微影技術(shù)培訓(xùn)資料.

第三章 微影技術(shù) 微影 微影 簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō) 是將光源透過(guò)有圖案的光罩 將光罩上的圖案完整地傳送到晶片表面所塗抹的感光材料 光阻 上 再進(jìn)行去除或保留光阻的步驟 以完成圖案轉(zhuǎn)移 微影技術(shù)的解析度限定了半導(dǎo)體元件的最小線寬 而解析度主要由光阻性質(zhì)與曝光設(shè)備及方法來(lái)決定 無(wú)塵室 CleanRoom 無(wú)塵室中污染物的控制 1 無(wú)塵室溫溼度的控制2 震動(dòng)的控制3 純水的控制4 粉塵顆粒的控制5 氣體的控制6 電磁波的控制7 靜電的控制8 化學(xué)品的控制 美國(guó)無(wú)塵室等級(jí) 參照FED STD 209D 製程氣體不純物對(duì)製程可能造成的影響 微影製程步驟圖示 光阻 photoresist 1 光組主要由樹(shù)脂 resin 感光劑 sensitizer 溶劑 solvant 三種成分混合而成 2 光阻分為正光阻及負(fù)光阻兩種 a 正光阻 光阻本身難溶於顯影液 曝光後解離成小分子 形成容易溶於顯影液的結(jié)構(gòu) b 負(fù)光阻 曝光後形成不容易溶於顯影液的結(jié)構(gòu) 光阻特性及正負(fù)光阻圖示 光阻材料的性質(zhì) 敏感度 sensitivity 或稱為感光度對(duì)比 contrast 解析度 resolution 光吸收度 opticaldensity 耐蝕刻度純度 purity Lift off之圖形 常見(jiàn)正負(fù)光阻表 正負(fù)光阻比較 微影製程之步驟 1 晶片清洗 主要在於清除晶片上之雜質(zhì) 以利後續(xù)之製程 2 去水烘烤 晶片表面上常會(huì)吸附空氣中的水分子 在後面升溫的過(guò)程之中 可能形成薄的負(fù)氧化層 negativeoxide 故在晶片清洗完之後 先將晶片上的水分去除 再進(jìn)行下面的製程 3 塗底 在晶片上圖上一層增加光阻與晶片表面附著能力的化合物 4 上光阻 通常上光阻是使用旋鍍的方式 spincoating 下列幾項(xiàng)因素會(huì)影響光阻是否到達(dá)所需的旋鍍厚度 a 開(kāi)始時(shí)滴入光阻液的量 b 晶片的大小 c 旋鍍機(jī)的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)加速度 d 光阻液的性質(zhì) 如黏滯性及固體粒子的量 e 所以要慎選光阻液 並配合晶片大小選擇適當(dāng)?shù)墓庾枰毫?在嘗試調(diào)整旋鍍機(jī)加速度及等加速度的大小及時(shí)間 以達(dá)理想的光阻塗佈厚度 上光阻示意圖 光阻膜厚度T光阻中固體粒子含量C光阻黏性 旋轉(zhuǎn)速度 5 軟烤 或稱預(yù)烤 pre bake 其目的有三 a 是將光阻液中的溶劑含量由20至30 降至4到7 光阻厚度因此也將減少約10至20 b 軟烤有回火 annealing 的效果 使光阻平坦化 c 可增加附著力 6 對(duì)準(zhǔn)及曝光 軟烤結(jié)束後 將光罩與晶片放置在曝光機(jī)上 利用對(duì)準(zhǔn)標(biāo)誌 align mark 將兩者相對(duì)位置進(jìn)行校準(zhǔn) 其方法為 a 將晶片利用曝光機(jī)進(jìn)行移動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng) 使晶片的左右對(duì)準(zhǔn)標(biāo)誌和光罩的對(duì)準(zhǔn)標(biāo)誌盡量重合 即完成對(duì)準(zhǔn) b 接著按下曝光機(jī)上的曝光鍵 可進(jìn)行曝光工作 光罩的對(duì)準(zhǔn)標(biāo)誌 定位偏移 X方向 旋轉(zhuǎn) 向外失距 曝光機(jī) 曝光機(jī)的選擇要點(diǎn) a 解析能力 限制 b 定位精確度 c 污染程度 d 可信賴度 e 產(chǎn)能 f 擁有設(shè)備的全部花費(fèi) 曝光機(jī)的種類 光學(xué)式非光學(xué)式 接觸式X光近接式電子射束投影式步進(jìn)式 曝光光源 a 汞燈 Hg b KrF為光源 產(chǎn)生深紫外光 DeepUV 用在IC廠0 25 m製程 c Excimerlaser 準(zhǔn)分子雷射 KrF248nm ArF193nm IC廠0 18 m製程 等 d E beam 電子的物質(zhì)波 價(jià)錢(qián)昂貴 速度緩慢 正設(shè)法大量生產(chǎn)中 e X光 能量需求很高 價(jià)錢(qián)昂貴 且光罩需特別製作 多用在LIGA製程上 光譜 7 顯影 因感光劑在曝光後改變光阻的性質(zhì) 利用顯影液將要去除的光阻洗掉 完成在光阻上的圖案轉(zhuǎn)移 下表為常用的光阻及所對(duì)應(yīng)的顯影液 光阻的顯影 a 過(guò)程 b 問(wèn)題 8 硬烤 經(jīng)過(guò)顯影後的光阻 還需要經(jīng)過(guò)最後的步驟 硬烤 通常也是使用熱墊板 硬烤溫度較軟烤溫度來(lái)的高 此溫度高於光阻的玻態(tài)轉(zhuǎn)變溫度 galsstransition 故光阻將如溶融的玻璃 表面也將因表面張力而平坦化 目的如下 a 將光阻溶劑含量降至最低 b 增加附著力 避免遇酸時(shí)脫落 c 增加對(duì)酸的抵抗力 d 使邊緣平滑 減少缺陷 如孔隙 9 顯影檢查 此項(xiàng)檢查的目的是找出那些不太可能通過(guò)微影最終檢查的晶圓片 提供製程效能和製程控制數(shù)據(jù) 並找出可重新使用的晶圓片 表面乾燥旋轉(zhuǎn)烘烤去除光阻定位及曝光顯影及烘烤顯影檢查剔除不良晶圓良好的晶圓再生晶圓的製程迴路 10 蝕刻 當(dāng)顯影檢查完成時(shí) 光罩的影像被轉(zhuǎn)移在光阻層上 此時(shí)晶圓準(zhǔn)備進(jìn)入蝕刻步驟 此步驟中影像才是被永遠(yuǎn)的轉(zhuǎn)移在晶圓的表面層 蝕刻 etch 是將晶圓表面的上層材料由光阻圖案的開(kāi)孔處移除的製程 11 去除光阻 在蝕刻完成之後 晶圓表面層的圖案成為永久固定 而其上方原先用以作為蝕刻之阻隔物的光阻層便無(wú)存在的必要 故可由表面移除 傳統(tǒng)的光阻去除法是用濕式化學(xué)法 通常光阻去除劑 strippers 分成三類 通用型 正光阻專用型 負(fù)光阻專用型 或者可由晶圓表面的型態(tài)來(lái)分 金屬或非金屬的 濕式去除法較受歡迎的理由 a 使用的歷史悠久 b 價(jià)格低廉又有效 c 可有效的移除金屬離子 d 為一種低溫製程且不會(huì)只晶圓暴露於可能有害的輻射之下 12 最終檢查 基本上這跟顯影檢查是相同的 除了檢查出的不良品大部分是不能修正的嚴(yán)重錯(cuò)誤 不可能重做 唯一例外的是 晶圓若是僅被污染可能重新清潔再重新檢查 最終檢查保證送出晶圓的品質(zhì)良好 並同時(shí)可藉此查驗(yàn)顯影檢查的效果 一般光罩的製作 步驟一 步驟二 步驟三 步驟四 步驟四 步驟五 步驟六 步驟七 X光深蝕刻光罩的製作 步驟一 步驟二 步驟三 步驟四 步驟五 步驟六 將光阻去除 留下金屬部分 完成光罩的製作 步驟七 步驟八 光罩製作時(shí)所需的解析度與聚焦深度或是景深可分由下面兩方程式表示解析度聚焦深度或景深 DepthofFocus 其中K1是由光阻材料性質(zhì)與製成所決定的一個(gè)常數(shù) NA是曝光鏡片系統(tǒng)的數(shù)值口徑 NumericalAperture 為入射光波長(zhǎng) K2為另一個(gè)與光阻性質(zhì)有關(guān)的常數(shù) 由上兩式可知 K1越小 可使R降低 解析度變佳 也可使聚焦深度或景深增加 故一般均致力於降低光阻材料性質(zhì)K1數(shù)值 對(duì)準(zhǔn)與曝光設(shè)備 1 接觸式對(duì)準(zhǔn) Contactalign 此光罩的解析度會(huì)受到光的狹縫繞射現(xiàn)象的影響 上圖就是因?yàn)楣庹稚蠄D形間的縫隙很小 所造成光的繞射現(xiàn)象 而在光阻上形成不理想的分佈 光罩圖形的理論最小線寬d theoreticalresolutioncapability 為其中s為光罩和光阻表面的距離 為入射光波長(zhǎng) z為光阻厚度 2 近接式對(duì)準(zhǔn) proximityalign 為改善接觸式對(duì)準(zhǔn)有沾上光阻的問(wèn)題 可將罩與光阻遠(yuǎn)離一小段距離在進(jìn)行曝光會(huì)改善接觸污染的問(wèn)題 所以上式的z相對(duì)於s幾乎可以忽略 故可改成 3 投射式對(duì)準(zhǔn) projectionalign 為了改善接觸與近接式對(duì)準(zhǔn)缺點(diǎn)而發(fā)展出的投影法 光罩沒(méi)有接近晶片 而是類似投影機(jī)的原理 將光罩上的圖案投影到光罩上 優(yōu)點(diǎn) 解析度可以增高 且光罩較不易損壞 接觸式對(duì)準(zhǔn)近接式對(duì)準(zhǔn)投射式對(duì)準(zhǔn) 4 重複步進(jìn)式對(duì)準(zhǔn) 光罩的圖形比所要的圖形放大五倍或十倍 光源透過(guò)光罩後 在經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)木劢?將比例縮放成為想要的獨(dú)大小而投射在部分的晶片上 故整片晶片都要曝光時(shí) 得進(jìn)行重複步進(jìn)的工作 優(yōu)點(diǎn) a 光罩上的圖形為所要的圖案放大 經(jīng)聚焦後縮小的圖形 解析度比傳統(tǒng)1 1更佳 b 光罩上若有雜質(zhì) 經(jīng)縮小轉(zhuǎn)移後 將降低其影響力 重複步進(jìn)式對(duì)準(zhǔn) 調(diào)整轉(zhuǎn)移方程式 From Brodie Ietal 1982 a Modulation b ModulationTransferFunction 藉由調(diào)整M我們可以簡(jiǎn)單的表示出圖案轉(zhuǎn)移的品質(zhì) 我們可以這樣定義 在投射印製圖案時(shí) 透鏡的實(shí)際使用範(fàn)圍為R NA之定義為 經(jīng)由右圖我們可得 曝光法 1 光學(xué)式微影 Photolithography a 利用汞燈做曝光 G line 436nm I line 365nm b 準(zhǔn)分子雷射 excimerlaser 利用鹵素與惰性氣體原子的混合氣體所產(chǎn)生的雷射 利用高壓放電的激勵(lì)過(guò)程 魂和氣體會(huì)輻射出能量強(qiáng) 振福短的光 準(zhǔn)分子雷射一般較常應(yīng)用在微影術(shù)有下列三種 2 電子束式微影 Electronbeanlithography 電子束的光源大致可分為三種 a 鎢絲光源 不需要高真空度 解析度並不高 b 鋇酸鑭 lanthanumhexaboride 利用熱放射陰極管或單晶硼化鑭做成電子槍產(chǎn)生電子束 透過(guò)靜電透鏡或電磁透鏡聚焦至直徑0 01至0 01 m 掃瞄至所要底材上 電子束的焦距則可由透鏡的電流所控制 真空度要求也不高 中等電流密度 c 熱場(chǎng)發(fā)射電子槍 thermalfiledemission 需要高真空度 高電流密度 解析度可達(dá)0 005至0 1 m 3 X 射線式微影 X raylithography X 射線波長(zhǎng)4至50遠(yuǎn)短於光學(xué)式微影的紫外光 因此繞射的現(xiàn)想減少且能得到較高的解析度 如跟電子束式比較 因X射線微影採(cǎi)用平行曝光 與電子束式採(cǎi)用的順序曝光不同 因此有較快的出品率 X射線光源的有限尺寸 直徑為a 與光罩晶片間的有限間隙g 其結(jié)果乃產(chǎn)生半陰影效應(yīng) penumbraleffect 光阻影像邊緣的半陰影點(diǎn) penumbralblur 為 另一種幾何效應(yīng)為側(cè)面放大 lateralmangnification 誤差 光罩的投影影像側(cè)移一段距離d 稱跑離 runout 其中r為晶片中心的逕向距離 各種高級(jí)雕像術(shù) 先進(jìn)微影技術(shù) 因應(yīng)製程微縮能持續(xù)的往0 25 m以下 甚至於0 1 m以下推進(jìn) 除了曝光設(shè)備的改良之外 仍需周邊技術(shù)的配合改進(jìn) 如 光阻 DUV曝光設(shè)備 光罩等1 DUV化增型光阻 傳統(tǒng)用於i線的光阻 對(duì)248nm光源的透明程度很差 因此必須發(fā)展出一種全新的光阻配方 來(lái)提升其透明程度 目前採(cǎi)用的是以 化學(xué)增幅型 光阻 英文簡(jiǎn)稱為CA 此型光阻之概念 開(kāi)始於1980年代初期 IBM公司對(duì)新光阻之研發(fā) 它的成分主要是由 共聚高分子樹(shù)脂 CopolymerResin 光酸化產(chǎn)生體 Photo AcidGenerator 溶劑 以及提升穩(wěn)定度之添加物 2 DUV曝光設(shè)備 248nm a 光源248nm KrF193nm ArF157nm F2 研發(fā)階段 KrF ArF F2為ExcimerLaser產(chǎn)生器所使用之氣體 b OAI 偏軸式照明 的OAI技術(shù) 傳統(tǒng)式 偏軸式 傳統(tǒng)式 圓環(huán)式OAI 四孔式 光孔 3 光罩技術(shù)I PSM PhaseShiftingMask 光罩 相移式 PhaseShifting 技術(shù) 最早由IBMAlmaden研發(fā)中心Levenson等