光刻工藝簡(jiǎn)介-復(fù)制

光刻工藝簡(jiǎn)介藍(lán)色獨(dú)行者Writtenby藍(lán)色獨(dú)行者一、光刻是什么?

所謂光刻,是指利用掩模板(mask)上的幾何圖形,通過光化學(xué)反應(yīng),將圖案轉(zhuǎn)移到覆蓋在半導(dǎo)體晶片上的感光薄膜層(稱為光致抗蝕劑,光刻膠或光阻photoresist,簡(jiǎn)稱PR)上的一種工藝步驟。二、光刻很重要,為什么?占用40to50%芯片制造時(shí)間;決定著芯片的最小特征尺寸;現(xiàn)代超大規(guī)模集成電路制造過程涉及20-30層光學(xué)曝光工序;最早用于半導(dǎo)體IC的微細(xì)加工技術(shù)，從1960s至今仍然是超大規(guī)模集成電路的主要生產(chǎn)方法。三、光刻所需環(huán)境是什么?潔凈室(cleanroom)空氣中的塵埃粒子可能會(huì)依附于半導(dǎo)體晶片或圖形曝光的掩模板,造成器件缺陷；兩種系統(tǒng)定義潔凈室:英制系統(tǒng)和公制系統(tǒng)；統(tǒng)計(jì)對(duì)象為直徑≥0.5μm顆粒,區(qū)別在于取值于立方英尺/立方米(lg)；英制體系：等級(jí)的標(biāo)定數(shù)字取自超凈間內(nèi)單位立方英尺能夠允許0.5μm及其以上粒子的最大數(shù)目；?公制體系：等級(jí)的標(biāo)定數(shù)字取自超凈間內(nèi)單位立方米能夠允許0.5μm及其以上粒子的最大數(shù)目的對(duì)數(shù)（lg）。?例如：100級(jí)的凈化間（英制）有0.5μm及其以上粒子的最大塵埃100粒/英尺3；而M3.5級(jí)的（公制）有0.5μm及其以上粒子的最大塵埃103.5粒/m3；兩者相等。控制單位體積的塵埃粒子總數(shù)，同時(shí)必須控制溫度和濕度；?英制：直徑大于0.5μm個(gè)數(shù)/立方英尺；?公制：對(duì)數(shù)lg(直徑大于0.5μm個(gè)數(shù)/立方米）。?因?yàn)閴m埃的粒子數(shù)目隨著粒子尺寸的減小而增加，所以當(dāng)IC的最小特征尺寸縮小至亞微米級(jí)范圍時(shí)，會(huì)對(duì)超凈間采取更加嚴(yán)格地控制措施?在大多數(shù)IC制造區(qū)域，100級(jí)的超凈間是必須的（比普通房間的空氣粒子數(shù)小4個(gè)數(shù)量級(jí)）?光刻區(qū)域10級(jí)-1級(jí)

黃光室為了避免光刻膠在曝光前、曝光后受到曝光機(jī)以外的光線照射而曝光；由于光刻膠一般對(duì)波長(zhǎng)大于0.5μm的光并不敏感,所以曝光過程中,晶片可置于由黃光照射的潔凈室。Writtenby藍(lán)色獨(dú)行者四、什么是光刻機(jī)（ExposureTools）?

圖形轉(zhuǎn)移是由曝光設(shè)備來完成的，曝光設(shè)備的性能取決于三個(gè)參數(shù)：分辨率：不失真的精確轉(zhuǎn)移到半導(dǎo)體表面光刻膠上的最小特征尺寸；對(duì)準(zhǔn)精度：各個(gè)掩膜與先前刻在硅片上的圖形互相套準(zhǔn)的程度；生產(chǎn)效率：某次光刻中掩膜在一小時(shí)內(nèi)能曝光的硅片數(shù)量。對(duì)光刻機(jī)的要求：分辨率（高）?曝光視場(chǎng)（大）?圖形對(duì)準(zhǔn)精度（高）——1/3最小特征尺寸?產(chǎn)率（throughput）（大）?缺陷密度（低）?兩種基本的光學(xué)曝光方法：遮蔽式（shadow）曝光投影式（projection）曝光遮蔽式（shadow）曝光接觸式：1μm左右的分辨率，塵埃或硅渣嵌入光刻膠的問題；?接近式：（10-50μm的間隙），2-5μm分辨率，掩膜圖形邊緣光學(xué)衍射，光進(jìn)入陰影區(qū)。臨界尺寸（criticaldimension，CD）臨界尺寸：遮蔽式（shadow）曝光可以達(dá)到的最小線寬CD?λ：光波長(zhǎng)；g：掩模板和晶片之間（包含抗蝕劑厚度）的間隙距離?？赡艹霈F(xiàn)的問題直徑大于g的塵埃仍然可能造成掩膜損傷；?硅片翹曲（bowing）：影響曝光均勻性；?前道加工應(yīng)力：加重翹曲，進(jìn)而影響曝光均勻性。掩模對(duì)準(zhǔn)式曝光機(jī)對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)工作原理投影式（projection）曝光為了克服遮蔽式曝光有關(guān)的掩膜損傷問題；掩膜與光刻膠相距幾厘米；為了提高分辨率，每次僅僅曝光掩膜的一部分。然后采用掃描或分布重復(fù)的方法將小面積圖形布滿整個(gè)硅片。投影系統(tǒng)的分辨率lmNA:數(shù)值孔徑對(duì)投影系統(tǒng)分辨率改進(jìn)的一個(gè)討論聚焦深度（1）（2）式（1）說明分辨率的改善（即較小的lm），可以通過縮短光源波長(zhǎng)與增加數(shù)值孔徑NA達(dá)到；式（2）指出，聚焦深度會(huì)因NA的增加而衰減，而且增加DA值比縮短光源波長(zhǎng)λ對(duì)聚焦深度DOF衰減影響更快；結(jié)論：縮短光源波長(zhǎng)是光學(xué)圖形曝光的必然趨勢(shì)。高壓汞燈（mercury-arclamp）具有較高的光強(qiáng)度與穩(wěn)定度，故被廣泛用作曝光光源；汞燈光譜的幾個(gè)峰值：G-線：436nmH-線：405nmI-線：365nm集成電路工藝所采用的光刻技術(shù)30年前人們就在預(yù)測(cè)光學(xué)曝光技術(shù)的末路，但仍然大量利用，而且不斷發(fā)展?G線（436nm）?I線（365nm）?深紫外：248nm—130nm生產(chǎn)線—已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了50nm生產(chǎn)線—IBM20nm193nm——90nm生產(chǎn)線157nm——50nm生產(chǎn)線主流光刻技術(shù):

248nmDUV技術(shù)（KrF準(zhǔn)分子激光）->0.10um特征尺寸

193nmDUV技術(shù)

（ArF準(zhǔn)分子激光）->90nm特征尺寸

193nm沉浸式技術(shù)（ArF準(zhǔn)分子激光）->65nm特征尺寸新一代的替代光刻技術(shù):

157nmF2

EUV光刻/紫外線光刻

電子束投影光刻

X射線光刻

離子束光刻

納米印制光刻更換光源以提高分辨率一種對(duì)輻照敏感的化合物（高分子聚合物）對(duì)于入射光子有化學(xué)變化，通過顯影，從而實(shí)現(xiàn)圖形轉(zhuǎn)移。?靈敏度：?jiǎn)挝幻娣e的膠曝光所需的光能量：mJ/cm2烴基高分子材料正膠分辨率高于負(fù)膠抗蝕性：刻蝕和離子注入四、光刻膠（photoresist）是什么?在印刷工業(yè)中已經(jīng)有近百年的歷史，20世紀(jì)20年代的印刷電路板工業(yè)?1950s用于半導(dǎo)體工業(yè)?直到1970s中期，集成電路生產(chǎn)都以負(fù)膠為主（由于正膠的附著性差）?光刻膠的4個(gè)基本組成：①樹脂型聚合物（resin）——主體，使膠具有抗蝕性能②溶劑（solvent）——液態(tài)，利于涂覆③光活性物質(zhì)（photoactivecompound，PAC）——控制resin對(duì)某一波長(zhǎng)的感光度④添加劑（additives）——控制膠的光吸收率或溶解度?曝光部分變成可溶性的?在顯影工藝中比較容易去除?所形成的圖形與掩膜一致正膠（positivephotoresist,DNQ）正膠組成成分：a)基底：樹脂是一種低分子量的酚醛樹脂(novolac,apolymer)本身溶于顯影液，溶解速率為15nm/s；b)光敏材料（PAC－photoactivecompounds)二氮醌(diazoquinone,DQ)，不溶于顯影液，光照后，DQ結(jié)構(gòu)發(fā)生重新排列，成為溶于顯影液（TMAH四甲基氫氧化銨——典型顯影液）的烴基酸；c)溶劑：醋酸丁脂、二甲苯、乙酸溶纖劑的混合物，用于調(diào)節(jié)光刻膠的粘度。負(fù)膠(NegativeOpticalPhotoresist)?曝光部分變成不可溶性的；所形成的圖形與掩膜正好相反；當(dāng)VLSI電路需分辨率達(dá)2μm之前，基本上是采用負(fù)性光刻膠。?主要缺點(diǎn)：在顯影過程中，整個(gè)抗蝕劑層因吸收顯影液而出現(xiàn)膨脹現(xiàn)象，限制其分辨率。在分辨率要求不太高的情況，負(fù)膠也有其優(yōu)點(diǎn)：對(duì)襯底表面粘附性好抗刻蝕能力強(qiáng)工藝寬容度較高（顯影液稀釋度、溫度等）價(jià)格較低（約正膠的三分之一）負(fù)膠的組成部分a)基底：合成環(huán)化橡膠樹脂(cyclizedsyntheticrubberrisin)對(duì)光照不敏感，但在有機(jī)溶劑如甲苯和二甲苯中溶解很快b)光敏材料PAC：雙芳化基(bis-arylazide)當(dāng)光照后，產(chǎn)生交聯(lián)的三維分子網(wǎng)絡(luò)，使光刻膠在顯影液中具有不溶性。c)溶劑：芳香族化合物(aromatic)

光刻膠主要參數(shù)靈敏度對(duì)比度衍射影響抗刻蝕比分辨能力曝光寬容度工藝寬容度其他曝光響應(yīng)曲線下圖為正、負(fù)膠曝光反應(yīng)曲線和顯影后圖形截面?光刻膠即使沒有曝光，在顯影液中也有一定的可溶性；?隨著曝光劑量的增加，可溶性逐漸增加；?達(dá)到閾值ET后光刻膠完全可溶——對(duì)應(yīng)于靈敏度。正膠的靈敏度：感光區(qū)變得完全可溶時(shí)所需的能量，因此ET對(duì)應(yīng)于靈敏度，是衡量曝光速度的指標(biāo)（mJ/cm2）；負(fù)膠的靈敏度：曝光區(qū)內(nèi)的原始光刻膠厚度保留50%所需的能量；靈敏度對(duì)比度對(duì)比度（反差比）——直接影響光刻膠的分辨率；曝光響應(yīng)曲線斜率越大，對(duì)比度越大；γ較大表示曝光能量有一增量，光刻膠的可溶性就有較大增加，結(jié)果圖像邊緣就比較陡。衍射影響由于衍射，光刻膠影像邊緣一般不在掩膜圖像邊緣的垂直投影位置，而是在吸收的光能總量等于閾值能量ET的位置上?？箍涛g比作為等離子體刻蝕掩膜，要求其具有較高的抗刻蝕性?其決定了要涂多厚的膠才能實(shí)現(xiàn)對(duì)某一襯底材料某一深度的刻蝕。分辨能力是一個(gè)綜合指標(biāo)，影響分辨能力的因素有3個(gè)方面：①曝光系統(tǒng)的分辨率②光刻膠的相對(duì)分子質(zhì)量、分子平均分布、對(duì)比度與膠厚顯影條件與前后烘烤溫度一般薄膠層容易獲得高分辨圖形，但膠層厚度必須與膠的抗刻蝕比綜合加以考慮正膠型的過量顯影和負(fù)膠型的顯影不足都會(huì)影響分辨率烘烤溫度過高，使膠軟化流動(dòng)，也會(huì)破壞圖形的分辨率曝光寬容度（exposurelatitude）?光刻膠在偏離最佳曝光劑量的情況下，曝光圖形的線寬變化程度的量度參數(shù)；?曝光寬容度大的膠受曝光能量浮動(dòng)或不均勻的影響較小。工藝寬容度每一套工藝都有相應(yīng)的最佳工藝條件，但當(dāng)這些條件偏離最佳值的時(shí)候，要求光刻膠的性能變化盡量小。其他特性光刻膠的熱流動(dòng)性（thermalflow）：熱流動(dòng)性使顯影形成的圖形變形，影響圖形質(zhì)量和分辨率光刻膠的膨脹效應(yīng)（swelling）：顯影液分子進(jìn)入膠的分子鏈，使膠的體積增加，從而使圖形變形?光刻膠的黏度（viscosity）：用于衡量光刻膠液體的可流動(dòng)性。一般用膠中聚合物固體含量來控制；新膠和舊膠有不同?保質(zhì)期限（shelflife）：揮發(fā)性，光照敏感，遇熱變質(zhì)——低溫避光儲(chǔ)藏，光刻間黃光照明正負(fù)光刻膠的比較五、光刻的流程是什么?光刻核心工藝PhotoresistSpinCoaterEBR:Edgebeadremoval邊緣修復(fù)曝光中最重要的兩個(gè)參數(shù)是：1.曝光能量（Energy）2.焦距（Focus）圖形檢測(cè)PatternInspection1.對(duì)準(zhǔn)問題：重疊和錯(cuò)位，掩膜旋轉(zhuǎn)，圓片旋轉(zhuǎn)，X方向錯(cuò)位，Y方向錯(cuò)位2.臨界尺寸3.表面不規(guī)則：劃痕、針孔、瑕疵和污染物六、光刻現(xiàn)在面臨的問題是什么?隨著半導(dǎo)體技術(shù)的不斷進(jìn)步，器件的集成度不斷提高，伴隨而來的是器件特征尺寸越來越小，很難想象器件的柵能比原子的半徑還小，當(dāng)22nm工藝節(jié)點(diǎn)來臨之時(shí)，又將要會(huì)采用什么樣的光刻工藝呢？由上圖可知高頻光的能量較高，低頻光的能量較低，在工藝尺寸一再減小的基礎(chǔ)上，可見光已經(jīng)不能很好的完成光刻工作了！聽聽來自工業(yè)界的聲音！

2011年國(guó)際固態(tài)電路會(huì)議(ISSCC2011)上，IBM,臺(tái)積電等廠商均表示將繼續(xù)在22/20nm節(jié)點(diǎn)制程應(yīng)用平面結(jié)構(gòu)的體硅晶體管工藝，光刻技術(shù)方面，22/20nm節(jié)點(diǎn)主要幾家芯片廠商也將繼續(xù)使用基于193nm液浸式光刻系統(tǒng)的雙重成像（doublepatterning）技術(shù)。不過固態(tài)電路協(xié)會(huì)的另外一位重要成員Intel則繼續(xù)保持沉默。

最為活躍的193nm浸入式光刻浸入式光刻技術(shù)與傳統(tǒng)光刻技術(shù)的比較最為活躍的193nm浸入式光刻

在傳統(tǒng)的光刻技術(shù)中，其鏡頭與光刻膠之間的介質(zhì)是空氣，而所謂浸入式技術(shù)是將空氣介質(zhì)換成液體。實(shí)際上，浸入式技術(shù)利用光通過液體介質(zhì)后光源波長(zhǎng)縮短來提高分辨率，其縮短的倍率即為液體介質(zhì)的折射率。例如，在193nm光刻機(jī)中，在光源與硅片（光刻膠）之間加入水作為介質(zhì)，而水的折射率約為1.4，則波長(zhǎng)可縮短為193/1.4=132nm。（容易知道波長(zhǎng)減少，能量增加?。┣熬肮饷鞯腅UV極端遠(yuǎn)紫外光刻

EUV是目前距實(shí)用化最近的一種深亞微米的光刻技術(shù)。其仍然采用前面提到的分步投影光刻系統(tǒng)，只是改變光源的波長(zhǎng)，即采用波長(zhǎng)更短的遠(yuǎn)紫外線。采用的EUV進(jìn)行光刻的主要難點(diǎn)是很難找到合適的制作掩膜版的材料和光學(xué)系統(tǒng)。

上圖中，我們可以明確看到EUV極端遠(yuǎn)紫外光在光譜中的位置，這是一種