光刻光刻膠和刻蝕課件

2.4光刻技術(shù)

2.4.1光刻工藝概述2.4.2光刻膠2.4.3涂膠2.4.4對位和曝光2.4.5顯影2.4光刻技術(shù)2.4.1光刻工藝概述2.4.1光刻工藝概述2.4.1光刻工藝概述2.4.2光刻膠

凡是在能量束（光束、電子束、離子束等）的照射下，以交聯(lián)反應(yīng)為主的光刻膠稱為

負(fù)性光刻膠，簡稱

負(fù)膠。凡是在能量束（光束、電子束、離子束等）的照射下，以降解反應(yīng)為主的光刻膠稱為

正性光刻膠，簡稱

正膠。1、光刻膠的類型

光刻膠也稱為

光致抗蝕劑（Photoresist，PR）。最常用的有

AZ–1350

系列。正膠的主要優(yōu)點(diǎn)是分辨率高，缺點(diǎn)是靈敏度、耐刻蝕性和附著性等較差。2.4.2光刻膠凡是在能量束（光束、電2、光刻膠的組成成分功能聚合物當(dāng)被曝光時，聚合物結(jié)構(gòu)由可溶變?yōu)榫酆希ɑ蚍粗┤軇┫♂尭泄鈩┱{(diào)節(jié)化學(xué)反應(yīng)添加劑工藝效果（如染色劑等）2、光刻膠的組成成分功能聚合物當(dāng)被曝光時，聚合物結(jié)構(gòu)由可溶變（1）靈敏度

單位面積上入射的使光刻膠全部發(fā)生反應(yīng)的最小光能量或最小電荷量（對電子束膠），稱為光刻膠的靈敏度，記為S

，也就是D100。S

越小，則靈敏度越高。

通常負(fù)膠的靈敏度高于正膠。

靈敏度太低會影響生產(chǎn)效率，所以通常希望光刻膠有較高的靈敏度。但靈敏度太高會影響分辨率。3

光刻膠的特性1.00.50D0入射劑量（C/cm2）未反應(yīng)的歸一化膜厚D100靈敏度曲線（1）靈敏度通常負(fù)膠的靈敏度高于正膠。

(2)分辨率

光刻工藝中影響分辨率的因素有：光源、曝光方式

和

光刻膠本身（包括靈敏度、對比度、顆粒的大小、顯影時的溶脹、電子散射等）。通常正膠的分辨率要高于負(fù)膠。(2)分辨率光刻工藝中影響(3)對比度

對比度是圖中對數(shù)坐標(biāo)下對比度曲線的斜率，表示光刻膠區(qū)分掩模上亮區(qū)和暗區(qū)的能力的大小，即對劑量變化的敏感程度。靈敏度曲線越陡，D0與D100的間距就越小，則就越大，這樣有助于得到清晰的圖形輪廓和高的分辨率。一般光刻膠的對比度在

0.9

~

2.0

之間。對于亞微米圖形，要求對比度大于1。

通常正膠的對比度要高于負(fù)膠。D0D100

對比度的定義為(3)對比度對比度是圖中對數(shù)坐標(biāo)下對比度曲正膠和負(fù)膠比較光刻膠對比度斜坡膨脹分辨率粘附性正膠和負(fù)膠比較光刻膠對比度2.4.3涂膠一般采用旋涂法。涂膠的關(guān)鍵是控制膠膜的厚度與膜厚的均勻性。膠膜的厚度決定于光刻膠的粘度和旋轉(zhuǎn)速度。3)甩掉多余的膠4)溶劑揮發(fā)1)滴膠2)加速旋轉(zhuǎn)2.4.3涂膠一般采用旋涂法。涂膠的關(guān)鍵是控制膠膜的厚度與2.4.4對位和曝光光刻曝光刻蝕光源曝光方式

評價光刻工藝可用三項(xiàng)主要的標(biāo)準(zhǔn)：分辨率、對準(zhǔn)精度

和生產(chǎn)效率。2.4.4對位和曝光光刻曝光光源評價光刻工1、基本光學(xué)問題1、基本光學(xué)問題衍射

但是當(dāng)掩膜版上的特征尺寸接近光源的波長時，就應(yīng)該把光的傳輸作為電磁波來處理，必須考慮衍射和干涉。由于衍射的作用，掩模版透光區(qū)下方的光強(qiáng)減弱，非透光區(qū)下方的光強(qiáng)增加，從而影響光刻的分辯率。掩膜版是用石英玻璃做成的均勻平坦的薄片，表面上涂一層600

800?厚的Cr層，使其表面光潔度更高。稱之為鉻板，Crmask。衍射但是當(dāng)掩膜版上的特征尺寸接近光源的波長時調(diào)制傳輸函數(shù)和光學(xué)曝光無衍射效應(yīng)有衍射效應(yīng)光強(qiáng)調(diào)制傳輸函數(shù)和光學(xué)曝光無衍射效應(yīng)有衍射效應(yīng)光強(qiáng)

定義圖形的

調(diào)制傳輸函數(shù)

MTF

為

無衍射效應(yīng)時，MTF=1；有衍射效應(yīng)時，MTF<1。光柵的周期（或圖形的尺寸）越小，則

MTF

越??；光的波長越短，則

MTF

越大。定義圖形的調(diào)制傳輸函數(shù)MTF為

圖形的分辯率還要受光刻膠對光強(qiáng)的響應(yīng)特性的影響。

理想光刻膠：光強(qiáng)不到臨界光強(qiáng)

Dcr時不發(fā)生反應(yīng)，光強(qiáng)超過

Dcr時完全反應(yīng)，衍射只造成線寬和間距的少量變化。DcrD100D0

實(shí)際光刻膠：光強(qiáng)不到

D0

時不發(fā)生反應(yīng)，光強(qiáng)介于

D0

和D100

之間時發(fā)生部分反應(yīng)，光強(qiáng)超過

D100

時完全反應(yīng)，使線條邊緣出現(xiàn)模糊區(qū)。在通常的光刻膠中，當(dāng)

MTF

<

0.5

時，圖形不再能被復(fù)制。圖形的分辯率還要受光刻膠對光強(qiáng)的響應(yīng)特性的影2、光源

對光源系統(tǒng)的要求

1、有適當(dāng)?shù)牟ㄩL。波長越短，可曝光的特征尺寸就越??；

2、有足夠的能量。能量越大，曝光時間就越短；

3、曝光能量必須均勻地分布在曝光區(qū)。

常用的

紫外光

光源是高壓弧光燈（高壓汞燈），高壓汞燈有許多尖銳的光譜線，經(jīng)過濾光后使用其中的

g線（436

nm）或

i線（365

nm）。2、光源對光源系統(tǒng)的要求常用高壓汞燈的光譜線120100806040200200 300 400 500 600RelativeIntensity(%)h-line405nmg-line436nmi-line365nmDUV248nmEmissionspectrumofhigh-intensitymercurylamp高壓汞燈的光譜線120200 300 400 50

由于衍射效應(yīng)是光學(xué)曝光技術(shù)中限制分辨率的主要因素，所以要提高分辨率就應(yīng)使用波長更短的光源如

深紫外光。實(shí)際使用的深紫外光源有

KrF

準(zhǔn)分子激光（248

nm）、ArF

準(zhǔn)分子激光（193

nm）和

F2

準(zhǔn)分子激光（157

nm）等。由于衍射效應(yīng)是光學(xué)曝光技術(shù)中限制分辨率的主要光源紫外光（UV）深紫外光（DUV）g線：436

nmi線：365

nmKrF

準(zhǔn)分子激光：248

nmArF

準(zhǔn)分子激光：193

nm極紫外光（EUV），10~15

nmX

射線，0.2~4

nm

電子束離子束光源紫外光（UV）深紫外光（DUV）有掩模方式無掩模方式（聚焦掃描方式）接觸式非接觸式接近式投影式反射折射全場投影步進(jìn)投影掃描步進(jìn)投影矢量掃描光柵掃描混合掃描3、曝光方式掩模板制造有掩模方式接觸式接近式反射全場投影矢量掃描3、曝光方式掩模板（1）接觸式光刻機(jī)SiU.V.MaskP.R.SiO2

優(yōu)點(diǎn)：設(shè)備簡單；理論上

MTF

可達(dá)到

1，因此分辨率比較高，約

0.5

m。

缺點(diǎn)：掩模版壽命短（10~20

次），硅片上圖形缺陷多，光刻成品率低。（1）接觸式光刻機(jī)SiU.V.優(yōu)點(diǎn)：設(shè)備簡

（2）接近式光刻機(jī)g=

10

~

50

m

優(yōu)點(diǎn)：掩模壽命長（可提高

10

倍以上），圖形缺陷少。

缺點(diǎn)：衍射效應(yīng)嚴(yán)重，使分辨率下降。（2）接近式光刻機(jī)g=10~50

最小可分辨的線寬為式中，k

是與光刻膠處理工藝有關(guān)的常數(shù)，通常接近于1

。最小可分辨的線寬為式中，k是與光刻膠處理工接觸/接近式曝光的光學(xué)系統(tǒng)接觸/接近式曝光的光學(xué)系統(tǒng)

投影式光刻機(jī)式中，k1是與光刻膠的光強(qiáng)響應(yīng)特性有關(guān)的常數(shù)，約為

0.75。NA

為鏡頭的

數(shù)值孔徑，

投影式光刻機(jī)的分辨率由

瑞利第一公式

給出，即分辨率與焦深n為折射率，為半接收角。NA

的典型值是

0.16

到

0.8。

增大

NA

可以提高分辨率，但卻受到

焦深

的限制。投影式光刻機(jī)式中，k1是與光刻膠的光強(qiáng)響應(yīng)特性有關(guān)的常數(shù)

分辨率與焦深對波長和數(shù)值孔徑有相互矛盾的要求，需要折中考慮。增加

NA

線性地提高分辨率，平方關(guān)系地減小焦深，所以一般選取較小的

NA。為了提高分辨率，可以縮短波長。

焦深

代表當(dāng)基片沿光路方向移動時能保持良好聚焦的移動距離。投影式光刻機(jī)的焦深由

瑞利第二公式

給出，即分辨率與焦深對波長和數(shù)值孔徑有相互矛盾的要求（3）1:1掃描反射投影光刻機(jī)（3）1:1掃描反射投影光刻機(jī)掩模硅片反射凹鏡反射凸鏡光源優(yōu)點(diǎn)

1、掩模壽命長，圖形缺陷少。

2、無色散，可以使用連續(xù)波長光源，無駐波效應(yīng)。無折射系統(tǒng)中的象差、彌散等的影響。

3、曝光效率較高。缺點(diǎn)數(shù)值孔徑

NA

太小，是限制分辨率的主要因素。掩模硅片反射凹鏡反射凸鏡光源優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)（4）分步重復(fù)縮小投影光刻機(jī)

隨著線寬的不斷減小和基板直徑的增大，分辨率與焦深的矛盾、線寬與視場的矛盾

越來越嚴(yán)重。為解決這些問題，開發(fā)出了分步重復(fù)縮小投影曝光機(jī)（DirectStep

on

the

Wafer，簡稱DSW，Stepper）。常用的是5:1

或4:1。（4）分步重復(fù)縮小投影光刻機(jī)隨著線寬的不斷減光源聚光透鏡投影器掩模基片光源聚光透鏡投影器掩?；琔VlightReticlefieldsize20mm×15mm,4dieperfield5:1reductionlens基片曲折的步進(jìn)圖形UVlightReticlefieldsize5:1光刻光刻膠和刻蝕課件

缺點(diǎn)

1、曝光效率低；

2、設(shè)備復(fù)雜、昂貴。

優(yōu)點(diǎn)

1、掩模版壽命長，圖形缺陷少；

2、可以使用高數(shù)值孔徑的透鏡來提高分辨率，通過分步聚焦來解決焦深問題，可以在大基片上獲得高分辨率的圖形；

3、由于掩模尺寸遠(yuǎn)大于芯片尺寸，使掩模制造簡單，可減少掩模上的缺陷對芯片成品率的影響。缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)小結(jié)

限制光學(xué)曝光方式的分辨率的主要因素是衍射效應(yīng)。最早使用的接觸式光刻機(jī)，分辨率可到

1

m以下，但容易損傷掩模和硅片。解決的辦法是使用接近式光刻機(jī)，但要影響分辨率。介紹了具有亞微米分辨率的投影曝光系統(tǒng)。為了解決分辨率和焦深之間的矛盾，可以采用分步重復(fù)的方式。小結(jié)限制光學(xué)曝光方式的分辨率的主要因素是衍射光學(xué)曝光的各種曝光方式及其利弊小結(jié)接觸式非接觸式優(yōu)點(diǎn)：設(shè)備簡單，分辨率較高缺點(diǎn)：掩模版與晶片易損傷，成品率低接近式優(yōu)點(diǎn)：掩模版壽命長，成本低缺點(diǎn)：衍射效應(yīng)嚴(yán)重，影響分辨率投影式全反射折射優(yōu)點(diǎn)：無像差，無駐波效應(yīng)影響缺點(diǎn)：數(shù)值孔徑小，分辨率低優(yōu)點(diǎn)：數(shù)值孔徑大，分辨率高，對硅片平整度要求低，掩模制造方便缺點(diǎn)：曝光效率低，設(shè)備昂貴光學(xué)曝光的各種曝光方式及其利弊小結(jié)接觸式非接觸式優(yōu)點(diǎn)：設(shè)備簡光刻光刻膠和刻蝕課件將曝光后的基片用顯影液浸泡或噴霧處理。對負(fù)膠，顯影液將溶解掉未曝光區(qū)的膠膜；對正膠，顯影液將溶解曝光區(qū)的膠膜。幾乎所有的正膠都使用堿性顯影液，如

KOH

水溶液。

顯影過程中光刻膠膜會發(fā)生膨脹。正膠的膨脹可以忽略，而負(fù)膠的膨脹則可能使圖形尺寸發(fā)生變化。

顯影過程對溫度非常敏感。顯影過程有可能影響光刻膠的對比度，從而影響光刻膠的剖面形狀。顯影后必須進(jìn)行嚴(yán)格的檢查，如有缺陷則必須返工。2.4.5光刻膠的顯影將曝光后的基片用顯影液浸泡或噴霧處理。對負(fù)自動顯影檢查設(shè)備自動顯影檢查設(shè)備2.5刻蝕(Eching)

定義:由預(yù)先定義好的圖形把不要的區(qū)域去除，保留要留下的區(qū)域，將圖形轉(zhuǎn)移到所選定的舉出上其過程稱之為刻蝕。刻蝕的作用制作不同的器件結(jié)構(gòu)，如線條、接觸孔、柵等。被刻蝕的材料半導(dǎo)體，絕緣體，金屬等?？涛g方法可以是物理性(離子碰撞)，也可以是化學(xué)性(與薄膜發(fā)生化學(xué)反應(yīng))，也可以是兩者的混合方式。1、認(rèn)識刻蝕2.5刻蝕(Eching)定義:1、認(rèn)識刻蝕2、刻蝕失敗的例子2、刻蝕失敗的例子(1)獲得滿意的剖面（傾斜或垂直）(2)鉆刻最小(3)選擇比大(4)刻蝕均勻性好，重復(fù)性高(5)對表面和電路的損傷最小(6)清潔、經(jīng)濟(jì)、安全。3、對圖形轉(zhuǎn)移的要求(1)獲得滿意的剖面（傾斜或垂直）3、對圖形轉(zhuǎn)移的要求4、刻蝕工藝的分類(1)

濕法刻蝕與干法刻蝕(2)

各向同性刻蝕與各向異性刻蝕a.濕法刻蝕：采用液態(tài)化學(xué)試劑進(jìn)行薄膜刻蝕b.干法刻蝕：采用氣態(tài)的化學(xué)氣體進(jìn)行薄膜刻蝕a.各向同性刻蝕：薄膜在各個方向上都受到同樣的刻蝕b.各向異性刻蝕：薄膜在各個方向上所受刻蝕不等4、刻蝕工藝的分類(1)濕法刻蝕與干法刻蝕(2)各向同性a.橫向刻蝕速度RLb.縱向刻蝕速度RV(2)選擇比：不同材料的刻蝕速率比.(3)鉆刻：掩膜材料下的側(cè)向刻蝕。各向異性度：A=0,各向同性刻蝕A=1,理想的各向異性刻蝕1>A>0，實(shí)際的各向異性刻蝕5、刻蝕工藝的品質(zhì)因數(shù)(1)刻蝕速率：單位時間刻蝕的厚度?！獩Q定了刻蝕工藝的產(chǎn)率——決定了刻蝕后剖面形貌和“鉆蝕”程度a.橫向刻蝕速度RL(2)選擇比：不同材料的刻蝕速率比膜層厚度的不均勻+刻蝕速率的不均勻→圖形轉(zhuǎn)移尺寸的不均勻（4）均勻性：膜層厚度的不均勻+刻蝕速率的不均勻→圖形轉(zhuǎn)移尺寸的不均勻（4二、濕法刻蝕1）反應(yīng)物擴(kuò)散到被刻蝕的材料表面；2）反應(yīng)物與被刻蝕薄膜反應(yīng)；3）反應(yīng)后的產(chǎn)物從刻蝕表面擴(kuò)散到溶液中，并隨溶液被排出。1、濕法刻蝕:利用溶液與預(yù)刻蝕材料之間的化學(xué)反應(yīng)來去除未被掩蔽膜材料掩蔽的部分而達(dá)到刻蝕目的。2、三個步驟：a.

刻蝕溶液的種類b.

溶液的濃度c.

反應(yīng)溫度d.

攪拌速率控制方法：二、濕法刻蝕1）反應(yīng)物擴(kuò)散到被刻蝕的材料表面；1、濕法刻蝕:各相同性的，鉆蝕嚴(yán)重，對圖形的控制性較差。安全性、潔凈性差。I.刻蝕液的選用：選擇比大。II.掩蔽膜的選用：粘附性；穩(wěn)定性；抗蝕性好；III.主要優(yōu)點(diǎn)：設(shè)備簡單，成本底，產(chǎn)量高，并且具有很好的刻蝕選擇比，重復(fù)性好。IV.主要缺點(diǎn)各相同性的，鉆蝕嚴(yán)重，對圖形的控制性較差。I.刻蝕液的選用濕刻的工藝過程（例）transparentglassCrpatternedfilmMaskSiphotoresistSiO2filmAlfilmSiUVexposureSiDevelopsolutionSiPatterntransfertophotoresistSiEtchingofAlfilm濕刻的工藝過程（例）transparentglassCrIsotropicetchingundercutFilmetchingundercutLayer2Layer1濕法刻蝕中的側(cè)向腐蝕SiO2腐蝕斷面IsotropicetchingundercutFilm三、干法刻蝕c.分類：1、特點(diǎn):利用氣體在外加的交流電場中所形成的等離子與選定材料在真空室內(nèi)發(fā)生反應(yīng)的機(jī)制，將未受保護(hù)區(qū)域的材料從表面上移除的過程。a.優(yōu)點(diǎn):各向異性好，選擇比高，可控性、靈活性、重復(fù)性好，細(xì)線條操作安全，易實(shí)現(xiàn)自動化，無化學(xué)廢液，處理過程未引入污染，潔凈度高。b.缺點(diǎn)：成本高，設(shè)備復(fù)雜。物理性、化學(xué)性、物理化學(xué)性刻蝕。三、干法刻蝕c.分類：1、特點(diǎn):利用氣體在外加的交流電場2、物理性刻蝕(2)設(shè)備：a.

純粹的機(jī)械過程，對所有材料都可實(shí)現(xiàn)強(qiáng)的各向異性刻蝕。b.選擇比差；c.刻出物易再淀積；d.易對下面結(jié)構(gòu)造成損傷；e.

單片刻蝕。(1)機(jī)理：利用輝光放電將惰性氣體解離成帶正電的離子，再利用偏壓將離子加速，轟擊被刻蝕物的表面，并將被刻蝕物材料的原子擊出。離子銑（真空度10-3～10-5Torr）(3)特點(diǎn)：2、物理性刻蝕(2)設(shè)備：a.純粹的機(jī)械過程，對所有材料離子束刻蝕Neutralizedionbeam:goodforconductor&insulator離子束刻蝕Neutralizedionbeam:goo3、化學(xué)性刻蝕(1)機(jī)理：3、化學(xué)性刻蝕(1)機(jī)理：a.

主要依靠化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行刻蝕，選擇性好；b.

離子的能量很小，各向異性差；c.

對基底的損傷小；d.

刻蝕速度低。(2)設(shè)備：高壓等離子體刻蝕機(jī)（真空度102～10-1Torr）(3)特點(diǎn)：a.主要依靠化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行刻蝕，選擇性好；(2)設(shè)備：高4、物理化學(xué)性刻蝕a.

選擇比較高；b.

各向異性較好，c.

刻蝕速度較快(1)機(jī)理：物理性的離子轟擊和化學(xué)反應(yīng)相結(jié)合實(shí)現(xiàn)的刻蝕。(2)設(shè)備：反應(yīng)離子刻蝕機(jī)（RIE)（真空度10-1～10-2Torr）傳統(tǒng)的RIE設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單、價格較低廉。通過適當(dāng)選擇反應(yīng)氣體、氣壓、流量和射頻功率，可以得到較快的刻蝕速率和良好的各向異性。(3)特點(diǎn)：4、物理化學(xué)性刻蝕a.選擇比較高；(1)機(jī)理：物理性的離a.

將被刻蝕材料表面的原子鍵破壞；b.

將再淀積于被刻蝕表面的產(chǎn)物或聚合物打掉,使被刻蝕表面能再與刻蝕氣體接觸；(4)離子轟擊的作用：a.將被刻蝕材料表面的原子鍵破壞；(4)離子轟擊的作用(5)反應(yīng)離子刻蝕機(jī)RIE可達(dá)100～1000ev比

0～100ｅｖ．a(chǎn).在RIE設(shè)備中，使用非對稱腔體。b.為了保持電流連續(xù)性，小電極處應(yīng)有更高的電場

(更高的RF電流密度）。V1/V2≈[A2/A1]4c.d.自由基反應(yīng)各向同性，

高能離子轟擊各向異性刻蝕。RIE的基板是帶負(fù)電的。正離子受帶負(fù)電的基板吸引，最終以近乎垂直的方向射入晶體，從而使刻蝕具有良好的方向性。(5)反應(yīng)離子刻蝕機(jī)RIE可達(dá)100～1000ev比a.(6)RIE的不足：d.工作氣壓較高，離子沾污較大。a.

射頻等離子體的離化率較低.b.

刻蝕速度↑→等離子體密度↑，但同時離子轟擊的能量↑，→轟擊損傷↑;c.

隨著線條尺寸↓，刻蝕圖形的深寬比↑,要求氣壓↓→離子的自由程↑→確?？涛g的垂直度，