第八章(1)光刻原理和技術(shù)..ppt

1、第八章 光刻原理和技術(shù)Lithography, 8.1 引 言 8.2 光刻工藝流程 8.3 光刻光學(xué) 8.4 光致抗蝕劑 8.5 先進(jìn)的曝光技術(shù),8.1 引言,光刻是IC制造業(yè)中最為重要的一道工藝,每三年尺寸減小0.7X. 硅片制造工藝中，光刻占所有成本的35% ?所在的地方代表了roadmap發(fā)展的最大的不確定性,設(shè)計(jì)功能模塊，利用軟件在功能模塊之間布線。 用工具檢查是否有違反設(shè)計(jì)規(guī)則(design rule)。 用電路級(jí)和系統(tǒng)級(jí)模擬工具預(yù)測(cè)電路性能 從設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)移到掩膜版制備，用掃描電子束或激光束在光掩膜版上形成圖形。 光學(xué)曝光，對(duì)硅片進(jìn)行光刻。,Mask Definition,Mask d

2、efinition start with a micro-system or micro-circuit or device concept This is followed by Logic Design Circuit Design Device Design Process Design I-line: 365nm; 準(zhǔn)分子激光(Excimer laser)：DUV KrF(248nm); ArF (193nm) X射線(0.5nm)，電子束(0.62)，離子束(0.12 ),Optical lithograpy,Advanced lithograpy,硅片曝光系統(tǒng)(Wafer expo

3、sure system),完成前后兩次光刻圖形的精密套刻 對(duì)光刻膠進(jìn)行曝光 曝光分類 接觸式(Contact) 接近式(Proximity) 投影式(Projection),Three types of exposure systems have been used.,1:1 Exposure Systems,Usually 4X or 5X Reduction,目前主流光刻機(jī)是 Projection Printing 光刻掩模版為4X或5X，每一次曝光到晶片的部分區(qū)域，一般每臺(tái)光刻機(jī)每小時(shí)可以加工2550片晶片,第八章 光刻原理和技術(shù)Lithography, 8.1 引 言 8.2 光刻工藝

4、流程 8.3 光刻光學(xué) 8.4 光致抗蝕劑 8.5 先進(jìn)的曝光技術(shù), 8.3 光刻光學(xué) (optics of lithography),光刻的基本要求 基本光學(xué)概念 曝光分類 掩膜版工程,光刻系統(tǒng)的基本要求,Resolution 分辨率,即能加工的最小尺寸 Depth of focus 焦深 Field of view 視場(chǎng) Modulation transfer function 光學(xué)傳遞函數(shù) 5. Alignment accuracy 套刻精度 6. Throughput 產(chǎn)量,取決於光學(xué)系統(tǒng),取決於機(jī)械系統(tǒng), 8.3 光刻光學(xué) (optics of lithography),光刻的基本要

5、求 基本光學(xué)概念 衍射 數(shù)值孔徑 分辨率 曝光分類 掩膜版工程,光的衍射效應(yīng),光在空間中以電磁波的形式傳播 當(dāng)物體的尺寸遠(yuǎn)大于波長(zhǎng)時(shí)，把光作為粒子來處理 當(dāng)物體的尺寸和波長(zhǎng)可比擬時(shí)，要考慮光的波動(dòng)性衍射,衍射光學(xué),光在傳播過程中繞過障礙物邊緣而偏離直線傳播的現(xiàn)象，稱為衍射。(Diffraction) 如果孔徑的尺寸和波長(zhǎng)相當(dāng)，光在穿過小孔后發(fā)散。小孔越小，發(fā)散得越多?！癰ending of light”,衍射光學(xué),如果想在像平面(如光刻膠）對(duì)小孔進(jìn)行成像， 可以用透鏡收集光并聚焦到像平面,衍射分類,Fresnel diffraction or near field diffraction: 像

6、平面和孔徑很近。光直接穿過孔徑到像平面，無中間透鏡系統(tǒng) Contact print and proximity print Fraunhofer diffraction or far field diffraction 像平面遠(yuǎn)離孔徑，孔徑和像平面之間有透鏡，來捕捉、聚焦圖像 Projection print,A simple example is the image formed by a small Circular aperture (Airy disk),Diameter of central maximum =,f: 透鏡的焦距 d：孔徑的直徑,點(diǎn)圖像的分辨率,根據(jù)Rayleigh

7、原理，兩個(gè)像點(diǎn)能夠被分辨的最小間隔為,Rayleigh suggested that a reasonable criterion for resolution was that the central maximum of each point source lie at the first minimum of the Airy pattern.,f: 透鏡的焦距 D：孔徑的直徑,數(shù)值孔徑(Numerical Aperture NA),光學(xué)系統(tǒng)的數(shù)值孔徑描述透鏡收集光的能力,n是透鏡到硅片間的介質(zhì)折射率 對(duì)空氣為1,分辨率-Resolution,一般來說， 最小線寬 K10.60.8,提高

8、分辨率，減小最小線寬的方法： 減小波長(zhǎng) 采用高數(shù)值孔徑的光學(xué)系統(tǒng)(大透鏡）,K1取決光刻系統(tǒng)和光刻膠的性質(zhì),然而采用高數(shù)值孔徑的光學(xué)系統(tǒng)(大透鏡），會(huì)使景深變差,采用MTF來表征掩膜上的圖形轉(zhuǎn)移成光刻膠上像的質(zhì)量，衡量圖像的對(duì)比度(contrast)。和線條尺寸有關(guān)，線條尺寸越小，MTF越小。一般MTF須大于0.5,光學(xué)傳遞函數(shù)-Modulation Transfer Function MTF, 8.3 光刻光學(xué) (optics of lithography),光刻的基本要求 基本光學(xué)概念 曝光分類 掩膜版工程,曝光方式,接觸式曝光 Contact printing 光學(xué)接近式曝光 Optic

9、al proximity printing 掃描投影曝光 Scanning projection printing,接觸式曝光 Contact printing,掩膜版和硅片緊密接觸 Fresnel diffraction Mask Image: Resist Image = 1:1,不受衍射現(xiàn)象限制, 分辨率高，可達(dá)到0.5 m 必須加壓力，會(huì)使膠膜剝離； 易沾污，掩膜版易損壞成品率下降。目前在生產(chǎn)中很少使用。 由于光刻膠頂層平面不平，所以該曝光方式中間隔并不嚴(yán)格為0,接近式曝光proximity printing,掩膜版和硅片有一小的間隙的d 有衍射效應(yīng). 最小線寬: Wm= (d)1/2

10、, d:間隔； ：光源波長(zhǎng) 分辨率取決于間隙的大小，一般分辨率較差，為24m d=10um, I-line (365nm) W 2um,接近式曝光proximity printing,接近式曝光所引起的近場(chǎng)衍射. 在掩膜版孔徑邊緣，強(qiáng)度逐漸上升。因?yàn)楣獾难苌湫?yīng)，在孔徑外面的光也曝光了。 在孔徑尺寸內(nèi)，光強(qiáng)有起伏這是因?yàn)榛莞寡苌湫?yīng)的極大極小效應(yīng)的疊加。,投影光刻- projection printing,把掩膜上的圖形由透鏡投影到光刻膠上。 掩膜版不易損壞 為了提高分辨率，減少圖形畸變，一次曝光的象場(chǎng)較小，采用掃描式曝光。 Fraunhofer diffraction,To improve

11、 the defect density of this operation, the reticle is commonly placed in a fixture that has a thin membrane, called A pellicle,pellicle,Optical Stepper,三種曝光系統(tǒng)比較,當(dāng)間隔為0時(shí)，接觸式曝光。理想圖形； 有一定間隔時(shí)，接近式曝光；有透鏡系統(tǒng)時(shí)，投影曝光，, 8.3 光刻光學(xué) (optics of lithography),光刻的基本要求 基本光學(xué)概念 曝光分類 掩膜版工程,Mask Engineering 掩膜版工程 Optical Pro

12、ximity Correction (OPC) Phase Shifting,Optical Proximity Correction (OPC) can be used to compensate somewhat for diffraction effects.,Top - mask with and without OPC. Bottom, calculated printed images.,通過軟件對(duì)圖形修正，消除衍射的影響,移相掩膜技術(shù)(phase shift mask),選擇一種具有一定厚度和折射率的材料，使得相位移動(dòng)180,形成相消干涉,Without phase shift,

13、With phase shift,PSM(移相掩膜技術(shù)）的優(yōu)點(diǎn)： 提高分辨率，使現(xiàn)有光刻技術(shù)至少延伸了一代。 可用低數(shù)值孔徑曝光系統(tǒng)，來改善景深 提高圖像質(zhì)量,第八章 光刻原理和技術(shù)Lithography, 8.1 引 言 8.2 光刻工藝流程 8.3 光刻光學(xué) 8.4 光致抗蝕劑 8.5 先進(jìn)的曝光技術(shù), 8.4 光致抗蝕劑 (Photo-Resist),Positive and Negative optical resist g-Line and i-Line Resists DUV Resists Basic Properties of Resists,光刻膠種類,正光刻膠(Positi

14、ve optical resist) 負(fù)光刻膠(Negative optical resist),Resists are organic polymers that are spun onto wafers and prebaked to produce a film 0.5 - 1 mm thick.,正性光刻膠Positive Optical Resist,正膠的光化學(xué)性質(zhì)是從抗溶解到可溶性。 正膠曝光后顯影時(shí)感光的膠層溶解了。 現(xiàn)有VLSI工藝都采用正膠,正膠機(jī)制,曝光使感光材料(PAC)中分子裂解，被裂解的分子在顯影液中很易溶解，從而與未曝光部分形成強(qiáng)烈反差。,負(fù)性光刻膠 Negati

15、ve Optical resist,負(fù)膠的光學(xué)性能是從可溶解性到不溶解性。 負(fù)膠在曝光后發(fā)生交鏈作用形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，在顯影液中很少被溶解，而未被曝光的部分充分溶解。,正膠和負(fù)膠的比較,正膠 a)分辨率高 小于1微米 b)抗干法刻蝕能力強(qiáng) c)較好的熱穩(wěn)定性 負(fù)膠 a)對(duì)某些襯底表面粘附性好 b) 曝光時(shí)間短，產(chǎn)量高 c) 工藝寬容度較高 （顯影液稀釋度、溫度等） d) 價(jià)格較低 （約正膠的三分之一） 負(fù)膠的光化學(xué)特性是從可溶性到抗溶解性,g-Line and i-Line Resists 由三部分組成 非活性樹脂 (Inactive Resin)-碳?xì)浠衔飄ydrocarbon 光敏材料(Ph

16、oto Active Compound, PAC) 溶劑(Solvent), 8.4 光致抗蝕劑 (Resist),光刻膠成分 光致抗蝕劑性能參數(shù) 光致抗蝕劑類型 光刻膠過程,分辨率 (resolution) 敏感度 (Sensitivity) 對(duì)比度 (Contrast) 光譜相應(yīng)曲線(Spectral response curve) 抗腐蝕特性,光致抗蝕劑材料參數(shù),光刻膠的分辨率,正膠的分辨率較負(fù)膠好，一般2m以下工藝用正膠 保證抗蝕性性能的情況下，膠越薄，分辨率越高 圖形的分辨率主要和曝光系統(tǒng)有關(guān)。,靈敏度S (Sensitivity),靈敏度反應(yīng)了需要多少光來使光刻膠曝光。S越高，曝光

17、時(shí)間越短。 h為比例常數(shù)；I為照射光強(qiáng)度，t為曝光時(shí)間 在短波長(zhǎng)光曝光要求光刻膠有較高的靈敏度。,對(duì)比度(Contrast),衡量光刻膠辨別亮(light)/暗(dark)區(qū)域的能力 測(cè)量方法：對(duì)一定厚度的光刻膠，改變曝光劑量，在固定時(shí)間內(nèi)顯影，看顯影后留下的光刻膠厚度。 對(duì)比度高的光刻膠造成更好的分辨率,Df:完全溶解光刻膠所需的曝光劑量； D0:溶解光刻膠所需的閾值曝光劑量, Typical g-line and i-line resists achieve g values of 2 - 3 and Df values of about 100 mJ cm-2. DUV resists

18、have much higher g values (5 - 10) and Df values of about 20 - 40 mJ cm-2.,臨界光學(xué)調(diào)制函數(shù)Critical Modulation Transfer Fudanction (CMTF),By analogy to the MTF defined earlier for optical systems, the CMTF for resists is defined as,In general CMTF MTF is required for the resist to resolve the aerial image.,

19、 The aerial image and the resist contrast in combination, result in the quality of the latent image produced. (Gray area is “partially exposed” area which determines the resist edge sharpness.), 影響曝光質(zhì)量的一些其他因素 光刻膠厚度的不均勻, Resist thickness may vary across the wafer. This can lead to under or over expos

20、ure in some regions and hence linewidth variations., Reflective surfaces below the resist can set up reflections and standing waves and degrade resolution.,入射光和光刻膠下面的表面層引起反射光駐波效應(yīng),影響曝光質(zhì)量的一些因素,駐波效應(yīng)(standing wave):當(dāng)單色光對(duì)光致抗蝕劑進(jìn)行曝光時(shí)，入射波和反射波之間干涉，在光刻膠層內(nèi)產(chǎn)生光強(qiáng)周期性漲落的現(xiàn)象叫駐波。, In some cases an antireflective coati

21、ng (ARC) can help to minimize these effects. Baking the resist after exposure, but before development can also help.,表面反射(Surface Reflection),當(dāng)表面形貌不平時(shí)，圖像的控制是一個(gè)嚴(yán)重問題。 由于光學(xué)在金屬表面反射，使得光刻圖形尺寸改變。 利用防反射層(Anti Reflection Coating, ARC) 光刻膠表面平面化。,其它改善曝光質(zhì)量的方法 多層光致抗蝕劑工藝 （MLR工藝）(Multilayer Resist Processor) 增強(qiáng)反差層

22、光刻工藝 (CEL) (Contrast Enhancement Layers) 無機(jī)光致抗蝕劑 (Inorganic Photoresists) GeSe,Ag, 提高反差,光刻膠成分 光致抗蝕劑性能參數(shù) 光致抗蝕劑類型 光刻膠過程, 8.4 光致抗蝕劑 (Resist),光刻膠過程,(1)襯底處理，烘烤。150C200C,去水； (2)涂一次黏附劑HDMS (3)旋轉(zhuǎn)涂膠。3-6Krpm, (4)前烘。10-30min/90-100C (5)曝光。 (6)顯影 (7)堅(jiān)膜,襯底處理 (substrate cleaning) 表面清潔度 b) 平面度 c) 增粘處理 高溫烘培 增粘劑處理 二

23、甲基二氯硅烷 和三甲基二硅亞胺,涂膠 (spin-coating) 旋轉(zhuǎn)涂膠, 精確控制轉(zhuǎn)速, 加速度提供具有一定厚度和均勻性良好的光刻涂膠層 a)膜厚對(duì)分辨率的影響 膜越厚分辨率越低，但為了減少針孔，又需要膜厚。 負(fù)膠的膜厚/線寬比為 1：21：3 正膠的膜厚/線寬比為1：1 b) 膜厚對(duì)粘附力的影響 如膜太厚，曝光被上層膠吸收，引起下層光刻膠 曝光不足，在顯影時(shí)下層膠會(huì)膨脹甚至溶解， 影響光刻膠和襯底的粘附。,前烘 (pre-bake) 方式：熱板和紅外等 作用： 去除光刻膠中的溶劑 改善膠與襯底的粘附性， 增加抗蝕性，防止顯影時(shí)浮膠和鉆蝕 但不能發(fā)生熱膠聯(lián),顯影 develop 方法：濕

24、法顯影；干法顯影 濕法顯影液應(yīng)具備的條件： *應(yīng)去除的膠膜溶解度大，溶解的快 *對(duì)要保留的膠膜溶解度小，溶解得慢 *有害雜質(zhì)少毒性小,顯影后要在顯微鏡下檢查： *圖形套準(zhǔn)情況 *邊緣是否整齊 *有無殘膠，皺膠，易浮膠，劃傷等,濕法顯影的缺點(diǎn)： *顯影液向抗蝕劑中擴(kuò)散，刻蝕圖形溶脹 *顯影液組份變化，引起顯影液特性變化 *硅片易沾污，作業(yè)環(huán)境差 *成本較高,干法顯影 利用抗蝕劑的曝光部分和非曝光部 分在特定的氣體等離子體中有不同 的反應(yīng)，最后去除未曝光的部分 （或曝光的部分），將曝光部分 （或未曝光部分）保留一定厚度。,后烘 post-bake 在一定溫度下，將顯影后的片子進(jìn)行 烘焙，去除顯影時(shí)

25、膠膜所吸收的顯影 液和殘留水分，改善光刻膠的粘附性 和抗蝕能力,腐蝕 etch 去除顯影后裸露出來的介質(zhì)層（如SiO2,SiN4,多晶硅，Al等） 腐蝕要考慮的問題 (1)均勻性 (2)方向性 從線寬角度，希望縱橫向的蝕速比大，從臺(tái)階覆蓋角度，希望縱橫向的蝕速比小 (3)選擇性 本身材料和下層材料的腐蝕速率比 (4)腐蝕速度 (5)公害和安全措施 (6)經(jīng)濟(jì)性,去膠 strip 溶劑去膠 H2O2:H2SO4=1:3 氧化去膠 450oC O2+膠CO2+H2O 等離子去膠 高頻電場(chǎng) O2電離OO O活性基與膠反應(yīng) CO2 CO H2O,套準(zhǔn)精度,影響光刻套準(zhǔn)精度的因素有 光刻機(jī)自身的定位精度（包括光學(xué)、機(jī)械、電子等系統(tǒng)的設(shè)計(jì)精度和熱效應(yīng)） 硅片的加工精度和硅片在熱加工過程中的形變 振動(dòng) 環(huán)境溫度變化 光刻膠的套準(zhǔn)精度,第八章 光刻原理和技術(shù)Lithography, 8.1 引 言 8.2 光刻工藝流程 8.3 光刻光學(xué) 8.4 光致抗蝕劑 8.5 先進(jìn)的曝光技術(shù),8.5 先進(jìn)的曝光技術(shù),電子束曝光技術(shù) X射線曝光技術(shù),電子束曝光,分辨率高，可加工0.10.25微米圖形 電子束波長(zhǎng)與能量關(guān)系 E為15Kev時(shí) 0