第七章-光刻刻蚀课件.ppt

1、1第七章第七章 光刻光刻PhotolithographyPhotolithography2 光刻是光刻是ICIC制造业中最为重要的一道工艺制造业中最为重要的一道工艺,占据了芯片制造中大约占据了芯片制造中大约一半一半的步骤的步骤.光刻光刻占所有占所有成本的成本的35%35%通常可通常可用用光刻次数光刻次数及所需及所需掩模的个数掩模的个数来表示某生产来表示某生产工艺的难易程度。工艺的难易程度。一个典型的硅集成电路工艺包括一个典型的硅集成电路工艺包括1520块掩膜版块掩膜版3 集成电路的集成电路的特征尺寸特征尺寸是否能够进一步是否能够进一步减小，也与减小，也与光刻技术光刻技术的进一步发展有密切的进一

2、步发展有密切的关系。的关系。通常人们用通常人们用特征尺寸特征尺寸来评价一个集成来评价一个集成电路生产线的技术水平电路生产线的技术水平。所谓所谓特征尺寸（特征尺寸（CDCD：characteristic dimensioncharacteristic dimension）是指设计的多晶硅栅长，它标志了器件工艺的总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。体水平，是设计规则的主要部分。通常我们所说的通常我们所说的0.13 m,0.09 m工艺就是工艺就是 指的光刻技术所能达到最小线条的工艺。指的光刻技术所能达到最小线条的工艺。4 光刻的定义光刻的定义光刻是一种光刻是一

3、种图形复印图形复印和和化学腐蚀化学腐蚀相结合的精相结合的精密表面加工技术。用照相复印的方法密表面加工技术。用照相复印的方法将掩模将掩模版上的图案转移到硅片表面的光刻胶版上的图案转移到硅片表面的光刻胶上，以上，以实现后续的有选择实现后续的有选择刻蚀或注入掺杂刻蚀或注入掺杂 光刻的目的光刻的目的：光刻的目的就是在二氧化硅或金属薄膜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，上面刻蚀出与掩膜版完全对应的几何图形，把掩模版把掩模版上的图形转换成晶圆上的器件结构上的图形转换成晶圆上的器件结构,从而实现从而实现选择性扩选择性扩散散和和金属薄膜布线金属薄膜布线的目的。的目的。5两

4、次图形转移：两次图形转移：掩模板图形转移到光刻胶层掩模板图形转移到光刻胶层（光刻）（光刻）光刻胶层到晶圆层光刻胶层到晶圆层（刻蚀）（刻蚀）6光刻的要求光刻的要求n对光刻的基本要求：对光刻的基本要求：（1）高分辨率高分辨率（2）高灵敏度高灵敏度（3）精密的套刻对准精密的套刻对准（4）大尺寸硅片上的加工大尺寸硅片上的加工（5）低缺陷低缺陷 7n1.高分辨率高分辨率n分辨率是将硅片上两个邻近的特征图形区分开来的分辨率是将硅片上两个邻近的特征图形区分开来的能力，即能力，即对光刻工艺中可以达到的最小光刻图形尺对光刻工艺中可以达到的最小光刻图形尺寸寸的一种描述，是光刻精度和清晰度的标志之一。的一种描述，是

5、光刻精度和清晰度的标志之一。n随着集成电路的集成度提高，加工的线条越来越随着集成电路的集成度提高，加工的线条越来越细，细，对分辨率的要求也越来越高。对分辨率的要求也越来越高。n通常以每毫米内能刻蚀出可分辨的最多线条数目来通常以每毫米内能刻蚀出可分辨的最多线条数目来表示。表示。R=1/2LR=1/2L（线宽和线与线间空白宽度均为（线宽和线与线间空白宽度均为L L）8n2.2.高灵敏度高灵敏度n灵敏度是指光刻胶感光的速度。灵敏度是指光刻胶感光的速度。为了提高为了提高产量产量,要求光刻周期越短越好，这就要求要求光刻周期越短越好，这就要求曝光时间越短越好，也就要求高灵敏度。曝光时间越短越好，也就要求高

6、灵敏度。n3.3.精密的套刻对准精密的套刻对准n集成电路制作需要十多次甚至几十次光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。刻，每次光刻都要相互套准。n由于图形的特征尺寸在亚微米数量级上，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。要求套刻误差因此，对套刻要求很高。要求套刻误差在特征尺寸的在特征尺寸的1010左右。左右。9n4.大尺寸硅片的加工大尺寸硅片的加工n提高了经济效益提高了经济效益n但是要在大面积的晶圆上实现均匀的胶膜涂覆，但是要在大面积的晶圆上实现均匀的胶膜涂覆，均匀感光，均匀显影，比较困难均匀感光，均匀显影，比较困难n高温会引起晶圆的形变，需要对高温

7、会引起晶圆的形变，需要对周围环境的温度周围环境的温度控制要求十分严格，控制要求十分严格，否则会影响光刻质量否则会影响光刻质量5.低缺陷低缺陷缺陷会使电路失效，因此应该尽量减少缺陷缺陷会使电路失效，因此应该尽量减少缺陷10n正光刻胶正光刻胶(Positive optical resist)n负光刻胶负光刻胶(Negative optical resist)Resists are organic polymers that are spun onto wafersand prebaked to produce a film 0.5-1 m thick.光刻胶又称光刻胶又称光致抗蚀剂光致抗蚀剂(Ph

8、oto-Resist)，根根据光刻胶在曝光前后溶解特性的变化，据光刻胶在曝光前后溶解特性的变化，有有7.1 关于光致抗蚀剂关于光致抗蚀剂11正性光刻胶正性光刻胶Positive Optical Resistv正胶的光化学性质是从抗正胶的光化学性质是从抗溶解到可溶性。溶解到可溶性。v正胶曝光后显影时感光的正胶曝光后显影时感光的胶层溶解了。胶层溶解了。v现有现有VLSI工艺都采用正胶工艺都采用正胶 12正胶机制正胶机制曝光使感光材料曝光使感光材料(PAC)中中分子裂解分子裂解，被裂解的分子在显被裂解的分子在显影液中很易溶解，影液中很易溶解，从而与未曝光部分从而与未曝光部分形成强烈反差。形成强烈反差

9、。13负性光刻胶负性光刻胶 Negative Optical resistn负胶的光学性能是从可溶负胶的光学性能是从可溶解性到不溶解性。解性到不溶解性。n负胶在曝光后发生负胶在曝光后发生交链作交链作用用形成网络结构，在显影形成网络结构，在显影液中很少被溶解，而未被液中很少被溶解，而未被曝光的部分充分溶解。曝光的部分充分溶解。14 小结：小结：正性和负性光刻胶正性和负性光刻胶 正性光刻胶正性光刻胶受光或紫外线照射后受光或紫外线照射后感光的部分发感光的部分发生光分解反应，可溶于显影液生光分解反应，可溶于显影液，未感光的部分显，未感光的部分显影后仍然留在晶圆的表面影后仍然留在晶圆的表面 负性光刻胶负

10、性光刻胶的的未感光部分溶于显影液中未感光部分溶于显影液中，而感，而感光部分显影后仍然留在基片表面。光部分显影后仍然留在基片表面。正胶：曝光前不可溶，曝光后正胶：曝光前不可溶，曝光后 可溶可溶负胶：曝光前负胶：曝光前 可溶，曝光后不可溶可溶，曝光后不可溶 光刻胶对大部分可见光敏感，光刻胶对大部分可见光敏感，对黄光不敏感。对黄光不敏感。因此光刻通常在因此光刻通常在黄光室黄光室（Yellow Room）内进行。）内进行。15負光阻負光阻正光阻正光阻16负胶负胶正胶正胶IC主导主导正胶分辨率高于负胶正胶分辨率高于负胶17光刻胶由光刻胶由4 4种成分组成：种成分组成：树脂（聚合物材料）树脂（聚合物材料）

11、感光剂感光剂溶剂溶剂添加剂（备选）添加剂（备选）光刻胶的组成材料光刻胶的组成材料18树脂树脂 树脂是一种惰性的树脂是一种惰性的聚合物聚合物，包括，包括碳、氢、氧碳、氢、氧的有机高的有机高分子。用于把光刻胶中的不同材料聚在一起的粘合剂。分子。用于把光刻胶中的不同材料聚在一起的粘合剂。对负性胶，聚合物曝光后会由非聚合状态变为聚对负性胶，聚合物曝光后会由非聚合状态变为聚合状态合状态。在大多数在大多数负性胶负性胶里面，聚合物是里面，聚合物是聚异戊二烯聚异戊二烯类类型。是一种相互粘结的物质型。是一种相互粘结的物质抗刻蚀的物质抗刻蚀的物质，如图所，如图所示。示。双键未聚合的聚合的能量CHCHCHCH(a)

12、(b)19 正性胶正性胶的基本聚合物是的基本聚合物是苯酚甲醛苯酚甲醛聚合物，也称聚合物，也称为为苯酚甲醛树脂苯酚甲醛树脂。如图所示。如图所示。在光刻胶中聚合物是相对不可溶的，用适当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。这种反应称为能量的光照后变成可溶状态。这种反应称为光溶解光溶解反应反应邻位（和）26间位（和）34间甲酚甲醛对位（）420n固体有机材料（胶膜的主体）固体有机材料（胶膜的主体）nUVUV曝光后发生光化学反应，溶解性质发生改变曝光后发生光化学反应，溶解性质发生改变n正胶从不可溶到可溶正胶从不可溶到可溶n负胶从可溶到不可溶负胶从可溶到不可溶树脂树脂21n光刻

13、胶中的光刻胶中的感光剂是光刻胶材料中的光敏感光剂是光刻胶材料中的光敏成分。成分。即对光能发生化学反应。即对光能发生化学反应。n如果聚合物中不添加感光剂，那么它对光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，添加特的敏感性差，而且光谱范围较宽，添加特定的感光剂后，可以定的感光剂后，可以增加感光灵敏度增加感光灵敏度，而，而且且限制反应光的光谱范围，或者把反应光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。限制在某一波长的光。2223n溶剂溶剂 光刻胶中容量最大的成分是溶剂。光刻胶中容量最大的成分是溶剂。添加溶剂添加溶剂的目的是光刻胶处于液态，的目的是光刻胶处于液态，以

14、便使光刻胶能以便使光刻胶能够通过旋转的方法涂在晶园表面。够通过旋转的方法涂在晶园表面。绝大多数的溶剂在曝光前挥发，对于光刻胶绝大多数的溶剂在曝光前挥发，对于光刻胶的光化学性质几乎没有影响。的光化学性质几乎没有影响。溶解聚合物溶解聚合物 经过旋转涂布可得到薄光刻胶膜经过旋转涂布可得到薄光刻胶膜24n添加剂添加剂 光刻胶中的光刻胶中的添加剂通常是专有化学品添加剂通常是专有化学品，成份由制，成份由制造商开发，但是造商开发，但是由于竞争原因不对外公布由于竞争原因不对外公布。主要在光刻胶薄膜中主要在光刻胶薄膜中用来改变光刻胶的特定化学用来改变光刻胶的特定化学性质或光响应特性。性质或光响应特性。如添加染色

15、剂以减少反射。如添加染色剂以减少反射。257.2 7.2 光刻工艺光刻工艺2627n 为确保光刻胶能和晶园表面很好粘结，必须为确保光刻胶能和晶园表面很好粘结，必须进行表面处理进行表面处理，包括三个阶段：，包括三个阶段：微粒清除、微粒清除、脱水和涂底胶。脱水和涂底胶。1 1 气相成底膜处理气相成底膜处理28第一步第一步:微粒清除微粒清除 目的：目的：清除掉晶圆在存储、装载和卸载到片匣过程中吸清除掉晶圆在存储、装载和卸载到片匣过程中吸附到的一些颗粒状污染物。附到的一些颗粒状污染物。清除方法：清除方法：1）高压氮气吹除）高压氮气吹除 2）化学湿法清洗：酸清洗和烘干。）化学湿法清洗：酸清洗和烘干。3）

16、旋转刷刷洗）旋转刷刷洗 4）高压水流喷洗）高压水流喷洗29第二步第二步:脱水烘焙脱水烘焙 目的：干燥晶圆表面，增加表面粘附性。目的：干燥晶圆表面，增加表面粘附性。经过清洁处理后的晶园表面可能会含有经过清洁处理后的晶园表面可能会含有一定的水分一定的水分（亲水性表面）（亲水性表面），所以必须脱，所以必须脱水烘焙使其达到清洁干燥水烘焙使其达到清洁干燥（憎水性表面）（憎水性表面），以便增加光刻胶和晶园表面的黏附能力。以便增加光刻胶和晶园表面的黏附能力。30第三步第三步 晶圆涂底胶晶圆涂底胶n1.1.增强光刻胶和晶圆的粘附力的方法：增强光刻胶和晶圆的粘附力的方法：nA A：脱水烘焙：脱水烘焙 B B：涂

17、底胶：涂底胶n2.2.用用hexamethyldisilazanehexamethyldisilazane（HMDSHMDS）进行成膜处理）进行成膜处理 (HMDS:(HMDS:六甲基乙硅烷六甲基乙硅烷)n3.3.要求：要求：在晶圆表面建立在晶圆表面建立薄的、均匀的、并且没有缺陷的薄的、均匀的、并且没有缺陷的光光刻胶膜刻胶膜31四个步骤四个步骤n1.分滴：分滴：当硅片静止或者旋转的非常慢时，光当硅片静止或者旋转的非常慢时，光刻胶被分滴在硅片上刻胶被分滴在硅片上n2.旋转铺开：旋转铺开：快速加速硅片使光刻胶伸展到整快速加速硅片使光刻胶伸展到整个硅片表面个硅片表面 n3.旋转甩掉：旋转甩掉：甩掉多

18、于的光刻胶，在硅片上得甩掉多于的光刻胶，在硅片上得到均匀的光刻胶胶膜覆盖层。到均匀的光刻胶胶膜覆盖层。n4.溶剂挥发：溶剂挥发：以固定转速继续旋转涂胶的硅片，以固定转速继续旋转涂胶的硅片，直到溶剂挥发，光刻胶胶膜几乎干燥直到溶剂挥发，光刻胶胶膜几乎干燥2.2.旋转涂胶旋转涂胶（Spin-on PR CoatingSpin-on PR Coating）323.软烘（软烘（soft baking）n因为因为光刻胶是一种粘稠体光刻胶是一种粘稠体，所以涂胶结束后，所以涂胶结束后并不能直接并不能直接进行曝光进行曝光，必须经过烘焙，使光刻胶中的溶剂蒸发。烘，必须经过烘焙，使光刻胶中的溶剂蒸发。烘焙后的光刻

19、胶仍然保持焙后的光刻胶仍然保持“软软”状态。但和晶园的粘结更状态。但和晶园的粘结更加牢固。加牢固。n目的目的:去除光刻胶中的溶剂。去除光刻胶中的溶剂。蒸发溶剂的原因：蒸发溶剂的原因：1 1）溶剂吸收光，干扰了曝光中聚合物的化学反应。）溶剂吸收光，干扰了曝光中聚合物的化学反应。2 2）蒸发溶剂增强光刻胶和晶圆的粘附力。）蒸发溶剂增强光刻胶和晶圆的粘附力。33 时间和温度时间和温度是软烘焙的参数，是软烘焙的参数，不完全的烘焙不完全的烘焙在曝光过程中在曝光过程中造成图像形成不完整造成图像形成不完整和和在刻蚀过程中造成多余的在刻蚀过程中造成多余的光刻胶漂移；光刻胶漂移；过分烘焙过分烘焙会造成光刻胶中的

20、会造成光刻胶中的聚合物产生聚合反应，聚合物产生聚合反应，并且不与曝光射线反应并且不与曝光射线反应，影响曝光。，影响曝光。344.对准和曝光对准和曝光（Alignment）（Exposure）n对准是将掩膜版与对准是将掩膜版与与与前道工序中前道工序中已刻在硅片上已刻在硅片上的的图形对准图形对准n曝光是对准以后，将掩膜版和硅片曝光，曝光是对准以后，将掩膜版和硅片曝光，把掩把掩膜版图形转移到涂胶的硅片上膜版图形转移到涂胶的硅片上,实现图形复制。实现图形复制。355.5.曝光后烘烤（曝光后烘烤（PEBPEB）（PEBPEB，Post Exposure BakingPost Exposure Bakin

21、g）n目的：目的：促进光刻胶的化学反应，促进光刻胶的化学反应，提高提高光刻光刻胶的胶的粘附性并减少驻波。粘附性并减少驻波。36n 显影液溶解部分光刻胶显影液溶解部分光刻胶n 将掩膜上的图形转移到光刻胶上将掩膜上的图形转移到光刻胶上6.显影显影（Development）三个基本步骤三个基本步骤:显影清洗干燥显影清洗干燥37na、显影不完全、显影不完全（Incomplete Development）。表面。表面还残留有光刻胶。显影液不足造成；还残留有光刻胶。显影液不足造成；nb、显影不够（、显影不够（Under Development）。显影的侧壁不垂直，由显影时间不足造成；显影的侧壁不垂直，由显

22、影时间不足造成；nc、过度显影（、过度显影（Over Development）。靠近表面的光刻胶被显影液过度溶解，形成台阶。靠近表面的光刻胶被显影液过度溶解，形成台阶。显影时间太长显影时间太长 显影的三个主要类型的问题显影的三个主要类型的问题：不完全显影不完全显影 显影不足显影不足 严重过显影。严重过显影。383940负光刻胶负光刻胶（Negative PR）显影）显影 1）显影剂显影剂（developer solution）：二甲苯：二甲苯 2）冲洗化学品）冲洗化学品（rinse）：n-丁基醋酸盐丁基醋酸盐 作用：快速稀释显影液，冲洗光刻胶作用：快速稀释显影液，冲洗光刻胶 正光刻胶正光刻胶（

23、Positive PR）显影显影 1）显影剂：碱水溶液，氢氧化钠或氢氧化钾；）显影剂：碱水溶液，氢氧化钠或氢氧化钾；2）冲洗剂：水）冲洗剂：水 正胶的正胶的显影工艺更加敏感，显影工艺更加敏感，分辨率更高。分辨率更高。正胶和负胶的显影正胶和负胶的显影41显影方法显影方法显影方式分为：显影方式分为：湿法显影湿法显影 干法（等离子）显影干法（等离子）显影n干法显影：干法显影：液体工艺的自动化程度不高，并且液体工艺的自动化程度不高，并且化学品的采购、存储、控制和处理费用昂贵，化学品的采购、存储、控制和处理费用昂贵，取代液体化学显影的途径是取代液体化学显影的途径是使用等离子体刻蚀使用等离子体刻蚀工艺，工

24、艺，该工艺现已非常成熟。在此工艺中，离该工艺现已非常成熟。在此工艺中，离子从等离子体场得到能量，以化学形式分解暴子从等离子体场得到能量，以化学形式分解暴露的晶园表面层。干法光刻显影露的晶园表面层。干法光刻显影要求光刻胶化要求光刻胶化学物的曝光或未曝光的之一学物的曝光或未曝光的之一易于易于被氧等离子体被氧等离子体去除。去除。42n方法：方法：热板，温度在热板，温度在120120到到150 150，烘烤，烘烤1 12 2分钟分钟 （比软烘温度高，但是也不能太高比软烘温度高，但是也不能太高，否则光刻胶就，否则光刻胶就会流动从而破坏图形）会流动从而破坏图形）n目的：目的：na a、完全蒸发掉光刻胶里面

25、的溶剂，以免污染后续的离子、完全蒸发掉光刻胶里面的溶剂，以免污染后续的离子注入环境（例如注入环境（例如DNQDNQ酚醛树脂光刻胶中的氮会引起光刻胶局酚醛树脂光刻胶中的氮会引起光刻胶局部爆裂，使光刻胶颗粒分散到硅片表面）部爆裂，使光刻胶颗粒分散到硅片表面）nb b、坚膜，以提高光刻胶在离子注入或刻蚀中保护下表面、坚膜，以提高光刻胶在离子注入或刻蚀中保护下表面的能力；的能力；nc c、进一步增强光刻胶与硅片表面之间的黏附性；、进一步增强光刻胶与硅片表面之间的黏附性；7.7.坚膜烘焙（后烘，硬烘）坚膜烘焙（后烘，硬烘）后烘后烘Postbaking；硬烘（；硬烘（Hard Baking）43n烘焙工艺

26、烘焙工艺 时间和温度时间和温度仍然是主要的仍然是主要的工艺参数，工艺参数，一般是制造商推一般是制造商推荐，工艺工程师精确调整荐，工艺工程师精确调整n 常见问题常见问题：na、烘烤不足、烘烤不足（Underbake）。）。减弱光刻胶的强度减弱光刻胶的强度（抗刻蚀能力和离子注入中的阻挡能力）；降低与基（抗刻蚀能力和离子注入中的阻挡能力）；降低与基底的黏附能力。底的黏附能力。nb、烘烤过度（、烘烤过度（Overbake）。）。引起光刻胶的流动，使引起光刻胶的流动，使图形精度降低，分辨率变差。图形精度降低，分辨率变差。光刻胶在高温下的流动光刻胶在高温下的流动44n显影检验显影检验 光刻工艺的光刻工艺的

27、第一次质检，第一次质检，任何一次工艺过后都要进行检任何一次工艺过后都要进行检验，经检验合格的晶园流入下一道工艺，验，经检验合格的晶园流入下一道工艺，对显影检验不对显影检验不合格的晶园可以返工重新曝光、显影合格的晶园可以返工重新曝光、显影。n显影检验的内容显影检验的内容 图形尺寸上的偏差，定位不准的图形，表面问题（光图形尺寸上的偏差，定位不准的图形，表面问题（光刻胶的污染、空洞或划伤），以及污点和其他的表面不刻胶的污染、空洞或划伤），以及污点和其他的表面不规则等。规则等。8.8.显影后检查显影后检查45图形检查图形检查n 合格的硅片将被去除光刻胶返工合格的硅片将被去除光刻胶返工n 光刻胶的图形是

28、临时性的光刻胶的图形是临时性的n 刻蚀和注入后的图形是永久的刻蚀和注入后的图形是永久的.n 光刻是可以返工的光刻是可以返工的n 刻蚀和注入后刻蚀和注入后能返工能返工46n光刻技术的主体是光刻技术的主体是光刻机（曝光机、对准机），光刻机（曝光机、对准机），它是它是将掩模版上的图形与前道工序中已刻在硅片上的图形将掩模版上的图形与前道工序中已刻在硅片上的图形对准对准后，再对硅片表面的光刻胶进行后，再对硅片表面的光刻胶进行曝光曝光实现图形复实现图形复制的设备。制的设备。n光刻机的三个主要性能指标光刻机的三个主要性能指标:1.1.分辨率：分辨率：是可以曝光出来的最小特征尺寸。通常指是可以曝光出来的最小特

29、征尺寸。通常指能分辨的并能保持一定尺寸容差的最小特征尺寸物理能分辨的并能保持一定尺寸容差的最小特征尺寸物理上的上的极限分辨率为极限分辨率为/2/2。2.2.套刻精度：套刻精度：是层间图形对准偏差的统计性度量，主是层间图形对准偏差的统计性度量，主要取决于光刻系统的图形定位和（掩模版和硅片的）要取决于光刻系统的图形定位和（掩模版和硅片的）支撑平台的移动控制精度。要求支撑平台的移动控制精度。要求套刻精度的上限不超套刻精度的上限不超过分辨率的过分辨率的1/51/31/51/3。3.3.产率：产率：指每小时可加工的硅片数，是判断光刻系统指每小时可加工的硅片数，是判断光刻系统性能的一个重要的指标，直接性能

30、的一个重要的指标，直接决定了集成电路芯片的决定了集成电路芯片的制造成本。制造成本。光刻机光刻机47n光刻机的两大类型，即光刻机的两大类型，即光学光刻机和非光学光刻机，光学光刻机和非光学光刻机，如图所示。如图所示。光学光学 光刻机光刻机采用采用紫外紫外 线作为光源，线作为光源，而而 非光学光刻机非光学光刻机的的 光源则来自光源则来自电磁电磁 光谱的其他成分光谱的其他成分。光刻机的种类光学接触式非光学X线射电子束接近式投影式步进式光刻机的主要组成：光刻机的主要组成：曝光光源曝光光源、光学系统和支撑定位平台、光学系统和支撑定位平台48曝光光源一般要求：曝光光源一般要求：短波长（波长越短，可曝光的特征

31、尺寸越小）短波长（波长越短，可曝光的特征尺寸越小）高强高强 （为了保持合适的曝光时间）（为了保持合适的曝光时间）高稳定性高稳定性光源的产生：光源的产生：高压汞灯高压汞灯 准分子激光器准分子激光器 X X射线射线 电子束电子束49n汞灯光源汞灯光源在在可见光和近紫可见光和近紫外是有效的辐照源外是有效的辐照源n曝光光源从最初的紫外光曝光光源从最初的紫外光波段的波段的多波长多波长汞灯光源，汞灯光源，发展到发展到G G线光源、线光源、9090年代年代中期，采用中期，采用I I线光源的光线光源的光刻机刻机成为主流机型。成为主流机型。常见光源常见光源有：有：汞灯和准分子激光汞灯和准分子激光。另外，在先进或

32、某些特殊场合也会用到其他曝光手段，另外，在先进或某些特殊场合也会用到其他曝光手段，如如X X射线、电子束和离子束等。射线、电子束和离子束等。50n为获得更高的清晰度，光刻胶被设计成为获得更高的清晰度，光刻胶被设计成只与只与汞灯汞灯光谱中光谱中很窄一段波长的光很窄一段波长的光（称为（称为深紫外区或深紫外区或DUVDUV）反应。反应。n在在深紫外深紫外（DUVDUV，波长范围，波长范围180nm180nm330nm330nm）波段）波段范围内，范围内，准分子激光是最亮的光源准分子激光是最亮的光源。n主要优点：主要优点：输出的光波波长短，强度高，数个脉输出的光波波长短，强度高，数个脉冲就可以完成图形

33、的曝光要求冲就可以完成图形的曝光要求n目前的主流技术中采用的是目前的主流技术中采用的是深紫外波段的深紫外波段的KrFKrF准准分子激光光源和分子激光光源和ArFArF准分子激光光源准分子激光光源n157nm157nm的的F2F2准分子激光光源准分子激光光源和和极紫外光（极紫外光（EUVEUV，波，波长在长在100nm100nm以下）光源以下）光源51超超UV光刻光刻 (EUV:extreme ultraviolet)真空真空UV光刻光刻 （VUV:vacuum ultraviolet）5253非光学光刻技术非光学光刻技术nX-Ray光刻光刻n电子束电子束(Ebeam)光刻光刻n离子束离子束(I

34、onbeam)54曝光方法曝光方法n由于由于曝光光源曝光光源的不同的不同,曝光分为曝光分为光学曝光光学曝光,X,X射线曝光射线曝光,电子束曝光和离子束曝光电子束曝光和离子束曝光n在在光学曝光光学曝光中中,由于由于掩膜版的位置不同掩膜版的位置不同,又分为又分为接触式接触式曝光曝光,接近式曝光和投影式曝光接近式曝光和投影式曝光.n曝光方式曝光方式:n一类是一类是光源发出的光线通过掩膜版把图案转移到光刻光源发出的光线通过掩膜版把图案转移到光刻胶膜上胶膜上,如投影式曝光如投影式曝光n另一类是另一类是把光源聚集成很细的射束把光源聚集成很细的射束,直接在光刻胶上直接在光刻胶上扫描出图案扫描出图案(可以不用

35、掩膜版可以不用掩膜版),),如电子束曝光如电子束曝光55光学曝光方式：光学曝光方式：n接触式曝光接触式曝光 Contact printingn接近式曝光接近式曝光 Proximity printingn投影式曝光投影式曝光 projection printing5657n从早期的硅片制造以来光刻设备可以分为从早期的硅片制造以来光刻设备可以分为5代。代。n接触式光刻机接触式光刻机n接近式光刻机接近式光刻机n扫描投影光刻机扫描投影光刻机n分步重复投影光刻机分步重复投影光刻机n步进扫描投影光刻机步进扫描投影光刻机58接触式曝光接触式曝光 Contact printingContact printin

36、gSiMaskP.R.SiO2优点：优点：结构简单、产量高、成本低，光的衍射效应最小而结构简单、产量高、成本低，光的衍射效应最小而分辨率高分辨率高，特征尺寸小。，特征尺寸小。主要缺点主要缺点：掩膜与圆片直接接触，：掩膜与圆片直接接触，掩膜寿命短掩膜寿命短 微粒污染微粒污染59接近式曝光接近式曝光proximity printingproximity printingd=10 25 m n最小线宽最小线宽:W=(d)1/2n d:间隔；间隔；：光源波长：光源波长n分辨率取决于间隙的大小，一般分辨率较差，为分辨率取决于间隙的大小，一般分辨率较差，为24m60l掩模版悬浮在硅片表面的氮气气垫上，通过

37、改掩模版悬浮在硅片表面的氮气气垫上，通过改变进入的氮气流量控制间隙变进入的氮气流量控制间隙.l由于掩模版和光刻胶之间由于掩模版和光刻胶之间存在一定的距离存在一定的距离，经，经过掩模版后的过掩模版后的光会发生衍射光会发生衍射，从而，从而使光刻的分辨使光刻的分辨率降低。率降低。l优点：优点：接近式曝光是以牺牲分辨率来延长了掩接近式曝光是以牺牲分辨率来延长了掩膜版的寿命，膜版的寿命，掩膜寿命长掩膜寿命长（可提高（可提高10 10 倍以上），倍以上），图形缺陷少。图形缺陷少。l缺点：缺点：分辨率低，分辨率低，图形模糊，操作比较复杂图形模糊，操作比较复杂d=10 25 m 61投影式光刻机投影式光刻机6

38、2k利用透镜将掩膜版上的图形投影到衬底上利用透镜将掩膜版上的图形投影到衬底上k避免了掩膜版与硅片表面的摩擦，延长了掩膜版的寿命。避免了掩膜版与硅片表面的摩擦，延长了掩膜版的寿命。k掩膜版的尺寸可以比实际尺寸大得多，一般掩膜板的尺寸会掩膜版的尺寸可以比实际尺寸大得多，一般掩膜板的尺寸会以需要转移图形的以需要转移图形的4 4倍制作，倍制作，克服了小图形制版的困难。克服了小图形制版的困难。k消除了消除了由于掩膜版图形线宽过小而产生的由于掩膜版图形线宽过小而产生的光衍射效应光衍射效应k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

39、特制，设备复杂k为了提高分辨率，为了提高分辨率，一次曝光的象场较小一次曝光的象场较小，采用扫描式曝光。采用扫描式曝光。投影式曝光投影式曝光projection printing现在的工艺普遍采用投影式光刻机现在的工艺普遍采用投影式光刻机，投影式光刻具有投影式光刻具有下列下列特点特点63扫描投影曝光扫描投影曝光（Scanning Project PrintingScanning Project Printing）步进重复投影曝光（步进重复投影曝光（stepperstepper）（Stepping-repeating Project PrintingStepping-repeating Proje

40、ct Printing或或 StepperStepper）。）。步进扫描投影曝光（步进扫描投影曝光（scannerscanner）（SteppingStepping Scanning ProjecPrinting Scanning ProjecPrinting）投影式曝光分类投影式曝光分类64n扫描投影曝光（扫描投影曝光（Scanning Project PrintingScanning Project Printing）。70 70 年代末年代末80 80 年代初，年代初，1m 1m 工艺工艺；掩膜板；掩膜板1 1：1 1，全尺寸；，全尺寸；n步进重复投影曝光（步进重复投影曝光（Steppi

41、ng-repeating Stepping-repeating Project Printing Project Printing 或称作或称作StepperStepper）。8080年代末年代末90 90 年代，年代，0.35m0.35m（I lineI line）0.25m0.25m（DUVDUV）。掩膜板缩小比例（掩膜板缩小比例（4 4：1 1），曝光区域（），曝光区域（Exposure Exposure FieldField）222222mm22mm（一次曝光所能覆盖的区域一次曝光所能覆盖的区域）。）。增加了棱镜系统的制作难度。增加了棱镜系统的制作难度。65n扫描步进投影曝光（扫描步进

42、投影曝光（Scanning-Stepping Scanning-Stepping Project PrintingProject Printing）。）。90 90 年代末年代末 至今，至今，用于用于0.18m 0.18m 工艺工艺。采用。采用6 6 英寸的掩膜英寸的掩膜板按照板按照4 4：1 1 的比例曝光，曝光区域的比例曝光，曝光区域（Exposure FieldExposure Field）262633mm33mm。n优点：优点：增大了每次曝光的视场；提供硅片增大了每次曝光的视场；提供硅片表面不平整的补偿；提高整个硅片的尺寸表面不平整的补偿；提高整个硅片的尺寸均匀性。均匀性。66 光学曝

43、光的各种曝光方式及其利弊光学曝光的各种曝光方式及其利弊接接触触式式非非接接触触式式优点：设备简单，分辨率较高。优点：设备简单，分辨率较高。缺点：掩模版与晶片易损伤，成品率低。缺点：掩模版与晶片易损伤，成品率低。接近式接近式优点：掩模版寿命长，成本低。优点：掩模版寿命长，成本低。缺点：衍射效应严重，影响分辨率。缺点：衍射效应严重，影响分辨率。投影式投影式全反射全反射折射折射优点：无像差，无驻波效应影响。优点：无像差，无驻波效应影响。缺点：光学系统复杂，对准困难。缺点：光学系统复杂，对准困难。优点：对片子平整度要求低，可采用优点：对片子平整度要求低，可采用较大孔径的透镜以提高分辨率，较大孔径的透镜

44、以提高分辨率，掩模制造方便。掩模制造方便。缺点：设备昂贵，曝光效率低。缺点：设备昂贵，曝光效率低。67X X射线曝光射线曝光电子束曝光电子束曝光离子束曝光离子束曝光先进的曝光技术先进的曝光技术684.4.电子束曝光电子束曝光n分为投影式和扫描式分为投影式和扫描式n 电子束曝光的特点：电子束曝光的特点：b电子束曝光的电子束曝光的精度较高精度较高。电子束的。电子束的斑点可以聚斑点可以聚焦的很小，焦的很小，可用计算机控制，精度远比肉眼观可用计算机控制，精度远比肉眼观察要高。察要高。b电子束曝光电子束曝光改变光刻图形十分简便。改变光刻图形十分简便。电子束曝电子束曝光机是把各次曝光图形光机是把各次曝光图

45、形用计算机来完成用计算机来完成b扫描电子束曝光扫描电子束曝光不要掩膜版。不要掩膜版。b电子束曝光电子束曝光设备复杂，成本较高。设备复杂，成本较高。b真空中进行，真空中进行，清洁度高清洁度高b缺点是缺点是产量小产量小69n1 1）曝光光源：曝光光源：X X射线射线n2 2）掩膜版：掩膜版：黄金或其他能挡住黄金或其他能挡住X X射线的材料射线的材料n3 3）优点）优点波长应用范围波长应用范围0.50.52nm2nm，分辨率高，分辨率高焦深大，工艺宽容度大焦深大，工艺宽容度大n4 4）一般原理）一般原理一种一种1 1：1 1的接近式光刻方法的接近式光刻方法机械装置对准机械装置对准，用，用X X射线光

46、源使含有对射线光源使含有对X X线透明和线透明和不透明区的不透明区的掩膜图形成像到涂有对掩膜图形成像到涂有对X X射线敏感的光射线敏感的光刻胶的硅片表面，刻胶的硅片表面，最终形成器件制作所需的图形。最终形成器件制作所需的图形。5.X5.X射线曝光射线曝光70 各种光源的比较各种光源的比较 光谱光谱 波长波长（nm)掩模材料掩模材料分辨率分辨率 紫外光紫外光UV365 436 玻璃玻璃/Cr0.5 m 深紫外光深紫外光DUV193 248 石英石英/Cr、Al0.2 m 极紫外光极紫外光EUV 10 15多涂层反射层多涂层反射层/金属吸收层金属吸收层0.1 m X 射线射线 0.2 4Si、Si

47、3N4、Al2O3/Au、Pt、Os 等等0.1 m 71 影响曝光质量的一些因素影响曝光质量的一些因素1.光刻胶厚度的不均匀光刻胶厚度的不均匀 Resist thickness may vary across the wafer.This can lead to under or over exposure in some regions and hence linewidth variations.72 驻波的产生驻波的产生 振幅、频率、传播速度都相同振幅、频率、传播速度都相同的两列相干波，在的两列相干波，在同一直线上沿同一直线上沿相反相反方向传播时叠加而形成的一种方向传播时叠加而形成的一

48、种特殊特殊的干涉现象的干涉现象.2.驻波效应驻波效应(standing wave):73驻驻 波波 的的 形形 成成74 Reflective surfaces below the resist can set up reflections and standing waves and degrade resolution.75影响光刻质量影响光刻质量在光刻胶曝光的过程中，入射光与反射光（在基底或在光刻胶曝光的过程中，入射光与反射光（在基底或者表面）之间会发生干涉。这种相同频率的光波之间者表面）之间会发生干涉。这种相同频率的光波之间的干涉，在光刻胶的曝光区域内出现相长相消的条纹。的干涉，在光刻

49、胶的曝光区域内出现相长相消的条纹。光刻胶在显影后，在侧壁会产生波浪状的不平整的现光刻胶在显影后，在侧壁会产生波浪状的不平整的现象叫象叫驻波效应驻波效应76驻波效应驻波效应n入射光和反射光的入射光和反射光的干涉，干涉，是干涉的特例是干涉的特例n周期性的周期性的过曝光和曝光过曝光和曝光足足n影响光刻胶的分辨影响光刻胶的分辨77 In some cases an anti reflection coating(ARC)can helpto minimize these effects.Baking the resist afterexposure,but before development can

50、 also help.抗反射层抗反射层(Anti Reflection Coating,ARC)(Anti Reflection Coating,ARC)曝光后烘烤（曝光后烘烤（PEBPEB）减少驻波效应的减少驻波效应的2 2个途径个途径78nPEB：Post Exposure Bake 也叫曝后烤也叫曝后烤 PEB的温度一般要比的温度一般要比Soft bake的温度高的温度高1520度。度。PEB的主要目的是降低的主要目的是降低stand wave,因因为为photo-resist在被曝光后，高分子长链断裂在被曝光后，高分子长链断裂成短链，形成成短链，形成光酸，光酸，由于光学特性，光酸的分由