光刻技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用課件

光刻技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用光刻技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用1光刻技術(shù)的發(fā)展史在微電子制造技術(shù)中，最為關(guān)鍵的是用于電路圖形生產(chǎn)和復(fù)制的光刻技術(shù)，光刻技術(shù)的研究與開(kāi)發(fā)，在每一代集成電路技術(shù)的更新中都扮演著技術(shù)先導(dǎo)的角色。目前國(guó)際微電子領(lǐng)域最引人關(guān)注的熱點(diǎn)，就是即將到來(lái)的光刻技術(shù)變革，這一變革將對(duì)整個(gè)微電子制造技術(shù)的發(fā)展產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。光刻技術(shù)的發(fā)展史在微電子制造技術(shù)中，最為關(guān)鍵的是用于電路圖形2光刻技術(shù)的發(fā)展史光刻技術(shù)是利用光學(xué)復(fù)制的方法把超小圖樣刻印到半導(dǎo)體薄片上來(lái)制作復(fù)雜電路的技術(shù)。光刻技術(shù)是微制造領(lǐng)域最為成功的技術(shù)。自從它在1959年被發(fā)明以來(lái)，就成為半導(dǎo)體工業(yè)最有用的工具。迄今為止，基本上所有的集成電路都是通過(guò)它制造的。光刻技術(shù)的發(fā)展史光刻技術(shù)是利用光學(xué)復(fù)制的方法把超小圖樣刻印到3光刻的原理與評(píng)價(jià)指標(biāo)光刻的原理與印相片相同，涂在硅片上的光刻膠相當(dāng)于相紙，掩模相當(dāng)于底片。用特定波長(zhǎng)的光照射光刻膠，光刻膠有感光性和抗蝕性即正負(fù)性兩種類型。正膠曝光部分在顯影液中被溶解，沒(méi)有曝光的膠層留下；負(fù)膠的曝光部分在顯影液中不溶解，而沒(méi)有曝光的膠層卻被溶解掉。經(jīng)過(guò)顯影，則顯出光刻圖形。光學(xué)光刻是由投影光學(xué)系統(tǒng)和掩模版相結(jié)合來(lái)產(chǎn)生光刻圖形的。曝光方式普遍采用分布重復(fù)投影式曝光，即將一組圖形重復(fù)上百次制作在一大片硅片上。評(píng)價(jià)光刻質(zhì)量的指標(biāo)主要有分辨率（單位長(zhǎng)度上可分辨的高反差線對(duì)數(shù)）、光刻精度（線寬尺寸控制及套刻精度）、產(chǎn)率和成品率等。影響光刻質(zhì)量的主要因素有曝光系統(tǒng)、曝光方式、光掩模、光刻膠和刻蝕方法等。光刻的原理與評(píng)價(jià)指標(biāo)光刻的原理與印相片相同，涂在硅片上的光刻4光刻的基本概念

光刻處于硅片加工過(guò)程的中心，這可以通過(guò)在各制造工藝中如何從光刻工藝流進(jìn)流出中證明（見(jiàn)下圖）。光刻常被認(rèn)為是IC制造中最關(guān)鍵的步驟，需要高性能以便結(jié)合其他工藝獲得高成品率。據(jù)估計(jì)，光刻成本在整個(gè)硅片加工成本中幾乎占不到三分之一。光刻的基本概念光刻處于硅片加工過(guò)程的中心，這可以通過(guò)在各制5硅片制造工藝流程硅片制造工藝流程6轉(zhuǎn)移到硅片表面的光刻圖形的形狀完全取決于硅片層面的構(gòu)成。圖形可能是硅片上的半導(dǎo)體器件、隔離槽、接觸孔、金屬互連線以及互聯(lián)金屬層的通孔。這些圖形被轉(zhuǎn)移到光敏光刻膠材料上，為進(jìn)行刻蝕或離子注入的襯底做好準(zhǔn)備。形成的光刻膠圖形是三維的，因?yàn)楣饪棠z中的圖形具有長(zhǎng)、寬、高（見(jiàn)下圖）。在一個(gè)硅片上可能有成百個(gè)完全相同的芯片，每一個(gè)都需要將合適的圖形轉(zhuǎn)移到管芯上。轉(zhuǎn)移到硅片表面的光刻圖形的形狀完全取決于硅片層面的構(gòu)成。圖形7光刻膠的三維圖形光刻膠的三維圖形8光刻工藝的8個(gè)基本步驟光刻工藝是一個(gè)復(fù)雜過(guò)程，它有很多影響其工藝寬容度的工藝變量。例如減小的特征尺寸、對(duì)準(zhǔn)偏差、掩膜層數(shù)目以及硅片表面的清潔度。為方便起見(jiàn)，我們可以將光刻的圖形形成過(guò)程分為8個(gè)步驟（見(jiàn)下圖）。光刻工藝的8個(gè)基本步驟光刻工藝是一個(gè)復(fù)雜過(guò)程，它有很多影響其9光刻的8個(gè)步驟光刻的8個(gè)步驟10步驟1：氣相成底膜處理光刻的第一步是清洗、脫水和硅片表面成底膜處理。這些步驟的目的是增強(qiáng)硅片和光刻膠之間的粘附性。硅片清洗包括濕法清洗和去離子水沖洗以去除沾污物，大多數(shù)的硅片清洗工作在進(jìn)入光刻工作間之前進(jìn)行。脫水致干烘焙在一個(gè)封閉腔內(nèi)完成，以除去吸附在硅片表面的大部分水汽。硅片表面必須是清潔干燥的。脫水烘焙后硅片立即要用六甲基二硅胺烷（HMDS）進(jìn)行成膜處理，它起到了粘附促進(jìn)劑的作用。步驟1：氣相成底膜處理光刻的第一步是清洗、脫水和硅片表面成底11步驟2：旋轉(zhuǎn)涂膠成底膜處理后，硅片要立即采用旋轉(zhuǎn)涂膠的方法涂上液相光刻膠材料。硅片被固定在一個(gè)真空載片臺(tái)上，它是一個(gè)表面上有很多真空孔以便固定硅片的平的金屬或聚四氯乙烯盤。一定數(shù)量的液體光刻膠滴在硅片上，然后對(duì)噴旋轉(zhuǎn)得到一層均勻的光刻膠涂層見(jiàn)下圖。不同的光刻膠要求不同的旋轉(zhuǎn)涂膠條件，例如最初慢速旋轉(zhuǎn)（例如500rpm），接下來(lái)躍變到最大轉(zhuǎn)速3000rpm或者更高。一些光刻膠應(yīng)用的重要質(zhì)量指標(biāo)是時(shí)間、速度、厚度、均勻性、顆粒沾污以及光刻膠缺陷，如針孔。步驟2：旋轉(zhuǎn)涂膠成底膜處理后，硅片要立即采用旋轉(zhuǎn)涂膠的方法涂12旋轉(zhuǎn)涂膠旋轉(zhuǎn)涂膠13步驟3：烘焙光刻膠被涂到硅片表面后必須要經(jīng)過(guò)軟烘，軟烘的目的是去除光刻膠中的溶劑。軟烘提高了粘附性，提升了硅片上光刻膠的均勻性，在刻蝕中得到了更好的線寬控制。典型的軟烘條件是在熱板上90℃到100℃烘30秒，接下來(lái)是在冷板上的降溫步驟，以得到光刻膠一致特性的硅片溫度控制。步驟3：烘焙光刻膠被涂到硅片表面后必須要經(jīng)過(guò)軟烘，軟烘的目的14步驟4：對(duì)準(zhǔn)和曝光下一步被稱做對(duì)準(zhǔn)和曝光。掩膜版與涂了膠的硅片上的正確位置對(duì)準(zhǔn)。硅片表面可以是裸露的硅，但通常在其表面有一層事先確定了的圖形。一旦對(duì)準(zhǔn)，將掩膜版和硅片曝光，把掩膜版圖形轉(zhuǎn)移到涂膠的硅片上（見(jiàn)圖2.5）。光能激活了光刻膠中的光敏成分。對(duì)準(zhǔn)和曝光的重要質(zhì)量指標(biāo)是線寬分辨率、套刻精度、顆粒和缺陷。步驟4：對(duì)準(zhǔn)和曝光下一步被稱做對(duì)準(zhǔn)和曝光。掩膜版與涂了膠的硅15對(duì)準(zhǔn)和曝光對(duì)準(zhǔn)和曝光16步驟5：曝光后烘焙對(duì)于深紫外（DUV）光刻膠在100℃到110℃的熱板上進(jìn)行曝光后烘焙是必要的，這步烘焙應(yīng)緊隨在光刻膠曝光后。幾年前，這對(duì)于非深紫外光刻膠是一種可選擇的步驟，但現(xiàn)在即使對(duì)于傳統(tǒng)光刻膠也成了一種實(shí)際的標(biāo)準(zhǔn)。步驟5：曝光后烘焙對(duì)于深紫外（DUV）光刻膠在100℃到1117步驟6：顯影顯影是在硅片表面光刻膠中產(chǎn)生圖形的關(guān)鍵步驟。光刻膠上的可溶解區(qū)域被化學(xué)顯影劑溶解，將可見(jiàn)的島或者窗口圖形留在硅片表面。最通常的顯影方法是旋轉(zhuǎn)、噴霧、浸潤(rùn)（見(jiàn)下圖），然后顯影，硅片用離子水（DI）沖洗后甩干。步驟6：顯影顯影是在硅片表面光刻膠中產(chǎn)生圖形的關(guān)鍵步驟。光刻18光刻膠顯影光刻膠顯影19步驟7：堅(jiān)膜烘焙顯影后的熱烘指的就是堅(jiān)膜烘焙。烘焙要求揮發(fā)掉存留的光刻膠溶劑，提高光刻膠對(duì)硅片表面的粘附性。這一步是穩(wěn)固光刻膠，對(duì)下面的刻蝕和離子注入過(guò)程非常關(guān)鍵。正膠的堅(jiān)膜烘焙溫度約為120℃到140℃，這比軟烘溫度要高，但也不能太高，否則光刻膠就會(huì)流動(dòng)從而破壞圖形。步驟7：堅(jiān)膜烘焙顯影后的熱烘指的就是堅(jiān)膜烘焙。烘焙要求揮發(fā)掉20步驟8：顯影后檢查一旦光刻膠在硅片上形成圖形，就要進(jìn)行檢查以確定光刻膠圖形的質(zhì)量。這種檢查系統(tǒng)對(duì)于高集成的關(guān)鍵層幾乎都是自動(dòng)完成的，檢查有兩個(gè)目的：找出光刻膠有質(zhì)量問(wèn)題的硅片，描述光刻膠工藝性能以滿足規(guī)范要求。如果確定膠有缺陷，通過(guò)去膠可以把它們除去，硅片也可以返工。與任何制造工藝一樣，光刻工藝的目標(biāo)是無(wú)缺陷產(chǎn)品。然而，不檢查并在膠中留下缺陷將是災(zāi)難性的問(wèn)題。顯影后檢查可以發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤并就地糾正，這是硅片制造過(guò)程中少有的可以糾正的幾步之一。一旦有缺陷的硅片被送到下一個(gè)圖形形成步驟（通常是刻蝕），就沒(méi)有糾正錯(cuò)誤的機(jī)會(huì)了。如果一個(gè)硅片被錯(cuò)誤刻蝕，它就有了致命的缺陷，被認(rèn)為是廢品，對(duì)公司來(lái)說(shuō)就沒(méi)有進(jìn)一步的價(jià)值了。這就是檢查數(shù)據(jù)對(duì)于描述和提高光刻膠工藝特性如此重要的原因。步驟8：顯影后檢查一旦光刻膠在硅片上形成圖形，就要進(jìn)行檢查以21光刻技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用光刻技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用22光刻技術(shù)的發(fā)展史在微電子制造技術(shù)中，最為關(guān)鍵的是用于電路圖形生產(chǎn)和復(fù)制的光刻技術(shù)，光刻技術(shù)的研究與開(kāi)發(fā)，在每一代集成電路技術(shù)的更新中都扮演著技術(shù)先導(dǎo)的角色。目前國(guó)際微電子領(lǐng)域最引人關(guān)注的熱點(diǎn)，就是即將到來(lái)的光刻技術(shù)變革，這一變革將對(duì)整個(gè)微電子制造技術(shù)的發(fā)展產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。光刻技術(shù)的發(fā)展史在微電子制造技術(shù)中，最為關(guān)鍵的是用于電路圖形23光刻技術(shù)的發(fā)展史光刻技術(shù)是利用光學(xué)復(fù)制的方法把超小圖樣刻印到半導(dǎo)體薄片上來(lái)制作復(fù)雜電路的技術(shù)。光刻技術(shù)是微制造領(lǐng)域最為成功的技術(shù)。自從它在1959年被發(fā)明以來(lái)，就成為半導(dǎo)體工業(yè)最有用的工具。迄今為止，基本上所有的集成電路都是通過(guò)它制造的。光刻技術(shù)的發(fā)展史光刻技術(shù)是利用光學(xué)復(fù)制的方法把超小圖樣刻印到24光刻的原理與評(píng)價(jià)指標(biāo)光刻的原理與印相片相同，涂在硅片上的光刻膠相當(dāng)于相紙，掩模相當(dāng)于底片。用特定波長(zhǎng)的光照射光刻膠，光刻膠有感光性和抗蝕性即正負(fù)性兩種類型。正膠曝光部分在顯影液中被溶解，沒(méi)有曝光的膠層留下；負(fù)膠的曝光部分在顯影液中不溶解，而沒(méi)有曝光的膠層卻被溶解掉。經(jīng)過(guò)顯影，則顯出光刻圖形。光學(xué)光刻是由投影光學(xué)系統(tǒng)和掩模版相結(jié)合來(lái)產(chǎn)生光刻圖形的。曝光方式普遍采用分布重復(fù)投影式曝光，即將一組圖形重復(fù)上百次制作在一大片硅片上。評(píng)價(jià)光刻質(zhì)量的指標(biāo)主要有分辨率（單位長(zhǎng)度上可分辨的高反差線對(duì)數(shù)）、光刻精度（線寬尺寸控制及套刻精度）、產(chǎn)率和成品率等。影響光刻質(zhì)量的主要因素有曝光系統(tǒng)、曝光方式、光掩模、光刻膠和刻蝕方法等。光刻的原理與評(píng)價(jià)指標(biāo)光刻的原理與印相片相同，涂在硅片上的光刻25光刻的基本概念

光刻處于硅片加工過(guò)程的中心，這可以通過(guò)在各制造工藝中如何從光刻工藝流進(jìn)流出中證明（見(jiàn)下圖）。光刻常被認(rèn)為是IC制造中最關(guān)鍵的步驟，需要高性能以便結(jié)合其他工藝獲得高成品率。據(jù)估計(jì)，光刻成本在整個(gè)硅片加工成本中幾乎占不到三分之一。光刻的基本概念光刻處于硅片加工過(guò)程的中心，這可以通過(guò)在各制26硅片制造工藝流程硅片制造工藝流程27轉(zhuǎn)移到硅片表面的光刻圖形的形狀完全取決于硅片層面的構(gòu)成。圖形可能是硅片上的半導(dǎo)體器件、隔離槽、接觸孔、金屬互連線以及互聯(lián)金屬層的通孔。這些圖形被轉(zhuǎn)移到光敏光刻膠材料上，為進(jìn)行刻蝕或離子注入的襯底做好準(zhǔn)備。形成的光刻膠圖形是三維的，因?yàn)楣饪棠z中的圖形具有長(zhǎng)、寬、高（見(jiàn)下圖）。在一個(gè)硅片上可能有成百個(gè)完全相同的芯片，每一個(gè)都需要將合適的圖形轉(zhuǎn)移到管芯上。轉(zhuǎn)移到硅片表面的光刻圖形的形狀完全取決于硅片層面的構(gòu)成。圖形28光刻膠的三維圖形光刻膠的三維圖形29光刻工藝的8個(gè)基本步驟光刻工藝是一個(gè)復(fù)雜過(guò)程，它有很多影響其工藝寬容度的工藝變量。例如減小的特征尺寸、對(duì)準(zhǔn)偏差、掩膜層數(shù)目以及硅片表面的清潔度。為方便起見(jiàn)，我們可以將光刻的圖形形成過(guò)程分為8個(gè)步驟（見(jiàn)下圖）。光刻工藝的8個(gè)基本步驟光刻工藝是一個(gè)復(fù)雜過(guò)程，它有很多影響其30光刻的8個(gè)步驟光刻的8個(gè)步驟31步驟1：氣相成底膜處理光刻的第一步是清洗、脫水和硅片表面成底膜處理。這些步驟的目的是增強(qiáng)硅片和光刻膠之間的粘附性。硅片清洗包括濕法清洗和去離子水沖洗以去除沾污物，大多數(shù)的硅片清洗工作在進(jìn)入光刻工作間之前進(jìn)行。脫水致干烘焙在一個(gè)封閉腔內(nèi)完成，以除去吸附在硅片表面的大部分水汽。硅片表面必須是清潔干燥的。脫水烘焙后硅片立即要用六甲基二硅胺烷（HMDS）進(jìn)行成膜處理，它起到了粘附促進(jìn)劑的作用。步驟1：氣相成底膜處理光刻的第一步是清洗、脫水和硅片表面成底32步驟2：旋轉(zhuǎn)涂膠成底膜處理后，硅片要立即采用旋轉(zhuǎn)涂膠的方法涂上液相光刻膠材料。硅片被固定在一個(gè)真空載片臺(tái)上，它是一個(gè)表面上有很多真空孔以便固定硅片的平的金屬或聚四氯乙烯盤。一定數(shù)量的液體光刻膠滴在硅片上，然后對(duì)噴旋轉(zhuǎn)得到一層均勻的光刻膠涂層見(jiàn)下圖。不同的光刻膠要求不同的旋轉(zhuǎn)涂膠條件，例如最初慢速旋轉(zhuǎn)（例如500rpm），接下來(lái)躍變到最大轉(zhuǎn)速3000rpm或者更高。一些光刻膠應(yīng)用的重要質(zhì)量指標(biāo)是時(shí)間、速度、厚度、均勻性、顆粒沾污以及光刻膠缺陷，如針孔。步驟2：旋轉(zhuǎn)涂膠成底膜處理后，硅片要立即采用旋轉(zhuǎn)涂膠的方法涂33旋轉(zhuǎn)涂膠旋轉(zhuǎn)涂膠34步驟3：烘焙光刻膠被涂到硅片表面后必須要經(jīng)過(guò)軟烘，軟烘的目的是去除光刻膠中的溶劑。軟烘提高了粘附性，提升了硅片上光刻膠的均勻性，在刻蝕中得到了更好的線寬控制。典型的軟烘條件是在熱板上90℃到100℃烘30秒，接下來(lái)是在冷板上的降溫步驟，以得到光刻膠一致特性的硅片溫度控制。步驟3：烘焙光刻膠被涂到硅片表面后必須要經(jīng)過(guò)軟烘，軟烘的目的35步驟4：對(duì)準(zhǔn)和曝光下一步被稱做對(duì)準(zhǔn)和曝光。掩膜版與涂了膠的硅片上的正確位置對(duì)準(zhǔn)。硅片表面可以是裸露的硅，但通常在其表面有一層事先確定了的圖形。一旦對(duì)準(zhǔn)，將掩膜版和硅片曝光，把掩膜版圖形轉(zhuǎn)移到涂膠的硅片上（見(jiàn)圖2.5）。光能激活了光刻膠中的光敏成分。對(duì)準(zhǔn)和曝光的重要質(zhì)量指標(biāo)是線寬分辨率、套刻精度、顆粒和缺陷。步驟4：對(duì)準(zhǔn)和曝光下一步被稱做對(duì)準(zhǔn)和曝光。掩膜版與涂了膠的硅36對(duì)準(zhǔn)和曝光對(duì)準(zhǔn)和曝光37步驟5：曝光后烘焙對(duì)于深紫外（DUV）光刻膠在100℃到110℃的熱板上進(jìn)行曝光后烘焙是必要的，這步烘焙應(yīng)緊隨在光刻膠曝光后。幾年前，這對(duì)于非深紫外光刻膠是一種可選擇的步驟，但現(xiàn)在即使對(duì)于傳統(tǒng)光刻膠也成了一種實(shí)際的標(biāo)準(zhǔn)。步驟5：曝光后烘焙對(duì)于深紫外（DUV）光刻膠在100℃到1138步驟6：顯影顯影是在硅片表面光刻膠中產(chǎn)生圖形的關(guān)鍵步驟。光刻膠上的可溶解區(qū)域被化學(xué)顯影劑溶解，將可見(jiàn)的島或者窗口圖形留在硅片表面。最通常的顯影方法是旋轉(zhuǎn)、噴霧、浸潤(rùn)（見(jiàn)下圖），然后顯影，硅片用離子水（DI