第12章-光刻：掩膜-光刻胶和光刻机

第十一章

光刻

光刻是一种图象复印的技术，是集成电路制程中一项关键的工艺技术。在整个工艺流程中，光刻的步骤占到50％以上，其成本占总制造成本的1/3以上。

光刻：Photolithography光刻步骤占整个工艺流程50%简单的说，光刻就是用照相复印的方法，将掩膜版上之图形精确地复印到涂在硅片表面的光致抗蚀剂（Photoresist）（下面统称光刻胶）上面，然后在光刻胶的保护下对硅片进行离子注入，刻蚀，薄膜淀积等各种工艺。WaferFilmFilmDepositionWaferFilmPhotoresistResistCoatWaferFilmPhotoresistUVExposurehvReticleWafer

DevelopingFilmWaferEtchGas11.1光刻工艺的8个基本步骤表面处理通过气相成膜处理，将硅片表面变为亲水性，以增强光刻胶和硅片表面的粘附性涂胶

将光刻胶分滴在硅片表面并旋转，得到在整个硅片表面具有一定的均匀厚度的光刻胶涂层软烘对准曝光

去除光刻胶中大部分溶剂，提高硅片上光刻胶的粘附性和均匀性。

将掩模版与硅片上图形对准并曝光，将掩模版图形转移到涂胶的硅片上。后烘促进关键光刻胶的化学反应，提高光刻胶粘附性显影将光刻胶上可溶解的区域用显影液溶解，形成图形。

坚膜烘焙显影后检查

检查光刻胶图形以确定光刻胶图形的质量

挥发掉残留的光刻胶溶剂，提高光刻胶对硅片表面的粘附性

一．成底膜处理（HMDSCoating）衬底材料对光刻工艺的影响有三个方面：表面清洁度、表面性质（疏水或亲水）、平面度。硅片清洗：除去表面沾污。脱水烘焙：形成干燥疏水性的硅片表面。增粘处理：六甲基二硅胺烷（HMDS）处理亲水性表面低接触角度疏水性表面高的接触角度鼓泡N2N2HMDSINHMDSOUT~~N2+HMDS鼓泡系统HMDS本身是液态可以通过N2鼓泡系统将其汽化，并且在真空腔中处理该气体。二．涂光刻胶（PRCoating）

将光刻胶均匀地涂敷在硅片的表面，要求：（1）膜厚符合设计要求，同时膜厚均匀，胶面上看不到干涉花纹；（2）胶层内无点缺陷（如针孔等）；（3）涂层表面无尘埃，碎屑等颗粒。

分滴旋转铺平FS旋转光刻胶硅片AF:向心力

:硅片边缘的表面张力A:PR粘附力S:溶剂挥发力当这四个作用力达到平衡时，胶液就不再延展。

静态分滴：硅片静止时分滴光刻胶。动态分滴：硅片缓慢旋转时分滴光刻胶。旋转的目的：1）硅片表面得到均匀的胶膜覆盖2）在长时间内得到硅片间的可重复的胶厚。

膜厚与转速的一个经验关系为：

TR为膜厚，ω为转速SVG90涂胶台三.前烘（Prebake）

前烘是光刻的一道关键工序，其目的是：将硅片上覆盖的光刻胶溶剂去除，在曝光中，增加催化剂浓度。增强光刻胶的粘附性以便使显影时光刻胶依然很好的粘附在硅片上。缓和在旋转涂胶过程中光刻胶胶膜内产生的应力。防止光刻胶沾到设备上。前烘条件的选取，对光刻胶的溶剂挥发量和光刻胶的粘附特性，曝光特性，显影特性以及线宽的精确控制都有较大的影响。没有经过前烘的可能后果：光刻胶薄膜发黏，容易受到颗粒沾污。旋转涂胶的内在应力将导致粘附性问题。溶剂含量过高导致显影时溶解差异，难以区分曝光和未曝光的光刻胶。溶剂在曝光时受热挥发，沾污光学系统透镜。前烘设备真空热板上进行热传导。热量从硅片背面接触从热板传递到光刻胶。光刻胶由硅片和光刻胶的接触面向外加热，可以使溶剂更快的挥发除去，循环时间短。真空热板加热平面必须严格水平。通过前烘，溶剂含量由65%－85%降低到4%到7%左右。四.对准与曝光

对准与曝光是光刻工艺中最关键的工序，它直接关系到光刻的分辨率，留膜率，线宽控制和套准精度。AlignmentmarkPreviouspattern

简单光学曝光系统示意图光源孔径开关掩膜光刻胶硅片常用光源：可见光近紫外（NUV）紫外光（UV）深紫外光（DUV）真空紫外（VUV）极紫外光（EUV）在光学光刻中常用的UV波长可见光无线电波微波红外线Gamma射线UVX射线f(Hz)10101010101010101046810121416221820

(m)420-2-4-6-8-14-10-12101010101010101010365436405248193157ghiDUVDUVVUVl(nm)

传统的三种曝光方式接近式接触式投影式接触式曝光机---Canon501Canon600Scanner五.后烘（PEB）

曝光过程中，光刻胶中的PAC分解产生催化剂，在后烘加热的过程中，催化剂引起正胶的降解反应或负胶的交联反应，使得曝光部分的光刻胶可以溶解于显影液（正胶），或不溶于显影液（负胶）。

六.显影（Developing）

显影就是用溶剂去除未曝光部分（负胶）或曝光部分（正胶）的光刻胶，在硅片上形成所需要光刻胶图形。

浸没式批量或单片浸入显影液槽中。是最初的显影方式。WAFERCASSETTE

shakeupanddowntoimprovedevelop

uniformityanditsspeed.Usuallydevelopmaterialcompanyusethisone.It’seasytocontrolDeveloptemperature.

Bath

DeveloperCASSETTEHANDLERUseIN-LINESYSTEM.It’sveryweakforpatternscumproblem.Developer

Developin-letDRAINCHUCKWAFERWAFER喷流式显影液持续的喷洒在硅片表面Thisisusefulforlargesizegrassprocess(LCD)CurrentLCDdevelopingprocesswasmodified.Thismaterialisrecycled:Needtocontrolitsnormality.UsuallyglassmakeruseautonormalitycontrolsystemThissystemisavailableforover1.5umdesignruledevices.UseforIN-LINESYSTEM.Developerissprayingontherotatingwafer(hundredsrpm.)Merit:Highcontrast,LowscumDemerit:Largeusage,BadCDuniformityPUMPBELT

DeveloperWAFER

DeveloperDITELACT-8光刻胶涂覆和显影系统

光刻胶显影设备七.坚膜烘焙（HardBake）显影后的热烘。要求挥发掉残留的光刻胶溶剂和显影液，提高光刻胶对硅片表面的粘附性。这一步是稳固光刻胶，对后续的刻蚀和离子注入过程非常关键。八.显影后检查（Inspection）检查光刻胶中形成图形的缺陷，包括：颗粒，沾污，关键尺寸，对准精度等。问题出自于先前操作，无法接受，硅片报废。问题与光刻胶中的图形质量有关，则将光刻胶剥离，返工。工艺线直击——光刻过程11.2掩模版（Photomask）一种透明的平板，上面有要转印到硅片上光刻胶层的图形。按照图形的完整度分为两类：投影掩模版和掩模版

掩膜版的材料衬底材料：最主要的用于亚微米光刻的投影掩膜版衬底材料是熔融石英（fusedsilica）。它在深紫外光谱部分（248nm和193nm）有着很高的光学透射。熔融石英相对昂贵，但性能优越。它具有很低的热膨胀系数。图形材料：用于掩膜版上不透明的图形材料通常是薄层的铬（Chrome，Cr）。厚度通常小于1000A，通过溅射淀积。有时候会在铬上形成一层氧化铬（200A）的抗反射涂层。

光学工程师将用户数据转换为写入系统所能接受的格式。包括数据分割，尺寸标记，图形旋转，增加套刻标记，内部参照标记，以及一个jobdeck（掩膜上不同图形的位置的说明）。

掩膜版上用于Stepper对准的套刻标记掩膜版上的参照标记

掩膜版的制备通常采用电子束直写的方式把高分辨率的图形转印到掩膜版表面。电子源产生的电子被加速并聚焦成形射到投影掩膜版上。电子束可以通过光栅扫描或矢量扫描的方式在掩膜版上形成图形。掩膜版上的电子束胶在曝光显影后，通过湿法或干法刻蚀去掉不需要的铬层。CAD设计、模拟、验证后由图形发生器产生数字图形数字图形×4或×5投影光刻版（reticle）投影式光刻×1掩膜版（mask）制作接触式、接近式光刻掩膜版制作掩模版制作过程12.Finished掩膜版缺陷掩膜版上的缺陷会被复制到光刻胶层中，从而进一步复制到硅片上。制造好的掩膜版要进行大量测试来检查缺陷和颗粒。掩膜版缺陷的来源可能是掉铬，表面擦伤，静电放电或灰尘颗粒。一些典型的掩模板缺陷工艺线直击——掩膜版制备先进掩膜概念相移掩膜技术，PSM（PhaseShiftMask）：一块具有衍射栅的掩膜被相移材料以两倍的栅周期覆盖，每隔一个孔就以这种方式覆盖一次。材料的厚度和折射率要保证经过它的光相位对于未通过它的光有180度的精确相移。onwaferLENSBinaryMaskE-fieldI-fieldCrQzLight00+onwaferonwafer0AlternativePSMCrQzLightShifterLENS0+-onwafer

相移的结果使来自相邻图形的衍射分布尾部产生相消干涉，而不是相长干涉。这极大的改善了圆片表面的调制传输函数（MTF），因而改善分辨率。调制传输函数（MTF）图形的调制传输函数（ModulatingTransferFunction，MTF）可定义为：MTF强烈依赖于衍射光栅的周期，当光线周期减小，MTF也减小。从物理概念来看，可认为MTF是实像上光学反差的度量，MTF越高，光学反差越好，图形的分辨率也高。一般要求MTF>0.5与尺寸有关光学光刻分辨率增强技术(RET)

1、光学临近修正OPC(opticalproximitycorrection)在光刻版上进行图形修正，来补偿衍射带来的光刻图形变形DFM

Rule-basedOPC•Model-basedOPCOPC实例光学临近效应修正（OPC）首先把X×Y的曝光场分割为Δx×Δy的许多象素。把掩膜设想为一个把曝光矩阵M，矩阵中的0表示掩膜上此处的象素是透明的，1表示象素是不透明的。曝光的圆片也构造同样数目象素的图形矩阵W。在理想情况下，应该有W＝SM

，S为常数矩阵。

S是描述曝光的矩阵，包含所有光学系统的信息。理想的S是一个单位矩阵，实际上S包含了对应图形畸变的非对角线因素。

OPC的工作就是求出S-1，如果确定了S-1，用它作用于原来的掩膜，就可以得到一块新版M’。

M’＝S-1M

然后W＝SM’＝SS-1M=M11.3光刻胶（Photoresist，PR）11.3.1光刻胶的成分和种类光刻胶一般由三种基本成分组成：（1）树脂（Resin）（2）感光剂（PAC）（3）溶剂（Solvent）（4）添加剂（Additive）树脂（Resin）：光刻胶中的基体材料，是一种对光敏感的高分子化合物，当它受适当波长的光照射后，就能吸收一定波长的光能量，发生交联、聚合或分解等光化学反应，使光刻胶改变性质。感光剂（PAC，photoactivecompound)：在曝光前作为抑制剂（inhibitor），降低光刻胶在显影液中的溶解速度，而在暴露于光线时有化学反应发生，使抑制剂变成了感光剂，增加了胶的溶解性（正胶），或产生交联催化剂，使树脂交联，降低胶的溶解性（负胶）。溶剂（solvent）：使光刻胶保持液体状态。绝大多数的溶剂在曝光前挥发除去，对光刻胶的化学性质几乎没有影响。添加剂（additive）：用来控制和改变光刻胶材料的特定化学性质或光刻胶材料的光响应特性，也包括控制光刻胶反射率的染色剂。光刻胶分为两大类：正性光刻胶和负性光刻胶。

正胶IC主导负胶光刻胶的作用：对于入射光子有化学变化，保持潜像至显影，从而实现图形转移，即空间图像

潜像。

i-Line光刻胶曝光反应机理

i-LinePRPhotoreactionhv+ON2..RN2ORRCORCOOHPhotoEnergyH2OinPRH2O

PACitselfisAlkaliInhibitor,Butafterabsorbhvenergy,ItbecomeAlkaliAccelerator.ResinreactAzocouplingwithNon-exposedPACPACPhotoreactionWolfRearrangementPACAlkaliSoluble

深紫外光刻胶曝光反应机理DUVPRReactionmechanism

PAGgeneratesH+byhenergy,H+diffusesbyHeating(PEB)toresistinsideInhibitorischangedtoAlkalisolublematerial.Non-exposedarearemaindissolubleareabyInhibitor.O(CH2CH)nCOCCH3CH3CH3OSXHXhvH+CCH3CH2CH3PAGInhibitorOH(CH2CH)nCO2CCH3CH3CH3++AlkaliSolublePAGPhotoreactionHeating11.3.2光刻胶的主要性能一.感光度

感光度是一个表征光刻胶对光敏感度的性能指标。定义为曝光时使光刻胶发生光化学反应所需的最小曝光量(E)的倒数，即

S=h/E

式（4）S为感光度，h为比例常数，E为最小曝光量。

光刻胶对于不同波长的光源其敏感程度是不同的，因此它的感光度总是对某一特定波长的光来讲的。二.分辨率指光刻时所能得到的光刻图形的最小尺寸。通常以每毫米最多可分辨的线条数来表示。影响分辨率的因素除了光刻胶本身的结构性质外，还有光刻工艺条件、硅片表面状况等。三.粘度

是影响涂敷胶膜厚度的重要因素。光刻胶越浓，它的粘度就越大，在相同的涂胶条件下，所得的胶膜就越厚；反之，则粘度小，胶膜薄。四.针孔密度单位面积的光刻胶膜上的针孔数目称为针孔密度。五.粘附性指光刻胶薄膜与衬底的粘附能力，主要衡量光刻胶抗湿法腐蚀能力。它不仅与光刻胶本身的性质有关，而且与衬底的性质和其表面情况等有密切关系。六.对比度（反差比）指的是光刻胶上从曝光区到非曝光区过渡的陡度。对比度代表着只适于在掩膜版透光区规定范围内曝光的光刻胶的能力。差的光刻胶对比度斜侧壁膨胀差的反差光刻胶膜好的光刻胶对比度陡直侧壁没有膨胀好的反差光刻胶膜光刻胶对比度曲线D0D100D0D100则对比度定义为光刻胶对比度曲线理想光刻胶－理想曝光剂量PR厚度距离距离

临界调制传输函数（CMTF）另一个可以从对比度中得出的光刻胶性能指标是临界调制传输函数（CMTF，CriticalModulatingTransferFunction）CMTF的典型值大约为0.4。CMTF的作用是提供一个简单的光刻胶分辨率实验。如果一个实像的MTF小于CMTF，则图像不能被分辨；如果实像的MTF大于CMTF，则可能被分辨。七.抗蚀性

光刻胶胶膜必须保持它的粘附性，并在后续的湿刻和干刻中保护衬底表面。这种性质被称为抗蚀性。八.表面张力

光刻胶具有产生相对大的表面张力的分子间力，所以在不同工艺步骤中光刻胶分子会聚在一起。同时光刻胶的表面张力必须足够小，从而在应用是能提供良好的流动性和硅的覆盖。

相比较，正胶有较高的分辨率，较强的抗干法腐蚀能力和抗热处理能力，但粘附性较差，抗湿法腐蚀能力差。负胶有很高的感光速度，好的粘附性和抗蚀能力，但分辨率低，不适合细线条光刻。表面反射和驻波效应来自曝光区的光被圆片表面图形不同的高低形貌反射，然后被不曝光的区域的光刻胶吸收，导致不希望的曝光。驻波：由于入射光和反射光间的相长与相消干涉造成。驻波造成光刻胶中的光强随厚度变化，由于曝光的变化产生光刻胶溶解率的变化，则表现为光刻胶侧壁出现螺旋状条纹。11.4光刻系统11.4.1光学光刻

在光学光刻中，需要一个光源来把版图投射到光刻胶上，光刻胶材料里发生光化学转变来转印投影掩膜版的图形。现今最常用于光学光刻的两种紫外光源是：汞灯和准分子激光。除了这些通常使用的光源外，其他用于先进的或特殊应用的光刻胶曝光的源有X射线、电子束和离子束。11.4.2光刻设备

光刻对准曝光系统（光刻机）的发展经历了三个阶段，早期使用的是接触式曝光，后来发展为接近式曝光，目前的主流是投射式曝光。三种曝光方式接近式接触式投影式接触式曝光机---Canon501接触式和接近曝光的问题接触式：在圆片和掩膜上造成缺陷。接近式：分辨率下降。g＝10mm，

＝365nm（i线）时，Wmin2mm利用Fresnel近场衍射理论计算的间隔范围：减小g，λ均可提高分辨率投影式——远场衍射（Fraunhofer）

像平面远离孔径，在孔径和像之间设置镜头爱里斑两个爱里斑之间的分辨率（瑞利判据）：数值孔径：收集衍射光的能力。n为折射率分辨率k1=0.6-0.8提高分辨率：NA

，

，k1

fNA(NumericalAperture)Aperture(NAill)

CollimatorLensReticleProjectionLens

ApertureStop(NAlens)WaferNA=nsin

ImagePlaneLens

fdsin

d/2f

数值孔径（NA）n是物镜到硅片间的光路介质的折射率。透镜俘获衍射光UV012341234透镜石英铬衍射图形掩模板来自掩膜的光线由于衍射被分散为大的角度，而这些衍射光携带的信息是关于掩膜板图形的孔径结构的，为了在圆片上重新形成图形，需要将这些衍射光重新汇聚。数值孔径（NA）就表征了物镜收集衍射光的能力。11.4.3投影式光刻机三要素一.分辨率（Resolution）

由瑞利判据给出，

1其中，k1为常数，决定于光刻胶区分光强少量变化的能力，一般k为0.6-0.8量级；λ为曝光光源的波长光源NGL:X射线(5Å)，电子束(0.62Å)，离子束(0.12Å)光源波长

(nm)术语技术节点汞灯436g线>0.5mm汞灯365i线0.5/0.35mmKrF(激光)248DUV0.25/0.13mmArF(激光)193193DUV90/65…32nmF2(激光)157VUVCaF2lenses激光激发Xe等离子体13.5EUVReflectivemirrors1、Usinglightsourcewithshorterl

焦深（DoF）焦深就是聚焦深度（DepthofFocus），它是指沿着光通路，圆片可以移动而依然保持图形聚焦清晰的移动距离。对于投影系统，焦深由下式给出，k2

焦深(DOF)+-光刻胶膜焦深焦平面透镜焦点是沿透镜中心出现最佳图像的点，焦深是焦点上面和下面的一个范围。焦点可能不是正好在光刻胶层的中心，但是焦深应该穿越光刻胶层上下表面。【例题】分辨率R及焦深DOF的关系【例】：对于一个光刻系统，其λ=365nm，NA=0.6，k1=0.6，k2=0.5，求其分辨率R及焦深DOF。若将NA提高至0.7，分辨率R及焦深将如何变化？解：（1）将以上数值代入公式中，可得

R=365nmDOF=507nm=0.51μm

（2）R=313nmDOF=372nm=0.37μm

解决方案：离轴照明（OAI）离轴照明（OffAxisIllumination，OAI）：入射光以某种角度穿过投影掩膜版，从而把衍射条纹与透镜校准，产生与版图相对应的对称光强剖面，减小分辨率限制并增加了成像的焦深。二.