第八章-光刻-工艺教材课件.ppt

1、8.1 简介简介 定义：光刻工艺是一种用来去掉晶圆表面定义：光刻工艺是一种用来去掉晶圆表面层上所层上所 规定的特定区域的基本操作。规定的特定区域的基本操作。本质是把电路结构复制到以后要进行刻蚀本质是把电路结构复制到以后要进行刻蚀和离子注入的硅片上。这些结构以图形形和离子注入的硅片上。这些结构以图形形式制作在掩膜版上，紫外光透过掩膜版把式制作在掩膜版上，紫外光透过掩膜版把图形转移到硅片表面的光敏薄膜上然后用图形转移到硅片表面的光敏薄膜上然后用一种刻蚀的工艺把薄膜图形成像在下面的一种刻蚀的工艺把薄膜图形成像在下面的硅片上。硅片上。转移到硅片表面的光刻图形的形状完全取决于硅转移到硅片表面的光刻图形的

2、形状完全取决于硅片层面的结构。图形可能是硅片上的半导体器件，片层面的结构。图形可能是硅片上的半导体器件，隔离槽，接触孔，金属互连以及互连金属层的通隔离槽，接触孔，金属互连以及互连金属层的通孔。孔。光刻掩膜版衬底材料是石英，这种材料始终用在光刻掩膜版衬底材料是石英，这种材料始终用在紫外光刻中。用做掩膜版的石英是最贵的材料并紫外光刻中。用做掩膜版的石英是最贵的材料并且有非常低的温度膨胀。低膨胀意味着掩膜版在且有非常低的温度膨胀。低膨胀意味着掩膜版在温度改变时尺寸是相对稳定的。淀积在掩膜版上温度改变时尺寸是相对稳定的。淀积在掩膜版上的不透明的材料是一薄层铬，厚度一般小于的不透明的材料是一薄层铬，厚度

3、一般小于1000埃并且是溅射淀积的。埃并且是溅射淀积的。目标：目标：1.在晶圆表面建立尽可能接近在晶圆表面建立尽可能接近设计规则中所要求的尺寸的图形。这设计规则中所要求的尺寸的图形。这个目标称为晶圆的分辨率，也就是区个目标称为晶圆的分辨率，也就是区分分Si片上两个邻近图形的能力。片上两个邻近图形的能力。高的分辨率需要将曝光波长减小到与高的分辨率需要将曝光波长减小到与CD 几乎一样大小。几乎一样大小。2.在晶圆表面正确定位图形。在晶圆表面正确定位图形。8.2 光刻工艺光刻工艺光刻包括两种基本的工艺类型：负性光刻和正光刻包括两种基本的工艺类型：负性光刻和正性光刻性光刻8.2.1 负性光刻负性光刻负

4、性光刻的基本特征是当曝光后，光刻胶被曝负性光刻的基本特征是当曝光后，光刻胶被曝光的部分由可溶性物质变为非溶性物质。光的部分由可溶性物质变为非溶性物质。8.2.2 正性光刻正性光刻在正性光刻工艺中，复制到硅片表面的图形与在正性光刻工艺中，复制到硅片表面的图形与掩膜版上的一样。光刻胶被曝光的部分从不掩膜版上的一样。光刻胶被曝光的部分从不可溶到可溶。可溶到可溶。6.3 光刻光刻10步法步法1.表面准备表面准备 清洁和干燥晶圆表面清洁和干燥晶圆表面2.涂光刻胶涂光刻胶 在晶圆表面均匀涂抹一薄层光刻在晶圆表面均匀涂抹一薄层光刻 胶胶3.软烘焙软烘焙 加热，部分蒸发光刻胶加热，部分蒸发光刻胶4.对准和曝光

5、对准和曝光 掩膜版和图形在晶圆上的精掩膜版和图形在晶圆上的精 确对准和光刻胶的曝光。确对准和光刻胶的曝光。5.显影显影 非聚合光刻胶的去除非聚合光刻胶的去除6.硬烘焙硬烘焙 对溶剂的继续蒸发对溶剂的继续蒸发7.显影目检显影目检 检查表面的对准情况和缺陷检查表面的对准情况和缺陷8.刻蚀刻蚀 将晶圆顶层透过光刻胶的开口去除将晶圆顶层透过光刻胶的开口去除9.光刻胶去除光刻胶去除 将晶圆上的光刻胶层去除将晶圆上的光刻胶层去除10.最终目检最终目检 表面的检查以发现刻蚀的表面的检查以发现刻蚀的 不规则和其他问题不规则和其他问题8.4 光刻胶光刻胶8.4.1光刻胶的组成光刻胶的组成四种基本的成分：聚合物、

6、溶剂、感光剂和添加剂。四种基本的成分：聚合物、溶剂、感光剂和添加剂。聚合物：对光和能量敏感，由大而重的分子聚合物：对光和能量敏感，由大而重的分子组成，包括碳、氢、氧。组成，包括碳、氢、氧。普通的光刻胶被设计成与紫外线和激光反应，普通的光刻胶被设计成与紫外线和激光反应，也有与也有与X射线和电子束反应的。射线和电子束反应的。在负胶里，聚合物是聚异戊二烯。曝光后，在负胶里，聚合物是聚异戊二烯。曝光后，由非聚合状态变为聚合状态，抗刻蚀。为防由非聚合状态变为聚合状态，抗刻蚀。为防止曝光，负胶生产在黄光下进行。止曝光，负胶生产在黄光下进行。正胶的基本聚合物是苯酚正胶的基本聚合物是苯酚-甲醛聚合物。曝甲醛聚

7、合物。曝光后，聚合物变为可溶状态，发生了光溶解光后，聚合物变为可溶状态，发生了光溶解反应。反应。光刻胶可以和许多形式的能量（光能和热光刻胶可以和许多形式的能量（光能和热能）或电磁光谱中的具体某一部分光反应。能）或电磁光谱中的具体某一部分光反应。传统的正胶可以用在传统的正胶可以用在I-Line曝光源上，经曝光源上，经 化学放大的光刻胶可用化学放大的光刻胶可用DUV曝光。用曝光。用X射线射线和电子束上的光刻胶不同于传统的正负胶。和电子束上的光刻胶不同于传统的正负胶。溶剂：光刻胶中容量最大的成分。使光刻溶剂：光刻胶中容量最大的成分。使光刻胶处于液态，并可以使光刻胶通过旋转的胶处于液态，并可以使光刻胶

8、通过旋转的方法涂在晶圆表面。方法涂在晶圆表面。负胶的溶剂是芬芳的二甲苯，正胶的溶剂负胶的溶剂是芬芳的二甲苯，正胶的溶剂是乙氧基乙醛醋酸盐或二甲氧基乙醛。是乙氧基乙醛醋酸盐或二甲氧基乙醛。光敏剂：添加到光刻胶中来产生或控制聚光敏剂：添加到光刻胶中来产生或控制聚合物的特定反应。合物的特定反应。光敏剂被加到光刻胶中用来限制反应光的光敏剂被加到光刻胶中用来限制反应光的波普范围或者把反应光限制到某一特定波波普范围或者把反应光限制到某一特定波长。长。添加剂：不同类型的添加剂和光刻胶混合添加剂：不同类型的添加剂和光刻胶混合达到特定的效果。可以阻止光刻胶没有曝达到特定的效果。可以阻止光刻胶没有曝光的部分在显影

9、过程中被溶解。负胶含有光的部分在显影过程中被溶解。负胶含有染色剂，在光刻胶薄膜中吸收和控制光线。染色剂，在光刻胶薄膜中吸收和控制光线。正胶会有化学的抗溶解系统。正胶会有化学的抗溶解系统。8.4.2 光刻胶的表现要素及物理特性光刻胶的表现要素及物理特性 光刻胶的选择的主要决定因素是晶圆表面光刻胶的选择的主要决定因素是晶圆表面 对尺寸的要求。对尺寸的要求。1.具有产生那些所要求尺寸的能力具有产生那些所要求尺寸的能力2.在刻蚀过程中阻隔刻蚀的功能，必须保证在刻蚀过程中阻隔刻蚀的功能，必须保证一定的厚度，且不能有针孔一定的厚度，且不能有针孔3.必须能和晶圆表面很好地黏合，否则刻蚀必须能和晶圆表面很好地

10、黏合，否则刻蚀后图形会发生扭曲后图形会发生扭曲 分辨率：在光刻胶层能产生的最小图形通分辨率：在光刻胶层能产生的最小图形通常作为对光刻胶的分辨力的参考。产生的常作为对光刻胶的分辨力的参考。产生的线条越小，分辨力越强。线条越小，分辨力越强。它是表征光刻精度的标志之一，与光刻本它是表征光刻精度的标志之一，与光刻本身和光刻工艺条件及操作技术有关。身和光刻工艺条件及操作技术有关。越细的线宽需要越薄的光刻胶膜来产生。越细的线宽需要越薄的光刻胶膜来产生。然而光刻胶膜需要足够厚度来实现阻隔刻然而光刻胶膜需要足够厚度来实现阻隔刻蚀的作用，并且保证不能有针孔，所以选蚀的作用，并且保证不能有针孔，所以选择需要权衡。

11、择需要权衡。改变工艺参数可以改变固有的分辨力。改变工艺参数可以改变固有的分辨力。纵横比用来衡量光刻胶的分辨力和光刻胶纵横比用来衡量光刻胶的分辨力和光刻胶厚度之间的关系。是光刻胶厚度与图形打厚度之间的关系。是光刻胶厚度与图形打开尺寸的比值。开尺寸的比值。纵横比纵横比=T/W 正胶比负胶有更高的纵横比，对于一个给正胶比负胶有更高的纵横比，对于一个给定的图形尺寸开口，正胶的光刻胶层可以定的图形尺寸开口，正胶的光刻胶层可以更厚。更厚。黏结性：为了实现刻蚀阻隔作用，光刻胶黏结性：为了实现刻蚀阻隔作用，光刻胶层必须与晶圆表面有很好的黏结性，才能层必须与晶圆表面有很好的黏结性，才能够保证把光刻图形很好的转移

12、到晶圆表面。够保证把光刻图形很好的转移到晶圆表面。负胶比正胶的黏结能力好。负胶比正胶的黏结能力好。粘滞性：对于液体光刻胶来说其流动特性粘滞性：对于液体光刻胶来说其流动特性的定量指标。随着粘滞性增加，光刻胶流的定量指标。随着粘滞性增加，光刻胶流动的趋势变小，在硅片上的厚度增加。低动的趋势变小，在硅片上的厚度增加。低粘滞性光刻胶流动的倾向性更大，在硅片粘滞性光刻胶流动的倾向性更大，在硅片表面产生更薄的覆盖层。表面产生更薄的覆盖层。曝光速度、灵敏度和曝光源曝光速度、灵敏度和曝光源 一个主要的工艺参数就是反应发生的一个主要的工艺参数就是反应发生的速度速度，速度越快，在光刻蚀区域晶圆的加工速度就速度越快

13、，在光刻蚀区域晶圆的加工速度就越快。越快。负胶需要负胶需要5到到15秒的曝光时间，正胶需要它秒的曝光时间，正胶需要它的的3到到4倍的时间。倍的时间。灵敏度灵敏度是与导致聚合或者光溶解发生所需能是与导致聚合或者光溶解发生所需能量相关的。这种能量又和曝光源特定的波长量相关的。这种能量又和曝光源特定的波长有关。光刻胶的灵敏度是通过能够使基本的有关。光刻胶的灵敏度是通过能够使基本的反应开始所需的能量总和来衡量的。单位是反应开始所需的能量总和来衡量的。单位是mJ/cm2。曝光光源曝光光源 紫外光用于光刻胶的曝光时因为光刻胶材紫外光用于光刻胶的曝光时因为光刻胶材料与这个特定波长的光反应。波长也很重料与这个

14、特定波长的光反应。波长也很重要，因为较短的波长可以获得光刻胶上较要，因为较短的波长可以获得光刻胶上较小尺寸的分辨率。现今常用于光学光刻的小尺寸的分辨率。现今常用于光学光刻的两种紫外光源是：汞灯和准分子激光。两种紫外光源是：汞灯和准分子激光。除这些常用的光源外，还有除这些常用的光源外，还有X射线、电子束射线、电子束和离子束。和离子束。汞灯汞灯 高压汞灯作为紫外光源被使用在所用的常高压汞灯作为紫外光源被使用在所用的常规规I线步进光刻机上。在这种灯里，电流通线步进光刻机上。在这种灯里，电流通过装有氙汞气体的管子产生电弧放电。这过装有氙汞气体的管子产生电弧放电。这个电弧发射出一个特征光谱，包括个电弧发

15、射出一个特征光谱，包括240nm到到500nm之间有用的紫外辐射。之间有用的紫外辐射。汞灯强度峰汞灯强度峰UV光波长光波长描述符描述符CD分辨率分辨率436G线线0.5405H线线0.4365I线线0.35248深紫外深紫外DUV 0.25 曝光时常规的光刻胶与特定曝光时常规的光刻胶与特定UV波长有相应波长有相应的特定光谱响应。例如，用于的特定光谱响应。例如，用于CD特征尺寸特征尺寸0.35微米的酚醛树脂微米的酚醛树脂I线光刻胶就与线光刻胶就与365nm的的I线紫外光反应。线紫外光反应。考虑汞灯的发射光谱，考虑汞灯的发射光谱，248nm的深紫外发的深紫外发射是射是365nm的的I线发射强度的五

16、分之一。由线发射强度的五分之一。由于汞灯在深紫外波长的强度低，于汞灯在深紫外波长的强度低，I线光刻胶线光刻胶在在248nm下曝光要得到相同的效果，就需下曝光要得到相同的效果，就需要五倍的曝光时间。要五倍的曝光时间。I线光刻胶对深紫外光有过度的吸收，光不线光刻胶对深紫外光有过度的吸收，光不能渗透光刻胶，曝光图形差。能渗透光刻胶，曝光图形差。准分子激光准分子激光 使用它们的主要优点是可以在使用它们的主要优点是可以在248nm深紫外及以深紫外及以下波长提供较大的光强，因为汞灯在这些波长发下波长提供较大的光强，因为汞灯在这些波长发射效率很低。射效率很低。迄今惟一用于光学曝光的激光光源是准分子激光。迄今

17、惟一用于光学曝光的激光光源是准分子激光。准分子是不稳定分子，由惰性气体原子和卤素构准分子是不稳定分子，由惰性气体原子和卤素构成，例如氟化氩（成，例如氟化氩（ArF），这里分子只存在于准），这里分子只存在于准稳定激发态。稳定激发态。通常用于深紫外光刻胶的准分子激光器是波长通常用于深紫外光刻胶的准分子激光器是波长248nm氟化氪（氟化氪（KrF）激光器。）激光器。半导体光刻中使用的准分子激光器半导体光刻中使用的准分子激光器材料材料 波长波长（nm）最大输出最大输出(毫焦每脉毫焦每脉冲）冲）频率频率（脉冲（脉冲每秒）每秒）脉冲脉冲长度长度（ns)CD分分辨率辨率（um）KrF248300-15005

18、00250.25ArF193175-300400150.18F2157610200.15 工艺宽容度：对于光刻，高的工艺宽容度工艺宽容度：对于光刻，高的工艺宽容度意味着即使遇到所有工艺发生变化，在规意味着即使遇到所有工艺发生变化，在规定范围内也能达到关键尺寸。定范围内也能达到关键尺寸。工艺宽容度越宽，在晶圆表面达到所需尺工艺宽容度越宽，在晶圆表面达到所需尺寸的可能性就越大。寸的可能性就越大。针孔：是光刻胶层尺寸非常小的空穴，是针孔：是光刻胶层尺寸非常小的空穴，是有害的。可能是在涂胶工艺中由于环境中有害的。可能是在涂胶工艺中由于环境中的微粒污染物造成的，也可以是由光刻胶的微粒污染物造成的，也可以

19、是由光刻胶层结构上的空穴造成。层结构上的空穴造成。层越薄，针孔越多。厚膜针孔小，却降低层越薄，针孔越多。厚膜针孔小，却降低了光刻胶的分辨力。因此需要权衡。了光刻胶的分辨力。因此需要权衡。沾污和颗粒：必须严格控制微粒含量、钠沾污和颗粒：必须严格控制微粒含量、钠和微量金属杂质以及水含量。为控制沾污和微量金属杂质以及水含量。为控制沾污和颗粒，光刻胶供应商需严密地过滤和封和颗粒，光刻胶供应商需严密地过滤和封装程序，在涂光刻胶前，用带有薄膜的过装程序，在涂光刻胶前，用带有薄膜的过滤器，在使用之前就把光刻胶的污染控制滤器，在使用之前就把光刻胶的污染控制在最小。在最小。阶梯覆盖度：随着晶圆生产工艺的进行，阶

20、梯覆盖度：随着晶圆生产工艺的进行，在晶圆表面得到了很多层，对于光刻胶的在晶圆表面得到了很多层，对于光刻胶的阻隔刻蚀的作用，必须在以前层上面保持阻隔刻蚀的作用，必须在以前层上面保持足够的厚度。光刻胶用足够厚的膜覆盖晶足够的厚度。光刻胶用足够厚的膜覆盖晶圆表面层的能力是一个重要的参数。圆表面层的能力是一个重要的参数。热流程：热流程：在光刻工艺工程中有两个加热的过在光刻工艺工程中有两个加热的过程，第一个称为软烘焙，用来把光刻胶里的程，第一个称为软烘焙，用来把光刻胶里的溶剂蒸发掉。第二个称为硬烘焙，发生在光溶剂蒸发掉。第二个称为硬烘焙，发生在光刻胶层被显影之后，为了增加光刻胶对晶圆刻胶层被显影之后，为

21、了增加光刻胶对晶圆表面的黏结能力表面的黏结能力。然而，在硬烘焙过程中光刻胶可能会变软和然而，在硬烘焙过程中光刻胶可能会变软和流动。流动的量对最终的图形尺寸有重要影流动。流动的量对最终的图形尺寸有重要影响。工艺工程中必须考虑热流程带来的尺寸响。工艺工程中必须考虑热流程带来的尺寸变化。变化。光刻胶热流程越稳定，对工艺流程越有利。光刻胶热流程越稳定，对工艺流程越有利。表面张力：表面张力：指的是液体中将表面分子拉向指的是液体中将表面分子拉向液体主体内部的分子间吸引力液体主体内部的分子间吸引力。光刻胶具。光刻胶具有产生相对大的表面张力的分子间力，所有产生相对大的表面张力的分子间力，所以在不同的光刻工艺步

22、骤中光刻胶分子会以在不同的光刻工艺步骤中光刻胶分子会聚在一起，同时光刻胶的表面张力必须足聚在一起，同时光刻胶的表面张力必须足够小，从而在应用时提供良好的流动性和够小，从而在应用时提供良好的流动性和硅的覆盖性。硅的覆盖性。存储和传送：能量会激活光刻胶的化学性质，存储和传送：能量会激活光刻胶的化学性质，无论是光能还是热能，这就要求小心控制存无论是光能还是热能，这就要求小心控制存储和使用条件。储和使用条件。光刻胶使用褐色的瓶子来存储，彩色的玻璃光刻胶使用褐色的瓶子来存储，彩色的玻璃瓶也可以保护光刻胶，以免受杂散光的照射。瓶也可以保护光刻胶，以免受杂散光的照射。在超过存储期或较高的温度时，负胶会发生在

23、超过存储期或较高的温度时，负胶会发生交联，正胶会发生感光剂延迟。如果因为容交联，正胶会发生感光剂延迟。如果因为容器开口而使光刻胶中的溶剂挥发，那么其粘器开口而使光刻胶中的溶剂挥发，那么其粘度会改变。度会改变。8.4.3 正胶和负胶的比较正胶和负胶的比较 直到直到20世纪世纪70年代中期，负胶一直在光年代中期，负胶一直在光 刻工艺中占主导地位。刻工艺中占主导地位。到了到了20世纪世纪80年代，正胶才逐渐被接受。年代，正胶才逐渐被接受。这个转变需要改变掩模板的极性。这个转变需要改变掩模板的极性。正胶和暗场掩模板组合可以减少晶圆表面正胶和暗场掩模板组合可以减少晶圆表面附加的针孔。附加的针孔。负胶的另

24、一个问题是氧化。可使光刻胶膜负胶的另一个问题是氧化。可使光刻胶膜变薄变薄20%。正胶比负胶的成本高。正胶比负胶的成本高。两种光刻胶的显影属性不同，两种光刻胶的显影属性不同，负胶所用的负胶所用的显影液非常容易得到，聚合和非聚合区域显影液非常容易得到，聚合和非聚合区域的可溶性有很大不同。图形尺寸相对保持的可溶性有很大不同。图形尺寸相对保持恒定。恒定。正胶来说，聚合和非聚合区域的可溶性区正胶来说，聚合和非聚合区域的可溶性区别较小，显影液需要仔细调制，并且在显别较小，显影液需要仔细调制，并且在显影过程中需要进行温度的控制，加入溶解影过程中需要进行温度的控制，加入溶解阻止系统，控制显影过程中的图形尺寸阻

25、止系统，控制显影过程中的图形尺寸。光刻胶的去除，正胶比负胶容易，可以用光刻胶的去除，正胶比负胶容易，可以用受环境影响小的化学品去除。受环境影响小的化学品去除。生产先进的工艺会选择正胶生产先进的工艺会选择正胶，对于图形尺，对于图形尺寸大于寸大于2微米的工艺还在用负胶。微米的工艺还在用负胶。8.5 表面准备表面准备 为确保光刻胶能和晶圆表面很好黏贴，必为确保光刻胶能和晶圆表面很好黏贴，必须进行表面准备。由三个阶段来完成：须进行表面准备。由三个阶段来完成：8.5.1 微粒清除微粒清除清洗方法：高压氮气吹除清洗方法：高压氮气吹除 化学湿法清洗化学湿法清洗 旋转刷刷洗旋转刷刷洗 高压水流高压水流8.5.

26、2 脱水烘焙脱水烘焙 保持憎水性表面的两种方法保持憎水性表面的两种方法1.把室内湿度保持在把室内湿度保持在50%以下，并且在晶圆以下，并且在晶圆完成前一步工艺之后尽可能快地对晶圆进完成前一步工艺之后尽可能快地对晶圆进行涂胶行涂胶2.把晶圆存储在用干燥并且干净的氮气净化把晶圆存储在用干燥并且干净的氮气净化过的干燥器中过的干燥器中。为了使晶圆表面达到可接受的粘贴属性，为了使晶圆表面达到可接受的粘贴属性，一些附加的步骤被加入进来，包括脱水烘一些附加的步骤被加入进来，包括脱水烘焙和涂底胶。焙和涂底胶。脱水烘焙的三种温度范围脱水烘焙的三种温度范围1.在在150200温度范围内（低温），晶温度范围内（低温

27、），晶圆表面会被蒸发；圆表面会被蒸发；2.400（中温）时，与晶圆表面结合比较松（中温）时，与晶圆表面结合比较松的水分子会离开；的水分子会离开；3.超过超过750（高温）时，晶圆表面从化学性（高温）时，晶圆表面从化学性质上讲恢复到了憎水性条件。质上讲恢复到了憎水性条件。低温烘焙好处低温烘焙好处1.可通过热板、箱式对流传导或者真空烤箱达可通过热板、箱式对流传导或者真空烤箱达到；到；2.进行旋转工艺前不用花很长时间等待晶圆冷进行旋转工艺前不用花很长时间等待晶圆冷却，容易和旋转烘焙结合起来，形成脱水却，容易和旋转烘焙结合起来，形成脱水-旋旋转转-烘焙系统。烘焙系统。高温烘焙缺点高温烘焙缺点1.必须和

28、炉管反应炉结合，不利于旋转工艺。必须和炉管反应炉结合，不利于旋转工艺。2.高温会使晶圆内部掺杂结合处能够移动并且高温会使晶圆内部掺杂结合处能够移动并且晶圆表面的可移动离子污染物可以移入晶圆晶圆表面的可移动离子污染物可以移入晶圆内部，造成器件可靠性和功能问题。内部，造成器件可靠性和功能问题。8.5.3晶圆涂底胶（涂漆）晶圆涂底胶（涂漆）底胶的选择：底胶的选择：有很好的吸附能力并且要为正有很好的吸附能力并且要为正式涂漆提供一个平滑的表面。式涂漆提供一个平滑的表面。广泛应用的是六甲基乙硅烷（广泛应用的是六甲基乙硅烷（HMDS）方法有：方法有：1、沉浸式涂底胶、沉浸式涂底胶 2、旋转式涂底胶、旋转式涂

29、底胶 3、蒸气式涂底胶、蒸气式涂底胶前两种方法的缺点前两种方法的缺点1.HMDS与晶圆表面直接接触，增加了晶圆与晶圆表面直接接触，增加了晶圆被污染的危险。被污染的危险。2.涂完涂完HMDS要充分干燥，否则会溶解光刻要充分干燥，否则会溶解光刻胶层底部，干涉曝光、显影和刻蚀。胶层底部，干涉曝光、显影和刻蚀。3.HMDS比较贵，旋转涂胶过程中会造成大比较贵，旋转涂胶过程中会造成大量的量的HMDS损失。损失。以上问题可以通过蒸气式涂底胶来解决。以上问题可以通过蒸气式涂底胶来解决。两种常压，一个真空。两种常压，一个真空。8.6涂光刻胶涂光刻胶目的：在晶圆表面建立薄的、均匀的、并且没有缺目的：在晶圆表面建

30、立薄的、均匀的、并且没有缺陷的光刻胶膜。陷的光刻胶膜。普遍应用的涂胶方法是：旋转涂胶普遍应用的涂胶方法是：旋转涂胶四个基本步骤四个基本步骤 分滴分滴 旋转铺开旋转铺开 旋转甩掉旋转甩掉 溶剂挥发溶剂挥发光刻胶厚度与旋转速度对照光刻胶厚度与旋转速度对照 胶层的厚度与涂胶时的旋转速度有关，显胶层的厚度与涂胶时的旋转速度有关，显然然转速大胶层转速大胶层 薄薄另一方面胶层厚度与液另一方面胶层厚度与液态胶的粘度有关，在给定的转速下粘态胶的粘度有关，在给定的转速下粘 度大度大则胶层厚对于不同的光刻胶，即使在同则胶层厚对于不同的光刻胶，即使在同样的转速和相同的样的转速和相同的 粘度下所得的胶层厚度粘度下所得

31、的胶层厚度也有所不同也有所不同 8.6.1背面涂胶背面涂胶 为了保持晶圆背面的氧化物的存在。在正面为了保持晶圆背面的氧化物的存在。在正面涂胶完成之后，通过一个滚动机在晶圆背面涂胶完成之后，通过一个滚动机在晶圆背面进行涂胶。进行涂胶。要求：足够厚的光刻胶膜来阻隔刻蚀。要求：足够厚的光刻胶膜来阻隔刻蚀。8.7 软烘焙软烘焙 软烘焙是一种以蒸发掉光刻胶中一部分溶剂为软烘焙是一种以蒸发掉光刻胶中一部分溶剂为目的的加热过程。目的的加热过程。完成后，光刻胶还保持完成后，光刻胶还保持“软软”状状态。态。蒸发溶剂的原因蒸发溶剂的原因1、溶剂会吸光，干扰对光敏感的聚合物的正常化学、溶剂会吸光，干扰对光敏感的聚合

32、物的正常化学 反应反应2、帮助更好的和晶圆黏结、帮助更好的和晶圆黏结参数：时间和温度参数：时间和温度1.不完全烘焙会造成在曝光过程中图像成形不完全烘焙会造成在曝光过程中图像成形不完全和在刻蚀过程中造成多余的光刻胶不完全和在刻蚀过程中造成多余的光刻胶漂移。漂移。2.过分烘焙会造成光刻胶中的聚合物产生聚过分烘焙会造成光刻胶中的聚合物产生聚合反应，不与曝光光线反应合反应，不与曝光光线反应。软烘焙的时间和温度由光刻胶供应商提供。软烘焙的时间和温度由光刻胶供应商提供。负胶必须要在氮气中进行烘焙，正胶在空气负胶必须要在氮气中进行烘焙，正胶在空气中烘焙。中烘焙。软烘方法软烘方法:通过设备和三种热传递方法组合

33、来通过设备和三种热传递方法组合来完成。完成。1.传导：热量通过直接接触物体表面传递。传导：热量通过直接接触物体表面传递。热板是通过传导加热，传导过程中，热表热板是通过传导加热，传导过程中，热表面的振动原子使待加热的原子也振动起来，面的振动原子使待加热的原子也振动起来，通过它们之间的振动和碰撞，原子会变热。通过它们之间的振动和碰撞，原子会变热。2.对流：对流箱，将气体加热，然后利用鼓对流：对流箱，将气体加热，然后利用鼓风机或压力将气体推向一个空间，能量就风机或压力将气体推向一个空间，能量就传递给了物体。传递给了物体。3.辐射：电磁能量波在空间的传播。物体受辐射：电磁能量波在空间的传播。物体受到辐

34、射时，由波夹带着能量直接传递给了到辐射时，由波夹带着能量直接传递给了物体分子。物体分子。8.8 对准和曝光（对准和曝光（A&E）A&E的第一步是把所需图形在晶圆表的第一步是把所需图形在晶圆表面上定位或对准。第二步是通过曝光灯或面上定位或对准。第二步是通过曝光灯或其他辐射源将图形转移到光刻胶涂层上。其他辐射源将图形转移到光刻胶涂层上。8.8.1 对准系统的性能表现对准系统的性能表现对准系统包括两个子系统：对准系统包括两个子系统：1.一个是要把图形在晶圆表面准确定位一个是要把图形在晶圆表面准确定位2.另一个包括曝光光源和一个将辐射光线导另一个包括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。

35、向到晶圆表面上的机械装置。对准机选择标准对准机选择标准1.分辨力分辨力/分辨极限分辨极限2.对准精度对准精度3.污染等级污染等级4.可靠性可靠性5.产率产率6.总体所有权成本总体所有权成本8.8.2 对准与曝光系统对准与曝光系统 光刻机的种类表光刻机的种类表 包括光学和非光学两种类型。包括光学和非光学两种类型。光学光刻机采用紫外光作为光源，而非光光学光刻机采用紫外光作为光源，而非光学光刻机的光源来自电磁光谱的其他部分。学光刻机的光源来自电磁光谱的其他部分。从方法上看，从方法上看，这些不同的曝光方式大致可这些不同的曝光方式大致可归纳为两种情况一种是曝光源通过归纳为两种情况一种是曝光源通过 置于置

36、于样品上方的掩膜，把掩膜图形的像转移到样品上方的掩膜，把掩膜图形的像转移到样品的胶层中例如样品的胶层中例如 接触式的曝光另一种接触式的曝光另一种则是把曝光源聚成很细的束线，象一支笔则是把曝光源聚成很细的束线，象一支笔 尖，不需要掩膜版直接在样品上的胶层中尖，不需要掩膜版直接在样品上的胶层中写画成图形例如电写画成图形例如电 子束曝光子束曝光 6.8.3 曝光光源曝光光源 广泛使用的曝光光源是高压汞灯，产生的广泛使用的曝光光源是高压汞灯，产生的光为紫外光光为紫外光。8.8.4 对准法则对准法则第一个掩膜版的对准是把掩膜版上的第一个掩膜版的对准是把掩膜版上的Y轴与晶轴与晶圆平面上的平边成圆平面上的平

37、边成90度放置度放置。接下来的掩膜。接下来的掩膜都用对准标记与上一层带有图形的掩膜对准。都用对准标记与上一层带有图形的掩膜对准。对准误差，又称未对准。对准误差，又称未对准。1.X-Y方向位置错误方向位置错误2.转动转动3.伸入和伸出伸入和伸出 套准精度：是测量对准系统把版图套准到套准精度：是测量对准系统把版图套准到硅片上的能力硅片上的能力 套准容差：描述要形成的图形层和前层的套准容差：描述要形成的图形层和前层的最大相对位移，一般说来，套准容差大约最大相对位移，一般说来，套准容差大约是关键尺寸的是关键尺寸的1/3。8.8.5 光刻机的分类光刻机的分类 接触式光刻机接触式光刻机 已涂胶的硅片与玻璃

38、光刻掩膜版直接已涂胶的硅片与玻璃光刻掩膜版直接接触，片子被吸附在真空吸盘上，然后一接触，片子被吸附在真空吸盘上，然后一起上升直到片子与掩膜版之间约有几千克起上升直到片子与掩膜版之间约有几千克的压力。的压力。对准时需要真空吸盘作平动和转对准时需要真空吸盘作平动和转动，直到掩模版和片子的图形对准为止。动，直到掩模版和片子的图形对准为止。当掩膜版与晶圆对准后，由反射光和透镜当掩膜版与晶圆对准后，由反射光和透镜系统得到的平行紫外光穿过掩膜版照在光系统得到的平行紫外光穿过掩膜版照在光刻胶上。刻胶上。优点：分辨率高。优点：分辨率高。缺点：掩膜版与晶圆直接接触，会损坏较软缺点：掩膜版与晶圆直接接触，会损坏较

39、软的光刻胶层或掩膜版，对提高成品率不利。的光刻胶层或掩膜版，对提高成品率不利。掩膜版每曝光掩膜版每曝光15-25次就会被丢弃或清洁。次就会被丢弃或清洁。不然掩膜版与晶圆之间的尘埃会产生分辨率的不然掩膜版与晶圆之间的尘埃会产生分辨率的问题。问题。接近式光刻机接近式光刻机 接近式曝光除在曝光时硅片和掩模版接近式曝光除在曝光时硅片和掩模版之间有一个之间有一个1025微米宽的小间隙外，其微米宽的小间隙外，其他都和接触曝光非常相似。就是这个间隙他都和接触曝光非常相似。就是这个间隙可把掩模版的损伤减至最低限度（但不会可把掩模版的损伤减至最低限度（但不会消除）。接近曝光在菲涅耳衍射范围内工消除）。接近曝光在

40、菲涅耳衍射范围内工作，其分辨率与（作，其分辨率与（g）1/2 成正比，这里成正比，这里是是曝光波长，曝光波长，g是掩蔽膜与片子之间的间隙。是掩蔽膜与片子之间的间隙。接近曝光的分辨率为接近曝光的分辨率为24微米。微米。投影式曝光投影式曝光采用了一个带有狭缝的反射镜系统，狭缝挡采用了一个带有狭缝的反射镜系统，狭缝挡住了部分来自光源的光。狭缝使更加均匀的住了部分来自光源的光。狭缝使更加均匀的一部分光照射在反射镜系统上，然后又投影一部分光照射在反射镜系统上，然后又投影到晶圆上。由于狭缝的尺寸比晶圆小，光束到晶圆上。由于狭缝的尺寸比晶圆小，光束要在整个晶圆上扫描。这个系统有一个新的要在整个晶圆上扫描。这

41、个系统有一个新的参数需要控制：参数需要控制：扫描速度扫描速度。由于掩膜版上的。由于掩膜版上的图形尺寸与在晶圆表面想要得到的图形尺寸图形尺寸与在晶圆表面想要得到的图形尺寸相同，因此这种光刻机成为相同，因此这种光刻机成为1：1光刻机。光刻机。避免了掩膜版与硅片表面的摩擦，延避免了掩膜版与硅片表面的摩擦，延长了掩膜版的寿命。长了掩膜版的寿命。消除了由于掩膜版图形线宽过小而产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。表面接触不平整而产生的光散射现象。三个独特的优点：三个独特的优点：（1）它是通过缩小投影系统成像的，

42、因而可）它是通过缩小投影系统成像的，因而可以提高分辨率。用这种方法曝光，分辨率可以提高分辨率。用这种方法曝光，分辨率可达到达到11.5微米；微米；（2）不用）不用1:1精缩掩膜，因而掩膜尺寸大，制精缩掩膜，因而掩膜尺寸大，制作方便。由于使用了缩小透镜，原版上的尘作方便。由于使用了缩小透镜，原版上的尘埃、缺陷也相应的缩小，因而减小了原版缺埃、缺陷也相应的缩小，因而减小了原版缺陷的影响；陷的影响；（3）由于采用了逐步对准技术可补偿硅片尺寸）由于采用了逐步对准技术可补偿硅片尺寸的变化，提高了对准精度。逐步对准的方法的变化，提高了对准精度。逐步对准的方法 也可以降低对硅片表面平整度的要求。也可以降低对

43、硅片表面平整度的要求。X射线光刻射线光刻曝光光源是曝光光源是X射线。这种高能光束的波长小，射线。这种高能光束的波长小，能够形成很小的图形能够形成很小的图形。在在x射线曝光中要考虑胶对射线曝光中要考虑胶对x射线的吸收，同射线的吸收，同时还要考虑掩膜材料、窗口材料等对时还要考虑掩膜材料、窗口材料等对X射线的射线的吸收尽量少。吸收尽量少。缺点：为挡住高能光线，掩膜版必须用黄金缺点：为挡住高能光线，掩膜版必须用黄金或其他材料制造。另外，开发适合或其他材料制造。另外，开发适合X射线射线的高性能光刻胶的过程相当缓慢。的高性能光刻胶的过程相当缓慢。电子束光刻机电子束光刻机电子束曝光是指具有一定能量的电子进入

44、到电子束曝光是指具有一定能量的电子进入到光刻胶中与胶分子相互作用，并产生光化学光刻胶中与胶分子相互作用，并产生光化学反应。反应。所需图形从计算机生成，因此没有掩所需图形从计算机生成，因此没有掩膜版。膜版。束流通过偏转子系统对准表面特定位束流通过偏转子系统对准表面特定位置，然后在将要曝光的光刻胶上开启电子置，然后在将要曝光的光刻胶上开启电子束，并在电子束下移动，从而得到整个表面束，并在电子束下移动，从而得到整个表面的曝光。这种对准和曝光技术叫做直写。的曝光。这种对准和曝光技术叫做直写。集成电路制造中用电子束光刻来转移图形有集成电路制造中用电子束光刻来转移图形有几个优点：几个优点：1.能够制出比能

45、够制出比1微米还要小的抗刻微米还要小的抗刻蚀的几何图形；蚀的几何图形；2.片子可以不用掩模版直接片子可以不用掩模版直接制作；制作；3.可以实现高度自动化；可以实现高度自动化；4.电子束比光电子束比光学的光刻系统具有更大的焦深；学的光刻系统具有更大的焦深；5.电子束可电子束可以用来检测硅片上的图形，这种功能可以用以用来检测硅片上的图形，这种功能可以用来极精确地进行层与层之间的对准定位。来极精确地进行层与层之间的对准定位。焦深为焦点深度的简称，即在使用显微镜焦深为焦点深度的简称，即在使用显微镜时，当焦点对准某一物体时，不仅位于该时，当焦点对准某一物体时，不仅位于该点平面上的各点都可以看清楚，而且在

46、此点平面上的各点都可以看清楚，而且在此平面的上下一定厚度内，也能看得清楚，平面的上下一定厚度内，也能看得清楚，这个清楚部分的厚度就是焦深。焦深大这个清楚部分的厚度就是焦深。焦深大,可可以看到被检物体的全层，而焦深小，则只以看到被检物体的全层，而焦深小，则只能看到被检物体的一薄层。能看到被检物体的一薄层。NA是镜头的孔径数值是镜头的孔径数值2)(2NA 焦深也就是景深，通常用在摄影工作中表焦深也就是景深，通常用在摄影工作中表明相机透镜容许的聚焦范围。当数值孔径明相机透镜容许的聚焦范围。当数值孔径增加后，透镜就可以捕获更多的光学细节增加后，透镜就可以捕获更多的光学细节并且系统的分辨能力也增加了。焦

47、深方程并且系统的分辨能力也增加了。焦深方程的含义是如果分辨率提高了那么焦深就会的含义是如果分辨率提高了那么焦深就会减小。减小。分辨率和焦深的对应关系分辨率和焦深的对应关系 在光刻中，对图像质量起关键作用的两个在光刻中，对图像质量起关键作用的两个因素是分辨率和焦深。既要获得更好的分因素是分辨率和焦深。既要获得更好的分辨率来形成关键尺寸的图形，又要保持合辨率来形成关键尺寸的图形，又要保持合适的焦深。影响硅片水平放置、平稳和透适的焦深。影响硅片水平放置、平稳和透镜焦面水平的光刻设备和工艺的任何方面镜焦面水平的光刻设备和工艺的任何方面都将影响曝光过程的聚焦质量。如果图像都将影响曝光过程的聚焦质量。如果

48、图像平面在光刻胶中最佳焦面以外，质量就会平面在光刻胶中最佳焦面以外，质量就会变差。变差。缺点：电子束光刻设备的问题主要是工作缺点：电子束光刻设备的问题主要是工作速度太慢，他每小时只能生产约速度太慢，他每小时只能生产约5片分辨率片分辨率小于小于1微米的硅片。这当然无法与每小时生微米的硅片。这当然无法与每小时生产产40片分辨率为片分辨率为1.5微米硅片的光学设备的微米硅片的光学设备的产量在经济上相匹敌的。产量在经济上相匹敌的。曝光方式比较曝光方式比较 小结小结 集成电路发展中非常突出的特征是元器件集成电路发展中非常突出的特征是元器件加工的尺寸愈细，加工的尺寸愈细，一个芯片上包括的元件一个芯片上包括

49、的元件数愈多，则电路的价格愈便宜，可靠性愈数愈多，则电路的价格愈便宜，可靠性愈 高，即集成电路是通过技术的进步提高它高，即集成电路是通过技术的进步提高它的性能、价格比在缩小的性能、价格比在缩小 器件尺寸的贡献器件尺寸的贡献中，光刻是最核心的工艺技术本节介绍中，光刻是最核心的工艺技术本节介绍的几的几 种光刻方法，在集成电路发展的各个种光刻方法，在集成电路发展的各个阶段，都在大量生产中发挥阶段，都在大量生产中发挥 过或将要发挥过或将要发挥重要作用重要作用接触型曝光国际上一直沿用到七十年代中接接触型曝光国际上一直沿用到七十年代中接近式曝光在七十年代中、后期应用较广投影近式曝光在七十年代中、后期应用较

50、广投影曝光在七十曝光在七十 年代中期得到应用，目前已成为年代中期得到应用，目前已成为主要的生产装置，但在技术上则有主要的生产装置，但在技术上则有 大幅度改大幅度改进和变化。早期的投影曝光是全硅片一次曝进和变化。早期的投影曝光是全硅片一次曝光现在光现在 硅片尺寸已达到硅片尺寸已达到150mm，而最细曝，而最细曝光线条已小于光线条已小于l微米，一次曝微米，一次曝 光已非常困难。光已非常困难。普遍采用多次重复曝光来完成，即所谓普遍采用多次重复曝光来完成，即所谓DSW的的 方法方法 光刻线条采用亚微米的尺寸，在实验室中正光刻线条采用亚微米的尺寸，在实验室中正在开发，即将过在开发，即将过 渡到工业生产亚