微影技术培训资料.

第三章 微影技術 微影 微影 簡單來說 是將光源透過有圖案的光罩 將光罩上的圖案完整地傳送到晶片表面所塗抹的感光材料 光阻 上 再進行去除或保留光阻的步驟 以完成圖案轉移 微影技術的解析度限定了半導體元件的最小線寬 而解析度主要由光阻性質與曝光設備及方法來決定 無塵室 CleanRoom 無塵室中污染物的控制 1 無塵室溫溼度的控制2 震動的控制3 純水的控制4 粉塵顆粒的控制5 氣體的控制6 電磁波的控制7 靜電的控制8 化學品的控制 美國無塵室等級 參照FED STD 209D 製程氣體不純物對製程可能造成的影響 微影製程步驟圖示 光阻 photoresist 1 光組主要由樹脂 resin 感光劑 sensitizer 溶劑 solvant 三種成分混合而成 2 光阻分為正光阻及負光阻兩種 a 正光阻 光阻本身難溶於顯影液 曝光後解離成小分子 形成容易溶於顯影液的結構 b 負光阻 曝光後形成不容易溶於顯影液的結構 光阻特性及正負光阻圖示 光阻材料的性質 敏感度 sensitivity 或稱為感光度對比 contrast 解析度 resolution 光吸收度 opticaldensity 耐蝕刻度純度 purity Lift off之圖形 常見正負光阻表 正負光阻比較 微影製程之步驟 1 晶片清洗 主要在於清除晶片上之雜質 以利後續之製程 2 去水烘烤 晶片表面上常會吸附空氣中的水分子 在後面升溫的過程之中 可能形成薄的負氧化層 negativeoxide 故在晶片清洗完之後 先將晶片上的水分去除 再進行下面的製程 3 塗底 在晶片上圖上一層增加光阻與晶片表面附著能力的化合物 4 上光阻 通常上光阻是使用旋鍍的方式 spincoating 下列幾項因素會影響光阻是否到達所需的旋鍍厚度 a 開始時滴入光阻液的量 b 晶片的大小 c 旋鍍機的轉速與轉加速度 d 光阻液的性質 如黏滯性及固體粒子的量 e 所以要慎選光阻液 並配合晶片大小選擇適當的光阻液量 在嘗試調整旋鍍機加速度及等加速度的大小及時間 以達理想的光阻塗佈厚度 上光阻示意圖 光阻膜厚度T光阻中固體粒子含量C光阻黏性 旋轉速度 5 軟烤 或稱預烤 pre bake 其目的有三 a 是將光阻液中的溶劑含量由20至30 降至4到7 光阻厚度因此也將減少約10至20 b 軟烤有回火 annealing 的效果 使光阻平坦化 c 可增加附著力 6 對準及曝光 軟烤結束後 將光罩與晶片放置在曝光機上 利用對準標誌 align mark 將兩者相對位置進行校準 其方法為 a 將晶片利用曝光機進行移動或轉動 使晶片的左右對準標誌和光罩的對準標誌盡量重合 即完成對準 b 接著按下曝光機上的曝光鍵 可進行曝光工作 光罩的對準標誌 定位偏移 X方向 旋轉 向外失距 曝光機 曝光機的選擇要點 a 解析能力 限制 b 定位精確度 c 污染程度 d 可信賴度 e 產能 f 擁有設備的全部花費 曝光機的種類 光學式非光學式 接觸式X光近接式電子射束投影式步進式 曝光光源 a 汞燈 Hg b KrF為光源 產生深紫外光 DeepUV 用在IC廠0 25 m製程 c Excimerlaser 準分子雷射 KrF248nm ArF193nm IC廠0 18 m製程 等 d E beam 電子的物質波 價錢昂貴 速度緩慢 正設法大量生產中 e X光 能量需求很高 價錢昂貴 且光罩需特別製作 多用在LIGA製程上 光譜 7 顯影 因感光劑在曝光後改變光阻的性質 利用顯影液將要去除的光阻洗掉 完成在光阻上的圖案轉移 下表為常用的光阻及所對應的顯影液 光阻的顯影 a 過程 b 問題 8 硬烤 經過顯影後的光阻 還需要經過最後的步驟 硬烤 通常也是使用熱墊板 硬烤溫度較軟烤溫度來的高 此溫度高於光阻的玻態轉變溫度 galsstransition 故光阻將如溶融的玻璃 表面也將因表面張力而平坦化 目的如下 a 將光阻溶劑含量降至最低 b 增加附著力 避免遇酸時脫落 c 增加對酸的抵抗力 d 使邊緣平滑 減少缺陷 如孔隙 9 顯影檢查 此項檢查的目的是找出那些不太可能通過微影最終檢查的晶圓片 提供製程效能和製程控制數據 並找出可重新使用的晶圓片 表面乾燥旋轉烘烤去除光阻定位及曝光顯影及烘烤顯影檢查剔除不良晶圓良好的晶圓再生晶圓的製程迴路 10 蝕刻 當顯影檢查完成時 光罩的影像被轉移在光阻層上 此時晶圓準備進入蝕刻步驟 此步驟中影像才是被永遠的轉移在晶圓的表面層 蝕刻 etch 是將晶圓表面的上層材料由光阻圖案的開孔處移除的製程 11 去除光阻 在蝕刻完成之後 晶圓表面層的圖案成為永久固定 而其上方原先用以作為蝕刻之阻隔物的光阻層便無存在的必要 故可由表面移除 傳統的光阻去除法是用濕式化學法 通常光阻去除劑 strippers 分成三類 通用型 正光阻專用型 負光阻專用型 或者可由晶圓表面的型態來分 金屬或非金屬的 濕式去除法較受歡迎的理由 a 使用的歷史悠久 b 價格低廉又有效 c 可有效的移除金屬離子 d 為一種低溫製程且不會只晶圓暴露於可能有害的輻射之下 12 最終檢查 基本上這跟顯影檢查是相同的 除了檢查出的不良品大部分是不能修正的嚴重錯誤 不可能重做 唯一例外的是 晶圓若是僅被污染可能重新清潔再重新檢查 最終檢查保證送出晶圓的品質良好 並同時可藉此查驗顯影檢查的效果 一般光罩的製作 步驟一 步驟二 步驟三 步驟四 步驟四 步驟五 步驟六 步驟七 X光深蝕刻光罩的製作 步驟一 步驟二 步驟三 步驟四 步驟五 步驟六 將光阻去除 留下金屬部分 完成光罩的製作 步驟七 步驟八 光罩製作時所需的解析度與聚焦深度或是景深可分由下面兩方程式表示解析度聚焦深度或景深 DepthofFocus 其中K1是由光阻材料性質與製成所決定的一個常數 NA是曝光鏡片系統的數值口徑 NumericalAperture 為入射光波長 K2為另一個與光阻性質有關的常數 由上兩式可知 K1越小 可使R降低 解析度變佳 也可使聚焦深度或景深增加 故一般均致力於降低光阻材料性質K1數值 對準與曝光設備 1 接觸式對準 Contactalign 此光罩的解析度會受到光的狹縫繞射現象的影響 上圖就是因為光罩上圖形間的縫隙很小 所造成光的繞射現象 而在光阻上形成不理想的分佈 光罩圖形的理論最小線寬d theoreticalresolutioncapability 為其中s為光罩和光阻表面的距離 為入射光波長 z為光阻厚度 2 近接式對準 proximityalign 為改善接觸式對準有沾上光阻的問題 可將罩與光阻遠離一小段距離在進行曝光會改善接觸污染的問題 所以上式的z相對於s幾乎可以忽略 故可改成 3 投射式對準 projectionalign 為了改善接觸與近接式對準缺點而發展出的投影法 光罩沒有接近晶片 而是類似投影機的原理 將光罩上的圖案投影到光罩上 優點 解析度可以增高 且光罩較不易損壞 接觸式對準近接式對準投射式對準 4 重複步進式對準 光罩的圖形比所要的圖形放大五倍或十倍 光源透過光罩後 在經過適當的聚焦 將比例縮放成為想要的獨大小而投射在部分的晶片上 故整片晶片都要曝光時 得進行重複步進的工作 優點 a 光罩上的圖形為所要的圖案放大 經聚焦後縮小的圖形 解析度比傳統1 1更佳 b 光罩上若有雜質 經縮小轉移後 將降低其影響力 重複步進式對準 調整轉移方程式 From Brodie Ietal 1982 a Modulation b ModulationTransferFunction 藉由調整M我們可以簡單的表示出圖案轉移的品質 我們可以這樣定義 在投射印製圖案時 透鏡的實際使用範圍為R NA之定義為 經由右圖我們可得 曝光法 1 光學式微影 Photolithography a 利用汞燈做曝光 G line 436nm I line 365nm b 準分子雷射 excimerlaser 利用鹵素與惰性氣體原子的混合氣體所產生的雷射 利用高壓放電的激勵過程 魂和氣體會輻射出能量強 振福短的光 準分子雷射一般較常應用在微影術有下列三種 2 電子束式微影 Electronbeanlithography 電子束的光源大致可分為三種 a 鎢絲光源 不需要高真空度 解析度並不高 b 鋇酸鑭 lanthanumhexaboride 利用熱放射陰極管或單晶硼化鑭做成電子槍產生電子束 透過靜電透鏡或電磁透鏡聚焦至直徑0 01至0 01 m 掃瞄至所要底材上 電子束的焦距則可由透鏡的電流所控制 真空度要求也不高 中等電流密度 c 熱場發射電子槍 thermalfiledemission 需要高真空度 高電流密度 解析度可達0 005至0 1 m 3 X 射線式微影 X raylithography X 射線波長4至50遠短於光學式微影的紫外光 因此繞射的現想減少且能得到較高的解析度 如跟電子束式比較 因X射線微影採用平行曝光 與電子束式採用的順序曝光不同 因此有較快的出品率 X射線光源的有限尺寸 直徑為a 與光罩晶片間的有限間隙g 其結果乃產生半陰影效應 penumbraleffect 光阻影像邊緣的半陰影點 penumbralblur 為 另一種幾何效應為側面放大 lateralmangnification 誤差 光罩的投影影像側移一段距離d 稱跑離 runout 其中r為晶片中心的逕向距離 各種高級雕像術 先進微影技術 因應製程微縮能持續的往0 25 m以下 甚至於0 1 m以下推進 除了曝光設備的改良之外 仍需周邊技術的配合改進 如 光阻 DUV曝光設備 光罩等1 DUV化增型光阻 傳統用於i線的光阻 對248nm光源的透明程度很差 因此必須發展出一種全新的光阻配方 來提升其透明程度 目前採用的是以 化學增幅型 光阻 英文簡稱為CA 此型光阻之概念 開始於1980年代初期 IBM公司對新光阻之研發 它的成分主要是由 共聚高分子樹脂 CopolymerResin 光酸化產生體 Photo AcidGenerator 溶劑 以及提升穩定度之添加物 2 DUV曝光設備 248nm a 光源248nm KrF193nm ArF157nm F2 研發階段 KrF ArF F2為ExcimerLaser產生器所使用之氣體 b OAI 偏軸式照明 的OAI技術 傳統式 偏軸式 傳統式 圓環式OAI 四孔式 光孔 3 光罩技術I PSM PhaseShiftingMask 光罩 相移式 PhaseShifting 技術 最早由IBMAlmaden研發中心Levenson等