生物医学工程先进制造：光刻与软刻蚀原理和技术

1、光刻与软刻蚀原理和技术,掌握,光刻胶的组成 +PR 和 PR的区别 描述光刻工艺的步骤 理解分辨率、数值孔径的含义,光刻概述 Photolithography,临时性地涂覆光刻胶到硅片上 把设计图形最终转移到硅片上 IC制造中最重要的工艺 占用40 to 50% 芯片制造时间 决定着芯片的最小特征尺寸,光刻需要,高分辨率 High Resolution 光刻胶高光敏性 High PR Sensitivity 精确对准 Precision Alignment,Photoresist(PR)光刻胶,光敏性材料 临时性地涂覆在硅片表面 通过曝光转移设计图形到光刻胶上 类似于照相机胶片上涂覆的光敏材料

2、,对光刻胶的要求,高分辨率 Thinner PR film has higher the resolution Thinner PR film, the lower the etching and ion implantation resistance 高抗蚀性 好黏附性,Photoresist,正胶 Positive Photoresist,曝光部分可以溶解在显影液中 正影（光刻胶图形与掩膜图形相同） 更高分辨率（无膨胀现象） 在IC制造应用更为普遍,负胶 Negative Photoresist,聚合物吸收显影液中的溶剂 由于光刻胶膨胀而使分辨率降低 其主溶剂，如二甲苯等会引起环境和安全问

3、题,光刻工艺 Photolithography Process,光刻基本步骤,涂胶 Photoresist coating 对准和曝光 Alignment and exposure 显影 Development,光刻工序(以厚负胶为例,1、清洗硅片 Wafer Clean,2、预烘和底膜涂覆 Pre-bake and Primer Vapor,3、光刻胶涂覆 Photoresist Coating,4、前烘 Soft Bake,5、对准 Alignment,6、曝光Exposure,7、后烘 Post Exposure Bake,8、显影 Development,9、坚膜 Hard Bake,

4、10、图形检测 Pattern Inspection,光刻1硅片清洗,目的 -去除污染物、颗粒 -减少针孔和其它缺陷 -提高光刻胶黏附性 基本步骤 化学清洗 漂洗 烘干,光刻2预烘,脱水烘焙-去除圆片表面的潮气 增强光刻胶与表面的黏附性 通常大约100 C 与底胶涂覆合并进行 底胶广泛使用: Hexamethyldisilazane (HMDS，六甲基乙硅氮烷) HMDS的作用：去除SiO2表面的-OH基,光刻3涂胶 Spin Coating,硅圆片放置在真空卡盘上 高速旋转 液态光刻胶滴在圆片中心 光刻胶以离心力向外扩展 均匀涂覆在圆片表面 设备-光刻胶旋涂机,光刻胶厚度与旋转速率和粘性的关

5、系,滴胶,光刻胶吸回,Photoresist Spin Coating,Photoresist Spin Coating,光刻4前烘,作用：促进胶膜内溶剂充分挥发，使胶膜干燥； 增加胶膜与SiO2 （Al膜等）的粘附性及耐磨性。 影响因素：温度，时间。 烘焙不足（温度太低或时间太短）显影时易浮胶， 图形易变形。 烘焙时间过长增感剂挥发，导致曝光时间增长， 甚至显不出图形。 烘焙温度过高感光剂反应（胶膜硬化）， 不易溶于显影液，导致显影不干净,光刻5&6、对准和曝光,IC制造中最关键的步骤 最昂贵的步骤 技术性要求最高的步骤 决定最小特征尺寸,对准和曝光设备,接触式曝光机 接近式曝光机 投影式曝

6、光机 步进式曝光机（Stepper,接触式曝光机,设备简单 分辨率：可达亚微米 掩膜与圆片直接接触，掩膜寿命有限 微粒污染,接触式曝光机,接触式曝光,接近式曝光机,掩膜与圆片表面有550m间距 优点：较长的掩膜寿命 缺点：分辨率低（线宽 3 um,接近式曝光机,接近式曝光,投影式曝光机,类似于投影仪 掩膜与晶圆图形 1:1 分辨率：1 um,投影系统,步进式曝光机,现代IC制造中最常用的曝光工具 通过曝光缩小掩膜图形以提高分辨率 分辨率：0.25 m 或更小 设备很昂贵,步进-&-重复 对准/曝光,曝光光源,短波长 高亮度（高光强） 稳定 高压汞灯 受激准分子激光器,驻波效应,入射光与反射光干

7、涉 周期性过曝光和欠曝光 影响光刻分辨率,光刻胶中的驻波效应,光刻7曝光后烘焙（后烘，PEB,机理：光刻胶分子发生热运动，过曝光和欠曝光的光刻胶分子发生重分布； 作用：平衡驻波效应，提高分辨率,PEB减小驻波效应,光刻8显影(Development,显影液溶剂溶解掉光刻胶中软化部分 从掩膜版转移图形到光刻胶上 三个基本步骤: 显影 漂洗 干燥,显影,显影后剖面,正常显影,过显影,不完全显影,欠显影,光刻9坚膜（Hard Bake,蒸发PR中所有有机溶剂 提高刻蚀和注入的抵抗力 提高光刻胶和表面的黏附性 聚合和使得PR更加稳定 PR流动填充针孔,光刻胶热流动填充针孔,坚膜（Hard Bake,热

8、板最为常用 检测后可在烘箱中坚膜 坚膜温度: 100 到130 C 坚膜时间：1 到2 分钟 坚膜温度通常高于前烘温度,坚膜的控制,坚膜不足 光刻胶不能充分聚合 造成较高的光刻胶刻蚀速率 黏附性变差 过坚膜 光刻胶流动造成分辨率变差,光刻胶流动,过坚膜会引起太多的光刻胶流动，影响光刻的分辨率,正常坚膜,过坚膜,光刻10图形检测（Pattern Inspection,检查发现问题，剥去光刻胶，重新开始 光刻胶图形是暂时的 刻蚀和离子注入图形是永久的 光刻工艺是可以返工的， 刻蚀和注入以后就不能再返工 检测手段：SEM（扫描电子显微镜）、光学显微镜,图形检测,未对准问题：重叠和错位 - Run-o

9、ut, Run-in, 掩膜旋转，晶圆旋转，X方向错位，Y方向错位 临界尺寸Critical dimension (CD)（条宽） 表面不规则：划痕、针孔、瑕疵和污染物,未对准问题,图形检测,通过图形检测，即可进入下一步工艺 刻蚀或离子注入,光刻间全部流程,未来趋势 Future Trends,更小特征尺寸 Smaller feature size 更高分辨率 Higher resolution 减小波长 Reducing wavelength 采用相移掩膜 Phase-shift mask,光衍射,光衍射影响分辨率,衍射光,投射光强度,衍射光的减小,波长越短，衍射越弱 光学凸镜能够收集衍射光

10、并增强图像,偏离的折射光,被凸镜收集的衍射光,数值孔径（Numerical Aperture：NA,NA：表示凸镜收集衍射光的能力 NA = nsina NA越大，凸镜收集更多的衍射光，产生更尖锐的图形,分辨率 Resolution,表征光刻精度； 定义光刻时所能得到的光刻图形的最小尺寸。 R由曝光系统的光波长和数值孔径NA决定， R=K1/NA K1 为系统常数, 光波长, NA ； NA: 凸镜收集衍射光的能力,提高分辨率,提高NA 更大的凸镜, 可能很昂贵而不实际 减小DOF（焦深），会引起制造困难 减小光波长 开发新光源, PR和设备 波长减小的极限：UV到DUV, 到EUV, 到X-

11、Ray 减小K1 相移掩膜（Phase shift mask,下一代光刻Next Generation Lithography (NGL,超紫外Extreme UV (EUV) lithography X射线X-Ray lithography 电子束Electron beam (E-beam) lithography,EUV 超紫外,l = 10 到14 nm 更高分辨率 预期应用 2010年 0.1 mm 和以下,X射线光刻（X-ray lithography,2-40 ，软X射线； 类似于接近式曝光机 很难找到纯的 X-ray源 掩膜制造存在挑战 不大可能在生产中使用,电子束曝光E-Bea

12、m,几十100；可获得最小尺寸: 14 nm 用于制造掩膜和刻线 可以直写, 不需要掩膜 效率很低,电子束曝光E-Beam,电子束曝光E-Beam,光刻总结,光刻：临时的图形转移过程 IC生长中最关键的工艺 需要：高分辨率、低缺陷密度 光刻胶：正和负 工艺过程：预烘、底胶旋涂、PR旋涂、前烘、对准、曝光、后烘PEB、显影、坚膜、检测 分辨率R与、NA的关系 下一代光刻技术：EUV和电子束光刻,刻蚀定义,从晶圆表面去除一定材料 化学、物理过程或两者结合 选择性或覆盖刻蚀 选择性刻蚀转移光刻胶上的IC设计图形到晶圆表面 其它应用: 制造掩膜, 印制电路板, 艺术品, 等等,栅掩膜对准 Gate M

13、ask Alignment,栅掩膜曝光 Gate Mask Exposure,Development/Hard Bake/Inspection,Etch Polysilicon刻蚀多晶硅,Etch Polysilicon 继续,Strip Photoresist 光刻胶剥离,离子注入Ion Implantation,快速热退火Rapid Thermal Annealing,刻蚀术语,刻蚀速率 选择比 刻蚀均匀性 刻蚀剖面 湿法刻蚀 干法刻蚀 RIE：反应离子刻蚀,刻蚀速率,d = d0 - d1 () 厚度变化量；t 刻蚀时间 (min) PE-TEOS PSG薄膜, 1min 在6:1 BO

14、E at 22 C, 刻蚀前, t = 1.7 mm, 湿法刻蚀后, t = 1.1 mm,刻蚀选择比,选择性是指不同材料刻蚀速率之比 对底层的选择性，对光刻胶的选择性,刻蚀剖面,各向异性,各向同性,各向异性，锥形,各向异性，内切,刻蚀剖面,各向异性，脚印,各向异性，反脚印,各向异性，反锥形,各向异性，内切,湿法刻蚀,利用化学溶液溶解硅表面的材料 副产物是气体、液体或可溶于刻蚀溶液的固体 三个基本过程：刻蚀、漂洗、干燥,湿法刻蚀,纯化学腐蚀过程 特点：各向同性剖面 优点：工艺简单，腐蚀选择性好； 缺点：钻蚀严重（各向异性差）， 难于获得精细图形 在尺寸大于3um的IC制造中广泛使用 在现代 I

15、C制造仍然使用 硅片清洗 薄膜覆盖剥离 测试晶圆薄膜剥离和清洗,湿法刻蚀剖面 Wet Etch Profiles,不能用于特征尺寸小于 3 mm，由 等离子体刻蚀替代,湿法刻蚀 SiO2,氢氟酸溶液 （HF Solution） 常用配方(KPR胶）：HF: NH4F: H2O=3ml:6g:10ml (HF溶液浓度为48) HF ：腐蚀剂， SiO2+HFH2SiF6+H2O NH4F ：缓冲剂， NH4FNH3+HF SiO2 + 6HF H2SiF6 + 2H2O 广泛用于 CVD薄膜质量控制,湿法刻蚀 Si、Poly-Si,HNO3-HF-H2O(HAC)混合液： HNO3：强氧化剂；H

16、F：腐蚀SiO2； HAC：抑制HNO3的分解； 水或乙酸可以用于稀释蚀刻剂，降低刻蚀速率,湿法刻蚀 Silicon Nitride,热(150 to 200 C) 磷酸 H3PO4 溶液 对silicon oxide有高选择性 用于 LOCOS and STI 氮化硅剥离,湿法刻蚀 Aluminum,溶液成分（示例）: 80% 磷酸, 5% 乙酸, 5% 硝酸, 和10 % 水；加热42 to 450C 硝酸氧化Al， 同时磷酸去除氧化铝 。 乙酸降低刻蚀速率和硝酸的氧化速率,湿法刻蚀 Titanium,H2O2) ： (H2SO4) =1:1 H2O2 氧化Ti 形成 TiO2 H2SO4

17、 与 TiO2 反应，同时去除 H2O2氧化Si和硅化物 形成SiO2 H2SO4 不与 SiO2反应,影响刻蚀速率的因素,温度Temperature 化学溶液浓度Chemical concentration 刻蚀薄膜的组成Composition of film to be etched,湿法刻蚀的危险性,HF H3PO3 HNO3 腐蚀性Corrosive 氧化剂Oxidizer 特殊危险Special hazard,湿法刻蚀的优点,高选择性 设备成本较低 批处理, 高产量,湿法刻蚀的缺点,各向同性 不能刻蚀3mm以下图形 化学品使用量高 化学品危险 液体腐蚀 烟熏 爆炸危险,干法刻蚀,优点

18、： 各向异性腐蚀强； 分辨率高； 刻蚀3m以下线条。 类型： 等离子体刻蚀：化学性刻蚀； 溅射刻蚀：纯物理刻蚀； 反应离子刻蚀（RIE）：结合 、； Plasma Etch 等离子体刻蚀,干法刻蚀和湿法刻蚀的比较,等离子体（ Plasma）刻蚀,a.产生等离子体:刻蚀气体经辉光放电后，成为具有很强化学活性的离子及游离基-等离子体。 CF4 RF CF3*、CF2* 、CF* 、F* BCl3 RF BCl3* 、BCl2* 、Cl* b.等离子体活性基团与被刻蚀材料发生化学反应。 特点：选择性好；各向异性差。 刻蚀气体： CF4 、BCl3、CCl4、CHCl3、SF6等,溅射刻蚀,a.形成能量很高的等离子体； b.等离子体轰击被刻蚀的材料，使其被撞原子飞溅出 来，形成刻蚀。 特点：各向异性好；选择性差。 刻蚀气体：惰性气体,反应离子刻蚀 Reactive Ion Etch (RIE,同时利用了等离子刻蚀和溅射刻蚀机制(化学刻蚀和物理刻蚀的结合) 活性离子反应离子轰击 刻蚀气体：与等离子体刻蚀相同 特点：刻蚀速率高且可控；刻蚀剖面各向异性且可控； 选择性好且可控 目前8英寸制造中所有图形都是由RIE刻蚀的,Single Crystal Silicon Etch,S