林明祥 集成电路制造工艺课件 第五章 光刻

1,第五章光刻,Lithography,2,光刻是IC制造业中最为重要的一道工艺,硅片制造工艺中，光刻占所有成本的35%,通常可用光刻次数及所需掩模的个数来表示某生产工艺的难易程度。一个典型的硅集成电路工艺包括1520块掩膜版,3,集成电路的特征尺寸是否能够进一步减小，也与光刻技术的近一步发展有密切的关系。通常人们用特征尺寸来评价一个集成电路生产线的技术水平。,所谓特征尺寸（CD：characteristicdimension）是指设计的多晶硅栅长，它标志了器件工艺的总体水平，是设计规则的主要部分,通常我们所说的0.13m,0.09m工艺就是指的光刻技术所能达到最小线条的工艺。,4,光刻的定义：光刻是一种图形复印和化学腐蚀相结合的精密表面加工技术。,光刻的目的：光刻的目的就是在二氧化硅或金属薄膜上面刻蚀出与掩膜版完全对应的几何图形，把掩模版上的图形转换成晶圆上的器件结构,从而实现选择性扩散和金属薄膜布线的目的。,5,光刻的要求,对光刻的基本要求：（1）高分辨率（2）高灵敏度（3）精密的套刻对准（4）大尺寸硅片上的加工（5）低缺陷,6,1.高分辨率分辨率是将硅片上两个邻近的特征图形区分开来的能力，即对光刻工艺中可以达到的最小光刻图形尺寸的一种描述，是光刻精度和清晰度的标志之一。随着集成电路的集成度提高，加工的线条越来越细，对分辨率的要求也越来越高。,分辨率表示每mm内能够刻蚀出可分辨的最多线条数。R=1/2L,7,2.高灵敏度灵敏度是指光刻胶感光的速度。为了提高产量要求曝光时间越短越好，也就要求高灵敏度。,3.精密的套刻对准集成电路制作需要十多次甚至几十次光刻，每次光刻都要相互套准。由于图形的特征尺寸在亚微米数量级上，因此，对套刻要求很高。要求套刻误差在特征尺寸的10左右。,8,4.大尺寸硅片的加工随着晶圆尺寸增大，周围环境会引起晶圆片的膨胀和收缩。因此对周围环境的温度控制要求十分严格，否则会影响光刻质量,5.低缺陷缺陷会使电路失效，因此应该尽量减少缺陷,9,5.2光刻胶的组成材料及感光原理,光刻胶是光刻工艺的核心，光刻过程中的所有操作都会根据特定的光刻胶性质和想达到的预期结果而进行微调。光刻胶的选择和光刻工艺的研发是一个非常漫长的过程。,10,光刻胶种类,正光刻胶(Positiveopticalresist)负光刻胶(Negativeopticalresist),Resistsareorganicpolymersthatarespunontowafersandprebakedtoproduceafilm0.5-1mmthick.,光刻胶又称光致抗蚀剂(Photo-Resist)，根据光刻胶在曝光前后溶解特性的变化，有,11,正性光刻胶PositiveOpticalResist,正胶的光化学性质是从抗溶解到可溶性。正胶曝光后显影时感光的胶层溶解了。现有VLSI工艺都采用正胶,12,正胶机制,曝光使感光材料(PAC)中分子裂解，被裂解的分子在显影液中很易溶解，从而与未曝光部分形成强烈反差。,13,负性光刻胶NegativeOpticalresist,负胶的光学性能是从可溶解性到不溶解性。负胶在曝光后发生交链作用形成网络结构，在显影液中很少被溶解，而未被曝光的部分充分溶解。,14,小结：正性和负性光刻胶,正性光刻胶受光或紫外线照射后感光的部分发生光分解反应，可溶于显影液，未感光的部分显影后仍然留在晶圆的表面负性光刻胶的未感光部分溶于显影液中，而感光部分显影后仍然留在基片表面。,正胶：曝光前不可溶，曝光后可溶负胶：曝光前可溶，曝光后不可溶,光刻胶对大部分可见光敏感，对黄光不敏感。因此光刻通常在黄光室（YellowRoom）内进行。,15,正胶和负胶的比较,正胶a)分辨率高小于1微米b)抗干法刻蚀能力强c)较好的热稳定性负胶a)对某些衬底表面粘附性好b)曝光时间短，产量高c)工艺宽容度较高（显影液稀释度、温度等）d)价格较低（约正胶的三分之一）,16,负胶曝光后变为可溶显影时未曝光的部分溶解于显影液图形与掩模版相反分辨率较低含二甲苯，对环境、身体有害。,正胶曝光后变为可溶显影时曝光的部分溶解于显影液图形与掩模版相同小的聚合物尺寸，有高的分辨大应用于ICfabs,光刻胶种类,17,分辨率(resolution)敏感度(Sensitivity)对比度(Contrast)粘滞性粘附性抗蚀性,光刻胶材料参数,18,1.光刻胶的分辨率（resolution）,在光刻胶层能够产生的最小图形通常被作为对光刻胶的分辨率。产生的线条越小，分辨率越高。分辨率不仅与光刻胶本身的结构、性质有关，还与特定的工艺有关，比如：曝光光源、显影工艺等。正胶的分辨率较负胶好，一般2m以下工艺用正胶,19,2.灵敏度S(Sensitivity),h为比例常数；I为照射光强度，t为曝光时间灵敏度反应了需要多少光来使光刻胶曝光，即光刻胶感光所必须的照射量。曝光时间越短，S越高。波长越短的光源（射线）能量越高。在短波长光曝光，光刻胶有较高的灵敏度。,20,3.对比度(Contrast),衡量光刻胶辨别亮(light)/暗(dark)区域的能力测量方法：对一定厚度的光刻胶，改变曝光剂量，在固定时间内显影，看显影后留下的光刻胶厚度。对比度高的光刻胶造成更好的分辨率,Df:完全溶解光刻胶所需的曝光剂量；D0:溶解光刻胶所需的阈值曝光剂量,21,4.粘滞性,指的是对于液体光刻胶来说其流动特性的定量指标。与时间有关，因为它会在使用中随着光刻胶中溶剂的挥发增加。,5.粘附性,描述光刻胶粘附于衬底的强度。光刻胶与衬底膜层（SiO2、Al等）的粘结能力直接影响光刻的质量。不同的衬底表面，光刻胶的粘结能力是不同的。负性胶通常比正性胶有更强的粘结能力。要求光刻胶能够粘附在不同类型的表面，例如硅，多晶硅，氮化硅，二氧化硅和金属等必须能够经受住曝光、显影和后续的刻蚀，离子注入的等工艺,22,6.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。,23,光刻胶由4种成分组成：树脂（聚合物材料）感光剂溶剂添加剂（备选）,5.2.1光刻胶的组成材料,24,树脂树脂是一种惰性的聚合物，包括碳、氢、氧的有机高分子。用于把光刻胶中的不同材料聚在一起的粘合剂。对负性胶，聚合物曝光后会由非聚合状态变为聚合状态。在大多数负性胶里面，聚合物是聚异戊二烯类型。是一种相互粘结的物质抗刻蚀的物质，如图所示。,25,正性胶的基本聚合物是苯酚甲醛聚合物，也称为苯酚甲醛树脂。如图所示。在光刻胶中聚合物是相对不可溶的，用适当能量的光照后变成可溶状态。这种反应称为光溶解反应,26,固体有机材料（胶膜的主体）转移图形到硅片上UV曝光后发生光化学反应，溶解性质发生改变正胶从不可溶到可溶负胶从可溶到不可溶,树脂,27,感光剂光刻胶中的感光剂是光刻胶材料中的光敏成分。在紫外区，会发生反应。即对光能发生化学反应。如果聚合物中不添加感光剂，那么它对光的敏感性差，而且光谱范围较宽，添加特定的感光剂后，可以增加感光灵敏度，而且限制反应光的光谱范围，或者把反应光限制在某一波长的光。,控制和或改变光化学反应决定曝光时间和强,28,29,溶剂光刻胶中容量最大的成分是溶剂。添加溶剂的目的是光刻胶处于液态，以便使光刻胶能够通过旋转的方法涂在晶园表面。绝大多数的溶剂在曝光前挥发，对于光刻胶的光化学性质几乎没有影响。,溶解聚合物经过旋转涂布可得到薄光刻胶膜,30,添加剂光刻胶中的添加剂通常是专有化学品，成份由制造商开发，但是由于竞争原因不对外公布。主要在光刻胶薄膜中用来改变光刻胶的特定化学性质或光响应特性。如添加染色剂以减少反射。,31,5.3光刻工艺,32,为确保光刻胶能和晶园表面很好粘结，必须进行表面处理，包括三个阶段：微粒清除、脱水和涂底胶。,1气相成底膜处理,33,1第一步:微粒清除目的：清除掉晶圆在存储、装载和卸载到片匣过程中吸附到的一些颗粒状污染物。清除方法：1）高压氮气吹除2）化学湿法清洗：酸清洗和烘干。3）旋转刷刷洗4）高压水流喷洗,34,第二步:脱水烘焙1目的：干燥晶圆表面，使基底表面由亲水性变为憎水性，增加表面粘附性。经过清洁处理后的晶园表面可能会含有一定的水分（亲水性表面），所以必须脱水烘焙使其达到清洁干燥（憎水性表面），以便增加光刻胶和晶园表面的黏附能力。保持憎水性表面通常通过下面两种方法：一是保持室内温度在50以下，并且在晶园完成前一步工艺之后尽可能快的进行涂胶。另一种方法是把晶园存储在用干燥并且干净的氮气净化过的干燥器中。,35,除此之外，一个加热的操作也可以使晶园表面恢复到憎水表面。有三种温度范围：,2脱水烘焙的三个温度范围：150-200，低温蒸发水分；400，中温烘烤；750，高温烘干。,36,第三步晶圆涂底胶1用hexamethyldisilazane（HMDS）进行成膜处理(HMDS:六甲基乙硅烷)2.要求：在晶圆表面建立薄的、均匀的、并且没有缺陷的光刻胶膜3光刻胶的厚度：0.5m-1.5m；均匀性：0.01m,37,2.旋转涂胶（Spin-onPRCoating）,成底膜处理后，硅片要立即涂上液相光刻胶材料。,常用方法：旋转涂胶法静态涂胶工艺首先把光刻胶通过管道堆积在晶园的中心，堆积量由晶园大小和光刻胶的类型决定，堆积量非常关键，量少了会导致涂胶不均匀，量大了会导致晶园边缘光刻胶的堆积甚至流到背面,38,光刻胶覆盖,39,动态喷洒随着晶园直径越来越大，静态涂胶已不能满足要求，动态喷洒是晶园以500rpm的速度低速旋转，其目的是帮助光刻胶最初的扩散，用这种方法可以用较少量的光刻胶而达到更均匀的光刻胶膜。待扩散后旋转器加速完成最终要求薄而均匀的光刻胶膜。,40,自动旋转器生产上的涂胶机是一个完整的系统，标准的系统配置就是一条流水线：包括晶圆清洗、脱水、涂底胶、涂光刻胶、晶圆的装载装置，软烘焙箱。,41,旋转涂胶的四个步骤,1.分滴：当硅片静止或者旋转的非常慢时，光刻胶被分滴在硅片上2.旋转铺开：快速加速硅片使光刻胶伸展到整个硅片表面3.旋转甩掉：甩掉多于的光刻胶，在硅片上得到均匀的光刻胶胶膜覆盖层。4.溶剂挥发：以固定转速继续旋转涂胶的硅片，直到溶剂挥发，光刻胶胶膜几乎干燥,42,3.软烘（softbaking）,因为光刻胶是一种粘稠体，所以涂胶结束后并不能直接进行曝光，必须经过烘焙，使光刻胶中的溶剂蒸发。烘焙后的光刻胶仍然保持“软”状态。但和晶园的粘结更加牢固。目的:去除光刻胶中的溶剂。蒸发溶剂的原因：1）溶剂吸收光，干扰了曝光中聚合物的化学反应。2）蒸发溶剂增强光刻胶和晶圆的粘附力。温度在90100在热板上加热时间30秒然后在冷板上降温,43,时间和温度是软烘焙的参数，不完全的烘焙在曝光过程中造成图像形成不完整和在刻蚀过程中造成多余的光刻胶漂移；过分烘焙会造成光刻胶中的聚合物产生聚合反应，并且不与曝光射线反应，影响曝光。,44,4.对准和曝光（Alignment）（Exposure）,对准是将掩膜版与涂了胶的硅片上的正确位置对准。曝光是对准以后，将掩膜版和硅片曝光，把掩膜版图形转移到涂胶的硅片上。,45,46,47,亮场掩膜版：掩膜板的图形是由不透光区域组成的。暗场掩膜版：掩膜板的图形是由透光区域组成的。,48,对准和曝光包括两个系统：一个是要把图形在晶园表面上准确定位的对准系统（不同的对准机类型的对准系统各不相同）；另一个是曝光系统（包括一个曝光光源和一个将辐射光线导向到晶园表面上的机械装置）。,对准系统：对准机的性能指标分辨率：机器产生特定尺寸的能力，分辨率越高越好，机器的性能越好。套准能力：图形准确定位的能力,49,曝光系统最初曝光设备是接触式光刻机和接近式光刻机，现在基本上不再使用.而今，光刻机已发展成两大类型，即光学光刻机和非光学光刻机，如图所示。光学光刻机采用紫外线作为光源，而非光学光刻机的光源则来自电磁光谱的其他成分。,50,51,一般要求：短波长、高强、高稳定性光源的产生：高压汞灯准分子激光器,曝光光源,52,普通光源光的波长范围大，图形边缘衍射现象严重，满足不了特征尺寸的要求。所以作为晶园生产用的曝光光源必须是某一单一波长的光源最广泛使用的曝光光源是高压汞灯，它所产生的光为紫外光（UV），为获得更高的清晰度，光刻胶被设计成只与汞灯光谱中很窄一段波长的光（称为深紫外区或DUV）反应。除自之外，现今用的光源还有：准分子激光器、X射线和电子束。,53,54,55,下一代光源,超UV(EUV:extremeultraviolet)光刻X-Ray光刻电子束(Ebeam)光刻离子束(Ionbeam),56,影响曝光质量的一些因素1.光刻胶厚度的不均匀,Resistthicknessmayvaryacrossthewafer.Thiscanleadtounderoroverexposureinsomeregionsandhencelinewidthvariations.,57,Reflectivesurfacesbelowtheresistcansetupreflectionsandstandingwavesanddegraderesolution.,入射光和光刻胶下面的表面层引起反射光驻波效应,2.驻波效应(standingwave):当单色光对光致抗蚀剂进行曝光时，入射波和反射波之间干涉，在光刻胶层内产生光强周期性涨落的现象叫驻波效应。,58,驻波的产生,振幅、频率、传播速度都相同的两列相干波，在同一直线上沿相反方向传播时叠加而形成的一种特殊的干涉现象.,59,驻波的形成,60,驻波效应入射光和反射光的干涉周期性的过曝光和曝光足影响光刻胶的分辨,61,62,Insomecasesanantireflectioncoating(ARC)canhelptominimizetheseeffects.Bakingtheresistafterexposure,butbeforedevelopmentcanalsohelp.,抗反射层(AntiReflectionCoating,ARC),曝光后烘烤,减少驻波效应的2个途径,63,64,曝光方法,由于曝光光源的不同,曝光分为光学曝光,X射线曝光,电子束曝光和离子束曝光在光学曝光中,由于掩膜版的位置不同,又分为接触式曝光,接近式曝光和投影式曝光.曝光方式:一类是光源发出的光线通过掩膜版把图案转移到光刻胶膜上,如投影式曝光另一类是把光源聚集成很细的射束,直接在光刻胶上扫描出图案(可以不用掩膜版),如电子束曝光,65,光学曝光方式：,接触式曝光Contactprinting光学接近式曝光Opticalproximityprinting扫描投影曝光Scanningprojectionprinting,66,67,接触式曝光Contactprinting,由于掩膜版与硅片相接触磨损，使得掩膜版的寿命降低。Fresneldiffraction菲涅耳衍射MaskImage:ResistImage=1:1,设备简单，分辨率高，可达到0.5m。主要用于SSI和MSI电路中必须加压力，会使胶膜剥离；易沾污，掩膜版易损坏，成品率下降。目前在生产中很少使用。由于光刻胶顶层平面不平，所以该曝光方式中间隔并不严格为0,68,接近式曝光proximityprinting,69,最小线宽:Wm=(d)1/2d:间隔；：光源波长分辨率取决于间隙的大小，一般分辨率较差，为24m，d=10um,I-line(365nm)W2um,优点：接近式曝光是以牺牲分辨率来延长了掩膜版的寿命，掩膜寿命长（可提高10倍以上），图形缺陷少。缺点：分辨率低，图形模糊，操作比较复杂,70,利用透镜或反射镜将掩膜版上的图形投影到衬底上的曝光方法避免了掩膜版与硅片表面的摩擦，延长了掩膜版的寿命。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。消除了由于掩膜版图形线宽过小而产生的光衍射效应，以及掩膜版与硅片表面接触不平整而产生的光散射现象。为了提高分辨率，减少图形畸变，一次曝光的象场较小，采用扫描式曝光。Fraunhoferdiffraction夫琅禾费衍射：投影式曝光虽有很多优点，但由于光刻设备中许多镜头需要特制，设备复杂,投影式曝光projectionprinting,现在的工艺普遍采用投影式光刻机，投影式光刻具有下列特点,71,扫描投影曝光（ScanningProjectPrinting）分步重复投影曝光（Stepping-repeatingProjectPrinting或Stepper）。步进扫描投影曝光（SteppingScanningProjecPrinting）,投影式曝光分类,72,光学曝光的各种曝光方式及其利弊,接触式,非接触式,优点：设备简单，分辨率较高。,缺点：掩模版与晶片易损伤，成品率低。,接近式,优点：掩模版寿命长，成本低。,缺点：衍射效应严重，影响分辨率。,投影式,全反射,折射,优点：无像差，无驻波效应影响。,缺点：光学系统复杂，对准困难。,优点：对片子平整度要求低，可采用,较大孔径的透镜以提高分辨率，,掩模制造方便。,缺点：设备昂贵，曝光效率低。,73,X射线曝光电子束曝光离子束曝光深紫外线曝光,先进的曝光技术,74,4.电子束曝光,分为投影式和扫描式电子束曝光的特点：电子束曝光的精度较高。电子束的斑点可以聚焦的很小，可用计算机控制，精度远比肉眼观察要高。电子束曝光改变光刻图形十分简便。电子束曝光机是把各次曝光图形用计算机来完成扫描电子束曝光不要掩膜版。电子束曝光设备复杂，成本较高。真空中进行，清洁度高缺点是产量小,75,1）曝光光源：X射线，这是一种用于深亚微米（可达0.1微米）工艺的光刻技术2）掩膜版：黄金或其他能挡住X射线的材料3）优点波长应用范围0.52nm，分辨率高焦深大，工艺宽容度大有机尘粒缺陷不敏感4）一般原理一种1：1的接近式光刻方法机械装置对准，用X射线光源使含有对X线透明和不透明区的掩膜图形成像到涂有对X射线敏感的光刻胶的硅片表面，最终形成器件制作所需的图形。,5.X射线曝光,76,X射线光源有二种1.X射线点光源用电子束轰击靶发射的X光2.同步辐射光源电子在磁场沿曲线轨道运动发出电磁辐射,77,各种光源的比较,78,5.曝光后烘烤（PEB）后烘（PEB，PostExposureBaking）,目的：促进光刻胶的化学反应，提高光刻胶的粘附性并减少驻波。,79,显影液溶解部分光刻胶将掩膜上的图形转移到光刻胶上,6.显影（Development）,三个基本步骤:显影清洗干燥,80,a、显影不完全（IncompleteDevelopment）。表面还残留有光刻胶。显影液不足造成；b、显影不够（UnderDevelopment）。显影的侧壁不垂直，由显影时间不足造成；c、过度显影（OverDevelopment）。靠近表面的光刻胶被显影液过度溶解，形成台阶。显影时间太长,显影的三个主要类型的问题：不完全显影显影不足严重过显影。,81,82,83,负光刻胶（NegativePR）显影1）显影剂（developersolution）：二甲苯2）冲洗化学品（rinse）：n-丁基醋酸盐作用：快速稀释显影液，冲洗光刻胶正光刻胶（PositivePR）显影1）显影剂：碱水溶液，氢氧化钠或氢氧化钾；2）冲洗剂：水正胶的显影工艺更加敏感。,正胶和负胶的显影,84,显影方法显影方式分为：湿法显影干法（等离子）显影,湿法显影,沉浸显影；连续喷雾（continuousspray）显影；旋覆浸没（puddle）显影,85,1.沉浸显影最原始的方法。就是将待显影的晶园放入盛有显影液的容器中，经过一定的时间再放入加有化学冲洗液的池中进行冲洗。比较简单，但存在的问题较多，比如：液体表面张力会阻止显影液进入微小开孔区；溶解的光刻胶粘在晶园表面影响显影质量；随着显影次数增加显影液的稀释和污染；显影温度对显影率的影响等。在大规模生产的今天，此方法不再适用。,86,87,显影系统如图所示。由此可见，显影剂和冲洗液都是在一个系统内完成，每次用的显影液和冲洗液都是新的，所以较沉浸系统清洁。,2.连续喷雾显影（continuousspraydevelopment）自动旋转显影（Auto-rotationDevelopment）,一个或多个喷嘴喷洒显影液在硅片表面，同时硅片低速旋转（100500rpm）。,喷嘴喷雾模式和硅片旋转速度是实现硅片间溶解率和均匀性的可重复性的关键调节参数。,近年来，喷雾显影已大部分被浸没显影代替，因为后者为上面的因素提供了更大的工艺窗口。,88,喷覆足够（不能太多，最小化背面湿度）的显影液到硅片表面，并形成水坑形状硅片固定或慢慢旋转。一般采用多次旋覆显影液：第一次涂覆、保持1030秒、去除；第二次涂覆、保持、去除。（多次旋覆浸没补充了显影液的化学药品，更新显影液和光刻胶之间的化学反应）然后甩掉多余的显影液，用去离子水冲洗（去除硅片两面的所有化学品）并旋转甩干。优点：显影液用量少；硅片显影均匀；最小化了温度梯度。,3.水坑（旋覆浸没）式显影（PuddleDevelopment）,89,90,干法显影,液体工艺的自动化程度不高，并且化学品的采购、存储、控制和处理费用昂贵，取代液体化学显影的途径是使用等离子体刻蚀工艺，该工艺现已非常成熟。在此工艺中，离子从等离子体场得到能量，以化学形式分解暴露的晶园表面层。干法光刻显影要求光刻胶化学物的曝光或未曝光的之一易于被氧等离子体去除。,91,方法：热板，温度在120到140，烘烤12分钟（比软烘温度高，但是也不能太高，否则光刻胶就会流动从而破坏图形）在方法和设备上与前面介绍的软烘焙相似。目的：a、完全蒸发掉光刻胶里面的溶剂，以免污染后续的离子注入环境（例如DNQ酚醛树脂光刻胶中的氮会引起光刻胶局部爆裂）b、坚膜，以提高光刻胶在离子注入或刻蚀中保护下表面的能力；c、进一步增强光刻胶与硅片表面之间的黏附性；d、进一步减少驻波效应（StandingWaveEffect）,坚膜烘焙（后烘，硬烘）后烘Postbaking；硬烘（HardBaking）,92,烘焙工艺时间和温度仍然是主要的工艺参数，一般是制造商推荐，工艺工程师精确调整常见问题：a、烘烤不足（Underbake）。减弱光刻胶的强度（抗刻蚀能力和离子注入中的阻挡能力）；降低针孔填充能力（GapfillCapabilityfortheneedlehole）；降低与基底的黏附能力。b、烘烤过度（Overbake）。引起光刻胶的流动，使图形精度降低，分辨率变差。,光刻胶在高温下的流动,93,显影检验光刻工艺的第一次质检，任何一次工艺过后都要进行检验，经检验合格的晶园流入下一道工艺，对显影检验不合格的晶园可以返工重新曝光、显影。显影检验的内容图形尺寸上的偏差，定位不准的图形，表面问题（光刻胶的污染、空洞或划伤），以及污点和其他的表面不规则等。,8.显影后检查,94,图形检查合格的硅片将被去除光刻胶返工光刻胶的图形是临时性的刻蚀和注入后的图形是永久的.光刻是可以返工的刻蚀和注入后能返工光学显微镜扫描电子显微镜(SEM),95,检验方法人工检验自动检验人工检验下图是一个典型的人工检验次序和内容,96,自动检验随着晶园尺寸增大和元件尺寸的减小，制造工艺变得更加繁多和精细，人工检验的效力也到了极限。可探测表面和图形失真的自动检验系统成了在线和非在线检验的选择。,97,5.4光刻质量分析,光刻是集成电路制造中最重要的一环，光刻的质量直接影响到器件的性能，成品率和可靠性。因此必须认真对待光刻中的质量问题光刻中的主要质量问题有：溶胶，小岛，针孔，毛刺和钻蚀,98,5.4.1.溶胶,在显影或刻蚀时，硅片表面上的胶膜会起皱，呈桔皮状或大面积胶膜脱落。这种现象称溶胶或脱胶。光刻时产生浮胶,将严重影响光刻图形的质量,甚至造成整批硅片的报废.产生这种现象的原因：1.操作环境湿度过大2.硅片面膜上不干净3.前烘不足或过度4.曝光或显影不合适,99,浮胶、钻蚀（光刻胶掀起，旁蚀刻）。,100,5.4.2小岛,小岛是指在应该将氧化层刻蚀干净的光刻窗口内，还留有没有刻蚀干净的氧化局部区域，形成状不规则，习惯上称为小岛。在扩散时，这些小岛阻挡了杂质的扩散，使得PN结不平坦，半导体器件性能受到影响产生原因：掩模版图形上的针孔或损伤，在暴光时形成漏光点，使该处的光刻胶模感光交联，保护了氧化层不被腐蚀，形成小岛。暴光过度或光刻胶变质失效，以及显影不足，局部区域光刻胶在显影时溶解不净。氧化层表面有局部耐腐蚀物质，如硼硅玻璃等。腐蚀液不干净，存在阻碍腐蚀作用的脏物。因此必须定期更换新的腐蚀液,101,小岛,102,5.4.3针孔,在光刻图形外面的氧化层上，经光刻后会出现直径为微米数量级的小孔洞，称为针孔针孔的存在，将使氧化层不能有效地起到杂质扩散的掩蔽作用和绝缘作用。在平面器件生产中，尤其对集成电路和大功率器件，氧化层针孔是影响成品率的主要因素。产生原因：课本p83(15),103,针孔,104,补充：光刻光学(opticsoflithography),基本光学概念衍射数值孔径分辨率焦深,105,1.光的衍射效应,光在空间中以电磁波的形式传播当物体的尺寸远大于波长时，把光作为粒子来处理当物体的尺寸和波长可比拟时，要考虑光的波动性衍射,106,衍射光学,光在传播过程中绕过障碍物边缘而偏离直线传播,并在空间出现光强不均匀分布的现象，称为衍射。(Diffraction)（折射refraction；反射：reflection）如果孔径的尺寸和波长相当，光在穿过小孔后发散。小孔越小，发散得越多。“bendingoflight”,107,108,衍射光学,所有的光刻系统都有光衍射现象。因为光线是从光源经边缘或开孔直接照射出来的。因为衍射的影响，光线扩散到被掩蔽的范围内，屏幕上出现因衍射而产生的图形如果想在像平面(如光刻胶）对小孔进行成像，可以用透镜收集光并聚焦到像平面,109,衍射分类,菲涅耳衍射（近场衍射）：障碍物距离光源和观察点有限远。,夫琅和费衍射（远场衍射）：障碍物距离光源和观察点无限远。,110,Fresneldiffractionornearfielddiffraction:菲涅耳衍射（近场衍射）像平面和孔径很近。光直接穿过孔径到像平面，无中间透镜系统ContactprintandproximityprintFraunhoferdiffractionorfarfielddiffraction夫琅和费衍射（远场衍射）像平面远离孔径，孔径和像平面之间有透镜，来捕捉、聚焦图像Projectionprint,衍射分类,111,112,2.数值孔径(NumericalApertureNA),光学系统的数值孔径描述透镜收集衍射光以及把它投影到硅片上的能力的能力,n是透镜到硅片间的介质折射率空气为1,113,增加数值孔径，可以把更多的衍射光汇聚到一点成像，然而，增加数值孔径，会使得光学系统更加复杂昂贵,114,3.分辨率-Resolution,一般来说，分辨率（最小线宽）R,K1,表示特殊应用的因子，取决光刻系统和光刻胶的性质K10.60.8,115,提高分辨率，减小最小线宽的方法：减小波长需要改进光源UV到DUV,到EUV,到X-Ray采用高数值孔径的光学系统(大透镜）大的透镜,可能太贵实用减少DOF但是增加工艺的难,116,117,4.焦深DOF（Depthoffocus）,焦点周围的一个范围，在这个范围内图像连续的保持清晰，这个范围称做焦深或DOF。投影光学系统可清晰成象的尺度范围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范围，焦深应该穿越光刻胶的上下表面,118,描述焦深的方程是,若采用高数值孔径的光学系统(大透镜），会使焦深变差，但是分辨率会提高，因此分辨率和焦深是一对矛盾，它们是对图像起关键作用的两个因素。,R,NA越小，焦深越大，差的分辨,为提高分辨，减少波长的方法比增加NA好,119,120,IC制造中最关键的步骤ICfab.中最昂贵的设备最有挑战性的技术决定最小特征尺寸,曝光（光刻）机,121,从早期的硅片制造以来光刻设备可以分为5代。接触式光刻机接近式光刻机扫描投影光刻机分步重复光刻机步进扫描光刻机,122,线宽：5微米及以上,123,124,线宽：24微米,125,126,投影式曝光机分类扫描投影光刻机分步重复光刻机步进扫描光刻机90年代末至今，用于0.25m工艺。采用6英寸的掩膜板按照4：1的比例曝光，曝光区域2633mm。优点：增大了每次曝光的视场；通过扫描过程调节聚焦的能力，提供硅片表面不平整的补偿；提高整个硅片的尺寸均匀性。,127,扫描投影曝光,70年代末80年代