第七章光刻課件

第七章光刻７.１光刻概述光刻是加工微圖形結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵工藝技術(shù),對(duì)光刻的基本要求有下述幾個(gè)方面：1.高分辨率(只考慮衍射效應(yīng)的純理論結(jié)果)

光學(xué)曝光可以達(dá)到的最細(xì)線(xiàn)條

?L≥/2

光學(xué)曝光的最高分辨率

Rmax

≤1/(mm-1)

一般粒子束的最細(xì)線(xiàn)條?L≥h/2(2mE)1/2

2.高靈敏度；光刻膠的感光速度3.精密的套刻對(duì)準(zhǔn)；4.加工大尺寸硅片的效率；5.低缺陷。７.２接觸式曝光接近式曝光光的衍射接觸式曝光時(shí)，掩膜與硅片表面是彼此接觸的，曝光后，膠膜中的潛影和掩膜上的圖案完全相同，比例為1比1，分辨率好(可達(dá)1微米)。但掩膜與硅片接觸會(huì)產(chǎn)生摩擦和小微粒，影響轉(zhuǎn)移圖案的質(zhì)量，因此已不在大生產(chǎn)中使用。接近式曝光雖不產(chǎn)生顆粒，但分辨率差(~3微米)，也基本不再使用。７.３步進(jìn)投影曝光系統(tǒng)--stepper投影曝光的掩膜與硅片不接觸，且分辨率很高，掩膜上的圖案要比硅片上的圖案大許多倍，掩膜的圖案按比例縮小后，投影到硅片上面，使其曝光。曝光不能一次完成，須經(jīng)過(guò)數(shù)十次重復(fù)性曝光才能完成。這樣的曝光系統(tǒng)稱(chēng)為步進(jìn)機(jī)（stepper）。投影曝光的分辨率R＝k/N·A

為入射光的波長(zhǎng)數(shù)值孔徑（N·A）為描述透鏡性能的參數(shù)通常N·A=0.4-0.6k為和工藝有關(guān)的常數(shù)(=o.61)系統(tǒng)組成：

紫外光源：通常使用的光源是汞燈，和準(zhǔn)分子激光器.汞燈光譜中有幾個(gè)光強(qiáng)峰值，有些用字母命名，如365nm的光強(qiáng)峰值被命名為I。準(zhǔn)分子激光器主要用于深紫外DUV暴光，汞燈在這個(gè)波段的發(fā)射功率低不能滿(mǎn)足生產(chǎn)的要求。光學(xué)系統(tǒng)：將汞燈光譜會(huì)聚,變換成平行光,并垂直引向硅片投影掩膜版：制成5倍(十倍)的圖形置于光路中對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)：光照亮對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記，光探測(cè)器被用來(lái)從光學(xué)上探測(cè)投影掩膜版和硅片目標(biāo)。對(duì)準(zhǔn)照明系統(tǒng)可以使用步進(jìn)光刻機(jī)的主投影光學(xué)系統(tǒng)照亮標(biāo)記（被稱(chēng)做同軸或通過(guò)透鏡），或使用其它的光學(xué)系統(tǒng)（被稱(chēng)做離軸）。帶膠的硅片：投影式曝光提高光學(xué)系統(tǒng)的分辨能力可以減小波長(zhǎng)（改進(jìn)光源）,提高感光膠的靈敏度和設(shè)備的精度。增加投影透鏡的數(shù)值孔徑（NA）。增加NA就需要更大的透鏡半徑，這將大大增加設(shè)備的成本，另外增加NA會(huì)減小焦深。有一些可行的分辨率增強(qiáng)技術(shù)，如相移掩膜版（PSM）和光學(xué)接近修正（OPC），對(duì)減少k值改善圖象分辨率有重要作用。如何提高分辨能力移相掩膜

在光掩膜的某些透明圖形上，增加或減少一個(gè)透明的介質(zhì)層（移相層），使光通過(guò)這個(gè)介質(zhì)層后有180度的相位差，與臨近區(qū)域的透過(guò)光產(chǎn)生干涉，抵消圖形邊緣的衍射效應(yīng)，從而提高圖形的曝光分辨率。焦深焦深是焦點(diǎn)周?chē)囊粋€(gè)范圍，在這個(gè)范圍內(nèi)圖象連續(xù)地保持清晰，這個(gè)范圍被稱(chēng)作焦深或DOF。焦深正比于波長(zhǎng)，反比于NA的平方。焦深減小的結(jié)果是嚴(yán)重縮減了光學(xué)系統(tǒng)的工藝寬容度。由于硅片表面結(jié)構(gòu)不平，嚴(yán)重限制了分辨率，人們采用許有許多技術(shù)來(lái)盡量減少表面不平，其中最主要的是機(jī)械化學(xué)平坦化（CMP）。平坦化減少了焦深，獲得較高的圖形分辨率。焦深計(jì)算:７.４光刻工藝流程光刻主要由涂膠、曝光、顯影等主要步驟組成。為了增強(qiáng)精確性和可靠性，還包括去水烘烤、涂底、軟烤和硬烤等步驟。下面簡(jiǎn)述各步的過(guò)程。７.４.１粘著劑HMDS光刻膠需要疏水性的表面才能獲得良好的接觸。干凈的硅片表面是疏水的，但由于經(jīng)過(guò)大多數(shù)工藝過(guò)程或和空氣反應(yīng)形成一層薄氧化層，硅片表面就變成親水性的了。六甲基二硅胺烷（HMDS）鈍化了親水性的表面狀態(tài)使之變成疏水性的，從而提高了硅片表面和光刻膠之間的黏附性。HMDS的涂法有兩種：一種是旋轉(zhuǎn)法，與涂膠類(lèi)似；一種是氣相法，氣相法是把氣態(tài)的HMDS送進(jìn)放有硅片的容器，在硅片表面形成一層HMDS膜，這種方法效率高，受微粒影響小。脫水烘烤和HMDS成膜７.４.２涂膠硅片經(jīng)過(guò)清洗，烘焙，成底膜后就該涂膠了。涂膠是在潔凈干燥的硅片表面均勻的涂一層光刻膠。滴在硅片上的膠是通過(guò)硅片的高速旋轉(zhuǎn)來(lái)均勻分布在硅片表面的。膠膜的厚度與膠的粘度和旋轉(zhuǎn)速度有關(guān)，轉(zhuǎn)速越大，膠膜越薄，厚度均勻性越理想。影響涂膠質(zhì)量的參數(shù)是膠的厚度和均勻性，光刻膠厚度正比于1/（轉(zhuǎn)速）1/2。涂膠后硅片邊緣形成邊膠，烘烤過(guò)程中或進(jìn)行其它工藝時(shí)邊膠就有可能掉到硅片內(nèi)部圖形中，形成缺陷，因此在涂膠后要把邊膠去除（EBR）。光刻膠光刻膠主要由樹(shù)脂、感光劑及溶劑等不同材料混合而成的，光刻膠是一種能和暴光波長(zhǎng)（紫外）發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)從而改變?cè)陲@影液中的溶解度的有機(jī)化合物。光刻膠分為正性膠和負(fù)性膠兩種，負(fù)光刻膠在遇光以后會(huì)產(chǎn)生鏈接，使其結(jié)構(gòu)加強(qiáng)而不溶于顯影劑。正光刻膠本身難溶于顯影劑，但遇光之后會(huì)離解成一種溶于顯影劑的結(jié)構(gòu)。７.４.３前烘在涂膠后要進(jìn)行暴光前烘烤，曝光前烘烤是使光刻膠中的溶劑揮發(fā)，并使光刻膠與硅片附著力增強(qiáng)、增加膠的黏附性、緩解膠膜應(yīng)力，避免同設(shè)備粘連。前烘的溫度與時(shí)間非常重要，溫度太高或時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，光刻膠變脆從而使附著力降低，而且對(duì)光的靈敏度變差，顯影困難。溫度太低或時(shí)間不夠，除了影響附著力外，曝光精度會(huì)因?yàn)槿軇┖窟^(guò)高而變差。前烘的方法利用熱空氣對(duì)流；利用紅外線(xiàn)輻射；利用熱墊板傳導(dǎo)。７.４.４光學(xué)曝光曝光是受光照射的光刻膠膜起光化學(xué)反應(yīng)，由于曝光的光源不同，曝光可分為光學(xué)曝光、X射線(xiàn)曝光、電子束曝光和離子束曝光。在光學(xué)曝光中，由于掩膜位置的不同，又可分為接觸式曝光、接近式曝光和投影式曝光。光刻設(shè)備可以被分為五代：接觸式光刻機(jī)接近式光刻機(jī)掃描投影光刻機(jī)（scanner）分步重復(fù)光刻機(jī)（stepper）步進(jìn)掃描光刻機(jī)關(guān)于抗反射涂層在光刻膠的下面是最終要被刻蝕形成圖案的底層薄膜。如果這個(gè)底層膜是反光的，例如金屬和多晶硅層，那麼光線(xiàn)將從這個(gè)膜層反射并有可能損害臨近的光刻膠。這個(gè)損害能夠?qū)€(xiàn)寬控制產(chǎn)生不利的影響。兩種最主要的光反射問(wèn)題是反射切口和駐波。在刻蝕形成的垂直側(cè)墻表面，光反射到不需暴光的光刻膠中就會(huì)形成反射切口。駐波表征入射光波和反射光波之間的干涉，這種干涉引起了隨光刻膠厚度變化的不均勻暴光。由于駐波，暴光后光刻膠側(cè)面是由過(guò)暴光和欠暴光而形成條痕。ARC是抗反射涂層（Anti-ReflectiveCoating)的縮寫(xiě)，能夠有效地解決反射問(wèn)題。ARC有涂在膠膜上表面或下表面的區(qū)別，其中最有效的是底部抗反射涂層。ARC有金屬和介質(zhì)的區(qū)別，它們是通過(guò)特定波長(zhǎng)相移相消起作用，是以折射率，膜層厚度，和其它參數(shù)為基礎(chǔ)的。成功的光波相位相消需要非常嚴(yán)格的工藝參數(shù)控制，底部抗反射涂層的厚度偏差容限是15A。TiN被用作和金屬連接的擴(kuò)散勢(shì)壘區(qū)的襯墊層，也是一種較好的抗反射涂層。然而，對(duì)于較短的波長(zhǎng)以及材料的反射率變化使干涉效應(yīng)很難控制。另外，還可以在光刻膠中加吸收紫外光的染料來(lái)減少反射。７.４.５烘烤曝光時(shí)，可能產(chǎn)生一種駐波現(xiàn)象，這是由于入射光干涉引起的。如圖所示。顯影后光刻膠的側(cè)面成為波紋狀，為了減小駐波影響，要進(jìn)行曝光后烘烤，可以使光刻膠結(jié)構(gòu)重新排列，駐波影響減輕。駐波現(xiàn)象７.４.６顯影把已曝光的硅片浸入顯影液中，通過(guò)溶解部分光刻膠的方法使膠膜的潛影顯現(xiàn)出來(lái)的過(guò)程叫做顯影。負(fù)膠顯影是將沒(méi)暴光的膠膜溶解掉；正膠顯影是將已暴光的膠膜溶解掉。感光和未感光的光刻膠在顯影液中都被不同程度的溶解，為了得到好的顯影圖像，溶解速率差越大越好。顯影是產(chǎn)生圖形的關(guān)鍵步驟。要控制顯影的穩(wěn)定就要保持環(huán)境溫度的穩(wěn)定和顯影液濃度的穩(wěn)定。因?yàn)榛瘜W(xué)顯影劑溶解過(guò)程受溫度和濃度影響很大。暴光不足和顯影條件不當(dāng)會(huì)影響顯影圖像的完好（顯不凈或掉膠）７.４.７顯影后檢查顯影形成圖形后要進(jìn)行檢查，可以避免由于光刻工藝而造成產(chǎn)品質(zhì)量或成品率問(wèn)題。檢查出有問(wèn)題的硅片可以返工或做相應(yīng)的處理從而提高了成品率。因此，顯影檢查在光刻工藝中也占有重要地位。７.４.８堅(jiān)膜烘焙光刻膠在顯影后，要再經(jīng)過(guò)一次烘烤，進(jìn)一步將膠內(nèi)殘留的溶劑含量蒸發(fā)而降到最低，使其硬化，即堅(jiān)膜。堅(jiān)膜溫度越高，光刻膠內(nèi)溶劑含量越少，但最后去膠時(shí)，難度也會(huì)增加，溫度過(guò)高，附著力也會(huì)因拉伸壓力積累而降低。烘焙揮發(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。這一步對(duì)下面的刻蝕和離子注入工藝非常關(guān)鍵。正膠的堅(jiān)膜烘焙溫度約為120℃到140℃，如果溫度太高，光刻膠就會(huì)流動(dòng)從而破壞圖形。最好的堅(jiān)膜方法是紫外光照射烘焙它能夠在增加光刻膠堅(jiān)固性的同時(shí)又能保持線(xiàn)寬的穩(wěn)定。７.５X射線(xiàn)暴光X射線(xiàn)的波長(zhǎng)比紫外光低2-3個(gè)數(shù)量級(jí)（軟紫外線(xiàn)的波長(zhǎng)在0.2-4nm),可極大地提高分辨率，０.１－１微米的暴光可以忽略衍射效應(yīng)．X射線(xiàn)不易被聚光，X射線(xiàn)的暴光采用接近式．要考慮膠和掩膜材料對(duì)X射線(xiàn)的吸收效應(yīng)．７.５.１X射線(xiàn)的光源１.同步輻射Ｘ射線(xiàn)暴光光源：在高能粒子加速器上的電子以接近光速做回旋運(yùn)動(dòng)，可以產(chǎn)生很強(qiáng)的電磁輻射．將特定波長(zhǎng)的高強(qiáng)度Ｘ射引出可以作為Ｘ射線(xiàn)暴光光源．目前大多數(shù)ＸＲＬ的成果都是采用該方法得到的．特點(diǎn)是準(zhǔn)直性好，半陰影效應(yīng)和幾何畸變?cè)趤單⒚拙€(xiàn)寬光刻中可以忽略．２.Ｘ射線(xiàn)的點(diǎn)光源：有激光等離子體源和高密度等離子體源．７.５.２X射線(xiàn)光刻掩膜一倍X射線(xiàn)光刻掩膜一般由低原子序數(shù)的輕元素材料組成的約2微米厚的透光薄膜襯基和高原子序數(shù)的重元素材料組成的吸收體圖形組成。薄膜襯基要有良好的透光性和較高強(qiáng)度和穩(wěn)定性。薄膜襯基材料有：硅，氮化硅，鈹,碳化硅，金剛石等；吸收體應(yīng)有高的X射線(xiàn)吸收系數(shù)和足夠的厚度，吸收體圖形應(yīng)有足夠的高寬比。材料有金，鎢，鉭，鎢-鈦等。X射線(xiàn)光刻掩膜制備：襯基材料如氮化硅多采用LPCVD技術(shù)，吸收體層常采用物理蒸鍍。吸收體圖形的加工要使用電子束直寫(xiě)和干法刻蝕等圖形能夠轉(zhuǎn)換技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。鈹7.5.3圖形畸變X射線(xiàn)的極短波長(zhǎng)，使得衍射對(duì)分辨率的影響極小。點(diǎn)光源的X射線(xiàn)暴光，影響分辨率和圖形的主要原因是半陰影和幾何畸變。幾何偏差:x=S(W/D)

W是樣品暴光位置偏離X光軸心的距離（最大為片徑的一半）D是光源到樣品的距離（50cm)，S是掩膜到樣品的間距。對(duì)4英寸硅片，簡(jiǎn)單的計(jì)算可以看出，如果要求硅片不平引起的圖形畸變dx小于o.1微米，則硅片的不平整度ds小于2微米，這是個(gè)非常高的要求。7.5.4X射線(xiàn)光刻膠常規(guī)的紫外暴光的光刻膠在X射線(xiàn)波段靈敏度非常差,通常針對(duì)特定的波長(zhǎng)在膠中殘入特定的雜質(zhì),這樣可以大幅度提高靈敏度.衡量膠的質(zhì)量通常有分辨率、靈敏度、和抗腐蝕三個(gè)參量。要同時(shí)滿(mǎn)足三個(gè)指標(biāo)是非常高的要求,為此產(chǎn)生了多層膠技術(shù).即把分辨率和靈敏度高的膠放在上面,抗腐性好的膠放在下層.7.6電子束光刻電子束暴光是指具有一定能量的電子進(jìn)入到光刻膠中與膠分子相互作用,產(chǎn)生光化學(xué)反應(yīng).一般也和可分為投影式(通過(guò)掩膜)和直寫(xiě).鄰近效應(yīng):電子束暴光中,由于電子在膠中的散射和膠層與襯底的交界面的背散射,使得圖形有的地方因增強(qiáng)暴光而突起,有的地方因減弱暴光而缺損,于是引起圖形畸變.電子束可以聚焦成很小的尺寸的束斑(nm),但是鄰近效應(yīng)是影響電子束暴光的重要因素.克服圖形畸變可以選擇適當(dāng)?shù)谋┕饽芰?、?jì)量和膠膜厚度—計(jì)算機(jī)自動(dòng)修正.7.7極紫外(EUV)光刻技術(shù)波長(zhǎng)11-14nm的極紫外(EUV)光波經(jīng)反射鏡入