第5章：光刻ppt课件

1、第五章 光 刻,5.1 引 言,光刻的概念 光刻是把掩膜版上的电路图形精确地转移到硅片表面光刻胶膜上的过程。 光刻是集成电路制造的关键工艺,光刻胶,掩膜版,不透光图形（铬膜,光刻示意图,光刻是产生特征尺寸的工序 微芯片上的特征尺寸，是指MOS器件的沟道长度即多晶硅栅条的宽度；或指双极器件引线孔的大小。 现代集成电路技术都以特征尺寸命名如 0.18m技术、90nm技术等。 目前光刻的成本很高，已占整个芯片制造总成本的1/3,现代IC对光刻的要求越来越高 IC的性能 IC特征尺寸 （即光刻线宽） 对光刻的要求 现代光刻技术已发展到纳米时代（如22nm技术,IC集成度 器件尺寸,掩膜版（Reticl

2、e或Mask） 掩膜版的材质有玻璃和石英之分，亚微米及以下技术都用石英版，石英版的透光性好、热膨胀系数低。版上不透光的图形是金属铬膜,掩膜版的制造 用设计软件例如Cadence生成版图文件（ .gds）。 制版机根据版图文件用激光或者电子束将图形写到掩膜版上，小尺寸图形需要用电子束，花费也相对更高。 制版时需说明为亮版还是暗版,版图文件,亮版,暗版,5.2 光刻工艺原理,光刻工艺的8个基本步骤 1. 气相成底膜 2. 旋转涂胶 3. 软烘 4. 对准和曝光 5. 曝光后烘培（PEB） 6. 显影 7. 坚膜烘培 8. 显影检查,光刻工艺的8个基本步骤,1. 气相成底膜（HMDS priming

3、) 工艺目的： 增加光刻胶（共价键）与硅片表面层的粘附性，在表面为二氧化硅等（离子键、亲水）时尤其重要。 工艺步骤： 1、硅片清洗：污染物会导致光刻胶起层和针孔 2、脱水烘焙：光刻胶与水分子的粘附性差 3、HMDS成底膜：防止硅片吸潮、增强光刻胶粘附,气相HMDS成底模技术 最常用的HMDS成底模技术 原理：HMDS是液态具有很高的蒸汽压，使HMDS 气流通过加热的硅片表面即可形成底膜。 优点：HMDS消耗量小 工艺时间短 沾污风险小,气相成底模工艺方法： 硅片放在成底膜真空腔中的热板上，热板温度控制在200 250，用N2携带六甲基二硅胺烷（HMDS）进入真空腔，处理时间60秒。这样在硅片上

4、形成了底膜,自动涂胶/显影系统气相成底膜模块,2. 旋转涂胶（Spin Coating） 光刻胶是一种有机化合物，它受紫外线曝光后在显影液中的溶解度发生显著变化。 光刻胶的目的 1. 做硅片上的图形模版（从掩膜版转移到硅片上的图 形） 2. 在后续工艺中，保护下面的材料（例如刻蚀或离子 注入,光刻对光刻胶的要求： 1. 分辨率高（区分硅片上两个相邻特征尺寸图形的能力强） 2. 对比度好（指曝光区和非曝光区过渡的陡度,a）对比度差 （b）对比度好,3. 敏感度好（是指硅片表面光刻胶中产生良好图形所需要的一定波长光的最小能量值，以mJ/cm2为单位） 4. 粘滞性好（表征液体光刻胶流动性的一个指标

5、，即粘度，单位用cps表示） 5. 粘附性好（指光刻胶与衬底表面的粘附性好） 6. 抗蚀性好（在后续刻蚀工艺中，光刻胶很好地保护衬底表面，胶的这种性质称为抗蚀性） 7. 颗粒少,光刻胶的成分： 1. 树脂（是一种有机聚合物材料，提供光刻胶的机械和化学特性） 2. 感光剂（光刻胶材料的光敏成分） 3. 溶剂（使光刻胶具有流动性） 4. 添加剂（控制光刻胶特殊方面的化学物质，备选,正胶和负胶 正胶：曝光的部分易溶解，占主导地位 负胶：曝光的部分不易溶解 负胶的粘附性和抗刻蚀性能好，但分辨率低,光刻胶,正胶,负胶,光刻胶的种类： 根据光刻的要求，光刻胶制成与特定波长的紫外线有显著的光化学响应，一般按

6、照紫外线把胶分类：i线光刻胶、g线光刻胶、DUV线光刻胶等,传统的正性I线光刻胶溶解于显影液的机理 1. 树脂是悬浮于溶剂中的酚醛甲醛聚合物（ 线性酚醛树脂） 2. 感光剂化合物作为强的溶解抑制剂（不溶解于显影液）被加到线性酚醛树脂中 3. 在曝光过程中，感光剂（通常为DNQ）发生光化学分解产生羧酸 4. 羧酸提高光刻胶曝光区域的线性酚醛树脂的溶解度,化学放大（CA）深紫外光刻胶 常规的I线光刻胶体系的光吸收敏感性对于更短的DUV波长较差。 化学放大（CA）的原理是采用光吸收敏感性更高的感光剂和专门的溶解抑制剂,化学放大DUV光刻胶溶解于显影液的机理 1. 具有保护团的酚醛树脂使之不溶于显影液

7、 2. 光酸产生剂在曝光时产生酸 3. 曝光区域产生的酸作为催化剂，在曝光后热烘过程中移除树脂保护团 4. 不含保护团的光刻胶曝光区域溶解于以水为主要成分的显影液,涂胶工艺 工艺目的：在硅片上沉积一层均匀的光刻胶薄膜。 工艺方法： 1. 滴胶 2. 匀胶 ：转速500rpm700rpm 3. 旋转：转速 3000rpm-5000rpm 工艺要求： 厚度：1.0m左右 均匀性：3以内,自动涂胶/显影系统涂胶模块,涂胶模块剖面图,涂胶模块 示意图,光刻胶厚度 k约等于100 p是光刻胶中固体含量百分比（p越大粘度越大） 是涂胶的旋转转速 光刻胶越厚，台阶覆盖和抗刻蚀性能越好，但分辨率越差，一般厚度

8、1微米左右,光刻胶旋转速度曲线,3. 软烘（Soft Bake） 工艺目的：去除光刻胶中的溶剂 改善胶的粘附性 优化胶的光吸收特性和显影能力 缓解涂胶时产生的应力 防止曝光时挥发污染设备。 溶剂含量 65%85% 10%20% 4%7% 涂胶前 涂胶后 软烘后,工艺方法：热板烘烤 温度：85oC到120oC 时间：30秒到60秒 特点：光刻胶底部溶剂先挥发，避免气泡 每次一片，适合自动轨道流水作业,自动涂胶/显影系统设备热板,软烘不当的后果 温度过高或时间过长： 光刻胶光敏感度降低 温度过低或时间不够： 光刻胶显影选择比下降,4. 对准和曝光（Align and Exposure） 对准曝光系

9、统分为两大类：接触式对准曝光系统和投影式对准曝光系统。 接触式对准曝光系统简单、相对便宜，硅片上图形与掩膜版完全相同,接触式曝光 易损坏掩膜版,接近式曝光 掩膜版寿命长、分辨率差,投影式曝光是集成电路主流工艺 可实现4倍到10倍的图形缩小，分辨率高,投影式对准曝光系统组成 1. 紫外光源 2. 光学系统 3. 投影掩膜版 4. 对准系统 5. 载片台,投影式对准曝 光系统示意图,对准和曝光 工艺目的： 对准和曝光是将掩膜板上的图形通过镜头由紫外线传递到硅片表面光刻胶膜上, 形成光敏感物质在空间的精确分布，最终达到图形精确转移的目的,工艺方法： 1.上掩膜版、硅片传送 2. 掩膜版对准（ RA

10、）：掩膜版标记与光刻机基准进行激光自动对准 3. 硅片粗对准（ GA ）：掩膜版与硅片两边的标记进行激光自动对准 4. 硅片精对准（ FA ）：掩膜版与硅片图形区域的标记进行激光自动对准,对准标记 1. 投影掩膜版的对位标记(RA) ：在版的左右两侧， RA与步进光刻机上的基准标记对准 2. 整场对准标记(GA):第一次曝光时被光刻在硅片左右两边，用于每个硅片的粗对准 3. 精对准标记(FA)：每个场曝光时被光刻的，用于每个硅片曝光场和投影掩膜版的对准,对准标记,8张掩膜版及经过8次对准和曝光形成的CMOS器件结构,分步重复式光刻机,NSR2005 i9c 型 NIKON光刻机,5. 曝光后烘

11、培（PEB） 工艺目的：促进关键化学反应（DUV光刻胶） 去除溶剂增强粘附性（I线光刻胶） 防止产生驻波效应（I线光刻胶） 工艺方法：热板，温度高于软烘,6. 显影 （Develop） 工艺目的： 溶解硅片上 曝光区域 的胶膜，形 成精密的光 刻胶图形,工艺方法： 正胶显影液： 2.38% 的四甲基氢氧化铵（TMAH） 特点：碱性、水性显影液、轻度腐蚀硅 1. TMAH 喷淋显影，转速1000rpm1500rpm 2. 去离子水喷淋定影，转速 1000rpm1500rpm 3. 原位旋转甩干 工艺要求： 均匀性：3以内,显影及显影后的硅片图形,7. 坚膜烘培（Hard Bake） 工艺目的：

12、使存留在光刻胶中的溶剂彻底挥发，提高光刻胶的粘附性和抗蚀性。 这一步是稳固光刻胶，对下一步的刻蚀或离子注入过程非常重要。 工艺方法：热板，温度高于前两次烘焙,8. 显影检查,8. 显影检查,由于光刻胶和衬底折射率不匹配，抗反射膜（ARC）类型不匹配,由于光刻胶和衬底酸碱不平衡,由于光刻胶顶部受到过多的显影,8. 显影检查,由于光刻胶受到空气中氨分子（碱性）对其光酸分子在表面的中和,由于光刻胶对光的吸收，使得光刻胶底部接收到的光比顶部少,由于光刻胶同衬底的粘附性不好，或者HMDS表面处理不良，或底部切入,5.3 光学光刻,光谱 光的能量能满足激活光刻胶，成功实现图形转移的要求。光刻典型的曝光光源

13、是紫外（UV ultraviolet）光源以及深紫外（DUV）光源、极紫外（EUV）光源,光谱,曝光光源 1. 高压汞灯：365nm（I线）、436nm（G线） 2. 准分子激光：248nm（KrF）、193nm（ArF） 3. 等离子体：13.5nm（EUV），开发中,高强度汞灯的发射光谱,曝光光源的光谱,光学 光的反射,入射光线,反射光线,i,r,i = r,光学 光的折射,入射光线,折射光线,1,2,Snell定律：n1 sin1 = n2 sin2,折射率n1,折射率n2,光的衍射 当光穿过一个小孔或经过一个轮廓分明的边缘时，沿小孔边缘产生了干涉图形，结果得到了一个模糊的图像，这种现象

14、称为衍射,波长越大 小孔尺寸越小 衍射越明显,光的衍射 衍射光强度随衍射角的变化由小孔图形的傅里叶变化决定（平行光假设，远场条件,光的衍射 方形小孔的衍射图像（接触孔,透镜 透镜是一种光学元件，来自物体的光并通过它折射形成物体的像。 光通过透镜聚焦相当于做一次傅里叶变换。例如平行光聚焦成一个点,光通过掩膜版小孔图形衍射进行第一次傅里叶变换，再通过透镜聚焦进行第二次傅里叶变换，掩膜版图形在硅片上成像,曝 光 机 光 学 系 统,数值孔径（NA） 透镜能够把一些衍射光会聚到一点成像，透镜收集衍射光的能力称为透镜的数值孔径。傅里叶高阶分量衍射光的损失会影响成像对比度,n为图像介质的折射率（空气为1）

15、 m为主光轴与透镜边缘光线的最大夹角。 透镜半径越大数值孔径越大成像效果越好，但受到镜头成本的限制。 分步重复光刻机和步进扫描光刻机的NA都能做到0.600.68的水平,数值孔径（NA,数值孔径,分辨率（R） 分辨率是将硅片上两个相邻的关键尺寸图形区分开的能力。分辨率是光刻中一个重要的性能指标。 k为工艺因子，范围是0.60.8 为光源的波长 NA为曝光系统的数值孔径,提高分辨率的方法 减小工艺因子k：先进曝光技术 减小光源的波长：汞灯准分子激光（等离子体） 增大介质折射率：浸入式曝光 增大m：增大透镜半径、减小焦距,图中分辨率为0.25m,焦深（DOF） 焦深是焦点上下的一个范围，在这个范围

16、内图像连续保持清晰。焦深类似照相的景深，集成电路光刻中的景深很小，一般在1.0m左右。 焦深限制光刻胶厚度，并要求表面平坦化,焦深,从焦深公式中看出提高分辨率降低了焦深，两个参数互相制约。 分辨率和焦深是现代分步重复光刻机或步进扫描光刻机非常重要的参数,套准精度 套准精度是掩膜版上的图形与硅片上的图形的对准程度。 根据光刻的要求，版上的图形与片上图形要精确对准。套准精度也是光刻中一个重要的性能指标。套准精度一般是特征尺寸的1/5 1/4,套准精度 套准精度与曝光前的对准步骤相关 好的套准精度可以有更宽松的版图设计规则，从而减小器件尺寸,光刻质量监控图形,光刻质量监控图形,光刻质量监控图形,光刻

17、质量监控图形,光刻质量监控图形,最大曝光场（步进光刻机） 一般来说，曝光视场决定了最大芯片面积。 投影缩小越大，制版要求越低，曝光视场越小,光刻中的非理想效应 1. 光刻胶对比度差引起的梯形剖面（非常普遍,正胶,负胶,2. 表面不平坦：不能同时聚焦引起的线宽变化,2. 表面不平坦：台阶处不完全曝光 可通过增加曝光时间过曝光解决，影响分辨率,台阶处光刻胶胶厚,3. 表面反射：驻波效应 入射光和反射光发生干涉并引起光刻胶在厚度方向上的不均匀曝光，这种现象称为驻波效应。深紫外光刻胶由于反射严重驻波效应严重,光刻胶中的驻波效应,驻波效应降低了光刻胶成像的分辨率，影响线宽的控制,3. 表面反射：底部切入

18、（较少见,4. 表面不平坦 + 表面反射：台阶处光刻胶线宽减小,抗反射涂层 当光刻胶下面的底层是反光的衬底（如金属和多晶），光线将从衬底反射并造成系列问题。在反光衬底上增加一层抗反射涂层（如TiN）可消除光反射带来的问题。 原理：吸收光或者使两次反射光干涉相消,涂胶/显影系统设备,涂胶/显影系统,5.4 光刻设备,涂胶/显影系统设备（AIO-700型,涂胶/显影系统设备（AIO-700型,光刻机分类 光刻机类型按照曝光进行方式分为： 接触式(Contact)，接近式(Proximity)，扫描式(Scan)，步进式(Stepping)，步进-扫描式(Step and Scan) 按照工作波长分

19、为： g-line(435 nm), i-line(365 nm), KrF(248nm), ArF(193nm), 和将来的EUV(13.5nm,按照工作平台的个数分为： 单平台，双平台(ASML Twinscan)，串列平台(Nikon NSR-S610C) 按照一次曝光的区域(Exposure Field)大小分为：迷你(Mini)，全尺寸(Full Field, 26mm x 33mm) 按照缩小比例(Reduction Ratio)分为：10倍、5倍、4倍和1倍,不同时代的五种光刻机 1. 接触式光刻机20世纪70年代，特征尺寸2m 2. 接近式光刻机20世纪70年代，特征尺寸2m

20、3. 扫描投影式光刻机20世纪80年代初，特征尺寸1m 4. 分步重复式光刻机20世纪80年代后，亚/深亚微米 5. 步进扫描式光刻机近年来发展的，亚/深亚微米,接触式光刻机和接近式光刻机,接触式光刻机和接近式光刻机的特点 1. 版上图形与片上图形1：1 2. 人工对准 3. 版接触光刻胶损伤大光刻图形缺陷多，接近式好些 4. 特征尺寸2m 5. 目前大尺寸功率器件的光刻还使用它,扫描投影式光刻机,扫描投影式光刻机的特点 1. 版上图形与片上图形1：1 2. 人工对准 3. 版与光刻胶不接触节省版光刻图形缺陷少 4. 特征尺寸1m,分步重复式光刻机,NSR2005 i9c 型 NIKON光刻机

21、,分步重复式光刻系统,分步重复式光刻机的特点 1. 版上图形与片上图形5：1（即缩小倍率5：1） 掩膜版制造更容易更精确 2. 机器自动对准 3. 光刻精度高，特征尺寸：亚/深亚微米 4. 对硅片的平整度和几何形状变化的补偿较容易,5. 为提高硅片处理速度，镜头尺寸大、曝光 区域大，造成像差大，图像畸变 6. 如今国内外工艺线均使用分步重复式光刻机（日本NIKON公司、佳 能公司生产） 7. 造价高，一台0.25m新的步进式光刻机 1000多万人民币,NSR2005 i9c 型NIKON光刻机主要性能指标,NSR2005 i9c 型NIKON光刻机光刻特征尺寸SEM照片1,NSR2005 i9

22、c 型NIKON光刻机光刻特征尺寸SEM照片2,步进扫描式光刻机,步进扫描式光刻机工作原理,步进扫描式光刻机的特点 1. 版上图形与片上图形4：1（即缩小倍率4：1） 掩膜版制造更容易和精确 2. 机器自动对准 3. 光刻精度高，特征尺寸：亚微米/深亚微米 4. 用较小的透镜尺寸获得较大的曝光场从而获得较大的芯片尺寸,5. 扫描过程调节聚焦，透镜缺陷、硅片平整度变化自动补偿 6. 原来由镜头成像质量保证的Y方向的线宽和套刻精度现在由机械扫描精度来实现 7. 造成像差小，图像畸变小 8. 制造成本低,步进扫描式光刻机的特点,环境条件对光刻的影响 1. 温度：掩膜版架、光学系统、承片台等 2. 湿度：胶粘附性、数值孔径、聚焦等 3. 振动：定位、对准、聚焦、曝光等 4