半导体制造工艺第7章 光刻

半导体制造工艺 第7章光刻 第7章光刻 7 1概述7 2光刻工艺的基本步骤7 3正性光刻和负性光刻7 4光刻设备简介7 5光刻质量控制 7 1概述 图7 1半导体制造工艺流程 7 1概述 7 1 1光刻的概念光刻处于晶圆加工过程的中心 一般被认为是集成电路 IC 制造中最关键的步骤 需要高性能以便结合其他工艺获得高成品率 图7 2光刻的基本原理图 7 1概述 7 1 2光刻的目的光刻实际是图形的转移 把掩膜版上的图形转移到晶圆的表面 7 1 3光刻的主要参数在光刻工艺中 主要的参数有特征尺寸 分辨率 套准精度和工艺宽容度等 1 特征尺寸2 分辨率 图7 3焦深的示意图 7 1概述 3 套准精度4 工艺宽容度7 1 4光刻的曝光光谱曝光光源的能量要能激活光刻胶 并将图形从掩膜版中转移到晶圆表面 由于光刻胶材料与紫外光所对应的特定波长的光发生反应 因此目前紫外光一直是形成光刻图形常用的能量源 表7 1常用的曝光光源以及光源波长与特征尺寸的关系 7 1概述 7 1 5光刻的环境条件在晶圆的批量生产中 光刻机对环境的要求非常苛刻 特别是现在的深亚微米尺寸的生产线 微小的环境变化就可能导致器件的各种缺陷 光刻设备有一个要求非常严格的密封室控制各种条件 例如温度 振动 颗粒沾污和大气压力等 1 温度2 振动3 颗粒沾污4 大气压力 7 1概述 7 1 6掩膜版掩膜版是晶圆生产过程中非常重要的一部分 比较常用的是掩膜版和投影掩膜版 掩膜版包含了整个晶圆的芯片阵列并且通过单一的曝光转印图形 一般用于较老的接近式光刻机或扫描对准投影机中 投影掩膜版是一种局部透明的平板 在它上面有将要转印到晶圆上的一部分图形 例如几个芯片的图形 因此需要经过分步重复在整个晶圆表面形成覆盖 一般用于分步重复光刻机和步进扫描光刻机 1 投影掩膜版的材料2 投影掩膜版的缩影和尺寸3 投影掩膜版的制造 7 2光刻工艺的基本步骤 1 气相成底膜 图7 4光刻的基本工艺步骤 7 2光刻工艺的基本步骤 图7 5气相成底膜示意图 7 2光刻工艺的基本步骤 图7 6旋转涂胶示意图 2 旋转涂胶 7 2光刻工艺的基本步骤 图7 7软烘工艺的原理示意图 3 软烘 7 2光刻工艺的基本步骤 图7 8曝光设备的结构示意图 4 曝光5 烘焙 7 2光刻工艺的基本步骤 6 显影 图7 9显影示意图 7 坚膜8 显影检查 7 3正性光刻和负性光刻 7 3 1正性光刻和负性光刻的概念光刻包括两种基本的工艺类型 正性光刻和负性光刻 正性光刻是把与掩膜版上相同的图形复制到晶圆上 负性光刻是把与掩膜版上图形相反的图形复制到晶圆表面 正性光刻与负性光刻的光刻效果如图7 10所示 图7 10正性光刻与负性光刻的光刻效果 7 3正性光刻和负性光刻 1 正性光刻2 负性光刻7 3 2光刻胶光刻胶 亦称光致抗蚀剂 其质量的好坏对光刻有很大的影响 因此在集成电路的制造中必须要选择和配置合适的光刻胶 1 光刻胶的组成及原理2 光刻胶的种类3 光刻胶的使用存储7 3 3正性光刻和负性光刻的优缺点根据在光刻工艺中使用的光刻胶的不同 可以将光刻工艺分为正性光刻和负性光刻 7 4光刻设备简介 7 4 1接触式光刻机接触式光刻机是从SSI 小规模集成电路 时代 20世纪70年代 的主要光刻手段 它被用于线宽尺寸约为5 m及以上的生产中 现在接触式光刻机已经基本不再被广泛使用 接触式光刻的示意图如图7 11所示 图7 11接触式光刻示意图 7 4光刻设备简介 7 4 2接近式光刻机接近式光刻机是从接触式光刻机发展过来的 并且在20世纪70年代的SSI时代和MSI 中规模集成电路 早期普遍使用 这种光刻机如今仍然在生产量小的老生产线中使用 一些实验室和生产分立器件的生产线中也有使用 接近式光刻的示意图如图7 12所示 图7 12接近式光刻的示意图 7 4光刻设备简介 7 4 3扫描投影光刻机不管是接触式还是接近式光刻 都存在沾污 边缘衍射 分辨率限制并且依赖操作者等问题 20世纪70年代出现的扫描投影光刻机试图解决这些问题 直到20世纪80年代初扫描投影光刻机开始占据主导地位 现在这种光刻机仍在较老的晶圆生产线中使用 它们适用于线宽大于1 m的非关键层 7 4 4分步重复光刻机 图7 13分步重复光刻机示意图 7 4光刻设备简介 7 4 5步进扫描光刻机步进扫描光学光刻系统是一种混合设备 融合了扫描投影光刻机和分步重复光刻机的技术 是通过使用缩小透镜扫描一个大曝光场图像到晶圆上的一部分实现光刻 使用步进扫描光刻机的优点是增大了曝光场 可以获得较大的芯片尺寸 透镜视场只要是一个细长条就可以了 在步进到下一个位置前 它通过一个小的 校正好的26 33mm2像场扫描一个缩小的掩膜版 通常是4倍 大视场的另一个优点是有机会在投影掩膜版上多放几个图形 因而一次曝光可以多曝光些芯片 步进光刻的示意图如图7 14所示 7 4光刻设备简介 图7 14步进光刻的示意图 7 5光刻质量控制 7 5 1光刻胶的质量控制光刻胶的质量控制主要体现在粘附性 胶膜厚度等方面 7 5 2对准和曝光