光刻工艺流程

光刻工艺流程LithographyProcess摘要：光刻技术（lithographytechnology)是指集成电路制造中利用光学—化学反应原理和化学，物理刻蚀法，将电路图形传递到单晶表面或介质层上，形成有效图形窗口或功能图形的工艺技术。光刻是集成电路工艺中的关键性技术，其构想源自于印刷技术中的照相制版技术。光刻技术的发展使得图形线宽不断缩小，集成度不断提高，从而使得器件不断缩小，性能也不断提利用高。还有大面积的均匀曝光，提高了产量，质量，降低了成本。我们所知的光刻工艺的流程为：涂胶→前烘→曝光→显影→坚膜→刻蚀→去胶。Abstract:Lithographytechnologyisthemanufactureofintegratedcircuitsusingoptical-chemicalreactionprincipleandchemical,physicaletchingmethod,thecircuitpatternistransferredtothesinglecrystalsurfaceorthedielectriclayertoformaneffectivegraphicswindoworfunctiongraphicstechnology.Lithographyisthekeytechnologyinintegratedcircuittechnology,theideaoriginatedinprintingtechnologyinthephotolithographicprocess.Developmentoflithographytechnologymakesgraphicswidthshrinking,integrationcontinuestoimprove,sothatthedevicescontinuetoshrink,theperformanceisalsorising.Thereareevenalargeareaofexposure,improvetheyield,qualityandreducecosts.Weknowlithographyprocessflowis:PhotoresistCoating→Softbake→exposure→development→hardbake→etching→StripPhotoresist.关键词：光刻，涂胶，前烘，曝光，显影，坚膜，刻蚀，去胶。KeyWords:lithography,PhotoresistCoating,Softbake,exposure,development,hardbake,etching,StripPhotoresist.引言：光刻有三要素：光刻机；光刻版（掩模版）；光刻胶。光刻机是IC晶圆中最昂贵的设备，也决定了集成电路最小的特征尺寸。光刻机的种类有接触式光刻机、接近式光刻机、投影式光刻机和步进式光刻机。接触式光刻机设备简单，70年代中期前使用，分辨率只有微米级，掩模板和硅片直接接触，使得掩膜版寿命短。接近式光刻机距硅片表面约10微米，掩膜版拥有更长的寿命，分辨率大于3μm.投影光刻机类似于投影仪，掩模与硅片之间增加一透镜，掩模与硅片1：1，分辨率大约在1微米左右。步进光刻机在IC中是最流行的，它具有高分辨率（0.25微米或以下），掩膜图形尺寸5X：10X能够得到更好的分辨率，但他的曝光时间是5X的四倍；步进光刻机的价格是最昂贵的。掩模版包含了对于整个硅片来说确定一工艺层所需的完整管芯阵列。其中的光刻胶主要由基体（树脂）、感光剂（聚乙烯醇肉桂酸脂）、溶剂（环己酮）、增感剂（5-硝基苊）等不同的材料按一定比例配制而成。其中树脂是粘合剂(Binder)，感光剂是一种光活性(Photoactivity)极强的化合物，它在光刻胶内的含量与树脂相当，两者同时溶解在溶剂中，以液态形式保存，以便于使用。光刻胶分为正胶和负胶；正胶在显影时，感光部分溶解，未感光部分不溶解；负胶显影时感光部分不溶解，不感光部分溶解。正胶的光敏度和抗腐蚀能力都大于负胶。而光刻胶的作用是在刻蚀（腐蚀）或离子注入过程中，保护被光刻胶覆盖的材料。高分辨率，高灵敏的光刻胶，低缺陷和精密的套刻对准是ULSI对光刻的要求。要达到这样的要求就必须在光刻的每一个流程都严格把关，这里分别简单讲讲光刻工艺的各个流程。1.涂胶（PhotoresistCoating）涂胶的目的是在硅片表面形成厚度均匀，附着性强，并且没有缺陷的光刻胶薄膜。涂胶作为光刻工艺的第一步，涂胶的好坏直接决定了之后光刻能否正常进行。涂胶前的Si片是需要处理的以便于光刻胶能更好的附着在上面。由于光刻胶的疏水性，所以Si片首先需要脱水烘培去除水分。然后使用HMDS(六甲基乙硅氮烷)或TMSDEA(三甲基甲硅烷基二乙胺)作增粘处理。对涂胶的要求：粘附良好，均匀，薄厚适当。若胶膜太薄，则会导致针孔多，抗腐蚀性差；若太厚，则分辨率低。涂胶的方式有：浸涂，喷涂，旋涂。其中旋胶工艺步骤：将光刻胶溶液喷洒到硅片表面上；加速旋转托盘（硅片），直至达到需要的旋转速度；达到所需的旋转速度后，保持一定时间的旋转（甩胶）。光刻工艺中一般采用旋胶，旋转涂胶工艺的示意图如下：2.前烘（Softbake）由于在液态的光刻胶溶剂的成份占65%—85%，甩胶后光刻胶变成固态薄膜但仍含有10%—30%的溶剂，容易粘污灰尘。所以涂胶以后的硅片，需要在一定的温度下进行烘烤，一步骤称为前烘。而前烘的目的是促进胶膜内溶剂充分挥发，使胶膜干燥；增加胶膜与SiO2(Al膜等)的粘附性及耐磨性。另外光刻胶的显影速度受光刻胶中溶剂含量的影响。如果溶剂含量过高，显影时光刻胶的溶解速度就比较快，容易导致浮胶，图形也易变形；但是，并不是要去除光刻胶中的所有溶剂，光刻胶中需要剩余一定的溶剂，以便于使感光剂重氮醌转变为羧酸。这就要求前烘的时间和温度都需要严格地控制。如果前烘温度太低，或时间过短，除了光刻胶层与硅片表面的黏附性变差之外，曝光的精确度也会因为光刻胶中的溶剂的含量过高而变差。另外，显影时也易浮胶，图形易变形。如果温度过高，时间过长，光刻胶层黏附性也会因为光刻胶变脆而降低。而且，过高的烘培温度会使光刻胶中的感光剂发反应，这会使光刻胶在曝光时的敏感度变差，增感剂挥发，导致显不出图形。前烘的方式一般有：烘箱对流加热，红外线辐射加热，热板传导加热。在ULSI工艺中，常用的前烘方法是真空热平板烘烤。这种方法方便控制温度，还可以保证加热均匀。平板烘烤还可以解决光刻胶表面粗糙的问题。3.曝光（Exposure）光刻胶在经过前烘之后，原来为液态的光刻胶在硅片表面上固化，这样就可以进行曝光。曝光方式有接触式，接近式和投影式。接触式硅片与光刻版紧密接触，光衍射效应小，分辨率高，但对准困难，易摩擦，是光刻版图形变形，光刻版寿命短且成品率低。接近式硅片与光刻版保持5—50μm间距，光刻版不易损坏，光衍射效应严重，分辨率低，线宽大于3μm。投影式曝光利用光学系统，将光刻版的图形投影在硅片上，光刻版不受损伤，对准精度也高，但光学系统复杂，对物镜成像要求高，一般用于3μm以下光刻。目前常见的曝光有光学曝光（紫外、深紫外），X射线曝光，电子束直写式曝光。投影式曝光分类：扫描投影曝光（Scanningprojectionexposure）,70年代末～80年代初，大于1μm工艺；掩膜版1：1全尺寸。步进重复投影曝光（Stepping-repeatingprojectionexposure）,80年代末～90年代，0.35μm～0.25μm（DUV）。掩膜版缩小比例（4：1），棱镜系统的制作难度增加。扫描步进投影曝光（Scanningstepperprojectionexposure），90年代末至今，用于小于0.18μm工艺，增大了每次曝光的视场，提供硅片表面不平整的补偿，提高了整个硅片的尺寸均匀性；但同时需要反向运动，增加了机械系统的精度要求。需要注意的是在进行曝光时会发生驻波效应，导致曝光的线宽发生变化。为了减弱驻波效应往往在光刻工艺中使用抗反射涂层（ARC）工艺。利用ARC吸收折射进入ARC的光线，以及根据曝光所使用的波长使ARC与折射进入ARC的光波相匹配，可以降低ARC反射到光刻胶中的光线强度。ARC的制作方法一般有物理气相淀积（PVD）和化学气相淀积（CVD）.4.显影（Development）曝光之后需要进行后烘，短时间的后烘可以促进光刻胶的关键化学反应，提高光刻胶的粘附性并减少驻波，然后就可以进行显影。显影是将未感光的负胶或感光的正胶溶解去除，显现出所需的图形。正胶显影液是含水的碱性显影液，如KOH、TMAH（四甲基氢氧化胺水溶液）等。负胶显影液是一种有机溶剂，如丙酮、甲苯等。进行显影的方式有很多种，如：浸入式显影，混凝显影，喷洒显影等。目前应用最广泛的是喷洒方法。这种显影可分为三步：硅片被置于旋转台上，并且在硅片表面上喷洒显影液；然后硅片将在静止的状态下进行显影；显影完成后，需要经过漂洗，之后在旋干。漂洗和旋干是为了去除残留在硅片上的显影液。喷洒显影的优点是它可以满足工艺流水线的要求，提高生产效率。显影之后，一般要通过光学显微镜，扫描电子显微镜或者激光系统来进行显影检验；目的是区分哪些有很低可能性通过最终掩膜检验的晶圆，提供工艺性能和工艺控制数据，以及分拣出需要重做的晶圆。而影响显影效果的因素主要有：曝光时间，前烘的温度与时间，胶膜的厚度，显影液的浓度以及显影液的温度等。显影时间太短，可能留下光刻胶薄膜层，从而阻挡腐蚀二氧化硅或金属，形成氧化层“小岛”。时间太短，光刻胶软化、膨胀、钻溶、浮胶，导致图形边缘破坏。5.坚膜（HardBake）硅片在经过显影之后，需要经历一个高温处理过程，简称坚膜。坚膜的主要作用是去除光刻胶中剩余的溶剂，增强光刻胶对硅片表面的附着力，同时提高光刻胶在刻蚀和离子注入过程中的抗蚀性和保护能力。通常坚膜的温度要高于前烘和曝光后烘烤温度，也称为光刻胶的玻璃态转变温度。坚膜的方法有：（1）恒温烘箱法（180—200℃，30min左右）；（2）红外灯照射（照射10min，距离6cm）。如果坚膜不足，则腐蚀时易浮胶，易侧蚀；如果坚膜过度，则胶膜热膨胀导致翘曲，剥落，腐蚀时易浮胶或钻蚀。若温度超过300℃，则光刻胶分解，失去抗腐蚀能力。在坚膜之后还需要对光刻胶进行光学稳定，光刻胶的光学稳定是通过紫外光辐照和加热来完成的。通过光学稳定，使光刻胶在干法刻蚀过程中的抗腐蚀性得到增强，进而提高刻蚀工艺的选择性；而且还可以减少在注入过程中从光刻胶中逸出的气体，防止在光刻胶层中形成气泡。6.刻蚀(Etching)在微电子制造工艺中，光刻图形必须最终转移到光刻胶下面组成器件的各薄膜层上，这种图形的转移是采用刻蚀工艺完成的，经过刻蚀的图形就永久留在晶圆的表层。刻蚀工艺分为两大类：湿法和干法刻蚀。无论哪一种方法，其目的都是将光刻掩模版上的图形精确地转移到晶圆表面。同时要求一致性、边缘轮廓控制、选择性、洁净度都符合要求。湿法刻蚀具有各向同性腐蚀的特点，工艺简单，腐蚀选择性好；但钻蚀严重（各向异性差），难于获得精细图形，且刻蚀3μm以上的线条，所以现在一般不采用湿法刻蚀。Si的湿法刻蚀：Si+HNO3+HF→H2[SiF6]+HNO2+H2O+H2现代光刻技术最常用的刻蚀工艺为干法刻蚀，其各向异性腐蚀强，分辨率高，能刻蚀3μm以下线条。干法刻蚀有三种类型，分别为：（1）等离子体刻蚀：化学性刻蚀；刻蚀气体经辉光放电后，成为具有强化学活性的离子及游离基——等离子体。等离子体活性基团与被刻蚀材料发生化学反应。选择性好，各向异性差。所用的刻蚀气体有：CF4、BCl3、CCl4、CHCl3、SF6等。（2）溅射刻蚀：纯物理刻蚀；等离子体轰击被刻蚀的材料，使其被撞原子飞溅出来，形成刻蚀。其各向异性好，选择性差；刻蚀气体为惰性气体。（3）反应离子刻蚀（RIE）:结合（1）、（2）；各向异性和选择性兼顾；刻蚀气体与等离子体刻蚀相同。Si的干法刻蚀：Si+F¯→SiF4