其厚度和折射率，使得光线精确的相移180度这种相移技术既可以用于提高空间图像的质量，也可以改善曝光系统的焦深图形转换-曝光技术接触式曝光：光的衍射效应较小，因而分辨率高，易损坏掩模图形，由于尘埃和基片表面不平等，存在曝光缝隙而影响成品率。小批量和小的芯片尺寸，使这类系统的经济性更具吸引力接近式曝光：

硅片和版的间距有5～25μm，延长了掩模版的使用寿命，但光的衍射效应严重，分辨率为2～4μm左右。接近和接触系统都需要1X版，制板困难投影式曝光：掩模不受损伤，提高了对准精度，减弱了灰尘微粒的影响，已成为主要方法。缺点是投影系统光路复杂，对物镜成像能力要求高，主要受限于衍射效应，其价格在几百万美元衍射效应及其影响高分辨率光刻需要短波长光子当系统中所有的尺度与光波长相比大许多，光线就可以当作直线行进的粒子在投影光刻系统中，版上特征图形的尺度与光波长可比拟，就必须考虑光的波动性，衍射是必须考虑的一个效应衍射效应：产生的实际图形，是爱里斑，由英国天文学家乔治·彼戴尔·爱里爵士（GeorgeBiddellAiry）首先导出的，图像是由一个明亮的中心圆盘，周围环绕一系列的晕圈组成光经过掩膜版的小孔，携带了孔径的大小和形状的信息，光应当将这些信息传递给硅片上的光刻胶聚焦镜头大小有限，只收集到与通过孔径的光有关的全部衍射图案的一部分，衍射到更宽角度的光所携带的信息是关于孔径精细结构的，这些细节最先损失掉图形转换－光刻技术最新的光刻技术：深紫外线光刻：浸没式光刻甚远紫外线(EUV)（用分子激光，

DUX光刻胶）无掩模光刻技术电子束光刻离子束光刻X射线光刻深紫外线光刻：浸没式光刻技术目前主流技术，准分子激光F2（193nm）原理：在物镜的最后一个透镜与抗蚀剂和硅片之间充满高折射率液体，使数值孔径能够大于1，从而实现了提高分辨率、增大焦深的目的可实现65nm，45nm节点浸没式光刻技术：材料的要求一、浸没液体：第一代——水（易溶出添加剂，易污染腐蚀镜头）；第二代——低分子量的双环烷烃（透明性，折射率高）；第三代——多环饱和烷烃（折射率更高，但黏度大）二、顶部涂料：涂布在光刻胶膜表面的一层材料,避免光刻胶与浸没液体直接接触,是解决光刻胶中的成分的浸出及污染等问题的手段,也是调整光刻胶与浸没液体接触角的手段。其要求在于疏水性及碱溶性三、光刻胶：主要由成膜树脂、光致产酸剂、微量添加剂及溶剂配制而成极紫外光刻技术极紫外光刻原理实验：在80年代提出并验证，EUVL利用波长13.5nm或11.2nm光源、非球面反射物镜实现缩小投影曝光，作为实现32～22nm分辨率的优选光刻技术之一得到了重视，近5年取得了较大的进展近20年，业界一直认为EUV光刻是最有希望的下一代微芯片生产工艺。在1997年，Intel、AMD、摩托罗拉就联合成立了一家名为“EUVLimitedLiabilityCorporation”的公司，想在100nm取代深紫外线(DUV)，但后者已在45nm上量产，并认为能延续到22nm相对浸没式的优越性：著名的光刻设备开发商ASML表示，浸没式显影已经遇到技术瓶颈，EUV则是最具潜力的接棒者。浸没式显影进一步技术突破，必须寻找其它的液体取代纯水，而聚焦镜头材料也要重新研发，这2种途径都已经出现瓶颈极紫外光刻技术EUV技术的主要挑战：开发功率足够高的光源并使系统具有足够的透射率掩模技术的成熟，包括以足够的平面度和良率制造反射掩模衬底，反射掩模的光化学检测,以及因缺少掩模表面的保护膜而难以满足无缺陷操作要求开发高灵敏度且具有低线边缘粗糙度的光刻胶193nm技术会走到尽头，向EUV的转换可能出现在16nm上EUV光刻要投入实际生产，必须扩展到整个微处理器的所有关键层上。

超微半导体（AdvancedMicroDevices，AMD）认为，EUV光刻在2016年之前获得投产认证，届时将到达22nm工艺极限分类:带电粒子无掩模光刻光学无掩模光刻，如空间光调制器（SLM）无掩模光刻技术、干涉光刻技术（interferencelithography，IL）、衍射光学元件光刻技术等干涉光刻技术原理：光刻图形利用激光束的干涉来生成，经过双光束、多光束一次曝光或双光束、多光束多次曝光产生周期图形。利用的是傅立叶频谱综合法优点：

能综合出大面积、高空频的微细结构缺点：相对光强和相对位相难以控制，综合的形状只是近似的，制作任意面型的微细结构相当困难无掩模光刻技术空间光调制器（SLM）无掩模光刻技术特点：曝光成像的基本原理与传统投影光刻相类似，数字化，可以实现编程控制，理论上可通过分析光学检测系统反馈回来基片的光场分布的数字信息，实时优化调控下一时刻数字图形的结构，以获得最佳的光刻图形质量应用范围：SLM作为无掩模光学光刻系统的图形发生器，可便捷、灵活、并行、低成本和高速地产生曝光图形，在小批量高精度掩模制作和微光学器件生产中发挥了重要作用，在高分辨集成电路制作上也表现出极其诱人的应用前景

前景：发展SLM光刻技术己成为国际光刻系统制造领域的一个重要研究内容，基于SLM的无掩模光刻系统有望成为下一代微纳加工的一个重要工具，深入系统的研究十分重要电子束光刻λ=几十-10nm；可获得最小尺寸-14nm，可以直写，不需要掩膜，效率很低局限性：电子束制作少量的实验器件和电路,及小批量的特殊用途芯片，用于制造掩膜和刻线电子源只能提供有限的电流密度束流强度很高，束中带电电子间的库仑排斥会引起失焦，降低分辨率近邻效应，因为电子易被散射，行进的距离很长，会发生对不想要曝光区域的曝光克服的办法使用多电子源实现并列刻写将束成形为足够大的矩形每次曝光硅片上的整个特征提高电子束光刻胶的灵敏度用电子束投影光刻将含复杂图形的镂空光刻版聚焦到硅片提高电子束直写产率的方法——SCALPEL(scatteringwithangularlimitationprojectionelectron-beamlithography)1989年,贝尔实验室发明它的发明源于二个问题：已有的镂空版系统，会吸收电子束，造成加热升温问题，限制了使用的最高加速电压随芯片尺寸增加和特征尺寸下降，要求有很小的数值孔径，要用到较大的束流密度，以致空间电荷效应显著，降低了系统的分辨率电子束直写－SCALPEL的过程光刻版由低原子序数元素的隔膜(氮化硅)和高原子序数元素的薄层图案(几十纳米的铬或钨)构成在100Kev准直，不相干的电子束都透明的在铬或钨区域中，散射到大角度范围；在隔膜区，微弱的小角度散射用电子透镜系统将散射电子聚焦到硅片上散射较强的电子将挡掉，就生成了高对比度，高分率的像缩减倍率为4:1，使用步进和扫描机构使用的光刻胶与248nm光刻中采用的化学增强DUV相同离子束投影光刻技术和电子束一样，带电粒子经过电磁场聚焦形成细束。主要区别在于两者的质量不同，离子的质量要远大于电子克服电子束散射问题没有邻近效应能获得更高的分辨率，其最小的分辨率能达到5nm灵敏度太高，产生较大的统计噪声，曝光图形边缘的粗糙度增加离子穿透深度太小离子束曝光系统与曝光工艺非常复杂成本高昂特点

缺陷X射线曝光方法使用1-10Kev能力的X射线，相对应的波长在0.2-4nm量级；很难找到纯的X射线X射线聚焦困难，采用接近式曝光系统，在真空环境下，X射线透过一个Be窗出射得到小于0.1μm的特征；建成步进重复式的X射线源的几种形式：用高能电子轰击金属靶，所发射的x射线光子波是靶材料的特征波长使用激光加热的等离子体源同步辐射器存储环X射线曝光的掩模板光刻版的亮区是1nm的x射线透明的，暗区必须挡住射线没有材料是x射线易透过的，只能用很薄的低质量材料层来制作亮区几nm厚的硅，氮化硅，碳化硅和氮化硼是常见亮区材料；暗区用金或钨材料制作，金对制造设备的沾污，钨可能成为将来的主要选择X射线光刻版上图形的刻写，是用X射线直写光刻实现的掩膜制造存在挑战；不大可能在生产中使用X射线曝光的改进－反射和聚焦x射线的透镜和镜面实现x射线反射镜的最有潜力的办法是采用多层组成各层交替使用二种材料且二种材料的电子浓度相差很远；高质量数的层作为散射体，低质量数的层用作间隔选择层的厚度，使得各层的部分反射波出现干涉近年来x射线的反射率已达60%各光刻技术的主要特点及挑战浸没式：适合大规模生产，应用较广泛/对材料要求高，无法更精细化极紫外：实现32～22nm分辨率的优选光刻技术/提高系统透射率、掩膜技术、开发高灵敏度光刻胶无掩模：干涉光刻-能综合出大面积、高空频的微细结构/干涉条纹的相对光强和相对位相难以控制，且难以制作任意面的微细结构；SLM-灵活、低成本、高分辨/有待深入研究电子束投影：极高分辨率，10nm精细结构/曝光效率远低于光学曝光，改进后成本较高离子束投影：最小的分辨率能达到5nm/灵敏度太高、离子穿透深度太小、工艺复杂、成本高昂光刻工艺过程光刻过程涂胶，前烘，曝光，显影，坚膜，腐蚀和去胶等七个步骤光刻工艺过程示意图表面清洗或脱水烘干(涂胶作准备)HMDS处理(增粘剂，旋涂到硅片或以蒸汽形式熏烘)涂胶(胶涂到硅片，3000~6000转，形成膜厚约1μm的胶层)前烘(10~30min，90~100℃)硅片对准，曝光(在每个曝光位置对准，曝光量150mJcm-2)曝光后烘(降低胶中驻波效应，10min，100℃)（准分子激光专用）显影(室温下30~60s，喷洒或平摊显影液)后烘(10~30min，100~140℃)光刻工艺中各步的作用清洗硅片：目的：去除污染物，颗粒，减少针孔和其他缺陷；提高光刻胶粘附性基本步骤：化学清洗，漂洗，烘干脱水烘干脱水烘培，去除圆片表面的潮气增强光刻胶与表面的粘附性；大约100℃增粘剂:六甲基乙硅皖，一端与氧化硅成键，另一端与光刻胶成键,去除氧化硅表面的-OH基涂胶：硅圆片放置在真空卡盘上；滴胶在静止或低速旋转时进行，滴在圆片中心高速旋转，光刻胶以离心力向外扩展；均匀涂覆在圆片表面粘度和转速是胶最终厚度的主要因素产生边缘胶滴，即边缘处有很厚的胶存在前烘:热板或红外和微波加热，达到几个目的残留的溶剂大部分挥发，光刻胶成分的减少量为2~5%膜与氧化硅（铝膜）的黏附性及耐磨性提高应力通过热处理得到释放前烘时化学成分变化，曝光时间随烘烤温度的增加而增加曝光特点：IC制造中最关键的步骤在IC工厂中，最贵的设备最具挑战性的工艺决定了最小特征尺寸当前是0.13um，并向0.09或0.065um推进对准和曝光的设备：接触式，接近式，投影式和步进式曝光机曝光光源：短波长；高亮度（高光强）；稳定。高压汞灯；受激准分子激光器曝光曝光时，影响分辨率的因素：掩模版与光刻胶膜的接触情况曝光光线的平行度光的衍射和反射光刻胶膜的质量和厚度曝光时间掩模版的分辨率和质量曝光后烘烤产生潜影，可显影或进行曝光后烘烤光刻胶分子发生热运动，过曝光和欠曝光的光刻胶分子发生重分布g线和i线胶，可采用烘烤，减少胶的驻波效应；如胶下有防反射涂层，则烘烤是不必要的DUV胶，曝光后烘烤是必要的和关键性的步骤，在此过程中完全曝光，必须严格控制烘烤时间和温度显影显影液溶剂溶解掉光刻胶中软化部分从掩膜版转移图形到光刻胶上三个基本步骤：显影；漂洗；干燥可投到显影液或显影液喷洒或显影液平摊显影液：用水稀释的四甲基氢氧化铵(TMAH)或氢氧化钠或氢氧化钾后烘坚膜作用：蒸发PR中所有有机溶剂；提高刻蚀和注入的抵抗力；提高光刻胶和表面的粘附性；聚合和使得PR更加稳定；PR流动填充针孔，调整胶边缘的形状方法：热板最为常用；检测后可在烘箱中坚膜工艺：坚膜温度100-130℃；坚膜时间1-2min；坚膜温度常高于前烘温度坚膜不足：光刻胶不能充分聚合；造成较高的光刻胶刻蚀速率；粘附性变差过坚膜：光刻胶流动造成分辨率变差图形检测检查发现问题，拨去光刻胶，重新开始；光刻胶图形是暂时的，可返工；刻蚀和离子注入是永久的，不可返工检测手段：SME，光学显微镜图形检测的内容：未对准问题：重叠和错位，伸出，缩进，掩膜旋转，晶圆旋转，X方向错位，Y方向错位临界尺寸表面不规则：划痕，针孔，瑕疵，污染物刻蚀刻蚀的特性刻蚀工艺分类选择性刻蚀对光刻过程的重要性刻蚀的问题湿法腐蚀干法刻蚀特点干法刻蚀产生的现实原因－刻蚀氮化硅干法刻蚀－刻蚀气体干法刻蚀机理干法刻蚀刻蚀类型－化学刻蚀，物理刻蚀，等离子体刻蚀干法等离子体刻蚀系统的类型未来趋势刻蚀特性——选择性和方向性选择性：刻蚀时不同材料的刻蚀速率比。合理范围是25-50。化学反应取决于材料的性质，不同材料可完全不同；大多数材料的物理反应的结果相似方向性：不同方向下刻蚀速率的相对量度。各向同性刻蚀是指所有方向的刻蚀速率都相同物理性愈大，方向性就愈明显，选择性就愈小化学性愈大，选择性就愈高，方向性就愈不明显刻蚀——选择性的重要性待刻材料对掩膜的选择性决定了掩膜材料要多厚才使它在刻蚀过程中不会被完全刻蚀掉刻蚀过程应有一定程度的过刻，保证所有刻蚀过程已经完成薄膜的厚度不均匀，取10%~20%的过刻量可保证刻蚀完全；当各向异性刻蚀时，过刻对去除台阶中的残留薄膜也是有必要的刻蚀——方向性的问题理想的刻蚀是掩膜边缘的下方完全垂直的侧壁结构，实际过程中同时获得良好的方向性和选择性是非常困难的光刻蚀剖面不完全为方形，而是顶部呈圆角，侧壁呈斜坡光刻胶的刻蚀速率不为零，因此掩膜本身也有一定程度上的刻蚀，刻蚀发生在顶部和侧壁上，刻蚀进行时光刻胶越来越薄，薄膜的侧壁刻蚀也就越来越严重，形成了倾斜的侧壁剖面特征尺寸缩小，采用方向刻蚀和钻蚀量很小的垂直台阶结构，通过改进淀积工艺来获得良好的填充和台阶覆盖刻蚀——工艺分类湿法刻蚀：用液体腐蚀剂，化学反应将材料腐蚀早期采用湿法刻蚀，工艺简单，设备易于建立，成本低，选择性很好生成可溶于水的副产物或挥发性气体干法刻蚀：用等离子体中的气态刻蚀剂，兼有化学反应和物理反应在等离子体中会产生极具活性的化学物质，更有效的参与刻蚀等离子体刻蚀能够提供良好的各向异性刻蚀干法刻蚀用得较多刻蚀——湿式刻蚀实例SiO2

的腐蚀氟化铵是缓冲剂,维持腐蚀剂过度使用后地刻蚀能力。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二氧化硅的腐蚀速率与温度的关系掺磷的氧化硅的腐蚀速率比掺硼的大氮化硅腐蚀厚度为10-2μm的较薄氮化硅膜，用HF缓冲液进行腐蚀厚度较厚的氮化硅膜，放入180℃的热磷酸中继续刻蚀图形窗口内的Si3N4膜参与反应的物质是水，而磷酸作为一种催化剂控制刻蚀速率的关键因素是：水含量（磷酸体积百分数），反应温度和晶圆表面磷酸置换的速率采用155-165℃的温度，85-88%体积分数的磷酸温度升高，选择比降低，刻蚀速率上升；存在选择性与生产率的矛盾铝的腐蚀目前常用的腐蚀液有磷酸及高锰酸钾腐蚀液磷酸与铝的反应式高锰酸钾腐蚀液的配方为：高锰酸钾与铝的反应式湿法腐蚀——腐蚀速率的影响因素腐蚀液的配方温度薄膜的组分和密度晶向，(111)面腐蚀速率较低，面密度大湿法腐蚀--化学刻蚀的问题化学腐蚀是各向同性，掩膜边缘的下方形成钻蚀，钻蚀量称为腐蚀偏差光刻胶作掩膜，有一定的刻蚀速度，当存在掩膜刻蚀时，侧向刻蚀的程度会超过没有掩膜腐蚀的情况化学腐蚀无法得到垂直地刻蚀结构，倾向于各向同性，现代制造业中不常采用湿法腐蚀IC工艺中常用材料的化学腐蚀剂材料腐蚀剂注释SiO2HF(水中含49％)，纯HF对硅有选择性，对硅腐蚀速率很慢，腐蚀速率依赖于膜的密度，掺杂等因素NHF4:HF(6:1),缓冲HF或BOE是纯HF腐蚀速率的1/20，腐蚀速率依赖于膜的密度，掺杂等因素，不像纯HF那样使胶剥离Si3N4HF(49%)腐蚀速率主要依赖于薄膜密度，膜中O,H的含量HPO:HO(沸点：130-150℃)对二氧化硅有选择性，需要氧化物掩膜。AlH3PO4:H2O:HNO3:CH3COOH(16:2:1:1)对硅，氧化硅和光刻胶有选择性多晶硅HNO3:H2O:HF(CH3COOH)(50:20:1)腐蚀速率依赖于腐蚀剂的组成单晶硅HNO3:H2O:HF(CH3COOH)(50:20:1)腐蚀速率依赖于腐蚀剂的组成KOH:HO:IPA(23wt%KOH,13wt%IPA)对于晶向有选择性，相应腐蚀速率（100）：（111）＝100：1TiNH4OH:H2O2:H2O(1:1:5)TiNNH4OH:H2O2:H2O(1:1:5)对TiSi2有选择性TiSi2NH4F：HF(6:1)对TiSi2有选择性光刻胶H2SO4:H2O2(125℃)适用于不含金属的硅片有机剥离液适用于含金属的硅片干法刻蚀产生的现实原因－刻蚀氮化硅20世纪70年代早期,刻蚀PECVD氮化硅采用湿法化学刻蚀很难腐蚀氮化硅薄膜HF酸腐蚀速率很慢，对下层材料的氧化硅没有选择性煮磷酸是一种有效的办法，但会剥离光刻胶用氧化硅作掩膜，但增加氧化硅自身的光刻和刻蚀工艺采用等离子刻蚀好CF4/O2混合气体产生氟原子，这些氟原子刻蚀氮化硅薄膜，不会剥离光刻胶设计活性化学元素物质或离子，那一种物质占主导地位，一般离子和活化物质共同存在，协同作用干法刻蚀与湿法腐蚀相比的优点◆刻蚀剖面是各向异性,具有非常好的侧壁剖面控制◆好的CD控制◆最小的光刻胶脱落或黏附问题◆好的片内,片间,批次间的刻蚀均匀性◆较低的化学制品使用和处理费用早期湿法腐蚀得到广泛应用，现已被等离子体刻蚀取代干法刻蚀－刻蚀气体光刻胶，它的刻蚀采用氧气铝是活泼金属，和氯很容易起化学反应，可用氯等离子体腐蚀在等离子状态下含有卤化物，如CF4，Cl2，HBr，有时加入少量其他气体，如氢气，氧气和氩气等。常用是四氟化碳；F*与硅、SiO2或Si3N4

作用时，则反应生成可挥发的SiF4

等气体；CF4——→CF3*+CF2*+CF*+F*干法刻蚀过程利用气体分子在强电场作用下，产生辉光放电，气体分子被激励产生活性基，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参与等离子体刻蚀的二种主要物质是离子（物理刻蚀）和中性活性化学物质－自由基（化学刻蚀）离子和活性中性物质可以单独作用也可以协同作用（离子增强刻蚀）干法刻蚀-刻蚀类型化学刻蚀物理刻蚀离子增强刻蚀干法刻蚀——化学刻蚀