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第8章光刻工艺 第8章光刻工艺 本章目标 1 熟悉光刻工艺的流程 2 能够区别正胶和负胶 3 了解对准和曝光的光学方法 4 解释湿法刻蚀和干法刻蚀的方法和优缺点 第8章光刻工艺 一 概述1 光刻的定义2 光刻的目的3 光刻的目标4 光刻工艺步骤概述 第8章光刻工艺一 概述 1 光刻的定义 光刻是图形复印与腐蚀作用相结合 在晶片表面薄膜上制备图形的精密表面工艺技术 英文术语是Photolithography 照相平板 Photomasking 光掩模 等 第8章光刻工艺一 概述 2 光刻的目的 光刻的目的就是 在介质薄膜 二氧化硅 氮化硅 多晶硅等 金属薄膜或金属合金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 第8章光刻工艺一 概述 3 光刻的目标 教材P130最上部分 1 尽可能接近特征图形尺寸 2 在晶圆表面正确定位图形 称为Alignment或者Registration 包括套刻准确 第8章光刻工艺一 概述 4 光刻工艺步骤概述 光刻蚀工艺 首先是在掩膜版上形成所需的图形 之后通过光刻工艺把所需要的图形转移到晶圆表面的每一层 P130倒数第二段 第8章光刻工艺一 概述 4 光刻工艺步骤概述 1 图形转移的两个阶段 图形转移到光刻胶层 第8章光刻工艺一 概述 4 光刻工艺步骤概述 1 图形转移的两个阶段 图形从光刻胶层转移到晶圆层 第8章光刻工艺一 概述 4 光刻工艺步骤概述 2 十步法 第8章光刻工艺 二 光刻胶1 光刻胶的组成 分类2 光刻胶的参数3 正负胶比较4 电子抗蚀剂5 X 射线抗蚀剂 第8章光刻工艺二 光刻胶 1 光刻胶的组成 分类 光刻时接受图像的介质称为光刻胶 以光刻胶构成的图形作为掩膜对薄膜进行腐蚀 图形就转移到晶片表面的薄膜上了 所以也将光刻胶称为抗蚀剂 1 光刻胶的分类 根据曝光源和用途 A 光学光刻胶 主要是紫外线 B 电子抗蚀剂C X 射线抗蚀剂 第8章光刻工艺二 光刻胶 1 光刻胶的组成 分类 1 光刻胶的分类 根据胶的极性 A 正胶B 负胶 正胶 胶的曝光区在显影中除去 正胶曝光时发生光分解反应变成可溶的 使用这种光刻胶时 能够得到与掩膜版遮光图案相同的图形 故称之为正胶 负胶 胶的曝光区在显影中保留 用的较多 具体说来负胶在曝光前对某些有机溶剂 丙酮 丁酮 环己酮 是可溶的 而曝光后发生光聚合反应变成不可溶的 使用这种光刻胶时 能够得到与掩膜版遮光图案相反的图形 故称之为负胶 第8章光刻工艺二 光刻胶 1 光刻胶的组成 分类 2 光刻胶的组成 光刻胶里面有4种基本成分 参见教材P135 聚合物光刻胶中对光和能量敏感的物质 溶剂其作用是使胶具有一定的粘度 能均匀涂覆 光敏剂有时也称为增感剂 添加剂达到特定效果 第8章光刻工艺二 光刻胶 2 光刻胶的参数 1 感光度 用于表征光刻胶感光性能的 第8章光刻工艺二 光刻胶 2 光刻胶的参数 2 分辨率 指用某种光刻胶光刻时所能得到的光刻图形的最小尺寸 它是表征光刻精度或清晰度能力的标志之一 分辨率通常以每毫米内能刻蚀出可分辨的最多线条数目来表示 通常正胶的分辨率高于负胶 第8章光刻工艺二 光刻胶 2 光刻胶的参数 3 抗蚀性 在湿法刻蚀中 要求光刻胶能较长时间的经受酸 碱的浸蚀 在干法刻蚀中 要求光刻胶能较长时间的经受等离子体的作用 第8章光刻工艺二 光刻胶 2 光刻胶的参数 4 粘附性 光刻胶与衬底 二氧化硅 金属等 之间粘附的牢固程度直接影响到光刻的质量 第8章光刻工艺二 光刻胶 2 光刻胶的参数 5 针孔密度 单位面积上针孔数目称为针孔密度 光刻胶膜上的针孔在刻蚀过程中会传递到衬底上 危害极大 光刻胶层越薄 针孔越多 但太厚了又降低光刻胶的分辨率 第8章光刻工艺二 光刻胶 2 光刻胶的参数 6 留膜率 留膜率是指曝光显影后的非溶性胶膜厚度与曝光前的胶膜厚度之比 刻蚀时起掩蔽作用的是显影后非溶性的胶膜 所以希望光刻胶的留膜率越高越好 第8章光刻工艺二 光刻胶 3 正 负胶的比较 1 正 负胶和掩膜版极性的结合 参见教材P131和P132 掩模板的图形是由不透光的区域决定的 在掩膜板上的图形是用相反的方式编码的 第8章光刻工艺二 光刻胶 3 正 负胶的比较 2 负胶 负胶大多数由长链高分子有机物组成 例如 由顺聚异戊二烯 对辐照敏感的交联剂以及溶剂组成的负胶 响应波长330 430nm 胶膜厚度0 3 1 m 显影液是有机溶剂如二甲苯等 曝光的顺聚异戊二烯在交联剂作用下交联 成为体形高分子并固化 不再溶于有机溶剂构成的显影液 而未曝光的长链高分子溶于显影液 显影时被去掉 第8章光刻工艺二 光刻胶 1 光刻胶的组成 分类 3 正胶 当前常用的正胶由以下物质组成的 酚醛树脂 光敏剂邻重氮醌和溶剂二甲氧基乙醛等 响应波长330 430nm 胶膜厚1 3 m 显影液是氢氧化钠等碱性物质 曝光的光刻胶光分解后易溶于显影液 未曝光的胶膜难溶于碱性显影液 第8章光刻工艺二 光刻胶 3 正胶 负胶的比较 正胶负胶 不易氧化易氧化而使光刻胶膜变薄 成本高成本低 图形边缘整齐 陡直 无溶胀现象易吸收显影液而溶涨 分辨率更高 去胶较容易 抗蚀性强于正胶 第8章光刻工艺二 光刻胶 4 电子抗蚀剂 正性抗蚀剂在电子束辐射下发生胶联反应 由于胶联 分子变大变复杂 平均分子量增加 负性抗蚀剂在电子束辐射下发生降解反应 由于降解 分子链剪断 变短 成为小分子 电子抗蚀剂对10 30kV的电子束灵敏 常用的正性抗蚀剂有PMMA 聚甲基丙烯酸甲酯 分辨率可达10nm 还有EBR 9 丙烯酸盐基类 灵敏度比PMMA高但最小分辨率只有0 2 m 第8章光刻工艺二 光刻胶 5 X 射线抗蚀剂 在电子抗蚀剂如PMMA中加入铯 铊等 能增加抗蚀剂对X 射线的吸收能力 可以使之作为X 射线抗蚀剂 第8章光刻工艺 三 曝光 显影阶段1 表面准备2 涂光刻胶3 前烘4 对准和曝光5 显影 第8章光刻工艺三 曝光显影阶段 1 表面准备 1 微粒清除 2 保持衬底表面的憎水性 P144最下部分 室内湿度保持在50 以下 并尽可能快地进行光刻 把晶圆存储在干净的氮气净化过的干燥器 采用HF结尾的清洗工艺 脱水烘培 涂底胶 六甲基乙硅烷HMDS 沉浸式或旋转式 第8章光刻工艺二 光刻胶 2 涂光刻胶 要求 胶膜均匀 均匀性达到正负0 01微米的误差 达到预期的厚度 与衬底薄膜粘附性好 无灰尘和夹杂物 使用黄光或红光照明 防止光刻胶失效 第8章光刻工艺二 光刻胶 2 涂光刻胶 1 静态涂胶工艺 在光刻胶被分散开之后 高速旋转还要持续一段时间以便使光刻胶干燥 第8章光刻工艺二 光刻胶 2 涂光刻胶 1 静态涂胶工艺 第8章光刻工艺二 光刻胶 2 涂光刻胶 1 静态涂胶工艺 第8章光刻工艺二 光刻胶 2 涂光刻胶 2 动态喷洒 第8章光刻工艺二 光刻胶 3 前烘 1 目的 使胶膜体内的溶剂充分挥发使胶膜干燥 增加胶膜和衬底的粘附性以及胶膜的耐磨性 第8章光刻工艺二 光刻胶 3 前烘 2 方法 根据热传递的三种方式 烘箱烘烤 热板处理 红外光照射 第8章光刻工艺二 光刻胶 4 对准和曝光 1 概述 对准和曝光 A E 教材P153最下 把所需图形在晶圆表面上定位或对准 通过曝光灯或其他辐射源将图形转移到光刻胶涂层上 光刻胶是光刻工艺的材料核心A E则是光刻工艺的设备核心 第8章光刻工艺二 光刻胶 4 对准和曝光 2 对准 对准原则 教材P155最下面 第一个掩膜版的对准是把掩膜版上的y轴与晶圆上的平边成90度放置 后续的掩膜版都用对准标记与上一层带有图形的掩膜对准 第8章光刻工艺二 光刻胶 4 对准和曝光 2 对准 对准误差 教材P155最下面 X或Y方向的平移 转动 第8章光刻工艺二 光刻胶 4 对准和曝光 3 曝光光源 对图像的改进方法 见教材P155 使用狭波或单一波长的曝光光源 准直平行光 控制掩膜版和光刻胶之间的距离 常见曝光源 见教材P155 高压汞灯产生紫外光 UV 准分子激光器 电子束 X射线 第8章光刻工艺二 光刻胶 4 对准和曝光 4 曝光方法 参见教材P154图8 43 光学曝光A 接触式B 接近式C 投影式D 步进式 非光学曝光A 电子束B X射线 第8章光刻工艺二 光刻胶 4 对准和曝光 4 曝光方法 由于衍射极限的限制 在超大规模集成电路的生产上光学光刻已逐渐被电子束光刻 X 射线光刻等新技术代替 但是光学光刻在对分辨率要求不高的器件和电路上仍被普遍采用 第8章光刻工艺二 光刻胶 4 对准和曝光 4 曝光方法 光学曝光A 接触式 教材P156 接触式曝光需要人工在显微镜下观察和套准图形并使硅片与掩膜版紧贴 光刻精度受到光学和机械系统以及操作者的熟练程度的限制 第8章光刻工艺二 光刻胶 4 对准和曝光 4 曝光方法 光学曝光A 接触式 教材P156 缺点 接触会损坏掩膜版和较软的光刻胶层 掩膜版寿命低 接触式光刻机用于分立器件 低集成度和中度集成度的电路 第8章光刻工艺二 光刻胶 4 对准和曝光 4 曝光方法 光学曝光B 接近式 教材P157 接近式光刻是分辨率和缺陷密度的权衡 它以牺牲分辨率来延长了掩膜版的寿命 只有采用高度平行的光束曝光来减少散射带来的影响 接近式光刻是接触式光刻机的自然演变 有时也称软接触式 第8章光刻工艺二 光刻胶 4 对准和曝光 4 曝光方法 光学曝光C 投影式 第8章光刻工艺二 光刻胶 4 对准和曝光 4 曝光方法 光学曝光C 投影式 投影式曝光和接触式曝光相比有以下优点 a避免了掩膜版与硅片表面的摩擦 延长了掩膜版的寿命 b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 c消除了掩膜版图形线宽过小而产生的光衍射效应 投影式曝光的缺点 a光刻设备有许多镜头需要特制 设备复杂 第8章光刻工艺二 光刻胶 4 对准和曝光 4 曝光方法 光学曝光D 步进式 P159 使用带有一个芯片或几个芯片图形的掩膜版逐一对准 曝光 然后移动到下一个曝光场 重复这样的过程 第8章光刻工艺二 光刻胶 4 对准和曝光 4 曝光方法 光学曝光D 步进式 P159 优点 a由于每次曝光区域变小分辨率得以提高 b这种掩膜版比全局掩膜版质量高 因此产生缺陷的数量就更小 生产关键 自动对准系统的实现 掩膜版 1 1掩膜版或5 10倍的掩膜版 5倍最佳 第8章光刻工艺二 光刻胶 4 对准和曝光 4 曝光方法 电子束曝光 电子束与光一样 它的能量也可以使光刻胶发生化学反应 使之感光 电子束由阴极产生 它在阳极正电场的加速下获得很大的能量 为了使电子在运动过程中不会同气体分子碰撞 整个电子束曝光系统必须是高真空的 经过阳极加速的电子束必须进行聚焦 电子束的聚焦采用电场或磁场组成的透镜来实现 为了使电子束聚焦得很好 要采用复合透镜组来达到目的 第8章光刻工艺二 光刻胶 4 对准和曝光 4 曝光方法 电子束曝光 为了获得某一曝光图形 必须使电子束依次打到图形中需要曝光的部分 即按图形扫描 为此 在电子束的通道中装上偏转板 偏转板上加电压 由电压来控制电子束的偏转 偏转板有两对 互相垂直 使其一个平面的X方向和Y方向都能扫描到 扫描时图形的某些部分是不要曝光的 因此还必须有控制电子束通断的装置 第8章光刻工艺二 光刻胶 4 对准和曝光 4 曝光方法 电子束曝光 第8章光刻工艺二 光刻胶 4 对准和曝光 4 曝光方法 第8章光刻工艺三 曝光显影阶段 4 对准和曝光 4 曝光方法 电子束曝光 分类 A 光栅扫描式B 矢量扫描式 第8章光刻工艺三 曝光显影阶段 4 对准和曝光 4 曝光方法 X 射线曝光 X 射线系统与UV和DUV系统在功能上相似 是一束电子束在高真空中轰击靶使其辐射X射线 在X射线投射路程中放置掩膜版 透过掩膜版的X射线照射到硅片表面感光胶上使之曝光 第8章光刻工艺三 曝光显影阶段 4 对准和曝光 4 曝光方法 X 射线曝光 A 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 B 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 X 射线曝光对掩膜版的要求 X 射线掩膜版使用材料解决方案 A 衬底使用氮化硅 氮化硼 铍等对X射线吸收较弱B 图形材料使用金 第8章光刻工艺三 曝光显影阶段 4 对准和曝光 5 制版 教材P185 制版就是将器件与电路的结构 互连方式 的设计图形转移到掩膜版上 先制作母版 再由母版翻印多套工作版 工作版也叫作光刻版 制版技术是光刻工艺的关键技术 一种产品生产时光刻几次就有几块版 这几块版彼此联系的版组合成一套版 第8章光刻工艺三 曝光显影阶段 4 对准和曝光 5 制版 教材P185 空白版就是底版 由基片和 感光 薄膜组成 空白版有多种 可根据基片上的感光薄膜来划分不同的空白版 常用的有超微粒干版 铬版 彩色版等 铬版是在玻璃基片上淀积铬薄膜构成的空白版 铬薄膜常采用溅射或真空蒸镀的方法淀积 铬版是当前采用最多的版 这种光刻版的制作技术几乎与晶圆 图案复制操作一致 第8章光刻工艺三 曝光显影阶段 4 对准和曝光 5 制版 教材P185 使用光学照相方法制母版 再复印光刻版 光学制版分辨率受衍射极限限制 光学制版 总图绘制 绘分图 初缩 精缩 复印 光学制版的步骤 第8章光刻工艺三 曝光显影阶段 4 对准和曝光 5 制版 教材P185 电子束制版采用计算机绘图将图形X Y数据化 用图形发生器按这些数据由电子束在空白版上扫描 直接制备出母版 或者先制备10倍的中间版 再步进重复 精缩 制出母版 电子束制版 第8章光刻工艺三 曝光显影阶段 4 对准和曝光 5 制版 教材P185 A 图形符合设计要求 尺寸准确 不发生变形 B 一套母版的各个分版之间应一一套准 C 版黑白反差应大 D 图形边缘光滑陡直 无毛刺 过渡小 E 版面光洁 针孔 小岛 以及划痕少 掩膜版的质量要求 第8章光刻工艺三 曝光显影阶段 5 显影 1 概述 教材P164 晶圆在完成对准和曝光后 器件或电路的图案被以曝光和未曝光区域的形式记录在光刻胶上 但还未出现应有的图形 第8章光刻工艺三 曝光显影阶段 5 显影 2 显影化学品 教材P165 第8章光刻工艺三 曝光显影阶段 5 显影 3 显影方法 教材P165 湿法显影 第8章光刻工艺三 曝光显影阶段 5 显影 3 显影方法 教材P165 干法显影 等离子体显影 通常是氧 干法氧等离子体显影要求光刻胶化学物的曝光部分或未曝光部分二者之一易于被氧等离子体驱除 更确切的说 图案部分从表面氧化掉 第8章光刻工艺 四 刻蚀 去胶阶段1 后烘2 刻蚀3 光刻胶去除 第8章光刻工艺四 刻蚀去胶阶段 1 后烘 1 目的 去除显影液和水分 使胶膜坚固 使胶膜进一步聚合而提高胶膜抗刻蚀能力 提高胶膜粘附性 第8章光刻工艺四 刻蚀去胶阶段 1 后烘 2 方法 与前烘方法大致相同 例如 采用对流炉的后烘温度是130度 200度 时间30分钟 第8章光刻工艺四 刻蚀去胶阶段 2 刻蚀 1 定义和目的 把显影后的光刻胶微图形下层材料的裸露部分去掉 将光刻胶图形转移到下层材料上去的工艺叫作刻蚀 第8章光刻工艺四 刻蚀去胶阶段 2 刻蚀 2 刻蚀的要求 保真 最好是各向异性腐蚀 侧向腐蚀小 选择比高 均匀性好 清洁 在胶膜掩蔽下 去除窗口薄膜物质 如SiO2 Al等 要求 第8章光刻工艺四 刻蚀去胶阶段 2 刻蚀 2 刻蚀的要求 选择比的定义 第8章光刻工艺四 刻蚀去胶阶段 2 刻蚀 3 刻蚀常见问题 不完全刻蚀 第8章光刻工艺四 刻蚀去胶阶段 2 刻蚀 3 刻蚀常见问题 过刻蚀和底切 在从最外表面刻蚀到表层底部的过程中刻蚀也会在最外表面进行 结果会在侧边形成一个斜面 这种作用因在光刻胶边缘下被刻蚀 所以称为低切 第8章光刻工艺四 刻蚀去胶阶段 2 刻蚀 3 刻蚀常见问题 各向同性刻蚀 第8章光刻工艺四 刻蚀去胶阶段 2 刻蚀 4 刻蚀的分类 参见教材图9 21刻蚀 湿法刻蚀类 沉浸 喷射 干法刻蚀类 等离子体 桶形 平面 离子轰击 反应离子刻蚀 RIE 第8章光刻工艺四 刻蚀去胶阶段 2 刻蚀 5 湿法刻蚀 湿法刻蚀是化学腐蚀 在腐蚀液中通过化学反应去除窗口薄膜 得到薄膜图形 由于加工线条变细而使腐蚀效果差 因此湿法腐蚀用于特征图形尺寸大于3微米的产品 低于此水平时 使用干法刻蚀 第8章光刻工艺四 刻蚀去胶阶段 2 刻蚀 5 湿法刻蚀 特点 A 湿法腐蚀的产物必须是气体或可溶于腐蚀液的物质 B 一般说来 反应总伴随着放热和放气 优点 A 工艺简单 无需复杂设备 选择比高 B 均匀性好 缺点 A 各向同性腐蚀 B 分辨率低 自动化难 第8章光刻工艺四 刻蚀去胶阶段 2 刻蚀 5 湿法刻蚀 硅湿法刻蚀 刻蚀液 硝酸和HF酸的混合水溶液 第8章光刻工艺四 刻蚀去胶阶段 2 刻蚀 5 湿法刻蚀 二氧化硅湿法刻蚀 刻蚀液 氢氟酸缓冲液 49 HF NH3F H2O 3ml 6g 10ml 第8章光刻工艺四 刻蚀去胶阶段 2 刻蚀 5 湿法刻蚀 铝膜湿法刻蚀 教材P175最下 因此常使用刻蚀液 对于铝和铝合金有选择性的刻蚀溶液是85 的浓磷酸 但是副产物氢气泡可能会导致桥接或雪球 磷酸 硝酸 醋酸 水 16 1 1 2 第8章光刻工艺四 刻蚀去胶阶段 2 刻蚀 6 干法刻蚀 湿法刻蚀的局限性 P177最上方 湿法刻蚀局限于3微米以上的图案尺寸 湿法刻蚀为各向同性刻蚀导致边侧形成斜坡 湿法刻蚀要求冲洗和干燥步骤 液体化学品有毒害 湿法工艺有潜在的污染 光刻胶黏合力的失效导致底切 第8章光刻工艺四 刻蚀去胶阶段 2 刻蚀 6 干法刻蚀 等离子体刻蚀 P177 使用气体和等离子体能量来进行化学反应的化学工艺 原理 真空度在1 10 2托 二氧化硅 氮化硅 多晶硅的腐蚀气体为氟化物 如CF4 高频电场将CF4和氧气的混合气激发成等离子体状态 在等离子体中的活性物F CF 等 与薄膜发生化学反应 生成物 挥发性成分 被真空泵排除 第8章光刻工艺四 刻蚀去胶阶段 2 刻蚀 6 干法刻蚀 等离子体刻蚀 P178 A 桶形刻蚀机 缺点 刻蚀离子的无方向性 导致各向同性刻蚀 第8章光刻工艺四 刻蚀去胶阶段 2 刻蚀 6 干法刻蚀 等离子体刻蚀 P178 B 改进的桶形刻蚀机 解决方案 用带孔的金属圆桶把晶圆与离子体隔离开以保护晶圆免于辐射 高能等离子体场导致电荷在晶圆表面积累 第8章光刻工艺四 刻蚀去胶阶段 2 刻蚀 6 干法刻蚀 等离子体刻蚀 P178 C 平面等离子体刻蚀机 优点 与桶形刻蚀系统相比更具有方向性 各向异性刻蚀 可得到几乎垂直的边 有极性的等离子体系统更精确 第8章光刻工艺四 刻蚀去胶阶段 2 刻蚀 6 干法刻蚀 离子束刻蚀 P181 离子束刻蚀属于物理刻蚀工艺 高能电子将氩原子离子化成为带正电荷的高能状态 氩离子加速向硅片运动轰击硅片 优点 刻蚀非常有方向性 各向异性 导致良好的小开口区域的精密度 缺点 选择性差 特别对于光刻胶层 第8章光刻工艺四 刻蚀去胶阶段 2 刻蚀 6 干法刻蚀 反应离子刻蚀 P181 结合等离子体刻蚀和离子束刻蚀的优点 在系统上与等离子体刻蚀系统相似 但具有粒子打磨能力 第8章光刻工艺四 刻蚀去胶阶段 3 去胶 1 湿法去胶 湿法化学液在前线工艺中较受欢迎 因为表面和MOS栅极暴露并易于受等离子体损伤 氧气等离子体去除光刻胶层的使