光刻工艺概述1课件

*1第8章光刻工艺概述8.3光刻技术

*28.3光刻技术基本光刻工艺

*38.3光刻技术8.3.6光刻胶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。

*48.3光刻技术1.光刻胶的分类对光有负效应的光刻胶，称为负性光刻胶。负胶在曝光之后，浸入显影溶液，在显影过程中，曝光部分性能稳定，未曝光部分将更容易溶解。对光有正效应的光刻胶，称为正性光刻胶。其性能和负胶正好相反。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

*58.3光刻技术

如果掩膜版的图形是由不透光的区域决定的，称其为亮场掩膜版；反之，称之为暗场掩膜版。

*6UltravioletlightIslandAreasexposedtolightbecomecrosslinkedandresistthedeveloperchemical.Resultingpatternaftertheresistisdeveloped.WindowExposedareaofphotoresistShadowonphotoresistChromeislandonglassmaskSiliconsubstratePhotoresistOxidePhotoresistOxideSiliconsubstrate负性光刻

*7正性光刻photoresistsiliconsubstrateoxideoxidesiliconsubstratephotoresistUltravioletlightIslandAreasexposedtolightaredissolved.Resultingpatternaftertheresistisdeveloped.ShadowonphotoresistExposedareaofphotoresistChromeislandonglassmaskWindowSiliconsubstratePhotoresistOxidePhotoresistOxideSiliconsubstrate

*8正性光刻和负性光刻的区别负性光刻：产生和掩模版相反的图形正性光刻：产生和掩模版相同的图形DesiredphotoresiststructuretobeprintedonwaferWindowSubstrateIslandofphotoresistQuartzChromeIslandMaskpatternrequiredwhenusingnegativephotoresist(oppositeofintendedstructure)Maskpatternrequiredwhenusingpositivephotoresist(sameasintendedstructure)

*9亮场掩模版和暗场掩模版Simulationofcontactholes(positiveresistlithography)Simulationofmetalinterconnectlines(positiveresistlithography)ClearFieldMaskDarkFieldMask

*10根据光刻胶所能达到的最小关键尺寸分类传统光刻胶：0.35微米和0.35微米以上适用于非关键层

化学放大(CA)光刻胶：0.25~0.05微米适用于关键层

特殊光刻胶：用于非光学光刻

*118.3光刻技术2.常见光刻胶的组成I线光刻胶该光刻胶适用于I线紫外波长（365nm）适用于0.35微米以上的非关键层的光刻

负胶：惰性聚异戊二烯正胶：线性酚醛树脂由4种成分：聚合物溶剂感光剂添加剂

*12Additives:chemicalsthatcontrolspecificaspectsofresistmaterialSolvent:givesresistitsflowcharacteristicsSensitizers:photosensitivecomponentoftheresistmaterialResin:mixofpolymersusedasbinder;givesresistmechanicalandchemicalproperties

*138.3光刻技术溶剂

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，以便是光刻胶能够通过旋转的方法涂在晶圆表面。在曝光之前，大部分溶剂已经从光刻胶里面蒸发出去，所以它在实际的光化学反应中不起任何作用。

*148.3光刻技术感光剂

光刻胶中的感光剂是用来产生或者控制聚合物的特定反应。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。

*158.3光刻技术添加剂

光刻胶中的添加剂主要在光刻胶薄膜中用来吸收和控制光线，可以阻止光刻胶没有被曝光的部分在显影过程中被溶解。

*168.3光刻技术聚合物

聚合物是由一组大而且重的分子组成，包括碳、氢和氧。对负胶，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。其他常用负胶有聚肉桂酸酯类、聚酯类和聚烃类。负胶一般不适于2.0μm以下的尺寸

*178.3光刻技术负性胶由光产生交联聚合物：惰性聚异戊二烯,天然橡胶溶剂：二甲苯感光剂：紫外线曝光后释放出氮气的光敏剂，产生自由基自由基促使光刻胶聚合缺点：1、在显影时曝光区域会因溶剂产生泡胀2、曝光时产生的氮气会和光刻胶反应

*18Areasexposedtolightbecomecrosslinkedandresistthedeveloperchemical.Unexposedareasremainsolubletodeveloperchemical.Pre-exposure-photoresistPost-exposure-photoresistPost-develop-photoresistUVOxidePhotoresistSubstrateCrosslinksUnexposedExposedSoluble

*198.3光刻技术

正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。其中含有感光聚合PAC（DQ）和基体材料N，N一般采用酚醛树脂。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。

*208.3光刻技术重氮醌Diazoquinone,DQ1.DQ的二氧化硅以下的分子部分，包括两个位置靠下的芳香族的环烃，在曝光中仅是次要作用，所以用R来表示这部分分子。2.氮分子化合键较弱，受光照氮分子脱离碳环，留下一个高活性的碳位

*218.3光刻技术3.此时环内的一个碳位移到环外，氧原子将与这个外部的碳原子形成共价键，此过程称为Wolff重组。重组的结果是生成乙烯酮4.最终加入水后，会发生最终的重组，此过程中环与外部碳原子之间的双化学键被一个单键和一个OH基所代替，生成羧酸

*22Resistexposedtolightdissolvesinthedeveloperchemical.Unexposedresist,containingPACs,remaincrosslinkedandinsolubletodeveloperchemical.Pre-exposure+photoresistPost-exposure+photoresistPost-develop+photoresistUVOxidePhotoresistSubstrateSolubleresistExposedUnexposedPAC

*238.3光刻技术

初始材料不溶于显影溶液（PH<7，一般是KON或NaOH溶液），当发生整个曝光之后，生成的羧酸易于显影溶液反应，从而可以溶解。其中发生的化学反应是羧酸分解成溶于水的胺，比如苯胺和钾盐/钠盐。正胶的优点：1.未曝光区基本不受显影剂的影响，所以正胶的亮区细线条图形能够保持其线宽和形状。

2.酚醛树脂作为光刻胶的机体材料，化学性能稳定，对刻蚀工艺来说可以起到很好的掩蔽作用。

*248.3光刻技术

下表列出了用在光刻胶产品上的聚合物

*258.3光刻技术4、光刻胶的表现要素（1）分辨率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。

*268.3光刻技术

（2）对比度函数γ

可以用对比度γ

更直观的表示光刻胶的特性。就是将一定厚度的光刻胶在不同的曝光剂量下曝光，然后测量显影之后的剩余的光刻胶的膜厚。假定用正胶，首先在晶圆上涂上一层光刻胶，测量胶的厚度，然后给光刻胶一个短时间的均匀曝光，曝光的剂量恰好是光强乘以曝光时间。然后将晶圆浸入显影溶液维持固定时间，取出后测量所剩下的胶厚。不断增加剂量进行试验。

*278.3光刻技术现象：时间很短，厚度基本没变化时间很长，所有的都溶解在一定时间内，曝光后留下的厚度和曝光剂量大致呈线性关系

*288.3光刻技术

关系图图中开始光刻胶去除时的曝光剂量D0（临界曝光剂量）,所有光刻胶被去掉，所需要的曝光剂量为D100.定义：

*298.3光刻技术

对比度是上述直线的斜率。对比度是光刻胶区分掩膜上亮区和暗区的能力的衡量标准。理想的对比度曲线斜率趋近于无穷大。实际意义：就是期望存在一个曝光剂量的临界点。

*308.3光刻技术对比度影响PoorResistContrastSlopedwallsSwellingPoorcontrastResistFilmGoodResistContrastSharpwallsNoswellingGoodcontrastResistFilm

*318.3光刻技术

光刻胶的对比度曲线并不固定，它取决于显影过程，软烘和曝光之后的烘烤过程，曝光辐射的波长，晶圆表面的反射率。光刻的一个任务就是调节光刻胶工艺的过程，使其对比度最大而光刻速度维持在一个可接受的水平。为了取得较好的曝光效果，一般采用高曝光区加长时间曝光的方法。代价：产率下降

*328.3光刻技术(3)粘结能力

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。负胶通常比正胶有更强的粘结能力。

*338.3光刻技术(4)敏感度光刻胶的敏感度反应了光刻胶感光所必须的照射量，而照射量正比于光的强度和感光时间。光强度是和光源特定的波长有关系。不同光源（射线）对应的波长如下图所示。波长越短的光源（射线）能量越高。要使光刻胶和光源“和谐”

e=hc/λ

*348.3光刻技术除了普通光源，经常还根据不同需要选择X射线或者电子束作为曝光光源。那么光刻胶灵敏性作为一个参数，使通过能够使基本的反应开始所需要的能量总和来衡量的，它的单位是mJ/平方厘米负胶通常的曝光时间是5～15秒，而正胶则需要用上3～4倍的时间

*358.3光刻技术(5)工艺宽容度

整个光刻过程步骤之多，而且每一步骤都会影响最终的图形尺寸，

另外每一工艺步骤都有它的内部变异。不同的光刻胶对工艺变异的容忍性都不一样。那么，容忍性越高，在晶圆表面达到所需要尺寸的可能性就越大，或者说工艺的宽容度就越大。

*368.3光刻技术(6)针孔、玷污和颗粒

所谓针孔是指光刻胶层中尺寸非常小的空穴。可以是涂胶工艺中由环境中的微粒污染物造成的，也可以由光刻胶层结构上的空穴造成。针孔是有害的，因为它可以允许刻蚀剂渗过光刻胶层进而在晶圆表面层刻蚀除小孔。除此之外，还应考虑其纯度。

*378.3光刻技术(7)阶梯覆盖度随着晶圆表面上膜层的不断增加，表面不再是完全平坦化的，如图所示。

所以要求光刻胶必须具有良好的阶梯覆盖特性。

*388.3光刻技术5.正胶和负胶的比较

(1)在工艺发展的早期，负胶一直在光刻工艺中占主导地位，随着VLSIIC和2～5微米图形尺寸的出现，负胶已不能满足要求。随后出现了正胶，但正胶的缺点是粘结能力差。

*39(2)掩模版的改变用正胶需要改变掩膜版的极性，这并不是简单的图形翻转。因为用掩膜版和两种不同光刻胶结合，在晶圆表面光刻得到的尺寸是不一样的（见下图）由于光在图形周围的衍射效应，使得用负胶和亮场掩膜版组合在光刻胶层上得到的图形尺寸要比掩膜版上的图形尺寸小。用正胶和暗场掩膜版组合会使光刻胶层上的图形尺寸变大。

*408.3光刻技术（a）亮场掩膜版和负胶组合

图形尺寸变小（b）暗场掩膜版和正胶组合

图形尺寸变大

*418.3光刻技术

用正胶和暗场掩膜版组合还可以在晶圆表面得到附加的针孔保护。如果是亮场掩膜版，大部分区域是空穴，这样，玻璃上的任何缺陷及污染物微粒都会影响光刻质量，若是暗场掩膜版则可以避免上述缺陷的产生，如图所示。

*428.3光刻技术正胶成本比负胶高，但良品率高；负胶所用的显影剂容易得到，显影过程中图形尺寸相对稳定。对于要求高的制作工艺选择正胶，而对于那些图形尺寸大于2微米的工艺还是选择负胶。图显示了两种类型光刻胶属性的比较。

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*44深紫外（DUV）光刻胶一般来说，较小波长的光源可以