光刻及刻蚀讲解

4.4向衬底材料的图形转换——光刻图形转换：将设计在掩膜版（类似于照相底片）上的图形转移到半导体晶片上图形转换：光刻技术光刻工艺流程

典型的光学光刻工艺通常包括一下步骤：衬底准备、涂胶、曝光前烘干（前烘）、曝光、显影、显影后烘干（坚膜）以及去胶。光刻是IC制造中最为重要的一道工艺硅片制造工艺中，光刻占所有成本的35%通常可用光刻次数及所需掩膜的个数来表示某生产工艺的难易程度。一个典型的硅集成电路工艺包括15—20掩膜版

集成电路的特征尺寸是否能够进一步减小，也与光刻技术的进一步发展有密切关系。

通常人们用特征尺寸来评价集成电路生产线的技术水平。

所谓特征尺寸（CD:characteristicdimension）是指设计的多晶硅栅长，它标志了器件工艺的总体水平，是设计规则的主要部分。

通常我们所说的0.13μm，0.09μm就是指的光刻工艺所能达到最小线条的工艺。光刻的定义：光刻是一种图形复印和化学腐蚀相结合的精密表面加工技术。光刻的目的：光刻的目的就是在二氧化硅或金属薄膜上面刻蚀出与掩膜版完全对应的几何图形，把掩膜版的图形转换成晶圆上的器件结构，从而实现选择性扩散和金属薄膜布线的目的。光刻的要求对光刻的要求（1）高分辨率（2）高灵敏度（3）精密的套刻对准（4）大尺寸硅片上的加工（5）低缺陷1.高分辨率分辨率是将硅片上两个邻近的特征图形区分开来的能力，即对光刻工艺中可以达到的最小光刻图形尺寸的一种描述，是光刻精度和清晰度的标志之一。随着集成电路的集成度提高，加工的线条越来越细，对分辨率的要求也越来越高。2.高灵敏度灵敏度是指光刻胶感光的速度。为了提高产量要求曝光时间越短越好，也就要求高灵敏度。3.精密的套刻对准集成电路制作需要十多次甚至几十次光刻，每次光刻都要相互套准。由于图形的特征尺寸在亚微米数量级上，因此对套刻要求很高。要求套刻误差在特征尺寸的10%左右。4.大尺寸硅片的加工随着晶圆尺寸增大，周围环境会引起晶圆片的膨胀和收缩。因此对周围环境的温度控制要求十分严格，否则会影响光刻质量。5.低缺陷缺陷会使电路失效，因此应该尽量减少缺陷。5.2光刻胶的组成材料及感光原理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。光刻胶种类光刻胶又称光致抗蚀剂（Photo-Resist）,根据光刻胶在曝光前后溶解特性的变化，有正光刻胶（Positiveopticalresist）负光刻胶（Negativeopticalresist）Resistsareorganicpolymersthatarespunontowafersandprebakedtoproduceafilm≈0.5-1μmthick.正性光刻胶—PositiveOpticalResist正胶的光化学性质是从抗溶解到可溶性。正胶曝光后显影时感光的胶层溶解了。现有VLSI工艺都采用正胶P.R.负性光刻胶NegativeOpticalResist负胶的光化学性质是从可溶性到不可溶解。负胶在曝光后发生交链作用形成网络结构，在显影液中很少被溶解，而未被曝光的部分充分溶解。小结：正性和负性光刻胶

正性光刻胶受光或紫外线照射后感光的部分发生光分解反应，可溶于显影液，未感光的部分显影后仍然留在晶圆的表面。

负性光刻胶的未感光部分溶于显影液中，而感光部分显影后仍然留在基片表面。正胶：曝光前不可溶，曝光后可溶负胶：曝光前可溶，曝光后不可溶光刻胶对大部分可见光敏感，对黄光不敏感。因此光刻通常在黄光室（YellowRoom）内进行。正胶和负胶的比较正胶分辨率高小于1μm抗干法刻蚀能力强较好的热稳定性负胶对某些衬底表面粘附性好曝光时间短、产量高工艺宽容度较高（显影液稀释度、温度等）价格较低（约正胶的三分之一）光刻胶种类负胶曝光后变为不可溶显影时未曝光的部分溶解于显影液图形与掩膜版相反分辨率较低含二甲苯，对环境、身体有害正胶曝光后变为可溶显影时曝光的部分溶解于显影液图形与掩膜版相同更小的聚合物尺寸，有更高的分辨率大量应用于ICfabs光刻胶材料参数分辨率（Resolution）敏感度（Sensitivity）对比度（Contrast）粘滞性粘附性抗蚀性1.光刻胶的分辨率（Resolution）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。正胶的分辨率较负胶好，一般2μm以下工艺用正胶2.灵敏度S（Sensitivity）h为比例常数；I为照射光强度，t为曝光时间灵敏度反应了需要多少光来使光刻胶曝光，即光刻胶感光所必须的照射量。曝光时间越短，S越高。波长越短的光源（射线）能量越高。在短波长光曝光，光刻胶有较高的灵敏度。3.对比度（Contrast）衡量光刻胶辨别亮（light）/暗(dark)区域的能力测量的方法：对一定厚度的光刻胶，改变曝光剂量，在固定时间内显影，看显影后留下的光刻胶厚度对比度高的光刻胶造成更好的分辨率Df：完全溶解光刻胶所需的曝光剂量D0：溶解光刻胶所需的阀值曝光剂量4.粘附性指的是对于液体光刻胶来说其流动特性的定量指标。与时间有关，因为它会在使用中随着光刻胶中溶剂的挥发增加。5.粘附性描述光刻胶粘附于衬底的强度。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。负性胶通常比正性胶有更强的粘结能力。要求光刻胶能够粘附在不同类型的表面，例如硅，多晶硅，氮化硅，二氧化硅和金属等。必须能够经受住曝光、显影和后续的刻蚀，离子注入等工艺。6.抗蚀性光刻胶胶膜必须保持它的粘附性，并在后续的湿刻和干刻中保持衬底表面，这种性质被称为抗蚀性。4.对准和曝光（AlignmentAndExposure）对准是将掩膜版与涂了胶的硅片上的正确位置对准。曝光是对准以后，将掩膜版和硅片曝光，把掩膜版图形转移到涂胶的硅片上。对准和曝光包括两个系统：一个是要把图形在晶圆表面上准确定位的对准系统（不同的对准机类型的对准系统各不相同）；另一个是曝光系统（包括一个曝光光源和一个将辐射光线导向到晶圆表面上的机械装置）。对准系统：对准机的性能指标分辨率：机器产生特定尺寸的能力，分辨率越高越好，机器的性能越好套准能力：图形准确定位的能力曝光系统

最初曝光设备是接触式光刻机和接近式光刻机，现在基本上不再使用。而今，光刻机已发展成两大类型，即光学光刻机和非光学光刻机。如图所示，光学光刻机采用紫外线作为光源，而非光学光刻机的光源则来自电磁光谱的其他成分。光刻机的种类光学非光学接触式接近式投影式步进式X射线电子束曝光光源一般要求：短波长、高强度、高稳定性光源的产生：高压汞灯准分子激光器普通光源光的波长范围大，图形边缘衍射现象严重，满足不了特征尺寸的要求。所以作为晶圆生产用的曝光光源必须是某一单一波长的光源。最广泛使用的曝光光源是高压汞灯，它所产生的光为紫外线（UV），为获得更高的清晰度，光刻胶被设计成只与汞灯光谱中很窄一段波长的光（称为深紫外区或DUV）反应。

除自之外，现今用的光源还有：准分子激光器、X射线和电子束。下一代光源超UV（EUV：extremeultraviolet）光刻X-Ray光刻电子束（E-beam）光刻离子束（lon-beam）曝光方法由于曝光光源的不同，曝光分为光学曝光，X射线曝光，电子束曝光和离子束曝光在光学曝光中，由于掩膜版的位置不同，又分为接触式曝光，接近式曝光和投影式曝光曝光方式：一类是光源发出的光线通过掩膜版把图案转移到光刻胶膜上，如投影式曝光另一类是把光源聚集成很细的射束，直接在光刻胶上扫描出图案（可以不用掩膜版），如电子束曝光

光学曝光方式:接触式曝光Contactprinting光学接近式曝光Opticalproximityprinting扫描投影曝光Scanningprojectionprinting接触式曝光Contactprinting由于掩膜版与硅片相接触磨损，使得掩膜版的寿命降低-Fresneldiffraction菲涅尔衍射MaskImage:ResistImage=1:1，设备简单，分辨率高，可达到0.5μm。主要用于SSI和MSI电路中必须加压力，会使胶膜剥离；易玷污，掩膜版易损坏，成品率下降。目前在生产中很少使用由于光刻胶顶层平面不平，所以该曝光方式中间隔并不严格为0接近式曝光-

proximityprinting最小宽带：Wm=（dλ）½d:间隔；λ：光源波长分辨率取决于间隙的大小，一般分辨率较差，为2-4μm，d=10μm，I-line（365nm）→W≈2μm优点：接近式曝光是以牺牲分辨率来延长了掩膜版的寿命，掩膜寿命长（刻提高10倍以上），图形缺陷少。缺点：分辨率低，图形模糊，操作比较复杂投影式曝光—projectionprinting现在的工艺普遍采用投影式光刻机，投影式光刻具有下列特点利用透镜或反射镜将掩膜版上的图形投影到衬底上的曝光方法避免了掩膜版硅片表面的摩擦，延长了掩膜版的寿命掩膜版的尺寸可以比实际尺寸大得多，克服了小图形制版的困难消除了由于掩膜版图形线宽过小而产生的光衍射效应，以及掩膜版与硅片表面接触不平整而产生的光散射现象。为了提高分辨率，减少图形畸变，一次曝光的象场较小，采用扫描式曝光。Fraunhoferdiffraction夫琅禾费衍射投影式曝光虽有很多优点，但由于光刻设备中许多镜头需要特制设备复杂光学曝光的各种曝光方式及其利弊接触式优点：设备简单，分辨率高。缺点：掩膜版与晶片易损伤，成品率低。非接触式接近式优点：掩膜版寿命长，成本低。缺点：衍射效应严重，影响分辨率。投影式全反射折射优点：无像差，无驻波效应影响。缺点：光学系统复杂，对准困难。优点：对片子平整度要求低，可采用较大孔径的透镜