第8章 光刻工艺概述4

1、第8章 光刻工艺概述 *18.4 后烘焙和显影8.5 后烘焙第8章 光刻工艺概述 *28.4 后烘焙和显影 完成对准和曝光之后，掩模版的图形已经转移到光刻胶中。接下来要进行两项内容: 后烘焙 显影 早期光刻技术中,光刻胶的显影是一个独立的工艺步骤,有特定的设备. 如今的自动硅片轨道系统已经将显影工艺集成到一个设备里面 第8章 光刻工艺概述 *3 后烘焙（后烘焙（PEBPEB）：曝光后的硅片从曝光系统转移到轨道系统后,需要进行短时间的曝光后烘焙。 化学放大光刻胶：促进光刻胶的化学反应 基于DNQ的普通光刻胶：提高光刻胶的黏附性和减少驻波第8章 光刻工艺概述 对CA DUV光刻胶来说，该种光刻胶中

2、含有一种化学保护成份,使其不在显影溶液中溶解. 其曝光的过程,光酸产生剂在光刻胶的曝光区产生一种酸. 而后烘焙可以促进曝光后产生的酸和保护化学成分（t-BOC）反应，使光刻胶溶于显影液 *4第8章 光刻工艺概述 *5 关键因素温度和时间 光刻胶厂商会提供相应的后烘焙工艺与时间 对CA DUV来说，后烘温度的均匀性和持续时间是影响DUV光刻胶质量的重要因素 一般来讲，温度在90度-130度之间，时间为1-2分钟，比软烘温度高10-15度第8章 光刻工艺概述 *6 后烘延迟 早期CA DUV对时间延迟很敏感，需要在曝光后立即后烘，否则曝光产生的酸（顶层部份）会迅速和空气中的胺产生反应而被中和，产生

3、T型效应。现在一般在30分钟左右第8章 光刻工艺概述 *7PAGPAGPAGPAGPAGPAGPAGPAGH+H+H+H+H+H+H+H+H+H+Region of unexposed photoresistNeutralized photoresistAcid-catalyzed reaction of exposed resist (post PEB)DevelopmentResist T-topping第8章 光刻工艺概述 *8 普通光刻胶的后烘焙 后烘焙的两大作用一是减少了光刻胶中的剩余溶剂，从曝光前的74%减少到52% 第二大作用就是减少驻波第8章 光刻工艺概述 *9 驻波是由于入射

4、光产生干涉造成的。入射光与从衬底反射回来的光在光刻胶中干涉产生不均匀的光强，导致光刻胶的侧面产生驻波。 而后烘焙则增加了感光剂在光刻胶中的扩散，从而减少了驻波造成的影响。第8章 光刻工艺概述驻波效应形成的原因光刻胶在曝光过程中由于其折射率和基底材料折射率不匹配，在基底表面产生的反射光和入射光相互干涉而形成驻波。光强的驻波分布使光刻胶内的光敏化合物(photo active compound，PAC)的浓度也呈驻波分布，从而使抗蚀剂在显影后边缘轮廓有一定的起伏。第8章 光刻工艺概述第8章 光刻工艺概述抗反射膜第8章 光刻工艺概述 曝光后的烘焙在升温的同时，引起了PAC感光剂通过酚醛聚合物在光刻胶

5、中扩散，实质上是穿过驻波的边界产生了一个均匀的效应。 PAC是正胶的主要感光剂，最常见成分是DNQ，它是一种强力的溶解抑制剂。曝光后，会产生羧酸，从而使光刻胶可溶。 *13第8章 光刻工艺概述 *14(d) Result of PEBPACPACPACPACPACPACPACPACPACPACPACPACPACPACPACPACPAC(c) PEB causes PAC diffusion PACPACPACPACPACPACPACPACPACPACPACPACPACPACPACPACPACUnexposed photoresistExposed photoresist(b) Striatio

6、ns in resistPACPACPACPACPACPACPACPACPACPACPACPACPACPACPACPACPACPACPACPACPACPACPACStanding waves(a) Exposure to UV light第8章 光刻工艺概述 *158.4 后烘焙和显影 晶圆经过曝光后,器件或电路的图形被以曝光和未曝光区域的形式记录在光曝光和未曝光区域的形式记录在光刻胶上刻胶上。通过对未聚合光刻胶的化学分解来使图形显影。通过显影完成掩膜版图形到光刻胶上的转移。 如果显影工艺不正确，会出现不良显影。 第8章 光刻工艺概述 *168.4 显影不良显影不良显影：不完全显影 显影不足

7、严重过显影俯视表层光刻胶正确显影显影不足曝光后不完全显影显影后严重过显影晶圆(a)(b)第8章 光刻工艺概述 *17XXX Under developIncomplete developCorrectdevelopSevere overdevelopResistSubstrate第8章 光刻工艺概述 *188.4 显影显影剂正光刻胶 负光刻胶 显影剂 二甲苯 冲洗 水 Stoddard剂溶 n-酸丁酯醋 氢氧化钠 第8章 光刻工艺概述 *19UVCrosslinksUnexposed resistExposed resist第8章 光刻工艺概述 *208.4 显影 负光刻胶显影负光刻胶显影 当

8、负性光刻胶经过曝光后，它会发生聚合，在聚合与未聚合之间有足够高的分辨率，从而在显影过程中聚合的区域只会失去很小部分光刻胶，而未聚合的区域则在显影过程中分解，但由于两个区域之间总是存在过渡区，过渡区是部分聚合的光刻胶，所以，显影结束后必须及时冲洗： 使显影液很快稀释， 保证过渡区不被显影， 使显影后的图形得以完整掩膜版反光刻胶层晶圆聚合的光刻胶部分聚合的光刻胶未聚合的光刻胶第8章 光刻工艺概述 *21 负胶显影的另外一个问题就是交联的光刻胶会吸收显影液而膨胀和变形，使得剩余光刻胶变得膨胀和参差不齐。这也是负性光刻胶不适合于2微米以下的工艺的原因。第8章 光刻工艺概述 *228.4 显影 正光刻胶

9、显影正光刻胶显影 对于正性光刻胶，聚合与未聚合区域的溶解率约为1:4。这意味着在显影中总会从聚合的区域失去一些光刻胶。使用过渡的显影液或显影时间过长都会导致光刻胶太薄而不能使用。 通常要求不高的正光刻胶显影使用碱水溶液和非碱水溶液和非离子溶液离子溶液，但其里面含有可动离子玷污。对制造敏感电路使用叠氮化四甲基铵氢氧化物叠氮化四甲基铵氢氧化物的溶液，该溶液金属离子浓度极低。第8章 光刻工艺概述 *238.4 显影 正性光刻胶的显影工艺比负性光刻胶更为敏感，影响的因素有： 软烘焙时间和温度软烘焙时间和温度 曝光度曝光度 显影液浓度显影液浓度 时间时间 温度以及显影方法温度以及显影方法 显影工艺参数由

10、所有变量的测试来决定。第8章 光刻工艺概述 *248.4 显影特定的工艺参数对线宽的影响20 s 光曝16 s 光曝 12 s 光曝8 s 光曝光刻胶厚度： mm 1持续曝光时间：0 s 5（基于8F8 6?s 曝光） 显影剂浓度：0% 5曝光后烘焙：无线宽变化（mm）显影剂温度（?F+1.50+1.40+1.30+1.10+0.90+0.90+0.70+0.50+0.10+0.1068727680第8章 光刻工艺概述 *258.4 显影 显影方式显影方式 显影方式分为： 湿法显影湿法显影 ，如沉浸，如沉浸 喷射喷射 混凝混凝 干法（等离子）显影干法（等离子）显影第8章 光刻工艺概述 *268

11、.4 显影 湿法显影湿法显影 沉浸显影沉浸显影 最原始的方法，比较简单。就是将待显影的晶圆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。第8章 光刻工艺概述 *278.4 显影 但存在的问题问题较多，比如： 液体表面张力会阻止显影液进入微小开液体表面张力会阻止显影液进入微小开孔区；孔区； 溶解的光刻胶粘在晶圆表面影响显影质溶解的光刻胶粘在晶圆表面影响显影质量；量； 随着显影次数增加显影液的稀释和污染；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显影温度对显影率的影响等第8章 光刻工艺概述 *288.4 显影 喷射显影喷射显影 显影系统如图所示。由此

12、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，由于采用喷射系统也可大大节约化学品的使用。 此工艺成熟应用，特 别是对负性光刻胶工 艺 。 冲洗显影剂真空第8章 光刻工艺概述 *29Vacuum chuckSpindle connected to spin motorTo vacuum pumpSpray Develop-RinseLoad StationTransfer StationVapor PrimeResist CoatEdge-bead RemovalSoft BakeCool PlateCool PlateHard BakeWafer

13、 Transfer System(a) Wafer track system硅片轨道系统(b) Developer spray dispenser第8章 光刻工艺概述 *308.4 显影 对正性光刻胶工艺来说，因为温度的敏感性，当液体在压力下从喷嘴喷出后很快冷却，要保证温度必须加热晶圆吸盘。从而增加了设备的复查性和工艺难度。第8章 光刻工艺概述 *318.4 显影 混凝显影混凝显影 虽然喷射显影有很多优点，但对正性光刻胶显影还存在一些问题，混凝显影就是针对所存在地问题而改进的一种针对正性胶的光刻工艺，差别在于显影化学品的不同。第8章 光刻工艺概述 *328.4 显影 如图所示，首先在静止的晶圆

14、表面上覆盖一层显影液，停留一段时间（吸盘加热过程），在此过程中，大部分显影会发生反应，然后旋转，并有更多的显影液喷到晶圆表面，最后进行冲洗和干燥。第8章 光刻工艺概述 *33(d) Spin dry(c) DI H2O rinse(b) Spin-off excess developer(a) Puddle dispenseDeveloperdispenserPuddle formation第8章 光刻工艺概述光刻胶显影参数 显影温度：15-25度，对正胶来说，显影温度越低，光刻胶溶解度越大。负胶反之 显影时间：显影时间不能过长，显影液会一直和光刻胶反应，避免过腐蚀 显影液总量：根据光刻胶总量

15、确定显影液容量 *34第8章 光刻工艺概述 *358.4 显影 干法显影干法显影 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圆表面层。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。第8章 光刻工艺概述 *368.5 坚膜显影 显影后还需要一次烘焙，称为坚膜烘焙。 烘焙的作用是蒸发湿法显影过程中吸收在光刻胶中溶液，增加光刻胶和晶圆表面的粘结能力，保证下一步的刻蚀工艺得以顺利进行。 方法方法 在方法和设备上

16、与前面介绍的软烘焙相似。第8章 光刻工艺概述 *378.5 坚膜显影 烘焙工艺烘焙工艺 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。 一般使用的对流炉 温度：130200 时间：30分钟 对其他方法温度和时间各不相同。热烘焙增加粘度的机理是光刻胶的脱水和聚合，从而增加光刻胶的耐蚀性。 第8章 光刻工艺概述 *388.5 坚膜显影 烘焙温度太低，脱水和聚合不彻底，温度太高光刻胶容易变软甚至流动（如图所示），所以温度的控制极为严格。 第8章 光刻工艺概述 *39Photoresist第8章 光刻工艺概述 *408.5 坚膜显影 坚膜烘焙是在显影后立即进行，或者在刻蚀前进行

17、，工艺流程如图所示。所示。通常来说，坚膜的温度对于正胶是130度。对负胶是150度硬烘焙工艺流程显影检验硬烘焙刻蚀刻蚀刻蚀显影烘焙/显影烘焙/检验检验重新烘焙第8章 光刻工艺概述 *418.6 显影检验 显影检验显影检验 任何一次工艺过后都要进行检验，经检验合格的晶圆流入下一道工艺，对显影检验不合格的晶圆可以返工重新曝光、显影。工艺流程如图所示。去水合物点胶烘焙定位和曝光显影检验合格晶圆光刻胶去除拒收的晶圆显影和烘焙第8章 光刻工艺概述 *421. Vapor primeHMDS2. Spin coatResist3. Soft bake4. Align and exposeUV lightMask5. Post-exposure bake6. Develop7. Hard bake8. Develop inspectO2PlasmaStrip and cleanRejected wafersPassed wafersIon implantEtchRework第8章 光刻工艺概述 *438.6 显影检验 显影检验的内容显影检验的内容 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。 第8章 光刻工艺概述 *448.6 显影检验 检验方法检验方法 人工检验 自动检验第8章 光刻