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光刻工艺简介蓝色独行者Writtenby蓝色独行者一、光刻是什么?

所谓光刻,是指利用掩模板(mask)上的几何图形,通过光化学反应,将图案转移到覆盖在半导体晶片上的感光薄膜层(称为光致抗蚀剂,光刻胶或光阻photoresist,简称PR)上的一种工艺步骤。二、光刻很重要,为什么?占用40to50%芯片制造时间;决定着芯片的最小特征尺寸;现代超大规模集成电路制造过程涉及20-30层光学曝光工序;最早用于半导体IC的微细加工技术，从1960s至今仍然是超大规模集成电路的主要生产方法。三、光刻所需环境是什么?洁净室(cleanroom)空气中的尘埃粒子可能会依附于半导体晶片或图形曝光的掩模板,造成器件缺陷；两种系统定义洁净室:英制系统和公制系统；统计对象为直径≥0.5μm颗粒,区别在于取值于立方英尺/立方米(lg)；英制体系：等级的标定数字取自超净间内单位立方英尺能够允许0.5μm及其以上粒子的最大数目；‹公制体系：等级的标定数字取自超净间内单位立方米能够允许0.5μm及其以上粒子的最大数目的对数（lg）。‹例如：100级的净化间（英制）有0.5μm及其以上粒子的最大尘埃100粒/英尺3；而M3.5级的（公制）有0.5μm及其以上粒子的最大尘埃103.5粒/m3；两者相等。控制单位体积的尘埃粒子总数，同时必须控制温度和湿度；‹英制：直径大于0.5μm个数/立方英尺；‹公制：对数lg(直径大于0.5μm个数/立方米）。‹因为尘埃的粒子数目随着粒子尺寸的减小而增加，所以当IC的最小特征尺寸缩小至亚微米级范围时，会对超净间采取更加严格地控制措施‹在大多数IC制造区域，100级的超净间是必须的（比普通房间的空气粒子数小4个数量级）‹光刻区域10级-1级

黄光室为了避免光刻胶在曝光前、曝光后受到曝光机以外的光线照射而曝光；由于光刻胶一般对波长大于0.5μm的光并不敏感,所以曝光过程中,晶片可置于由黄光照射的洁净室。Writtenby蓝色独行者四、什么是光刻机（ExposureTools）?

图形转移是由曝光设备来完成的，曝光设备的性能取决于三个参数：分辨率：不失真的精确转移到半导体表面光刻胶上的最小特征尺寸；对准精度：各个掩膜与先前刻在硅片上的图形互相套准的程度；生产效率：某次光刻中掩膜在一小时内能曝光的硅片数量。对光刻机的要求：分辨率（高）‹曝光视场（大）‹图形对准精度（高）——1/3最小特征尺寸‹产率（throughput）（大）‹缺陷密度（低）‹两种基本的光学曝光方法：遮蔽式（shadow）曝光投影式（projection）曝光遮蔽式（shadow）曝光接触式：1μm左右的分辨率，尘埃或硅渣嵌入光刻胶的问题；‹接近式：（10-50μm的间隙），2-5μm分辨率，掩膜图形边缘光学衍射，光进入阴影区。临界尺寸（criticaldimension，CD）临界尺寸：遮蔽式（shadow）曝光可以达到的最小线宽CD≅λ：光波长；g：掩模板和晶片之间（包含抗蚀剂厚度）的间隙距离。可能出现的问题直径大于g的尘埃仍然可能造成掩膜损伤；‹硅片翘曲（bowing）：影响曝光均匀性；‹前道加工应力：加重翘曲，进而影响曝光均匀性。掩模对准式曝光机对准系统工作原理投影式（projection）曝光为了克服遮蔽式曝光有关的掩膜损伤问题；掩膜与光刻胶相距几厘米；为了提高分辨率，每次仅仅曝光掩膜的一部分。然后采用扫描或分布重复的方法将小面积图形布满整个硅片。投影系统的分辨率lmNA:数值孔径对投影系统分辨率改进的一个讨论聚焦深度（1）（2）式（1）说明分辨率的改善（即较小的lm），可以通过缩短光源波长与增加数值孔径NA达到；式（2）指出，聚焦深度会因NA的增加而衰减，而且增加DA值比缩短光源波长λ对聚焦深度DOF衰减影响更快；结论：缩短光源波长是光学图形曝光的必然趋势。高压汞灯（mercury-arclamp）具有较高的光强度与稳定度，故被广泛用作曝光光源；汞灯光谱的几个峰值：G-线：436nmH-线：405nmI-线：365nm集成电路工艺所采用的光刻技术30年前人们就在预测光学曝光技术的末路，但仍然大量利用，而且不断发展‹G线（436nm）‹I线（365nm）‹深紫外：248nm—130nm生产线—已经实现了50nm生产线—IBM20nm193nm——90nm生产线157nm——50nm生产线主流光刻技术:

248nmDUV技术（KrF准分子激光）->0.10um特征尺寸

193nmDUV技术

（ArF准分子激光）->90nm特征尺寸

193nm沉浸式技术（ArF准分子激光）->65nm特征尺寸新一代的替代光刻技术:

157nmF2

EUV光刻/紫外线光刻

电子束投影光刻

X射线光刻

离子束光刻

纳米印制光刻更换光源以提高分辨率一种对辐照敏感的化合物（高分子聚合物）对于入射光子有化学变化，通过显影，从而实现图形转移。‹灵敏度：单位面积的胶曝光所需的光能量：mJ/cm2烃基高分子材料正胶分辨率高于负胶抗蚀性：刻蚀和离子注入四、光刻胶（photoresist）是什么?在印刷工业中已经有近百年的历史，20世纪20年代的印刷电路板工业‹1950s用于半导体工业‹直到1970s中期，集成电路生产都以负胶为主（由于正胶的附着性差）‹光刻胶的4个基本组成：①树脂型聚合物（resin）——主体，使胶具有抗蚀性能②溶剂（solvent）——液态，利于涂覆③光活性物质（photoactivecompound，PAC）——控制resin对某一波长的感光度④添加剂（additives）——控制胶的光吸收率或溶解度‹曝光部分变成可溶性的‹在显影工艺中比较容易去除‹所形成的图形与掩膜一致正胶（positivephotoresist,DNQ）正胶组成成分：a)基底：树脂是一种低分子量的酚醛树脂(novolac,apolymer)本身溶于显影液，溶解速率为15nm/s；b)光敏材料（PAC－photoactivecompounds)二氮醌(diazoquinone,DQ)，不溶于显影液，光照后，DQ结构发生重新排列，成为溶于显影液（TMAH四甲基氢氧化铵——典型显影液）的烃基酸；c)溶剂：醋酸丁脂、二甲苯、乙酸溶纤剂的混合物，用于调节光刻胶的粘度。负胶(NegativeOpticalPhotoresist)‹曝光部分变成不可溶性的；所形成的图形与掩膜正好相反；当VLSI电路需分辨率达2μm之前，基本上是采用负性光刻胶。‹主要缺点：在显影过程中，整个抗蚀剂层因吸收显影液而出现膨胀现象，限制其分辨率。在分辨率要求不太高的情况，负胶也有其优点：对衬底表面粘附性好抗刻蚀能力强工艺宽容度较高（显影液稀释度、温度等）价格较低（约正胶的三分之一）负胶的组成部分a)基底：合成环化橡胶树脂(cyclizedsyntheticrubberrisin)对光照不敏感，但在有机溶剂如甲苯和二甲苯中溶解很快b)光敏材料PAC：双芳化基(bis-arylazide)当光照后，产生交联的三维分子网络，使光刻胶在显影液中具有不溶性。c)溶剂：芳香族化合物(aromatic)

光刻胶主要参数灵敏度对比度衍射影响抗刻蚀比分辨能力曝光宽容度工艺宽容度其他曝光响应曲线下图为正、负胶曝光反应曲线和显影后图形截面‹光刻胶即使没有曝光，在显影液中也有一定的可溶性；‹随着曝光剂量的增加，可溶性逐渐增加；‹达到阈值ET后光刻胶完全可溶——对应于灵敏度。正胶的灵敏度：感光区变得完全可溶时所需的能量，因此ET对应于灵敏度，是衡量曝光速度的指标（mJ/cm2）；负胶的灵敏度：曝光区内的原始光刻胶厚度保留50%所需的能量；灵敏度对比度对比度（反差比）——直接影响光刻胶的分辨率；曝光响应曲线斜率越大，对比度越大；γ较大表示曝光能量有一增量，光刻胶的可溶性就有较大增加，结果图像边缘就比较陡。衍射影响由于衍射，光刻胶影像边缘一般不在掩膜图像边缘的垂直投影位置，而是在吸收的光能总量等于阈值能量ET的位置上。抗刻蚀比作为等离子体刻蚀掩膜，要求其具有较高的抗刻蚀性‹其决定了要涂多厚的胶才能实现对某一衬底材料某一深度的刻蚀。分辨能力是一个综合指标，影响分辨能力的因素有3个方面：①曝光系统的分辨率②光刻胶的相对分子质量、分子平均分布、对比度与胶厚显影条件与前后烘烤温度一般薄胶层容易获得高分辨图形，但胶层厚度必须与胶的抗刻蚀比综合加以考虑正胶型的过量显影和负胶型的显影不足都会影响分辨率烘烤温度过高，使胶软化流动，也会破坏图形的分辨率曝光宽容度（exposurelatitude）‹光刻胶在偏离最佳曝光剂量的情况下，曝光图形的线宽变化程度的量度参数；‹曝光宽容度大的胶受曝光能量浮动或不均匀的影响较小。工艺宽容度每一套工艺都有相应的最佳工艺条件，但当这些条件偏离最佳值的时候，要求光刻胶的性能变化尽量小。其他特性光刻胶的热流动性（thermalflow）：热流动性使显影形成的图形变形，影响图形质量和分辨率光刻胶的膨胀效应（swelling）：显影液分子进入胶的分子链，使胶的体积增加，从而使图形变形‹光刻胶的黏度（viscosity）：用于衡量光刻胶液体的可流动性。一般用胶中聚合物固体含量来控制；新胶和旧胶有不同‹保质期限（shelflife）：挥发性，光照敏感，遇热变质——低温避光储藏，光刻间黄光照明正负光刻胶的比较五、光刻的流程是什么?光刻核心工艺PhotoresistSpinCoaterEBR:Edgebeadremoval边缘修复曝光中最重要的两个参数是：1.曝光能量（Energy）2.焦距（Focus）图形检测PatternInspection1.对准问题：重叠和错位，掩膜旋转，圆片旋转，X方向错位，Y方向错位2.临界尺寸3.表面不规则：划痕、针孔、瑕疵和污染物六、光刻现在面临的问题是什么?随着半导体技术的不断进步，器件的集成度不断提高，伴随而来的是器件特征尺寸越来越小，很难想象器件的栅能比原子的半径还小，当22nm工艺节点来临之时，又将要会采用什么样的光刻工艺呢？由上图可知高频光的能量较高，低频光的能量较低，在工艺尺寸一再减小的基础上，可见光已经不能很好的完成光刻工作了！听听来自工业界的声音！

2011年国际固态电路会议(ISSCC2011)上，IBM,台积电等厂商均表示将继续在22/20nm节点制程应用平面结构的体硅晶体管工艺，光刻技术方面，22/20nm节点主要几家芯片厂商也将继续使用基于193nm液浸式光刻系统的双重成像（doublepatterning）技术。不过固态电路协会的另外一位重要成员Intel则继续保持沉默。

最为活跃的193nm浸入式光刻浸入式光刻技术与传统光刻技术的比较最为活跃的193nm浸入式光刻

在传统的光刻技术中，其镜头与光刻胶之间的介质是空气，而所谓浸入式技术是将空气介质换成液体。实际上，浸入式技术利用光通过液体介质后光源波长缩短来提高分辨率，其缩短的倍率即为液体介质的折射率。例如，在193nm光刻机中，在光源与硅片（光刻胶）之间加入水作为介质，而水的折射率约为1.4，则波长可缩短为193/1.4=132nm。（容易知道波长减少，能量增加！）前景光明的EUV极端远紫外光刻

EUV是目前距实用化最近的一种深亚微米的光刻技术。其仍然采用前面提到的分步投影光刻系统，只是改变光源的波长，即采用波长更短的远紫外线。采用的EUV进行光刻的主要难点是很难找到合适的制作掩膜版的材料和光学系统。

上图中，我们可以明确看到EUV极端远紫外光在光谱中的位置，这是一种