图形光刻工艺原理.ppt

1、1、平版印刷术，平版印刷术，2、平版印刷术是集成电路制造中最重要的工序，约占芯片制造步骤的一半。平版印刷术占所有成本的35%。通常，光刻次数、2次和所需掩模的数量可以用来表示某个生产过程的难度。典型的硅集成电路工艺包括1520个掩模。3.集成电路的特征尺寸能否进一步减小也与光刻技术的进一步发展密切相关。通常人们用特征尺寸来评价集成电路生产线的技术水平。所谓的特征尺寸(CD):特征尺寸(CD)是指设计的多晶硅栅极长度，它标志着器件技术的整体水平，是设计规则的主要部分。一般来说，我们称之为0.13米和0.09米的工艺是指光刻技术能够达到最小线的工艺。平版印刷术的定义平版印刷术是一种结合图形复制和化

2、学蚀刻的精密表面处理技术。通过光刻将掩模版上的图案转移到硅片表面的光刻胶上，实现后续的选择性刻蚀或注入掺杂。光刻的目的是在二氧化硅或金属薄膜上刻蚀出与掩模版完全对应的几何图形，并将掩模版上的图形转化为晶片上的器件结构，从而实现选择性扩散和金属薄膜布线的目的。5、6、1。这是一个图形转移的过程。掩模板上的图案化将图案转移到光致抗蚀剂上并蚀刻以在晶片上形成电路图案。两次图形转移：图形转移到光刻胶层，光刻胶层转移到晶片层。光刻的基本要求是：(1)高分辨率(2)高灵敏度(3)精确对准(4)在大尺寸硅片上加工(5)低缺陷(8，1)。高分辨率是指在硅片上区分两个相邻特征图形的能力，即在光刻工艺中可以实现的

3、光刻图形最小尺寸的描述，即光刻。随着集成电路集成度的提高，加工线越来越薄，对分辨率的要求也越来越高。它通常用每毫米可以蚀刻的最大行数来表示。R=1/2L(行宽和行间空白宽度均为L)，9，2。高感光度是指光刻胶的感光速度。为了提高产量，要求光刻周期越短，曝光时间越短，越好，灵敏度越高。3.集成电路的精确对准需要十次甚至几十次光刻，每次光刻都必须相互对准。由于图案的特征尺寸在亚微米量级，对套印的要求很高。套印误差要求约为特征尺寸的10%。10，4。大尺寸硅片的加工提高了经济效益，但很难在大面积硅片上实现均匀镀膜、均匀敏化和均匀显影。高温会导致晶圆变形，这就要求严格控制周围环境的温度，否则会影响光刻

4、质量。5.低缺陷会导致电路故障，所以缺陷应该最小化。11、正性光致抗蚀剂、负性光致抗蚀剂。光致抗蚀剂是有机聚合物，其被旋转到晶片上并预烘焙以产生0.5-1毫米厚的膜。光致抗蚀剂也称为光致抗蚀剂。根据曝光前后光致抗蚀剂溶解特性的变化，对于光致抗蚀剂，有12种正性光致抗蚀剂，正性胶的光化学特性从抗溶解变为溶解性。当正性粘合剂被曝光和显影时，光敏粘合剂层被溶解。现有的超大规模集成电路工艺都采用正胶机制。感光材料(PAC)中的分子因曝光而破裂，破裂的分子很容易溶解在显影剂中，从而与未曝光的部分形成强烈的对比。14，负型光学抗蚀剂，负型光致抗蚀剂的光学性质从溶解性到不溶性。曝光后，负型粘合剂交联形成网络

5、结构，很少溶解在显影剂中，而未曝光部分完全溶解。，15，概述：正性和负性光致抗蚀剂，正性光致抗蚀剂的光敏部分在被光或紫外线照射后发生光分解反应，并且可以溶解在显影溶液中，而负性光致抗蚀剂的非光敏部分在显影后保留在晶片表面上。正胶：曝光前后不溶。负胶：曝光前后可溶。光致抗蚀剂对大多数可见光敏感，但对黄光不敏感。因此，光刻通常在黄色房间中进行。16，17。光致抗蚀剂由四种成分组成：树脂(聚合物材料)、敏化剂、溶剂添加剂(替代物)和光致抗蚀剂的组成材料，18。树脂是一种惰性聚合物，包括碳、氢和氧的有机聚合物。用于将光致抗蚀剂中不同材料结合在一起的粘合剂。对于负胶，聚合物在曝光后会从未聚合状态变为聚合

6、状态。在大多数负片胶中，聚合物是聚异戊二烯型的。如图所示，它是一种相互粘合的材料，可抗蚀刻。正胶的基本聚合物是酚醛聚合物，也叫酚醛树脂。如图所示。聚合物相对不溶于光致抗蚀剂，并且在用适当的能量照射后变得可溶。这个反应叫做光解反应，20。固体有机材料(胶膜的主体)在紫外光照射后发生光化学反应，其溶解性能发生变化。正胶由不溶变为可溶，而负胶由可溶变为不溶。树脂，21。光致抗蚀剂中的敏化剂是光致抗蚀剂材料中的感光成分。也就是说，光能发生化学反应。如果聚合物中没有加入敏化剂，它对光的敏感性很差，光谱范围很宽。添加特定的敏化剂可以增加灵敏度并限制反应光的光谱范围，或者将反应光限制在特定的波长。22，23

7、，溶剂溶剂光刻胶中最大的成分是溶剂。加入溶剂的目的是使光致抗蚀剂处于液态，从而使光致抗蚀剂可以通过旋转涂覆在晶圈表面。大多数溶剂在曝光前挥发，这对光致抗蚀剂的光化学性能影响很小。通过旋涂溶解的聚合物可以获得薄的光致抗蚀剂膜。24.添加剂光致抗蚀剂中的添加剂通常是专有化学品，其成分由制造商开发，但出于竞争原因，并未公布。主要用于光致抗蚀剂薄膜，以改变光致抗蚀剂的特定化学性质或光响应特性。例如添加染料以减少反射。25、光刻、26、27。为了确保光致抗蚀剂能够与晶体环的表面很好地结合，必须进行表面处理，包括三个阶段：颗粒去除、脱水和底漆涂覆。1气相底膜处理，28，第一步：微粒去除目的：在储存、装载和

8、卸载到盒子期间，去除晶片吸附的一些微粒污染物。清洗方法：1)高压氮气吹扫；2)化学湿法清洗：酸洗和干燥。3)旋转刷4)高压水射流清洗，29)第二步：脱水烘焙目的：干燥晶片表面，增加表面附着力。清洗后，晶片表面可能含有一定的水分(亲水表面)，因此必须对其进行脱水和烘烤，使其清洁干燥(疏水表面)，以增加光刻胶和晶片表面之间的粘附力。30，晶片底漆涂覆的第三步1。提高光刻胶和晶片之间附着力的方法：一、脱水烘烤；二、底漆涂装。用HMDS (HMDS:六甲基二硅烷)3进行成膜处理。要求：在晶片表面建立一层薄的、均匀的、无缺陷的光刻胶膜。四步，1。滴落：当硅片静止或光刻胶滴在硅片上时。2.旋转扩散：快速加

9、速硅片，将光刻胶扩散到硅片的整个表面。3.旋转倾倒：甩出更多的光刻胶，在硅片上得到均匀的光刻胶薄膜覆盖层。4.溶剂挥发：继续以固定速度旋转镀膜硅片，直到溶剂挥发，光刻胶薄膜几乎干燥；2.旋涂感光涂层；32.3.软烘焙。因为光致抗蚀剂是粘性物质，所以涂覆后不能直接曝光，必须烘烤以蒸发光致抗蚀剂中的溶剂。烘烤后，光致抗蚀剂仍保持“软”状态。但与水晶花园的联系更紧密。目的：去除光刻胶中的溶剂。蒸发溶剂的原因如下：1)在曝光过程中，溶剂吸收光并干扰聚合物的化学反应。2)蒸发溶剂增强光致抗蚀剂和晶片之间的粘附。33、时间和温度是软烘烤的参数，不完全烘烤导致曝光过程中不完全成像和蚀刻过程中多余的光刻胶漂移

10、；过度烘烤会导致光致抗蚀剂中的聚合物发生聚合反应，不会与曝光射线发生反应，从而影响曝光。34，4。对准(曝光)。对准是将掩模与先前工艺中刻在硅片上的图案对准。对准后，曝光掩模和硅片，将掩模图形转移到胶合的硅片上，实现图形复制。35，5。PEB(曝光后烘焙)旨在促进光刻胶的化学反应，提高光刻胶的附着力，减少驻波。36，显影剂溶解部分光致抗蚀剂并将掩模上的图案转移到光致抗蚀剂6。开发，三个基本步骤33，360，开发，清洁和干燥，以及37，a，不完全开发。表面仍有光致抗蚀剂。由显影剂不足引起；正在开发中。已开发的边墙不垂直，是开发时间不足造成的；过度发展。表面附近的光致抗蚀剂被显影剂过度溶解而形成台

11、阶。发展时间过长，发展中存在三种主要问题：不完全发展、发展不足和严重的过度发展。38，39，40，负性光致抗蚀剂显影1)显影剂溶液：二甲苯2)冲洗化学品：乙酸正丁酯作用：快速稀释显影剂溶液，冲洗光致抗蚀剂并显影正性光致抗蚀剂1)显影剂：碱性水溶液，氢氧化钠或氢氧化钾；2)冲洗剂：水正胶的显影过程更灵敏，分辨率更高。正胶和负胶的发展。开发方法开发方法如下：湿法开发、干法(等离子体)开发、干法开发：液体技术自动化程度不高，化学品的采购、储存、控制和处理费用昂贵。取代液体化学显影的方法是使用等离子蚀刻技术，这种技术现在已经非常成熟。在这个过程中，离子从等离子体场获得能量，并以化学形式分解暴露的晶体环

12、表面层。干法平版印刷术要求曝光或未曝光的光致抗蚀剂化学品之一可以通过氧等离子体容易地去除。42、方法：在120-150烘烤12分钟(高于软烘烤温度，但不要太高，否则光刻胶会流动并破坏图案)目的：一、完全蒸发光刻胶中的溶剂，避免污染后续的离子注入环境(如DNQ酚醛树脂光刻胶中的氮气会导致光刻胶局部爆裂，使光刻胶颗粒分散在硅片表面)二、硬化薄膜，提高光刻胶质量。c .进一步增强光刻胶与硅片表面的附着力；硬膜烘焙(后烘焙、硬烘焙)和后烘焙；硬烘焙)，43。烘焙时间和温度仍然是主要的工艺参数，通常由制造商推荐。工艺工程师准确地调整了常见问题：a .欠平衡。降低光刻胶的强度(抗蚀刻能力和离子注入中的阻挡

13、能力)；降低对基材的附着力。b，过度烘烤(过度烘烤)。光致抗蚀剂的流动导致图形精度和分辨率降低。44，显影检查光刻工艺的第一次质量检查，在任何工艺之后，都应该进行检查，并且通过检查的晶体园流入下一个工艺，并且未通过显影检查的晶体园可以被返工并重新曝光和显影。显影检查的内容包括图形尺寸偏差、图形定位不准确、表面问题(光刻胶污染、孔洞或划痕)、污渍和其他表面不规则性等。，8。开发后检查，45。通过图案检查的硅片将被移除。光刻胶返工的模式是暂时的。蚀刻和注射后的图案是永久性的。光刻可以在蚀刻和注射后重新加工。46.光刻技术的主体是光刻机(曝光机、对准机)，光刻机是将掩模版上的图案与前道工序刻在硅片上

14、的图案对准，然后将硅片表面的光刻胶曝光，实现图案复制的设备。分辨率：这是可以曝光的最小特征尺寸。一般来说，能够被分辨并能保持一定尺寸公差的最小特征尺寸的物理极限分辨率是/2。2.套印精度：它是层间图形对准偏差的一种统计度量，主要取决于光刻系统的图形定位和支撑平台(掩模和硅片)的运动控制精度。要求套印精度的上限不超过分辨率的1/51/3。3.成品率是指每小时可加工的硅片数量，是衡量光刻系统性能的重要指标，直接决定了集成电路芯片的制造成本。如图所示，有两种类型的光刻机，光学光刻机和非光学光刻机。光学光刻使用紫外线作为光源，而非光学光刻使用电磁波谱的其他成分作为光源。光刻机的主要部件：曝光光源、光学

15、系统和支撑定位平台。曝光光源一般要求：短波长(较短的波长，较小的可曝光特征尺寸)，高强度(为了保持适当的曝光时间)和高稳定性光源：高压汞灯准分子激光x光电子束，49。汞灯光源是可见光和近紫外波长的有效照射源。曝光光源是初始紫外波段的多波长汞灯光源。50，为了获得更高的清晰度，光致抗蚀剂被设计成仅与汞灯光谱中的窄波长光(称为深紫外区或DUV)反应。准分子激光器是深紫外(DUV，波长范围180纳米330纳米)波段最亮的光源。主要优点：输出光波短，强度高，图案曝光可以用几个脉冲完成。目前，主流技术采用深紫外波段的KrF准分子激光源和ArF准分子激光源，正在研制波长为157nm的F2准分子激光源和波长小于100nm的EUV光源。EUV:极紫外光刻，VUV :真空紫外光刻，52，53，下一代光源：非光学光刻技术，X射线光刻电子束(Ebeam)光刻离子束，54，曝光方法，由于曝光光源不同，曝光可分为光学曝光，X射线曝光，电子束曝光和离子束曝光。在光学曝光中，由于掩模的位置不同，可以分为接触曝光、接近曝光和投影曝光。曝光方法：是由光源发出的光通过掩模将图案转移到光致抗蚀剂膜上，例如投影曝光。另一种是将光源聚集成非常细的光束，并