第五章半導(dǎo)體器件工藝學(xué)之光刻

第五章光刻§5-1光刻材料§5-2光刻工藝§5-3先進的光刻技術(shù)§5-1光刻材料一、概述制作掩膜版將掩膜版上的圖形轉(zhuǎn)移到硅片表面的光敏薄膜上刻蝕離子注入（摻雜）光刻使用光敏光刻膠材料和受控制的曝光形成三維圖形光刻是IC制造中關(guān)鍵步驟1/3成本、40%—50%生產(chǎn)時間、決定CD多次光刻光刻材料：光刻膠掩膜版二、光刻膠（PR）1.光刻膠的特性及作用是一種光敏材料通過曝光使光刻膠在顯影液中的溶解度發(fā)生改變可溶→不可溶（負膠）不可溶→可溶（正膠）光刻膠的作用：保護下層材料光刻膠：負性光刻膠正性光刻膠

2.光刻膠的組成

樹脂感光劑溶劑另外還有添加劑負性光刻膠樹脂（可溶于顯影液）曝光后感光劑產(chǎn)生自由基自由基使樹脂交聯(lián)而不溶于顯影液顯影后圖形與掩膜版相反正性光刻膠樹脂（本身是可溶于顯影液，感光劑是一種強力溶解抑制劑）曝光后感光劑產(chǎn)生酸酸提高樹脂在顯影液中的溶解度顯影后圖形與掩膜版相同對比：正、負光刻膠負膠：顯影泡脹而變形，使分辨率下降曝光速度快，與硅片粘附性好價格便宜2μm分辨率正膠：無膨脹，良好的線寬分辨率和基片之間的粘附性差當前主要使用正膠3.光刻膠發(fā)展傳統(tǒng)I線光刻膠（I線紫外波長365nm，0.35μmCD）深紫外（DUV）光刻膠（248nm，0.25μmCD）深紫外光刻膠的化學(xué)放大（193nm，0.18μmCD）4.光刻膠的特性分辨率：將硅片上兩個鄰近的特征圖形區(qū)分開的能力對比度：光刻膠上從曝光區(qū)到非曝光區(qū)過渡的陡度敏感度：產(chǎn)生一個良好圖形所需的最低能量粘滯度：液體光刻膠的流動特性的定量指標粘附性：光刻膠粘著襯底的強度抗蝕性：在后面的加工工藝中保持化學(xué)穩(wěn)定性三、掩膜版掩膜版：包含整個硅片上所有管芯投影掩膜版：包含一個管芯或幾個管芯兩個基本部分：基板（石英版）+不透光材料基板要求：低溫度膨脹、高光學(xué)透射、耐腐蝕、材料表面和內(nèi)部沒有缺陷超微粒干版：AgBr（鹵化銀）鉻版：Cr（鉻）+氧化鉻氧化鐵版：Fe2O3（氧化鐵）投影掩模板采用電子束光刻直寫式投影掩模板的損傷：掉鉻、表面擦傷、靜電放電、灰塵顆粒投影掩模板的保護膜：§5-2光刻工藝正性和負性光刻工藝：

負性光刻正性光刻光刻的基本步驟氣相成底膜旋轉(zhuǎn)涂膠前烘對準和曝光曝光后烘焙顯影堅膜烘焙顯影檢查基本步驟目的：增強硅片與光刻膠的黏附性底膜處理的步驟1.硅片清洗不良的表面沾污會造成：光刻膠與硅片的黏附性差，可能會浮膠、鉆蝕顆粒沾污會造成不平坦的涂布，光刻膠針孔2.脫水烘焙使硅片表面呈干燥疏水性3.底膜處理HMDS作用：影響硅片表面形成疏水表面增強硅片與膠的結(jié)合力成底膜技術(shù)：旋轉(zhuǎn)法和氣相法一、氣相成底膜硅片清洗脫水烘焙與氣相成底膜二、旋轉(zhuǎn)涂膠質(zhì)量參數(shù)：厚度、均勻性、顆粒沾污、光刻膠缺陷（如針孔）等厚度和均勻性光刻膠厚度通常在1μm數(shù)量級單片厚度變化≤20—50A大批量的片間厚度＜30A旋轉(zhuǎn)涂膠4個基本步驟勻膠機三、前烘（軟烘）目的：光刻膠中的溶劑部分揮發(fā)增強光刻膠的粘附性，光吸收及抗腐蝕能力緩和涂膠過程中光刻膠膜內(nèi)產(chǎn)生的應(yīng)力如果沒有前烘，可能帶來的問題有：光刻膠發(fā)黏，易受顆粒污染光刻膠來自旋轉(zhuǎn)涂膠的內(nèi)在應(yīng)力將導(dǎo)致粘附性問題溶劑含量過高導(dǎo)致顯影時由于溶解差異，而很難區(qū)分曝光和未曝光的光刻膠光刻膠散發(fā)的氣體可能污染光學(xué)系統(tǒng)的透鏡烘箱與熱板四、對準和曝光對準和曝光工藝代表了現(xiàn)代光刻中的主要設(shè)備系統(tǒng)硅片被定位在光學(xué)系統(tǒng)的聚焦范圍內(nèi)，硅片的對準標記與掩膜版上匹配的標記對準后，紫外光通過光學(xué)系統(tǒng)透過掩膜版進行圖形投影，這樣就對光刻膠進行曝光。曝光方式和設(shè)備曝光光源光學(xué)光刻特性曝光質(zhì)量1.曝光方式和設(shè)備：接觸式/接近式光刻機光學(xué)掃描投影光刻機步進掃描光刻機電子束光刻機非光學(xué)X射線光刻機離子束光刻機接觸式光刻機20世紀70年代使用，用于5μm及以上尺寸特點：掩膜版容易損壞易受顆粒沾污高分辨率，可以實現(xiàn)亞微米（0.4μm）線寬接觸式光刻機接近式光刻機由接觸式發(fā)展來，70年代使用，用于2μm—4μm尺寸線寬特點：與接觸式相比減少了沾污問題掩膜版的壽命也較長由于光的衍射而分辨率降低接近式光刻機接近式光刻機上的邊緣衍射和表面反射接觸和接近式光刻機掃描投影式光刻機70年代末80年代初，現(xiàn)在仍有使用，用來實現(xiàn)1μm的非關(guān)鍵層使用1：1掩膜版特點：亞微米尺寸的掩膜版制作困難掃描投影式光刻機步進掃描式光刻機近年主流設(shè)備，用于形成0.25μm及以下尺寸使用投影掩膜版（1：1，4：1，5：1，10：1）特點：高分辨率精度易受環(huán)境影響（如振動）光路復(fù)雜，設(shè)備昂貴

步進掃描光刻機步進投影式光刻機非光學(xué)曝光電子束曝光X射線曝光離子束曝光電子束曝光機2.曝光光源：最常用的兩種紫外光源：汞燈準分子激光汞燈：發(fā)出240nm—500nm之間的輻射準分子激光：248nm氟化氪激光器（常用）193nm氟化氬激光器（下一代技術(shù)）157nm波長的激光器（潛在的0.15μmCD的光源）先進和特殊用途的光源：X射線電子束離子束3.光學(xué)光刻特性光譜數(shù)值孔徑分辨率焦深①光譜DUV（248nm—193nm）VUV（157nm）E