第5讲-光刻

微机电系统制程Microfabricationtechnology第五讲：光刻梁庆乔大勇课程内容光刻A.概述B.预烘C.涂胶D.软烘E.对准F.曝光剥离G.中烘H.显影I.坚膜J.镜检K.去胶L.剥离光刻-概述光刻-概述制作西北工业大学微/纳米系统实验室“LOGO”的工艺流程光刻-概述光刻-概述光刻-预烘预烘(DehydrationBake)又称脱水烘焙，通常伴随有“打底膜”工艺。目的都是为了增强硅片与光刻胶之间的粘附性脱水烘焙：目的是除去吸附在硅片表面的大部分水汽。硅片表面的水汽会大大降低光刻胶的粘附性。脱水烘焙一般是在400度的对流烘箱中进行。采用扩散炉烘焙则需要在800度的温度下进行烘焙。打底膜：脱水烘焙以后，可以立即采用六甲基二硅胺烷(HMDS)进行对硅片进行成膜处理，进一步提高硅片对光刻胶的粘附性，HMDS起到了粘附促进剂的作用。粘附性不好显影后产生浮胶光刻-预烘如果不进行脱水，则光刻胶是和硅片表面的水膜接触，而不是和硅片接触，黏附效果就比较差。光刻-预烘HydrophilicHydrophobic90℃60-90秒150-250℃60-90秒光刻-预烘编号光刻胶属性脱水烘焙条件1名称BP212正胶温度450℃黏度37CP时间15分钟2名称BP218正胶温度900℃黏度300CP时间15分钟光刻胶粘度的单位是CP，为英文CentiPoise的缩写，中文名称为厘泊，换算成国际单位为10-3Pa·S。由于HMDS有毒，本实验室没有专门的设备打底膜，所以脱水烘焙是采用扩散炉在高温下进行的。光刻-涂胶预烘完成后，硅片要立即采用旋转涂胶的方法涂上光刻胶。硅片被固定在一个真空载片台上。然后将一定数量的光刻胶滴在硅片的中心，然后硅片旋转得到一层均匀的光刻胶涂层。不同的光刻胶要求不同的旋转涂胶条件。例如最初慢速旋转(500rpm)，接下来以一定加速度使转速达到3000rpm以上。光刻胶应用的重要质量指标是时间、速度、厚度、均匀性、颗粒沾污以及光刻胶缺陷等，如针孔。光刻-涂胶#1预涂(lowspeed,hundredsofRPM)将光刻胶在硅片上匀开(65-85％solventbeforespincoating)#2加速(veryfast)，通常在零点几秒的时间加速到数千RPM，对于旋涂厚度的均匀性非常关键(solventsbeginevaporating)#3涂覆(thousandsofRPM)，恒速，速度决定胶厚，时间决定残余溶剂的百分比含量(20-30%solventafterspincoating)#4去边，速度是恒速旋涂的数倍，在一定程度上消除边珠(Edgebead)光刻-涂胶预涂加速涂覆AllowthephotoresisttospreadacrossthewaferRapidlyramp-upthecoaterspinspeedthrowingoffexcessphotoresistSpinathighconstantspeedtoformathindryfilmofphotoresist光刻-涂胶EdgeBead–residualridgeinresistatedgeofwafer–canbeupto20-30timesthenominalthicknessoftheresist–radiusonwaferedgegreatlyreducestheedgebeadheight–non-circularwafersgreatlyincreasetheedgebeadheight–edgebeadremoversaresolventsthatarespunonafterresistcoatingandwhichpartiallydissolveawaytheedgebead–Spinprogrammingcanreducetheedgebead光刻-涂胶AirBubbles（气泡）~滴胶时候产生的气泡在涂胶后不能消散。滴胶应该将滴管吸满，防止滴胶时候半空气/半胶的混合物形成气泡Commets（彗尾）~涂胶速度或加速度过高，SpinBowl排气速率太快，滴胶和涂胶之间的时间间隔太长，或者是涂胶前硅片上有厚度大于胶厚的颗粒Swirl（漩涡）~SpinBowl的排气量过大，涂胶速度或加速度过高AirbubblesCommets,StreaksorFlaresSwirl光刻-涂胶PinHoles（针孔）~胶中或硅片上有杂质。每次滴胶完毕后，避免将滴管上的余胶抹在胶瓶瓶口，以免其干燥脱落后在胶中形成杂质。UncoatedArea（不完全覆盖）~滴胶量过少Striation(彩色条纹)~光刻胶溶剂挥发速率沿硅片径向分布不均匀，造成光刻胶厚度在径向上不均匀分布，需要优化涂胶速度和加速度来改善PinholesUncoatedAreaStriation光刻-涂胶ThePRthicknessdependsonresisttype,viscosityandspinspeedViscositycontrolledbyfractionofsolidinsolventAhigherviscosityresistishardertobethrownoffAhigherspeedmakesresistthinnerϖ2:kPthicknessformulaEmpirical=−P=%solidsinresistω=angularvelocityk=constantinmicrons/sec0.5光刻-涂胶BP系列正教和BN系列负胶最初由北京化学试剂研究所开发，现在转由科华微电子负责经营公司名称：北京科华微电子材料有限公司公司地址：北京市顺义区天竺出口加工区竺园路4号联系电话：[phone]传真：[phone]网址：：[e-mail]技术支持：光刻-涂胶国产光刻胶的工艺参数需要自行摸索，不能过于依赖产品说明书上给出的参数按照上述涂胶参数得到的软烘前BP212厚度为1.6微米，BP218厚度为5.2微米光刻-涂胶AZPhotoresist,MicroChemicals,Germany光刻-涂胶AZPhotoresist,MicroChemicals,Germany光刻-软烘软烘(Soft-bake)的作用是：将光刻胶的溶剂去除增强光刻胶的粘附性以防止在显影的时候脱落缓和在光刻胶旋涂过程中产生的内应力，并使光刻胶回流平坦化防止光刻胶粘到光刻机或光刻版上（保持器械洁净）如果不经过软烘直接曝光，则容易出现以下问题：光刻胶发黏而易受颗粒污染旋涂造成的内应力导致粘附力差溶剂含量过高导致在显影时的溶解差异，很难区分曝光和未曝光的光刻胶光刻胶散发的气体可能会玷污光学系统透镜光刻-软烘热板软烘需要热板的表面非常平整以保证传热均匀性软烘的温度通常在80～90℃，时间一般为1分钟热量自下向上传导，更加彻底底挥发胶膜内溶剂需时间更少，更利于自动化光刻-软烘对流烘箱软烘表层光刻胶的溶剂先挥发，会在胶膜表面形成一层硬膜，导致内部的溶剂不易逸出必须缓慢加热以免挥发不出的溶剂形成气泡并破裂则温度为90～100℃，时间要数分钟到几十分钟光刻-软烘Cee100CB涂胶/热板一体机的三种接触方式：1)软接触，靠重力将基底落在热板上，传热不均匀，适合于比较平整的基底2)硬接触，靠真空吸附力将基底吸附在热板上，传热均匀，适合于比较平整的基底3)接近接触，使用氮气将基底托起到距离热板25～100微米的高度，适合于不平整基底、背面有图形的基底或厚胶需要缓慢加热的软烘。SoftContactHardContactProximity光刻-软烘软烘能够将光刻胶中的溶剂含量由20-30%降低到4-7%，光刻胶的厚度会减少10-25%。软烘温度和时间的控制，不但会影响光刻胶的固化，更会影响光刻胶曝光及显影的结果。烘烤不够：除了光刻胶粘附性较差以外，曝光的精确度也会因为溶剂含量过高使光刻胶对光不敏感而变差。太高的溶剂浓度将使得显影液对“曝过光”与“未曝光”的光刻胶选择性下降，导致图案转移不好。烘烤过度：会使光刻胶变脆而使粘附性降低。同时会使部分PAC发生反应，使光刻胶在曝光时对光的敏感度变差，并使得显影延长甚至变得较为困难。注意！光刻-软烘光刻-对准光刻-对准光刻-对准后次版为大面积不透光时，不透光的十字和大面积区前次版十字后次版为大面积透光时的不透光十字明场版和暗场版对准标记的画法光刻-对准精缩版对准标记位置划片槽重复单元对准标记70毫米光刻版两标记设在距中心35毫米，面积为52毫米区域内初缩版对准标记位置光刻-对准光刻版上标记基片上标记XθZY光刻-对准BackSide光刻-对准光刻版上标记CCD摄象机承片台上无基片，片台下的CCD摄象机记录光刻版上的对准标记并在显示器上显示显示器光刻版上标记CCD摄象机承片台上有对准标记向下的基片，片台下的CCD摄象机拾取基片下面的对准标记并在显示器上与光刻版的标记对准，之后将光刻版上的图形曝光在基片的另一面。XθZY标记图形向下面的基片显示器光刻-曝光UV波长(nm)波长名UV发射源436G线汞灯405H线汞灯365I线汞灯248深紫外(DUV)KrF准分子激光193深紫外(DUV)ArF准分子激光157真空紫外(VUV)F2准分子激光我们的光刻机SUSSMA6250nm400nm光刻-曝光接触式接近式投影式光刻-曝光投影式光刻-曝光光刻-曝光光刻-曝光PAC(PhotoactiveComponent)光刻-曝光光刻-曝光Resistresponsecurve光刻-曝光Dλα22.1=衍射极限对光刻分辨率的限制光刻-曝光Resistresponsecurvevs.resistprofile光刻-曝光Contrast光刻-曝光光刻-曝光光刻-曝光光刻-曝光exposuretime:3sexposuretime:9sexposuretime:7.5sexposuretime:6s光刻胶——shipleyS1822，膜厚约３um曝光时间的影响光刻-曝光Surfacereflection-Standingwave驻波现象是光刻中光刻反射和干涉作用的结果。如果反射硅片表面上光刻胶用单色光曝光，那么入射光照到光刻胶并通过光刻胶层后被硅片反射。驻波表征了入射光波和发射光波之间的干涉，这种干涉引起了随光刻胶厚度变化的不均匀曝光。曝光后，光刻胶侧面是由过曝光和欠曝光而形成的条纹。驻波降低了光刻胶成像分辨率。使用抗反射涂层(ARC)直接用于反射材料的表面来减小光刻胶的驻波效应。添加染料帮助阻止光波的反射。中烘能够减少光刻胶驻波条纹的宽度。光刻-曝光曝光是光刻工艺中最关键，也是最复杂的一步工艺，它的工艺结果很大程度依赖与光刻工艺中的其他步骤的结果。曝光的重要参数是曝光方式，曝光强度与时间。常用的正性光刻胶BP212的曝光参数低真空接触，曝光强度7.5mw/cm2，曝光时间12s曝光的重要质量指标是线宽分辨率、颗粒和缺陷。光刻胶的厚度,包括片内均匀性和片间均匀性.前烘的工艺条件,前烘温度与时间.需要得到的线宽及尺寸容差.显影过程中显影液的浓度,温度,显影时间,是否搅拌等.选择与前段工艺兼容的中烘条件.下一步刻蚀工艺的选择，例如湿法刻蚀，RIE影响曝光参数的选择光刻-中烘PEB中烘(PostExposureBake,PEB)目的：减轻驻波效应，在曝光之后立刻进行条件：90～120℃，60～90秒（热板）关键参数：温度和时间光刻-显影正胶显影液一般是碱性溶液(TMAH四甲基氢氧化氨,NaOH,KOH)显影完成后用DI水冲洗5分钟左右负胶显影液一般是有机溶剂(如二甲苯).显影完成后必须采用有机溶剂进行冲洗(如乙醇),切忌不能用水冲洗.由于显影液对光刻胶有溶解作用,特别是对正胶,因此必须控制好显影时间,显影时间最好控制在一分钟以内.显影,用化学显影液溶解掉由曝光造成的光刻胶的可溶解区域,主要目的就是把掩膜版图形准确复制到光刻胶中.显影的几种方式1.浸没式