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),對光刻的基本要求有下述幾個方面：1.高分辨率(只考慮衍射效應(yīng)的純理論結(jié)果)

光學(xué)曝光可以達到的最細線條

?L≥/2

光學(xué)曝光的最高分辨率

Rmax

≤1/(mm-1)

一般粒子束的最細線條?L≥h/2(2mE)1/2

2.高靈敏度；光刻膠的感光速度3.精密的套刻對準；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，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1微米)。但掩膜與硅片接觸會產(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)過數(shù)十次重復(fù)性曝光才能完成。這樣的曝光系統(tǒng)稱為步進機（stepper）。投影曝光的分辨率R＝k/N·A

為入射光的波長數(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，和準分子激光器.汞燈光譜中有幾個光強峰值，有些用字母命名，如365nm的光強峰值被命名為I。準分子激光器主要用于深紫外DUV暴光，汞燈在這個波段的發(fā)射功率低不能滿足生產(chǎn)的要求。光學(xué)系統(tǒng)：將汞燈光譜會聚,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準系統(tǒng)：光照亮對準標記，光探測器被用來從光學(xué)上探測投影掩膜版和硅片目標。對準照明系統(tǒng)可以使用步進光刻機的主投影光學(xué)系統(tǒng)照亮標記（被稱做同軸或通過透鏡），或使用其它的光學(xué)系統(tǒng)（被稱做離軸）。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（改進光源）,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會減小焦深。有一些可行的分辨率增強技術(shù)，如相移掩膜版（PSM）和光學(xué)接近修正（OPC），對減少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，增加或減少一個透明的介質(zhì)層（移相層），使光通過這個介質(zhì)層后有180度的相位差，與臨近區(qū)域的透過光產(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。焦深焦深是焦點周圍的一個范圍，在這個范圍內(nèi)圖象連續(xù)地保持清晰，這個范圍被稱作焦深或DOF。焦深正比于波長，反比于NA的平方。焦深減小的結(jié)果是嚴重縮減了光學(xué)系統(tǒng)的工藝寬容度。由于硅片表面結(jié)構(gòu)不平，嚴重限制了分辨率，人們采用許有許多技術(shù)來盡量減少表面不平，其中最主要的是機械化學(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。下面簡述各步的過程。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)過大多數(shù)工藝過程或和空氣反應(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，與涂膠類似；一種是氣相法，氣相法是把氣態(tài)的HMDS送進放有硅片的容器，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硅片的高速旋轉(zhuǎn)來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，烘烤過程中或進行其它工藝時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（紫外）發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)從而改變在顯影液中的溶解度的有機化合物。光刻膠分為正性膠和負性膠兩種，負光刻膠在遇光以后會產(chǎn)生鏈接，使其結(jié)構(gòu)加強而不溶于顯影劑。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、增加膠的黏附性、緩解膠膜應(yīng)力，避免同設(shè)備粘連。前烘的溫度與時間非常重要，溫度太高或時間過長，光刻膠變脆從而使附著力降低，而且對光的靈敏度變差，顯影困難。溫度太低或時間不夠，除了影響附著力外，曝光精度會因為溶劑含量過高而變差。前烘的方法利用熱空氣對流；利用紅外線輻射；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：接觸式光刻機接近式光刻機掃描投影光刻機（scanner）分步重復(fù)光刻機（stepper）步進掃描光刻機關(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。如果這個底層膜是反光的，例如金屬和多晶硅層，那麼光線將從這個膜層反射并有可能損害臨近的光刻膠。這個損害能夠?qū)€寬控制產(chǎn)生不利的影響。兩種最主要的光反射問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)面是由過暴光和欠暴光而形成條痕。ARC是抗反射涂層（Anti-ReflectiveCoating)的縮寫，能夠有效地解決反射問題。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，它們是通過特定波長相移相消起作用，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散勢壘區(qū)的襯墊層，也是一種較好的抗反射涂層。然而，對于較短的波長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減少反射。７.４.５烘烤曝光時，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，通過溶解部分光刻膠的方法使膠膜的潛影顯現(xiàn)出來的過程叫做顯影。負膠顯影是將沒暴光的膠膜溶解掉；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。因為化學(xué)顯影劑溶解過程受溫度和濃度影響很大。暴光不足和顯影條件不當會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)量或成品率問題。檢查出有問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堅膜烘焙光刻膠在顯影后，要再經(jīng)過一次烘烤，進一步將膠內(nèi)殘留的溶劑含量蒸發(fā)而降到最低，使其硬化，即堅膜。堅膜溫度越高，光刻膠內(nèi)溶劑含量越少，但最后去膠時，難度也會增加，溫度過高，附著力也會因拉伸壓力積累而降低。烘焙揮發(fā)掉存留的光刻膠溶劑，提高光刻膠對硅片表面的粘附性。這一步對下面的刻蝕和離子注入工藝非常關(guān)鍵。正膠的堅膜烘焙溫度約為120℃到140℃，如果溫度太高，光刻膠就會流動從而破壞圖形。最好的堅膜方法是紫外光照射烘焙它能夠在增加光刻膠堅固性的同時又能保持線寬的穩(wěn)定。７.５X射線暴光X射線的波長比紫外光低2-3個數(shù)量級（軟紫外線的波長在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射線不易被聚光，X射線的暴光采用接近式．要考慮膠和掩膜材料對X射線的吸收效應(yīng)．７.５.１X射線的光源１.同步輻射Ｘ射線暴光光源：在高能粒子加速器上的電子以接近光速做回旋運動，可以產(chǎn)生很強的電磁輻射．將特定波長的高強度Ｘ射引出可以作為Ｘ射線暴光光源．目前大多數(shù)ＸＲＬ的成果都是采用該方法得到的．特點是準直性好，半陰影效應(yīng)和幾何畸變在亞微米線寬光刻中可以忽略．２.Ｘ射線的點光源：有激光等離子體源和高密度等離子體源．７.５.２X射線光刻掩膜一倍X射線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和干法刻蝕等圖形能夠轉(zhuǎn)換技術(shù)來實現(xiàn)。鈹7.5.3圖形畸變X射線的極短波長，使得衍射對分辨率的影響極小。點光源的X射線暴光，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4英寸硅片，簡單的計算可以看出，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，這是個非常高的要求。7.5.4X射線光刻膠常規(guī)的紫外暴光的光刻膠在X射線波段靈敏度非常差,通常針對特定的波長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、和抗腐蝕三個參量。要同時滿足三個指標是非常高的要求,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(通過掩膜)和直寫.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?shù)谋┕饽芰?、計量和膠膜厚度—計算機自動修正.7.7極紫外(EUV)光刻技術(shù)波長11-14nm的極紫外(EUV)光波經(jīng)反射鏡入