圖形光刻工藝原理.ppt

1、1、平版印刷術(shù)，平版印刷術(shù)，2、平版印刷術(shù)是集成電路制造中最重要的工序，約占芯片制造步驟的一半。平版印刷術(shù)占所有成本的35%。通常，光刻次數(shù)、2次和所需掩模的數(shù)量可以用來表示某個(gè)生產(chǎn)過程的難度。典型的硅集成電路工藝包括1520個(gè)掩模。3.集成電路的特征尺寸能否進(jìn)一步減小也與光刻技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展密切相關(guān)。通常人們用特征尺寸來評價(jià)集成電路生產(chǎn)線的技術(shù)水平。所謂的特征尺寸(CD):特征尺寸(CD)是指設(shè)計(jì)的多晶硅柵極長度，它標(biāo)志著器件技術(shù)的整體水平，是設(shè)計(jì)規(guī)則的主要部分。一般來說，我們稱之為0.13米和0.09米的工藝是指光刻技術(shù)能夠達(dá)到最小線的工藝。平版印刷術(shù)的定義平版印刷術(shù)是一種結(jié)合圖形復(fù)制和化

2、學(xué)蝕刻的精密表面處理技術(shù)。通過光刻將掩模版上的圖案轉(zhuǎn)移到硅片表面的光刻膠上，實(shí)現(xiàn)后續(xù)的選擇性刻蝕或注入摻雜。光刻的目的是在二氧化硅或金屬薄膜上刻蝕出與掩模版完全對應(yīng)的幾何圖形，并將掩模版上的圖形轉(zhuǎn)化為晶片上的器件結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)選擇性擴(kuò)散和金屬薄膜布線的目的。5、6、1。這是一個(gè)圖形轉(zhuǎn)移的過程。掩模板上的圖案化將圖案轉(zhuǎn)移到光致抗蝕劑上并蝕刻以在晶片上形成電路圖案。兩次圖形轉(zhuǎn)移：圖形轉(zhuǎn)移到光刻膠層，光刻膠層轉(zhuǎn)移到晶片層。光刻的基本要求是：(1)高分辨率(2)高靈敏度(3)精確對準(zhǔn)(4)在大尺寸硅片上加工(5)低缺陷(8，1)。高分辨率是指在硅片上區(qū)分兩個(gè)相鄰特征圖形的能力，即在光刻工藝中可以實(shí)現(xiàn)的

3、光刻圖形最小尺寸的描述，即光刻。隨著集成電路集成度的提高，加工線越來越薄，對分辨率的要求也越來越高。它通常用每毫米可以蝕刻的最大行數(shù)來表示。R=1/2L(行寬和行間空白寬度均為L)，9，2。高感光度是指光刻膠的感光速度。為了提高產(chǎn)量，要求光刻周期越短，曝光時(shí)間越短，越好，靈敏度越高。3.集成電路的精確對準(zhǔn)需要十次甚至幾十次光刻，每次光刻都必須相互對準(zhǔn)。由于圖案的特征尺寸在亞微米量級，對套印的要求很高。套印誤差要求約為特征尺寸的10%。10，4。大尺寸硅片的加工提高了經(jīng)濟(jì)效益，但很難在大面積硅片上實(shí)現(xiàn)均勻鍍膜、均勻敏化和均勻顯影。高溫會(huì)導(dǎo)致晶圓變形，這就要求嚴(yán)格控制周圍環(huán)境的溫度，否則會(huì)影響光刻

4、質(zhì)量。5.低缺陷會(huì)導(dǎo)致電路故障，所以缺陷應(yīng)該最小化。11、正性光致抗蝕劑、負(fù)性光致抗蝕劑。光致抗蝕劑是有機(jī)聚合物，其被旋轉(zhuǎn)到晶片上并預(yù)烘焙以產(chǎn)生0.5-1毫米厚的膜。光致抗蝕劑也稱為光致抗蝕劑。根據(jù)曝光前后光致抗蝕劑溶解特性的變化，對于光致抗蝕劑，有12種正性光致抗蝕劑，正性膠的光化學(xué)特性從抗溶解變?yōu)槿芙庑浴．?dāng)正性粘合劑被曝光和顯影時(shí)，光敏粘合劑層被溶解?，F(xiàn)有的超大規(guī)模集成電路工藝都采用正膠機(jī)制。感光材料(PAC)中的分子因曝光而破裂，破裂的分子很容易溶解在顯影劑中，從而與未曝光的部分形成強(qiáng)烈的對比。14，負(fù)型光學(xué)抗蝕劑，負(fù)型光致抗蝕劑的光學(xué)性質(zhì)從溶解性到不溶性。曝光后，負(fù)型粘合劑交聯(lián)形成網(wǎng)絡(luò)

5、結(jié)構(gòu)，很少溶解在顯影劑中，而未曝光部分完全溶解。，15，概述：正性和負(fù)性光致抗蝕劑，正性光致抗蝕劑的光敏部分在被光或紫外線照射后發(fā)生光分解反應(yīng)，并且可以溶解在顯影溶液中，而負(fù)性光致抗蝕劑的非光敏部分在顯影后保留在晶片表面上。正膠：曝光前后不溶。負(fù)膠：曝光前后可溶。光致抗蝕劑對大多數(shù)可見光敏感，但對黃光不敏感。因此，光刻通常在黃色房間中進(jìn)行。16，17。光致抗蝕劑由四種成分組成：樹脂(聚合物材料)、敏化劑、溶劑添加劑(替代物)和光致抗蝕劑的組成材料，18。樹脂是一種惰性聚合物，包括碳、氫和氧的有機(jī)聚合物。用于將光致抗蝕劑中不同材料結(jié)合在一起的粘合劑。對于負(fù)膠，聚合物在曝光后會(huì)從未聚合狀態(tài)變?yōu)榫酆?/p>

6、狀態(tài)。在大多數(shù)負(fù)片膠中，聚合物是聚異戊二烯型的。如圖所示，它是一種相互粘合的材料，可抗蝕刻。正膠的基本聚合物是酚醛聚合物，也叫酚醛樹脂。如圖所示。聚合物相對不溶于光致抗蝕劑，并且在用適當(dāng)?shù)哪芰空丈浜笞兊每扇?。這個(gè)反應(yīng)叫做光解反應(yīng)，20。固體有機(jī)材料(膠膜的主體)在紫外光照射后發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)，其溶解性能發(fā)生變化。正膠由不溶變?yōu)榭扇?，而?fù)膠由可溶變?yōu)椴蝗?。樹脂?1。光致抗蝕劑中的敏化劑是光致抗蝕劑材料中的感光成分。也就是說，光能發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。如果聚合物中沒有加入敏化劑，它對光的敏感性很差，光譜范圍很寬。添加特定的敏化劑可以增加靈敏度并限制反應(yīng)光的光譜范圍，或者將反應(yīng)光限制在特定的波長。22，23

7、，溶劑溶劑光刻膠中最大的成分是溶劑。加入溶劑的目的是使光致抗蝕劑處于液態(tài)，從而使光致抗蝕劑可以通過旋轉(zhuǎn)涂覆在晶圈表面。大多數(shù)溶劑在曝光前揮發(fā)，這對光致抗蝕劑的光化學(xué)性能影響很小。通過旋涂溶解的聚合物可以獲得薄的光致抗蝕劑膜。24.添加劑光致抗蝕劑中的添加劑通常是專有化學(xué)品，其成分由制造商開發(fā)，但出于競爭原因，并未公布。主要用于光致抗蝕劑薄膜，以改變光致抗蝕劑的特定化學(xué)性質(zhì)或光響應(yīng)特性。例如添加染料以減少反射。25、光刻、26、27。為了確保光致抗蝕劑能夠與晶體環(huán)的表面很好地結(jié)合，必須進(jìn)行表面處理，包括三個(gè)階段：顆粒去除、脫水和底漆涂覆。1氣相底膜處理，28，第一步：微粒去除目的：在儲存、裝載和

8、卸載到盒子期間，去除晶片吸附的一些微粒污染物。清洗方法：1)高壓氮?dú)獯祾撸?)化學(xué)濕法清洗：酸洗和干燥。3)旋轉(zhuǎn)刷4)高壓水射流清洗，29)第二步：脫水烘焙目的：干燥晶片表面，增加表面附著力。清洗后，晶片表面可能含有一定的水分(親水表面)，因此必須對其進(jìn)行脫水和烘烤，使其清潔干燥(疏水表面)，以增加光刻膠和晶片表面之間的粘附力。30，晶片底漆涂覆的第三步1。提高光刻膠和晶片之間附著力的方法：一、脫水烘烤；二、底漆涂裝。用HMDS (HMDS:六甲基二硅烷)3進(jìn)行成膜處理。要求：在晶片表面建立一層薄的、均勻的、無缺陷的光刻膠膜。四步，1。滴落：當(dāng)硅片靜止或光刻膠滴在硅片上時(shí)。2.旋轉(zhuǎn)擴(kuò)散：快速加

9、速硅片，將光刻膠擴(kuò)散到硅片的整個(gè)表面。3.旋轉(zhuǎn)傾倒：甩出更多的光刻膠，在硅片上得到均勻的光刻膠薄膜覆蓋層。4.溶劑揮發(fā)：繼續(xù)以固定速度旋轉(zhuǎn)鍍膜硅片，直到溶劑揮發(fā)，光刻膠薄膜幾乎干燥；2.旋涂感光涂層；32.3.軟烘焙。因?yàn)楣庵驴刮g劑是粘性物質(zhì)，所以涂覆后不能直接曝光，必須烘烤以蒸發(fā)光致抗蝕劑中的溶劑。烘烤后，光致抗蝕劑仍保持“軟”狀態(tài)。但與水晶花園的聯(lián)系更緊密。目的：去除光刻膠中的溶劑。蒸發(fā)溶劑的原因如下：1)在曝光過程中，溶劑吸收光并干擾聚合物的化學(xué)反應(yīng)。2)蒸發(fā)溶劑增強(qiáng)光致抗蝕劑和晶片之間的粘附。33、時(shí)間和溫度是軟烘烤的參數(shù)，不完全烘烤導(dǎo)致曝光過程中不完全成像和蝕刻過程中多余的光刻膠漂移

10、；過度烘烤會(huì)導(dǎo)致光致抗蝕劑中的聚合物發(fā)生聚合反應(yīng)，不會(huì)與曝光射線發(fā)生反應(yīng)，從而影響曝光。34，4。對準(zhǔn)(曝光)。對準(zhǔn)是將掩模與先前工藝中刻在硅片上的圖案對準(zhǔn)。對準(zhǔn)后，曝光掩模和硅片，將掩模圖形轉(zhuǎn)移到膠合的硅片上，實(shí)現(xiàn)圖形復(fù)制。35，5。PEB(曝光后烘焙)旨在促進(jìn)光刻膠的化學(xué)反應(yīng)，提高光刻膠的附著力，減少駐波。36，顯影劑溶解部分光致抗蝕劑并將掩模上的圖案轉(zhuǎn)移到光致抗蝕劑6。開發(fā)，三個(gè)基本步驟33，360，開發(fā)，清潔和干燥，以及37，a，不完全開發(fā)。表面仍有光致抗蝕劑。由顯影劑不足引起；正在開發(fā)中。已開發(fā)的邊墻不垂直，是開發(fā)時(shí)間不足造成的；過度發(fā)展。表面附近的光致抗蝕劑被顯影劑過度溶解而形成臺

11、階。發(fā)展時(shí)間過長，發(fā)展中存在三種主要問題：不完全發(fā)展、發(fā)展不足和嚴(yán)重的過度發(fā)展。38，39，40，負(fù)性光致抗蝕劑顯影1)顯影劑溶液：二甲苯2)沖洗化學(xué)品：乙酸正丁酯作用：快速稀釋顯影劑溶液，沖洗光致抗蝕劑并顯影正性光致抗蝕劑1)顯影劑：堿性水溶液，氫氧化鈉或氫氧化鉀；2)沖洗劑：水正膠的顯影過程更靈敏，分辨率更高。正膠和負(fù)膠的發(fā)展。開發(fā)方法開發(fā)方法如下：濕法開發(fā)、干法(等離子體)開發(fā)、干法開發(fā)：液體技術(shù)自動(dòng)化程度不高，化學(xué)品的采購、儲存、控制和處理費(fèi)用昂貴。取代液體化學(xué)顯影的方法是使用等離子蝕刻技術(shù)，這種技術(shù)現(xiàn)在已經(jīng)非常成熟。在這個(gè)過程中，離子從等離子體場獲得能量，并以化學(xué)形式分解暴露的晶體環(huán)

12、表面層。干法平版印刷術(shù)要求曝光或未曝光的光致抗蝕劑化學(xué)品之一可以通過氧等離子體容易地去除。42、方法：在120-150烘烤12分鐘(高于軟烘烤溫度，但不要太高，否則光刻膠會(huì)流動(dòng)并破壞圖案)目的：一、完全蒸發(fā)光刻膠中的溶劑，避免污染后續(xù)的離子注入環(huán)境(如DNQ酚醛樹脂光刻膠中的氮?dú)鈺?huì)導(dǎo)致光刻膠局部爆裂，使光刻膠顆粒分散在硅片表面)二、硬化薄膜，提高光刻膠質(zhì)量。c .進(jìn)一步增強(qiáng)光刻膠與硅片表面的附著力；硬膜烘焙(后烘焙、硬烘焙)和后烘焙；硬烘焙)，43。烘焙時(shí)間和溫度仍然是主要的工藝參數(shù)，通常由制造商推薦。工藝工程師準(zhǔn)確地調(diào)整了常見問題：a .欠平衡。降低光刻膠的強(qiáng)度(抗蝕刻能力和離子注入中的阻擋

13、能力)；降低對基材的附著力。b，過度烘烤(過度烘烤)。光致抗蝕劑的流動(dòng)導(dǎo)致圖形精度和分辨率降低。44，顯影檢查光刻工藝的第一次質(zhì)量檢查，在任何工藝之后，都應(yīng)該進(jìn)行檢查，并且通過檢查的晶體園流入下一個(gè)工藝，并且未通過顯影檢查的晶體園可以被返工并重新曝光和顯影。顯影檢查的內(nèi)容包括圖形尺寸偏差、圖形定位不準(zhǔn)確、表面問題(光刻膠污染、孔洞或劃痕)、污漬和其他表面不規(guī)則性等。，8。開發(fā)后檢查，45。通過圖案檢查的硅片將被移除。光刻膠返工的模式是暫時(shí)的。蝕刻和注射后的圖案是永久性的。光刻可以在蝕刻和注射后重新加工。46.光刻技術(shù)的主體是光刻機(jī)(曝光機(jī)、對準(zhǔn)機(jī))，光刻機(jī)是將掩模版上的圖案與前道工序刻在硅片上

14、的圖案對準(zhǔn)，然后將硅片表面的光刻膠曝光，實(shí)現(xiàn)圖案復(fù)制的設(shè)備。分辨率：這是可以曝光的最小特征尺寸。一般來說，能夠被分辨并能保持一定尺寸公差的最小特征尺寸的物理極限分辨率是/2。2.套印精度：它是層間圖形對準(zhǔn)偏差的一種統(tǒng)計(jì)度量，主要取決于光刻系統(tǒng)的圖形定位和支撐平臺(掩模和硅片)的運(yùn)動(dòng)控制精度。要求套印精度的上限不超過分辨率的1/51/3。3.成品率是指每小時(shí)可加工的硅片數(shù)量，是衡量光刻系統(tǒng)性能的重要指標(biāo)，直接決定了集成電路芯片的制造成本。如圖所示，有兩種類型的光刻機(jī)，光學(xué)光刻機(jī)和非光學(xué)光刻機(jī)。光學(xué)光刻使用紫外線作為光源，而非光學(xué)光刻使用電磁波譜的其他成分作為光源。光刻機(jī)的主要部件：曝光光源、光學(xué)

15、系統(tǒng)和支撐定位平臺。曝光光源一般要求：短波長(較短的波長，較小的可曝光特征尺寸)，高強(qiáng)度(為了保持適當(dāng)?shù)钠毓鈺r(shí)間)和高穩(wěn)定性光源：高壓汞燈準(zhǔn)分子激光x光電子束，49。汞燈光源是可見光和近紫外波長的有效照射源。曝光光源是初始紫外波段的多波長汞燈光源。50，為了獲得更高的清晰度，光致抗蝕劑被設(shè)計(jì)成僅與汞燈光譜中的窄波長光(稱為深紫外區(qū)或DUV)反應(yīng)。準(zhǔn)分子激光器是深紫外(DUV，波長范圍180納米330納米)波段最亮的光源。主要優(yōu)點(diǎn)：輸出光波短，強(qiáng)度高，圖案曝光可以用幾個(gè)脈沖完成。目前，主流技術(shù)采用深紫外波段的KrF準(zhǔn)分子激光源和ArF準(zhǔn)分子激光源，正在研制波長為157nm的F2準(zhǔn)分子激光源和波長小于100nm的EUV光源。EUV:極紫外光刻，VUV :真空紫外光刻，52，53，下一代光源：非光學(xué)光刻技術(shù)，X射線光刻電子束(Ebeam)光刻離子束，54，曝光方法，由于曝光光源不同，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，由于掩模的位置不同，可以分為接觸曝光、接近曝光和投影曝光。曝光方法：是由光源發(fā)出的光通過掩模將圖案轉(zhuǎn)移到光致抗蝕劑膜上，例如投影曝光。另一種是將光源聚集成非常細(xì)的光束，并